Utiliser l`énergie photovoltaïque au lycée

Terminale science de l’ingénieur
Lycée George Brassens
1
Sommaire :
I. Présentation du projet :
II. Le photovoltaïque :
III. La recherche dans le solaire :
Page 4
Page 5
Page 5
IV. Mise en œuvre des panneaux :
1. Présentation des panneaux utilisés
Page 8
2. Mesures
Page 9
3. Exploitation des mesures
Page 15
4. Calcul du rendement
Page 16
V. Réalisation du projet :
1. Cahier des charges
Page 16
2. Mesure de la puissance consommée par l’ordinateur
et le vidéo projecteur
Page 16
3. Choix du matériel
Page 18
4. Montage et essais
Page 20
5. Problèmes rencontrés
Page 20
VI. Conclusion :
Page 22
VII. Annexe :
1. Le moteur Stirling
Page 23
2. Documentation technique
Page 25
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Lycée George Brassens
2
Présentation générale :
Nous sommes un groupe de cinq élèves de terminale scientifique option
Sciences de l’Ingénieur au lycée George Brassens de Bagnols sur Cèze dans
le département du Gard :
- Breton Jim,
- Carbonnel Grégory,
- Guasch Mari Rémy,
- Marboeuf Jeremy,
- Maurin Adrian.
Les professeurs encadrant notre projet sont :
- Mme Bruyère,
- M. Agniel.
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3
I. Présentation du projet :
Nous voulons faire fonctionner un ordinateur portable et son vidéo projecteur,
librement, sans nous soucier d’un emplacement précis lié aux câbles d’alimentation.
Cela entraîne la conception d’une installation avec des batteries rechargeables. Elles
seront chargées à l’aide de deux panneaux photovoltaïques. Cette énergie solaire nous
est profitable du fait de la situation géographique de notre lycée (voir photo ci-dessous).
Elle participe au développement durable sachant que les énergies fossiles vont s’épuiser
à plus ou moins court terme (#50ans). De plus, cette énergie ne pollue pas lors de son
utilisation, contrairement aux énergies fossiles ! Néanmoins une pollution est engendrée
lors de la fabrication des panneaux en silicium.
Bagnols sur Cèze
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4
II. Le photovoltaïque
:
Les panneaux solaires photovoltaïques convertissent directement la lumière du
soleil en électricité. Ils produisent un courant continu, soit le même courant que
produisent les piles et les batteries. On peut convertir le courant continu en courant
alternatif au moyen d’un dispositif appelé onduleur.
Le photovoltaïque utilise l’énergie des photons de la lumière. Ceux-ci traversent une
fine couche de silicium dopée N (semi-conducteur). A la jonction des deux couches de
silicium (couche dopée N et couche dopée P), les photons apportent de l’énergie
supplémentaire aux électrons du semi-conducteur qui sont arrachés et deviennent libres.
Cela permet la création d’un courant dans un circuit extérieur.
L’énergie des photons est donc convertie en énergie électrique.
III. La recherche dans le solaire : Visite du centre de recherche
PROMES à Odeillo et Perpignan
1. Programme de la journée :
- Départ de Bagnols sur Cèze à 7h00.
- Visite du four solaire d’Odeillo dans les Pyrénées de 11h00 a 13h00.
- Visite du laboratoire PROMES de Perpignan de 16h00 à 18h30.
- Retour à Bagnols sur Cèze.
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5
2. Déroulement des visites :
Dès notre arrivée sur Odeillo, nous avons été pris en charge par une équipe de
chercheurs. Ils nous ont présenté :
le moteur solaire Sterling :
Le soleil chauffe une masse de gaz à volume constant et donc pousse un
piston, puis on refroidit le gaz pour le détendre. Et ainsi de suite …
(fonctionnement détaillé en annexe page 23).
Ce moteur qui a été utilisé dans des sous-marins suédois, permettra
d’alimenter des zones hors réseau électrique.
le four solaire :
Visite de la salle de commande des 63 héliostats et démonstration ; leur
orientation varie automatiquement en fonction de la position du soleil pour
renvoyer les rayons sur le grand miroir parabolique.
