Transcript L`énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

Travaux d’Initiative Personnelle Encadrée
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Plan de l’étude :
1. Cellules Photovoltaïques
1.
2.
3.
Fonctionnement
Etude énergétique
Montage des cellules dans un module
2. Domaines d’utilisations des cellules
photovoltaïques et le stockage de l'énergie
3. Avantages et Inconvénients du Photovoltaïque
4. Conclusion
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I.a CELLULES : Fonctionnement
 Jonction PN :
 Semi-conducteur absorbant l’énergie lumineuse (photons) et




comportant deux zones: l’une dopée P, l’autre dopée N.
Absorption de photons libère des électrons si leur énergie est
supérieure au band gap (passage de la bande de valence à la bande
de conduction, créant un trou dans la bande de valence).
Création d’une paire électron-trou qui est séparée par le dopage du
matériau.
Les déplacements de charges générés par le dopage entraîne la
création d’un champ électrique de la zone P vers la zone N.
Le courant photovoltaïque est proportionnel à l’intensité de
l’éclairement, et est dirigé de la zone N vers la zone P.
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I.a CELLULES : Fonctionnement
 Différents types :
 Silicium Cristallin
 Cellules Mono cristallines
 Cellules Poly cristallines
 Cellules Amorphes
 Cellules Minces
 Cellules Organiques et Plastiques
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I.b CELLULES : Etude énergétique
 Influence de la distance:
flux lumine ux e n fonction de la distance
1800
flux lumineux (lux)
1600
=> Plus on s’éloigne de
la source lumineuse,
plus l’intensité
lumineuse diminue.
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,65
distance (m)
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I.b CELLULES : Etude énergétique
 Influence de la distance:
flux lumineux
flux lumineux en fonction de 1/d²
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
=> Le flux
lumineux varie
en fonction de
l’inverse du
carré de la
distance.
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
0,0007
1/d²
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I.b CELLULES : Etude énergétique
 Influence de l’orientation:
tension de sortie en fonction de la rotation
tension de sortie en fonction de l'inclinaison
2
tension (V)
tension (V)
2
1,5
1
0,5
0
1,5
1
0,5
0
0
20
40
60
90
120 140 160 180
0
20
40
angle de rotation (°)
60
90
120
140 160 180
angle d'inclinaison(°)
=> Tension maximale obtenue pour une inclinaison et une rotation de 90°,
soit pour des rayons frappant les cellules perpendiculairement aux
panneaux.
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I.b CELLULES : Etude énergétique
 Etude du courant:
=> On obtient
quasiment une
droite passant par
l’origine, on en
déduit donc que le
courant est
proportionnel à
l’intensité
lumineuse.
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I.b CELLULES : Etude énergétique
 Etude de la tension:
=> Allure
logarithmique de la
courbe.
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I.b CELLULES : Etude énergétique
 Etude de la puissance:
=> Puissance
proportionnelle à
l’éclairement : la
puissance est
définie par le
produit tensioncourant et le
courant à vide est
proportionnel à
l’éclairement.
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I.b CELLULES : Etude énergétique
 Relation entre courant et tension:
=> Pour les trois
intensités lumineuses, la
tension augmente et le
courant diminue en
fonction de
l'augmentation de la
résistance : la loi d’Ohm
est donc vérifiée.
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I.b CELLULES : Etude énergétique
 Influence de la surface éclairée:
La tension est pratiquement
indépendante la surface éclairée.
L'intensité mesurée est
directement proportionnelle à la
surface éclairée : une cellule à
demi-obscurcie produira une
tension égale à sa valeur en plein
éclairement, et un courant d'une
intensité réduite de moitié !
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I.b CELLULES : Etude énergétique
 Filtres colorés:
 Filtre jaune:
R= 100 kOhms
Tension en fonction de l'éclairement (filtre jaune)
flux lumineux en fonction de la distance
tension (V)
flux lumineux (lux)
250
200
150
100
50
0
40
45
50
55
60
65
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
50
100
150
200
250
flux lumineux (lux)
distance (cm)
On remarque que la présence du filtre diminue le flux lumineux. En effet, le
filtre absorbe certaines longueurs d’ondes donc diminue l’intensité lumineuse.
La tension obtenue est plus faible que sans le filtre.
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I.c CELLULES : Montages
 Caractéristiques d’un module:
 Module composé de plusieurs cellules d’environ 10cm² chacune.
 Pour une cellule, puissance de 1 à 3 W et tension de moins d’un volt.
 Plusieurs cellules assemblées pour former un module.
 En général, un module = 36 cellules (silicium cristallin) en série et
fournissant une tension de l’ordre de 12 V.
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I.c CELLULES : Montages
 Montage en série des modules:
Tension à vide en fonction de l'éclairement
7
6
=> Tension à
vide du
montage =
somme des
tensions à vide
de chaque
module.
5
Tension (V)
4
3
2
1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Eclairement (lux)
1 cellule à vide
2 cellules séries
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I.c CELLULES : Montages
 Montage en série des modules:
Intensité à vide en fonction de l'éclairement
0,01
0,009
0,008
=> Courant à
vide du
montage =
moyenne des
courants à vide
des modules.
0,007
Intensité (A)
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
0
0
1000
500
2000
1500
2500
Eclairement (lux)
1 cellule
2 cellules séries
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I.c CELLULES : Montages
 Montage en série des modules:
Puissance à vide en fonction de l'éclairement
0,035
0,03
=> Puissance à vide
du montage
supérieure à celle
d’un module seul :
pour deux modules
en série, elle devrait
être doublée.
Puissance (W)
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Eclairement (lux)
1 cellule seule
2 cellules séries
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I.c CELLULES : Montages
 Montage en parallèle des modules:
Tension à vide en fonction de l'éclairement
4
=> Tension à vide
du montage =
moyenne des
tensions à vide
des modules. Ici,
deux modules
identiques donc
tension quasi
égale.
3,5
3
Tension (V)
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Eclairement (lux)
1 cellule à vide
2 cellules parallèles
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I.c CELLULES : Montages
 Montage en parallèle des modules:
Intensité à vide en fonction de l'éclairement
0,012
0,01
=> Courant à vide
du montage =
somme des
courants à vide
de chaque
module.
Intensité (A)
0,008
0,006
0,004
0,002
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Eclairement (lux)
1 cellule
2 cellules parallèles
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I.c CELLULES : Montages
 Montage en parallèle des modules:
Puissance à vide en fonction de l'éclairement
0,035
0,03
=> Puissance du
montage
supérieure à
celle d’un
module seul :
elle devrait être
doublée.
Puissance (W)
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
0
2000
1500
1000
500
2500
Eclairement (lux)
1 cellule seule
2 cellules parallèles
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I.c CELLULES : Montages
 Comparaison entre ces deux montages:
Puissance à vide en fonction de l'éclairement
0,035
0,03
Puissance (W)
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
0
500
1500
1000
2000
2500
Série : augmenter
la tension en
conservant le
courant égal.
Parallèle :
augmenter le courant
en conservant la
tension égale.
Les deux
montages permettent
d’augmenter la
puissance.
Eclairement (lux)
1 cellule seule
2 cellules séries
2 cellules parallèles
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II.a Usage domestique
 Production d’énergie via panneaux solaires pour les
habitations isolées:
 Permet d’assurer un minimum de confort.
 Dimensionnement adapté = production suffisante pour une maison





