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mesure de l'énergie solaire

mis à jour le 13/06/2008


soleil

un dispositif simple permet de mesurer l'énergie reçue au sol à partir de l'élévation de température d'un cylindre de laiton, les résultats de la mesure sont ensuite intégrés dans un formulaire de calcul permettant d'évaluer directement l'absorption atmosphérique, l'épaisseur d'atmosphère traversée et l'énergie captée au sol pour différentes situations (heures, dates...) et pour n'importe quel lieu.

mots clés : énergie solaire, absorption atmosphérique, flux solaire, soleil, insolation, tice, simulation


raysol

Evaluer la valeur du rayonnement solaire : l'insolation

Ces quelques pages proposent, à partir de la mesure de l'absorption atmosphèrique à l'aide d'un montage simple, comment différentes simulations rendues possibles par l'utilisation de javascripts interactives (en fonction de la date, des coordonnées, de l'heure)permettent :

      • D'évoquer la variation de l'énergie solaire en fonction de la distance au soleil.
      • D'expliquer la variation de flux énergétique en fonction de la date et de l'heure.(influence de la rotation de la Terre autour d'un axe incliné par rapport au plan de révolution autour du soleil).
      • De préciser la répartition en latitude des climats (Influence de la sphéricité de la terre).
      • De proposer, en autonomie, la réalisation de courbes de rayonnement

       

  • Le dispositif de mesure
  • Calcul de l'absorption atmosphérique
  • Simuler le flux énergétique reçu par la surface terrestre (formulaire interactif avec son aide d'utilisation permettant l'évaluation du flux solaire quelquesoit la date, l'heure et le lieu)

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©JP Leclerc 2000 mise à jour 2008

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le dispositif de mesure

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Une mesure calorimétrique permet de déterminer l'énergie reçue par un cylindre de laiton exposé au soleil, une série de calculs va permettre d'en déduire la puissance reçue au sol par m2

  • Le dispositif :
  • Le protocole :

1 - Placer le bouchon d'isolant ( ce qui a pour but d'empêcher le rayonnement solaire d'atteindre le cylindre de métal).

2 - Introduire le thermomètre dans le cylindre

3 - Attendre environ 10 minutes pour que la température se stabilise, on note T°1 (température initiale)

4 -Après avoir orienté convenablement le dispositif en s'aidant du dispositif de visée ( ne jamais regarder directement le soleil), noter l'angle a ( la mesure de l'angle a est inutile si les calculs s'effectuent à l'aide d u menu "Calculer l'absorption atmosphérique d'après une mesure")

5 - Remplacer le bouchon isolant par le bouchon de verre ,le cylindre de laiton reçoit alors les rayons lumineux et sa température s'élève.

6 - Relever la température toutes les 5 minutes pendant 15 à 20 minutes.

Remarque:

En remplaçant le cylindre de laiton par un cylindre d'aluminium de même dimension et recouvert de la même peinture, les résultats sont identiques , il convient alors dans "Calculer l'absorption atmosphérique d'après une mesure" de changer la chaleur massique.

En remplaçant le cylindre de laiton par un cylindre de même caractéristiques mais recouvert d'un film d'aluminium, il est possible de mettre en évidence la notion d'albédo.

  • Comment utiliser les résultats (un exemple de calcul) :

Tableau des résultats de mesures effectuées  le 15 octobre à 11h30 pour un ciel moyen .
 

Groupe 1 2 3 4 5 6 7
0 min 23,3 22,4 23,5 22 23 24 23
5 min 27 26,5 26 25 28 27 25,5
10 min 30 30 30 28,5 29,5 30,5 28
15 min 31 32 32 30 30 32 30,5
20 min 32,2 33,5 34 31 32 33 33
T°f-T°i 8,9 11,1 10,5 9 9 9 10
 
Elévation de T°; moyenne : 9,6°C pour 20 minutes hauteur du soleil au dessus de l'horizon (angle a) : 27°

A savoir...
 

 

La quantité de chaleur reçue par le laiton par minute est de:

Q(J)= m.c.(élévation de T° en 1 minute)c est la chaleur massique du laiton;

On en déduit la puissance reçue par m2:

P= Q/( S * Temps d'exposition en seconde) avec S la surface de base du cylindre de laiton en m2 et le temps d'exposition en seconde: 379W/m2

 

Remarque: Le bouchon de plexiglass annule les pertes de chaleur par convection, les pertes par rayonnement sont minimes( effet de serre) car le laiton, à la T° de 30°C rayonne dans l'infrarouge lointain ( loi des corps noirs) que le plexiglass laisse passer.

