Des panneaux solaires hybrides, bac STLB Polyn�sie 2017.
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Partie A : le solaire photovolta�que. 8 points
A.1. Panneaux solaires photovolta�ques.
A.1.1. On estime qu’une maison a besoin d’une installation pouvant fournir 3 kWc (kilowatt cr�te).
D�terminer le nombre de panneaux solaires � installer et leur surface totale.
Puissance nominale : 250 Wc.Longueur : 1677 mm ; largeur : 990 mm.
Nombre de panneaux : 3  / 0,25 = 12.
Surface des panneaux : 122 x1,677 x 0,99 19,93 ~20 m2.
A.1.2. Par ciel bleu et clair, le rayonnement solaire peut atteindre 1000 W.m–2. D�terminer la puissance re�ue par un panneau photovolta�que, puis par l’ensemble des panneaux hotovolta�ques.
 1000 x1,667 x0,99 =1650 W =  1,65 kW.
1,65 x 12 =19,8 ~20 kW.
A.1.3. D�finir et d�terminer le rendement du panneau solaire.
Rendement = puissance �lectrique cr�te / puissance solaire re�ue =0,25 / 1,65 = 0,152 ( ~15,2 %).
A.1.4. Comparer la valeur trouv�e avec la valeur du rendement du module photovolta�que. Ce r�sultat est-il en accord avec la valeur et la tol�rance en % donn�es par le constructeur ?
Rendement 15,40 %. ; tol�rance -1% /+ 3%.
Soit 14,4 % ; 18,4 %. La valeur trouv�e, 15,2 % appartient � cet intervalle. Donc accord.
A.2 �tude d’une cellule photovolta�que au laboratoire.
On r�alise au laboratoire l’�tude d’une cellule photovolta�que. On dispose d’une r�sistance variable, d’un amp�rem�tre, d’un voltm�tre et d’une lampe � incandescence de puissance nominale 40 W.
La cellule photovolta�que est plac�e en s�rie avec la r�sistance variable. Pour diff�rentes valeurs de R, on rel�ve ensuite la tension aux bornes de la cellule et l’intensit� du courant dans le circuit.
A.2.1. Faire le sch�ma �lectrique associ� � ce montage.

A.2.2. On rel�ve exp�rimentalement les grandeurs suivantes pour une cellule de surface 26,1 cm2 et une puissance re�ue de 0,75 W �mise par une lampe � incandescence plac�e � 10 cm de la cellule.
R(ohm)
 260
 170
 110
 80
 60
 50
 30
 20
 0
U(V)
 1,97
 1,93
 1,87
 1,78
 1,56
 1,33
 0,82
 0,57
 0
I(mA)
 7,58
 11,4
 17,0
 22,3
 26,0
 26,6
 27,3
 27,5
 28,0
P(W)
 0,15
 0,22
 0,32
 0,34
 0,41
 0,35
 0,22
 0,16
 0,01
En circuit ouvert la tension est de 2,06 V.
Tracer la courbe repr�sentant l’intensit� I du courant en fonction de la tension U : I = f(U)

A.2.3. D�terminer et justifier � partir du graphique la tension � vide et l’intensit� de court-circuit.
A.2.4. D�terminer la puissance maximale.
En d�duire le rendement de la cellule photovolta�que du laboratoire.
Caract�ristique puissance-tension de la cellule photovolta�que utilis�e au laboratoire

Rendement : Pmax / puissance �mise par la lampe = 0,041 / 0,75 = 0,055 (5,5 %).
A.2.5. Sachant que le rendement th�orique de cette cellule est �gal � 15%, proposer des
hypoth�ses permettant d’expliquer l’�cart avec la valeur d�termin�e � la question A.2.4.
Le spectre de la lampe est diff�rent de celui du soleil.
Le rendement de 15 % est obtenu dans des conditions de test standard pr�d�finies. Une de ces
conditions standard est un rayonnement solaire optimal de 1 000 watts par m�tre carr�.
La cellule de surface 26,1 cm2 re�oit une puissance de 0,75 W soit 0,75 / (26,1 10-4) =288 W m-2.
....

