Chap 4 : Energie Solaire HABITAT

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1 .La lumière.1. Onde électromagnétique Ultraviolet nfrarouge - La lumière visible et invisible transporte de l énergie sous la forme d ondes électromagnétiques qui se propagent à la vitesse c = m.s Les différentes fréquences électromagnétiques émises sont appelées radiations. Suivant leur valeur, notre œil perçoit différentes couleurs (voir les domaines spectraux de la lumière en bas de la page). - Une onde électromagnétique résulte d une combinaison entre un champ magnétique qui se mesure en tesla (T) et d un champ électrique E qui se mesure en V/m. E: champ électrique (V/m) : champ magnétique (T) : longueur d onde (m) Sens de la propagation - La lumière est une onde transversale, c'est-à-dire que les déformations du champ électrique et du champ magnétique se font sur les côtés de l axe de propagation. - La lumière peut se propager dans le vide et dans tous les milieux transparents. On donne, ci-dessous, la relation entre la fréquence de battement de l onde et la longueur d onde : c (Nu ou f): Fréquence de l onde en Hertz (Hz) C : Célérité de l onde (m.s -1 ) : Longueur d onde ou période spatiale en mètre (m) T : Période temporelle du battement en seconde (s) T 1 Fréquence 30 PHz 750 THz 375 THz 0,3 THz UltraViolet (UV) Lumière visible nfrarouge 10 nm 400 nm 800 nm 1 mm (R) Longueur d onde Page 1 / 6

2 .2. Les photons La lumière peut-être modélisée par des particules énergétiques sans masses et sans charge appelées photons. Les photons d'énergie suffisante sont capables de libérer les électrons de semi-conducteurs pour les transformer en courant électrique. C'est l'effet photoélectrique. L'énergie E (joule) d un photon est proportionnelle à la fréquence (hertz) de l'onde : E = h x vec E : énergie du photon en joule (J). : Fréquence de l onde en hertz (Hz) h : constante de Planck h=6, J.s. Pour le photon, on utilise parfois une autre unité d énergie appelée l électronvolt : 1 ev = 1, J UV visible R Longueur d onde Fréquence Energie d un photon 10 nm 400 nm 800 nm 1 mm 30 PHz J 120 ev 750 THz 5, J 2,6 ev 375 THz 2, J 1,3 ev 0,3 THz 0, J 1,2 mev.3. Mesure de l éclairement énergétique ou irradiance L irradiance ou éclairement énergétique sont les termes pour quantifier la puissance d'un rayonnement électromagnétique par unité de surface. Elles se mesurent avec un solarimètre (ou pyromètre) et elles s expriment en watt par mètre carré (W/m² ou W m -2 ) La mesure de l irradiance va nous permettre de calculer la puissance solaire reçue sur le panneau. Elle dépend directement des conditions climatiques. rradiance On confond souvent l éclairement énergétique avec l ensoleillement. L ensoleillement représente une énergie par unité de surface en J/m² ou J.m -2. Page 2 / 6

3 .Panneau photovoltaïque.1. Conversion d énergie d un panneau photovoltaïque Un panneau photovoltaïque permet de produire de l énergie électrique continue à partir de l énergie solaire. Energie solaire Transmise par rayonnement électromagnétique E solaire Cellule Photovoltaïque E élec Energie électrique Continue E perdue Pertes énergétiques Rayons réfléchis sur la vitre Echauffement du panneau Conservation de l énergie : E solaire = E élec E perdue (tout ce qui rentre = tout ce qui sort) Rendement : sortie E entrée E Electrique Le rendement n a pas d unité, il est exprimé en % Solaire quand on multiplie le résultat obtenu par 100. Conversion d unités : 1 kw.h = 1000 W x 3600 s = 3,6 MW.s = 3,6 MJ Relation entre énergie E, puissance P et durée d utilisation t : Unités du Système nternational : E = P x t E = P x t Unités adaptés au (J) (W) (s) consommateur : (kw.h) (kw) (h) Conservation de la puissance : P solaire = P élec P perdue Rendement : sortie entrée P Electrique P Solaire Puissance solaire P Solaire : Éclairement énergétique ou irradiance (W.m -2 ) P solaire = r x S Puissance solaire Surface de réception reçue (W) (m 2 ) Page 3 / 6

