Puissance électrique fournie par un panneau solaire

Eclipse solaire – 20 Mars 2015 – Groupes 1 et 2
Puissance électrique fournie par un panneau solaire
« L'éclipse solaire du 20 mars va venir affoler le réseau électrique européen ». C'est le
titre d'un article publié par L'Usine Nouvelle sur son site :
http://www.usinenouvelle.com/article/l-eclipse-solaire-du-20-mars-va-venir-affoler-lereseau-electrique-europeen.N295878
« Avec le développement de l’énergie photovoltaïque en Europe ces dernières années, la
prochaine éclipse solaire, prévue pour le 20 mars 2015, pourrait perturber la production
d’électricité. Un phénomène que RTE veut examiner de près comme nous l'écrivions en
novembre dernier.
Le vendredi 7 novembre 2014, le gestionnaire du réseau de transport électrique français, RTE,
présentait ses prévisions sur l’équilibre offre-demande pour l’hiver 2014-2015. Si l’hiver
devrait se passer sans grande difficulté (voire encadré), le président Dominique Maillard attire
en revanche l’attention sur un évènement exceptionnel qui pourrait venir perturber la
production et la distribution d’électricité en Europe. Le 20 mars 2015, de 9h09 à 10h31 se
déroulera une éclipse solaire quasi-totale sur l’Europe.
Au maximum du phénomène, la baisse de la luminosité atteindra 80% pendant plusieurs
dizaines de minutes. Ce n’est bien sûr pas inhabituel. En août 1999, une magnifique éclipse
totale du soleil avait balayé le nord de l’Europe. "Mais il y a une différence considérable depuis
1999, c’est le développement important du photovoltaïque en Europe, explique Dominique
Maillard. L’éclipse va toucher 75000 à 80 000 MW de photovoltaïque installés sur le continent".
Or ces panneaux sont très sensibles aux variations de luminosité. Un jour nébuleux, les
panneaux voient leur production diminuer de 90%.
L’équivalent de 30 réacteurs nucléaires éclipsés :
Si la 20 mars prochain le temps est couvert, l’impact sera minime, car les panneaux solaires
produiront peu. Mais si le jour est ensoleillé, l’éclipse pourrait avoir des conséquences bien plus
importantes. "On pourrait voir disparaitre brutalement près de 30 000 MW du réseau électrique
européen", explique Dominique Maillard. L’équivalent de 25 à 30 réacteurs nucléaires français !
C’est comme si la température chutait en quelques minutes de 6°C en Europe et que tout le
monde allumait son chauffage pour compenser ce brusque refroidissement. Le phénomène va
être d’autant plus "sportif" pour les réseaux européens que le maximum de l’éclipse va se
déplacer, à la faveur de la rotation de la terre. Il y aura un arrêt et un démarrage permanent
de sources de production solaire à travers le continent.
RTE est entré en contact avec ses homologues européens pour préparer le phénomène. Il n’y a
pas de risques réels de black-out, mais le gestionnaire français juge que "c’est un événement
intéressant pour en étudier les conséquences sur e". Il s’agira aussi de prévoir à l’avance quels
seront les moyens de production et de délestage disponibles en cas de besoin. Autre
conséquence de cette éclipse, la baisse de la luminosité va pousser les gens à allumer les
lumières au bureau ou chez eux. Résultat : la consommation d’énergie va augmenter.
Ludovic Dupin »
On se propose de venir mesurer pendant toute la durée de l'éclipse, la puissance
électrique fournie par un panneau solaire.
Une cellule photovoltaïque (appelée aussi cellule solaire) permet de transformer de
l'énergie lumineuse en énergie électrique :
Energie
lumineuse
Energie
électrique
Une cellule solaire éclairée se comporte donc comme un générateur : elle dispose à ses
bornes d'une tension U (exprimée en volts V) et délivre dans le circuit auquel elle est
reliée un courant électrique d'intensité I (exprimé en ampères A).
La tension électrique se mesure avec un ______________ branché en ______________.
L'intensité du courant se mesure avec un _____________ branché en ______________.
La puissance électrique (exprimée en watts W) fournie par le générateur s'exprime alors
par la relation :
P = U.I
Le panneau alimentera une résistance électrique R = 10 Ω. En utilisant les symboles
électriques suivants, dessiner le schéma théorique, puis le schéma pratique nécessaires à
la réalisation de cette étude :
E,r
Schéma théorique
Schéma pratique
Travail de préparation au laboratoire :
Le Soleil sera remplacé par une lampe à filament. Faire quelques essais pour apprendre à
choisir convenablement les calibres des appareils de mesure et à calculer la puissance
électrique fournie par la cellule solaire.
L'angle que fait la cellule solaire avec le faisceau lumineux a-t-il une influence sur la
puissance électrique produite ?
Comment doit-on alors la positionner ?