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 Partie B: le solaire thermique (6,5 points)
Le principe de fonctionnement du panneau thermique est d�crit ci-dessous.
Le principe de base est simple, le liquide chauff� par les capteurs solaires transite via les tuyaux du circuit primaire, �tanche et calorifug�, jusqu’au serpentin � l’int�rieur du ballon d’eau chaude,
puis l’eau au contact de cet �changeur thermique se r�chauffe.
Le liquide caloporteur circule en circuit ferm�, soit naturellement, soit � l’aide d’un circulateur �lectrique. Le liquide caloporteur s’�l�ve naturellement tant qu’il est plus chaud que l’eau du ballon gr�ce � sa diff�rence de densit�, c’est le principe du syst�me � thermosiphon. Dans ce cas le ballon doit se situer au-dessus du capteur.
Sinon, en France dans la majorit� des cas, le liquide caloporteur est propuls� dans le circuit � l’aide d’une pompe �lectrique : le circulateur. Un r�gulateur analyse � l’aide de sondes les
temp�ratures, si la sonde du ballon est plus chaude que celle du capteur, la r�gulation coupe le circulateur, sinon, le circulateur est remis en route et le liquide primaire r�chauffe l’eau sanitaire du
ballon..
La surface du panneau hybride (photovolta�que / thermique) DUALSUN est de 1,66 m2. La
puissance re�ue par ce panneau est de 1660 W. On consid�re que le fluide caloporteur est de l’eau de masse volumique r = 1000 kg.m–3 et de capacit� thermique massique Ceau = 4180 J.kg–1.�C–1. Son d�bit par unit� de surface dans le panneau thermique est de 70 L.h–1.m–2.
B.1. Compl�ter le sch�ma du bilan �nerg�tique.

B.2. Calculer l’�nergie re�ue en wattheure pendant une heure de fonctionnement pour le m�me rayonnement solaire de 1000 W.m–2. Donner sa valeur en joule.
Energie (J)= Puissance (W) x dur�e ( seconde) ; Q= 1660 x3600 = 5,976 106 J.
B.3. Calculer le volume en litres de fluide circulant dans le panneau durant une heure.
V = 70 x 1,66 = 1,162 102 ~1,2 102 L ou 0,1162 m3.
B.4. V�rifier que la masse de ce volume de fluide est de 116,2 kg.
m = r V = 1000 x 0,1162 = 116,2 kg.
B.5. En n�gligeant l’�nergie utilis�e par la partie photovolta�que, d�terminer l’�l�vation de temp�rature du fluide provoqu�e par l’exposition au soleil de ce panneau durant une heure.
Q = m Ceau Dq ; Dq = Q /(mCeau) = 5,976 106 /(116,2 x 4180) =12,3 �C.
B.6. Le fluide caloporteur est en r�alit� un m�lange eau / propyl�ne-glycol. Expliquer pourquoi on ne peut pas utiliser directement l’eau comme fluide caloporteur. Justifier l’utilisation d’un m�lange eau / propyl�ne-glycol.
L'hiver, l'eau peut geler et les canalisations �clater. L'eau et le propyl�ne glycol sont miscibles ; le propyl�ne glycol est utilis� comme antigel.
B.7. Donner � partir de la formule topologique, la formule semi-d�velopp�e du propyl�neglycol.
B.8. Sur la formule semi-d�velopp�e du propyl�ne-glycol, entourer et nommer les groupements fonctionnels pr�sents dans cette mol�cule.
B.9. Indiquer la signification du pictogramme de s�curit� associ� au propyl�ne-glycol.




