Énergie Solaire: Cours STI2D - Rayonnement et Photovoltaïque

Comportement énergétique des systèmes
1ère STI2D
Utilisation des énergies renouvelables
Cours
Première Enseignement transversal
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Longueur d’onde (nm)
Puissance du rayonnement (W)
Rayonnement solaire au sommet de l’atmosphère
Rayonnement solaire au niveau de la mer
.............................................
....................
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..............
.......
................
.................
..............
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...
1 L’énergie solaire
1.1 Puissance du rayonnement
Le soleil émet une énergie rayonnante portée par de nombreuses longueurs d’onde :
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)

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2 Le solaire photovoltaïque
2.1 Les différents types d’installations photovoltaïques
On distingue 4 types d’installations photovoltaïques :
 A Au u f fi il l d du u s so ol le ei il l : ......................................................................................................................................................
.................................................................................... Exemples : irrigation, relevage d’eau, puisage, etc.
 E En n s si it te e i is so ol lé é : ...........................................................................................................................................................
...................................... Exemples : refuge de montage, observatoires, station météo en altitude, etc.
 C Co on nn ne ec ct té ée es s a au u r ré és se ea au u :
 ........................................................................................................ ;
 .........................................................................................................
Le surplus est revendu à EDF (obligation d’achat) selon des tarifs fixés par décret et révisés chaque
trimestre.
Figure 3 : installation photovoltaïque en site isolé
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Figure 2 : installation photovoltaïque au fil du soleil
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Figure 5 : installation photovoltaïque raccordée au réseau avec injection totale
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Figure 4 : installation photovoltaïque raccordée au réseau avec injection des surplus
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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 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡𝑒
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑟𝑒ç𝑢𝑒
La surface disponible sur la partie du toit exposée sud est égale à 25 m2.
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 :
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%.
Figure 8 : simulation avec Calsol - énergie reçue (irradiance) par les panneaux en kW.h/m2
Figure 6 : tarifs de vente du 1er janvier au 31 mars 2015
Figure 7 : intégration au bâti
Figure 6 : tarifs de vente du 1er janvier au 31 mars 2015

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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/𝑠2
𝑕 ∶ 𝑕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 Q le débit correspond au volume qui s’écoule à travers une section S S pendant une seconde.
Si l’on connaît la vitesse v 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 Q s’écrit :
𝑃
𝑓=
𝐸𝑓=𝐸𝑝+𝐸𝑕+𝐸𝑐
Si Pf > 0 alors le système ................................................
............................................................. ( exemple : une
pompe).
Si Pf < 0 alors le système ............................................................................... ( exemple : une centrale hydraulique).
Système
𝐸𝑓1
𝐸𝑓2
𝑄
[W]