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La lumière solaire, source d’ énergie

26 janvier 2011                                Marie-Christine Artru

- Chauffage par rayonnement, par convection ou par conduction
- Le soleil et son rayonnement : spectre, intensité, variations
- Production d’énergie au centre du soleil : la fusion nucléaire
- Transmission par l’atmosphère et « effet de serre »
- Capteurs de l’énergie solaire
- Enjeux écologiques et économiques



                  Université Populaire de Lyon
                  Thème « Illusions Réalités Création »
Transport d’énergie
                                           CONDUCTION
plutôt « transfert » de « chaleur » :      dans la tige métallique



                                           CONVECTION
                                           dans l’air sur le feu



                                           RADIATION
                                           par le rayonnement,
                                           lumière, infra-rouge,
                                           même dans le vide
Observations du soleil




figure de JM Malherbe http://obspm.fr/lesia/
Surface du soleil
  granularité                      taches , chromosphère




vitesse (décalages doppler)          froid/chaud (filtre helium)
Activité du soleil




image UV du satellite SOHO                          éclipse totale de 2003
       (λ=30,4 nm)

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Variations de la puissance totale du rayonnement solaire
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Observatoire de Paris-Meudon http://solaire.obspm.fr/
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figure de JM Malherbe http://obspm.fr/lesia/
Transfert de l’énergie dans le soleil
         Transfert
                                         surface
             le long d’un rayon          T= 5800 K
              de 696 000 km
                                                      RADIATION

 centre
 T= 1 500 000 K




                                                     CONVECTION
PRODUCTION
                                   RADIATION
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   FUSION proton-proton : schéma très simplifié

noyaux d’hydrogène       deuterium
                                                e+
                                                ν
                             n
                                                rayonnement γ
                                                 ~ 7 MeV par proton
                                                      ( 10-12 J)


                                                 n
                     n               n           n
              hélium 3                     hélium 4
Evolution du soleil
masse du soleil : 2 1030 kg      (environ 1057 protons )
puissance totale rayonnée : 3,8 1026 watts

==> réserve d’énergie pour plus de 10 milliards d’année




figure de JM Malherbe http://obspm.fr/lesia/
Puissance spectrale du Puissance spectrale
                       rayonnement solaire (W/m2 par nm)

       visible

                 juste au dessus de l’atmosphère terrestre
                     total 1367 watt/m2 « constante solaire »

                          rayonnement thermique 5300K


                                      au sol, soleil au zénith
                                       maximum 1100 watt/m2




                     longueur d’onde en nm
                               longueur d’onde (nm)
Spectre standard




                                                      100 W/m2




  puissance totale au sol : 847 W/m2
  conditions : soleil à 42° au dessus de l’horizon, ciel clair

courbe : http://www.lei.ucl.ac.be/~matagne/SOLAIRE/
Moyenne sur l’année
 1368 watt/m2




342 watt /m2
moyenne sur le globe




   170 watt /m2                      H2O CO2
   au sol
valeurs approximatives en W/m2 , moyennes sur une année et sur le globe terrestre
                                Bilan atmosphère


                                            émission IR de
                                             l’atmosphère
                                                       170
                                                             70
                             100
                                                                           320
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                                              100
                                            CONVECTION            390

                                       70                    IR émis par le sol


                                   170 W/m2




                   figure adaptée de R. Ducroux et P Jean-Baptiste, CNRS Editions
émissions de CO2
transports               production
                         d’énergie

 habitat
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   http://www.clubco2.net/
Énergies renouvelables
L’énergie solaire est la source
de la plupart des énergies renouvelables




                             Dunkerque       Tignes




          Grenoble                Chambéry   photos EDF et ADEME
Capteurs solaires

 principe : capteur photovoltaïque ou   échangeur thermique




diode
   n
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Solaire photovoltaïque




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          centrale 1500m2
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Marie-Christine Artru : Me 26/01/11 - La lumiere solaire, source d'energie

  • 1. La lumière solaire, source d’ énergie 26 janvier 2011 Marie-Christine Artru - Chauffage par rayonnement, par convection ou par conduction - Le soleil et son rayonnement : spectre, intensité, variations - Production d’énergie au centre du soleil : la fusion nucléaire - Transmission par l’atmosphère et « effet de serre » - Capteurs de l’énergie solaire - Enjeux écologiques et économiques Université Populaire de Lyon Thème « Illusions Réalités Création »
  • 2. Transport d’énergie CONDUCTION plutôt « transfert » de « chaleur » : dans la tige métallique CONVECTION dans l’air sur le feu RADIATION par le rayonnement, lumière, infra-rouge, même dans le vide
  • 3. Observations du soleil figure de JM Malherbe http://obspm.fr/lesia/
  • 4. Surface du soleil granularité taches , chromosphère vitesse (décalages doppler) froid/chaud (filtre helium)
  • 5. Activité du soleil image UV du satellite SOHO éclipse totale de 2003 (λ=30,4 nm) taches, protubérance film1 film2 http://stereo.gsfc.nasa.gov/ http://bass2000.obspm.fr/
  • 6. Cycles de onze ans Variations de la puissance totale du rayonnement solaire et du nombre de taches sur la surface Observatoire de Paris-Meudon http://solaire.obspm.fr/
  • 8. Structure du soleil figure de JM Malherbe http://obspm.fr/lesia/
  • 9. Transfert de l’énergie dans le soleil Transfert surface le long d’un rayon T= 5800 K de 696 000 km RADIATION centre T= 1 500 000 K CONVECTION PRODUCTION RADIATION énergie des réactions nucléaires
  • 10. Réactions nucléaires FUSION proton-proton : schéma très simplifié noyaux d’hydrogène deuterium e+ ν n rayonnement γ ~ 7 MeV par proton ( 10-12 J) n n n n hélium 3 hélium 4
  • 11. Evolution du soleil masse du soleil : 2 1030 kg (environ 1057 protons ) puissance totale rayonnée : 3,8 1026 watts ==> réserve d’énergie pour plus de 10 milliards d’année figure de JM Malherbe http://obspm.fr/lesia/
  • 12. Puissance spectrale du Puissance spectrale rayonnement solaire (W/m2 par nm) visible juste au dessus de l’atmosphère terrestre total 1367 watt/m2 « constante solaire » rayonnement thermique 5300K au sol, soleil au zénith maximum 1100 watt/m2 longueur d’onde en nm longueur d’onde (nm)
  • 13. Spectre standard 100 W/m2 puissance totale au sol : 847 W/m2 conditions : soleil à 42° au dessus de l’horizon, ciel clair courbe : http://www.lei.ucl.ac.be/~matagne/SOLAIRE/
  • 14. Moyenne sur l’année 1368 watt/m2 342 watt /m2 moyenne sur le globe 170 watt /m2 H2O CO2 au sol
  • 15. valeurs approximatives en W/m2 , moyennes sur une année et sur le globe terrestre Bilan atmosphère émission IR de l’atmosphère 170 70 100 320 340 100 CONVECTION 390 70 IR émis par le sol 170 W/m2 figure adaptée de R. Ducroux et P Jean-Baptiste, CNRS Editions
  • 16. émissions de CO2 transports production d’énergie habitat tertiaire industrie http://www.clubco2.net/
  • 17. Énergies renouvelables L’énergie solaire est la source de la plupart des énergies renouvelables Dunkerque Tignes Grenoble Chambéry photos EDF et ADEME
  • 18. Capteurs solaires principe : capteur photovoltaïque ou échangeur thermique diode n p
  • 20. Electricité en France la part du solaire augmente, mais reste marginale Mdiath queFermer