Exercice 2 - Cellule photovoltaïque · Bac STI2D Physique-Chimie et Mathématiques Métropole 2021

Thème : Énergie transportée par la lumière : photon et conversions solaires · Tiré du sujet Métropole France (2021)

Énoncé

EXERCICE 2 commun à tous les candidats (6 points)

(physique-chimie)

L’étude porte sur une voiture solaire miniature que l’on peut trouver dans le commerce.

Photographies de la voiture

Photographie de la voiture solaire: une cellule photovoltaïque directement branchée sur un moteur à courant continu.

Photographie de la face avant de la cellule (dimensions: 60 mm×25 mm60\text{ mm} \times 25\text{ mm}).

Photographie de la face arrière de la cellule. Aucune donnée technique n’est précisée, hormis deux indications au verso de la cellule photovoltaïque.

On note UcellU_{cell} la tension aux bornes de la cellule et IcellI_{cell} l'intensité du courant fourni par la cellule.

1.

Compléter en indiquant les fonctions (voltmètre V ou ampèremètre A) des multimètres 1 et 2.

2.

Indiquer le rôle de la résistance de valeur réglable dans le montage expérimental.

3.

Compléter le diagramme énergétique.

4.

On appelle tension à vide la tension aux bornes de la cellule lorsque le circuit est ouvert. On appelle intensité de court-circuit, l'intensité du courant débitée par la cellule lorsqu'on court-circuite ses bornes. En utilisant la caractéristique tension-courant, déterminer la valeur de la tension à vide UCOU_{CO} et la valeur de l'intensité de court-circuit ICCI_{CC}.

5.

On s'intéresse également à la puissance électrique PELECP_{ELEC} délivrée par la cellule.

Donner, en précisant les unités, l'expression liant la puissance électrique PELECP_{ELEC} délivrée par la cellule, la tension UcellU_{cell} aux bornes de celle-ci et l'intensité IcellI_{cell} du courant qu'elle génère.

6.

Déterminer la valeur de la puissance maximale (appelée puissance crête) PCP_C délivrée par la cellule et la valeur de la tension UCU_C correspondant à la puissance crête.

7.

Déduire des questions précédentes la valeur de ICI_C, intensité à la puissance crête.

8.

Comparer les valeurs de UCU_C et ICI_C avec les valeurs indiquées à l'arrière de cellule photovoltaïque. Commenter la cohérence de ces valeurs.

9.

Montrer que, lorsque la cellule fonctionne au point de puissance maximale, son rendement est de l'ordre de 17 %.

Énoncé: Exercice 2 - Cellule photovoltaïque · Bac STI2D Physique-Chimie et Mathématiques Métropole 2021

Corrigé

Corrigé établi d’après les éléments de correction officiels

Compléter en indiquant les fonctions des multimètres 1 et 2 (multimètre 1).

Réponse : Voltmètre

Compléter en indiquant les fonctions des multimètres 1 et 2 (multimètre 2).

Réponse : Ampèremètre

Indiquer le rôle de la résistance de valeur réglable dans le montage expérimental.

Réponse : La résistance réglable permet de faire varier l'intensité du courant débité par la cellule.

Compléter le diagramme énergétique (énergie reçue).

Réponse : Énergie solaire

Compléter le diagramme énergétique (énergie utile en sortie).

Réponse : Énergie électrique

Compléter le diagramme énergétique (énergie dissipée).

Réponse : Énergie thermique

Déterminer la valeur de la tension à vide UCOU_{CO}.

Réponse : UCO=3,5U_{CO} = 3{,}5 V

Déterminer la valeur de l'intensité de court-circuit ICCI_{CC}.

Réponse : ICC=78I_{CC} = 78 mA

Indiquer si ces valeurs correspondent à celles indiquées sur la face arrière de la cellule.

Réponse : Ces valeurs diffèrent des indications sur la cellule (U = 3,0 V ; I = 70 mA).

Donner l'expression liant la puissance électrique PELECP_{ELEC}, la tension UcellU_{cell} et l'intensité IcellI_{cell}.

Réponse : PELEC=Ucell×IcellP_{ELEC} = U_{cell} \times I_{cell} avec UU en V, II en A et PELECP_{ELEC} en W

Déterminer la valeur de la puissance maximale (puissance crête) PCP_C.

Réponse : PC=0,20P_C = 0{,}20 W

Déterminer la valeur de la tension UCU_C correspondant à la puissance crête.

Réponse : UC=2,8U_C = 2{,}8 V

Déduire des questions précédentes la valeur de ICI_C, intensité à la puissance crête.

Réponse : IC=PCUC≈7,1⋅10−2I_C = \dfrac{P_C}{U_C} \approx 7{,}1\cdot 10^{-2} A

Comparer les valeurs de UCU_C et ICI_C avec les valeurs indiquées à l'arrière de la cellule et commenter la cohérence.

Réponse : L'ordre de grandeur de ICI_C et de UCU_C correspond aux valeurs d'intensité et de tension indiquées sur la cellule (U = 3,0 V ; I = 70 mA).

Montrer que, lorsque la cellule fonctionne au point de puissance maximale, son rendement est de l'ordre de 17 %.

Réponse : Puissance reçue par la cellule : 800×60⋅10−3×25⋅10−3=1,2800\times 60\cdot 10^{-3} \times 25\cdot 10^{-3} = 1{,}2 W PC=0,20P_C = 0{,}20 W Rendement : 0,201,2=0,17=17%\dfrac{0{,}20}{1{,}2} = 0{,}17 = 17\%

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