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SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME Représente la chaîne directe de la conversion de lénergie solaire en énergie électrique utilisable avec en indication.

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1 SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME Représente la chaîne directe de la conversion de lénergie solaire en énergie électrique utilisable avec en indication la nature des grandeurs électriques Ce nest pas un schéma fonctionnel ou de raccordement

2 alimentations électriques faibles puissances Les alimentations électriques faibles telles que les calculettes ou les chargeurs de piles. Des modules PV peuvent faire fonctionner n'importe quel appareil alimenté par des piles. CE NE SONT PAS… installations électriques photovoltaïques raccordées au réseau, bien que lon sen approche et qui peut constituer une extension du sujet ENVISAGER DES EXPLORATIONS SUPPLEMENTAIRES ?

3 Inventaire des problèmes : le rayonnement est variable (météo, nuit) ; ce nest pas une grandeur stationnaire ! les besoins sont en journée et la nuit les batteries se justifient complètement ; INDISPENSABLES mais les batteries : durée de vie limitée, encombrement, recyclage difficile et polluant, précautions demploi sous peine de danger et de réduction de sa durée de vie. certains appareils sont conçus pour être alimenté en DC mais dautres (la plupart) demandent une alimentation en AC…et pour certains, de bonne qualité. SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME RESSOURCE PROPRE INEPUISABLE INTERMITTANTE CHANGER DE MODE DE VIE ? POUR LA NUIT ? ELEMENT POLLUANT DU SOLAIRE POURQUOI NE PAS BASCULER EN DC ?

4 UN SCHEMA PLUS COMPLET… source : Hespul Énergie solaire Double flèche Simple flèche Vocabulaire Liaisons Sens de transfert Utilisation

5 Londuleur nest pas représenté connecté à la batterie mais au régulateur… …voir les documentations techniques des constructeurs…

6 UN SCHEMA PLUS COMPLET… IMPOSSIBILITE DE TRAVAILLER SUR UN SYSTEME A FORTES PUISSANCES PRENDRE UN « BON » MODELE AVEC UN SYSTEME REDUIT BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS ESSENTIELS…QUE LON DOIT RETROUVER DANS LE SYSTEME REDUIT EST-IL FIABLE ? Que signifient les flèches de liaison ? Est-ce les « bonnes liaisons » ? Où sont les protections des appareils ou des usagers ? Est-ce le bon vocabulaire : scientifique, technique, commercial ?

7 BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS ESSENTIELS…QUE LON RETROUVE DANS LE MODELE OU LA MAQUETTE Énergie solaire et rayonnement solaire Champ photovoltaïque ou panneau(x) solaire(s) Régulateur. Batterie daccumulateurs. Onduleur. Récepteurs (équipements domestiques).

8 Pas dentrée onduleur : celui-ci se branche sur la batterie La batterie se branche sur le régulateur (polarisation) Sortie pour appareils alimentés en DC BATTERIE PANNEAUX APP. DC Utilisation de matériels professionnels et de la documentation du constructeur qui induisent du questionnement…

9 POUR PARVENIR A CES CONCLUSIONS Les panneaux ne sont pas connectés directement aux charges : A JUSTIFIER Lappareil qui permet la connexion des panneaux aux applications est le régulateur. Il assure une « adaptation de puissance ». La batterie, indispensable pour fournir et stoker lénergie est connectée au régulateur ; cest elle qui fournit la puissance aux appareils : A JUSTIFIER Conclusion : Les panneaux servent à recharger la batterie et ne fournissent généralement pas la puissance aux charges. Londuleur ne fait que transformer la nature du signal électrique : A MONTRER.

10 CAR LE BUT NEST PAS DE FORMER DES TECHNICIENS EN INSTALLATION MAIS DES CITOYENS AVEC UNE BONNE CULTURE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE QUI LEUR PERMETTRA EVENTUELLEMENT DE SADAPTER A UNE FORMATION PROFFESSIONNELLE PRENDRE UN SYSTEME REDUIT MAIS CREDIBLE QUI INTEGRE NEANMOINS LES FONCTIONS ESSENTIELLES DU SYSTEME INITIAL CONFRONTER PAR UNE VISITE DU SITE REEL LES EXPLOITATIONS PEDAGOGIQUES POUR COMPLETER TROUVER UN MODELE FIABLE…

11 CE NEST PAS UN TRAVAIL DE CONCEPTION QUE LON DEMANDE AUX ELEVES MAIS UN TRAVAIL DANALYSE A PARTIR DUN SYSTEME REEL. ASSEMBLER DES ELEMENTS « GRAND PUBLIC » REELS POUR REALISER UNE CHAINE PEDAGOGIQUE PERMETTANT DE FAIRE DES ESSAIS ET DES MESURES en toute sécurité pour le matériel : cest du matériel professionnel avec des protections intégrées en toute sécurité pour lexpérimentateur : on reste en TBT sauf en sortie de londuleur…) avec des appareils de mesures de lycée CHOIX DU MODELE REDUIT …

