L'alimentation électrique d'une maison, Capes physique chimie 2021.

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1. Citer trois types de conversion sans combustion permettant d’obtenir de l’énergie électrique ? Donner un exemple pour chacun d’eux. Reproduire et compléter la chaîne énergétique suivante :
Fission de l'uranium dans un réacteur nucléaire.
Conversion de l'énergie solaire en énergie électrique dans une cellule photovoltaïque.
Conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique du vent dans une éolienne.
Conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique du vent dans centrale hydroélectrique.

Le Soleil : une source d’énergie inépuisable.
L’énergie solaire provient d’un ensemble de réactions nucléaires se produisant dans le Soleil. Un enseignant propose à une classe de seconde composée de 34 élèves, le questionnaire à choix multiple (QCM) suivant : plusieurs réponses étant possibles. 2. Répondre à ce QCM.
Voici quelques écritures symboliques modélisant certaines transformations :
1. p+p -->21H+e++n.
2.
21H+p --> 32He+g.
3. H2O(l) --> H2O (g).
4. CaF2(s) --> Ca2+aq + 2F-aq.
5.
32H+32H-->42H+p+p.
6. CH4 + O2 --> CO2 + 2H2O.

 Q1. L’équation 4 modélise une : A) fusion B) vaporisation C) dissolution vrai.
Q2. L’équation 3 modélise une transformation : A) physique vrai B) chimique C) nucléaire.
Q3. Deux nucléides isotopes ont même : A) nombre de neutrons B) nombre de protons vrai C) nombre d’électrons.
 Q4. Le nucléide 92238U a pour isotope(s) : A) 94239Pu B) 92235U vrai C) 94238Pu
3. L’enseignant regroupe les résultats de la classe dans le tableau ci-dessous (les nombres correspondent au nombre des réponses cochées) :

A
B
C
Q1
20
0
14
Q2
34
0
0
Q3
0
34
17
Q4
0
25
9
Quelles confusions sont mises en évidence avec les questions Q1 et Q3 ? Interpréter les réponses de la question Q4 et proposer une remédiation.
Q1 : confusion entre fusion et dissolution.
Q3 : confusion entre atome et noyau de l'atome.
Q4 : certains élèves ignorent à quoi correspondent les nombres dans la notation symbolique du noyau de l'atome.
Rappeler ces conventions d'écriture et faire travailler les élèves en binôme ( l'un donne une notation, l'autre donne la composition).

 4. Rayonnement solaire à la surface de la Terre.
 La loi de Stefan relie la puissance radiative surfacique φ émise par un corps noir à sa température T : 𝜑 = 𝜎∙𝑇4, où σ est la constante de Stefan valant 5,7 × 10–8 W.m–2.K–4. Quelle est l’unité de φ ? Déterminer littéralement puis numériquement la puissance radiative totale émise par le Soleil, puis la puissance radiative surfacique reçue par la Terre de la part du Soleil en supposant que le Soleil se comporte comme un corps noir.
φ s'exprime en W m-2.
Température moyenne de surface du Soleil : TS = 5500 °C soit 5 773 K.
𝜑S =5,7 10-8 x57734 =6,3 107 W m-2.
Distance terre soleil d = 1,5 1011 m.
Rayon du soleil R = 7 108 m.
Puissance radiative reçue sur terre perpendiculairement aux rayons solaires :
𝜑S (R / d)2 = 6,3 107 (7 108 / (1,5 1011)2 =1,4 103 W m-2.
Cette puissance est reçue par le disque terrestre de rayon RT=6,4 107 m et répartie sur la partie ensoleillée de la terre.
𝜑 =1,4 103 (pR2T / (4pR2T *0,5) =1,4 103 /2 =7,0 102 W m-2.
Prendre en compte l'alternance jour - nuit :
7,0 102  / 2 =3,5 102 W m-2.

