FORMULES de PHYSIQUE
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ENERGIE SOLAIRE
-énergie solaire
-Données basiques servant aux calculs ultérieurs
-surface du soleil (6,1.1018 m²)--surface de la Terre (5,3.1014 m²)-
-durée d'une année (3,15.107 s)
-Pourquoi certaines valeurs sont-elles données à 50 kilomètres d'altitude (dite altitude de la constante solaire) ?
parce qu'on estime que dans la zone stratosphérique située à cette distance, on est à la fois :
--forfaitairement et exactement à 150 millions de km du soleil
--et qu’en outre, on est là dans une zone dégagée des pertes énergétiques ultérieures créées par les molécules atmosphériques
A cette distance, on doit appliquer aux énergies (ou aux puissances),un ”abattement global” d’atténuation (= 3,7.10-9) qui tient compte des déperditions entre le soleil et la sphère sise à 50 km du sol terrestre
Sont inclus dans ce coefficient 4 éléments cumulatifs >>
***2.10-5, pour tenir compte de la différence des distances (d’après Newton, c’est le rapport des carrés des distances, l’une étant celle de la surface du soleil, l’autre étant celle située à 150 millions de kms du centre solaire)
***ensuite, encore 0,5.10-5 pour tenir compte du pourcentage entre les angles solides de (liaison-vision) entre les 2 astres ( pour l’un, c’est # 6,7.10-5 sr, à comparer à l’autre angle solide de 4 pi sr (d’émission totale initiale), donc 6,7.10-5 / 12,56 = ~ 0,5.10-5)
***puis environ (1% du reste), pour tenir compte que le soleil n'est pas un corps noir parfait
***et enfin (1,25% du reste), pour tenir compte des déperditions du voyage jusqu'à la stratosphère terrestre (dues aux poussières, effets de bords, molécules dans la mésosphère, etc)
Nota : il restera encore, pour la traversée ultérieure de l’énergie jusqu’au sol, (50 kms plus bas), à appliquer un coefficient d’abattement de (0,123) qui tient compte de l’absorption énergétique par les molécules atmosphériques.
1.QUESTIONS d’ENERGIES
1.1.d’où provient l’énergie du soleil ?
l’énergie globale du soleil est produite par la contraction gravitationnelle :
E = (600).m².G / W.lrs où m (2.1030 kg) est la masse solaire, G(8,4.10-10 unités S.I.+ estla constante de gravitation, W l’angle solide (4 p), lrs(7.108 m) est le rayon solaire et 600 est un facteur correspondant à l’irrégularité distributive des masses sur le rayon solaire au cours de sa vie
La valeur numérique résultante est de ~ 2,3.1044 Joules
On peut aussi dire que le soleil aura émis une puissance supposée constante (telle celle de cet instant, qui est de 3,8.1026 Watts), pendant une durée de vie totale de 20 milliards d’années, ce qui représentera bien une énergie totale de ~ 2,3.1044Joules
1.2.énergie émise par le soleil (en 1 année)
Ce n’est que 1,2.1034 Joules (/an)
Et la partie utile, correspondant à la partie du soleil faisant face à la Terre, n’en représente que la moitié (6.1033 Joules (/an)
1.3.énergie reçue (en 1 année) à 50 km de la Terre
c’est l’énergie utile émise par le soleil (6.1033 Joules/an), minorée du coefficient (= 3,7.10-9) tenant compte de la transmission de l’énergie jusqu’à la sphère sise à 50 km de notre sol
Il reste alors 2,2.1025 Joules par an
1.4.énergie reçue (en 1 année) sur le sol terrestre
c'est l’énergie reçue à 50 km (2,2.1025 Joules par an) x (0,123 de déperdition dans le transfert à travers l'atmosphère = 2,7.1024 J/an
La Terre absorbe 44% de l'énergie qu'elle reçoit et renvoie le reste (56%) dans l'espace
2.QUESTIONS de PUISSANCES
2.1.puissance émise par le soleil en toutes directions (dite RAYONNEMENT ou luminosité bolométrique intrinsèque (bolométrique signifiant totalité de toutes les longueurs d'ondes émises et intrinsèque rappellant que c'est une qualité propre à l'astre, mais pas à sa distance)
