Système Solaire pour un Bâtiment

Système Solaire pour un Bâtiment

Comprendre la conception d’un système Solaire pour un Bâtiment

Vous êtes chargé de concevoir un système de panneaux solaires pour une maison résidentielle. La maison est située à Marseille, en France.

Elle a une consommation énergétique moyenne de 4 000 kWh par an.

Données :

  1. Ensoleillement moyen à Marseille : 2 600 heures par an.
  2. Rendement moyen des panneaux solaires : 15%.
  3. Surface disponible sur le toit : 30 m².
  4. Puissance moyenne reçue par le soleil au sol : 1 kW/m².

Questions :

  1. Calcul de la production énergétique annuelle :
    • Calculez la production énergétique théorique annuelle des panneaux solaires installés sur le toit.
  2. Dimensionnement des panneaux :
    • Déterminez la quantité de panneaux nécessaires pour couvrir 100% des besoins énergétiques de la maison.
    • Calculez la puissance nécessaire pour chaque panneau en utilisant les données fournies et les besoins énergétiques de la maison.
  3. Évaluation des surplus ou déficits :
    • Si la production est supérieure à la consommation, calculez le surplus d’énergie produit annuellement.
    • Si la production est inférieure à la consommation, déterminez le déficit et proposez des solutions pour le combler (par exemple, ajout de panneaux, réduction de la consommation, etc.).
  4. Impact environnemental :
    • Estimez la réduction des émissions de CO2 grâce à l’utilisation des panneaux solaires par rapport à une source d’énergie conventionnelle (par exemple, le charbon).
    • Utilisez un facteur de conversion standard pour les émissions de CO2 par kWh produit.

    Correction : système Solaire pour un Bâtiment

    1. Calcul de la production énergétique annuelle

    La formule pour calculer la production énergétique annuelle est :

    Énergie

    \(= \text{S} \times \text{P solaire} \times \text{H d’ensoleillement} \times \text{Rendement}\)

    En insérant les valeurs données :

    • Surface : \(30 \, \text{m}^2\)
    • Puissance solaire moyenne : \(1 \, \text{kW/m}^2\)
    • Heures d’ensoleillement par an : \(2\,600 \, \text{heures}\)
    • Rendement des panneaux : \(15\%\) (ou \(0.15\) en format décimal)

    \[\text{Énergie} = 30 \, \text{m}^2 \times 1 \, \text{kW/m}^2 \times 2\,600 \, \text{heures} \times 0.15\] \[\text{Énergie}  = 11\,700 \, \text{kWh}
    \]

    2. Dimensionnement des panneaux

    Détermination du nombre de panneaux solaires nécessaires

    Pour couvrir 100% des besoins énergétiques de la maison (4000 kWh/an), nous calculons d’abord la production énergétique annuelle d’un mètre carré de panneau, puis utilisons cette information pour estimer la surface totale de panneaux nécessaire.

    Calcul de la production énergétique annuelle par mètre carré de panneau

    La production par mètre carré est donnée par la formule :

    Production par m²

    \[= \text{P solaire} \times \text{H d’ensoleillement} \times \text{Rendement}\]

    En utilisant les données suivantes :

    • Puissance solaire moyenne : 1 kW/m\(^2\)
    • Heures d’ensoleillement par an : 2600 heures
    • Rendement des panneaux : 15% (ou 0.15 en format décimal)

    Nous obtenons :

    \[\text{Production par } m^2 = 1\, \text{kW/m}^2 \times 2\,600\, \text{heures} \times 0.15\] \[\text{Production par } m^2 = 390\, \text{kWh/m}^2 \text{/an}\]

    Détermination de la surface nécessaire de panneaux solaires

    Pour couvrir les besoins énergétiques de la maison (4000 kWh/an), nous divisons ces besoins par la production par mètre carré :

    • Surface nécessaire

    \[ = \frac{\text{Besoins énergétiques}}{\text{Production par } m^2} \]

    Ce qui donne :
    \[ = \frac{4\,000\, \text{kWh}}{390\, \text{kWh/m}^2} \] \[ \text{Surface nécessaire} \approx 10.26\, m^2 \]

    Calcul du nombre de panneaux nécessaires

    Supposons que chaque panneau solaire a une surface standard de 1.6 m$^2$ (taille courante pour les panneaux résidentiels). Alors, le nombre de panneaux requis serait:

    \[\text{Nombre de panneaux} = \frac{\text{Surface nécessaire}}{\text{Surface d’un panneau}}\]

    Ce qui donne :

    \[ = \frac{10.26\, m^2}{1.6\, m^2/\text{panneau}} \] \[ \text{Nombre de panneaux} \approx 6.41 \]

    Comme on ne peut pas installer une fraction d’un panneau, il faudrait arrondir ce nombre au nombre entier le plus proche, soit 6 panneaux pour un léger déficit, ou 7 panneaux pour garantir un surplus d’énergie.

