ESGE L3 Energie solaire TD

ESGE Année : 2021 – 2022
Licence 3 Semestre 6
ENERGIES RENOUVELABLES : ENERGIE SOLAIRE
Exercice 1 : Rayonnement solaire reçu sur Terre
L’exercice s’intéresse aux caractéristiques du rayonnement solaire reçu sur Terre.
Donnée : la vitesse de propagation de la lumière dans le vide vaut c = 3,0 × 108 m.s-1
Document 1
Document 1
Figure : Spectre du rayonnement émis par le Soleil.
Le spectre d’un corps noir modélisant au mieux le spectre d’émission solaire est indiqué
sur la courbe en trait épais.
1. Selon la loi de Wien, la longueur d’onde d’émission maximale d’un corps noir est
inversement proportionnelle à sa température absolue de surface selon la formule :
T
k
max
où 𝑇 représente la température absolue (exprimée en Kelvin), 𝜆max la longueur d’onde
du maximum d’émission (exprimée en mètre) et 𝑘 une constante de valeur 2,89×10‒3
m∙K.
À l’aide de ces informations et du document 1, déterminer la température de surface du
Soleil.

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Document 2. Modélisation permettant le calcul de la puissance rayonnée.
À une distance donnée du Soleil, la totalité de la puissance émise par le Soleil se trouve
uniformément répartie sur une sphère de rayon égal à cette distance.
Sur le schéma ci-dessous, la Terre et le Soleil ne sont pas représentés à l’échelle.
On rappelle que : l’aire d’une sphère de rayon R est 𝑆 = 4𝜋R2, et que l’aire d’un disque
de rayon r est 𝑆disque = 𝜋r2.
d = 1,5x1011 m
2. Le rayonnement solaire met en moyenne 500 s à nous parvenir depuis le Soleil.
Montrer que la distance moyenne Soleil – Terre est 𝑑 = 1,5×1011 m.
3. La constante solaire exprime la puissance émise par le Soleil que recevrait un mètre
carré de la surface terrestre exposé directement aux rayons du Soleil si l’atmosphère
terrestre n’existait pas, la surface étant perpendiculaire aux rayons solaires. Elle varie au
cours de l’année. Sa moyenne annuelle est de 1 370 W∙m-2.
En s’appuyant sur le document 2 et la valeur de la constante solaire, calculer la puissance
totale rayonnée par le Soleil.
4. La Terre intercepte le rayonnement solaire sur une surface correspondant à un disque
de rayon R = 6 400 km.
Calculer l’aire de cette surface, exprimée en m2.
5. Montrer par le calcul que la puissance solaire reçue par la Terre (en dehors de
l’atmosphère) d’après ce modèle est voisine de 1,77 ×1017 W.
6. Expliquer pourquoi la puissance solaire reçue par unité de surface terrestre n’est pas
uniforme à la surface de la Terre.
Exercice 2 : Module PV.
Un module photovoltaïque comprend un grand nombre de cellules qui convertissent une
partie de l’énergie rayonnante du Soleil qu’elles reçoivent, en énergie électrique.
Certaines caractéristiques d'un module photovoltaïque sont représentées sur le
graphique ci dessous. Les caractéristiques sont données pour des puissances
lumineuses reçues par m2 de cellule photovoltaïque. Par exemple 800 W/m2 : le module
photovoltaïque reçoit une puissance rayonnante de 800 W sur 1 m2 de surface de
module.

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Les caractéristiques électriques pour une puissance lumineuse reçue de 1000 W/m² sont
indiquées dans le tableau ci-dessous.
1. Sur le graphique, placer respectivement pour une puissance rayonnante reçue de 800
W/m2 :
a) le point de fonctionnement A correspondant à la puissance électrique maximale
disponible ;
b) le point de fonctionnement B correspondant à l’intensité de court-circuit ;
c) le point de fonctionnement C correspondant à un circuit ouvert.
2. Ce module reçoit, à 50 °C, une puissance rayonnante de 1000 W/m². La tension à ces
bornes, lorsqu'il fonctionne est égale à 10 V.
a) D’après le graphique, quelle est la valeur de l'intensité du courant débité ?
b) Quelle est la puissance électrique fournie ?
c) La surface du module est égale à 0,185 m2. Calculer le rendement énergétique du
module.
3. Quelle résistance doit-on brancher aux bornes du panneau solaire recevant 1000
W/m² pour qu’il fournisse une puissance maximale.
Température du module (°C)
50
Puissance électrique maximale (W)
32.8
Tension aux bornes du module à puissance maximale (V)
14.9
Intensité I (A) pour une tension U = 15V
2.2
Tension en circuit ouvert (V)
18.4
Intensité de court-circuit (A)
2.2