C’est l’énergie émise (1,2.1034J) ramenée à une année (3,15.107s) donc ~ 3,8.1026 Watts, sachant qu’il n’en est émis que la moitié face à la Terre, donc on ne garde qu’une puissance utile de 50%, soit 1,9.1026 W
Rappelons que la puissance brute est donnée par la formule théorique
P = S.Kr.(T)4 où Kr est la constante de Stefan-Boltzmann (5,67.10-8), T la température en surface du soleil (5.780 K) et S(m²) la surface du soleil (6,1.1018 m² >>> cela donne # 3,8.1026 Watts
dont la moitié (# 1,9.1026) est émise face à la Terre
2.2.puissance reçue à 50 km d'altitude
c'est la puissance émise par le soleil, minorée du coefficient de déperdition dû à la distance, soit :(1,9.1026 W)x(3,7.10-9) # 7.1017 Watts
2.3.puissance moyenne utile reçue sur le sol terrestre
c’est la puissance reçue à 50 km (7.1017W) abattue du coefficient de transfert dans l’atmosphère (0,123) et encore réduite de moitié (pour tenir compte de la nuit) donc c’est ~4,3.1016 W
La partie correspondant à la seule lumière visible est de 36% soit
1,5.1016 W (ou environ 9.1018 lux-m²)
La France métropolitaine bénéficie d’environ 1/1.000° de ces valeurs
3.QUESTIONS de PUISSANCES SURFACIQUES
3.1.puissance surfacique globale émise par le soleil en toutes directions (elle est dite irradiance)
C'est le quotient de sa puissance émise par sa surface (soit # 3,8.1026 W / 6,1.1018m²) # 6,2.107W/m² sur sa surface
3.2.puissance surfacique reçue à 50 km du sol terrestre
c'est la puissance qu’on y reçoit (7.1017 W) / la surface de la sphère à 50 km d'altitude (# 5,2.1014 m²) = 1361 W/m² (moyenne retenue par la communauté scientifique)
Cette valeur est la constante solaire
3.3.puissance surfacique reçue sur le sol terrestre
c'est la puissance surfacique reçue à 50 km (1361 W/m²) abattue du coefficient de transfert dans l'atmosphère (0,123) donc c’est 168 W/m²
Ces 168 W/m² se répartissent en 3 origines
--les ultraviolets pour 30 W/m² (donc 18 % des 168)
--les infrarouges pour environ 77 W/m² (soit 46 % des 168)
--la lumière visible (couleurs du spectre) = 61 W/m², c'est à dire 36 %
4.AUTRES QUESTIONS ENERGETIQUES
4.1.puissance spatiale reçue au sol par la Terre (P' dite intensité reçue)
c’est la puissance reçue (4,3.1016 W) ramenée à l’angle solide de transmission (4 pi, soit 12,56 sr) soit donc = 3,4.1015 W/sr.
Dont # 1,2.1015 W/sr pour la lumière (soit 7.1017 lx-m²/sr)
4.2.puissance surfacique spatiale reçue sur la Terre, depuis le soleil
on la nomme réceptivité.
C’est la puissance reçue (4,3.1016 W) ramenée à l’angle solide de transmission (4 pi, soit 12,56 sr) et ramenée aussi à la surface, c’est donc
67 W/m²-sr
La part concernant la lumière seule (dite illuminance ou luminosité apparente ou éclat reçu) est # 24 W/m²-sr soit 1400 nits
4.3.durée d’ensoleillement: c'est une durée de présence du soleil (donc correspond à un coefficient faisant varier la quantité d'énergie apportée)
revoir chapitre spécial
UTILISATIONS de l'ENERGIE SOLAIRE
-énergie recueillie par panneaux photovoltaîques (dits P.V. en abrégé)
Voir chapitre spécial
-énergie recueillie par capteurs thermiques (dits aussi panneaux solaires thermiques)
L'énergie est ici produite par la récupération des rayons thermiques solaires (donc surtout infra-rouges) grâce à des appareils dits capteurs (ou hélio-capteurs, ou panneaux solaires) dans lesquels circule un fluide caloporteur (souvent eau ou air)
Le rendement est # 5 fois supérieur à celui des panneaux photovoltaïques et la production énergétique est de l'ordre de :
-400 kwh/m² dans des zones moyennement ensoleillées (nord de la France)
-800 kwh/m² dans les zones très ensoleillées (S.E. de la France)