 5. Effet de serre atmosphérique.
 Dans le cadre d’un modèle simple, l’atmosphère qui entoure la Terre peut être assimilée à une couche sphérique de même centre que celui de la Terre. On formule les hypothèses simplificatrices suivantes :
- la surface de l’atmosphère est confondue avec celle de la Terre (1) ;
 - la Terre se comporte comme un corps noir (2) ;
 - l’atmosphère se comporte comme un corps noir pour le rayonnement terrestre (3) ;
 - on définit l’albédo d’une surface comme le rapport de la puissance lumineuse réfléchie par cette surface à la puissance lumineuse incidente.
 L’albédo de la Terre entourée de l’atmosphère peut se décomposer en deux parties : l’albédo de l’atmosphère et l’albédo de la surface terrestre. On note A l’albédo de cet ensemble {atmosphère - Terre}.
On suppose que la réflexion du rayonnement solaire se produit au niveau de l’interface espace/atmosphère (4) ;
- l’atmosphère transmet alors, sans aucune absorption, le rayonnement solaire qui n’a pas été réfléchi vers l’espace (5).
 À partir d’un schéma mettant en évidence les différents échanges radiatifs mis en jeu, écrire les bilans radiatifs pour la Terre et pour l’atmosphère. En déduire la valeur de la température moyenne de la surface terrestre. En réalité, cette température est estimée à 15 °C. Quelles peuvent être les causes de l’écart entre ces deux valeurs ?

Flux solaire reçu :
𝜑 = 3,5 102 W m-2.
Albédo terrestre A = 0,34.
Flux réfléchi : A
𝜑 =0,34 x3,5 102 ~1,2 102 W m-2.
Flux rayonné : s T4terre = 5,7 10-8
T4terre .
Bilan : 3,5 102 = 1,2 102 +
5,7 10-8 T4terre .
T4terre =(3,5-1,2) 102 /(5,7 10-8) =4,1 109 ; Tterre =2,5 102 K ( -21°C).
La température moyenne de la terre étant voisine de 20°C, il faut tenir compte de l'effet de serre ( le rayonnement IR émis par la terre est bloqué par les gaz, vapeur d'eau, CO2, méthane contenus dans l'atmosphère ).


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La cellule photovoltaïque.
 Une cellule photovoltaïque transforme l’énergie solaire en énergie électrique. Des cellules photovoltaïques identiques sont associées en série afin, par exemple, d’obtenir une tension de 12 V. On dispose alors d’un panneau photovoltaïque.
Caractéristique d’une cellule photovoltaïque.
 6. On dispose du matériel suivant : une cellule photovoltaïque de surface 72 cm2, une lampe de bureau (46 W), deux multimètres, une boîte de résistances, des fils électriques, un luxmètre. Proposer le schéma d’un montage électrique permettant d’acquérir les grandeurs utiles pour tracer la caractéristique Ic = f(Uc) de la cellule photovoltaïque pour un éclairement donné. Établir un protocole.

La lampe alluméeest placée à une distance fixe de la cellule et un luxmètre mesure l'éclairement  au niveau de la cellule.
Faire varier la résistance variable et relever les valeurs du couple intensité tension.
 On donne la courbe Ic = f(Uc) relative à la cellule photovoltaïque étudiée ; après conversion de l’éclairement lumineux mesuré par le luxmètre au niveau de la cellule, on obtient un éclairement énergétique E = 700 W.m–2.

7. Dans les conditions d’éclairement précédent, déterminer la valeur de la tension UCO aux bornes de la cellule en circuit ouvert puis la valeur de l’intensité ICC traversant la cellule court-circuitée. Expliquer alors qualitativement pourquoi la puissance délivrée par la cellule passe par un maximum.

Puissane P = U x I.
Si l'intensité ou la tension sont faibles, la puissance reste faible. La puissance est maximale au niveau de la crète ( intensité et tension ont des valeurs importantes).

8. Rendement d’une cellule photovoltaïque.
 La courbe de la puissance disponible aux bornes de la cellule éclairée, P = g(Uc), est donnée.

