Les routes qui
génèrent de l'électricité,
bac
S Asie 2017 .
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Fixer
sur le bitume un revêtement photovoltaïque résistant au passage des
poids lourds et ainsi transformer le réseau routier en centrale
électrique : ce rêve d'ingénieur n'en est plus un. Relevant tous les
défis, un prototype de dalle solaire a été mis au point en France, et
dans un premier
temps 1000 km de routes devraient en être équipés avant l'année 2020.
D'après Science et Vie - Mai 2016
Le but de cet exercice est
d'estimer la surface de routes ou parkings qu'il conviendrait de munir
de cette technologie pour couvrir la totalité des besoins de notre pays
en électricité.
Questions préalables.
1. Indiquer
pourquoi, selon vous, des panneaux photovoltaïques fixés sur les routes
bénéficieront a priori d'un éclairement moindre que ceux fixés sur les
toits d'habitation.
Les panneaux photovoltaïques sont fixés sur les toits exposés au sud et
sont inclinés de manière optimale par rapport au soleil, ce qui n'est
pas le cas des routes.
2. Pour mieux
comprendre les rendements relativement modestes des cellules à base de
silicium, calculer la valeur de la longueur d'onde maximale lmax
au-delà de laquelle les photons absorbés ne peuvent plus générer
d'électricité. À quel domaine des ondes électromagnétiques appartient
cette longueur d’onde ?
Dans un semi-conducteur à base de silicium, « l’énergie de gap » Eg
est égale à 1,12 électronvolt à une température de 300 kelvins. Cela
implique que seuls les photons ayant une énergie supérieure à Eg
seront en mesure de déloger un électron de la bande de valence pour le
faire passer dans la bande de conduction, contribuant ainsi à
l'apparition d'un courant électrique.
D'après http://ines.solaire.free.fr/solpv/page3.html.
Eg = 1,12 x1,602 10-19 = 1,794 10-19 J.
Eg = h c / lmax
; lmax = hc / Eg =
6,626 10-34 x3,00 108 / (1,794 10-19)
~1,11 10-6 m = 1,11 µm.
Cette valeur étant supérieure à 0,8 µm appartient au proche IR.
Problème.
3. Évaluer
la surface de bitume à équiper de revêtement photovoltaïque, si
l'objectif fixé est de couvrir par ce moyen la totalité des besoins de
notre pays en électricité. S'appuyer sur le résultat obtenu pour dire
si un tel objectif semble réalisable.
Hypothèse de travail : sur une voie à trafic moyen, la route bénéficie
de près de 90% du temps d’éclairement.
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- En 2015, la production d'origine
photovoltaïque s'est élevée en France à 6,7 milliards de
kilowattheures, soit 1,4 % de la consommation électrique nationale.
(D'après Science et
Vie - Mai 2016).
Consommation électrique nationale en 2015 :
6,7 109 /0,014 ~4,8 1011 kWh.
Moyennes annuelles de l’énergie solaire reçue sur une surface orientée
au sud et inclinée d’un angle égal à la latitude (en kWh/m2/jour)
: 4 kWh m-2 jour-1.
Valeur qu’il convient de minorer d’environ 20 % lorsque la surface est
horizontale.
4 x0,8 = 3,2 kWh
m-2 jour-1.
soit 3,2 x365 ~1,17 103 kWh
m-2 an-1.
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sur une voie à trafic moyen, la route bénéficie de près de 90% du temps
d’éclairement.
1,17
103
x
0,9 =1,05 103 kWh m-2 an-1.
Rendement moyen de ces cellules : 0,15 ( 15 %).
1,05 103
x0,15 = 1,6 102 kWh m-2 an-1.
Surface de
bitume à équiper de revêtement photovoltaïque :
4,8 1011
/ (1,6 102 )=3,0 109 m2.
ou 3,0 103 km2.
La superficie
totale des routes et parkings de France vaut environ 17000 km2
(D'après Science et Vie - Mai 2016).
3,0 103 / 17000 *100~18 %.
Un tel objectif semble réalisable.
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