Utilisation de l’énergie solaire dans l’habitat

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 Le potentiel énergétique du Soleil sur Terre


Le potentiel énergétique du Soleil sur Terre

Le Soleil produit une quantité très importante d'énergie. Cette énergie provient de réactions nucléaires en son sein. Cette énergie est ensuite rayonnée sous forme d'onde électromagnétique dans tout l'espace et arrive sur Terre. La puissance reçue à l'extérieur de l'atmosphère sur une surface de 1 m2 est d'environ 1350 W. On dit que l'irradiance est de 1350 W.m-2.


 

En tenant compte de l'alternance jour/nuit, de la latitude, de l'altitude et des conditions climatiques, on estime que la fraction de rayonnement disponible au niveau du sol varie entre 0 et 1000 W.m-2. En moyenne sur une année, l'irradiance varie de 85 à 290 W.m-2 soit une énergie comprise entre 750 et 2 550 kWh par m2.

L’un des enjeux énergétiques majeurs pour l’homme du XXIème siècle est de pouvoir utiliser cette ressource quasi inépuisable. En effet, l’énergie solaire est la seule énergie renouvelable suffisamment importante qui de manière théorique permettrait de couvrir tous les besoins énergétiques de la planète.


Le gisement solaire en France

L'énergie solaire incidente sur le plan horizontal est en moyenne de 1300 kWh.m-2.an-1.

1 tep (tonne équivalent pétrole) = énergie produite par la combustion d’une tonne de pétrole = 11630 kWh.

  1. Rappeler la relation entre énergie, puissance et durée.

  2. Montrer qu’une puissance de 85 W disponible pendant un an correspond à une énergie d’environ 750 kWh.

  3. Déterminer l’énergie solaire disponible par an en France, sachant que notre pays a une surface de 550000 km2 et une énergie solaire moyenne disponible de 1300 kWh par m2 et par an.

  4. Comparer cette valeur à celle de la consommation d’énergie française en 2010 de l’ordre de 170 millions de tep.

 Les utilisations de l'énergie solaire

La lumière du soleil est captée par des panneaux solaires photovoltaïques. Le silicium composant les cellules photovoltaïques produit un courant électrique continu. Cette énergie électrique est transmise à un onduleur, qui convertit la tension continue en tension alternative 230 V-50 Hz pour être directement utilisée dans l'habitat ou réinjectée sur le réseau EDF.

Des capteurs solaires thermiques permettent de convertir le rayonnement solaire en chaleur. Un fluide caloporteur est chauffé par ces capteurs thermiques, et un échangeur transmet la chaleur produite à l'eau chaude sanitaire (ECS). On peut également utiliser le solaire thermique pour chauffer une maison. On utilise un plancher chauffant basse température qui sert à la fois de stockage et d'émetteur de chaleur, sans échangeur intermédiaire.


Les fenêtres de toit classiques ne permettent de collecter qu'une faible partie de la lumière solaire. On utilise un dôme qui permet :

  • de collecter la lumière ;

  • de concentrer la lumière ;

  • de dévier la lumière à l'aide de prismes afin de réorienter la lumière naturelle émise à angles faibles.

Ce système optique créé un éclairage uniforme tout au long de la journée et permet de gagner une heure d'éclairage le matin et le soir.


  1. Indiquer les types d'énergie à l'entrée et à la sortie d'un panneau photovoltaïque.

  2. Quelle est la fonction réalisée par l'onduleur associé aux panneaux photovoltaïques.

  3. Quel est le dispositif qui permet la production d'ECS ?

  4. Une habitation utilise une puissance de 800 W pour s'éclairer. Estimer l'énergie en kWh économisée sur une année grâce à l'utilisation de dômes de lumière


Physique-Chimie (Métropole France remplacement) - Bac STI2D 2013

 Monsieur Moncar est l'heureux propriétaire d'un camping car. Il cherche à être autonome en énergie électrique. Il décide pour cela d’équiper son camping-car d’un panneau solaire.

1) Quels sont de façon générale les deux modes d’exploitation de l’énergie solaire que l’on peut utiliser dans un habitat comme un camping-car?

2) De quel type de panneau solaire Monsieur Moncar doit-il s’équiper?

3) En vous référant aux documents annexes, reporter sur l'annexe 1 les valeurs de l’intensité du courant de court-circuit et de la tension en circuit ouvert.

4) Écrire la relation entre les grandeurs puissance, tension et intensité en régime continu, en précisant les unités des grandeurs figurant dans cette relation.

5) Calculer la valeur de l’intensité du courant à la puissance crête.

6) Compléter la chaîne énergétique ci-dessous : 


7) Montrer que la puissance solaire reçue par le panneau solaire est de l’ordre de 640 W.

8) Calculer le rendement maximal de ce panneau solaire.

Annexe 1 : caractéristique intensité-tension du panneau solaire


Annexe 2 : caractéristiques du panneau solaire


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