12 Régulateur de charge solaire 12 V – 30 A (Tension de charge de la batterie) Coffret panneaux solaires 13 W derrière un vitrage !! Convertisseurs DC AC 300 W

13 QUEL MATERIEL CHOISIR ? Et tenir compte de la disponibilité des stocks, du coût… Les panneaux solaires Consulter de la documentation en ligne et constater les divergence de vocabulaire, des spécifications, des valeurs tests, des conditions dutilisations… Exploiter de la documentation constructeur par les élèves… Les régulateurs (« solaires ») Les batteries (« solaires ») Les convertisseurs DC/ AC

14 DIMENSIONNEMENT Charges coté alternatif On disposait de charges alternative sous 230 V en 60 W. P = 300 W (S = 300 VA) U = 230 V - I = 1,7 A si trop faible délicat à mesurer avec pince ampère-metrique. Choix dun convertisseur 300 W donc sous 12 VDC cela fait 25 A ! Applications coté continu : moteur DC 12 V – 2 A, ampoule 12 V – 20 W Choix du régulateur : sortie 12 V et sortie 30 A (25 A dc batterie et 2 A dc autre) Batterie : accu. plomb avec C = 7,6 Ah soit 0,76 A durant 10 h. Ub = 12 V - Ib = 25 A maxi section des fils ; batterie non spécialisée Donc sortie régulateur 12 V mais 30 A au moins ; Dimensionnement des panneaux : pourquoi pas 300 W ? Encombrement – compréhension de la chaîne nécessaire pour rôle des panneaux Pourquoi 13 W et pas 80 W pour montrer au moins la possibilité de pouvoir alimenter les charges par « liaison directe » en cas de condition déclairement optimale ? Disponibilité – prix. Cette approche doit être également prise en compte par les élèves : elle est centrale car elle permet de bien saisir les distinctions entre lénergie, la puissance, lautonomie, les approches globales et moyenne, les maximums…

15 La « maquette » est un bon compromis. Qui permet néanmoins de montrer : La différence entre énergie et puissance Montrer les limites du système Montrer le rôle des blocs fondamentaux Montrer le rôle centrale et la gestion de la batterie Montrer les différentes formes de puissance électrique (DC ou AC) Montrer les caractéristiques des appareils, les valeurs optimales les différences entre le vocabulaire technique et commercial DIMENSIONNEMENT ?

16 Charges à courant continu sous 12 ou 24 V: moteurs, éclairage... Soleil et rayonnement solaire à travers latmosphère Panneau solaire ou panneau photovoltaïque PV Régulateur « de charge solaire » avec sortie DC en 12 ou 24 V Batterie « solaire » Convertisseur de tension ou inverseur ou onduleur DC/AC Charges à alternatif : moteurs des appareils électroménagers, éclairage...sous 230 V AC – 50 Hz

17 …POUR REMPLIR DES EXIGENCES DU PROGRAMME STL-ST2D ET COUVRIR LEXEMPLE 1 DE LENSEIGNEMENT DE SPECIALITE DE SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES EN LABORATOIRE PARTIE SYSTEMES ET PROCEDES Intitulé : Production autonome d'électricité Système étudié : installation photovoltaïque. UN DISPOSITIF DIDACTIQUE ADAPTE…

18 Entr é e :Sortie : Rayonnement solairePuissance é lectrique Besoins : alimentation autonome en é lectricit é FonctionsNotions et contenus des programmesNotions et contenus compl é mentaires Capture de l' é nergie solaireCoefficient de transmission é nerg é tiqueMat é riaux Conversion de l' é nergie solaire en é nergie é lectrique Spectre de la lumi è re du soleil, longueur d'onde É nergie et puissance é lectriques Caract é ristique d'un g é n é rateur Effet photovolta ï que Interaction rayonnement mati è re É nergie d'un photon Conversion photovolta ï que Mesure de flux lumineux Photo d é tecteurs Stockage de l' é nergieTransformations chimiques et transformation d' é nergie é lectrique Piles, accumulateurs, piles à combustibles R é gulation de la puissance fournie à la batterie par la cellule Loi des n œ uds et lois des maillesR é gulation Conversion statique de l' é nergie é lectrique (continu alternatif) É nergie et puissance é lectrique Bilan é nerg é tique Convertisseurs statiques Surveillance et mise en s é curit é de la batterie Cha î ne de mesure Exemple 1 : production autonome d'électricité Système étudié : installation photovoltaïque ONDULEUR REGULATEUR BATTERIE PANNEAU SOLAIRE OU PHOTOVOLTAIQUE

