Bonjour!
j'ai un exercice qui me pose problème je suis un peu bloqué! En effet on vient de finir la partie chimie et notre professeur nous donne cet exercice à faire en nous disant que nos bases de lycée suffisent à le réaliser avant de commencer le cours de physique... mais là je bloque un peu à certaines questions... Je vous remercie d'avance pour toutes aides éventuelles...

ENONCE:
L'objet du problème est la comparaison de trois modes d'utilisation de l'énergie solaire: voie photoélectrique; voie
thermique; voie agricole. [NB: seul le premier mode d'utilisation est étudié ici]
L'étude, guidée par l'énoncé, porte seulement sur les performances physiques de chaque voie. Le bilan économique
global faisant intervenir les investissements, I'entretien, les conséquences sur l'environnement ne sera pas abordé ici.
La comparaison portera sur la base d'une puissance solaire de 1 MW; le flux solaire au sol étant d'environ 800 W.
m-2 dans les meilleures conditions (soleil au zénith; ciel clair).

I/Voie photoélectrique
Le comportement d'une photopile Ph (ou cellule photovoltaique) peut être étudié par un montage où l'on dispose d'une résistance variable étalonnée et d'un voltmètre (idéal).

On obtient alors les courbes caractéristiques Ii = f (Ui ) données pour une cellule de 1 m2 et relativés à 3 éclairements E, différents.

Courbe 1 pour E1 = 800 W. m-2 (éclairement solaire max)
2 E2 = 200 W. m-2 (ciel voilé)
3 E3 = 100 W. m-2 (ciel gris)

Les courbes sont complétées par le tableau donnant Ui en fonction de R.
I-1 Montrer que la mesure de U suffit à établir la courbe caractéristique.

I-2 De quelle puissance maximale peut-on disposer dans chaque cas ? On pourra utiliser une solution graphique ou
numérique et un résultat comportant deux chiffres numériques suffira.

I-3 Avec quelle résistance aux bomes de la cellule faut-il opérer pour en tirer la puissance maximale dans chaque cas?

I-4 On suppose, un jour d'équinoxe à l'équateur, que l'éclairement E(h) varie de façon sinusoidale en fonction de
l'heure h; il est nul à 6h et 18h, maximal (et égal à E,) à 12h.
(a) Justifier brièvement cette loi de variation.
(b) Donner l'expression de E(h).
(c) Quelle est la valeur moyenne de l'éclairement entre 6h et 18h ?
A.N. Emax = 800 W. m-2

I-5 Les caractéristiques expérimentales sont bien modélisées par la fonction I= (voir lien en bas de l'énoncé svp )
Montrer que l'étude des courbes (ou des tableaux de valeur correspondants) permet d'obtenir les valeurs de A, de
U0, de I c'est-à-dire de I0 (on supposera - ce qu'on vérifiera à posteriori - que les intersections avec l'axe horizontal
correspondent à des valeurs de U largement supérieures à U0).
Calculer numériquement les valeurs de A, U0, I0.

I-6 On se place maintenant au point le plus avantageux sur la courbe d'éclairement maximal (800W.m-2). On veut
construire une centrale solaire utilisant une puissance solaire de 1 MW.
(a) De quel nombre de cellules élémentaires de 1 m2 faut-il disposer ?
(b) Si on utilise des suites de 50 cellules placées en série, de quelle tension pourra-t-on disposer (on suppose la
résistance des connexions négligeables) ?
(c) Ces séries de 50 étant elles-mêmes disposées en parallèle, quelle sera l'intensité globale qu'on pourra obtenir de
l'ensemble ?
(d) Quelle est alors la puissance maximale théorique disponible de cette "centrale" et son rendement ?
(e) Quelle est la résistance qui permet d'utiliser cette puissance, c'est-à-dire qui "optimise" le fonctionnement ? La
comparer à celle d'une cellule élémentaire de 1 m2.

I-7 Que deviennent ces valeurs pour un éclairement de 200 W. m-2?

I-8 On revient aux conditions idéales du I 6 et l'on veut transporter l'énergie produite à un utilisateur distant de
L=100 km. La ligne utilisée est constituée de 2 fils de Cu de diamètre F, conductivité s.
(a) Quelle est la résistance totale de la ligne ? A.N. Diam=0,5 cm; 1/Rho=0,6.108 W-1.m-1
(b) Si l'utilisation est une résistance de 6 W, de quelle fraction de la puissance initiale pourra-t-on disposer ?

I-9 Le calcul précédent montre, qu'à l'évidence ce mode d'utilisation n'est pas convenable.
(a) Que proposez-vous pour y remédier et indiquez, sans rentrer dans les détails techniques, comment opérer ?
(b) Si la tension est élevée au départ à 100 kV, que devient l'intensité à transporter, si la puissance est conservée par
le système d'élévation de tension ?
(c) Quelle est alors la chute de tension provoquée par la ligne ?
(d) Quelle fraction de la puissance initiale est maintenant utilisable ?
(e) Avec quelle résistance doit travailler maintenant l'utilisateur ?


Les annexes sont disponibles sur ici


Ce que j'ai fait (c'est peu je sais mais je bloque vraiment!):

I-1 je ne vois pas ce qu'il faut dire

I-2 J'ai pris un point sur chaque courbe, là où il me semblait que la puissance était maximale. C'est très approximatif mais je n'ai pas trouvé mieux!
Ainsi je trouve:
Pour E1, Pmax= u*i=20*6=120W
Pour E2 Pmax=15*1.6= 24W
Pour E3 Pmax=15*0.7=11W

I-3 Je n'ai pas utilisé la loi d'Ohm, a t-on le droit de l'utiliser ici?
Ainsi j'ai regardé le tableau, donc c'est encore plus approximatif
Dans le premier cas, U=20 donc R est environ égal à 4 Ohms
De meme, ds le 2eme cas, R = 10 Ohms
Dans le 3eme cas, R=20 Ohms

I-4 E(h) varie de façon sinusoïdale donc E(h) est de la forme E(h)=Acos(wh) (doit-on rajouter une phase phi?)

I-6 (a)Il faut 10^6*1/800 = 1250 cellules élémentaires de 1m² pour pouvoir utiliser une puissance solaire d'env. 1MW
(b) U1=20V environ aux bornes d'une cellule, donc la tension aux bornes de 50 cellules est 1000V
(c) 1250/50=25 Il y aura 25 branches au circuit, l'intensité globale sera de i=25*i1= 25*6= 150A
(d) P=150*1000=1.5*10^5 W quel est le rendement?
(e)

I-7 De même, il faut 5000 cellules, la tension sera de 50*U2=750V et l'intensité 100*1.6=160A d'où la puissance= 160*750 W

I-8 Doit on considérer que les 2 fils sont en séries dans ce cas Rtot=2*Rfil  ?


Merci