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L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques. Travaux d’Initiative Personnelle Encadrée. Plan de l’étude :. Cellules Photovoltaïques Fonctionnement Etude énergétique Montage des cellules dans un module - PowerPoint PPT Presentation
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Travaux d’Initiative Personnelle Encadrée
1TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
Plan de l’étude :1. Cellules Photovoltaïques
1. Fonctionnement2. Etude énergétique3. 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
2TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
3TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
I.a CELLULES : FonctionnementJonction 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.
4TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
Différents types :
Silicium CristallinCellules Mono cristallinesCellules Poly cristallinesCellules AmorphesCellules MincesCellules Organiques et Plastiques
I.a CELLULES : Fonctionnement
5TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
Influence de la distance:
I.b CELLULES : Etude énergétique
6TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
flux lumineux en fonction de la distance
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65
distance (m)
flu
x l
um
ineu
x (
lux)
=> Plus on s’éloigne de la source lumineuse, plus l’intensité lumineuse diminue.
I.b CELLULES : Etude énergétiqueInfluence de la distance:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 7
flux lumineux en fonction de 1/d²
0200400600800
10001200140016001800
0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007
1/d²
flux
lum
ineu
x
=> Le flux lumineux varie en fonction de l’inverse du carré de la distance.
Influence de l’orientation:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 8
I.b CELLULES : Etude énergétique
tension de sortie en fonction de la rotation
0
0,5
1
1,5
2
0 20 40 60 90 120 140 160 180
angle de rotation (°)
ten
sio
n (
V)
tension de sortie en fonction de l'inclinaison
0
0,5
1
1,5
2
0 20 40 60 90 120 140 160 180
angle d'inclinaison(°)
ten
sio
n (
V)
=> Tension maximale obtenue pour une inclinaison et une rotation de 90°, soit pour des rayons frappant les cellules perpendiculairement aux panneaux.
I.b CELLULES : Etude énergétiqueEtude du courant:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 9
=> On obtient quasiment une droite passant par l’origine, on en déduit donc que le courant est proportionnel à l’intensité lumineuse.
Etude de la tension:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 10
I.b CELLULES : Etude énergétique
=> Allure logarithmique de la courbe.
I.b CELLULES : Etude énergétiqueEtude de la puissance:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 11
=> Puissance proportionnelle à l’éclairement : la puissance est définie par le produit tension-courant et le courant à vide est proportionnel à l’éclairement.
I.b CELLULES : Etude énergétiqueRelation entre courant et tension:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 12
=> 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.
I.b CELLULES : Etude énergétiqueInfluence de la surface éclairée:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 13
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 !
I.b CELLULES : Etude énergétiqueFiltres colorés:
Filtre jaune: R= 100 kOhms
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 14
flux lumineux en fonction de la distance
0
50
100
150
200
250
40 45 50 55 60 65
distance (cm)
flu
x l
um
ineu
x (
lux)
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.
Tension en fonction de l'éclairement (filtre jaune)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0 50 100 150 200 250
flux lumineux (lux)te
nsi
on
(V
)
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.
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 15
I.c CELLULES : MontagesMontage en série des modules:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 16
Tension à vide en fonction de l'éclairement
0
1
2
3
4
5
6
7
0 500 1000 1500 2000 2500
Eclairement (lux)
Tens
ion
(V)
1 cellule à vide 2 cellules séries
=> Tension à vide du montage = somme des tensions à vide de chaque module.
I.c CELLULES : MontagesMontage en série des modules:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 17
Intensité à vide en fonction de l'éclairement
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
0,009
0,01
0 500 1000 1500 2000 2500
Eclairement (lux)
Inte
nsi
té (
A)
1 cellule 2 cellules séries
=> Courant à vide du montage = moyenne des courants à vide des modules.
I.c CELLULES : MontagesMontage en série des modules:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 18
Puissance à vide en fonction de l'éclairement
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0 500 1000 1500 2000 2500
Eclairement (lux)
Pu
issa
nce
(W
)
1 cellule seule 2 cellules séries
=> Puissance à vide du montage supérieure à celle d’un module seul : pour deux modules en série, elle devrait être doublée.
I.c CELLULES : MontagesMontage en parallèle des modules:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 19
Tension à vide en fonction de l'éclairement
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 500 1000 1500 2000 2500
Eclairement (lux)
Ten
sio
n (
V)
1 cellule à vide 2 cellules parallèles
=> Tension à vide du montage = moyenne des tensions à vide des modules. Ici, deux modules identiques donc tension quasi égale.
I.c CELLULES : MontagesMontage en parallèle des modules:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 20
Intensité à vide en fonction de l'éclairement
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0 500 1000 1500 2000 2500
Eclairement (lux)
Inte
nsi
té (
A)
1 cellule 2 cellules parallèles
=> Courant à vide du montage = somme des courants à vide de chaque module.
I.c CELLULES : MontagesMontage en parallèle des modules:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 21
Puissance à vide en fonction de l'éclairement
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0 500 1000 1500 2000 2500
Eclairement (lux)
Pu
issa
nce
(W
)
1 cellule seule 2 cellules parallèles
=> Puissance du montage supérieure à celle d’un module seul : elle devrait être doublée.
I.c CELLULES : MontagesComparaison entre ces deux montages:
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 22
Puissance à vide en fonction de l'éclairement
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0 500 1000 1500 2000 2500
Eclairement (lux)
Pu
iss
an
ce
(W
)
1 cellule seule 2 cellules séries 2 cellules parallèles
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.
23TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
II.a Usage domestiqueProduction 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.
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 24
II.b Centrales PhotovoltaïquesDéveloppement important car alternative au
nucléaireUne 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)TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 25
II.c Domaines d’utilisations
Domaine spatialHabitations isoléesIndustriesCentrales de puissanceRésidences urbainesBiens de consommation
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 26
II.d Stockage de l’énergie photovoltaïque
Conditions d’utilisation d’une batterie solaire
Batteries au plombBatteries tubulairesLes autres voies
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 27
28TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
III.a AvantagesS’adapte à beaucoup de systèmes électriquesGénérateur simple et fiablePeu d’entretien pour les modulesPotentiel de développement illimitéInstallations coûteuses, mais rapidement
amorties par la suite car production énergétique peu coûteuse.
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 29
III.b Inconvénients
Principal problème : le stockageSolution 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
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 30
31TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
IV. ConclusionsTechnologie en très fort développement car
intéressanteDe 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…
TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 32
Travaux d’Initiative Personnelle Encadrée
33TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs
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