l’énergie naturelle solaire : les cellules photovoltaïques

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Travaux d’Initiative Personnelle Encadrée 1 TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

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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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Page 1: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

Travaux d’Initiative Personnelle Encadrée

1TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

Page 2: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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

Page 3: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

3TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

Page 4: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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

Page 5: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

Différents types :

Silicium CristallinCellules Mono cristallinesCellules Poly cristallinesCellules AmorphesCellules MincesCellules Organiques et Plastiques

I.a CELLULES : Fonctionnement

5TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

Page 6: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 7: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 8: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 9: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 10: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

Etude de la tension:

TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 10

I.b CELLULES : Etude énergétique

=> Allure logarithmique de la courbe.

Page 11: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 12: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 13: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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 !

Page 14: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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

)

Page 15: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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

Page 16: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 17: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 18: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 19: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 20: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 21: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 22: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

Page 23: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

23TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

Page 24: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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

Page 25: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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

Page 26: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

II.c Domaines d’utilisations

Domaine spatialHabitations isoléesIndustriesCentrales de puissanceRésidences urbainesBiens de consommation

TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs 26

Page 27: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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

Page 28: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

28TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

Page 29: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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.

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Page 30: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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

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Page 31: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

31TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

Page 32: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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…

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Page 33: L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

Travaux d’Initiative Personnelle Encadrée

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