Visite de la salle d’expérimentation se situant derrière le foyer où tous les
rayons sont concentrés sur un cercle de 80cm de diamètre. Ils obtiennent
ainsi une concentration de 8500 soleils (rapport surface parabole/surface
disque au foyer), ce qui permet d’atteindre rapidement de très hautes
températures et de tester des matériaux pour l’espace, la recherche
industrielle ….
Miroir parabolique
Salle de commande
Foyer et salle
d’expérimentation
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6
leurs travaux de recherche sur la création d’hydrogène grâce au solaire :
L’objectif de cette recherche est de fournir des réserves d’hydrogène à
partir de l’eau, à moindre coût que l’électrolyse afin d’en produire en
grosse quantité pour alimenter les futurs moteurs à hydrogène.
leurs travaux sur les cellules photovoltaïques nouvelle génération :
Ce sont des cellules multicouches avec différents semi-conducteurs afin
d’utiliser toutes les longueurs d’onde du spectre solaire pour améliorer leur
rendement. En effet les cellules en silicium n’utilisent qu’une petite partie
du spectre, d’où leur faible rendement.
Nous sommes ensuite descendus sur le laboratoire de Perpignan où le directeur
adjoint M. Dollet nous a accueillis et nous a présenté le fonctionnement du laboratoire
PROMES (PROcédé, Matériaux et Energie Solaire). Des équipes (44 chercheurs au
total) travaillent sur 3 axes :
Interaction haut flux solaires/matière :
Cela permet de déterminer les propriétés de surface et l’interaction avec
l’environnement de certains matériaux, comme ceux utilisés pour les
boucliers thermiques dans l’espace.
Matériaux pour l’énergie :
Cela permet de synthétiser de nouveaux matériaux pour le transport ionique
(plasmas), le stockage d'énergie, la conversion photovoltaïque, le
confinement de déchets nucléaires.
Transformation, stockage et transport d'énergie :
Cela permet de capturer et de stocker du CO2, augmenter l'efficacité
énergétique, produire des vecteurs d'énergies (comme l’hydrogène par
exemple).
A l'extérieur du laboratoire, M. Dollet nous a montré leur installation photovoltaïque
adaptée à l'architecture du bâtiment. Elle comporte des panneaux à différentes
inclinaisons et des panneaux verticaux qui alimentent le centre de recherche en
électricité, sans renvoi sur le réseau.
Un de leurs élèves de thèse nous a présenté son travail sur le transport d'énergie
chaud/froid. Son système comporte deux cartouches de gaz : lorsque la vanne est
ouverte, le gaz en se libérant, réchauffe l’une et refroidit l’autre ; en refermant cette
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même vanne, les deux cartouches reviennent à température ambiante.
Après une longue journée, riche en enseignements, nous avons quitté Perpignan pour
rejoindre Bagnols sur Cèze.
IV. Mise en œuvre des panneaux :
1. Présentation des panneaux utilisés :
Nous avons choisi des panneaux solaires PWX500 de chez PHOTOWATT car
une maquette utilisant ces panneaux est présente dans le laboratoire et nous permettait
d’en disposer rapidement.
Documentation technique (Voir annexe B page 25)
Nous avons branchés les 2 panneaux en parallèle pour augmenter l’ampérage en
gardant la même tension (12V adaptés au onduleur).
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2. Mesures des caractéristiques des panneaux :
L’expérimentation a été réalisée avec les 2 panneaux PWX500 montés en
parallèle.
