C hapitre 1
Énergie solaire et habitat

Découvrir
Activité documentaire n° 1
Les utilisations de l’énergie solaire
• Exploiter :
1. Pour un panneau photovoltaïque, on a de l’énergie lumineuse à l’entrée et de l’énergie élec-
trique à la sortie.
2. Un onduleur convertit la tension continue en une tension alternative.
3. L’ECS est produite par un chauffe-eau solaire.
4. L’économie est de 800 W sur 2 h (une heure d’éclairage économisée le matin et le soir) soit
1 600 Wh par jour, soit sur une année 1,60 × 365 = 584 kWh.

Activité expérimentale n° 2
Pourquoi une douche solaire est-elle de couleur noire ?
• Exploiter :
1. Lorsque la plaque est peinte en noir, la température de la plaque est plus élevée.
2. Le noir absorbe tous les rayonnements ; il n’y a pas de perte par réflexion.

Démarche d’investigation n° 3
Quelle est la quantité d’énergie stockée par une douche solaire ?
• Travail à réaliser :
1. Mettre le thermoplongeur dans l’eau froide. Noter la tension, l’intensité et la durée de chauffe
pour passer de 20 °C (par exemple) à 40 °C.
2. Si on fait l’hypothèse que la température initiale est de 20 °C, la quantité d’énergie nécessaire
pour élever jusqu’à 40 °C les 20 kg d’eau est : Q = m.c.ΔT = 20 × 4,180 × 20 = 1 672 kJ.
3. On fait l’hypothèse pour la douche solaire d’une sphère de 20 dm3.
4 3
πR = 20 dm3 soit un rayon de la réserve d’eau de R = 3,6 dm.
3
La surface de la sphère correspondante est πR2 = 40 dm2.
En admettant une puissance solaire moyenne de 1 000 W/m2, la puissance reçue par la douche
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est de 400 W.
1 672 × 103
Durée de chauffage T = = 4 180 s, soit 1 h et une dizaine de minutes.
400

Extraire l’information utile
Centrale solaire thermique à concentration
• Exploiter :
1. Chaine énergétique d’une centrale solaire :
énergie solaire → fluide → énergie thermique → turbine → énergie mécanique → alternateur
→ énergie électrique

Chapitre 1 - Énergie solaire et habitat 5
 2. Puissance Andasol : 180 000 = 50 MW.
3 600
1 600
Nombre de centrales nécessaires : = 32.
50
3. Avantage : énergie renouvelable.
Inconvénient : apport énergie solaire intermittent.
Pour pallier les variations de l’ensoleillement, on peut stocker de l’énergie (forme chimique : accu-
mulateurs ; forme mécanique : remontée de l’eau des barrages…).


Réaliser un TP
Bilan énergétique d’une cellule photovoltaïque
• Exploiter :
1. Le courant de court-circuit augmente avec l’éclairement.
2. Les courbes passent par un maximum qui est d’autant plus élevé que l’éclairement est impor-
tant.
3. Voir les caractéristiques du luxmètre et du panneau pour déterminer la puissance reçue. La
puissance électrique est calculée à partir des coordonnées du maximum.


S’entraîner
Testez vos connaissances
1. c) ; 2. b) ; 3. a) ; 4. a) et b) ; 5. c) ; 6. a) ; 7. a) ; 8. c) ; 9. b) ; 10. a)

Applications directes du cours
11 Énergie solaire, énergie inépuisable !
1. ESR = P · S . t = 200 × 5,5 × 1011 × 24 × 365 = 9,5 × 1017 Wh soit de l’ordre de 1015 kWh.
2. EF = 260 × 106 × 1,1611 × 104 = 3,02 × 1012 kWh de l’ordre de 1012 kWh.
3. Le rapport est de 1 000 : on reçoit 1 000 fois plus d’énergie qu’on en consomme mais on ne sait
pas encore bien l’exploiter pour être une alternative au pétrole, au nucléaire.
12 Mon photon a de l’énergie
1. La puissance est donnée par le produit de l’énergie d’un photon par le nombre de photons
arrivant sur 1 m2 :
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P = 1,1 × 4,5 × 1017 × 104 × 1,6 × 10–19 = 792 W · m–2
2. Le nombre d’électrons est égal au nombre de photons ; d’où en multipliant par la charge d’un
électron on trouve :
I = 7,2 × 10–2 A
13 Ca ondule pas mal !
1. Un onduleur assure la conversion tension continue / tension alternative.
2. Le couplage permet de ne pas perdre de l’énergie. Le surplus de production est fourni au réseau
et lorsque les besoins ne sont pas couverts le réseau alimente l’habitation.
14 Tu es tombé dans le panneau
1. Il s’agit d’un panneau solaire thermique.

