Corrigé chapitre 1 physique chimie terminale sti2d nathan

C hapitre 1 Énergie solaire et habitat Découvrir Activité documentaire n° 1 Les utilisations de l'énergie solaire o Exploiter : 1. Pour un panneau photovoltaïque, on a de l'énergie lumineuse à l'entrée et de l'énergie électrique à la sortie. 2. Un onduleur convertit la tension continue en une tension alternative. 3. L'ECS est produite par un chauffe-eau solaire. 4. L'économie est de 800 W sur 2 h (une heure d'éclairage économisée le matin et le soir) soit 1 600 Wh par jour, soit sur une année 1,60 × 365 = 584 kWh. Activité expérimentale n° 2 Pourquoi une douche solaire est-elle de couleur noire ? o Exploiter : 1. Lorsque la plaque est peinte en noir, la température de la plaque est plus élevée. 2. Le noir absorbe tous les rayonnements ; il n'y a pas de perte par réflexion. Démarche d'investigation n° 3 © NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit. Quelle est la quantité d'énergie stockée par une douche solaire ? o Travail à réaliser : 1. Mettre le thermoplongeur dans l'eau froide. Noter la tension, l'intensité et la durée de chauffe pour passer de 20 °C (par exemple) à 40 °C. 2. Si on fait l'hypothèse que la température initiale est de 20 °C, la quantité d'énergie nécessaire pour élever jusqu'à 40 °C les 20 kg d'eau est : Q = m.c.?T = 20 × 4,180 × 20 = 1 672 kJ. 3. On fait l'hypothèse pour la douche solaire d'une sphère de 20 dm3. 43 ?R = 20 dm3 soit un rayon de la réserve d'eau de R = 3,6 dm. 3 La surface de la sphère correspondante est ?R2 = 40 dm2. En admettant une puissance solaire moyenne de 1 000 W/m2, la puissance reçue par la douche est de 400 W. 1 672 × 103 = 4 180 s, soit 1 h et une dizaine de minutes. Durée de chauffage T = 400 Extraire l'information utile Centrale solaire thermique à concentration o Exploiter : 1. Chaine énergétique d'une centrale solaire : énergie solaire -> fluide -> énergie thermique -> turbine -> énergie mécanique -> alternateur -> énergie électrique Chapitre 1 - Énergie solaire et habitat 5 2. Puissance Andasol : 180 000 = 50 MW. 3 600 1 600 = 32. 50 3. Avantage : énergie renouvelable. Inconvénient : apport énergie solaire intermittent. Pour pallier les variations de l'ensoleillement, on peut stocker de l'énergie (forme chimique : accumulateurs ; forme mécanique : remontée de l'eau des barrages...). Nombre de centrales nécessaires : Réaliser un TP Bilan énergétique d'une cellule photovoltaïque o Exploiter : 1. Le courant de court-circuit augmente avec l'éclairement. 2. Les courbes passent par un maximum qui est d'autant plus élevé que l'éclairement est important. 3. Voir les caractéristiques du luxmètre et du panneau pour déterminer la puissance reçue. La puissance électrique est calculée à partir des coordonnées du maximum. S'entraîner Testez vos connaissances 1. c) ; 2. b) ; 3. a) ; 4. a) et b) ; 5. c) ; 6. a) ; 7. a) ; 8. c) ; 9. b) ; 10. a) Applications directes du cours 11 Énergie solaire, énergie inépuisable ! 1. ESR = P · S . t = 200 × 5,5 × 1011 × 24 × 365 = 9,5 × 1017 Wh soit de l'ordre de 1015 kWh. 2. EF = 260 × 106 × 1,1611 × 104 = 3,02 × 1012 kWh de l'ordre de 1012 kWh. 3. Le rapport est de 1 000 : on reçoit 1 000 fois plus d'énergie qu'on en consomme mais on ne sait pas encore bien l'exploiter pour être une alternative au pétrole, au nucléaire. 1. La puissance est donnée par le produit de l'énergie d'un photon par le nombre de photons arrivant sur 1 m2 : P = 1,1 × 4,5 × 1017 × 104 × 1,6 × 10-19 = 792 W · m-2 2. Le nombre d'électrons est égal au nombre de photons ; d'où en multipliant par la charge d'un électron on trouve : I = 7,2 × 10-2 A 13 Ca ondule pas mal ! 1. Un onduleur assure la conversion tension continue / tension alternative. 2. Le couplage permet de ne pas perdre de l'énergie. Le surplus de production est fourni au réseau et lorsque les besoins ne sont pas couverts le réseau alimente l'habitation. 14 Tu es tombé dans le panneau 1. Il s'agit d'un panneau solaire thermique. 