Quelle conséquence cela entraîne-t-il sur la réalisation de l'expérience le jour J ?
Lors de l'éclipse on entrera toutes les données dans un logiciel tableur disponible sur la
tablette numérique. Par précaution une personne prendra simultanément en note, sur
papier, les valeurs de mesure.
Préparer le fichier sur le tableur.
Eclipse solaire – 20 Mars 2015 – Groupes 3 et 4
Mesure de l'éclairement du Soleil au cours de l'éclipse
Le luxmètre
Un luxmètre est un appareil permettant de mesurer l'éclairement, qui est exprimé en
lux (symbole lx).
Un lux correspond à l'éclairement fourni par une flamme de bougie à 1 mètre de
distance.
Le luxmètre est constitué de deux parties : une cellule sensible à la lumière,
orientable associée à un boîtier de mesure et d'affichage.
Les luxmètres disposent de plusieurs calibres pour s'adapter aux faibles ou fortes
luminosités.
Quelques exemples d'éclairement :
nuit de pleine lune : 0,5 lux
rue de nuit bien éclairée : 20 - 70 lux
appartement bien éclairé : 200 - 400 lux
extérieur par ciel couvert : 500 lux à 25 000 lux
extérieur en plein soleil : 50 000 à 100 000 lux.
L'éclairement énergétique :
La lumière transporte de l'énergie. Celle qui vient du Soleil est appelée énergie
solaire.
Pourquoi cet apport énergétique est-il capital sur Terre ?
La puissance lumineuse reçue sur chaque m² de surface éclairée permet de calculer
l'éclairement énergétique en W/m².
On pourra considérer de manière approximative qu'un éclairement de 100 lux
correspond à environ 1 W/m2 .
Travail de préparation au laboratoire :
Le Soleil sera remplacé par une lampe à filament.
Faire quelques essais pour apprendre à choisir convenablement le calibre du luxmètre
dans différentes situations d'éclairement (attention aux éventuels coefficients multiplicatifs
à prendre en compte).
L'angle que fait la cellule détectrice avec le faisceau lumineux a-t-il une influence sur
l'éclairement mesuré ?
Comment doit-on alors la positionner ?
Quelle conséquence cela entraîne-t-il sur la réalisation de l'expérience le jour J ?
Lors de l'éclipse on entrera toutes les données dans un logiciel tableur disponible sur la
tablette numérique. Par précaution une personne prendra simultanément en note, sur
papier, les valeurs de mesure.
Préparer le fichier sur le tableur.
Eclipse solaire – 20 Mars 2015 – Groupes 5 et 7
Réalisation d'un film de l'éclipse en accéléré :
Un film est une succession d'images prises les unes à la suite
des autres. Dans un film de cinéma, 24 images défilent sous
nos yeux à chaque seconde.
L'enregistrement de l'éclipse avec un caméscope (ou son
équivalent) donnerait un film dont la durée serait celle de
l'éclipse. Pour voir l'éclipse en accéléré on peut utiliser la technique du time-lapse à partir
de photos prises avec un appareil photo numérique.
Des informations sur cette technique se trouvent à l'adresse :
http://www.photograpix.fr/blog/photomontage/creer-video-timelapse/
Un des points importants consiste en la préparation du time-lapse. Il est décrit au
paragraphe 2 de la page web et reproduit ci-dessous :
→ 2. Détermination du nombre et la de fréquence des prises de vue
Mais, avant d’aller sur le terrain et de prendre les photos, il faut déterminer le nombre de
photos à prendre et la fréquence de prise de vue. Ces deux paramètres sont en effet
essentiels pour réaliser un time lapse de qualité.
• Le nombre de photos permet de déterminer la durée de votre film. Si vous voulez
par exemple faire une vidéo de 30 secondes vous devrez prendre : 30 secondes X
24 images/seconde soit 720 photos (eh oui, rien que ça !).
• La fréquence de prise de vue (c’est à dire le temps qui s’écoule entre deux photos)
permet de déterminer la vitesse d’accélération de votre film. Cette fréquence
dépend de ce que vous voulez saisir. Une fleur qui s’ouvre en 3 heures n’a pas
besoin d’être photographiée toutes les secondes alors qu’à l’inverse, si vous
photographiez des personnes qui marchent dans la rue à une fréquence de 60
secondes, elles n’apparaîtront que sur une seule image et il n’y aura aucune fluidité
dans votre vidéo.
Les règles que je vous donne ici ne sont bien sur pas gravées dans le marbre. Prenez les à
titre indicatif :
• Voitures qui se déplacent, personnes qui marchent dans la rue : 1 photo/2-5
secondes.
• Nuages dans le ciel, marée : 1 photo/10-15 secondes.
• Constructions de bâtiments : 1 photo/1 heure.
On devra également tenir compte de la carte mémoire utilisée (combien de photos pourrat-on enregistrer dessus ?).
