ENERGIE SOLAIRE

-énergie solaire

DONNEES BASIQUES SERVANT AUX CALCULS ULTERIEURS

-surface du soleil (6,1.1018 m²)--surface de la Terre (5,3.1014 m²)-

-coefficient de déperdition (ou abattement global) entre soleil et Terre (7,6.10-9) >>> il est constitué de 3 éléments additifs >>

***10-2 , pour tenir compte que le soleil n'est pas un corps noir parfait

***puis environ (10-5 du reste) tenant compte du pourcentage de l'angle solide de (liaison-vision) entre les 2 astres ( # 6,7.10-5 sr, comparé à l'angle solide 2 pi sr, d'émission totale initiale soit 6,7.10-5 / 2 pi donc ~ 10-5)

***puis enfin (7,6.10-2 du reste), pour tenir compte des déperditions du voyage jusqu'à la Terre (poussières, effets de bords, molécules de haute atmosphère, etc)

-durée d'une année (= 3,15.107 s)

-pourquoi certaines valeurs sont données à 50 kilomètres d'altitude au-dessus du sol terrestre ?

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 dans un secteur encore dégagé des molécules atmosphériques risquant d'entraîner des pertes par frottements

 

DEFINITION des ENERGIES CONCERNANT le SOLEIL

1.énergie totale émise par le soleil = 1,2.1034  Joules / an

La partie lumineuse (les 7 couleurs du spectre) est dite "quantité de lumière"

et c'est 36% du total, soit = 4,3.1033  Joules / an (soit # 2,7.1036  lm-s)

2.énergie émise par la partie faisant face à la Terre 

c'est la moitié de ci-dessus, donc 6.1033  J / an (dont 2,2.1033  J / an pour la lumière)

3.énergie reçue (en 1 année) à 50 km de la Terre 

c'est (6.1033 J)x(7,6.10-9 de déperdition en chemin) = 4,56.1025 J/an

Dont 36% pour la lumière soit 1,64.1025 J/an (équivalant à 1028 lm-s)

4.énergie reçue (en 1 année) sur le sol terrestre

c'est (4,56.1025 J ) x (0,123 de déperdition dans le transfert à travers l'atmosphère) = (5,6.1024 J/an

La Terre absorbe 44% de l'énergie qu'elle reçoit et renvoie le reste (56%) dans l'espace

5.énergie reçue (en 1 année) sur le sol terrestre, pendant seulement le jour

c'est la moitié de ci-dessus, soit 2,8.1024 J/an

La partie de cette énergie concernant la lumière (et dénommée éclairage) représente 36% soit 1024 J/an

 

DEFINITION des ENERGIES SURFACIQUES CONCERNANT le SOLEIL

6.énergie surfacique totale émise par le soleil / an

c'est l'énergie totale émise ramenée à la surface du soleil >>

(1,2.1034  Joules) / (6,1.1018 m² ) # 2.1015J/m² solaire

7.énergie surfacique reçue (en 1 année) à 50 km de la Terre

Elle se calcule (pour 1 an)

-soit par l'expression Eq = p*.S.bt.t.cosθ

avec Eq(J)= énergie reçue par une surface S(m²) terrestre

p*(W/m²)= puissance surfacique reçue

bt(nombre)= coefficient d’absorptivité

t(s)= temps de réception

θ(rad)= angle plan entre le rayonnement et la normale à la surface de réception

-soit à travers les diverses atténuations affectant l'énergie émise du soleil jusqu'à son arrivée hors atmosphère terrestre

le résultat de l'un ou l'autre calcul donne 8,9.1010 J/an/m²

Pour la partie lumière (qui est dite illumination) elle vaut 36% du total, soit # 3.1010 J/m² reçus en très haute altitude par an. Et compte tenu de l'habituelle expression en unités psychophysiques, cela correspond à 2.1013 lux-seconde par an/m²

8.énergie surfacique reçue (en 1 année) au sol, sur Terre

Elle se calcule en appliquant le coeff de déperdition pour passage dans l'atmosphère,

soit >> 8,9.1010x 0,123 = 1,09.1010J/m²/an

et de jour, cela représente la moitié soit # 5,5.109 J/m²/an

 

DEFINITION des PUISSANCES CONCERNANT le SOLEIL

9.puissance globale 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)

Elle 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 (6.1018 m² >>> cela donne # 3,8.1026 Watts

dont la moitié (# 1,9.1026) est émise face à la Terre

La part totale impliquée pour la lumière (dite luminosité) représente 36% soit 1,36.1026 W

