act.3.rpb : panneaux photovoltaiques versus centrale nucleaire

THEME 1 : LES MATERIAUX
CHAP.2 : STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX(CHAP.8 DU LIVRE)
ACT.3.RPB : PANNEAUX PHOTOVOLTAIQUES VERSUS CENTRALE NUCLEAIRE
Icc = 1,5 A
Document 1 : Panneaux photovoltaïques
Un constructeur donne la caractéristique intensité-tension
d'un module photovoltaïque au silicium de surface
S = 1 500 cm², pour deux éclairements : 500 W.m-2 et
1000 W.m-2.
La puissance électrique fournie par un module
photovoltaïque est généralement insuffisante pour les
applications industrielles ou domestiques. De ce fait, les
générateurs photovoltaïques sont réalisés par association
d'un grand nombre de modules photovoltaïques.
Le rendement  d'un générateur photovoltaïque est le
quotient de la puissance électrique maximale, Pmax, fournie
par le générateur, sur la puissance lumineuse PLum reçue :
 = Pmax/ PLum
La puissance lumineuse reçue par une surface S sous un
éclairement E est :
Uco= 24 V
PLum = ES (E en W.m-2, S en m² et PLum en W).
On admet que le rendement d'un générateur
photovoltaïque est le même que celui des modules le
constituant.
Document 2. La centrale nucléaire de Saint Alban fournit une énergie électrique de 4,85.107 kWh par jour.
Document 3. La surface de la centrale de Saint Alban est SStAlban = 1,8 km2 et celle de Vienne est SVienne = 22,7 km2.
Document 4. La puissance radiative maximale reçue au niveau du sol (= éclairement) se situe aux environs de
1000 W/m².
Elle varie beaucoup selon la couverture
nuageuse, l'angle d'incidence du soleil par
rapport à la surface réceptrice et donc
l'orientation de cette dernière.
Elle est 18 % moindre à Lille qu’à Lyon. Elle est
33 % supérieure à Marseille qu’à Lyon.
Questions préalables :
1)
Pour un éclairement de 1 000 W.m-2, faire apparaître ICC (courant de court-circuit, la tension est alors nulle) et
UCO (tension en circuit ouvert, l’intensité est alors nulle) sur la courbe du document 1.
Graphiquement, lorsque U = 0 V pour un éclairement de 1 000 W.m-2, Icc = 1,5 A.
Lorsque I = 0 A pour un éclairement de 1 000 W.m-2, Uco = 24 V.
2)
a) Pour un éclairement de 1 000 W.m-2 et à l'aide de la courbe du document 1, calculer les puissances
électriques pour les points A, B, C.
La puissance est donnée par la relation : P = U x I
Point
A
B
C
Tension (en V)
7,50
17,5
22,5
Intensité (en A)
1,425
1,25
0,375
Puissance (en W)
10,7
21,9
8,44
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3)
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b) Que valent les puissances correspondant à ICC et UCO ?
A Icc, Ucc = 0 V donc P = 0 W
A Uco, Icc = 0 A donc P = 0 W
4)
On pourrait vérifier que la puissance Pmax délivrée par le module, est maximale en B (toujours pour un
éclairement de 1000 W.m-2). Calculer le rendement  du module.
Sur la caractéristique du doc. 1, on trace les tangentes et le point d’inflexion
correspond au point B.
Le rendement est donné par la relation :  = Pmax/ PLum
A.N. Pmax = PB = 22 W
E = 1 000 W/m2
et
 = 22 / (1 000 x 1 500.10-4) = 0,147  0,15
et
PLum = E x S
S = 1 500 cm2 = 1 500.10-4 m2
soit
 = 15 %
Résolution de problème
Toujours pour un éclairement de 1000 W.m-2, vous déterminerez la surface STotale d'un générateur
photovoltaïque qui fournirait la même puissance électrique que celle de la centrale nucléaire de Saint Alban, et le
nombre N de modules photovoltaïques nécessaires.
 Calcul de la puissance électrique fournie par la centrale nucléaire
Soit EStAlban, l’énergie fournie par la centrale en un jour (soit pour une durée Δt = 24 h).
Soit PStAlban, la puissance électrique correspondante.
PStAlban = EStAlban / Δt
A.N.
(E = P x Δt)
EStAlban = 4,85.107 kWh = 4,85.1010 Wh
PStAlban = 4,85.10
10
/ 24
soit
Δt = 1 jour = 24 h
PStAlban = 2,0.109 W
 Calcul de la surface totale STotale nécessaire:
 = PStAlban / (E  STotale)
A.N.
PStAlban = 2,0.109 W
donc
STotale = PStAlban / (E  )
E = 1 000 W/m2
STotale = 2,0.109 / (1 000 x 0,15)
soit
 = 0,15
STotale = 1,3. 107 m2
Or 1 km2 = (1 km)2 = (103 m)2 = 106 m2
Donc STotale = 1,3. 101 . 106 m2 = 1,5. 101 km2
 Calcul du nombre N de modulesphotovoltaïques nécessaires :
N = STotale / S
A.N.
STotale = 1,3. 10 7 m2
S = 0,1500 m2 (cf questions préalables)
N = 1,3.107 / 0,1500
N = 8,7. 10
7
modules
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Commentaires sur la valeur de la surface obtenue
STotale / SStAlban = 1,5.101 / 1,8 = 8,3
La surface totale de panneaux photovoltaïques serait environ 8 fois plus grande que celle occupée par
la centrale nucléaire.
STotale / SVienne = 1,5.101 / 22,7 = 0,66
La surface totale de panneaux photovoltaïques occuperait 66 % de celle occupée par la ville de Vienne.
La surface nécessaire est donc très importante.
Arguments permettant d'expliquer s'il faut revoir cette surface calculée à la baisse, ou à la hausse
L’éclairement à Lyon est inférieur à 1000 W/m2. Il faudrait donc augmenter cette surface.
L’assemblage des 95 millions de modules nécessite l’installation de joints de dilatation entre ces
modules : la surface va donc être supérieure à celle calculée…
La nuit, les panneaux photovoltaïques ne fonctionnent pas : il faudrait donc doubler la surface STotale
calculée précédemment.
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