Energie électrique produite par le voilier Acciona. Concours Caplp maths sciences 2015.

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L'énergie photovoltaïque.
L'effet photoélectrique a été découvert par hasard en 1886 par Hertz. Un matériau métallique exposé à la lumière peut émettre des électrons. Au 17ème siècle, Newton et Huygens, s'opposaient sur la nature de la lumière. L'un défendait la nature corpusculaire, l'autre la nature ondulatoire. Expliquer en langage simple ces deux théories.
L'être humain à besoin d'images pour réfléchir et retenir. Les vagues sur l'eau font penser à une onde, une bille fait penser à une particule.
Une onde est caractérisée par sa fréquence et sa longueur d'onde. Les phénomène de diffraction
( après passage dans un petit trou, la lumière issue d'une source ponctuelle, se propageant en ligne droite, devient un faisceau conique )  et d'interférences ( en plaçant un écran après deux fentes crééant deux cônes lumineux, on observe sur l'écran une alternance de bandes lumineuse et noire), mettent en évidence le caractère ondulatoire de la lumière.
Le photon, particule élémentaire de masse et de charge nulle, illustre l'aspect corpusculaire de la lumière. Les échanges d'énergie entre lumière et matière ne peuvent se faire que par des paquets ( quanta) contenant d'autant plus d'énergie que la fréquence du rayonnement est élevée. Cet aspect corpusculaire est illustré par l'effet photoélectrique. ( Lorsque qu'un électron d'un métal absorbe un photon d'énergie suffisamment élevée, l'électron est éjecté du métal ).
L'aspect corpusculaire ( comme en témoignent les photons ) est complémentaire de l'aspect ondulatoire.
L'énergie minimale du photon permettant de libérer un électron dans un semi-conducteur à silicium  est égale à 1,1 eV. Déterminer la longueur d'onde correspondante.
l = h c / E =6,63 10-34 *3,0 108 / (1,1 *1,6 10-19)= 1,13 10-6 m ~1,1 µm.
Les caractéristiques des panneaux photovoltaïques sont établies dans des conditions de test normalisées. On donne le spectre de lumière reçue par le panneau. Indiquer si tous les photons sont convertis en électrons. Justifier.

Seuls les photons de longueur d'onde inférieure à 1,1 µm possèdent une énergie suffisante pour arracher des électrons.
Dans les conditions du test, l'éclairement énergétique est égal à 800 W m-2. Dimension d'une cellule : 130  mm x 130 mm. Puissance maximale d'une cellule élémentaire : 2,57 W. Déterminer la puissance solaire reçue par une cellule élémentaire ; en déduire le rendement. Proposer une explication pour justifier le faible rendement.
Surface d'une cellule S = 0,130*0,130 = 0,0169 m2.
Puissance solaire reçue : 800*0,0169 =13,5 W ; rendement : 2,57 / 13,5 =0,19 ( 19 %).
Tous les photons ne transfèrent pas leur énergie aux électrons. Si le photon possède une énergie inférieure à un certain seuil ( dépendant du semi-conducteur de la cellule), l'électron n'est pas arraché et l'énergie du photon est convertie en chaleur. Si le photon a une énergie supérieure à ce seuil, l'électron est arraché et l'excès d'énergie est perdu
.
La tension optimale aux borne d'une cellule élémentaire correspondant à la puissance maximale est Uopt = 0,525 V. La tension aux bornes du panneau à la puissance crète est Upan = 50,4 V. Chaque panneau possède 96 cellules. Comment les cellules sont-elles associées ? Déterminer la puissance produite par le panneau dans les conditions du test.
Les tensions s'ajoutent aux bornes de cellules élémentaires montées en série. 0,525*96 =50,4 V.
Puissance crète du panneau : 96 *2,57 ~2,5 102 W.





Dans les meilleurs conditions d'ensoleillement, l'énergie solaire absorbée par les panneaux sur une journée est égale à 3520 Wh m-2, alors que l'énergie solaire absorbée le jour du départ aux sables d'Olonne n'est que de 1530 Wh m-2. Expliquer la différence d'énergie absorbées dans ces deux situations.
L'idéal est que les rayons solaires arrivent perpendiculairement au panneau photovoltaïque. Les panneaux solaires situés à l'arrière du voilier sont  inclinables en fonction de la position du soleil. Ainsi, ils reçoivent le plus d'énergie solaire possible.
Dans les meilleurs conditions les panneaux ont produit 9 kWh d'énergie électrique stockée dans les batteries en une journée. Montrer que l'aire de la surface du bateau recouverte par les panneaux est d'environ 13 m2.

Enegie électrique produite par les panneaux en une journée :
énergie solaire fois rendement =3,520 * 0,19 = 0,6688 Wh m-2.
Aire de la surface recouverte par les panneaux : 9 / 0,6688 ~13 m2.




L'hydrogénérateur.
On s'intéresse à l'alternateur de l'hydrogénérateur. L''expression "un système redresseur est un convertisseur alternatif- continu" est-elle en adéquation avec l'oscillogramme suivant ?


L'expression n'est pas en adéquation. Une tension continue est constante au cours du temps. La tension obtenue avec un pont de diode est variable unidirectionnelle.
Il faut ensuite filtrer, lisser la tension unidirectionnelle pour obtenir une tension continue.
Un élève vous demande des explications sur le fonctionnement du pont de Graetz et les raisons de l'obtention d'un oscillogramme double alternance. Comment procéderiez-vous pour faciliter sa compréhension du montage et des oscillogrammes obtenus.
Utiliser des LED de couleurs différentes montées en pont de Graetz ; à la place du transformateur, un GBF à très basse fréquence ( quelques hertz) ; à la sortie du pont mettre une LED rouge en série avec une charge résistive.
D1 et D4 conduisent pendant la première alternance. D2 et D3 conduisent pendant la seconde alternance.



Comment obtenir une tension continue. Préciser la nature des composants ajoutés et leur rôle.
Monter une bobine de lissage en série avec la charge ( électronique de puissance) ou un condensateur en parallèle sur la charge ( dans le cas de courant faible, petit électroménager ).

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