 L’éclairement énergétique E est toujours égal à 700 W.m–2. Définir puis déterminer numériquement le rendement maximal de la cellule étudiée. Commenter.
Rendement = puissance électrique maximale disponible / puissance solaire reçue.
Puissance solaire reçue : 700  x surface de la cellule = 700 x 72 10-4 =5,0 W.
Puissance électrique maximale : 200 mW = 0,2 W.
Rendement : 0,2 / 5 =0,04  ( 4 %).
Cette valeur est très faible. Les cellules photovoltaïques utilisant du silicium monocristallin ont des rendements de l'ordre de 20 %.

 9. Résolution de problème : choix d’une cellule photovoltaïque performante
 Il existe entre autres deux types de cellule photovoltaïque : - la cellule « au silicium », fabriquée à partir d’une couche très mince de silicium (matériau semi-conducteur, de gap Eg = 1,1 eV) ;
 - la cellule « triple jonction », constituée de trois couches de semi-conducteurs de gaps différents :
 - la couche supérieure en phosphore d’indium-gallium InGa de gap 1,8 eV ;
 - puis une couche intermédiaire en arséniure de gallium GaAs de gap 1,4 eV ;
- et enfin une couche inférieure en arséniure d’indium-gallium InGaAs de gap 1,0 eV.
Lorsqu'un photon de la lumière solaire arrive sur une couche, il est absorbé si son énergie est supérieure à celle du gap. Sinon, le photon traverse la couche. L’absorption du photon par une couche permet l’« arrachement » d’un électron. Les électrons « arrachés » peuvent alors se déplacer : c’est l’effet photoélectrique découvert par Alexandre Edmond Becquerel en 1839. Ils sortent de la cellule pour aller dans un circuit extérieur : la cellule est équivalente à un générateur de courant. On admet que l’énergie électrique maximale récupérable, pour un photon absorbé, est égale à la valeur du gap ; l’énergie en excès est dissipée sous forme d’énergie thermique.
La densité spectrale de flux surfacique dφ/dλ associée au rayonnement solaire au niveau de la surface de la Terre est donnée par la courbe ci-dessous (dφ/dλ est exprimée en MW.m–2 par μm).

Déterminer pour les deux types de cellules l’énergie maximale récupérable lorsque trois photons, de longueurs d’onde respectives λ1 = 1,0 μm, λ2 = 0,8 μm et λ3 = 0,4 μm, arrivent en même temps sur chacune des cellules.
Energie des photons :
E1 = h c / l1 =6,63 10-34 x3,0 108 / (1,0 10-6) =1,99 10-19 J ou 1,2 eV.
E2 = h c / l2 =6,63 10-34 x3,0 108 / (0,8 10-6) =2,48 10-19 J ou 1,5 eV.
E3 = h c / l3 =6,63 10-34 x3,0 108 / (0,4 10-6) =4,97 10-19 J ou 3,1 eV.
Cellule « au silicium » : Eg < E1 < E2 < E3. Les trois photons sont captés et l'énergie récupérée est 3 x1,1 = 3,3 eV.
Cellule « triple jonction » : Les trois photons sont captés et l'énergie récupérée est Eg1 +Eg2 +Eg3 = 1 +1,4 +1,8 = 4,2 eV.
La triple jonction est donc plus performante.
 Les deux cellules sont maintenant éclairées par la lumière solaire. Identifier, en justifiant la réponse, celle qui est la plus performante.
La densité spectrale est 2 fois plus importante dans le domaine visible que dans le proche IR ( 1 µm).
La densité spectrale est rapidement négligeable dans le domaine UV.
La densité spectrale est  négligeable dans le domaine IR lointain.
En considèrant  la lumière visible constituée de 2 photons bleu, deux photons rouge et un photons du proche IR.
Cellule « au silicium » : les trois photons sont captés et l'énergie récupérée est 5 x1,1 = 5,5 eV.
Cellule « triple jonction » : les 5 photons sont captés et l'énergie récupérée est Eg1 +2Eg2 +2Eg3 = 1 +2,8 +3,6 = 7,4 eV. ( ~1,35 x5,5)
La triple jonction est donc plus performante.



  
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