DOSSIER : L`ECLAIRAGE INTELLIGENT ET

HENRY Thibault
NOLLET Léo
VANHECKE Florian
Session 2008-2009
DOSSIER TPE:
L’éclairage intelligent et
indépendant
Thème : Environnement et progrès
Lycée Colbert
Tourcoing
DOSSIER : L’ECLAIRAGE
INTELLIGENT ET INDEPENDANT
(Habitat individuel)
 Comment s’éclairer de façon respectueuse de l’environnement,
indépendamment d’EDF et en répondant aux besoins de l’utilisateur ?
I)
La captation de l’énergie : le photovoltaïque
1) Fonctionnement
Chaque jour, la terre reçoit sous forme d’énergie solaire l’équivalent de la
consommation électrique de 5.9 milliards de personnes pendant 27 ans.
La technologie photovoltaïque permet de transformer cette énergie en électricité.
Cette transformation s’effectue sans bruit, sans émission de gaz : elle est donc
par nature totalement propre. Par ailleurs, l’absence de mise en mouvement de
pièces mécaniques lui confère un niveau de fiabilité inégalable (durée de vie
moyenne d’un module estimée à plus de 30 ans.)
Une cellule photovoltaïque est principalement constitué à partir de silicium dopé
(semi-conducteur: jonction p-n  p : appauvrie en électrons ; n : enrichie en
électrons).
Lorsqu’une cellule est exposée au rayonnement électromagnétique solaire, les
photons de la lumière transmettent leur énergie aux atomes de la jonction. Cette
énergie permet aux électrons de se libérer des atomes, générant ainsi des
électrons (charges N) et des trous (charges P).
Ces charges sont alors maintenues séparées par un champ électrique qui
constitue une « barrière de potentiel ».
Une fois les charges P et N isolées, il suffit de fermer le circuit entre ces 2 zones
(P et N) pour mettre en mouvement les électrons et créer ainsi un courant
électrique.
Il existe un grand nombre de technologies mettant en oeuvre l’effet
photovoltaïque. La grande majorité est encore en phase de recherche. Les
principales technologies industrialisées en quantité à ce jour sont :
- le silicium cristallin
- le silicium en couche mince.
Nous nous intéresserons au silicium cristallin, étant donné que c’est la
technologie la plus utilisée dans le photovoltaïque.
Comment ça marche ?
L’ "effet photovoltaïque" est un phénomène physique propre à certains
matériaux appelés "semi-conducteurs", (le plus connu est le silicium utilisé pour
les composants électroniques).
Lorsque les "grains de lumière" (les photons) heurtent une surface mince de ces
matériaux, ils transfèrent leur énergie aux électrons de la matière (Silicium N).
Ceux-ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière (jonction
p-n), créant ainsi un courant électrique qui est recueilli par des fils métalliques
très fins. Ce courant peut être ajouté à celui provenant d’autres dispositifs
semblables de façon à atteindre la puissance désirée pour un usage donné.
Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque au silicium
Très fragile à l’état brut, le matériau photovoltaïque doit être protégé des
intempéries par un verre transparent et solide. Il peut être disposé soit en cellules
minces et plates découpées dans un lingot de silicium obtenu par fusion et
moulage, puis connectées les unes aux autres en série, soit en une mince couche
uniforme obtenue par projection de matériau réduit en fine poudre sur le verre.
Les capteurs les plus courants sont des panneaux rectangulaires de quelques
millimètres d’épaisseur, d’une surface comprise entre 0.5 et 3 m2 et pesant
quelques kilogrammes. Leurs performances sont variables selon la composition
du matériau photovoltaïque et la technologie utilisée. Arrivent aujourd’hui sur le
marché des produits plus élaborés tels que des tuiles, des ardoises ou des
éléments de façade qui rendent beaucoup plus facile l’intégration du
photovoltaïque dans la couverture extérieure des bâtiments.
