1 ÉPREUVE COMMUNE DE TIPE 2012 - Partie D TITRE : Prévision énergétique des centrales photovoltaïques Temps de préparation : ……………..….2 h 15 minutes Temps de présentation devant les examinateurs : …….10 minutes Dialogue avec les examinateurs : ……………………..10 minutes GUIDE POUR LE CANDIDAT : Le dossier ci-joint comporte au total : 14 pages Guide candidat : 1 page Document principal 13 pages Travail suggéré au candidat : Le candidat pourra proposer une synthèse du dossier, en dégageant les idées fortes du document. L’accent sera par exemple mis sur deux points parmi ceux-ci : - Les notions astronomiques nécessaires à la modélisation du rayonnement solaire. - La courbe de l’inclinaison durant l’année - Les principes physiques de mesure des rayonnements par satellite ou au sol - La synthèse de la méthode de modélisation du rayonnement solaire - L’illustration de la situation décrite par l’équation (12) CONSEILS GENERAUX POUR LA PREPARATION DE L'EPREUVE : * Lisez le dossier en entier dans un temps raisonnable. * Réservez du temps pour préparer l'exposé devant les examinateurs. - Vous pouvez écrire sur le présent dossier, le surligner, le découper … mais tout sera à remettre aux examinateurs en fin d’oral. - En fin de préparation, rassemblez et ordonnez soigneusement TOUS les documents (transparents, etc.) dont vous comptez vous servir pendant l’oral, ainsi que le dossier, les transparents et les brouillons utilisés pendant la préparation. En entrant dans la salle d'oral, vous devez être prêt à débuter votre exposé. - A l'issue de l'épreuve, vous devez remettre au jury le dossier scientifique. Tout ce que vous aurez présenté au jury pourra être retenu en vue de sa destruction. IL EST INTERDIT DE SORTIR LE SUJET DU SITE DE L’EPREUVE S01
14
Embed
TITRE : Prévision énergétique des centrales ...scei-concours.fr/tipe/TIPE_2012/sujets_2012/SI_PSI.pdf · Prévision énergétique des centrales photovoltaïques 1. Les raisons
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
ÉPREUVE COMMUNE DE TIPE 2012 - Partie D
TITRE : Prévision énergétique des centrales photovoltaïques
Temps de préparation : ……………..….2 h 15 minutes Temps de présentation devant les examinateurs : …….10 minutes Dialogue avec les examinateurs : ……………………..10 minutes
GUIDE POUR LE CANDIDAT : Le dossier ci-joint comporte au total : 14 pages
Guide candidat : 1 page Document principal 13 pages
Travail suggéré au candidat :
Le candidat pourra proposer une synthèse du dossier, en dégageant les idées fortes du
document. L’accent sera par exemple mis sur deux points parmi ceux-ci :
- Les notions astronomiques nécessaires à la modélisation du rayonnement solaire.
- La courbe de l’inclinaison durant l’année
- Les principes physiques de mesure des rayonnements par satellite ou au sol
- La synthèse de la méthode de modélisation du rayonnement solaire
- L’illustration de la situation décrite par l’équation (12)
CONSEILS GENERAUX POUR LA PREPARATION DE L'EPREUVE :
* Lisez le dossier en entier dans un temps raisonnable. * Réservez du temps pour préparer l'exposé devant les examinateurs. - Vous pouvez écrire sur le présent dossier, le surligner, le découper … mais tout sera à
remettre aux examinateurs en fin d’oral.
- En fin de préparation, rassemblez et ordonnez soigneusement TOUS les documents (transparents, etc.) dont vous comptez vous servir pendant l’oral, ainsi que le dossier, les transparents et les brouillons utilisés pendant la préparation. En entrant dans la salle d'oral, vous devez être prêt à débuter votre exposé.
- A l'issue de l'épreuve, vous devez remettre au jury le dossier scientifique. Tout ce que vous aurez présenté au jury pourra être retenu en vue de sa destruction.
IL EST INTERDIT DE SORTIR LE SUJET DU SITE DE L’EPREUVE
S01
2
Prévision énergétique des centrales photovoltaïques
1. Les raisons du développement durable
La corrélation entre activité humaine, exploitant essentiellement les énergies fossiles
(charbon, pétrole, gaz), et changements climatiques a favorisé la prise de conscience des pays
les plus industrialisés, aidés en cela par des organismes internationaux tel que le GIEC1. Cette
prise de conscience se traduit par la lutte contre les émissions de gaz à effet de serre (GES) 5
pour limiter le réchauffement mondial à +2°C. Le dioxyde de carbone (CO2) est le plus
important des GES anthropiques2. Ses émissions annuelles ont cru d’environ 80% entre 1970
et 2004.
