Photovoltaique Et Phothothermique Energie [PDF]

Zitiervorschau

Université Mustapha Stambouli-MascaraAnnée universitaire : 2018-2019 Faculté des sciences exactes Date : 19-06 -2018 Département de Physique Durée : 2H00 1 ère Année Master physique énergétique et énergies renouvelables

Examen de l’unité : Photovoltaïque et photothermique Questions de cours : (6pts)

1- Réaliser un diagramme des transferts énergétiques pour un module photovoltaïque. 2- Quelles sont les caractéristiques courant-tension résultantes de l’association en série et en parallèle des cellules photovoltaïques ? 3- Faire un schéma et expliquer en quelques mots l’effet de serre dans un capteur solaire thermique Exercice 1 : (6pts) Un panneau photovoltaïque de rendement η=0.08 et de surface S= 15m2 est éclairé par une lumière de longueur d’onde moyenne 550nm. La puissance solaire reçue face au soleil est d’environ 1300 W/ m2. 1-Calculer la fréquence et l’énergie d’un photon. 2-Calculer le nombre moyen de photons sur 1 m2 placé face au soleil pendant une seconde et pendant une heure. 3- Calculer le nombre moyen de photons sur 15 m2 pendant une heure 4- Calculer la puissance électrique PU du panneau. Exercice 2 : (8pts) 1/ Les pompes à chaleur (PAC) sont des

dispositifs désormais préconisés pour le chauffage des bassins d'eau. La PAC air / eau est une machine thermique ditherme qui fonctionne entre une source de température variable au cours du temps et une source de température quasi constante, tout en recevant de l'énergie électrique. La PAC fonctionne comme une machine cyclique. Au terme d'un cycle, la variation d'énergie interne U du système {fluide frigorigène} contenu dans la PAC est nulle. Des transferts énergétiques Qf, Qc et We sont mis en jeu au cours d'un cycle de la PAC, avec : Figure 1. Schéma énergétique de la pompe à chaleur d’une piscine.

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-Qf : énergie transférée de l'air extérieur (source froide dans ce dispositif) au fluide de la PAC ; cette énergie est renouvelable et gratuite ; -Qc : énergie transférée par le fluide de la PAC à l'eau du bassin de la piscine ; -We : énergie électrique consommée par la PAC et transférée intégralement au fluide de la PAC sous une autre forme. Les grandeurs Qf, , Qc et We sont positives 1.1 Parmi les transferts d'énergie Qc, Qf et We, indiquer ceux qui correspondent à une énergie reçue par le fluide de la PAC et ceux qui correspondent à de l'énergie cédée par le fluide de la PAC. 1.2. Montrer que pour un cycle du fluide, on a l'égalité Qc = Qf + We 2/Après remplissage d'une piscine de volume V = 560 m3 avec une eau initialement prise à une température de 17°C, on souhaite augmenter la température de l'eau de piscine jusqu'à 28°C. On considérera que le transfert thermique depuis la PAC sert intégralement à chauffer l'eau de la piscine sans déperdition. 2.1 Calculer la variation d'énergie interne de l'eau du bassin U {eau} quand la température de l'eau a atteint 28°C. En déduire la valeur de Qc . 2.2 On a mesuré l'énergie électrique We consommée (et facturée) pendant ce transfert et trouvé une valeur égale à We = 8,0 × 109 J. Déterminer la valeur de Qf . 2.3 Exprimer, puis calculer le coefficient de performance  de la PAC.

Données : Capacité thermique massique de l'eau liquide : ceau = 4,18 k J. kg–1. K–1 ; Masse volumique de l'eau liquide : ρeau = 1000 kg.m-3 dans les conditions de l'étude.

Responsable de l’unité Mme N.BERRAHOU

Bon courage

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Université Mustapha Stambouli-MascaraAnnée universitaire : 2018-2019 Faculté des sciences exactes Département de Physique 1 ère Année Master physique énergétique et énergies renouvelables

Corrigé de l’examen de l’unité : Photovoltaïque et photothermique Questions de cours : (6pts) 1/

1pt 2/ - Une association de NS cellules en série permet d’augmenter la tension du générateur photovoltaïque VCO Ns = NS .VCO ; Icc NS= Icc 1pt VCO : la tension du circuit ouvert -Une association parallèle de NP cellules est possible et permet d’accroître le courant de sortie de générateur ICC Np = Np .ICC ; Vco Np =Vco 1pt ICC : Courant de court circuit

3/

L’effet de serre dans un capteur solaire thermique 1pt Certains matériaux laissent passer une gamme étendue de longueurs d’onde, alors que le verre est transparent seulement au visible et au proche infrarouge. Entourant un corps noir d’une cage de verre, la lumière traversant le verre échauffe le corps noir et la porte à une température de 30° à 100°C environ. Ce corps noir faiblement chauffé va donc émettre dans l’infrarouge pour lequel le verre est opaque, l’infrarouge piégé dans la cage va retourner au corps noir contribuant ainsi un échauffement alors c’est l’effet de serre dans un capteur solaire thermique 2pts

Exercice1 : (6pts) 1/ la fréquence : 𝛎 = c /λ ⟹ 𝛎= 3.108 / 550 .10 -9 =5.45 .1014 HZ

0.5pt

L’énergie : E=h 𝛎⟹ E= 6.62 .10-34 5.45 .10 14= 3.61 .10 -19 J= 2.3 eV 0.5pt 2/ On a : Et= Pt=13001=1300 J 0.5 pt

( P = Ps .S)

Le nombre de photons) N pendant 1 seconde: N = Et / E=1300/3.61 .10 -19 ⟹ N=3.6 .10 21 photons 1pt Le nombre de photons) N pendant une heure : Et= P  t=13003600= 468 10 4 J N = Et / E= 468 . 10 4 /3.61 .10 -19 ⟹ N=1.29 .10 25 photons 1pt 3/ Pi = (1300. 15)/1(m2) = 19500 W 0.5 pt N = Et / E=195003600/3.61 .10 -19=1.94 .10 26 photons 1pt 4/ le rendement η= Putile / Pincidente Pu = η . Pi = 0.08 19500 = 1560 W 1pt

Exercice2 : (8pts) 1/ 1.1. D’après le schéma de la figure 1 : - les énergies reçues par le fluide de la PAC sont Qf et We 1pt - l’énergie cédée par le fluide de la PAC est QC. 1pt 1.2 Au cours d’un cycle du système de la PAC U= Qf + We – QC avec U {fluidePAC} = 0. 1pt Alors Qf+We – QC = 0 On obtient finalement : Qf + We = QC 2/ 2.1. La variation d’énergie interne de l’eau est : U{eau} = meau . ceau .  U{eau} = eau.V.ceau. 1pt soit : U{eau} = 1000  560  4,18103  (28 – 17) =2,61010 J. 0.5pt Le transfert thermique QC sert intégralement à chauffer l’eau de la piscine donc : QC = U{eau} = 2,61010 J. 1pt 2.2. Le fluide a reçu We de la part du réseau électrique et Qf de la part de l’air extérieur. Il a cédé QC à l’eau du bassin. On a : Qf + We = QC donc Qf = QC – We

L’air extérieur a transféré Qf = (2,61010) – (8,0109 ) = 1,81010 J. 1pt 2.3. Le coefficient de performance  est défini par la relation :  

énergie utile . énergie dépensée

L’énergie utile est QC et l’énergie dépensée est We donc :   QC 1pt We

Soit



2,6  10 = 3,2 8,0  109 10

0.5pt

-Le coefficient de performance  de la PAC est plus ou moins élevé selon la technologie compris entre 2.5 et 5