L’énergie naturelle solaire : Les Cellules Photovoltaïques

1. L’énergie naturelle solaire :Les CellulesPhotovoltaïques 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 CellulesPhotovoltaïques TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

4. I.aCellules : 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.aCellules : 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.bCellules : 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.bCellules : 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.bCellules : 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.bCellules : 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.bCellules : Etude énergétique • Etude de la tension: => Allure logarithmique de la courbe. TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

11. I.bCellules : 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.bCellules : 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.bCellules : 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.bCellules : 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.cCellules : 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.cCellules : 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.cCellules : 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.cCellules : 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.cCellules : 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.cCellules : 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.cCellules : 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.cCellules : 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’utilisationdes CellulesPhotovoltaïques TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

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 CellulesPhotovoltaïques TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

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 CellulesPhotovoltaïques : CONCLUSIONS TIPE ESEO P2 - Bréhon / Plumejault / de Champs

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