6
 2. Représentation de la chaine énergétique :
énergie lumineuse → échangeur → énergie thermique
3. Le rendement du panneau est égal au rapport des énergies reçue par l’eau et fournie par les
radiations au capteur :
1,2
η= = 0,3 (30 %) ce rendement est très faible.
4
15 En série ou en dérivation
P1 1,2
1. I1 = = = 2,5 A.
U1 0,48
2. Les cellules sont montées en série. Il faut n = 12 = 25 cellules.
0,48
3. Pa = 900 × 0,427 × 0,633 = 243 W.
4. η = 25 × 1,2 = 0,12 (12 %).
243
16 Infos ou intox ?
– Hydroélectrique : Eh = m · g · h avec h = 400 m et m = ρ · V d’où E = 4 × 106 J soit environ 1 kWh.
– Biomasse : en prenant 6 tonnes de MS produites par hectare :
18 000
Eb = 6 × 103 × = 10,8 ×104 kJ/m2 = 3 kWh/m2 par an.
104
– Photovoltaïque : en prenant un rendement de 10 % :
Ep = 1 × 0,1 × 6 × 365 = 219 kWh en considérant 6 h de soleil par jour tous les jours.
Les ordres de grandeur sont donc corrects avec un facteur 100 entre l’hydraulique et le photo-
voltaïque.

Exercices d’entraînement
17 Du noir pour chauffer
1. D’après la loi de Stefan : P = σ · S · T4 d’où : T = T1 = 381K soit θ1 = 108 °C.
2. T2 = 303 K soit θ2 = 30 °C.
18 Carte de France solaire
6 000
Les panneaux solaires doivent fournir E = = 3 000 kWh par an.
2
Dans chaque ville, l’énergie reçue par m2 est Er = Ed × 0,2 × 365 où Ed est l’énergie reçue par jour
et par m2, lue sur la carte.
E
La surface nécessaire des panneaux solaires est S = .
Er
3000
Pour Lille, on lit : EjL = 3,0 kWh/m . jour ; donc SL =
2
= 13 m2 .
3,0 × 0,2 × 365
Pour Rennes : EjR = 3,6 kWh/m2 . jour ; donc SR = 11 m2.
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Pour Toulon : EjT = 5,2 kWh/m2 . jour ; donc ST = 8 m2 .

19 Sortez vos tableurs
1. On peut s’assurer que l’éclairement est constant avec un luxmètre.
On peut faire varier la valeur de l’intensité du courant dans le circuit grâce à une cellule photoé-
lectrique.
2. Graphes (voir cours du manuel).
3. La puissance P passe par un maximum pour une intensité donnée, c’est la zone optimale de
fonctionnement.
20 Extraire et analyser des données constructeurs

Chapitre 1 - Énergie solaire et habitat 7
 1. I = 3,0 A.
2. Tension à vide : 22,5 V.
3. Éclairement du panneau solaire : 200 W · m–2.
21 Rendement, où est passée l’énergie ?
1. U1 = 12 = 2 = 0,67 V.
18 3
0,6
2. I1 = = 0,3 A.
2
3. Puissance fournie : P = U × I = 12 × 0,6 = 7,2 W.
Puissance reçue : Preçue = 1 200 × 0,157 × 0,157 = 29,6 W.
η = 0,24 (24 %).
22 ECS : Eau Chaude Sanitaire
1. Qa = m · ceau · Δθ = ρeau · D · ceau · Δθ = 1 000 × 22 × 10–3 × 4 180 × (42 – 16) = 2,39 × 106 J soit
2,39 × 103 kJ ou 0,664 kWh.
2. P = 0,664 kW.
3. r = P = 664 × 2 = 0,37 (37 %).
Preçue 900

23 OBJECTIF BAC Piscine chauffée
1. a) Q1 = 0,5 P · S · t = 0,5 × 300 × 20 × 10 × 12 × 3 600 = 1,3 × 109 J.
Q1 1,3 × 109
b) Q1 = m · ceau · Δθ1 soit Δθ1 = = = 0,5 K.
reau · V · ceau 1 000 × 20 × 10 × 3 × 4 180
2. a) P2 = σ · S · T4 = 5,67 × 10–8 × 200 × (298)4 = 8,95 × 104 W.
b) Q2 = P · S · t = 3,86 × 109 J.
Q2
c) Δθ2 = – = – 1,5 K.
r · V · c
d) On peut mettre une couverture.
3. Perte d’énergie en 24 h de Q2 – Q1 = 2,56 × 109 J.
4. Énergie solaire → capteur → énergie thermique.
24 It’s in English
Enoncé
Un panneau solaire est composé de 6 modules photovoltaïques montés en dérivation. Chaque
module peut fournir une puissance P1 = 12 W sous une tension nominale U1 = 24 V.
1. Calculer l’intensité nominale I1 du courant que peut fournir un module.
2. Que vaut la tension nominale de ce panneau solaire ?
3. Quelle est la valeur de l’intensité nominale IP que peut débiter le panneau solaire ?
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4. Ce panneau solaire est de forme rectangulaire de largeur 40 cm et de longueur 60 cm. Il est
éclairé par un rayonnement de puissance 1 100 W · m–2. Calculer la puissance Pa absorbée par ce
panneau solaire.
5. Calculer son rendement r lorsqu’il fonctionne dans les conditions nominales.
Corrigé
P
1. I1 = 1 = 0,5 A.
U1
2. Tension nominale 24 V.
3. Intensité nominale IP = 6 I1 = 3 A.
4. Pa = 0,4 × 0,6 × 1 100 = 264 W.
5. r = 6 × 12 = 0,27 %.
264
8