Les panneaux solaires

II- Fonctionnement et utilisation Principe de fonctionnement Qu'est-ce qu'un panneau solaire ? Comment fonctionne-t-il ? Les panneaux solaires photovoltaïques seraient-ils une alternative écologique pour répondre à la consommation d’énergie mondiale ? Sommaire : Introduction I- Historique La découverte II- Fonctionnement et utilisation Principe de fonctionnement Utilisation des panneaux solaires Le solaire thermique Chauffe-eau solaire III- Les avantages et les inconvénients Les avantages Les inconvénients IV- Etudes statistiques Calcul 1 Calcul 2 Conclusion

La France consomme 482,4 TWh/an soit environ 8MWh/an par personne. Introduction La France consomme 482,4 TWh/an soit environ 8MWh/an par personne. Pour info une plaque électrique consomme 600KWh/an pour la cuisson, il nous faudrait 13 000 000 de plaques électriques pour avoir l'équivalent de la consommation d'un Français. Essayer d'imaginer comment consommer autant d'énergie? La planète se vide de ses ressources et il faut trouver une solution à long terme. RETOUR

La découverte Alexandre Edmond Becquerel  principe de la conversion de la lumière en électricité 1839. Matériaux faisaient des étincelles  exposition à la lumière. 1954 Bell Téléphone  première cellule photovoltaïque: rendement 6% Choc pétrolier 1973 essor de l’énergie solaire 1990ouverture du marchés du photovoltaïque  rentable dans campagnes RETOUR

A l’époque on disposait de: Photopiles à base de silicium monocristallin  bon rendement  prix élevé 500-1000 francs pour 1watt à midi1 watt crête Dès 1978  1 Mégawatt crête 1985  20Mégawatts crête Aujourd’hui  plus de techniques + de méthodes pour construire une cellule photovoltaïque et d’autres matériaux semi-conducteurs RETOUR

Principe de fonctionnement Un panneau solaire réceptionne une luminosité et la traduit grâce à un démodulateurs en courant électrique .Donc on récupère de l’énergie électrique à partir de la lumière. Le panneau solaire est constitué de cellules photovoltaïques. Epaisseur totale = ordre du millimètre. Couvertures de protections = indispensables, car fragile. La puissance électrique dépend de l'ensoleillement. Nulle: nuit Maximum: soleil au zénith RETOUR

Utilisation des panneaux solaires Principales fonctions  produire de l'électricité dans milieux isolés  accès à l’électricité pour logement sans réseau Utilisation de l’électricité produite  appareils ménagers  milieu urbain  lampadaire/panneaux de signalisation/afficheur d’informations arrêts de bus Solaire thermique  chauffe-eau RETOUR

Cas général Cellule photovoltaïque  élément de base des panneaux solaires Produit de l’électricité à partir de l’énergie solaire en utilisant l'effet photovoltaïque . Prix élevé MAIS faible rendement La production + transport de charges négatives et positives sous l'effet de la lumière dans un matériau semi-conducteur  photons heurtent la surface de ce matériau  transfèrent d’énergie aux électrons de la matière  mouvement des électrons dans une direction particulière = courant électrique recueilli par des fils métalliques très fins. RETOUR

couche de contact conductrice en métal (a) anode Présentation d’une cellule photovoltaïque couche conductrice (k) cathode couche avec porteurs de charges libres négatives (N) couche avec porteurs de charges libres positives (P) couche de contact conductrice en métal (a) anode

Principe d’une installation autonome Le principe --> charger les batteries-->stockage du surplus de la production électrique-->réutilisation. Courant contrôlé par un régulateur solaire (gère la répartition de l’énergie) Possibilités :.de rajoute un onduleur au système -->alimenter des appareils demandant + de puissance ex : un ordinateur. Câble Régulateur solaire Ondulateur 230V Batterie solaire RETOUR

Cas du solaire thermique L'effet photovoltaïque ≠ solaire thermique  transformation du rayonnement solaire en chaleur, mais coût élevé. Energie solaire  eau jusqu’à 60°C en hiver et 90°C en été. Mais utilisation 8 mois sur 12  De Février à Novembre RETOUR

Cas du chauffe-eau solaire panneaux thermiques captent les rayons solaires = chauffe l’eau. Les panneaux sont constitués de: - coffre rigide et isolé recouvert d’une vitre prismatique (95% des rayons retenu à l’intérieur = production de l’effet de serre). - Tubes en cuivres recouvert d’un absorbeur  reçoivent le rayonnement solaire et s’échauffent. -A l’intérieur des tubes  liquide caloporteur circule dans réseau hydraulique des panneaux solaire au ballon de stockage. Rendement : 4m2 de capteurs orientés au sud et inclinés à 45° = 300 litres d’eau chaude. Quelques statistiques : Chauffe-eau solaires = bon rapport qualité prix.  40% à 60% des économies annuelles ~ 150€/années. 3 à 4 m² de capteurs avec ballon 200 à 300L ~ 4000 à 7000€ pose comprise RETOUR

Avantages et Inconvénients L’installation est approprié aux régions  ne comporte pas de pièces mobiles  utilisation sur engins spatiaux. Coût de fonctionnement faible  entretiens réduits, nécessite ni combustibles ni transport fréquent ni personnel qualifié pour installation Non polluants, silencieux et n’entraînent pas de perturbation du milieu ( occupation de l’espace et installations de grandes dimensions). RETOUR

