Production Énergétique des Panneaux Solaires
Comprendre la Production Énergétique des Panneaux Solaires
Un groupe d’ingénieurs souhaite installer un système de panneaux solaires photovoltaïques pour alimenter un petit bâtiment de bureau. Ils visent à maximiser l’efficacité du système tout en respectant les contraintes budgétaires et spatiales. L’objectif de cet exercice est de calculer la puissance électrique produite par le système solaire et d’évaluer si elle répond aux besoins énergétiques du bâtiment.
Données :
- Surface disponible pour les panneaux: 50 m².
- Irradiance solaire moyenne: 5 kWh/m²/jour (représente l’énergie solaire reçue par mètre carré par jour).
- Rendement des cellules photovoltaïques: 18%.
- Consommation énergétique quotidienne du bâtiment: 65 kWh/jour.
Questions:
1. Calcul de l’énergie solaire totale reçue par jour: Calculez l’énergie solaire totale reçue par toute la surface destinée aux panneaux solaires en une journée.
2. Calcul de la puissance électrique totale produite par les panneaux: Utilisez le rendement des cellules photovoltaïques pour estimer la quantité d’énergie électrique que les panneaux peuvent produire à partir de l’énergie solaire reçue.
3. Evaluation des besoins énergétiques: Comparez l’énergie produite par les panneaux solaires à la consommation énergétique quotidienne du bâtiment pour déterminer si les panneaux peuvent couvrir les besoins énergétiques.
4. Réflexion sur l’amélioration du système: Proposez des améliorations ou des modifications qui pourraient être apportées au système pour augmenter son efficacité ou sa capacité à répondre aux besoins du bâtiment, par exemple en augmentant la surface des panneaux ou en utilisant des panneaux d’un meilleur rendement.
Correction : Production Énergétique des Panneaux Solaires
1. Calcul de l’énergie solaire totale reçue par jour
L’énergie solaire totale reçue sur l’ensemble de la surface est calculée en multipliant l’irradiance par la surface :
\[\text{Énergie totale reçue} = \text{Irradiance} \times \text{Surface}\]
En substituant les valeurs :
-
Irradiance = 5 kWh/m²/jour
-
Surface = 50 m²
\[\text{Énergie totale reçue} = 5\ \text{kWh/m}^2/\text{jour} \times 50\ \text{m}^2\]
\[\text{Énergie totale reçue} = 5 \times 50\]
\[\text{Énergie totale reçue} = 250\ \text{kWh/jour}\]
Résultat : L’énergie solaire totale reçue par les panneaux est de 250 kWh/jour.
2. Calcul de la puissance électrique totale produite par les panneaux
La puissance électrique produite est déterminée en appliquant le rendement des panneaux à l’énergie solaire totale reçue :
\[\text{Énergie électrique produite} = \text{Énergie solaire reçue} \times \text{Rendement}\]
En substituant les valeurs :
-
Énergie solaire reçue = 250 kWh/jour
-
Rendement = 18 % = 0,18
Calcul :
\[\text{Énergie électrique produite} = 250\ \text{kWh/jour} \times 0,18\]
\[\text{Énergie électrique produite}250 \times 0,18 = 45\ \text{kWh/jour}\]
Résultat : La production électrique journalière des panneaux est de 45 kWh/jour.
3. Évaluation des besoins énergétiques du bâtiment
On a :
-
Production des panneaux : 45 kWh/jour
-
Consommation du bâtiment : 65 kWh/jour
En comparant les deux valeurs :
\[45\ \text{kWh/jour} \quad \text{(produit)} \quad < \quad 65\ \text{kWh/jour} \quad \text{(consommation)}\]
Cela signifie que la production électrique des panneaux est insuffisante pour couvrir la consommation quotidienne du bâtiment.
Résultat : Les panneaux solaires produisent 45 kWh/jour, ce qui est inférieur aux 65 kWh/jour nécessaires. Ils ne peuvent donc pas à eux seuls couvrir les besoins énergétiques du bâtiment.
4. Réflexion sur l’amélioration du système
Pour améliorer l’efficacité et/ou la capacité du système, plusieurs options sont envisageables :
a) Augmentation de la surface des panneaux
Exemple : Si l’on augmente la surface de 50 m² à une valeur supérieure, l’énergie solaire totale reçue augmentera proportionnellement.
- Nouvelle énergie reçue : Pour une surface \(S_{\text{nouvelle}}\),
\[\text{Énergie totale reçue}_{\text{nouvelle}} = 5\ \text{kWh/m}^2/\text{jour} \times S_{\text{nouvelle}}\]
Pour atteindre ou dépasser 65 kWh/jour après application du rendement, il faut que :
\[5 \times S_{\text{nouvelle}} \times 0,18 \geq 65 \quad \Rightarrow \quad S_{\text{nouvelle}} \geq \frac{65}{5 \times 0,18}\]
\[S_{\text{nouvelle}} \approx 72,22\ \text{m}^2\]
Conclusion : Il faudrait environ 73 m² pour couvrir la consommation, en supposant que toutes les autres conditions restent identiques.
b) Utilisation de panneaux à meilleur rendement
Exemple : Remplacer les panneaux actuels (18 %) par des panneaux plus performants, par exemple 22 % de rendement.
- Avec la surface actuelle de 50 m², l’énergie électrique produite serait :
\[250\ \text{kWh/jour} \times 0,22 = 55\ \text{kWh/jour}\] - Bien que l’amélioration soit notable, ce rendement reste insuffisant pour atteindre 65 kWh/jour.
Conclusion : Une augmentation du rendement permet de réduire l’écart, mais seule, elle peut ne pas suffire selon les contraintes spatiales.
c) Combinaison de solutions
- Stratégie mixte : Augmenter légèrement la surface disponible et utiliser des panneaux à meilleur rendement pour atteindre la production désirée.
- Ajout d’un système de stockage : L’intégration de batteries permettrait de stocker l’énergie produite en excès lors des jours ensoleillés pour une utilisation lors de jours moins favorables.
Conclusion : Augmenter la surface des panneaux} à environ 73 m² (ou une combinaison avec un rendement amélioré) permettrait d’atteindre la production nécessaire. Utiliser des panneaux plus performants} (par exemple 22\% de rendement) améliorerait la production, même si cela peut nécessiter une augmentation supplémentaire de la surface. On peut optimiser le système par l’ajout d’un stockage} d’énergie afin de pallier les variations de production.
Production Énergétique des Panneaux Solaires
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