Habitat Chapitre 1 : Energie solaire et habitat I. L`énergie dans l

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.
Rayonnement
Panneau solaire
thermique
Energie thermique
Fluide caloporteur
SOLEIL
3. Chaîne énergétique
Energie
perdue
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 :
E : énergie du photon en joules (J)
h : constante de Planck (h = 6,63x10-34 J∙s)
ou
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.
SOLEIL
2. Chaîne énergétique
Rayonnement
Panneau solaire
photovoltaïque
Energie électrique
Energie
perdue
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.
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)