TSTIDD-HABITAT-UTILISATION DE L'ÉNERGIE SOLAIRE Livre Chap1 Page7 Eclipse à Chéraute

1. USAGE PASSIF DE L'ÉNERGIE SOLAIRE

L'énergie Solaire peut être utilisée directement pour l'éclairage et le chauffage de l'habitation.

Il suffit, par de larges ouvertures de laisser pénétrer le rayonnement. Cet usage est dit passif

Une maison passive permet de diminuer fortement le besoin d'énergie du bâtiment pour le chauffage et l'éclairage.

QUELS SONT LES MOYENS essentiels utilisés dans une maison passive ?

DONNER LEUR RÔLE avec les termes : solaire, limiter, capter, énergie, pertes, rayonnement.

COMMENT RÉGULE-T-ON LA TEMPÉRATURE intérieure de la maison ? Répondre avec les termes:Apport, énergie, pertes, ventilation.

Principe d'une maison passive.http://fr.wikipedia.org/wiki/Habitat_passif ; http://ines.solaire.free.fr

RAPPELS de 1STIDD :

L'Eclairement ou Puissance reçue par m² d'une source de rayonnement E(W /m²)=I (W /Sr )

D² est

inversement proportionnelle au carré de la Distance D Source, Récepteur .

Résistance Thermique d'une paroi plane : Rth(K.m² /W )=e (m)/ λ ; e épaisseur de la paroi. Conductivité thermique du matériau : λ (W /(m.K ))

2. USAGE ACTIF DE L'ÉNERGIE SOLAIRE

On utilise alors des CAPTEURS qui convertissent l'ÉNERGIE DE RAYONNEMENT (Visible, UVet/ou IR) en ÉNERGIE THERMIQUE ou en ÉNERGIE ÉLECTRIQUE .

• MUR À ACCUMULATION D'ÉNERGIE :

CONVERTIT l'ÉNERGIE DE RAYONNEMENT en ÉNERGIE _________________________ , STOCKÉE dans une paroi maçonnée de couleur _____________ .

PERTES :

• PANNEAU SOLAIRE THERMIQUE :

CONVERTIT l'ÉNERGIE DE RAYONNEMENT en ÉNERGIE _________________________ , TRANSPORTÉE par un FLUIDE ____________________.

PERTES :

• PANNEAU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE :

CONVERTIT l'ÉNERGIE DE RAYONNEMENT en ÉNERGIE _________________________ ,

PERTES :

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OBJECTIF : RÉDIGER UN COMPTE RENDU DES ACTIVITÉS 1 À 3 ACTIVITÉ 1 Comment fonctionne une cellule photoélectrique ? Livre P8

1. Faire la liste du matériel utile présent sur la paillasse , écrire un protocole adapté pour relever la caractéristique Intensité Tension I=f(U)

On fera varier la résistance RL de la boîte à décade de 100Ω à 1Ω . Puis en circuit ouvert etRL=0

2. Faire un schéma . On placera soigneusement sur le schéma les bornes + et COM des appareils, ainsi que leur réglage AC ou DC .

3. Réaliser le montage, le vérifier avant de mettre la lampe sous tension et d'essayer . Attention, ne pas approcher la lampe à moins de 10cm de la cellule en raison de l'échauffement qui pourrait dégrader la cellule, et de toute façon fait chuter son rendement (autour de 0,4 % par K).

4. Préparer un tableau manuscrit pour noter les valeurs de (U,I) et RL de même sur tableur et tracer I(U) et R(U) .IMPRIMER ET SAUVER SUR MÉMOIRE USB .

On pourra s'aider des éléments réalisés par un groupe d'élèves ci-dessous :

Répondre aux questions :

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ACTIVITÉ 2 : Quelle puissance Pélec(W) peut fournir une cellule photovoltaïque ? Livre P9

Compléter le tableau de AC1, sur tableur en rajoutant une ligne Puissance P(W) , faire calculer pour chaquecouple (U,I) , la puissance correspondante : P(U,I) = ?

Tracer P(W) en fonction de U(V) , POUR LE MÊME ÉCLAIREMENT que AC1 .

IMPRIMER ET SAUVER SUR MÉMOIRE USB .

Augmenter, puis diminuer l'éclairement E(W/m²) relever (U,I) et Calculer P(W) .

