Comment utiliser lnergie solaire dans lhabitat?

H1- Comment utiliser lnergie solaire dans lhabitat?

Quels sont les diffrents modes dexploitation de lnergie solaire au service de lhabitat?solaire photovoltaque,solaire thermique,Solaire thermodynamique,Mur accumulation dnergieLe mur accumulation dnergieLe mur, plac sur une faade expose sud, accumule lnergie solaire sous forme thermique durant le jour et la restitue la nuit sous forme de rayonnement infrarouge.

Le mur accumulation dnergieSchmatiser les transferts et les conversions dnergie mise en jeu :

Rappel : Un convertisseur dnergie sera reprsent par un rond, la source dnergie par un rectangle et les transferts dnergie par des flches.Mur accumulation dnergieWRRayonnement visible, UV, IR.SOLEILQConduction, convectionRayonnement IR.WRPanneau solaire thermiqueUn fluide caloporteur soumis au rayonnement solaire schauffe. Il circule dans un absorbeur peint en noir (feuille mtallique) plac sous un vitrage.

Le fluide restitue via un changeur, la chaleur emmagasine.

Panneau solaire thermiqueQuel est lintrt dutiliser une surface noire?

proposer une manipulation simple permettant de mettre en vidence le rle de la surface noire.

Panneau solaire thermiqueOn remplit deau deux bouteilles dont une des deux est recouverte de peinture noire.On introduit un capteur de temprature dans chaque bouteille.On claire les bouteilles par une source lumineuse intense et on relve la temprature au cours du temps dans chaque bouteille.

La temprature de leau de la bouteille noir augmente plus vite que la temprature de leau de la bouteille transparente. De plus la temprature maximale atteinte est plus grande.Panneau solaire thermiqueQuel est lintrt dutiliser une surface noire?

De par leur temprature, tous les corps mettent un rayonnement lectromagntique. La puissance de ce rayonnement dpend de la longueur donde et de la temprature du corps. Cette puissance est directement lie la temprature T du corps, sa surface et lmissivit du matriau :

P = ..S.T4

Avec = 5,67.10-8 W. m-2.K-4 constante de Stefan

Panneau solaire thermique P = 5,67.10-8..S.T4

Lmissivit est un coefficient sans unit compris entre 0 et 1. Elle traduit la capacit dun matriau absorber les rayonnements quil reoit et transfrer par rayonnement la chaleur accumule.

Pour un corps noir lmissivit est de 1. Ainsi, la puissance rayonne par unit de surface est maximale P = .S.T4 (loi de Stefan)

Ainsi la feuille mtallique noire absorbe le rayonnement et le convertit en nergie interne dans le capteur. Le fluide caloporteur voit sa temprature augmenter du fait du transfert thermique provenant de la feuille mtallique noire.

Panneau solaire thermiqueApplication : aide: P = 5,67.10-8..S.T4

Une plaque de couleur noire de surface S = 2 m est claire par un rayonnement solaire dune intensit de 1000W.m-. En rgime permanent, la temprature de la plaque donne par le modle du corps noir (=1) vaut :

306 K 91C 45C

Panneau solaire thermiqueA quoi sert le vitrage?

La vitre en verre qui ferme le caisson isolant pige le rayonnement lumineux par effet de serre

Panneau solaire thermiqueA quoi sert le vitrage?

Refaire lexprience prcdente en comparant la temprature dans une bouteille noire et dune bouteille noire place dans un caisson vitr.

Panneau solaire thermiqueSchmatiser les transferts et les conversions dnergie mise en jeu :

Panneau solaire thermiqueWRRayonnement visible, UV, IR.SOLEILQpertesWRFluide caloporteurRendement : Panneau solaire thermiqueApplication :

Plac sur le toit, un capteur de chauffe-eau solaire permet de fournir leau chaude une maison individuelle, dans une rgion bien ensoleille.

Schmatiser la chane nergtique de ce chauffe-eau.

Panneau solaire thermiqueUn essai dutilisation de cet appareil a donn les rsultats suivants:Dbit de leau dans le capteur : D=20 L.h-1Temprature dentre de leau : 1 = 18CTemprature de sortie de leau : 2 = 42CCalculer la quantit de chaleur absorbe par leau circulant dans le capteur pendant une heure (en kJ puis en kWh)

Rappel : Q = m.C. (2 - 1) avec C = 4180 J.Kg-1.C-1 pour leau

Calculer la puissance thermique du chauffe-eau lors de lessai

Panneau solaire thermiqueLa surface du capteur est de 2 m. La puissance solaire disponible pendant la priode dessai est de 800 W.m-:

Dfinir le rendement du chauffe-eauCalculer ce rendement

Solaire thermodynamiqueextrait site http://www.nms-energie-renouvelable.fr

Solaire thermodynamiqueextrait site http://www.nms-energie-renouvelable.frUn fluide frigorigne est envoy travers le panneau solaire thermodynamique. Ce fluide circule dans le panneau et svapore grce la temprature ambiante (temprature produite par le soleil, la pluie, le vent).Le solaire thermodynamique fonction de jour comme de nuit, quelque soit le temps. http://www.nms-energie-renouvelable.fr/realisation-solaire-thermodynamique.6789.107934.html

Solaire thermodynamiqueextrait site http://www.nms-energie-renouvelable.frLe liquide chauff sort du panneau ltat de gaz o il rejoint un compresseur. Cest dans le compresseur que sapplique le principe de la thermodynamique : tous gaz comprims dgagent de la chaleur. Le gaz circule dans un changeur qui va chauffer leau la temprature de 55. Une fois leau chauffe, le gaz sort du serpentin et redevient liquide . Le liquide retourne dans le circuit et le cycle recommence.

Centrale Solaire thermodynamiqueLes centrales solaires thermodynamiques exploite le rayonnement du soleil laide de miroirs orientables qui font converger les rayons solaires vers un fluide caloporteur chauff haute temprature (de lordre de 250 1000 C contre 50C pour une installation solaire thermique!).

Construire un four solaireRecouvrir une vieille parabole de tlvision dune feuille de papier aluminium. Placer lemplacement de la tte de rception un rcipient contenant de leau et un capteur de temprature.Se placer face au soleil et relever la dure ncessaire pour lever la temprature de leau de 10C.

Solaire photovoltaqueNe pas confondre les capteurs solaires thermiques et les modules solaires photovoltaques :

Un capteur solaire thermique produit, partir du rayonnement solaire, de la chaleur qui est restitue par un fluide caloporteur (de leau glycole gnralement).

Un module photovoltaque produit directement de llectricit partir de lensoleillement Il fournit une tension continue. Il est donc ncessaire de lui associer un onduleur qui convertit la tension continue en tension alternative, compatible avec le rseau ERDF.

ACTIVITE PAGE 14-15 du manuel hachette

Solaire photovoltaqueLa lumire La lumire est probablement la partie de la nature que nous rencontrons le plus souvent, mais do vient-elle ?

Les physiciens se sont poss cette question de nombreuses fois dans l'histoire, certains supportant la thorie de Newton, sur la nature corpusculaire de la lumire, et dautres partisans de la thorie de Descartes, sur sa nature ondulatoire. La rponse fut finalement donne par la physique quantique, dfinie par Max Planck en 1900, et galement par Albert Einstein. Cette thorie donne place une dualit assez surprenante, la dualit onde-corpuscule. Solaire photovoltaqueLa lumire La lumire est une onde lectromagntique, compose dun champ lectrique et dun champ magntique, se propageant dans l'espace et le temps. Les ondes lectromagntiques sont caractrises par leur longueur d'onde, , trajet parcouru par l'onde pendant une priode T, et leur frquence, note ou f. = c/ avec c, clrit de la lumire dans le vide

Solaire photovoltaqueLa lumire Le spectre des ondes lectromagntiques en fonction de la longueur donde :

Solaire photovoltaqueLa lumire Exemples dapplication :

Solaire photovoltaqueLa lumire En 1900, Max Planck met lhypothse que les ondes lectromagntiques transportent lnergie par paquets ou grains dnergie appels quantas dnergie.En 1905, Albert Einstein assimile ces quantas dnergie des particules, de masse nulle, non charges appeles photons qui se propagent la vitesse de la lumire.A une onde lectromagntique de frquence sont associs des photons qui transportent chacun une nergie E donne par la relation :

E = h. = h.c/

Avec h = 6,62.10-34 J.s (constante de Planck)

Solaire photovoltaquePrincipe dune cellule photovoltaqueIl existe deux types de cellules photovoltaques : les cellules de silicium cristallin et les cellules en couches minces.

Solaire photovoltaquePrincipe dune cellule photovoltaquePour les lectrons dun cristal silicium (semi-conducteur), il existe deux bandes dnergie appeles bande de conduction et bande de valence.Lnergie ncessaire pour passer un lectron de la bande de valence vers la bande de conduction, appel gap, est Eg = 1,12 eV.

1eV = 1,6.10-19 J

Solaire photovoltaquePrincipe dune cellule photovoltaqueSi lnergie du photon est infrieure Eg, le photon nest pas absorb (le semi-conducteur est transparent pour cette longueur donde)Si lnergie du photon est suprieure Eg (rayonnement visible, UV), un lectron passe de la bande de valence la bande de conduction et cela gnre un courant lectrique. Lexcdent dnergie est perdu sous forme thermique.