Panneaux solaires autocollants (Californie)
Fabrication :
Pour protéger au mieux les cellules solaires des intempéries, elles sont réunies
dans un module solaire. Ce panneau solaire est constitué d’une face supérieure
en verre trempé parfaitement transparent et d’une face inférieure recouverte
d’un film spécial. Entre ces deux faces, les cellules solaires sont insérées dans
une masse étanche transparente et résistante aux UV. C’est l’encapsulation par
feuilletage de film polymérisé à chaud d’acétate de vinyle (EVA). Cette
technique d’encapsulation, très proche de la fabrication du verre blindé confère
à la structure du panneau solaire une excellente résistance aux impacts. Ensuite,
c’est l’assemblage avec joint d’étanchéité dans un cadre autoporteur en
aluminium anodisé permettant un montage aisé et la fixation de la boîte de
jonction destinée à recevoir le câblage nécessaire à l’exploitation du panneau
photovoltaïque.
Structure d’un module photovoltaïque
2) Intérêt
-La grande question est : Pourquoi passer à l’énergie solaire ? Que faut-il
savoir ?
 On a une forte augmentation du coût des énergies classiques (+20% en
l’espace d’un an)
 Les énergies fossiles s’épuisent
 Aides financières, rachat du kW
 Performance et fiabilité des technologies solaires
 Baisse du coût des modules (due à une augmentation de la production).
Si on se concentre uniquement sur l’éclairage, un seul panneau classique
(100Wc, 12V) pourrait suffire à couvrir les besoins en énergie. Mais cela dépend
de plusieurs choses tels que la situation géographique, la disposition du panneau
(angle d’incidence et angle d’inclinaison) et la quantité de lumière reçue.
Attention, la production d’électricité ne se faisant que lorsque le module est
éclairé, il est nécessaire d’utiliser une batterie pour pouvoir stocker le surplus
d’énergie et l’utiliser la nuit ou par temps couvert.
-Inconvénients ?
Contrairement à ce que l’on pourrait croire, l’énergie photovoltaïque n’est pas
totalement écologique car bien que le fonctionnement se fasse sans aucune
émission polluante, la fabrication de ces panneaux est très polluante et émet une
forte quantité de gaz à effet de serre. On pourra considérer que sur la durée, c’est
tout de même une énergie très peu polluante.
 La production d’électricité dépend de beaucoup de critères et la production
est souvent assez faible.
-Avantages
Source inépuisable
Accès gratuit
Performance et fiabilité
Pas de pollution pendant le fonctionnement
Silencieux
Le coût d’entretien est faible, surtout grâce au fait qu’aucune pièce n’est en
mouvement.
 Le module peut s’intégrer à l’architecture des bâtiments
Habitation avec module intégré à la toiture (Allemagne)
Définitions :
-Angle d’incidence :
Calcul de l’angle d’incidence idéal :
R (% du rendement) = sin (AI) x 100
30°  sin 30 x 100 = 50%
40°  sin 40 x 100 = 64,3%
50°  sin 50 x 100 = 76,6%
60°  sin 60 x 100 = 86,6%
70°  sin 70 x 100 = 94%
80°  sin 80 x 100 = 98,5 %
90°  sin 90 x 100 = 100%
Conclusion : Le rendement solaire n’est maximal que lorsque les rayons
solaires tapent la surface du panneau perpendiculairement
Angle d’incidence : Angle formé par les rayons solaires et la perpendiculaire à
la surface du panneau
Angle d’inclinaison : Angle formé par le panneau et l’horizontale.
Angle zénithal : Angle formé entre les rayons solaires et l’horizontale. Il varie
en fonction de la hauteur du soleil au dessus de l’horizon
 SI Angle d’incidence + Angle zénithal = 90°
ALORS le panneau est idéalement placé sur le plan vertical
Autres facteurs d’influence :
La température : Au plus la température est élevée, au plus le rendement
électrique est faible
La géographie : La position du module joue sur la production d’énergie. Par
exemple, un panneau placé près d’un grand arbre ne produira quasiment plus
d’électricité pendant tout l’intervalle de temps où l’ombre de cet arbre
recouvrira le panneau
Le Soleil et l’irradiation reçue : Le type de rayonnement et la position du
Soleil dans le ciel sont deux autres facteurs influant sur la production d’énergie
Irradiation annuelle globale sur une surface horizontale pour les pays de l'UE-25 (en kWh/m²)
En résumé :
 Le photovoltaïque a ses aspects positifs (renouvelable, non polluant,
fiable…) mais aussi quelques aspects moins réjouissants (fabrication
polluante, production irrégulière…).L’essentiel est de savoir faire les
calculs permettant de voir s’il est intéressant d’utiliser le photovoltaïque
comme alimentation : emplacement géographique, climat, éclairement
solaire, influence des angles vu ci-dessus…
 Puisqu’ ici le photovoltaïque ne sert qu’à alimenter l’éclairage de notre
habitat, il est très intéressant de l’utiliser que ça soit niveau prix ou niveau
énergie fournie mais il est nécessaire d’utiliser une batterie de capacité
suffisante afin de pouvoir réutiliser l’énergie cumulée la journée où
l’éclairage n’est pas fort utilisé pendant la nuit où le panneau solaire ne
produit plus d’électricité.