Confrontés à la nécessité de réduire les émissions de CO2 et à la raréfaction des sources
d’énergies fossiles, il devient impératif de développer les énergies renouvelables. Une énergie 10
est qualifiée de renouvelable lorsqu’elle se reconstitue à l’échelle d’une vie humaine.
Emergent alors des logiciels de calcul de prévision énergétique intégrant les statistiques
météorologiques collectées sur plusieurs années, des mesures en temps réel et des outils
prédictifs. Le secteur photovoltaïque fait ainsi partie des domaines où les recherches en la
matière se sont intensifiées depuis plus d’une décennie. Les techniques mises en œuvre font 15
appel à l’analyse en parallèle de données terrestres et extraterrestres.
La production photovoltaïque totale actuelle en Europe est de 28 gigawatts (GW). La
capacité totale mondiale de puissance photovoltaïque est de 40 GW. Couvrir 0,16% de la
surface des continents de panneaux photovoltaïques produirait 20 terawatts (TW) d’électricité,
soit près de deux fois la consommation mondiale d’énergie, ce qui encourage le 20
développement de cette filière.
2. Centrale photovoltaïque
2.1) L’effet photovoltaïque
Henri Becquerel a découvert en 1839 l’effet photovoltaïque. Le principe repose sur la
physique des semi-conducteurs (figure 1). Un rayon lumineux monochromatique de longueur 25
d’onde frappe une diode à jonction PN. Le rayon lumineux est composé de grains de
lumière appelés photons. Leur énergie se mesure en Joule ou en Electron-Volt (eV). Elle vaut
E = h. λ
ch. où h = 6,6.10
−34 joule.seconde est la constante de Planck et c = 3.10
8 m.s
−1 est
1 Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat
2 Relatif à l’activité humaine
3
la célérité de la lumière dans le vide. L’énergie minimale pour faire passer un électron de la
bande de valence3 à la bande de conduction
4 doit être supérieure à une valeur connue Eg 30
dépendant du matériau de la jonction. Par exemple, elle vaut 1,1 eV pour le silicium cristallin.
Un panneau photovoltaïque est un assemblage série de plusieurs cellules afin d’obtenir
une tension de 12 V ou 24 V continu. La surface d’un panneau est de l’ordre du mètre carré.
Pour permettre la comparaison des caractéristiques des panneaux entre eux, les constructeurs
définissent des conditions standards de test : à 25°C, le panneau reçoit une irradiance (cf ligne 35
111, page 7) de 1000 W.m-2
qui correspond à la luminosité d’un jour d’été sans nuage sous
nos latitudes.
Fig. 1 – Effet photovoltaïque 40
La puissance électrique alors produite est appelée puissance crête et se mesure en Watt-
crête (Wc). Le rendement (en %) de la conversion photovoltaïque pour un panneau est
établi par la relation =
. Il est de l’ordre de 10 à 15% pour les
technologies au silicium polycristallin ou monocristallin sous les conditions standards de test.
2.2) Exemple d’une centrale photovoltaïque 45
La Commission européenne a mis en ligne l’outil de simulation PVGIS, basé sur les
données météorologiques des dix dernières années écoulées, permettant d’estimer la
production d’une installation photovoltaïque. Ce logiciel modélise l’énergie solaire reçue sur
une surface située en un lieu quelconque de l’Europe défini par sa latitude, sa longitude, son
orientation (sud, sud-est, etc...) et son inclinaison par rapport au plan horizontal local. 50
L’exemple détaillé dans la suite concerne une installation photovoltaïque est installée en
3 Bande d’énergie correspondant aux liaisons chimiques
4 Bande d’énergie supérieure à la bande de valence dans laquelle les électrons sont libres.
4
toiture d’une maison située dans l’Eure. Cette installation comporte 14 panneaux
photovoltaïques en silicium polycristallin de 210 Wc chacun soit une surface de 24 m2 et une
puissance de 2,94 kWc. Ces panneaux, orientés Sud-Est et inclinés de 35°, sont connectés à
un onduleur assurant la conversion continu/alternatif et débitant sur le réseau EDF. L’énergie 55
ainsi produite est revendue à EDF selon un tarif fixé par le gouvernement et garanti 20 ans.
A partir de la description de l’installation, le simulateur PVGIS estime la production
de l’installation Em en kWh/mois en tenant compte de l’irradiation globale mensuelle
prévisible Hm en kW.h.m-2
reçue par la toiture, des pertes des différents éléments de la chaîne
depuis les panneaux jusqu’au réseau EDF, estimées à 16% : voir Table 1. 60