Les panneaux solaires dans les habitations Exercice type bac

Les panneaux solaires constituent la seule source d'énergie renouvelable utilisable en milieu urbain ou périurbain. Dans le cas d'une maison passive, particulièrement peu énergivore, ils peuvent aller jusqu'à assurer l'autonomie énergétique de l'habitation.

Document 1

Ensoleillement annuel moyen en France

D'après le site www.xpair.com

En France, l'ensoleillement annuel moyen sur une surface orientée au sud, selon une inclinaison égale à la latitude, représente 1390 kWh/m².

Document 2

Données météorologiques à Brest (valeurs moyennes annuelles)

D'après le site www.meteofrance.com

Température minimale	Température maximale	Hauteur de précipitations	Nombre de jours avec précipitations	Durée d'ensoleillement
8,3°C	14,8°C	1210 mm	159 j	1530 h

Document 3

Puissance et énergie

Puissance électrique P, exprimée en W :

P = U \times I où U est la tension électrique (V) et I l'intensité du courant (A).

Le kilowattheure est une unité d'énergie couramment utilisée. On a 1 Wh = 3600 J.

Document 4

Panneaux photovoltaïques

D'après les sites www.wikipedia.com et www.dictionnaire-environnement.com

Un panneau solaire photovoltaïque est un générateur électrique de courant continu constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques à base de silicium.
Pour alimenter le réseau en électricité, il faut y associer un onduleur qui convertit le courant continu en courant alternatif.
Deux grandeurs physiques sont définies pour comparer l'efficacité des panneaux :

La puissance crête, puissance électrique maximale délivrée par le panneau dans ses conditions optimales de fonctionnement
Le rendement, rapport de la puissance crête sur la puissance lumineuse reçue par le panneau.

Document 5

Caractéristiques intensité-tension d'un panneau photovoltaïque d'une surface de 12 m²

D'après le site www.energieplus-lesite.be

On donne les longueurs mesurées sur la caractéristique intensité - tension du panneau photovoltaïque :

Quels sont les calculs de l'intensité et de la tension dans les conditions optimales de fonctionnement du panneau photovoltaïque ?

U_{opt} = \dfrac{3{,}5\times 200 }{5{,}7}=122{,}8 A
I_{opt} = \dfrac{3{,}8\times 15 }{7{,}2} =7{,}9 V

U_{opt} = \dfrac{3{,}5\times 200 }{5{,}7}=122{,}8
I_{opt} = \dfrac{3{,}8\times 15 }{7{,}2} =7{,}9

I_{opt} = \dfrac{3{,}8\times 15 }{7{,}2} =7{,}9 A
U_{opt} = \dfrac{3{,}5\times 200 }{5{,}7} =125{,}3 V

I_{opt} = \dfrac{3{,}8\times 15 }{7{,}2} =7{,}9 cm
U_{opt} = \dfrac{3{,}5\times 200 }{5{,}7} =125{,}3 cm

Quel est, alors, le calcul correct de la puissance de crête de ce panneau photovoltaïque ?

P_{opt} = \dfrac{U_{opt} }{I_{opt}} = \dfrac{125{,}3 }{7{,}9}= 15{,}9 W

P_{opt} = U_{opt} \times I_{opt} = 125{,}3 \times 7{,}9 = 9{,}9 \times 10^{2} W

P_{opt} = \dfrac{I_{opt} }{U_{opt}} = \dfrac{7{,}9 }{125{,}3} = 6{,}1 \times 10^{-2} W

P_{opt} = \dfrac{I_{opt}^2 }{U_{opt}} = \dfrac{7{,}9^2 }{125{,}3} = 4{,}5 \times 10^{-1} W

Par déduction, quel est le calcul du rendement de ce panneau de 12 m² dans le cas où la puissance lumineuse reçue par unité de surface est de 600 W/m² ?

r = \dfrac{P_{opt}}{P_{lum}} = \dfrac{125{,}3 \times 7{,}9}{600 \times 12} = 0{,}14

r = \dfrac{P_{opt}}{P_{lum}} = \dfrac{125{,}3 \times 7{,}9}{600} = 1{,}6

r = P_{opt}} \times{P_{lum} = 125{,}3 \times 7{,}9 \times 600 = 5{,}9\times 10^{5} W

r = P_{opt}} \times{P_{lum} = 7{,}9 \times 600 = 4\ 740 W

On se demande si l'installation de panneaux photovoltaïques sur le toit d'une maison passive dont la surface de toiture est de 100 m² permettrait de couvrir les besoins en énergie de cette habitation. Cette maison est en construction à Brest et ses besoins en énergie primaire totale, électroménager inclus, sont évalués à 8400 kWh par an.

D'après le document 1, quelle est la valeur de l'ensoleillement annuel moyen à Brest ?

1530 kWh/m²

1310 kWh/m²

1390 kWh/m²

1240 kWh/m²

Le rendement du panneau étant de 13%, quel est le calcul correct de l'énergie électrique produite par 1 m² de panneaux solaires à Brest ?

E_{électrique} = r \times E_{ensoleillement} =0{,}14\times 1\ 530 = 2{,}1 \times 10^{2} \text{ kWh.m}^{−2}

E_{électrique} = r \times E_{ensoleillement} = 0{,}14\times 1\ 390 = 1{,}9 \times 10^{2} \text{ kWh.m}^{−2}

E_{électrique} = r \times E_{ensoleillement} = 0{,}14\times 1\ 310 = 1{,}8 \times 10^{2} \text{ kWh.m}^{−2}

E_{électrique} = r \times E_{ensoleillement} = 0{,}14\times 1\ 240 = 1{,}7 \times 10^{2} \text{ kWh.m}^{−2}

Sur les 100 m² de la toiture, quelle surface est orientée au sud ?

100%

25%

75%

50%

Combien de panneaux de 12 m² peuvent alors être installés sur la toiture et quelle sera leur surface totale ?

On peut installer 8 panneaux et donc la surface totale sera de 96 m².

On peut installer 4 panneaux et donc la surface totale sera de 96 m².

On peut installer 4 panneaux et donc la surface totale sera de 48 m².

On peut installer 8 panneaux et donc la surface totale sera de 48 m².

Par déduction, quelle est l'énergie électrique produite par les panneaux durant une année ?

E_{panneaux} = E_{électrique} \times S =1{,}8 \times 10^{2} \times 48 = 8{,}6 \times 10^{3} \text{ kWh}

E_{panneaux} = E_{électrique} \times S = 1{,}8 \times 10^{2} \times 96 = 18 \times 10^{3} \text{ kWh}

E_{panneaux} = \dfrac{ E_{électrique}}{S} = \dfrac{1{,}8 \times 10^{2}}{48} = 3{,}6 \text{ kWh}

E_{panneaux} = \dfrac{ E_{électrique}}{S} = \dfrac{1{,}8 \times 10^{2}}{96} =1{,}9 \text{ kWh}

L'installation de ces panneaux solaires permettra-t-elle de couvrir les besoins en énergie de cette maison ?

Oui, car l'énergie électrique produite par les panneaux solaires est suffisante pour couvrir les besoins en énergie de cette habitation.

Non, car l'énergie électrique produite par les panneaux solaires n'est pas assez suffisante pour couvrir les besoins en énergie de cette habitation.