10.puissance reçue à 50 km de la Terre

c'est (4,56.1025 J / 1 an ou 3,15.107 s) # 1,44.1018 Watts

(on peut aussi la calculer par 1,9.1026 (la puissance émise en direction de la Terre) x 7,6.10-9 (le coeff de déperdition)

La valeur de cette déperdition ou abattement global (de 7,6.10-9) étant explicitée en tête de chapitre

11.puissance moyenne reçue sur sol terrestre

c'est l'énergie (5,6.1024 J ) divisée par le temps (1 an ou 3,15.107 secondes) = 1,8.1017 W

dont 36% sous forme de lumière; soit # 6,5.1016 Watts

Seule la moitié (reçue de jour) est utile, soit 9.1016 W (dont 3.1016 en lumière)

et pour la France métropolitaine # 1/1.000 de ces valeurs

12.puissance surfacique globale émise par le soleil en toutes directions (elle est dite irradiance)

C'est le quotient de sa puissance par sa surface (soit # 3,75.1026 W / 6.1018m²) # 6,3.107 W/m² sur sa surface, dont la moitié dirigée vers la Terre

 

DEFINITION des PUISSANCES SURFACIQUES METTANT en CAUSE le SOLEIL

13.puissance surfacique reçue à 50 km du sol terrestre

c'est la puissance (1,44.1018 W ) / la surface de la sphère à 50 km d'altitude (# 5,3,1014 m²) = 2722 W/m²

dont la moitié de jour (utile) soit 1361 W/m² (cette valeur est la constante solaire

Pour la partie lumineuse (36%) c'est = 490 W/m²

14.puissance surfacique utile au sol terrestre

c'est 1361 W/m² (utiles à 50 km) x le coeff de déperdition de franchissement de l'atmosphère (0,123)

soit = 168 W/m² c'est l'éclairement ou puissance surfacique lumineuse reçue

(rappelons que la déperdition atmosphérique provient de 4% liés à la différence de diamètres entre la surface de la stratosphère (à 50 km) et la surface au sol , puis 40% du reste, dus aux nuages, puis 51 % du reste dus aux diffusions et angles de directivité des photons (orientations non perpendiculaires au sol), puis 56% du reste pour la réflexion (renvoi dans l'espace) puis encore 1% pour les poussières >>> il reste seulement une valeur moyenne de 168 W/m² reçus au sol

Ces 168 W/m² proviennent de 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) pour environ 61 W/m² (soit 36 % des 168)

Et si l'on exprime cette partie lumineuse en unités psychophysiques, on a :

61 W/m² 600 = 36.000 lux en moyenne (600 est le nombre de lux donnés par une lumière solaire de 1 W/m², soit un peu inférieur au rendement maxi de 683 d'un coloris jaune-vert qui est le rendement idéal maximorum)

Cet éclairement (flux surfacique reçu de 36.000 lux) n'est qu'une moyenne, car il peut atteindre 100.000 lux par grand ensoleillement, mais par temps fort couvert, il peut se limiter à 4.000 lux

 

DEFINITION des PUISSANCES SPATIALES METTANT en CAUSE le SOLEIL

15.puissance surfacique spatiale émise c'est la puissance totale émise (dite luminosité bolométrique et valant 3,8.1026 W ) ramenée à 1 m² de surface solaire

(donc = 6,1.107 W/m²) et ramenée à l'angle solide d'émission (4 pi sr) = 4,9.106 W/m²-sr

La partie émise sous forme de lumière (36% soit 1,76.106 W/m²-sr) est dénommée l'éclat du soleil

16.puissance spatiale reçue au sol de la Terre (P'r dite intensité reçue)

C'est P'= la puissance reçue ramenée à la totalité d'angle solide (12,56 sr) soit : 1,44.1016 W/sr.

La part concernant la lumière (dite intensité lumineuse) est de 36% ( # 5.1015 W/sr) ou 3.1018 lx-m²/sr

17.puissance surfacique spatiale reçue sur la Terre, depuis le soleil

on la nomme réceptivité et c'est la (puissance utile reçue au sol = 9.1016 W vue ci-dessus) / surface terrestre (5,3.1014 m²) et / l'angle solide total (12,56 sr)

soit D# 13 W/m²-sr

La part concernant la lumière (dite illuminance ou luminosité apparente ou éclat reçu) est de 36% (# 5 W/m²-sr soit 3000 nits)

18.ensoleillement: c'est une durée de présence du soleil (donc il joue sur 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)

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