Schéma de câblage :
Ampèremètre mx53c
I1
I2
I1+I2=Ip
Diode
A
Up
V
Panneaux solaires
Pwx 500
Potentiomètre
50 Ohm 5A
Voltmètre mx53c
Plusieurs mesures ont été réalisées en extérieur en fonction de l’inclinaison des
panneaux par rapport à l’horizontale (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°) pour déterminer
les caractéristiques Up= f (Ip) et Pp=f (Up), et ainsi déterminer le rendement des
panneaux :
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Essai 1 :
Le 13-10-06 à 13h00 Bagnols sur Cèze
Orientation: Plein sud
Inclinaison: 90 °
Temps: soleil
Eclairement 68 400 lux
Ipv (A)
3,4
2,6
2,335
1,938
1,474
1,055
0,872
0,77
0,692
0,586
0,503
0,429
0,36
Vpv (V)
0,49
14,3
15,6
16,719
17,63
18,25
18,436
18,535
18,606
18,683
18,765
18,83
18,888
Ppv(W)
1,666
37,18
36,426
32,401422
25,98662
19,25375
16,076192
14,27195
12,875352
10,948238
9,438795
8,07807
6,79968
Essai 2 :
Le 13-10-06 à 13h10 Bagnols sur Cèze
Orientation: plein sud
Inclinaison: 75°
Temps: beau
Eclairement 87500 lux
Ipv (A)
4,854
4,413
4,01
2,925
2,145
1,553
1,328
1,056
0,788
0,702
0,644
0,53
0,364
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Vpv (V)
0,5409
8,212
14,658
16,878
17,705
18,221
18,375
18,563
18,757
18,812
18,845
18,918
19,035
Ppv(W)
2,6255286
36,239556
58,77858
49,36815
37,977225
28,297213
24,402
19,602528
14,780516
13,206024
12,13618
10,02654
6,92874
10
Essai 3 :
Le 13-10-06 à 13h15 Bagnols sur Cèze
Orientation: plein sud
Inclinaison: 60°
Temps: beau
Eclairement 102300 lux
Ipv (A)
3,551
3,213
1,945
1,254
1,024
0,842
0,718
0,622
0,531
0,5
0,465
0,419
Vpv (V)
0,476
16,846
17,985
18,476
18,63
18,748
18,823
18,87
18,917
18,927
18,938
18,968
Ppv(W)
1,690276
54,126198
34,980825
23,168904
19,07712
15,785816
13,514914
11,73714
10,044927
9,4635
8,80617
7,947592
Essai 4 :
Le 13-10-06 à 13h20 Bagnols sur Cèze
Orientation: plein sud
Inclinaison: 45°
Temps: beau
Eclairement 105 500 lux
Ipv (A)
5,478
3,912
2,384
1,84
1,237
0,962
0,787
0,608
0,53
0,496
0,453
0,406
0,36
Terminale science de l’ingénieur
Lycée George Brassens
Vpv (V)
0,783
16,103
17,58
17,986
18,391
18,573
18,675
18,784
18,83
18,84
18,844
18,848
18,865
Ppv(W)
4,289274
62,994936
41,91072
33,09424
22,749667
17,867226
14,697225
11,420672
9,9799
9,34464
8,536332
7,652288
6,7914
11
Courbes récapitulatives :
Intensité fournie par les panneaux en fonction de la tension et de l’inclinaison des
panneaux :
Ipv=f(Vpv)
6
5
essai 1
essai 2
essai 3
essai 4
Ipv[A]
4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
Vpv[V]
Puissance fournie par les panneaux en fonction de la tension et de l’inclinaison des
panneaux :
Ppv[W]
Ppv=f(Vpv)
70
60
50
40
30
20
10
0
essai 1
essai 2
essai3
essai 4
0
5
10
15
20
Vpv[V]
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12
Essai 1 :
Le 13-10-06 à 13 h 25 Bagnols sur Cèze
Orientation: plein sud
Inclinaison: 30 °
Temps: soleil
Eclairement 105800 lux
Ipv (A)
5,491
4,55
2,978
2,131
1,289
0,967
0,788
0,686
0,589
0,537
0,48
0,442
0,358
Vpv (V)
0,803
14,931
16,908
17,598
18,204
18,413
18,523
18,563
18,633
18,659
18,684
18,704
18,739
Ppv(W)
4,409273
67,93605
50,352024
37,501338
23,464956
17,805371
14,596124
12,734218
10,974837
10,019883
8,96832
8,267168
6,708562
Essai 2 :
Le 13-10-06 à 13 h 30 Bagnols sur Cèze
Orientation: plein sud
Inclinaison: 15°
Temps: soleil
Eclairement 97000 lux
Ipv (A)
5,147
4,127
2,442
1,486
0,948
0,763
0,56
0,538
0,497
0,465
0,433
0,396
0,356
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Vpv (V)
0,745
15,036
17,073
17,831
18,208
18,32
18,478
18,493
18,529
18,55
18,57
18,594
18,62
Ppv(W)
3,834515
62,053572
41,692266
26,496866
17,261184
13,97816
10,34768
9,949234
9,208913
8,62575
8,04081
7,363224
6,62872
13
Essai 4 :