    Ainsi, pour couvrir 100% des besoins énergétiques de la maison, vous auriez besoin d’environ 6 à 7 panneaux solaires de taille standard.

    Calculs de la Puissance des Panneaux Solaires

    Détermination de la Puissance Totale Nécessaire

    Les besoins énergétiques annuels de la maison sont de 4 000 kWh. Pour convertir cela en une puissance nécessaire, nous devons d’abord déterminer combien de kWh par heure cela représente, en tenant compte du nombre d’heures d’ensoleillement par an.

    Calcul de la Puissance par Heure

    Le nombre total d’heures d’ensoleillement par an est de 2 600 heures. Donc, la puissance nécessaire par heure pour couvrir les besoins annuels est :

    • Puissance nécessaire par heure

    \[ = \frac{\text{Besoins annuels}}{\text{Heures d’ensoleillement par an}} \] \[ = \frac{4000 \, \text{kWh}}{2600 \, \text{heures}} \] \[\text{P nécessaire/heure} \approx 1.54 \, \text{kW}\]

    Calcul de la Puissance Nécessaire pour Chaque Panneau

    Si on suppose que la production d’énergie est répartie uniformément sur les heures d’ensoleillement, chaque panneau doit générer une partie de cette puissance.

    Supposons que vous décidiez d’installer 7 panneaux (comme calculé précédemment pour garantir un surplus d’énergie). La puissance nécessaire pour chaque panneau serait alors :

    • Puissance par panneau

    \[ = \frac{\text{Puissance nécessaire par heure}}{\text{Nombre de panneaux}} \] \[ = \frac{1.54 \, \text{kW}}{7} \] \[\text{P par panneau} \approx 0.22 \, \text{kW} \, \text{ou} \, 220 \, \text{W}\]

    Ainsi, chaque panneau solaire devrait avoir une puissance d’environ 220 watts pour répondre aux besoins énergétiques annuels de la maison, en supposant que 7 panneaux sont installés.

    3. Évaluation des surplus ou déficits

    Dans ce cas, il y a un surplus d’énergie puisque la production (11700 kWh) dépasse la consommation (4000 kWh).

    \[\text{Surplus} = \text{Production} – \text{Consommation}\] \[ = 11\,700 \, \text{kWh} – 4\,000 \, \text{kWh} \] \[\text{Surplus} = 7\,700 \, \text{kWh}\]

    4. Impact environnemental

    Si on considère qu’un kWh d’électricité produit par les énergies fossiles émet environ 0.85 kg de CO2, la réduction des émissions de CO2 grâce à l’installation solaire serait :

    • \(\text{Réduction CO}_2 = \text{Consommation} \times \text{Facteur CO}_2\)

    \[ = 4\,000 \, \text{kWh} \times 0.85 \, \text{kg CO}_2/\text{kWh} \] \[\text{Réduction CO}_2 = 3\,400 \, \text{kg CO}_2 \]

    Cela représente une réduction significative des émissions de gaz à effet de serre.

    Note : Ces calculs sont théoriques et ne prennent pas en compte d’autres facteurs tels que l’orientation et l’inclinaison des panneaux, les pertes éventuelles dans le système ou les variations saisonnières de l’ensoleillement.

    Système Solaire pour un Bâtiment

    D’autres exercices d’énergie rénouvelable : 

    Chers passionnés de génie civil,

    Nous nous efforçons constamment d’améliorer la qualité et l’exactitude de nos exercices sur notre site. Si vous remarquez une erreur mathématique, ou si vous avez des retours à partager, n’hésitez pas à nous en informer. Votre aide est précieuse pour perfectionner nos ressources. Merci de contribuer à notre communauté !

    Cordialement, EGC – Génie Civil

    1 Commentaire

    1. KOUTCHIKO

      C’est superbe

      Réponse

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