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

ENVISAGER DES EXPLORATIONS SUPPLEMENTAIRES ? CE NE SONT PAS… ENVISAGER DES EXPLORATIONS SUPPLEMENTAIRES ? 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. installations électriques photovoltaïques raccordées au réseau, bien que l’on s’en approche et qui peut constituer une extension du sujet

SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME Inventaire des problèmes : le rayonnement est variable (météo, nuit) ; ce n’est 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 d’emploi sous peine de danger et de réduction de sa durée de vie. certains appareils sont conçus pour être alimenté en DC mais d’autres (la plupart) demandent une alimentation en AC…et pour certains, de bonne qualité. RESSOURCE PROPRE INEPUISABLE INTERMITTANTE CHANGER DE MODE DE VIE ? POUR LA NUIT ? ELEMENT POLLUANT DU SOLAIRE POURQUOI NE PAS BASCULER EN DC ?

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

…voir les documentations techniques des constructeurs… L’onduleur n’est pas représenté connecté à la batterie mais au régulateur… …voir les documentations techniques des constructeurs…

UN SCHEMA PLUS COMPLET… 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 ? 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 L’ON DOIT RETROUVER DANS LE SYSTEME REDUIT

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

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

POUR PARVENIR A CES CONCLUSIONS Les panneaux ne sont pas connectés directement aux charges : A JUSTIFIER L’appareil qui permet la connexion des panneaux aux applications est le régulateur. Il assure une « adaptation de puissance ». La batterie, indispensable pour fournir et stoker l’énergie est connectée au régulateur ; c’est 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. L’onduleur ne fait que transformer la nature du signal électrique : A MONTRER. POUR PARVENIR A CES CONCLUSIONS

TROUVER UN MODELE FIABLE… CAR LE BUT N’EST PAS DE FORMER DES TECHNICIENS EN INSTALLATION MAIS DES CITOYENS AVEC UNE BONNE CULTURE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE QUI LEUR PERMETTRA EVENTUELLEMENT DE S’ADAPTER 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

CHOIX DU MODELE REDUIT … avec des appareils de mesures de lycée 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 : c’est du matériel professionnel avec des protections intégrées en toute sécurité pour l’expérimentateur : on reste en TBT sauf en sortie de l’onduleur…) avec des appareils de mesures de lycée CE N’EST PAS UN TRAVAIL DE CONCEPTION QUE L’ON DEMANDE AUX ELEVES MAIS UN TRAVAIL D’ANALYSE A PARTIR D’UN SYSTEME REEL.

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

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

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 d’un 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 d’éclairement 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 l’énergie, la puissance, l’autonomie, les approches globales et moyenne, les maximums…

La « maquette » est un bon compromis. DIMENSIONNEMENT ? 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

Charges à courant continu sous 12 ou 24 V: moteurs, éclairage... Soleil et rayonnement solaire à travers l’atmosphère 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

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

Notions et contenus des programmes Entrée : Sortie : Rayonnement solaire Puissance électrique Besoins : alimentation autonome en électricité Exemple 1 : production autonome d'électricité Système étudié : installation photovoltaïque Fonctions Notions et contenus des programmes Notions et contenus complémentaires Capture de l'énergie solaire Coefficient de transmission énergétique Matériaux Conversion de l'énergie solaire en énergie électrique Spectre de la lumière du soleil, longueur d'onde Énergie et puissance électriques Caractéristique d'un générateur   Effet photovoltaïque Interaction rayonnement matière Énergie d'un photon Conversion photovoltaïque Mesure de flux lumineux Photo détecteurs Stockage de l'énergie Transformations chimiques et transformation d'énergie électrique Piles, accumulateurs, piles à combustibles Régulation de la puissance fournie à la batterie par la cellule Loi des nœuds et lois des mailles Régulation Conversion statique de l'énergie électrique (continu alternatif) Énergie et puissance électrique Bilan énergétique Convertisseurs statiques Surveillance et mise en sécurité de la batterie Chaîne de mesure PANNEAU SOLAIRE OU PHOTOVOLTAIQUE BATTERIE REGULATEUR ONDULEUR

AVOIR A L’ESPRIT LES LIMITES DU MODELE ET LES MOYENS DU LABORATOIRE… 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, c’est moins direct qu’en extérieur… Batterie de plus faible capacité donc autonomie réduite à moins d’investir dans des batteries spéciales dites « solaires » Coûts d’investissement 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

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.

Bilan de conversion et bilan d’énergie M T Régulateur Convertisseurs DC / AC Onduleur Appareils Électriques AC DC Énergie électrique Pertes (chaleur) Énergie « Utile » Énergie rayonnant Batteries Panneaux Solaires ENVIRONNEMENT fonction(s) globale(s) réalisée(s) ; grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ; Bilan de conversion et bilan d’énergie ENERGIE SOLAIRE

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

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

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

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

QUEL TRAVAIL AVEC LES ELEVES ?

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

RESERVOIR D’ENERGIE ET SOURCE DE PUISSANCE ESSAIS et OBSERVATIONS LA BATTERIE : RESERVOIR D’ENERGIE ET SOURCE DE PUISSANCE ESSAIS et OBSERVATIONS Énergie chimique Pertes Régulateur Batteries Énergie électrique Courant quelle forme ? Comment s’opère la conversion ? ENVIRONNEMENT Combien de temps ? Énergie chimique Pertes Régulateur Énergie électrique Batteries Comment s’opère la conversion ? Comment régule-t-il ?

OBSERVATION ET MESURE ET BILAN DE PUISSANCE 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 ENVIRONNEMENT