TPE SVT seconde : les énergies solaires.

Bonjour à tous. Bienvenue sur ce blog qui a pour but d'aider les élèves ou les personnes qui nécessitent des informations au sujet des énergies solaires. J'ai moi même réalisé un TPE durant une trentaine d'heure qui m'a été très bien noté par mon professeur de sciences. Il est fortement conseillé de faire un diaporama pour accompagner les auditeurs si vous avez à présenter ce sujet.
Bonne chance à tous, et n'hésitez pas à laisser des commentaires pour enrichir les éléments déjà présents sur ce blog.
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Les energies solaires

Introduction

Les menaces qui pèsent sur l’avenir de la planète (troue de la couche d’ozone, pluies acides, effet de serre, stockage des déchets nucléaires …) ne sont pas les seules. Les problèmes de démographie, de développement, la santé de milliards d’hommes et l’épuisement des ressources ont beaucoup d’importance dans l’avenir de l’humanité. Parmi les grands problèmes qui sont au cœur de notre interrogation on trouve l’énergie reconnue comme indispensable à la plupart des activités humaines avec tous les problèmes de disponibilités et d’environnements qui lui sont associés.

Aujourd'hui, la plus part de l'énergie consommée dans le monde provient de sources d'énergies fossiles, épuisables et souvent polluantes. Il existe cependant plusieurs autres sources d'énergies dites « renouvelables » comme l'énergie solaire.

L'energie solaire est l'énergie transmise par le soleil sous la forme de lumière et de chaleur. Cette énergie est inépuisable à l'échelle des temps humains, ce qui lui vaut d'être classée parmi les énergies renouvelables.
Il s'agit aujourd'hui de distinguer les quatre différentes énergies solaires ( énergie passive, thermique, photovoltaïque, thermodynamique ) pour pouvoir se rendre compte des alternatives énergétiques aux énergies fossiles et voir en quoi

elles sont renouvelables.

1. Energie passive

A. Définition

Elle consiste à tout simplement profiter au maximum de la chaleur produite par le soleil en aménageant au mieux son habitation et ce dès sa conception.

B. Fonctionnement

l'énergie lumineuse du soleil qui pénètre à l'intérieur des pièces par les fenêtres et qui est absorbée par les mûrs mais aussi par les meubles, par les planchée , est rejetée sous forme de chaleur. Le choix des matériaux utilisés est primordial puisqu’il ne faut pas oublier qu’une bonne isolation thermique permet de faire d’importantes économies d’énergies sur le long terme mais pas seulement.

L’utilisation passive de l’énergie solaire implique d’exploiter les éléments architecturaux d’une maison (murs, fenêtres, planchers, toits) pour tirer profit du rayonnement solaire. Il s’agit en général de moyens très simples et peu coûteux de réduire sa consommation d’électricité. Ainsi, on va orienter les grandes baies vitrées vers le sud et faire seulement des petites fenêtres face nord. En plus, on construit des toits à large saillies pour protéger la maison des chaleurs intenses de l’été. En hiver, tout ceci permet de profiter à la fois de la chaleur et de la  lumière du soleil, mais aussi de limiter les pertes de chaleur. En été, on limite l’électricité consommée pour refroidir la température intérieure.

C.Intérêts

En Espagne par exemple, des écoles ont des gains de 100% d'énergie grâce à la construction intelligente de leurs bâtiments. Des maisons peuvent réduire considérablement leurs consommations en réfléchissant juste à l'orientation de leurs baies vitrés, la couleur de leurs façades, et d'autres principes extrêmement simples.

Conclusion

Ainsi, l'énergie passive, en profitant au maximum de la chaleur produite par le soleil, peut réduire nettement les consommations en énergies fossiles des habitations, des casernes, écoles, etc.
Le principe de cette énergie étant très simple, voyons une énergie solaire autre : l'énergie thermique.

II.Energie thermique

A. Definition

Le solaire thermique récupère la chaleur du soleil grâce à un fluide qui circule dans les panneaux. En France métropolitaine le solaire thermique représente plus de 55 000m² de panneaux.

B. Principe

Un panneau solaire thermique a pour but de transmettre la chaleur émise par le soleil à un circuit d'eau secondaire. Les rayons du soleil traversent la vitre, à l'intérieur une plaque absorbante qui a pour but de capter les rayons infrarouges. Derrière cette plaque chaude passe un circuit d'eau qui récupère cette chaleur. Par la suite ce circuit alimente un circuit secondaire qui peut alimenter une habitation en eau sanitaire ou en chauffage.
La circulation de l'eau peu se faire par simple phénomène physique, l'eau chaude est moins dense que l'eau froide. C'est pour cela que sur le schéma l'eau chaude est toujours au dessus de l'eau froide.

   C.Intérêts

.Chauffage : Les capteurs destinés au chauffage sont relativement simples, rustiques et durables.