4 .2. La atterie Une batterie est un ensemble d'accumulateurs permettant le stockage de l énergie électrique sous la forme de réactifs chimiques («énergie chimique»). Les batteries disposent d une capacité plus ou moins grande de stockage d énergie suivant leur conception. La capacité d une batterie correspond à la quantité d électricité Q que peut emmagasiner cette batterie. l existe deux unités différentes pour la quantité d électricité (ou capacité) : l ampère-heure (.h) ou le coulomb (C) Unités adaptés au consommateur : Q = x t (.h) () (h) Unités du Système nternational : Q = x t (C) () (s) Conversion d unités : 1.h = 1 x 3600 s = 3600.s = 3600 C = 3,6 kc 12 V 50.h ttention de ne pas confondre la quantité d électricité Q avec la quantité de chaleur (énergie thermique en joule) que l on nomme aussi par la lettre Q. nstallation photovoltaïque avec batterie et onduleur Onduleur Convertisseur 12V continu / 230V alternatif.notions électriques.1. Tension continue U en volt (V) Mesure : La tension électrique U aux bornes d un dipôle se mesure avec un voltmètre placé en dérivation (en parallèle) sur le dipôle Photopile (ex : Cellule photovoltaïque) U DC ou V dditivité des tensions : Pour augmenter la tension en sortie d une installation photovoltaïque, il faut les brancher les panneaux en série en respectant les polarités. Page 4 / 6 U 3 U 2 U 1 U = U 1 U 2 U 3

5 .2. ntensité d un courant continu en ampère () Mesure : L intensité d un courant électrique traversant un dipôle se mesure avec un ampèremètre placé en série dans le circuit. DC ou dditivité des courants (loi de nœuds) : Pour augmenter l intensité en sortie d une installation photovoltaïque, il faut brancher les panneaux en parallèle (Dérivation) en respectant les polarités = Puissance électrique P en courant continu P = U x (W) (V) () La puissance électrique se mesure avec un wattmètre, appareil à 4 bornes : - 2 bornes pour la mesure de branché en série. - 2 bornes pour la mesure de U branché en dérivation. * * U W.4. Le résistor R et les conventions électriques Le résistor R est un dipôle ohmique qui transforme l énergie électrique en énergie thermique (chaleur). On dit que le résistor dissipe de l énergie électrique par effet Joule. En pointillé gauche : nous sommes en convention générateur U et dans le même sens. La photopile fournit de l énergie électrique. U U R En pointillé droit : nous sommes en convention récepteur U et dans le sens contraire. Le résistor consomme de l énergie électrique. Loi d ohm appliquée aux bornes d un résistor de résistance R en ohm () en convention récepteur : Puissance en watt (W) dissipée par effet joule d une résistance (en chaleur) : U R = R x R (V) () () P j = R x R ² = U R ² / R (W) () ()² (V)² () Page 5 / 6

6 V.Energie thermique solaire captée V.1. Constitution d un panneau thermique et pertes Rayonnement Pertes optiques Pertes par convection Pertes par rayonnement Vitre infrarouge solant bsorbeur Caisson Fluide caloporteur Pertes par conduction V.2. Conversion d énergie d un panneau thermique Energie solaire E solaire Panneau Thermique Q Energie Thermique Q perdue Pertes thermiques V.3. Energie thermique reçue par un corps Quantité de chaleur échangée (énergie thermique en Joule) Q = m. C. = m. C. ( f - i ) m : Masse du corps en kg. C : Capacité thermique massique J.kg -1.K -1. f : Température finale du corps K ou C. i : Température initiale du corps K ou C. Rappel : Masse volumique : m =. V ou m =. V Kg kg.m -3 m 3 Kg kg.l -1 L Page 6 / 6

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