Quelle est la méthode adoptée pour augmenter l'éclairement ?

Augmenter l'angle α entre le flux lumineux incident et la normale à la Cellule photovoltaïque. Calculer P(W) pour α=45 ° POUR LE MÊME ÉCLAIREMENT que AC1 .

On pourra s'aider des éléments réalisés par un groupe d'élèves ci-dessous, en corrigeant les défauts:

Répondre aux questions : Caractéristique signifie caractéristique I=f(U)

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Activité 3 (AC3) : Comment augmenter les performances d'un panneau solaire thermique ? Livre P9

1. Faire la liste du matériel utile présent sur la paillasse , écrire un protocole adapté pour tester des paramètres influant les performances du chauffage solaire. On mettra seulement 5ml d'eau dans chaque tube à essai et on sepréparera à faire des relevés durant 15min.

2. Faire un schéma .

3. Préparer le matériel d'acquisition (Capteurs, nombre de mesures par min …) , VÉRIFIER , et Lancerl'acquisition.

4. SAUVER le fichier sur mémoire USB et IMPRIMER les courbes de température. LÉGENDER IMMÉDIATEMENT avec les éléments importants qui n'apparraissent pas (N° des Tubes, volume d'eau, papier noir, éclairage...)

On pourra s'aider des éléments de correction ci-dessous réalisé par un autre groupe d'élèves :

5. Noter les propriétés des éléments du schéma du panneau (Livre P11) qui participent à l'efficacité.

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RÉSUMÉ DU CHAPITRE (Voir aussi Livre P 16)

USAGE DE L'ÉNERGIE DE RAYONNEMENT SOLAIRE (UV, VISIBLE, IR) DANS L'HABITAT .

1. PASSIF : On utilise DIRECTEMENT le rayonnement visible pour l'éclairage et le rayonnement visible, IR et un peu UV pour réchauffer les parois de l'habitat .

Il suffit de laisser pénétrer, par de larges baies le rayonnement dans l'habitation bien isolée pour limiter les pertes.

2. ACTIF : A l'aide de CAPTEURS DÉDIÉS, on CONVERTIT l'énergie de rayonnement en énergie thermique ou électrique :

• MUR À ACCUMULATION D'ÉNERGIE (Livre Page 10 : )

• PANNEAU SOLAIRE THERMIQUE : (Tracer le Diagramme énergétique )

• PANNEAU SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE :(Tracer le Diagramme énergétique )

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EFFET PHOTOÉLECTRIQUE : Un photon est la particule sans masse et sans charge électrique qui se propage à la vitesse de la lumière Il accompagne toute onde électromagnétique.

Un photon transporte l'énergie E(J )=h. ν(Hz) ; h=6,62. 10−34(J.s) constante de PlanckLe Joule étant une unité très grande, pour le photon on utilise souvent l'électronvolt : 1eV=1,610−19 J

Chaque photon, lorsqu'il rencontre de la matière(panneau solaire...) peut :

• Être ABSORBÉ par le matériau (Corps Noir...) où il produit de l'ÉNERGIE THERMIQUE.

• Si E(J )=h. ν(Hz) est suffisante, il peut déplacer provisoirement un électron. C'EST L'EFFET PHOTOÉLECTRIQUE . Cas du rayonnement visible et UV sur nos matériaux courants.

Cet électron peut participer à un courant électrique .

• Si son énergie est encore plus élevée, il peut ioniser un atome, c'est à dire lui arracher un électron . C'est le cas des rayonnement X ou γ

CARACTÉRISTIQUE INTENSITÉ-TENSION : I=f(U) Pour une cellule de 100cm² éclairée par 1000W/m² à

25°C avec un spectre solaire normal . Vco dépend peu de l'éclairement.

Icc dépend beaucoup de l'éclairement.

La puissance maximale est proche du coude et secalcule par P= U.I car la cellule fournie un courant

continu (DC ).

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Annexe 1. Loi de Fourier (wikipedia)

La conduction thermique est un transfert thermique spontané d'une région de température élevée vers une régionde température plus basse, et est décrite par la loi dite de Fourier établie mathématiquement par Jean-Baptiste Biot en 1804 puis expérimentalement par Fourier en 1822 4 : la densité de flux de chaleur est proportionnelle au

gradient de température.