.Électricité :

• Les systèmes de turbine à vapeur classiquement utilisés reposent sur des composants parfaitement sûrs et éprouvés.
• Dans les zones très ensoleillées, la rentabilité est prouvée : une centrale solaire thermique est au Maroc amortie au niveau énergétique en 5 mois3 (c'est-à-dire qu'elle aura produit plus d'énergie qu'en a nécessité sa construction et son démarrage, ce qui est comparable à l'éolien (4 à 7 mois), mais bien plus rapide que les modules photovoltaïques en silicium (qui nécessitent actuellement encore 3 à 5 ans pour rembourser leur dette énergétique, mais qui nécessiteront moins de frais et de travail pour leur entretien et fonctionnement).
• Fort potentiel de développement dans plusieurs pays en développement, avec impact a priori modéré sur l'environnement (déserts, zones arides). Selon le DLR, une capacité de plus de 3 GW est réaliste en Europe, et de 15 GW pour toute la planète4.

• Purification de l'eau: Le distillateur solaire peut fournir de l'eau potable en suffisance dans les zones tropicales et subtropicales.

CONCLUSION II

Ainsi, en récupérant l'énergie inépuisable dispensée par le soleil grace à un fluide circulant dans les panneaux, l'énergie solaire thermique permet de très bons rendements, de l'eau chaude « gratuite » et autres différents avantages.

Cependant, cette énergie est très coûteuse et a un essor contrôlé par les subventions étatiques.

L'énergie solaire Thermique se limitant généralement au chauffage de l'eau, voyons comment produire de l'électricité grâce à l'énergie photovoltaïque.

3. Energie photovoltaïque
   

A. Definition

Le photovoltaïque exploite l'énergie émise par le soleil sous forme de photons et la transforme alors en électricité. Un système photovoltaïque est composé de panneaux ou cellules photovoltaïques, de câblage électrique et d'un onduleur. Ce dernier permet de convertir le courant ainsi produit en courant alternatif.

Historiquement, le photovoltaïque a été utilisé afin d'alimenter les sites isolés non connectés au réseau d'électricité. Aujourd'hui un autre usage se développe de manière exponentielle : la production et la revente d'électricité au réseau d'énergie (EDF, opérateurs alternatifs).

Le marché croît très rapidement grâce à la prise de conscience des Français et à la volonté des institutions françaises. L'Eco-citoyenneté est le nouveau credo.

L'énergie solaire photovoltaïque est considérée comme l'une des énergies vertes la plus adaptée à la production d'électricité dans le respect et la quiétude de l'environnement.

L'état français et ses institutions s'engagent fermement dans le développement durable et la promotion des bâtiments éco-energétiques. Ainsi plusieurs arrêtés ont été promulgués et des subventions sont proposées afin de promouvoir les énergies renouvelables dont le solaire photovoltaïque.

B. Principe

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. La tension obtenue est fonction de la lumière incidente. La cellule photovoltaïque délivre une tension continue.

Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium (Si) et plus rarement d’autres semi-conducteurs : séléniure de cuivre et d'indium (CuIn(Se)₂ ou CuInGa(Se)₂), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent généralement sous la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté, Les cellules sont souvent réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée.

C.Avantages

• La production de cette électricité renouvelable n'émet pas de gaz à effet de serre,
• La lumière du soleil étant disponible partout, l'énergie photovoltaïque est exploitable aussi bien en montagne dans un village isolé que dans le centre d'une grande ville, et aussi bien dans le Sud de la France que dans le Nord (à noter l'engouement que suscite le photovoltaïque chez les Allemands)
• L'électricité photovoltaïque est produite au plus près de son lieu de consommation, de manière décentralisée, directement chez l'utilisateur. De plus un système photovoltaïque est un moyen de produire de l'électricité renouvelable facilement accessible au particulier
• Les systèmes photovoltaïques sont extrêmement fiables : aucune pièce mécanique n'est en mouvement, les matériaux employés (verre, aluminium) résistent aux pires conditions climatiques (notamment à la grêle). La durée de vie d'un capteur photovoltaïque est ainsi de plusieurs dizaines d'années
• L'énergie photovoltaïque est totalement modulable et peut donc répondre à un large éventail de besoins. La taille des installations peut aussi être augmentée par la suite afin de suivre l'évolution des besoins ou des moyens financiers de son propriétaire

500. Enjeux et perspectives

La production d'électricité photovoltaïque est quasi illimitée quant à son potentiel. Un calcul théorique montre que la couverture de 0,6 % du territoire national, soit un carré de 56 km de côté constitué de 30 millions de panneaux de 100m2, suffirait à assurer la consommation totale d'électricité du pays (1000 heures d'ensoleillement en moyenne). En extrapolant, un carré de 200 kms en plein désert du Ténéré (3800 heures d'ensoleillement /an) suffirait à satisfaire les besoins en énergie électrique de notre terre.

