Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3201
Télécharger l’exercice en PDF :
Les capteurs photovoltaïques à base de semi- conducteurs équipent de plus en plus de logements en France, ce qui témoigne d’une prise de conscience par la population des problématiques environnementales.
Nous allons chercher à identifier si l’utilisation actuelle de l’énergie issue de panneaux photovoltaïques peut répondre aux besoins électriques.
Partie 1 – Fonctionnement d’un capteur photovoltaïque
On s’intéresse dans un premier temps aux caractéristiques des capteurs photovoltaïques et à leur empreinte carbone.
Figure 1 – Spectre d’émission du Soleil et spectres d’absorption de trois semi-conducteurs
1- Indiquer, en justifiant votre choix, le numéro du semi-conducteur (1, 2 ou 3 de la figure 1) le plus adapté pour équiper un capteur photovoltaïque.
Le spectre solaire présente de grandes énergies pour le visible et le début des IR.
Le semi-conducteur le plus adapté pour équiper un capteur photovoltaïque est celui qui absorbe le plus pour ces longueurs d’onde.
Ainsi, le semi-conducteur 3 est le plus adapté pour équiper un capteur photovoltaïque.
Figure 2 – Chaîne énergétique lors du fonctionnement du capteur photovoltaïque
2- Recopier et compléter le diagramme de la figure 2.
3- En déduire que le fonctionnement d’un panneau photovoltaïque ne produit pas de dioxyde de carbone.
Un panneau photovoltaïque converti de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Ainsi, le fonctionnement d’un panneau photovoltaïque ne produit pas de dioxyde de carbone.
L’empreinte carbone liée à l’utilisation d’un capteur photovoltaïque n’est cependant pas nulle.
4- Proposer une explication possible de ce fait.
L’empreinte carbone est liée au cycle de vie d’un objet technique.
Le capteur photovoltaïque utilise des énergies fossiles, et donc produit du dioxyde de carbone, notamment dans les phases de
- Fabrication
- Acheminement
- Installation
- Gestion du déchet lorsqu’il arrive en fin de vie
Ainsi, l’empreinte carbone liée à l’utilisation d’un capteur photovoltaïque n’est pas nulle alors que cette utilisation ne produit pas de dioxyde de carbone.
Partie 2 – Utilisation de l’énergie obtenue par un panneau photovoltaïque
5- Déterminer la puissance maximale délivrée par le panneau solaire étudié sur la figure 3 page suivante, pour les deux dates considérées.
Le 8 février, à 12h, par temps nuageux, la puissance maximale délivrée par le panneau solaire étudié est de 140 W.
Le 5 octobre, à 12h, par temps ensoleillé, la puissance maximale délivrée par le panneau solaire étudié est de 160 W.
On souhaite utiliser le panneau solaire pour charger une voiture. Le pic de puissance n’est alors pas le paramètre pertinent. En effet, pour pouvoir la charger, il faut qu’elle reçoive au minimum une puissance de 100 W.
6- Déterminer la plage horaire et la durée de charge possibles pour chacune des deux dates.
Pour pouvoir charger la voiture, il faut qu’elle reçoive au minimum une puissance de 100 W.
Le 8 février, la plage horaire ou on peut charger la voiture est entre 09h45 et 14h00 soit une durée de charge possibles de 4h15.
Le 5 octobre, la plage horaire ou on peut charger la voiture est entre 09h00 et 15h30 soit une durée de charge possibles de 6h30.
Une voiture électrique a une batterie qui peut stocker 52 kWh.
7- Montrer que, pour charger une batterie de voiture en février à la puissance de 100 W, il faudrait une surface minimale de panneaux solaires d’environ 130 m2.
Figure 3 – Puissance délivrée à deux époques de l’année par un panneau de 1 m2
Source : d’après P.O. Logerais et al. Étude par simulation de l’influence du vieillissement et des conditions climatiques sur la production électrique d’un module photovoltaïque
Conférence JITH 2013
Calculons l’énergie (en kWh) délivrée par le panneau solaire de 1 m2 pendant la durée de charge en février :
$E=P\times \Delta t$
$E=100\times 4,25$
$E=425\ Wh=0,425\ kWh$
Une voiture électrique a une batterie qui peut stocker 52 kWh.
| 1 m2 | 0,425 kWh |
| S | 52 kWh |
$S=\frac{52\times 1}{0,425}=122\ m^2$
Ainsi, pour charger une batterie de voiture en février à la puissance de 100 W, il faudrait une surface minimale de panneaux solaires d’environ 130 m2.
Partie 3 – Alimentation électrique d’une région : la Provence
8- En utilisant le document 1 page suivante, montrer qu’il existe des décalages importants entre les besoins en électricité de la Provence et la production photovoltaïque.
On remarque sur le graphique que pour les mois de novembre, décembre, janvier et février la consommation électrique est élevée, et la production photovoltaïque ne couvre pas la consommation
De mars à octobre, la production photovoltaïque est élevée, elle est supérieure à la consommation.
Ainsi, il existe des décalages importants entre les besoins en électricité de la Provence et la production photovoltaïque.
9- À partir de l’ensemble de vos réponses et de vos connaissances, identifier un avantage et un frein à l’utilisation des panneaux photovoltaïques pour répondre aux besoins énergétiques d’une région.
Un avantage des panneaux photovoltaïques est leur capacité à produire une énergie renouvelable et propre, réduisant ainsi les émissions de gaz à effet de serre.
Cependant, la production d’électricité dépend des conditions météorologiques et nous remarquons un décalage entre la production et la consommation d’énergie. En hiver, la production est insuffisante pour couvrir les besoins élevés en électricité.
Document 1 – Évolution annuelle de la consommation en énergie électrique et de la production électrique en Provence
En Provence-Alpes-Côte d’Azur, la consommation (corrigée des aléas météorologiques et calendaires) de l’année 2023 s’élève à 39 TWh.
En 2023, la production solaire s’est établie à 3,1 TWh.
Source : RTE France (https://www.rte-france.com)
On représente ci-dessous la consommation électrique et la production photovoltaïque d’un module photovoltaïque, en pourcentages de la consommation maximale et de la production maximale.
Sources : d’après provence-energie-citoyenne.fr et apresdemain28.wixsite.com