Inconvénients Fabrication de la cellule  haute technologie et coût élevé Dépend de la météo et de l’ensoleillement de la région Le stockage de l’énergie électrique =nombreux problèmes Faible rendement ,cause: fonctionnement des cellules  déplacement d’un électron - énergie du rayonnement doit être > 1 eV. Rayon ayant une énergie + faible  pas transformés en électricité. <1750h 1750-2000h 2000-2250h 2250-2500h 2500-2750h >2750h Carte de l’ensoleillement annuel RETOUR

Comparaison Le silicium amorphe et le silicium cristallin Rendement ++ Comportement en Température Fonctionnement si faible luminosité Fonctionnement par temps couvert Fonctionnement si ombrage partiel Stabilité Prix Les rendements typiques silicium cristallin: 11 à 15% silicium amorphe:5 à 7% RETOUR

En conclusion de notre comparaison       A puissance égale:  le silicium amorphe produit ~ 10 à 15% de plus que cristallins.  mais rendement modeste car demande beaucoup d’espace.  silicium amorphe bon pour réseau électrique d’une maison ou pour applications de faible puissance.  mais les modules cristallins dont le coût plus élevés  meilleur rendement et meilleur pour applications autonomes. RETOUR

Etudes statistiques Calcul de l’énergie que peu recevoir la terre du soleil : (à supposer qu’il n’y est pas de perte) Puissance P reçue jour: Surface de la terre : 5,1.1011 m² et constante solaire est de 580W/m² division de surface de la terre par deux car terre  éclairée à moitié le jour Donc: S=surface terrestre K=constante solaire P=(S/2)x K P=1.48x1014 Or, le monde consomme 15555TWh soit 5.59.1019 W. Demande du monde > réception du soleil Il est donc impossible de subvenir au besoin mondial électrique en comptant uniquement sur l'énergie solaire de plus on a supposé que l’on accumulait aucune perte d’énergie. RETOUR

Calcul de la puissance que le photovoltaïque pourrait produire au maximum: -Puissance 1m² de cellule : Module de 3,4x10-3 m²  1.97W Pour 1m² on a 1.97/(3.4x10-3)=580W Panneaux solaires  580 W/m² -Superficie terres dans le monde = 15x107 Km² Terres arables 10.1%(en % superficie) 148 429 000 x 10.1% = 1.5x107km² Or Forets  3.87x107 Km² Donc inutilisables= terres arables+forets=1.5x107+3.87x107=5.37x107 Km² Donc on a : terres utilisables=terres totales - terres inutilisables =15x107-5.37x107 =9.63x107 Km² Il reste 9.63x107 Km²  capable de recevoir une installation solaires. Soit : 9.63x107 x 580x10-3 =5.6x107 W Le photovoltaïque nous permettrait donc de produire une puissance de 5.6x107 W RETOUR

Conclusion Conclusion : De nos jours, les énergies renouvelables prennent un essor considérable. Apres de nombreux calculs, par exemple notre dernière série de calculs, on peut se rendre compte que l'énergie solaire est une solution partielle au besoin mondial en énergie. De plus, nous avons remarqué que le soleil ne pouvait fournir l'énergie nécessaire pour répondre à la demande mondiale. C'est pourquoi on peut conclure que dans l'optique d'un développement de la technologie photovoltaïque son prix devra baisser, on pourra ainsi voir cette énergie durable se développer. On peut aussi l'espérer pour toute les autres formes d'énergies renouvelables ; mais les mentalités doivent changer , le monde est-il prêt à faire cet effort ? RETOUR

Lexique Photosensibles : sensible au rayonnement lumineux.   Photosensibles : sensible au rayonnement lumineux. Photovoltaïque : qui a trait à la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Matériaux composés : association de divers matériaux semi-conducteurs de propriétés différentes constitués de corps chimiques composés et non pas de corps simples comme le silicium. Photon : particule de masse et de charge nulles associée à un rayonnement lumineux ou électromagnétique. RETOUR

Photopile : générateur de courant continu qui transforme en électricité l'énergie lumineuse qu'il reçoit, appelé aussi batterie (ou pile) solaire. Redresseur : Appareil servant à redresser un courant alternatif, transformation en courant continu. Semi-conducteur : se dit d'un matériau solide dont la résistivité (capacité à s'opposer au passage du courant électrique), intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants, varie sous l'influence de facteurs tels que la température, l'éclairement, le champ électrique, etc. silicium : élément non métallique de numéro atomique Z = 14, de masse atomique 28,086 (symbole Si) ; corps simple de densité 2,33, qui fond vers 1420 °C et bout vers 2700°C. RETOUR

Liquide caloporteur : liquide constitué d’eau et d’antigel Effet de serre : effet produit par l’augmentation de  dioxyde de carbone dans l’atmosphère qui entraîne le réchauffement de la planète. Liquide caloporteur : liquide constitué d’eau et d’antigel Electron-volt : l'électron-volt (symbole eV) est une unité de mesure d'énergie. Sa valeur est définie comme étant l'énergie d'un électron accéléré par une différence de potentiel d'un volt. Un électron-volt est donc égal à environ 1,602 176 53 x 10-19 joule. C'est une unité en dehors du système international (SI) qui est en usage avec lui mais dont la valeur est obtenue expérimentalement La constante solaire: est la quantité d'énergie solaire que recevrait une surface de 1m² exposée perpendiculairement aux rayons du Soleil si l'atmosphère terrestre n'existait pas. RETOUR