Habitat Chapitre 1 : Energie solaire et habitat
I. L’énergie dans l’habitat
1. Le potentiel énergétique du Soleil sur Terre.
Activité 1 :
1. énergie = puissance x temps (E = P x t) 2. E = 85 x (365 x 24) = 744 600 Wh ≈ 750 kWh 3. Edispo = 550x109 x 130 = 71,5x1012 kWh/an Econso = 170x106 x 11 630 ≈ 2x1012 kWh/an
L’énergie disponible est 35 fois supérieure à l’énergie consommée en France.
2. Solutions dans l’habitat Activité 1 page 10 :
1. L’énergie à l’entrée d’un panneau photovoltaïque est de l’énergie solaire et l’énergie en sortie est de l’énergie électrique.
2. L’onduleur convertit la tension la tension continue en tension alternative.
3. Un capteur solaire thermique permet la production d’eau chaude sanitaire (ECS).
4. E = 800 x (2 x 365) = 584 kWh
II. Le panneau solaire thermique
1. Composition d’un capteur solaire thermique Un capteur solaire thermique est constitué : - d’un caisson isolant ;
- d’une vitre en verre qui ferme le caisson et piège le rayonnement lumineux par effet de serre ;
- d’une feuille métallique noire qui absorbe le rayonnement du soleil et qui le convertit en énergie interne dans la plaque ;
- d’un fluide caloporteur, en général un mélange eau + glycol, qui voit sa température augmenter du fait du transfert thermique provenant de la feuille métallique.
La performance du capteur dépend de son orientation mais aussi de la qualité du revêtement de la feuille métallique, du vitrage et de son isolation thermique.
Selon l’usage souhaité, chauffage ou eau chaude, et la complexité de l’installation, le fluide restitue directement ou via un échangeur la chaleur emmagasinée. Un tel capteur fournit une énergie de quelques kWh au cours d’une journée ensoleillée.
2. Principe de fonctionnement : le rayonnement thermique
Un corps noir est un objet qui absorbe toute l’énergie lumineuse qu’il reçoit. Lorsqu’il est en équilibre thermique, sa température et son énergie ne varient plus.
Un corps porté à une température T émet un rayonnement électromagnétique. La puissance rayonnée P se calcule par la loi de Stefan :
P : puissance rayonnée en watts (W)
σ : constante de Stefan (σ = 5,67x10-8 W∙m-2∙K-4) S : surface en mètres carrés (m2)
T : température du corps en Kelvin (K)
Cette loi permet de prévoir la température atteinte par la feuille métallique noire qui absorbe le rayonnement solaire.
3. Chaîne énergétique
III. Le panneau solaire photovoltaïque
1. Principe de fonctionnement : interaction lumière-matière
Pour les électrons d’un matériau semi-conducteur, il existe deux bandes d’énergies appelées bande de valence et bande de conduction. Ces deux bandes sont séparées par une bande interdite inaccessible aux électrons. Lorsque le matériau absorbe des photons, les électrons peuvent passer d’une bande à l’autre si l’énergie des photons est suffisamment élevée.
Pour le silicium, l’énergie nécessaire pour faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction, appelée gap, est Eg = 1,12 eV.
Un photon possède une énergie E que l’on peut calculer :
ou
E : énergie du photon en joules (J)
h : constante de Planck (h = 6,63x10-34 J∙s) ν : fréquence du photon en hertz (Hz)
c : vitesse de la lumière dans le vide (c = 3x108 m∙s-1) λ : longueur d’onde du photon en mètres (m)
Si E < Eg, le photon n’est pas absorbé, et le semi-conducteur est dit transparent pour cette longueur d’onde.
Si E ≥ Eg, le photon est absorbé et un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction, et cela génère un courant électrique. L’excédent d’énergie est perdu sous forme thermique.
Les rayonnements visibles et UV fournis par le soleil ont une énergie suffisante pour permettre le passage des électrons de la bande de valence dans la bande de conduction.
2. Chaîne énergétique
3. Caractéristique électrique d’une cellule photovoltaïque (voir TP)
Une cellule photovoltaïque est constituée de plusieurs photodiodes associées en série et en dérivation.
Une photodiode est une diode qui fonctionne en inverse : elle produit un courant électrique qui dépend directement de l’éclairement de la cellule.
SOLEIL
Panneau solaire thermique
Rayonnement Energie thermique
Energie perdue
Fluide caloporteur
Panneau solaire photovoltaïque
Rayonnement Energie électrique
Energie perdue
SOLEIL
Pour une plage de tension comprise entre 0 V et 0,6 V, le courant I débité par la cellule photovoltaïque varie proportionnellement à son éclairement.
Pour un éclairement donné, la puissance P = U∙I délivrée par la cellule photovoltaïque varie de manière importante avec l’intensité du courant débité. La puissance fournie est maximale pour une intensité donnée.
4. Rendement d’une cellule photovoltaïque
Le rendement d’une cellule photovoltaïque est défini par :
η : rendement de la cellule compris entre 0 et 1 (0% ou 100%)
PC : puissance électrique crête (maximale) délivrée par la cellule en watts (W) PL : puissance lumineuse reçue par la cellule en watts (W)
