H1- Comment utiliser l’énergie solaire dans l’habitat?

1. H1- Comment utiliser l’énergie solaire dans l’habitat?

2. Quels sont les différents modes d’exploitation de l’énergie solaire au service de l’habitat? solaire photovoltaïque, solaire thermique, Solaire thermodynamique, Mur à accumulation d’énergie…

3. Le mur à accumulation d’énergie Le mur, placé sur une façade exposée sud, accumule l’énergie solaire sous forme thermique durant le jour et la restitue la nuit sous forme de rayonnement infrarouge.

4. Le mur à accumulation d’énergie WR WR SOLEIL Rayonnement IR. Mur à accumulation d’énergie Q Rayonnement visible, UV, IR. Conduction, convection Schématiser les transferts et les conversions d’énergie mise en jeu : Rappel : Un convertisseur d’énergie sera représenté par un rond, la source d’énergie par un rectangle et les transferts d’énergie par des flèches.

5. Panneau solaire thermique Un fluide caloporteur soumis au rayonnement solaire s’échauffe. Il circule dans un absorbeur peint en noir (feuille métallique) placé sous un vitrage. Le fluide restitue via un échangeur, la chaleur emmagasinée.

6. Panneau solaire thermique Quel est l’intérêt d’utiliser une surface noire? proposer une manipulation simple permettant de mettre en évidence le rôle de la surface noire.

7. Panneau solaire thermique La température de l’eau de la bouteille noir augmente plus vite que la température de l’eau de la bouteille transparente. De plus la température maximale atteinte est plus grande. On remplit d’eau deux bouteilles dont une des deux est recouverte de peinture noire. On introduit un capteur de température dans chaque bouteille. On éclaire les bouteilles par une source lumineuse intense et on relève la température au cours du temps dans chaque bouteille.

8. Panneau solaire thermique Quel est l’intérêt d’utiliser une surface noire? De par leur température, tous les corps émettent un rayonnement électromagnétique. La puissance de ce rayonnement dépend de la longueur d’onde et de la température du corps. Cette puissance est directement liée à la température T du corps, sa surface et à l’émissivité du matériau ε : P = .ε.S.T4 Avec  = 5,67.10-8 W. m-2.K-4 constante de Stefan

9. Panneau solaire thermique P = 5,67.10-8.ε.S.T4 L’émissivité est un coefficient sans unité compris entre 0 et 1. Elle traduit la capacité d’un matériau à absorber les rayonnements qu’il reçoit et à transférer par rayonnement la chaleur accumulée. Pour un corps noir l’émissivité est de 1. Ainsi, la puissance rayonnée par unité de surface est maximaleP = .S.T4 (loi de Stefan) Ainsi la feuille métallique noire absorbe le rayonnement et le convertit en énergie interne dans le capteur. Le fluide caloporteur voit sa température augmenter du fait du transfert thermique provenant de la feuille métallique noire.

10. Panneau solaire thermique Application : aide: P = 5,67.10-8.ε.S.T4 Une plaque de couleur noire de surface S = 2 m² est éclairée par un rayonnement solaire d’une intensité de 1000W.m-². En régime permanent, la température de la plaque donnée par le modèle du corps noir (ε=1) vaut :  306 K  91°C  45°C

11. Panneau solaire thermique A quoi sert le vitrage? La vitre en verre qui ferme le caisson isolant piège le rayonnement lumineux par effet de serre

12. Panneau solaire thermique A quoi sert le vitrage? Refaire l’expérience précédente en comparant la température dans une bouteille noire et d’une bouteille noire placée dans un caisson vitré.

13. Panneau solaire thermique WR WR SOLEIL pertes Panneau solaire thermique Q Rayonnement visible, UV, IR. Fluide caloporteur Rendement : Schématiser les transferts et les conversions d’énergie mise en jeu :

14. Panneau solaire thermique Application : Placé sur le toit, un capteur de chauffe-eau solaire permet de fournir l’eau chaude à une maison individuelle, dans une région bien ensoleillée. Schématiser la chaîne énergétique de ce chauffe-eau.

