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de bandes : on distingue en particulier la bande de valence et la bande de ...
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Bac S 2016 Métropole Spécialité HYPERLINK "http://labolycee.org" http://labolycee.org
EXERCICE III - POMPAGE SOLAIRE DANS LE DÉSERT DU SAHEL (5 points)
Le pompage solaire consiste à élever leau dun puits vers un réservoir, à laide dune pompe à moteur électrique alimentée par des panneaux de cellules photovoltaïques. Leau ainsi puisée peut par exemple couvrir les besoins domestiques dune population ou bien permettre lirrigation de cultures. Ces systèmes trouvent toute leur pertinence dans la mesure où la difficulté daccéder à leau concerne souvent des régions où lensoleillement est fort.
On sintéresse à une station de pompage située dans le Sahel malien. Pour un bon fonctionnement, il est nécessaire dadapter le débit de la pompe aux besoins en eau, et la hauteur totale H délévation de leau à la configuration des lieux.
Le volume quotidien deau 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 ; cest sur cette durée que le volume deau quotidien attendu doit être élevé de la hauteur H = 50 m.
Données :
1 eV = 1,60×1019 J ;
constante de Planck : h = 6,63×1034 J.s ;
la valeur de la célérité de la lumière dans le vide est supposée connue ;
masse volumique de leau : Á = 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 = EMBED Equation.DSMT4 ;
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 dune 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 dénergie supérieure à Eg. Cest ce mécanisme qui donne naissance au courant électrique dans une cellule photovoltaïque.
La puissance du rayonnement solaire reçue par la cellule nest pas intégralement convertible en puissance électrique. On considère que les photons dénergie 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 cellules photovoltaïquesÉnergie de gap Eg en eVRendement global de linstallation *AvantagesInconvénientsCellule en silicium monocristallin1,126,4 %Très bon rendement Durée de vie importanteCoût très élevéCellule en silicium polycristallin1,125,2 %Bon rendement
Durée de vie importante
Bon rapport qualité / prixRendement faible sous un faible éclairementCellule en silicium amorphe1,772,8 %Faible coût
Bon fonctionnement avec un éclairement faibleRendement faible en plein soleil
Courte durée de vie
* Le rendement global de linstallation 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 linstallation, on souhaite utiliser un matériau dont la longueur donde 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 solair#%'(JK_`¤¥k
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