6 © NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit. 12 Mon photon a de l'énergie 2. Représentation de la chaine énergétique : énergie lumineuse -> échangeur -> énergie thermique 3. Le rendement du panneau est égal au rapport des énergies reçue par l'eau et fournie par les radiations au capteur : 1,2 = 0,3 (30 %) ce rendement est très faible. ?= 4 15 En série ou en dérivation 1. I1 = P1 1,2 = 2,5 A. = U1 0,48 2. Les cellules sont montées en série. Il faut n = 12 = 25 cellules. 0,48 3. Pa = 900 × 0,427 × 0,633 = 243 W. 4. ? = 25 × 1,2 = 0,12 (12 %). 243 16 Infos ou intox ? - Hydroélectrique : Eh = m · g · h avec h = 400 m et m = ? · V d'où E = 4 × 106 J soit environ 1 kWh. - Biomasse : en prenant 6 tonnes de MS produites par hectare : 18 000 Eb = 6 × 103 × = 10,8 ×104 kJ/m2 = 3 kWh/m2 par an. 104 - Photovoltaïque : en prenant un rendement de 10 % : Ep = 1 × 0,1 × 6 × 365 = 219 kWh en considérant 6 h de soleil par jour tous les jours. Les ordres de grandeur sont donc corrects avec un facteur 100 entre l'hydraulique et le photovoltaïque. Exercices d'entraînement 17 Du noir pour chauffer 1. D'après la loi de Stefan : P = ? · S · T4 d'où : T = T1 = 381K soit ?1 = 108 °C. 2. T2 = 303 K soit ?2 = 30 °C. 18 Carte de France solaire 6 000 = 3 000 kWh par an. 2 Dans chaque ville, l'énergie reçue par m2 est Er = Ed × 0,2 × 365 où Ed est l'énergie reçue par jour et par m2, lue sur la carte. E La surface nécessaire des panneaux solaires est S = . Er 3000 2 = 13 m2 . Pour Lille, on lit : EjL = 3,0 kWh/m . jour ; donc SL = 3,0 × 0,2 × 365 Pour Rennes : EjR = 3,6 kWh/m2 . jour ; donc SR = 11 m2. © NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit. Les panneaux solaires doivent fournir E = Pour Toulon : EjT = 5,2 kWh/m2 . jour ; donc ST = 8 m2 . 19 Sortez vos tableurs 1. On peut s'assurer que l'éclairement est constant avec un luxmètre. On peut faire varier la valeur de l'intensité du courant dans le circuit grâce à une cellule photoélectrique. 2. Graphes (voir cours du manuel). 3. La puissance P passe par un maximum pour une intensité donnée, c'est la zone optimale de fonctionnement. 20 Extraire et analyser des données constructeurs Chapitre 1 - Énergie solaire et habitat 7 1. I = 3,0 A. 2. Tension à vide : 22,5 V. 3. Éclairement du panneau solaire : 200 W · m-2. 21 Rendement, où est passée l'énergie ? 1. U1 = 12 = 2 = 0,67 V. 18 3 0,6 = 0,3 A. 2. I1 = 2 3. Puissance fournie : P = U × I = 12 × 0,6 = 7,2 W. Puissance reçue : Preçue = 1 200 × 0,157 × 0,157 = 29,6 W. ? = 0,24 (24 %). 22 ECS : Eau Chaude Sanitaire 1. Qa = m · ceau · ?? = ?eau · D · ceau · ?? = 1 000 × 22 × 10-3 × 4 180 × (42 - 16) = 2,39 × 106 J soit 2,39 × 103 kJ ou 0,664 kWh. 2. P = 0,664 kW. 3. r = P = 664 × 2 = 0,37 (37 %). Preçue 900 23 OBJECTIF BAC Piscine chauffée 1. a) Q1 = 0,5 P · S · t = 0,5 × 300 × 20 × 10 × 12 × 3 600 = 1,3 × 109 J. Q1 1,3 × 109 = = 0,5 K. 1 000 × 20 × 10 × 3 × 4 180 ?eau · V · ceau 2. a) P2 = ? · S · T4 = 5,67 × 10-8 × 200 × (298)4 = 8,95 × 104 W. b) Q2 = P · S · t = 3,86 × 109 J. Q2 c) ??2 = - = - 1,5 K. ?·V·c d) On peut mettre une couverture. 3. Perte d'énergie en 24 h de Q2 - Q1 = 2,56 × 109 J. 4. Énergie solaire -> capteur -> énergie thermique. b) Q1 = m · ceau · ??1 soit ??1 = Enoncé Un panneau solaire est composé de 6 modules photovoltaïques montés en dérivation. Chaque module peut fournir une puissance P1 = 12 W sous une tension nominale U1 = 24 V. 1. Calculer l'intensité nominale I1 du courant que peut fournir un module. 2. Que vaut la tension nominale de ce panneau solaire ? 3. Quelle est la valeur de l'intensité nominale IP que peut débiter le panneau solaire ? 4. Ce panneau solaire est de forme rectangulaire de largeur 40 cm et de longueur 60 cm. Il est éclairé par un rayonnement de puissance 1 100 W · m-2. Calculer la puissance Pa absorbée par ce panneau solaire. 5. Calculer son rendement r lorsqu'il fonctionne dans les conditions nominales. Corrigé P 1. I1 = 1 = 0,5 A. U1 2. Tension nominale 24 V. 3. Intensité nominale IP = 6 I1 = 3 A. 4. Pa = 0,4 × 0,6 × 1 100 = 264 W. 5. r = 6 × 12 = 0,27 %. 264 8 © NATHAN - La photocopie non autorisée est un délit. 24 It's in English