Conclusion :Ainsi, le photovoltaïque pourrait devenir l’énergie du futur si, d’une part son coût de production diminuait car, pour l’instant, seule une minorité de gens peuvent se procurer ces systèmes; et si d’autre part le rendement des cellules augmentait.

4. L'énergie thermodynamique

A. Presentation

La concentration du rayonnement solaire permet d’atteindre localement des températures élevées. L’élévation de température sert à chauffer un fluide calo-porteur et la chaleur emmagasinée est ensuite convertie en vecteurs énergétiques comme l’électricité ou l’hydrogène, ou est utilisée directement dans des procédés industriels.. Ce principe met en œuvre soit des capteurs de forme parabolique ou cylindro-parabolique, soit des centrales dite « à tour », pour lesquelles une multitude de miroirs orientables, appelés héliostats, concentrent l’énergie solaire sur une chaudière unique située sur une tour. Cela rend possible le réchauffement de fluides calo-porteurs, en général de l’huile ou des sels fondus, dans une gamme de température allant de 250 à 2000 °C, avec un rendement supérieur à 70% (rapport chaleur utile/énergie incidente).

B. Technologies utilisées et rendements

Technologies solaires à concentration

          [ trouver un tableau représentant ce sujet ]

C.Avantage et inconvénient

La contrainte majeure de la concentration solaire est qu’elle ne peut valoriser que le rayonnement direct du soleil. Un ensoleillement de 1800 (Odeillo) à 2000 kWh/m2/an est le seuil minimum estimé nécessaire pour obtenir un rendement suffisant (Almériaen Espagne est à 2014 kWh/m2/an). De plus, il faut une atmosphère « transparente » non chargée de particules qui dévient ou absorbent les rayons solaires. De ce fait, le potentiel d’implantation de telle centrale est limité sur le territoire français (pointe sud de la métropole et DOM). Il constitue toutefois un marché prometteur dans de nombreux pays (pays méditerranéens, Etats-Unis, Mexique, Inde, Moyen Orient, Australie...).

Son avantage principal est qu’elle permet le stockage d’une partie de l’énergie, ce qui n’est pas possible aujourd’hui avec les installations photovoltaïques de puissance équivalente. Ce stockage permet de diminuer l’intermittence de la ressource solaire en permettant par exemple de continuer à produire de la chaleur et de l’électricité après le coucher du soleil.

CONCLUSION

Ainsi, en concentrant les rayons solaires en un même point, l'électricité produite est de quantité importante. Mais pour pouvoir installer ce genre de dispositifs, une exposition d'au moins 1800 kWh/m²/an est requise, ce qui est loin d'être donné à tout le monde. Cependant, dans les pays méditerranéens, si les coups de fabrications diminuaient, cette énergie pourrait, pourquoi pas, devenir l'énergie du futur.

CONCLUSION : ENERGIES SOLAIRES.

Sans soleil, pas de vie sur terre. Il procure la chaleur, la lumière et permet la photosynthèse indispensable au monde végétal. Il permet également, grâce aux panneaux solaires photovoltaïques ou thermiques, de capter cette énergie et ainsi d'alimenter les habitations en électricité et en chaleur. Le soleil produit de l’énergie en abondance, beaucoup plus que ce que nous pouvons consommer. Même avec notre grand besoin d’énergie, le soleil fournit en permanence 10.000 fois la consommation de l’humanité entière. Avec une espérance de vie de plusieurs milliards d’année, il est aussi la source d’énergie la plus durable.

Le soleil est une source sur laquelle on peut compter, y compris en Europe. Pour couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité avec le solaire photovoltaïque, une surface de 145.000 km² serait suffisante dans les conditions européennes d’ensoleillement. Cette surface correspond à un carré de 380 kilomètres de coté, soit seulement 1.5% de la superficie de l’Europe (10.5 millions de km²).

Mais à travers ces nombreuses recherches pour ce TP nous avons découvert qu’il existait de nombreux moyens de capter et d’utiliser cette énergie.

En effet ces différentes techniques d’approvisionnement en électricité et en chaleur sont entièrement propres mais assez complexes, elles sont encore relativement coûteuses mais très rentables à long terme. Leur avenir est très prometteur car les énergies dites « fossiles » se raréfient. Elles laissent donc place au développement et au progrès des différentes énergies renouvelables.

Ainsi, l'énergie solaire peut belle et bien être une alternative durable et renouvelable aux énergies fossiles. Mais, il serait plus intéressant de construire un monde en alliant l'énergie solaire et les autres énergies renouvelables. Nous pouvons donc nous demander si les autres énergies renouvelables (éolienne, hydraulique, géothermie ,biomasse) peuvent être, elles aussi, une alternative durable à la future pénurie des énergies fossiles.