Solaire photovoltaquePrincipe dune cellule photovoltaqueApplication 1:

Pour le silicium , le gap vaut Eg = 1,12 eV.Aide : 1 eV = 1,6.10-19 J

Sachant que la constante de Planck vaut h = 6,63.10-34 j.s, la valeur de la longueur donde dans le vide de la radiation lumineuse ncessaire pour faire passer un lectron dans la bande de conduction est gale : 1,1.10-6 m 590 nm 1,12 nm

Solaire photovoltaque Principe dune cellule photovoltaqueApplication 2 :

un flux de photons solaires dnergie voisine de 1,1 eV est compos de 4,5.1017 photons par cm et par seconde.

1.Calculer la puissance P de ce rayonnement en W.m-.

2. En supposant que la conversion photon-lectron est gale 100% dans une cellule photovoltaque, calculer lintensit du courant fourni par une cellule de 1 cm.Panneau solaire photovoltaqueSchmatiser les transferts et les conversions dnergie mise en jeu :

Panneau solaire photovoltaiqueWRRayonnement visible, UV, IR.SOLEILQpertesWRPertes

WEEnergie lectriqueRendement : Panneau solaire photovoltaqueCaractristiques, puissance et rendement dune cellule photovoltaque :

VOIR TP

Panneau solaire photovoltaqueCaractristique lectrique dune cellule photovoltaque :

Gnrateur de courantGnrateur de tensionPanneau solaire photovoltaqueUne cellule photovoltaque lmentaire est une diode qui fonctionne en inverse : elle produit un courant lectrique qui dpend directement de lclairement de la cellule.

Panneau solaire photovoltaqueLa puissance fournie (rappel : P = U.I) est maximale pour une intensit donne. On note cette puissance Pc (puissance crte).

PcI ImaxPanneau solaire photovoltaquePar dfinition, la puissance crte reprsente la puissance maximum fournie par une cellule lorsque lclairement E = 1000W/m, la temprature = 25C et une rpartition spectrale du rayonnement dit AM 1,5. Lunit de cette puissance est le Watt crte, not Wc.

Les constructeurs spcifient toujours la puissance de crte dun panneau photovoltaque. Cependant, cette puissance est rarement atteinte car lclairement est souvent infrieur 1000W/m et la temprature des panneaux en plein soleil dpasse largement les 25C. Panneau solaire photovoltaqueLes cellules sont associes en srie et en drivation pour augmenter la tension et la puissance de sortie.En gnral, on utilise des associations en parallle de plusieurs lignes de cellules en srie.

Panneau solaire photovoltaqueApplication :

Une seule cellule fournie 90mA sous une tension de 0,4V. On associe 10 cellules soit en srie soit en drivation. Dans chaque cas dterminer la tension aux bornes de lensemble, lintensit du courant fourni et la puissance de linstallation.

Panneau solaire photovoltaque9 cellules sur 10 sont soumises un clairement de 1000W/m, une seule cellule, un peu lombre, est soumise un clairement de 250W/m.

90 mAPanneau solaire photovoltaqueDterminer la puissance de cette installation de 10 cellules en srie lorsque lune delle est ombrage.

La diminution de puissance vous parait-elle importante?

Panneau solaire photovoltaqueDterminer la puissance de cette installation de 10 cellules en drivation lorsque lune delle est ombrage.La diminution de puissance vous parait-elle importante?

Panneau solaire photovoltaqueOn dispose de modules photovoltaques fournissant une puissance de 50 W sous une tension de 12 V. Pour alimenter une installation qui ncessite une puissance de 200 W sous une tension de 24 V:Il faut associer deux modules en srie,Il faut associer quatre modules en drivation,Il faut associer deux modules en srie avec deux modules en drivation.

Panneau solaire photovoltaqueRendement dune cellule photovoltaque :

BilanVous devez tre capable de :

- citer les modes dexploitation de lnergie solaire au service de lhabitat, ex 1 p 18

- Schmatiser les transferts et les conversions de lnergie mis en jeu dans des dispositifs utilisant lnergie solaire dans lhabitat, ex 2,5 p 18

- interprter les changes dnergie entre lumire et matire laide du modle corpusculaire de la lumire, ex 3 p 18 12 p 20

- mettre en uvre une cellule photovoltaque et effectuer exprimentalement le bilan nergtique dun panneau photovoltaque. ex 4, 6, p 18 et TP

Exercices de synthse : 7, 10, 11 p 19-20