individuelle (hormis chauffage et eau chaude).
Coût d’installation vite amorti.
Energie propre.
Installations (2 types) : à proximité de la maison ou directement sur
le toit.
Soit alimentation directe (courant continu), soit conversion
(onduleur) puis réseau électrique.
Stockage si nécessaire pour palier au variations météorologiques.
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II.b Centrales Photovoltaïques
 Développement important car alternative au nucléaire
 Une trentaine de centrales dans le monde (fournissant
jusqu’à 11 MWc)+centrale de Moura(Portugal, 114 Ha, 62
MWc).
 Plusieurs types de centrales :
 Champs de panneaux solaires


Le plus courant
Panneaux orientables
 Toiture d’ouvrages de grandes tailles


La disposition des modules permet de gérer l’éclairage du
bâtiment (ex: La Floriade, Pays-bas)
Plus de problème de terrain (intéressant en zones urbaines)
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II.c Domaines d’utilisations
 Domaine spatial
 Habitations isolées
 Industries
 Centrales de puissance
 Résidences urbaines
 Biens de consommation
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II.d Stockage de l’énergie
photovoltaïque
 Conditions d’utilisation d’une batterie solaire
 Batteries au plomb
 Batteries tubulaires
 Les autres voies
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III.a Avantages
 S’adapte à beaucoup de systèmes électriques
 Générateur simple et fiable
 Peu d’entretien pour les modules
 Potentiel de développement illimité
 Installations coûteuses, mais rapidement amorties par
la suite car production énergétique peu coûteuse.
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III.b Inconvénients
 Principal problème : le stockage
 Solution à beaucoup de problèmes, mais surtout à une
échelle individuelle : peu de perspectives à l’échelle
nationale ou mondiale en dehors des centrales.
 Technologie dépendante des conditions climatiques
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IV. Conclusions
 Technologie en très fort développement car
intéressante
 De nombreux très gros avantages, mais des solutions
technologiques inévitablement à fournir pour des
adaptations à plus grande échelle.
 Complète le réseau électrique existant.
 Avenir prometteur…
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