Partie C : stockage de l’�nergie photovolta�que (5,5 points)
C.1. Dimensionnement du stockage
C.1.1.D�terminer la demande �nerg�tique quotidienne D d’un foyer fran�ais.
La consommation moyenne en 2015 pour un foyer fran�ais est donc de 4 763 kWh.
D =4763 / 365 =13,05 ~13 kWh / jour.
C.1.2. Calculer la capacit� C du parc de batteries � installer, sachant que l’on souhaite une profondeur de d�charge de 50% maximum afin de pr�server la dur�e de vie des batteries.
C = D N / (L U).
U =12 V,  tension en volt ; L : profondeur de d�charge maximum ; Q (Wh / jour ) ; N = 5 jours de r�serve.
C = 13 x 5 /(12 x 0,5) = 10,83 ~10,8 kWh V-1 ou 1,08 104 Ah.
C.1.3. D�terminer le nombre de batteries n�cessaires pour assurer 5 jours de r�serve.
Capacit� nominale de la batterie : 503 Ah.
Nombre de batterie : 1,08 104 / 503 = 21,5 ~22.










C.2. D�charge d’une batterie au plomb
Une batterie au plomb est constitu�e d’une �lectrode de plomb et d’une �lectrode d’oxyde de plomb.
� la borne n�gative le plomb r�agit selon l’�quation suivante :
Pb = Pb 2+ + 2 e –.
� la borne positive l’oxyde de plomb r�agit selon l’�quation suivante :
PbO2 + 4 H + + 2 e – = Pb 2+ + 2 H2O
C.2.1. Indiquer, en justifiant votre r�ponse, la nature de la r�action se produisant � chacune des �lectrodes. En d�duire � quelle borne correspond l’anode.
Pb = Pb 2+ + 2 e –. Une oxydation ( perte d'�lectrons ) a lieu � l'anode n�gative.
PbO2 + 4 H + + 2 e – = Pb 2+ + 2 H2O. R�duction ( gain d'�lectrons ) � la cathode positive.
C.2.2. �crire l’�quation de fonctionnement de cette batterie.
Pb = Pb 2+ + 2 e –.
PbO2 + 4 H + + 2 e – = Pb 2+ + 2 H2O.
Ajouter et simplifier : PbO2 + 4 H + + Pb = 2Pb 2+ + 2 H2O.
C.3. Charge d’une batterie au plomb
C.3.1. �crire l’�quation de la charge de cette batterie.
2Pb 2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H + + Pb.
C.3.2. Pendant la charge de la batterie, indiquer en justifiant votre r�ponse, si l’�lectrode de plomb est le si�ge d’une oxydation ou d’une r�duction.
 Pb 2+ + 2 e – = Pb, gain d'�lectrons lors d'une r�duction.
Au cours de la charge, quand la batterie approche de son �tat de charge maximale, des bulles de dihydrog�ne et de dioxyg�ne sont observ�es aux �lectrodes de la batterie. Ces gaz proviennent de l'�lectrolyse de l'eau contenue dans l'�lectrolyte. Les couples oxydants / r�ducteurs en pr�sence sont (O2 / H2O) et (H2O / H2).
C.3.3. �crire la demi-�quation �lectronique se produisant � l’�lectrode reli�e � la borne positive du g�n�rateur.
Perte d'�lectrons, oxydation de l'eau : 2H2O = O2 +4H+ +4e-.
C.3.4. �crire la demi-�quation �lectronique se produisant � l’�lectrode reli�e � la borne n�gative du g�n�rateur.
Gain d'�lectrons, r�duction de l'eau : 4H2O + 4e- =2 H2 + 4HO-.
C.3.5. �crire la r�action d’�lectrolyse de l’eau.
2H2O = O2 + 2H2.
C.3.6. Quelle cons�quence peut avoir le d�gagement de dihydrog�ne lors de l’�tat de charge maximale ?
Le m�lange dihydrog�ne air est d�tonnant pratiquement en toute proportion.


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