La constante de proportionnalité λ est nommée conductivité thermique du matériau. Elle est toujours positive. Avec les unités du système international, la conductivité thermique λ s'exprime en watt par mètre-kelvin

(W·m-1·K-1). La densité de flux de chaleur s'exprime en watt par mètre carré (W·m-2), la température T, en kelvin (K).

La loi de Fourier est une loi semi-empirique analogue à la loi de Fick pour la diffusion de particule ou la loi d'Ohm pour la conduction électrique (Ohm s'est d'ailleurs servi d'une analogie entre thermique et électricité pour construire sa théorie). Ces trois lois peuvent s'interpréter de la même façon : l'inhomogénéité d'un paramètre intensif (température, nombre de particules par unité de volume, potentiel électrique) provoque un phénomène de transport tendant à combler le déséquilibre (flux thermique, courant de diffusion, courant électrique).

Le rendement d'une cellule solaire dépend de l'éclairement et grandement de la température.http://e-lee.hei.fr/FR/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereSolaire/PanneauxPhotovoltaiques/Cellule/Temperature.htm

La température est un paramètre important puisque les cellules sont exposées au rayonnement solaire, susceptible de les échauffer. De plus, une partie du rayonnement absorbé n'est pas convertie en énergie électrique : elle se dissipe sous forme de chaleur. C'est pourquoi la température d'une cellule est toujours plus élevée que la température ambiante.Pour estimer la température de cellule T c à partir de la température ambiante T a , on peut utiliser la formule de correction suivante :

avec :E m:éclairement moyen (en W/m 2 ). TUC:Température d'utilisation de cellule (°C).

http://ines.solaire.free.fr/solpv/page10.html

(Source: Programme PV avril 2003, rapport de synthèse 2002, Office Fédéral de l'énergie Suisse)

CIGS : Cuivre Indium GermaniumSélénium en couches minces. In(Z=49) métal gris semiconducteurCellules Graetzel utilise le TiO2 comme semiconducteur imprégné d'un pigment photosensible, un électrolyte. Inspiré de laphotosynthèse végétale. http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_Gr%C3%A4tzel

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Annexe 2. INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE ET DE L'ÉCLAIREMENT. http://www.hypo-theses.com/docs/user1_LANGUY_Fabian_photovoltaique.pdf

Caractéristique P(U) d'un module PV en fonction de latempérature .

La tension à vide Vc0 varie peu avec l'éclairement,contrairement à Icc le courant de court circuit.

Le rendement global d'un panneau solaire est déterminé par la cellulle la plus faible . Ainsi des zones d'ombre

sur le panneau peuvent fortement diminuer les performances .

CELLULES, MODULES OU PANNEAUXhttp://ww2.ac-poitiers.fr/electrotechnique/IMG/pdf/energie_solaire_photovoltaique.pdf

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Annexe 3. Chauffe-eau solaire en thermosiphon : http://www.solaire-diffusion.eu/chauffe-eau-solaire/kits-chauffe-eau-solaires/kits-chauffe-eau-thermosiphon.html

- les chauffe-eau thermosiphon monoblocs , avec leur ballon horizontal au dessus des panneaux, sont idéaux pour des installation au sol ou en toit terrasse. Sur un toit, il faut tenir compte du poids du système , en premièreapproche 50 kg par panneau, 100 pour le ballon, plus sa contenance en eau, 30 pour le support et les accessoires. Il faut aussi protéger les canalisations du gel . Quant à l'esthétique de l'ensemble, sauf cas particulier, elle est quand même singulière.

Système très utilisé sur les toits dans les pays ensoleillés. Par exemple au vietnam .

Certains capteurs solaires ne peuvent pas fonctionner en thermosiphon, car les pertes de charge dans le circuit hydraulique à travers l'absorbeur sont trop importantes. Il faut se renseigner chez le fabricant, si le revendeur n'est pas au courant.

Dans l'exemple d'un capteur avec un absorbeur type "échelle", la diamètre interne des tuyaux doit être de 12 mm (au moins) et les collecteurs aux extrémités de 22 mm.

Il faut favoriser l'écoulement de l'eau à travers les capteurs en leur donnant une légère pente afin de faciliter la "montée" de l'eau chaude. Si les pertes de charge sont trop importantes, le thermosiphon ne s'amorcera pas. En conséquence, les tuyauteries horizontales doivent avoir une légère pente, 3 mm par mètre au minimum.

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