19 Dimensionnement reste crédible Pas de protections des systèmes (disjonction DC et AC, parafoudre…) ou des usagers (prise de terre ?) Essais aléatoires : ensoleillement (saison) ; dans la salle de TP, derrière un vitrage, cest moins direct quen extérieur… Batterie de plus faible capacité donc autonomie réduite à moins dinvestir dans des batteries spéciales dites « solaires » Coûts dinvestissement plus élevés si on souhaite comparer différentes techniques ou technologie : exemple du régulateur (PWM, MPPT), convertisseurs DC/AC ou à « sinusoïde modifiée » ou onduleur dit sinus pur AVOIR A LESPRIT LES LIMITES DU MODELE ET LES MOYENS DU LABORATOIRE…

20 IDENTIFIER par une première approche globale les principales caractéristiques du système : - fonction(s) globale(s) réalisée(s) ; - grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ; - principales performances attendues ; - dimensions économique et sociétale.

21 ENERGIE SOLAIRE ENVIRONNEMENTENVIRONNEMENT Régulateur Convertisseurs DC / AC Onduleur Appareils Électriques AC Appareils Électriques DC Énergie électrique Pertes (chaleur) Énergie « Utile » Énergie rayonnant Batteries Panneaux Solaires ENVIRONNEMENTENVIRONNEMENT Pertes (chaleur) ENVIRONNEMENT Pertes (chaleur) fonction(s) globale(s) réalisée(s) ; grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ; Bilan de conversion et bilan dénergie

22 Régulateur Batteries ENERGIE SOLAIRE ENVIRONNEMENTENVIRONNEMENT Convertisseurs DC / AC Onduleur Appareils Électriques AC Appareils Électriques DC Puissance électrique Pertes (chaleur) Puissance « Utile » Puissance rayonnant ou flux Panneaux Solaires ENVIRONNEMENTENVIRONNEMENT Pertes (chaleur) ENVIRONNEMENT Pertes (chaleur) Puissance instantanée conditions : jour et excel. éclairement Puissance « Utile » 13 W 200 W 50 W 10 W 210 W 42 W 5 W Et pendant combien de temps ?

23 Donc les sch é mas suivants sont faux et dangereux !! Ils laissent penser que la conversion est directe et suffisante en puissance.

24 Pertes (chaleur) 80 W ETOILES, NUAGES ? ENVIRONNEMENTENVIRONNEMENT Régulateur Convertisseurs DC / AC Onduleur Appareils Électriques AC Appareils Électriques DC Puissance électrique Puissance « Utile » Puissance rayonnant ou flux Batteries Panneaux Solaires ENVIRONNEMENTENVIRONNEMENT Pertes (chaleur) ENVIRONNEMENT Puissance instantanée conditions nuit ou éclairement très faible Puissance « Utile » 12 W 2 W 14 W 5 W 85 W Combien de temps ? AUTONOMIE

25 Recharge de la batterie ENVIRONNEMENT ENERGIE SOLAIRE ENVIRONNEMENTENVIRONNEMENT Régulateur Convertisseurs DC / AC Onduleur Appareils Électriques AC Appareils Électriques DC Puissance électrique Pertes (chaleur) Puissance rayonnant ou flux Batteries Panneaux Solaires ENVIRONNEMENTENVIRONNEMENT Pertes (chaleur) Puissance Chimique 13 W 11 W 2 W Puissance instantanée conditions : jour et excel. éclairement et pas de consommation

26 QUEL TRAVAIL AVEC LES ELEVES ?

27 Puissance électrique Courant quelle forme ? Tension (quelle forme ?) Caractéristique électrique Paramètres influents Comment seffectue la conversion ? Rendement ? Peut-on la quantifier ? LE PANNEAU SOLAIRE ENERGIE SOLAIRE Panneaux Solaires ENVIRONNEMENT Pertes Énergie électrique Régulateur Pourquoi faut-il le régulateur ? Quel point de fonctionnement ? MESURES – ESSAIS OBSERVATIONS ETUDE DE DOCUMENTS

28 ENVIRONNEMENT LA BATTERIE : RESERVOIR DENERGIE ET SOURCE DE PUISSANCE Énergie chimique Pertes Régulateur Énergie électrique Batteries Comment sopère la conversion ?Comment régule-t-il ? Énergie chimique Pertes RégulateurBatteries Énergie électrique Courant quelle forme ? Comment sopère la conversion ? ESSAIS et OBSERVATIONS Combien de temps ?

29 ENVIRONNEMENT LA CONVERSION DC/AC : ENVIRONNEMENT Convertisseurs DC / AC Onduleur Appareils Électriques AC Courant et tension DC ? Pertes Mécanique Énergie chimique Batteries Énergie électrique Courant et tension AC ? Lumineuse Électronique OBSERVATION ET MESURE ET BILAN DE PUISSANCE


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