1ère STI2D Comportement énergétique des systèmes Utilisation des énergies renouvelables 1 Cours L’énergie solaire 1.1 Puissance du rayonnement Le soleil émet une énergie rayonnante portée par de nombreuses longueurs d’onde : Puissance du rayonnement (W) Rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère ... Rayonnement solaire au niveau de la mer Longueur d’onde (nm) ................. ................ ....... ............................................. .................... . ...................... .............. .............. . La puissance moyenne reçue au sommet de l’atmosphère vaut environ : ........................... Cette valeur s’appelle la .................................................................... La différence entre la puissance reçue au niveau de la mer et la constante solaire est due principalement aux phénomènes suivants : ............................................................................................................................. ........................................................ ............................................................................................................................. ......................................................... ........................................................................................................ 1.2 Conversion énergie rayonnante/énergie électrique L’énergie rayonnante est transportée par des grains d’énergie appelés .............................. Une cellule photovoltaïque permet de transformer un débit de photons en un débit d’électrons. Un panneau photovoltaïque est composé de plusieurs ............................................................................ associées en série ou en parallèle. Ce nombre de cellules est indiqué par le constructeur du panneau photovoltaïque : ....................... ....................... Figure 1 : extrait de documentation technique (BP solar/ BP 3230N) Première Enseignement transversal .................................................................................. 1/8 Les énergies renouvelables 2 Le solaire photovoltaïque 2.1 Les différents types d’installations photovoltaïques On distingue 4 types d’installations photovoltaïques : Au fil du soleil : ...................................................................................................................................................... .................................................................................... Exemples : irrigation, relevage d’eau, puisage, etc. En site isolé : ........................................................................................................................................................... ...................................... Exemples : refuge de montage, observatoires, station météo en altitude, etc. Connectées au réseau : ........................................................................................................ ; ......................................................................................................... Le surplus est revendu à EDF (obligation d’achat) selon des tarifs fixés par décret et révisés chaque trimestre. ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... ....................................................... . ........................................................... ........................................................... ........................................................... ........................................................... ... ............................................................ ............................................................ ............................................................ ............................................................ . Figure 2 : installation photovoltaïque au fil du soleil ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... . ....................................................................................................... ....................................................................................................... ....................................................................................................... ....................................................................................................... ....................................................................................................... ....................................................................................................... ....................................................................................................... Figure 3 : installation photovoltaïque en site isolé Première ............................................. Enseignement transversal 2/8 Les énergies renouvelables ........................................................................................... ........................................................................................... ........................................................................................... ........................................................................................... ........................................................................................... . ........................................................................................ ........................................................................................ ........................................................................................ ........................................................................................ ........................................................................................ ........................................................................................ ........................................................................................ ........................................................ ........................................................ ........................................................ ........................................................ ........................................................ ........................................................ ........................................................ ........................................................ ........................................................ ........................................................ Figure 4 : installation photovoltaïque raccordée au réseau avec injection des surplus........................................................ ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ......... .......................................................... .......................................................... .......................................................... .......................................................... .......................................................... .......................................................... .................. .......................................................... .......................................................... .......................................................... .......................................................... ................................ ............................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................ Figure 5 : installation photovoltaïque raccordée au réseau avec injection totale Première Enseignement transversal 3/8 Les énergies renouvelables 2.2 Exercice Un particulier décide d’équiper sa résidence avec une installation photovoltaïque. Ce particulier compte bien amortir son investissement grâce à la revente de l’électricité produite par son installation photovoltaïque. Q.1 Quel type d’installation doit choisir ce particulier. Citer alors les différents éléments techniques qu’il devra ajouter à son installation. En première estimation, on considère qu’ 1 m2 de panneau photovoltaïque peut produire une puissance crête égale à 150 Wc (watt-crête) et que le rendement PV d’un panneau solaire est égal à 15% : 𝜂𝑃𝑉 = Figure 6 : tarifs de vente du 1er janvier au 31 mars 2015 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑟𝑒 ç𝑢𝑒 La surface disponible sur la partie du toit exposée sud est égale à 25 m 2. Figure 7 : intégration au bâti Q.2 Quelle intégration au bâti permet d’obtenir le meilleur tarif de vente à EDF ? Donner alors la valeur du tarif de vente. Remarque : IAB Intégration Au Bâti (les panneaux assurent l’étanchéité), ISB Intégration Simplifiée au Bâti (les panneaux sont posés sur la toiture existante). Une simulation de l’ensoleillement de ses futurs panneaux (prise en compte du lieu, de l’inclinaison, etc) a donné les résultats suivants : Figure 8 : simulation avec Calsol - énergie reçue (irradiance) par les panneaux en kW.h/m2 Q.3 Calculer la somme qu’EDF paiera à l’année au particulier dans le cas d’une installation photovoltaïque avec injection totale des surplus. Q.4 Au bout de combien d’années ce particulier aura-t-il amorti son installation, sachant qu’une installation coûte environ 3,5 € H.T./Wc installé (achat matériel + pose + frais de raccordement + entretien) ? Prendre une TVA égale à 20%. Première Enseignement transversal 4/8 Les énergies renouvelables 3 L’énergie fluidique 3.1 Quelques formules Un fluide lors de son déplacement transporte avec lui une .................................................................... Lorsque ce fluide est liquide on parle d’........................................................................................... . Cette énergie s’exprime en J/m3 et peut prendre 3 formes : 1. Énergie due aux forces de pression : 2. Énergie due à la hauteur : 𝜌 ∶ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛 𝑘𝑔/𝑚3 𝑔 ∶ 𝑎𝑐𝑐é𝑙é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑒𝑠𝑎𝑛𝑡𝑒𝑢𝑟 − 𝑔 = 9,81 𝑚/𝑠 2 ∶ 𝑎𝑢𝑡𝑒𝑢𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑜𝑛𝑛𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑é𝑟é 3. Énergie due à la vitesse de déplacement du fluide (pression dynamique) : 𝑣 ∶ 𝑣𝑖𝑡𝑒𝑠𝑠𝑒 𝑑𝑢 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑒 𝑒𝑛 𝑚/𝑠 3.2 Relations fondamentales 3.2.1 Débit Souvent noté Q le débit correspond au volume qui s’écoule à travers une section S pendant une seconde. Si l’on connaît la vitesse v d’écoulement du fluide, on a la relation : 3.2.2 Puissance fluidique La puissance fluidique Pf (hydraulique dans le cas de l’eau) produite ou reçue par un système traversé par un débit Q s’écrit : 𝑃𝑓 = [W] 𝐸𝑓1 𝐸𝑓2 𝑄 Système 𝐸𝑓 = 𝐸𝑝 + 𝐸 + 𝐸𝑐 Si Pf > 0 alors le système ................................................ ............................................................. (exemple : une pompe). Si Pf < 0 alors le système ............................................................................... (exemple : une centrale hydraulique). Première Enseignement transversal 5/8 Les énergies renouvelables 3.3 Exemples d’application 3.3.1 Distribution d’eau On considère le réseau de distribution d’eau ci-contre. 1. .............................................................. ..................................................................... Compléter le tableau suivant à l’aide 1 2. .............................................................. des différentes formules de l’énergie fluidique : 3. .............................................................. 2 Repère Altitude m Pression relative Pa Vitesse m/s 1 40 0 0,01 2 0 3 0,1 0 0 3 3 Eh J/m3 (Pa) ............................. ............................. ............................. ............................. Ep J/m3 (Pa) ............................. ............................. ............................. ............................. Ec J/m3 (Pa) ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. ............................. 3.3.2 Micro-centrale hydraulique (régulation de niveau) 𝐸𝑓1 ......................... ............................. 1 ............................. . ............................. Le système décrit sur la figure cicontre est un régulateur de niveau remplaçant les déversoirs traditionnels. Il permet en effet de faire passer sur une turbine le débit d’eau habituellement déversé et ainsi produire de l’énergie électrique. On donne : P1 = P2 = Patmosphérique v1 = 0 m.s-1 et v2 = 1,25 m.s-1 Hauteur de chute : 3 m Débit : 0,5 m3.s-1 𝐸𝑓2 2 Première Enseignement transversal 6/8 Les énergies renouvelables Calculer la puissance hydraulique du système et préciser si cette puissance est reçue ou produite par le système. Est-ce que la puissance électrique produite peut-être égale à cette puissance hydraulique ? 4 L’énergie thermique 4.1 Définition Cette énergie se manifeste par l’existence de la température. L’unité du système international (S.I.) est le .................................................... . On a la relation : Lorsque l’on apporte de la chaleur (quantité d’énergie thermique) notée Q en joules (J) à un système physique on peut observer : ............................................................................................................... ; ............................................................................................................... ; .............................................................................................................. ; ............................................................................................................... . 4.2 Chaleur latente et chaleur sensible 4.2.1 Chaleur sensible C’est la quantité QS d’énergie thermique ................................................................................................................ : m : masse du système C : capacité calorifique massique Application : quelle énergie faut-il pour porter 3 l d’eau à ébullition ? On donne Ceau = 4185 J.kg-1.K-1 et Tinitiale = 15 °C. Quelle puissance minimale doit avoir la plaque de cuisson, si l’on veut obtenir une ébullition au bout de 10 minutes ? Première Enseignement transversal 7/8 Les énergies renouvelables 4.2.2 Chaleur latente C’est la quantité QL d’énergie thermique ......................................................................................................................... ............................................................................................................................. ............... : La variation de masse du corps considéré est comptée que dans une phase (solide, liquide ou gazeuse). Application : avec la puissance calculée précédemment pour la plaque de cuisson, combien de temps faudra-t-il attendre pour qu’il n’y ait plus d’eau dans la casserole à partir de l’ébullition ? On fait l’hypothèse que toute la puissance fournie par la plaque est absorbée par l’eau. On donne Leau = 2257 kJ/kg (chaleur latente de vaporisation de l’eau). 4.3 Exemple de la pompe à chaleur La pompe à chaleur prélève la chaleur présente dans l’environnement naturel à savoir : .......................................................................................... ; .......................................................................................... ; .......................................................................................... . Cette chaleur peut être restituée à : ............................................................................................................................. ........................................... ............................................................................................................................. ........................................... .............................................. .............................................. .............................................. .............................................. .............................................. ............................................. ....................................... ....................................... ....................................... L'évaporateur : ........................................................................................................................... ............................................. ............................................................................................................................. .......................................................................... ....................................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................. .......................................................................... ....................................................................................................................................................................................................... Le compresseur : ...................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................. .......................................................................... ............................................................................................................................. .......................................................................... Le condenseur : ........................................................................................................................................................................ ....................................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................. .......................................................................... ............................................................................................................................. .......................................................................... Le détendeur : ........................................................................................................................................................................ ..................................................................................................................................................................................................... .. ............................................................................................................................. .......................................................................... ............................................................................................................................. .......................................................................... Première Enseignement transversal 8/8