Durée d'enregistrement de l'éclipse =
Durée de visionnage du film =
Nombre de photographies à réaliser =
Durée entre deux photographies =
Eclipse solaire – 20 Mars 2015 – Groupe 6
Projection de l'éclipse sur une surface à l'aide d'un miroir :
Lors de l'éclipse, il y a un grand nombre d'élèves du lycée qui seront très certainement
dépourvus de lunettes de protection.
On se propose de leur faire voir néanmoins le spectacle en toute sécurité, et à l'œil nu, en
projetant l'image du phénomène sur un écran.
Texte extrait d'un document fourni par l'Académie de Toulouse et l'Observatoire MidiPyrénées :
Observation à l'aide d'un sténopé à miroir
Le principe du sténopé a cependant une limite : la taille de l'image formée par le trou
reste généralement modeste.
Ainsi, un enfant tenant à bout de bras son sténopé obtiendra au sol une image du Soleil
dont le diamètre ne dépassera pas 2 cm environ (avec 2 mètres de distance sténopéfeuille).
Il s'agit donc de trouver une astuce pour augmenter la distance trou-image : utiliser un
miroir pour "replier" le faisceau et projeter l'image du Soleil non plus au sol mais sur un
mur à l'ombre. C'est le principe du sténopé à miroir schématisé sur l'illustration 16. La
feuille perforée est simplement posée sur le miroir. Afin que l'image soit suffisamment
lumineuse et pour une distance au mur d'une dizaine de mètres, un diamètre de l'ordre
du centimètre est adéquat (Illustration 17). A une telle distance (10m), le diamètre du
Soleil sera d'environ 10 cm.
L'image fournie peut être projetée sur un mur à
l'ombre, voire sous un préau ou dans un
bâtiment afin qu'elle soit davantage
contrastée. L'illustration 18 montre les deux
images projetées contre un mur par les deux
trous du sténopé à miroir visible sur l'illustration
17, lors de l'éclipse partielle du 3 octobre 2005,
à l'école Henri Wallon (Tarbes). On voit
particulièrement bien que le trou le plus petit
donne une image moins intense mais plus
nette. Ici, la taille des images était d'environ 10
cm.
Afin d'obtenir l'image la moins déformée, on a
intérêt à ce que le support sur lequel l'image est
projetée soit le plus perpendiculaire possible au faisceau
provenant du miroir.
Eclipse solaire – 20 Mars 2015 – Groupe 9
Mesure de la température et de la pression atmosphérique :
A propos de l'éclipse solaire du 11 Aout 1999 (Wikipédia) :
Les phénomènes liés à l'éclipse
Pendant cette éclipse, les observateurs ont pu assister à plusieurs phénomènes. Le
premier fut tout d'abord une baisse de luminosité totale ou partielle selon les régions.
Cette baisse de luminosité n'était pas sans rappeler un crépuscule anticipé pour certains
animaux qui se sont tus et se sont couchés. Un autre phénomène observé fut la baisse de
température d'environ 3 °C entre 10h30 et 14h (premier et dernier contact maximum),
qui créa une sensation de froid au beau milieu de l'été. Juste avant la disparition totale du
Soleil, des bandes d'ombre ont couru au sol, Vénus était visible au côté du Soleil (si la
zone du ciel était dégagée). Puis les étoiles sont apparues dans le ciel et le Soleil est
devenu « noir », encadré de Mercure et de Vénus de part et d'autre. Ce phénomène fut
très prononcé pour les observateurs situés dans la bande de totalité.
On se propose ici d'observer les éventuelles conséquences du passage de l'éclipse sur
notre atmosphère terrestre.
Pour cela, il vous sera demandé de réaliser des mesures de température et de pression
atmosphérique tout au long de l'éclipse.
Lors de l'éclipse on entrera toutes les données dans un logiciel tableur disponible sur la
tablette numérique. Par précaution une personne prendra simultanément en note, sur
papier, les valeurs de mesure.
Préparer le fichier sur le tableur.
Eclipse solaire – 20 Mars 2015 – Groupe 8
Projection de l'éclipse sur une surface à l'aide d'un télecsope :
8 – Bouton de focalisation (réglage de la netteté)
17- Réglage de la déclinaison
30- Réglage de l'ascension droite
(Ces deux boutons de commande permettent de pointer le télescope dans n'importe quelle
direction)
A cause du mouvement de rotation de la Terre, il faudra très régulièrement agir sur ces
deux boutons de réglage pour garder le centre du Soleil au centre de l'image.
L'image du Soleil sera projetée sur un écran, et sera ainsi visible de tous.
ATTENTION : IL EST STRICTEMENT DEFENDU DE REGARDER LE
SOLEIL A TRAVERS LES OCULAIRES DU TELESCOPE. SEULE
L'OBSERVATION DE LA PROJECTION SUR ECRAN EST AUTORISEE.