L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

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1 L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques
Travaux d’Initiative Personnelle Encadrée TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

2 Plan de l’étude : Cellules Photovoltaïques
Fonctionnement Etude énergétique Montage des cellules dans un module Domaines d’utilisations des cellules photovoltaïques et le stockage de l'énergie Avantages et Inconvénients du Photovoltaïque Conclusion TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

3 Première Partie : Les Cellules Photovoltaïques
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4 I.a Cellules : Fonctionnement
Jonction 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. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

5 I.a Cellules : Fonctionnement
Différents types : Silicium Cristallin Cellules Mono cristallines Cellules Poly cristallines Cellules Amorphes Cellules Minces Cellules Organiques et Plastiques TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

6 I.b Cellules : Etude énergétique
Influence de la distance: => Plus on s’éloigne de la source lumineuse, plus l’intensité lumineuse diminue. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

7 I.b Cellules : Etude énergétique
Influence de la distance: => Le flux lumineux varie en fonction de l’inverse du carré de la distance. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

8 I.b Cellules : Etude énergétique
Influence de l’orientation: => Tension maximale obtenue pour une inclinaison et une rotation de 90°, soit pour des rayons frappant les cellules perpendiculairement aux panneaux. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

9 I.b Cellules : Etude énergétique
Etude du courant: => On obtient quasiment une droite passant par l’origine, on en déduit donc que le courant est proportionnel à l’intensité lumineuse. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

10 I.b Cellules : Etude énergétique
Etude de la tension: => Allure logarithmique de la courbe. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

11 I.b Cellules : Etude énergétique
Etude de la puissance: => Puissance proportionnelle à l’éclairement : la puissance est définie par le produit tension-courant et le courant à vide est proportionnel à l’éclairement. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

12 I.b Cellules : Etude énergétique
Relation entre courant et tension: => 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. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

13 I.b Cellules : Etude énergétique
Influence de la surface éclairée: 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 ! TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

14 I.b Cellules : Etude énergétique
Filtres colorés: Filtre jaune: R= 100 kOhms 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. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

15 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

16 I.c Cellules : Montages Montage en série des modules:
=> Tension à vide du montage = somme des tensions à vide de chaque module. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

17 I.c Cellules : Montages Montage en série des modules:
=> Courant à vide du montage = moyenne des courants à vide des modules. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

18 I.c Cellules : Montages Montage en série des modules:
=> Puissance à vide du montage supérieure à celle d’un module seul : pour deux modules en série, elle devrait être doublée. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

19 I.c Cellules : Montages Montage en parallèle des modules:
=> Tension à vide du montage = moyenne des tensions à vide des modules. Ici, deux modules identiques donc tension quasi égale. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

20 I.c Cellules : Montages Montage en parallèle des modules:
=> Courant à vide du montage = somme des courants à vide de chaque module. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

21 I.c Cellules : Montages Montage en parallèle des modules:
=> Puissance du montage supérieure à celle d’un module seul : elle devrait être doublée. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

22 I.c Cellules : Montages Comparaison entre ces deux montages:
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. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

23 Deuxième Partie : Les Domaine d’utilisation des Cellules Photovoltaïques
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24 II.a Usage domestique Production 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

25 II.b Centrales Photovoltaïques
Développement important car alternative au nucléaire Une 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

26 II.c Domaines d’utilisations
Domaine spatial Habitations isolées Industries Centrales de puissance Résidences urbaines Biens de consommation TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

27 II.d Stockage de l’énergie photovoltaïque
Conditions d’utilisation d’une batterie solaire Batteries au plomb Batteries tubulaires Les autres voies TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

28 Troisième Partie : Les Avantages et Inconvénients des Cellules Photovoltaïques
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29 III.a Avantages S’adapte à beaucoup de systèmes électriques
Générateur simple et fiable Peu d’entretien pour les modules Potentiel de développement illimité Installations coûteuses, mais rapidement amorties par la suite car production énergétique peu coûteuse. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

30 III.b Inconvénients Principal problème : le stockage
Solution 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

31 Quatrième Partie : Les Cellules Photovoltaïques : CONCLUSIONS
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32 IV. Conclusions Technologie en très fort développement car intéressante De 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

33 L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques
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