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2 Compétences mises en œuvre par l élève : Savoir lire un document et en extraire une information utile. Réfléchir et répondre à une problématique. Communiquer : écrit et oral. Mutualiser des solutions. Support de travail (matériel, documents à projeter, document à distribuer aux élèves, logiciel ) : -Mesures de l activité expérimentale «Caractéristiques électriques du panneau solaire». -Document à distribuer aux élèves. Mots clés : panneau photovoltaïque, éclairement énergétique, flux lumineux, flux énergétique, efficacité lumineuse, puissance, puissance crête, rendement. 2

3 Document à fournir à l élève Activité documentaire : Rendement du panneau solaire Objectif de l activité : Déterminer l'ordre de grandeur du rendement d un panneau solaire. Document : -Le flux lumineux F, exprimé en lumen (en lm), est la quantité d énergie émise par la lampe sous forme de rayonnement visible dans toutes les directions par unité de temps : F = E. S (avec E, éclairement lumineux en lux (en lx) et S, surface du panneau solaire en m 2 ). -Le flux énergétique E (en W) est le rapport du flux lumineux F en lumen (lm) (reçu par le panneau solaire d une surface S) par l efficacité lumineuse K en lumen par watt (lm.w -1 ) de la lampe : E = F / K. -Pour une lampe à incandescence de 40 W du type utilisé : K = 12 lm.w -1. -L éclairement énergétique E énergétique (en W/m 2 ) du panneau solaire correspond au rapport de la puissance lumineuse rayonnée par la lampe, nommée flux énergétique E (en W), par la surface S (en m 2 ) du panneau solaire : E énergétique = E / S. -Le rendement du panneau solaire est donné par la formule : puissance électrique maximale fournie par lepanneau surface du panneau éclairement énergétique reçu par le panneau -Le panneau solaire a une forme rectangulaire de 9 cm de long sur 6 cm de large. Problématique : À l'aide des résultats de l activité expérimentale «Caractéristiques électriques du panneau solaire» et du document donné de l activité documentaire «Rendement du panneau solaire», proposer une démarche théorique pour calculer le rendement du panneau solaire pour un éclairement lumineux créé par une ampoule de 40 W située à 15 cm du panneau solaire. Puis le calculer. Rechercher l ordre de grandeur du rendement des panneaux photovoltaïques utilisés sur les toits des maisons individuelles et conclure. 3

4 Calculs destinés au professeur Activité documentaire : Rendement du panneau solaire Q : À l'aide des résultats de l activité expérimentale «Caractéristiques électriques du panneau solaire» et du document donné de l activité documentaire «Rendement du panneau solaire», proposer une démarche théorique pour calculer le rendement du panneau solaire pour un éclairement lumineux créé par une ampoule de 40 W située à 15 cm du panneau solaire. Puis le calculer. Rechercher l ordre de grandeur du rendement des panneaux photovoltaïques utilisés sur les toits des maisons individuelles et conclure. R : Voici la démarche théorique pour calculer le rendement du panneau solaire : Les résultats de l activité expérimentale «Caractéristiques électriques du panneau solaire» ont donné : E (en lux) P élec_max (en W) , La surface S (en m 2 ) du panneau solaire est : S = 9 cm x 6 cm = 54 cm 2 = m 2 On calcule le flux lumineux F (en lm), en utilisant les caractéristiques du panneau solaire. F = E x S = 2350 x = 12,69 lm On en déduit le flux énergétique E (en W) en utilisant la valeur de K = 12 lm.w -1. E = F / K = 12,69 /12 = 1,058 W On en déduit l éclairement énergétique E énergétique (en W/m 2 ) reçue par mètre carré par le panneau solaire : Remarque : Il n'y a pas de facteur de conversion unique entre le lux (lumen/m²) et le Watt/m². Il y a des facteurs de conversion différents pour chaque longueur d'onde, et ce n'est pas possible de faire une conversion sans connaitre la composition spectrale de la lumière. On admet pour l œil humain et pour la lampe utilisée, cela correspond au facteur égal à K = 12 lm.w -1. 4

5 Par conséquent l éclairement énergétique E énergétique (en W/m 2 ) reçue par le panneau solaire (appelée aussi puissance surfacique) doit être calculée de la manière suivante : E énergétique = E / S = / = 195,833 W/m 2 On calcule l'ordre de grandeur du rendement (en %) du panneau solaire lorsqu'il délivre sa puissance électrique maximale P élec_max. η = (P élec _ max / S) / E énergétique = ( / ) / 195,833 = 7, soit 0,79 % Le rendement de notre panneau solaire du TP est très mauvais. Tableau récapitulatif des calculs effectués : E (en lux) P élec_max S (en m 2 ) F (en lm) E (en W) E énergétique (en %) (en W) (en W/m 2 ) , ,69 1, ,833 0,79 Pour les panneaux solaires commercialisés, le rendement fluctue en général entre 5 % et 52 % suivant leur technologie car il existe plusieurs types de cellules solaires : 5

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