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Exercice 3 : Panneau solaire PV
Un panneau solaire photovoltaïque produit de l'énergie électrique à partir de l'énergie
lumineuse reçue. Il peut être considéré comme un générateur continu.
Les caractéristiques courant-tension d'un panneau solaire, pour deux ensoleillements
différents, sont représentées sur la figure ci-dessous :
1. Etude dans le cas d'un ensoleillement optimal : la caractéristique courant-tension
correspond à la courbe 1.
a) Déterminer la valeur de la tension à vide d'un panneau solaire.
b) Déterminer l'intensité du courant de court-circuit.
c) Déterminer la puissance électrique fournie par le panneau pour une tension de
fonctionnement égale à 35 V.
d) En déduire l'énergie électrique produite en 10 heures d'ensoleillement.
2. Etude dans le cas d'un ensoleillement plus faible : la caractéristique courant-tension
correspond à la courbe 2.
Déterminer la puissance électrique fournie par un panneau pour une tension de
fonctionnement égale à 35 V.
3. Pour disposer d'une puissance suffisante pour alimenter l'exploitation agricole, il faut
associer plusieurs panneaux.
a) Quel est l'intérêt d'une association en série ?
b) Quel est l'intérêt d'une association en parallèle ?
4. La puissance maximale délivrée par chaque panneau vaut 150 W. L'installation doit
pouvoir fournir une puissance maximale égale à 2100 W.
a) Combien de panneaux faut-il utiliser ?
b) La tension de fonctionnement nominale d'un panneau à puissance maximale est égale
à 35 V. L'installation doit délivrer une tension de 70 V.
Comment les panneaux doivent ils être associés ? (pour répondre, un schéma peut
suffire)

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c) Déterminer l'intensité du courant débité par l'installation lors d'un fonctionnement à
puissance maximale.
Exercice 4 : Capteur solaire
Un capteur solaire thermique est constitué d’une vitre et d’un serpentin noir.
De l’eau circule dans le serpentin avec un débit de 20,0 L par heure. La température de
l’eau, à l’entrée du serpentin, est égale à 14,9 °C, alors qu’elle est de 35,2 °C à la
sortie.
1. Quel est le mode de transfert d’énergie reçu par le capteur solaire ?
2. Quels sont les rôles respectifs de la vitre et de la peinture noire ?
3. Comment se nomme ce phénomène ?
4. Calculer la valeur du transfert d’énergie fourni à l’eau chaque seconde.
5. La puissance rayonnante reçue par le capteur est de 800 W. Calculer le rendement
de ce capteur solaire.
Donnée : c(eau)= 4,18 kJ.kg–1.°C–1
Exercice 5 : Solar impulse
Entre mars 2015 et juin 2016, les pilotes Bertrand Piccard et André Broschberg ont réussi
un tour du monde historique en avion à énergie solaire, le Solar Impulse 2, un appareil
autonome en énergie et silencieux. Volant de jour comme de nuit (grâce aux batteries) et
sans carburant, l’avion a parcouru plus de 43 000 km en 600 heures de vols effectifs,
répartis sur 17 étapes en solitaire (au lieu de 13, prévues initialement).
Le Solar Impulse 2 est basé sur des technologies récentes, comme les cellules
photovoltaïques, les batteries au lithium-polymère et les matériaux ultralégers en fibre de
carbone. Afin que le projet aboutisse, chaque élément de l'avion a été conçu et optimisé
pour réduire la masse de l'avion, augmenter son aérodynamisme, réduire sa
consommation d'énergie et maximiser le rendement des cellules photovoltaïques.