Des panneaux solaires hybrides, bac STLB Polynésie 2017.


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Partie A : le solaire photovoltaïque. 8 points
A.1. Panneaux solaires photovoltaïques.
A.1.1. On estime qu’une maison a besoin d’une installation pouvant fournir 3 kWc (kilowatt crête).
Déterminer le nombre de panneaux solaires à installer et leur surface totale.
Puissance nominale : 250 Wc.Longueur : 1677 mm ; largeur : 990 mm.
Nombre de panneaux : 3  / 0,25 = 12.
Surface des panneaux : 122 x1,677 x 0,99 19,93 ~20 m2.
A.1.2. Par ciel bleu et clair, le rayonnement solaire peut atteindre 1000 W.m–2. Déterminer la puissance reçue par un panneau photovoltaïque, puis par l’ensemble des panneaux hotovoltaïques.
 1000 x1,667 x0,99 =1650 W =  1,65 kW.
1,65 x 12 =19,8 ~20 kW.
A.1.3. Définir et déterminer le rendement du panneau solaire.
Rendement = puissance électrique crète / puissance solaire reçue =0,25 / 1,65 = 0,152 ( ~15,2 %).
A.1.4. Comparer la valeur trouvée avec la valeur du rendement du module photovoltaïque. Ce résultat est-il en accord avec la valeur et la tolérance en % données par le constructeur ?
Rendement 15,40 %. ; tolérance -1% /+ 3%.
Soit 14,4 % ; 18,4 %. La valeur trouvée, 15,2 % appartient à cet intervalle. Donc accord.
A.2 Étude d’une cellule photovoltaïque au laboratoire.
On réalise au laboratoire l’étude d’une cellule photovoltaïque. On dispose d’une résistance variable, d’un ampèremètre, d’un voltmètre et d’une lampe à incandescence de puissance nominale 40 W.
La cellule photovoltaïque est placée en série avec la résistance variable. Pour différentes valeurs de R, on relève ensuite la tension aux bornes de la cellule et l’intensité du courant dans le circuit.
A.2.1. Faire le schéma électrique associé à ce montage.

A.2.2. On relève expérimentalement les grandeurs suivantes pour une cellule de surface 26,1 cm2 et une puissance reçue de 0,75 W émise par une lampe à incandescence placée à 10 cm de la cellule.
R(ohm)
260
170
110
80
60
50
30
20
0
U(V)
1,97
1,93
1,87
1,78
1,56
1,33
0,82
0,57
0
I(mA)
7,58
11,4
17,0
22,3
26,0
26,6
27,3
27,5
28,0
P(W)
0,15
0,22
0,32
0,34
0,41
0,35
0,22
0,16
0,01
En circuit ouvert la tension est de 2,06 V.
Tracer la courbe représentant l’intensité I du courant en fonction de la tension U : I = f(U)

A.2.3. Déterminer et justifier à partir du graphique la tension à vide et l’intensité de court-circuit.
A.2.4. Déterminer la puissance maximale.
En déduire le rendement de la cellule photovoltaïque du laboratoire.
Caractéristique puissance-tension de la cellule photovoltaïque utilisée au laboratoire

Rendement : Pmax / puissance émise par la lampe = 0,041 / 0,75 = 0,055 (5,5 %).
A.2.5. Sachant que le rendement théorique de cette cellule est égal à 15%, proposer des
hypothèses permettant d’expliquer l’écart avec la valeur déterminée à la question A.2.4.
Le spectre de la lampe est différent de celui du soleil.
Le rendement de 15 % est obtenu
dans des conditions de test standard prédéfinies. Une de ces
conditions standard est un rayonnement solaire optimal de 1 000 watts par mètre carré.
La cellule de surface 26,1 cm2 reçoit une puissance de 0,75 W soit 0,75 / (26,1 10-4) =288 W m-2.

....

.....
Partie B: le solaire thermique (6,5 points)
Le principe de fonctionnement du panneau thermique est décrit ci-dessous.
Le principe de base est simple, le liquide chauffé par les capteurs solaires transite via les tuyaux du circuit primaire, étanche et calorifugé, jusqu’au serpentin à l’intérieur du ballon d’eau chaude,
puis l’eau au contact de cet échangeur thermique se réchauffe.
Le liquide caloporteur circule en circuit fermé, soit naturellement, soit à l’aide d’un circulateur électrique. Le liquide caloporteur s’élève naturellement tant qu’il est plus chaud que l’eau du ballon grâce à sa différence de densité, c’est le principe du système à thermosiphon. Dans ce cas le ballon doit se situer au-dessus du capteur.
Sinon, en France dans la majorité des cas, le liquide caloporteur est propulsé dans le circuit à l’aide d’une pompe électrique : le circulateur. Un régulateur analyse à l’aide de sondes les
températures, si la sonde du ballon est plus chaude que celle du capteur, la régulation coupe le circulateur, sinon, le circulateur est remis en route et le liquide primaire réchauffe l’eau sanitaire du
ballon..
La surface du panneau hybride (photovoltaïque / thermique) DUALSUN est de 1,66 m2. La
puissance reçue par ce panneau est de 1660 W. On considère que le fluide caloporteur est de l’eau de masse volumique r = 1000 kg.m–3 et de capacité thermique massique Ceau = 4180 J.kg–1.°C–1. Son débit par unité de surface dans le panneau thermique est de 70 L.h–1.m–2.
B.1. Compléter le schéma du bilan énergétique.