15. Panneau solaire thermique • Un essai d’utilisation de cet appareil a donné les résultats suivants: • Débit de l’eau dans le capteur : D=20 L.h-1 • Température d’entrée de l’eau : 1 = 18°C • Température de sortie de l’eau : 2 = 42°C Calculer la quantité de chaleur absorbée par l’eau 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 l’eau • Calculer la puissance thermique du chauffe-eau lors de l’essai

16. Panneau solaire thermique • La surface du capteur est de 2 m². La puissance solaire disponible pendant la période d’essai est de 800 W.m-²: • Définir le rendement du chauffe-eau • Calculer ce rendement

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

18. Solaire thermodynamiqueextrait site «http://www.nms-energie-renouvelable.fr »  Un fluide frigorigène est envoyé à travers le panneau solaire thermodynamique. Ce fluide circule dans le panneau et s’évapore grâce à la température ambiante (température 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

19. Solaire thermodynamiqueextrait site «http://www.nms-energie-renouvelable.fr »  Le liquide chauffé sort du panneau à l’état de gaz où il rejoint un compresseur. C’est dans le compresseur que s’applique le principe de la thermodynamique : tous gaz comprimés dégagent de la « chaleur ». Le gaz circule dans un échangeur qui va chauffer l’eau à la température de 55°. Une fois l’eau chauffée, le gaz sort du serpentin et redevient liquide . Le liquide retourne dans le circuit et le cycle recommence.

20. Centrale Solaire thermodynamique Les centrales solaires thermodynamiques exploite le rayonnement du soleil à l’aide de miroirs orientables qui font converger les rayons solaires vers un fluide caloporteur chauffé à haute température (de l’ordre de 250 à 1000 °C contre 50°C pour une installation solaire thermique!).

21. Construire un four solaire Recouvrir une vieille parabole de télévision d’une feuille de papier aluminium. Placer à l’emplacement de la tête de réception un récipient contenant de l’eau et un capteur de température. Se placer face au soleil et relever la durée nécessaire pour élever la température de l’eau de 10°C.

22. Solaire photovoltaïque • Ne pas confondre les capteurs solaires thermiques et les modules solaires photovoltaïques : • Un capteur solaire thermique produit, à partir du rayonnement solaire, de la chaleur qui est restituée par un fluide caloporteur (de l’eau glycolée généralement). • Un module photovoltaïque produit directement de l’électricité à partir de l’ensoleillement Il fournit une tension continue. Il est donc nécessaire de lui associer un onduleur qui convertit la tension continue en tension alternative, compatible avec le réseau ERDF. ACTIVITE PAGE 14-15 du manuel hachette

23. Solaire photovoltaïqueLa lumière La lumière est probablement la partie de la nature que nous rencontrons le plus souvent, mais d’où vient-elle ? Les physiciens se sont posés cette question de nombreuses fois dans l'histoire, certains supportant la théorie de Newton, sur la nature corpusculaire de la lumière, et d’autres partisans de la théorie de Descartes, sur sa nature ondulatoire. La réponse fut finalement donnée par la physique quantique, définie par Max Planck en 1900, et également par Albert Einstein. Cette théorie donne place à une dualité assez surprenante, la dualité onde-corpuscule.

24. Solaire photovoltaïqueLa lumière La lumière est une onde électromagnétique, composée d’un champ électrique et d’un champ magnétique, se propageant dans l'espace et le temps. Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par leur longueur d'onde, λ, trajet parcouru par l'onde pendant une période T, et leur fréquence, notée ν ou f. λ = c/ ν avec c, célérité de la lumière dans le vide

25. Solaire photovoltaïqueLa lumière Le spectre des ondes électromagnétiques en fonction de la longueur d’onde :

26. Solaire photovoltaïqueLa lumière Exemples d’application :

27. Solaire photovoltaïqueLa lumière En 1900, Max Planck émet l’hypothèse que les ondes électromagnétiques transportent l’énergie par paquets ou grains d’énergie appelés quantas d’énergie. En 1905, Albert Einstein assimile ces quantas d’énergie à des particules, de masse nulle, non chargées appelées photons qui se propagent à la vitesse de la lumière. A une onde électromagnétique de fréquence ν sont associés des photons qui transportent chacun une énergie E donnée par la relation : E = h. ν = h.c/ λ Avec h = 6,62.10-34 J.s (constante de Planck)

28. Solaire photovoltaïquePrincipe d’une cellule photovoltaïque Il existe deux types de cellules photovoltaïques : les cellules de silicium cristallin et les cellules en couches minces.

29. Solaire photovoltaïquePrincipe d’une cellule photovoltaïque Pour les électrons d’un cristal silicium (semi-conducteur), il existe deux bandes d’énergie appelées bande de conduction et bande de valence. L’énergie nécessaire pour passer un électron de la bande de valence vers la bande de conduction, appelé gap, est Eg = 1,12 eV. 1eV = 1,6.10-19 J

30. Solaire photovoltaïquePrincipe d’une cellule photovoltaïque Si l’énergie du photon est inférieure à Eg, le photon n’est pas absorbé (le semi-conducteur est transparent pour cette longueur d’onde) Si l’énergie du photon est supérieure à Eg (rayonnement visible, UV), 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.

