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France métropolitaine
Juin
2016
Bac
Spécifique
Tle S
Physique — Chimie
Pompage solaire dans le désert du Sahel
Analyse spectrale
.icon_annales.png Le pompage solaire consiste à élever l'eau d'un puits vers un réservoir, à l'aide d'une pompe à moteur électrique alimentée par des panneaux de cellules photovoltaïques.

Sujet 4Pompage solaire dans le désert du Sahel50 mn

France métropolitaine – La Réunion, juin 2016

Enseignement de spécialité

Analyse spectrale

Exercice

5 pts

Le pompage solaire consiste à élever l’eau d’un puits vers un réservoir, à l’aide d’une pompe à moteur électrique alimentée par des panneaux de cellules photovoltaïques.

img1

Schéma simplifié de l’installation

L’eau ainsi puisée peut par exemple couvrir les besoins domestiques d’une population ou bien permettre l’irrigation de cultures. Ces systèmes trouvent toute leur pertinence dans la mesure où la difficulté d’accéder à l’eau concerne souvent des régions où l’ensoleillement est fort.

On s’intéresse à une station de pompage située dans le Sahel malien. Pour un bon fonctionnement, il est nécessaire d’adapter le débit de la pompe aux besoins en eau, et la hauteur totale H d’élévation de l’eau à la configuration des lieux.

Le volume quotidien d’eau nécessaire est V = 35 m3 lorsque les besoins en eau sont importants. Le moteur de la pompe fonctionne pendant les six heures les plus ensoleillées de la journée ; c’est sur cette durée que le volume d’eau quotidien attendu doit être élevé de la hauteur H = 50 m.

Données :

 1 eV = 1,60 × 10–19 J ;

 constante de Planck : h = 6,63 × 10–34 J.s ;

 la valeur de la célérité de la lumière dans le vide est supposée connue ;

 masse volumique de l’eau : ρ = 1,0 × 103 kg.m–3 ;

 intensité de la pesanteur : g = 9,8 N.kg–1 ;

 rendement d’une conversion d’énergie exprimée en pourcentage (%) :

r= énergieutile énergiereçue ×100  ;

 la puissance du rayonnement solaire reçu par l’ensemble des panneaux est le produit de la puissance surfacique du rayonnement solaire par la surface S des panneaux : PreçuPsurf × S.

Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques sont constituées de matériaux semiconducteurs. Quand elles sont éclairées, ces cellules se comportent comme un générateur. Dans les matériaux semi-conducteurs, les diagrammes énergétiques des électrons sont constitués de bandes : on distingue en particulier la bande de valence et la bande de conduction. Ces deux bandes sont séparées d’une énergie Eg appelée gap, caractéristique du matériau. Des électrons peuvent transiter de la bande de valence vers la bande de conduction en absorbant un photon d’énergie supérieure à Eg. C’est ce mécanisme qui donne naissance au courant électrique dans une cellule photovoltaïque.

img2

Diagramme d’énergie des électrons d’un matériau semi-conducteur (la flèche ↑ reliant les bandes de valence et de conduction désigne une transition énergétique par absorption d’un photon).

La puissance du rayonnement solaire reçue par la cellule n’est pas intégralement convertible en puissance électrique. On considère que les photons d’énergie inférieure à Eg ne permettent pas la transition vers la bande de conduction. Il existe alors une longueur d’onde de coupure λC au-delà de laquelle il n’y a aucune conversion.

Les cellules les plus courantes sont constituées de silicium cristallin ou de silicium amorphe.

Caractéristiques des cellules photovoltaïques utilisables pour la station de pompage

Types de cellules photovoltaïques

Energie
de gap Eg
en eV

Rendement
global de
l’installation*

Avantages

Inconvénients

Cellule en silicium monocristallin

1,12

6,4 %

Très bon rendement

Durée de vie importante

Coût très élevé

Cellule en silicium polycristallin

1,12

5,2 %

Bon rendement

Durée de vie importante

Bon rapport qualité / prix

Rendement faible sous un faible éclairement

Cellule en silicium amorphe

1,77

2,8 %

Faible coût

Bon fonctionnement avec un éclairement faible

Rendement faible en plein soleil

Courte durée de vie

Données météorologiques concernant la région du Sahel malien où se situe le projet

img3

D’après Météo France

img4

Partie I Questions préliminaires

1 Pour l’installation, on souhaite utiliser un matériau dont la longueur d’onde de coupure est λC = 1 110 nm. Proposer un type de cellule qui pourrait être utilisé en précisant le(s) critère(s) de choix retenu(s). 0,5 pt

2 Calculer l’énergie nécessaire pour élever 1,0 m3 d’eau d’une hauteur de 50 m. 0,5 pt

Partie II Problème

Estimer la surface totale des panneaux solaires permettant de satisfaire aux besoins en eau au cours d’un mois de l’année où ces besoins sont importants au Sahel malien.

Toutes les initiatives du candidat seront valorisées. La démarche suivie nécessite d’être correctement présentée.

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