Bac S 2016 Métropole Spécialité http://labolycee.org EXERCICE III ...

Bac S 2016 Métropole Spécialité
http://labolycee.org
EXERCICE III - POMPAGE SOLAIRE DANS LE DÉSERT DU SAHEL (5 points) 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. 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 : ? = 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 =
[pic] ;
> 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 : Preçu = Psurf × S. Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques Les cellules photovoltaïques sont constituées de matériaux semi-
conducteurs. 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. 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 ?C 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 |Énergie de |Rendement |Avantages |Inconvénients |
|cellules |gap Eg en |global de | | |
|photovoltaïques|eV |l'installation | | |
| | |* | | |
|Cellule en |1,12 |6,4 % |Très bon rendement |Coût très élevé|
|silicium | | |Durée de vie | |
|monocristallin | | |importante | |
|Cellule en |1,12 |5,2 % |Bon rendement |Rendement |
|silicium | | |Durée de vie |faible sous un |
|polycristallin | | |importante |faible |
| | | |Bon rapport qualité |éclairement |
| | | |/ prix | |
|Cellule en |1,77 |2,8 % |Faible coût |Rendement |
|silicium | | |Bon fonctionnement |faible en plein|
|amorphe | | |avec un éclairement |soleil |
| | | |faible |Courte durée de|
| | | | |vie | * Le rendement global de l'installation tient compte du rendement des
panneaux solaires et du rendement du dispositif de pompage. Données météorologiques concernant la région du Sahel malien où se situe le
projet Précipitations en mm Questions préliminaires 1.Pour l'installation, on souhaite utiliser un matériau dont la longueur
d'onde de coupure est ?C = 1110 nm. Proposer un type de cellule qui
pourrait être utilisé en précisant le(s) critère(s) de choix retenu(s). 2. Calculer l'énergie nécessaire pour élever 1,0 m3 d'eau d'une hauteur de
50 m. 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.
-----------------------
Schéma simplifié de l'installation 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. Bande de valence )
eV
(
E
Eg
Bande de conduction
0
50
100
150
janv. fév. mars avril mai juin juil. août sept. oct. nov.
déc. D'après Météo France