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L'atelier des apprentis
P.109




L'atelier des apprentis




5
Les pérovskites (⇧)

Interpréter et exploiter un spectre d’absorption

irradiance

1
Spectre d’émission radiatif du Soleil.

spectres

2
Simulation des spectres d’absorption de cellules à base de pérovskites et de silicium.

Ressource complémentaire

La perovskite révolutionnera-t-elle l'énergie solaire ? Découvrez-le en vidéo :


Les pérovskites sont des structures minéralogiques particulières ayant des propriétés conductrices d’un semi-conducteur. Le coût de fabrication de cellules photovoltaïques à base de pérovskites est bien moins élevé que celui de cellules au silicium. Des recherches récentes montrent qu’il est possible d’obtenir des rendements proches de 25 % avec des cellules photovoltaïques utilisant des pérovskites.

Questions

1. Expliquer brièvement le principe de fonctionnement d’un semi-conducteur.


2. Déterminer pour quelle partie du spectre solaire les pérovskites absorbent le plus le rayonnement.


3. Expliquer l’intérêt d’utiliser des pérovskites et du silicium pour réaliser une cellule photovoltaïque.

6
Comparaison (⇧)

Savoir exploiter la caractéristique d’une cellule photovoltaïque
Retrouvez cet exercice en version expert
.

Un fabricant de panneaux solaires annonce les caractéristiques suivantes pour un éclairement de 1 000 W⋅m-2 :
  • surface d’une cellule : 0,200 m2 ;
  • tension et intensité maximales : 15,5 V et 1,2 A.
Les turboalternateurs d’un réacteur nucléaire délivrent une puissance électrique de 900 MW.

centrale nucléaire


Questions

1. Calculer la puissance d'une cellule photovoltaïque.


2. Calculer le nombre de cellules nécessaires pour délivrer la même puissance que la centrale.


3. Calculer la surface nécessaire de panneaux solaires pour produire cette puissance électrique.

D
Produire un courant alternatif (⇧)

Reconnaître les éléments principaux d’un alternateure
Retrouvez cet exercice en version initiale en cliquant ici
.

Alternateur

Schéma d’un alternateur à courant alternatif.

Le sens du courant électrique produit par induction et circulant dans les fils d’une bobine dépend de deux facteurs :
  • le mouvement relatif de l’aimant par rapport à la bobine ;
  • le sens du champ magnétique par rapport à la bobine, c’est-à-dire la nature du pôle (nord ou sud) qui fait face à la bobine.

Si le mouvement du pôle nord d’un aimant faisant face à une bobine crée un courant électrique dans un sens, le même mouvement de l’aimant, cette fois-ci avec le pôle sud faisant face à la bobine, créera un courant électrique dans le sens contraire.

Questions

1. Reproduire le schéma et représenter arbitrairement le sens de circulation du courant électrique dans le circuit électrique et la bobine.

Dessinez ici

2. Reproduire le schéma quand l’aimant à réalisé un demi-tour par rapport à sa position initiale. Puis faire apparaître le sens de circulation du courant électrique dans le circuit et la bobine.

Dessinez ici

3. Choisir parmi les propositions ci-dessous celles qui sont vraies :



E
Cellule photovoltaïque du futur (⇧)

Interpréter et exploiter un spectre d’absorption
Retrouvez cet exercice en version initiale en cliquant ici
.

cellules photovoltaiques

1
Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques transparentes.

Spectre d’absorption d’une cellule conventionnelle
2
Spectre d’absorption d’une cellule conventionnelle.

irradiance spactrale
3
Spectre d’émission radiatif du Soleil.

Ressource complémentaire

Découvrez une vidéo sur les cellules photovoltaïques de demain :

En 2015, des chercheurs de l’université de l’État du Michigan (MSU) ont réussi à créer un prototype de cellule photovoltaïque transparente : le matériau utilisé absorbe les rayonnements UV et IR, mais laisse passer le rayonnement visible (doc. 1). Ces cellules sont constituées de fines couches transparentes de polymères organiques qui convertissent l’énergie radiative en électricité.
Ainsi, ce type de cellule photovoltaïque peut être monté sur une surface transparente telle qu’une fenêtre ou un écran de smartphone sans obstruer le passage de la lumière. Bien que le rendement de conversion soit encore faible, il a été multiplié par trois en quelques années, pour atteindre près de 10 % en 2019.
Le doc. 2 montre le spectre d’absorption (courbe bleue) d’une cellule photovoltaïque conventionnelle. La courbe orange correspond au spectre radiatif du Soleil reçu sur Terre. On remarque que ce type de cellule n’absorbe pas les rayonnements dont la longueur d’onde est supérieure à 1 200 nm et inférieure à 400 nm environ.

Source : The Open Mind.

Questions

1. Donner l’intervalle de longueur d’onde correspondant au domaine UV, au domaine visible et au domaine IR.


2. Identifier pour chaque courbe ci-dessous, les domaines des rayonnements absorbés. Quelle(s) courbes correspond(ent) à une cellule transparente ?
Courbe a.
Courbe a

Courbe b.
Courbe b

Courbe c.
Courbe c


3. Une cellule photovoltaïque transparente de surface 0,012 m2 permet de générer une puissance électrique de 0,86 W lorsqu’elle reçoit une puissances lumineuse surfacique de 1 000 Wᐧm-2.
a. Calculer la puissance lumineuse reçue par la cellule.

b. En déduire le rendement de la cellule.


4. Comparer la valeur obtenue avec le rendement moyen de cellules conventionnelles.


5. Cette valeur de rendement peut-elle être facilement compensée dans le cas de ces cellules transparentes ? Détailler la réponse.
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