31. Solaire photovoltaïquePrincipe d’une cellule photovoltaïque Application 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 d’onde dans le vide de la radiation lumineuse nécessaire pour faire passer un électron dans la bande de conduction est égale à :  1,1.10-6 m  590 nm  1,12 nm

32. Solaire photovoltaïquePrincipe d’une cellule photovoltaïque Application 2 : un flux de photons solaires d’énergie voisine de 1,1 eV est composé de 4,5.1017 photons par cm² et par seconde. 1.Calculer la puissance P de ce rayonnement en W.m-². 2. En supposant que la conversion photon-électron est égale à 100% dans une cellule photovoltaïque, calculer l’intensité du courant fourni par une cellule de 1 cm².

33. Panneau solaire photovoltaïque WR pertes WR SOLEIL Panneau solaire photovoltaique WE Energie électrique Q Rayonnement visible, UV, IR. Pertes Rendement : Schématiser les transferts et les conversions d’énergie mise en jeu :

34. Panneau solaire photovoltaïque Caractéristiques, puissance et rendement d’une cellule photovoltaïque : VOIR TP

35. Panneau solaire photovoltaïque Générateur de tension Générateur de courant Caractéristique électrique d’une cellule photovoltaïque :

36. Panneau solaire photovoltaïque Une cellule photovoltaïque élémentaire est une diode qui fonctionne en inverse : elle produit un courant électrique qui dépend directement de l’éclairement de la cellule.

37. Panneau solaire photovoltaïque Pc I Imax La puissance fournie (rappel : P = U.I) est maximale pour une intensité donnée. On note cette puissance Pc (puissance crête).

38. Panneau solaire photovoltaïque Par définition, la puissance crête représente la puissance maximum fournie par une cellule lorsque l’éclairement E = 1000W/m², la température  = 25°C et une répartition spectrale du rayonnement dit AM 1,5. L’unité de cette puissance est le Watt crête, noté Wc. Les constructeurs spécifient toujours la puissance de crête d’un panneau photovoltaïque. Cependant, cette puissance est rarement atteinte car l’éclairement est souvent inférieur à 1000W/m² et la température des panneaux en plein soleil dépasse largement les 25°C.

39. Panneau solaire photovoltaïque Les cellules sont associées en série et en dérivation pour augmenter la tension et la puissance de sortie. En général, on utilise des associations en parallèle de plusieurs lignes de cellules en série.

40. Panneau solaire photovoltaïque Application : Une seule cellule fournie 90mA sous une tension de 0,4V. On associe 10 cellules soit en série soit en dérivation. Dans chaque cas déterminer la tension aux bornes de l’ensemble, l’intensité du courant fourni et la puissance de l’installation.

41. Panneau solaire photovoltaïque 90 mA 9 cellules sur 10 sont soumises à un éclairement de 1000W/m², une seule cellule, un peu à l’ombre, est soumise à un éclairement de 250W/m².

42. Panneau solaire photovoltaïque Déterminer la puissance de cette installation de 10 cellules en série lorsque l’une d’elle est ombragée. La diminution de puissance vous parait-elle importante?

43. Panneau solaire photovoltaïque Déterminer la puissance de cette installation de 10 cellules en dérivation lorsque l’une d’elle est ombragée. La diminution de puissance vous parait-elle importante?

44. Panneau solaire photovoltaïque • On dispose de modules photovoltaïques fournissant une puissance de 50 W sous une tension de 12 V. Pour alimenter une installation qui nécessite une puissance de 200 W sous une tension de 24 V : • Il faut associer deux modules en série, • Il faut associer quatre modules en dérivation, • Il faut associer deux modules en série avec deux modules en dérivation.

45. Panneau solaire photovoltaïque Rendement d’une cellule photovoltaïque :

46. Bilan Vous devez être capable de : - citer les modes d’exploitation de l’énergie solaire au service de l’habitat, ex 1 p 18 - Schématiser les transferts et les conversions de l’énergie mis en jeu dans des dispositifs utilisant l’énergie solaire dans l’habitat, ex 2,5 p 18 - interpréter les échanges d’énergie entre lumière et matière à l’aide du modèle corpusculaire de la lumière, ex 3 p 18 – 12 p 20 - mettre en œuvre une cellule photovoltaïque et effectuer expérimentalement le bilan énergétique d’un panneau photovoltaïque. ex 4, 6, p 18 et TP Exercices de synthèse : 7, 10, 11 p 19-20