Les douches solaires permettent de transformer l'énergie lumineuse fournie par le Soleil en énergie thermique qui sera stockée dans l'eau. On se propose d'étudier ce transformateur et de l'améliorer si c'est possible (ou déterminer les meilleures conditions d'utilisation).
Document
Irradiance
L’éclairement énergétique ou irradiance est un terme radiométrique qui quantifie la puissance d'un rayonnement électromagnétique frappant par unité de surface perpendiculaire à sa direction. C'est la densité surfacique du flux énergétique arrivant au point considéré de la surface. Dans le Système international d'unités, elle s’exprime en watts par mètre carré (W/m²). Il se mesure avec un solarimètre.
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Expérimentation
Protocole
Proposer un protocole permettant de déterminer le rendement de chaque bouteille (simulant une douche solaire) à partir du matériel fourni. Une fois le protocole validé et mis en place répondre aux question pendant la durée de l'expérimentation (30 minutes).
Matériel à disposition :
- Bouteille peinte en noir
- Bouteille transparente
- Lampe halogène (qui modélise le Soleil)
- Solarimètre
On éclaire les deux bouteilles placées à environ 1m de la lampe. On mesure dans cette situation l'irradiance au niveau des bouteilles. On obtient les valeurs suivantes :
- Irradiance : I = 732 W/m²
- Diamètre des bouteilles : 8,0 cm
- Hauteur moyenne des bouteilles : 25 cm
- Masse d'eau : 1,5 kg
- Température initiale de l'eau : 19,2 °C
Remarque : contrairement à ce qui est sur la photo, il faudrait que les bouteilles soient pleines. Si c'est le cas la hauteur des bouteilles sera la hauteur prise au milieu du col de rétrécissement.
Etude théorique
Questions :
- Réaliser le diagramme énergétique de la douche solaire.
- Faire une hypothèse quant à la bouteille ayant le meilleur rendement.
- Expliquer votre calcul de la surface éclairée.
- Donner l'expression de l'énergie reçue par une bouteille.
- Donner l'expression de l'énergie stockée par l'eau d'une bouteille.
- En déduire l'expression du rendement d'une bouteille
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Mesures et exploitation
Questions :
- A partir des mesures réalisée calculer le rendement de chaque bouteille et commenter.
- Proposer des axes d'amélioration de ce système (conditions d'utilisation etc.).
- A partir des documents justifier physiquement que les douches solaires soient noires
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Bilan
On suppose que la lampe a une résistance constante égale à 33 Ω.
- Tracer sur la caractéristique précédente celle de la lampe.
- En déduire quelle sera l'intensité dans la lampe.
- A l'aide des équations U=f(I) de la pile et de la lampe retrouver la valeur précédente.
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