 Lorsque l’on accumule tous les facteurs qui affectent le rendement du
module, la production finale s’en retrouve grandement réduite.
II) Captation/émission de la lumière et traitement
du signal
1) Les photodiodes
Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter
un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.
Comme toute diode en électronique, elle est constituée d'une jonction PN. En
absence de polarisation (appelé mode photovoltaïque) elle génère une tension.
En polarisation inverse par une alimentation externe (mode photo ampérique),
elle génère un courant. On repère 3 régions distinctes :
- une zone de charge d'espace (ZCE)
- une région neutre de type N
- une région neutre de type P.
Quand un semi-conducteur est exposé à un flux lumineux, les photons sont
absorbés à condition que l’énergie du photon (Eph) soit supérieure à la largeur
de la bande interdite (Eg).
Photons : (symbolisé par la lettre γ) est la particule élémentaire médiatrice de
l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées
électriquement interagissent, cette interaction se traduit d’un point de vue
quantique, comme un échange de photons. Dans la conception actuelle de la
lumière, les ondes électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma en
passant par la lumière visible, sont toutes constituées de photons.
Lors de l’absorption d’un photon, deux phénomènes peuvent se produire :
La photo émission : c'est la sortie de l’électron hors du matériau photosensible.
L’électron ne peut sortir que s'il est excité près de la surface.
La photoconductivité : l’électron est libéré à l’intérieur du matériau. Les
électrons ainsi libérés contribuent à la conductivité électrique du matériau.
Symbole de la photodiode
Photodiode
2) Les DEL
Une DEL (Diode électroluminescente) ou plus souvent appelé LED (LightEmiting Diode) est un composant électronique (d’environ 5 cm de long) capable
d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une
diode ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens.
Elle possède une Anode ( + ) et une Cathode ( - ).
Vue de dessus d’une DEL
Vue de face d’une DEL
Représentation symbolique d’une DEL
L’intensité lumineuse générale des LED est assez faible, mais suffisante pour
la signalisation sur tableau, ou bien les feux de circulation (feux tricolores,
passages piétons). Les LED bleues sont également suffisamment puissantes pour
signaliser les bords de route, la nuit, aux abords des villes.
La couleur d’une LED peut être générée de différentes manières :
 coloration due à la longueur d’onde du semi-conducteur (capot
transparent) ;
 coloration modifiée par le capot de la diode (émission bleue ou UV +
revêtement à base de phosphores) ;
 Coloration par plusieurs émissions de longueur d’onde différentes : les
LED poly chromatiques. Elles permettent notamment de proposer une vaste
gamme de couleurs.
Une DEL possède une tension de seuil, c'est-à-dire la tension à partir de
laquelle des photons commencent à être émis par la DEL (et donc quand
elle commence à émettre de la lumière).
Tableau des couleurs de DEL en fonction de la longueur d’onde et de la
tension de seuil :
Couleur
Rouge
Orange
Jaune
Vert
Bleu
Violet
Longueur d’onde λ (nm)
610 < λ < 760
590 < λ < 610
570 < λ < 590
500 < λ < 570
450 < λ < 500
400 < λ < 450
Tension de seuil ∆v ( V )
1.63 < ∆v < 2.03
2.03 < ∆v < 2.10
2.10 < ∆v < 2.18
2.18 < ∆v < 2.48
2.48 < ∆v < 2.76
2.76 < ∆v < 3.10
3) Les ampoules à DEL
Les ampoules à DEL, sont des ampoules, composé de plusieurs DEL. Elles
augmentent la luminosité tout en garantissant une faible consommation, en effet
une ampoule a incandescence (ampoule habituelle) ne comme que 7% de
l’énergie totale pour produire de la lumière ! Les 93% restant étant perdus en
chaleur.
