L’essentiel TSTI2D CHAP 1 Energie solaire et habitat
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. Quels sont les dispositifs qui utilisent l’énergie solaire ? (H46) ; Quels sont les transferts mis en jeu ? (H47)
Notre étoile, le Soleil, produit une énergie considérable. Seule une petite partie de cette énergie atteint la surface Terrestre. On peut montrer, à l’aide de la loi de Stefan (voir 1ère STI2D), que dans les conditions optimales d’ensoleillement la puissance solaire reçue est d’environ 1000 W/m2 de surface (c'est-à-dire 1000 J par seconde et par m2 de surface). Cette énergie peut être convertie en énergie utilisable ou « utile » grâce aux dispositifs suivants :LEGENDE : en : convertisseur d’énergie
en : type de transfert d’énergie
Type de dispositif Transfert d’énergie Rendement
Panneau solaire thermique
~ 40 à 70%
Les capteurs de type « tubes » sont globalement plus performants que les capteurs vitrés
voir ICI
Panneau photovoltaïque ~ 10 à 20%
Typiquement, un panneau recevant un ensoleillement de 1000 W/m2 délivre 120 à 150 W/m2 : c’est sa
« puissance crête ».
Remarque : il existe d’autres dispositifs utilisables dans le domaine de l’habitat, et notamment :
- le mur à accumulation d’énergie ou le « mur trombe » (voir principe ci-contre) sont des dispositifs capables de stocker la chaleur pendant une journée bien ensoleillée. Le mur peut ensuite restituer cette énergie au logement : c’est le principe d’un poêle à accumulation d’énergie plus couramment appelé « poêle de masse ». Ces dispositifs sont encore peu utilisés dans l’habitat.
Pour en savoir plus sur le sujet et comprendre les différences entre le mur trombe et le mur à accumulation d’énergie :
http://www2.ademe.fr/servlet/KBaseShow?sort=-1&cid=96&m=3&catid=15040
2
. Du modèle corpusculaire de la lumière à l’effet photoélectrique (H48)
La lumière, phénomène ondulatoire, présente aussi un aspect « corpusculaire » car des expériences montrent que la lumière peut arracher des électrons à la matière.On appelle « photon » un grain de lumière. Chaque photon possède une énergie E proportionnelle à sa fréquence υ.
h = 6,62. 10-34 J.s υ : fréquence en Hertz(Hz)
E
en Joules (J)Plus la fréquence du photon est élevée (et la longueur d’onde petite puisque λ = c/ υ) plus l’énergie est importante.
Complément : une cellule photovoltaïque est constituée de silicium. Pour un atome de silicium, si l’énergie du photon est supérieure à une certaine valeur*, un électron est capable d’être arraché à l’atome devenant ainsi un électron de conduction. En pratique les électrons sont guidés par une jonction PN (zone N : excédentaire en électrons ; zone P : déficitaire en électrons).
* L’énergie du photon doit être supérieure à 1,12 eV, c'est-à-dire 1,79.10-19 J, ce qui correspond à une longueur d’onde inférieure à 1100 nm (ce qui inclut le domaine visible qui est compris entre 400 nm et 800 nm)
Q (chaleur) : UTILE
So leil
Fluide caloporteurSo leil
WE (énergie élect.) : UTILE 1000 W/m2 de panneau
1000 W/m2 de panneau
500 W/m2 de panneau
150 W/m2 de panneau
E = h. υ
WR : par rayonnement ;
Q : par conduction et convection
3
. De la cellule photovoltaïque au panneau (ou module) photovoltaïque (H49)
①
Bilan de puissance d’une cellule (ou d’un panneau) photovoltaique
D’une manière générale, le rendement d’un dispositif est lequotient de ce qui est produit sur ce qui est reçu. Pour une cellule photovoltaique de surface donnée S, le rendement η est donc :
sans unité
en Watts
Exemple : si un panneau d’un m2 reçoit 1000 W d’énergie lumineuse et qu’il produit au maximum 150 W, son rendement est 0,15 (15%).
Pour déterminer expérimentalement le rendement d’une cellule (ou d’un panneau), il faut déterminer les 2 puissances ci-dessus.
Une cellule photoélectrique (voir ci-contre) comporte une borne rouge et une borne noire car elle se comporte comme un générateur lorsqu’elle est éclairée.
En pratique, on réalise le montage ci-dessous. Pour un éclairage donné et stable sur la cellule (représentée par le symbole de la pile), on relève différents couples de valeurs (U, I) en faisant varier la résistance variable (en bleu).
a) Détermination de la puissance électrique maximale
On obtient, par exemple, les valeurs suivantes pour une cellule :
U (V) 2,2 2,15 2,1 2,05 1,97 1,88 1,8 1,5 1,0 0,50 0 I (A) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,45 0,455 0,46 0,465 0,47 0,47 P (W) 0 0,215 0,42 0,615 0,788 0,846 0,819 0,69 0,465 0,235 0 On trace les caractéristiques I=f(U) et P=f(I) :
On constate que la puissance est maximale (graphe n°2) pour un point particulier (en rouge). On peut ainsi relever l’intensité correspondante (I = 0,45 A) puis, à l’aide du graphe 1, la tension de correspondante (U = 1,88 V). Ce point particulier est parfois appelé point typique de fonctionnement.
Remarque : Parmi les caractéristiques données par les constructeurs de panneaux, on trouve souvent les valeurs numériques correspondant à : ICC (intensité de court –circuit quand R = 0) ; UCO (tension à circuit ouvert quand R = infini (absence de résistance)) b) Détermination de la puissance lumineuse reçue
On peut en faire une estimation grâce aux lois de la photométrie (CHAP 11 de 1ère STI2D)
②
De la cellule au panneau
Un panneau photovoltaïque est constitué de cellules associées en série et en parallèle. Prenons l’exemple (ci-contre) d’un panneau constitué de 2 branches en parallèle de 4 cellules en série chacune. Supposons qu’une fois éclairée la tension aux bornes d’une cellule soit égale à 1,88 V et que l’intensité débitée soit 0,45 A.
En appliquant les lois de l’électricité vues en 1ère STI2D, on peut dire que l’intensité dans une branche donnée (la bleue ou la rouge) vaut 0,45 A. Elle vaut 0,90 A dans la partie verte car les intensités s’ajoutent (loi des nœuds) ; La tension aux bornes de chacune des branches vaut 4x1,88 = 7,52V (loi d’additivité des tensions) et vaut également 7,52 V aux bornes de l’ensemble (branches en parallèles) Capacités exigibles
H46 Citer les modes d'exploitation de l'énergie solaire au service de l'habitat.
H47 Schématiser les transferts et les conversions d'énergie mises en jeu dans un dispositif utilisant l'énergie solaire dans
l'habitat ; donner des ordres de grandeur des échanges.
H48 Interpréter les échanges d'énergie entre lumière et matière à l'aide du modèle corpusculaire de la lumière.
H49 Mettre en œuvre une cellule photovoltaïque.
Effectuer expérimentalement le bilan énergétique d'un panneau photovoltaïque.
ICC
η =
I(A)
U(V) I(A)
P(W)
1
2
UCO