La puissance reçue par m2 disposé perpendiculairement au rayonnement et mesuré au sommet de l'atmosphère, est appelée Constante solaire, cette grandeur, mesurable, est estimée environ à 1368W/m2, elle est la conséquence de l'activité solaire.

On démontre que cette valeur est en relation avec l'éloignement du soleil, étant donné que l'orbite terrestre est légérement elliptique, la "constante" présente quelques variations au cours du temps.( elle présente un minimum en été et un maximum en hiver), on admettra cependant qu'il s'agit d'une valeur constante.

La traversée de l'atmosphère a provoqué une absorption de 100-379/1368*100 = 72,3% de la puissance reçue par m2 au sommet de l'atmosphère.

L'atmosphère est un mélange de gaz, vapeur d'eau, poussières, aérosols...responsable d'une absorption (Composition de l'atmosphère). Le dispositif expérimental, permet, par une simple mesure, d'évaluer l'absorption atmosphérique pour un lieu et un moment donné.

Remarque: Sans effectuer de mesure, des approximations tenant compte de la hauteur du soleil au dessus de l'horizon ( en relation avec la date et l'heure) et de la nébulosité permettent la détermination du coefficient d'absorption, ce dernier donne en effet les valeurs de l'absorption en fonction des caractéristiques du ciel (nébulosité(=qualité), épaisseur d'atmosphère traversée en relation avec la hauteur du soleil au moment de la mesure.

soit pour un ciel "moyen" et un soleil faisant un angle de 27° au dessus de l'horizon, une absorption atmosphérique de 72%

Quels sont donc les paramètres qui influent sur la valeur de cette absorption atmosphérique?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Calcul de l'absorption atmosphérique en fonction de la date et de l'heure et de l'échauffement du cylindre de métal.

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(Cliquer sur un endroit quelconque pour mettre à jour les calculs après modifications des données permises uniquement dans les cases colorées)

Indiquez ici la date (jour, mois, année) , l'heure (heure, minutes) et lieu de la mesure

Nous sommes le Il est h Correction GMT :

Latitude (- pour hémisphère Sud): degrés
Longitude (- à l'est du méridien de Greenwich) : degrés
Correction GMT lieu choisi
Heure d'été :
Altitude du lieu:
m
L'heure solaire est de :
L'heure locale du lieu choisi est de :
La limite Jour-Nuit (déclinaison) avec l'axe de rotation de la terre fait un angle de:
L'équateur météo est à la latitude de :
Le soleil fait un angle avec l'horizon de :
Le soleil fait un angle avec le Sud (en allant vers l'est) de :
Heure de lever du soleil
Heure de coucher du soleil
Durée de l'éclairement
 La distance Terre-Soleil est de:
km 
Paramètres du dispositif de mesure 
Masse du cylindre : g Indiquez l'élévation de T° par minute : °C par minute
Chaleur massique : J/kg/°
Rayon du cylindre: cm Température de la surface solaire: °C
Le cylindre de métal reçoit: masse du cylindre (en kg)*chaleur massique*élévation de T°par minute: J par minute

 

L'énergie mesurée au sol par m2 de surface exposée perpendiculairement au rayonnement solaire et par seconde est de : Puissance reçue par le cylindre/surface du cylindre (PI*rayon^2 du cylindre en m): W/m2

Chaque m2, situé au sommet de l'atmosphère et placé perpendiculairement au rayonnement reçoit ce jour:

Cette valeur est appelée Constante Solaire

W/m2.

A cette latitude et à cette heure, l'épaisseur d'atmosphère traversée est de : km. (on admet qu'à la verticale d'un point, l'épaisseur d'atmosphère est de 500km)

Pendant cette traversée, l'absorption atmosphérique mesurée par le dispositif est de %

©JPLeclerc 06/2008

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
auteur(s) :

Jean-Pierre Leclerc, professeur de SVT au lycée François Truffaut de Challans

information(s) pédagogique(s)

niveau : 2nde, Terminale S

type pédagogique : démarche pédagogique, travaux pratiques, activité de découverte

public visé : élève, enseignant

contexte d'usage : classe, travail autonome, travail à distance, salle multimedia

référence aux programmes :

Le Soleil : une source d'énergie essentielle

Du passé géologique à l'évolution future de la planète

Atmosphère, hydrosphère, climats: du passé à l'avenir

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