On a donc un important gaspillage d’énergie inutilement avec les ampoules a
incandescence.
Cette chaleur inutile fait, en plus de consommer inutilement de l’énergie, perdre
de l’espérance de vie a l’ampoule (Dut a l’alternance froid / chaud)
4) Les comparateurs/amplificateur opérationnel
C'est un amplificateur électronique qui amplifie une différence de potentiel
électrique présente à ses entrées. Il a été initialement conçu pour effectuer des
opérations mathématiques dans les calculateurs analogiques : il permettait de
modéliser les opérations mathématiques de base comme l'addition, la
soustraction, l'intégration, la dérivation et d'autres. Par la suite, l'amplificateur
opérationnel est utilisé dans bien d'autres applications comme la commande de
moteurs, la régulation de tension, les sources de courants ou encore les
oscillateurs.
Dans notre TPE et plus particulièrement notre circuit, on l’utilisera comme
régulateur de tension, afin de comparer la tension émise par la photodiode et les
tensions requise pour allumer les différentes paires de DEL.
Exemple : Notre amplificateur opérationnel étant alimenté en 15V, si la tension
envoyée par la photodiode est inférieur à la tension de référence défini par les
résistances, l’amplificateur enverra une tension de -15V, par contre, si cette
tension est supérieur a celle défini par les résistances, l’amplificateur enverra du
+15V, permettant d’alimenter correctement les paires de diodes.
Le TL084 (amplificateur utilisé dans notre tpe), est en fait un amplificateur
composé de quatre amplificateurs, permettant plusieurs comparaisons de
tension.
Schéma électrique du TL084
III) Réalisation
1) Concept
Elle consiste à allumer, en fonction de l’intensité de la lumière présente, un
nombre de DEL défini de manière à ce que la luminosité soit toujours optimale
et sans gaspillage d’énergie.
-> Beaucoup de DEL sont allumées lorsque la luminosité est insuffisant
-> Peu de DEL sont allumées lorsque la lumière présente dans la pièce est
suffisante.
1)
2)
3)
4)
 Photodiode
 Amplificateur opérationnel (TL084)
 Diviseur de tension (Enchaînement de résistances)
 DEL à allumer
2) But
Avoir une luminosité toujours constante dans la pièce dans le but de
s’adapter au besoin en lumières de l’utilisateur, sans gaspillage d’énergie.
3) Fonctionnement
La photodiode, alimentée en 15V, capte une certaine intensité lumineuse,
et produit une tension, proportionnelle à la lumière reçue.
Cette intensité est envoyée au 4 comparateur du TL084, qui va comparer
cette tension au 4 tensions de références que nous avons fixés avec le
diviseur de tension.
Le diviseur de tension est un enchaînement de résistances, nous
permettant de passer de +15V aux 4 tension voulues.
Ce diviseur est définit par la formule avec deux résistances :
R2
U sortieU entrée 
R1  R2
Ce diviseur est définit par la formule avec plusieurs résistances :
U sortieU entrée 
R2 R3
R1 R2  R1 R3  R2 R3
Ainsi de suite pour d’autres résistances.
Nos 4 tensions de référence sont : 13V, 8V, 4V, 1V
Ce qui fait 4 résistance s de :1.33k, 3.33k, 2.6k, 2k
Le comparateur laisse donc passer du +15V ou du -15V selon la tension reçue.
Si il envoi du +15V, la DEL (ou l’ampoule) s’allume. Si il envoi du -15, le
système reste éteint.
A l’échelle d’une maison, ce système est donc très rentable,
ainsi qu’écologique et économique. En effet, tous les
composants ont été choisis de manière à ce qu’ils soient peu
gourmant en énergie. Notre système permet donc de s’éclairer
de façon adaptée aux besoins de l’utilisateur. Faisans faire a
l’utilisateur de grandes économies d’énergie, et donc d’argent,
du fait qu’il soit totalement autonome, alimenté par des
panneaux solaires.
Ce système correspond donc parfaitement à notre
problématique.
Le Groupe
Nous remercions les professeurs pour leur aide et le lecteur pour avoir pris le
temps de s’intéresser à notre travail. 