B.2. Calculer l’énergie reçue en wattheure pendant une heure de fonctionnement pour le même rayonnement solaire de 1000 W.m–2. Donner sa valeur en joule.
Energie (J)= Puissance (W) x durée ( seconde) ; Q= 1660 x3600 = 5,976 106 J.
B.3. Calculer le volume en litres de fluide circulant dans le panneau durant une heure.
V = 70 x 1,66 = 1,162 102 ~1,2 102 L ou 0,1162 m3.
B.4. Vérifier que la masse de ce volume de fluide est de 116,2 kg.
m = r V = 1000 x 0,1162 = 116,2 kg.
B.5. En négligeant l’énergie utilisée par la partie photovoltaïque, déterminer l’élévation de température du fluide provoquée par l’exposition au soleil de ce panneau durant une heure.
Q = m Ceau Dq ;
Dq = Q /(mCeau) = 5,976 106 /(116,2 x 4180) =12,3 °C.
B.6. Le fluide caloporteur est en réalité un mélange eau / propylène-glycol. Expliquer pourquoi on ne peut pas utiliser directement l’eau comme fluide caloporteur. Justifier l’utilisation d’un mélange eau / propylène-glycol.
L'hiver, l'eau peut geler et les canalisations éclater. L'eau et le propylène glycol sont miscibles ; le propylène glycol est utilisé comme antigel.
B.7. Donner à partir de la formule topologique, la formule semi-développée du propylèneglycol.
B.8. Sur la formule semi-développée du propylène-glycol, entourer et nommer les groupements fonctionnels présents dans cette molécule.
B.9. Indiquer la signification du pictogramme de sécurité associé au propylène-glycol.





Partie C : stockage de l’énergie photovoltaïque (5,5 points)
C.1. Dimensionnement du stockage
C.1.1.Déterminer la demande énergétique quotidienne D d’un foyer français.
La consommation moyenne en 2015 pour un foyer français est donc de 4 763 kWh.
D =4763 / 365 =13,05 ~13 kWh / jour.
C.1.2. Calculer la capacité C du parc de batteries à installer, sachant que l’on souhaite une profondeur de décharge de 50% maximum afin de préserver la durée de vie des batteries.
C = D N / (L U).
U =12 V,  tension en volt ; L : profondeur de décharge maximum ; Q (Wh / jour ) ; N = 5 jours de réserve.
C = 13 x 5 /(12 x 0,5) = 10,83 ~10,8 kWh V-1 ou 1,08 104 Ah.
C.1.3. Déterminer le nombre de batteries nécessaires pour assurer 5 jours de réserve.
Capacité nominale de la batterie : 503 Ah.
Nombre de batterie : 1,08 104 / 503 = 21,5 ~22.










C.2. Décharge d’une batterie au plomb
Une batterie au plomb est constituée d’une électrode de plomb et d’une électrode d’oxyde de plomb.
À la borne négative le plomb réagit selon l’équation suivante :
Pb = Pb 2+ + 2 e.
À la borne positive l’oxyde de plomb réagit selon l’équation suivante :
PbO2 + 4 H + + 2 e = Pb 2+ + 2 H2O
C.2.1. Indiquer, en justifiant votre réponse, la nature de la réaction se produisant à chacune des électrodes. En déduire à quelle borne correspond l’anode.
Pb = Pb 2+ + 2 e. Une oxydation ( perte d'électrons ) a lieu à l'anode négative.
PbO2 + 4 H + + 2 e = Pb 2+ + 2 H2O. Réduction ( gain d'électrons ) à la cathode positive.
C.2.2. Écrire l’équation de fonctionnement de cette batterie.
Pb = Pb 2+ + 2 e.
PbO2 + 4 H + + 2 e = Pb 2+ + 2 H2O.
Ajouter et simplifier :
PbO2 + 4 H + + Pb = 2Pb 2+ + 2 H2O.
C.3. Charge d’une batterie au plomb
C.3.1. Écrire l’équation de la charge de cette batterie.
2Pb 2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H + + Pb.
C.3.2. Pendant la charge de la batterie, indiquer en justifiant votre réponse, si l’électrode de plomb est le siège d’une oxydation ou d’une réduction.
Pb 2+ + 2 e = Pb, gain d'électrons lors d'une réduction.
Au cours de la charge, quand la batterie approche de son état de charge maximale, des bulles de dihydrogène et de dioxygène sont observées aux électrodes de la batterie. Ces gaz proviennent de l'électrolyse de l'eau contenue dans l'électrolyte. Les couples oxydants / réducteurs en présence sont (O2 / H2O) et (H2O / H2).
C.3.3. Écrire la demi-équation électronique se produisant à l’électrode reliée à la borne positive du générateur.
Perte d'électrons, oxydation de l'eau : 2H2O = O2 +4H+ +4e-.
C.3.4. Écrire la demi-équation électronique se produisant à l’électrode reliée à la borne négative du générateur.
Gain d'électrons, réduction de l'eau : 4H2O + 4e- =2 H2 + 4HO-.
C.3.5. Écrire la réaction d’électrolyse de l’eau.
2H2O = O2 + 2H2.
C.3.6. Quelle conséquence peut avoir le dégagement de dihydrogène lors de l’état de
charge maximale ?
Le mélange dihydrogène air est détonnant pratiquement en toute proportion.


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