Le 13-10-06 à 13 h 35 Bagnols sur Cèze
Orientation: plein sud
Inclinaison: 0°
Temps: soleil
Eclairement 105800 lux
Ipv (A)
4,505
3,161
2
1,35
1,057
0,83
0,67
0,591
0,515
0,476
0,406
0,373
0,353
Vpv (V)
0,647
15,912
17,16
17,71
17,938
18,113
18,231
18,289
18,336
18,387
18,427
18,456
18,47
Ppv(W)
2,914735
50,297832
34,32
23,9085
18,960466
15,03379
12,21477
10,808799
9,44304
8,752212
7,481362
6,884088
6,51991
Courbes récapitulatives :
Intensité fournie par les panneaux en fonction de la tension et de l’inclinaison des
panneaux :
Ipv=f(Vpv)
6
5
Ipv[A]
4
essai 1
essai 2
essai 3
essai 4
3
2
1
0
0
5
10
15
20
Vpv[V]
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14
Puissance fournie par les panneaux en fonction de la tension et de l’inclinaison des
panneaux :
Ppv=f(Vpv)
80
70
Ppv[W]
60
essai 1
essai 2
essai3
essai 4
50
40
30
20
10
0
0
5
10
Vpv[V]
15
20
3. Exploitation des courbes
Les différentes courbes nous permettent de choisir la meilleure inclinaison des
panneaux en fonction de la puissance maximale et de la latitude de Bagnols sur Cèze
(Donnée point GPS : 44°09’48’’ Nord ; 4°37’14’’ Est).
Inclinaison
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
Puissance maximale
50.28 W
62.05 W
67.94 W
63 W
54.13 W
58.78 W
32.4 W
A la vue des puissances maximales obtenues et de la latitude de Bagnols sur
Cèze, l’inclinaison choisie est de 45°.
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15
4. Calcul du rendement à la position 45°:
L’intensité lumineuse reçue est mesurée en lux. On sait que
100 000 lux = 994 W/m².
On prend l’inclinaison à 45° car on a pu s’apercevoir que c’était avec cette inclinaison
qu’on obtenait une des plus grandes puissances de sortie (63W), les mesures ont été
effectuées à 105 500 lux.
Conversion en W/m² :
(105 500 x 994) / 100 000=1 047 W/m²
Nos panneaux ayant une superficie de 0.75m², on obtient une puissance lumineuse reçue
par les panneaux notée Pr.
Pr = 1 047 x 0.75 = 776 W
On peut calculer le rendement :
Rendement = Pmax / Pr
= 63 / 776
= 8,10 %
V. Réalisation du projet :
1. Cahier des charges :
Nous voulons disposer d’une source d’énergie électrique 230V/50Hz pour
alimenter un ordinateur portable et un vidéo projecteur à raison de 2 h d’utilisation
journalière. Par ailleurs nous souhaitons avoir un dispositif de recharge des batteries à
l’aide de panneaux solaires.
2. Mesure de la puissance consommée par l’ordinateur et le vidéo projecteur :
Nous avons utilisé le matériel suivant :
-Rétroprojecteur EMPS3 Epson,
-Un ordinateur portable.
Nous avons réalisé la mesure de la puissance consommée par ces 2 appareils à l’aide
d’un wattmètre branché sur le cordon d’une multiprise qui alimente ensuite le dispositif.
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16
Ordinateur ayant servi aux
mesures
Vidéo projecteur ayant
servi aux mesures
Wattmètre ayant
servi aux mesures
Valeurs relevées:
Puissance Consommée
Intensité Consommée
Tension
210 W
1.05 A
226 V
Ces relevés vont nous permettre de dimensionner les autres matériels
nécessaires à notre projet.
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3. Choix des matériels :
- choix de l’onduleur
L’onduleur convertit la tension continue de 12V issue de la batterie en tension
alternative 230V permettant à l’ordinateur et au vidéo projecteur de fonctionner.
La puissance consommée étant de 210W, l’onduleur nécessaire pour alimenter
l’ordinateur et le vidéo projecteur doit avoir une puissance supérieure à celle-ci.
Choix : réf onduleur : EPC-12-0300 12V 300W
- choix batteries
Besoin : 210W
Temps d’utilisation : 2h/jour
Durée d’une batterie : 1 jour
Une batterie doit donc fournir 210 x 2 = 420 Wh.
Capacité nécessaire sachant que la batterie délivre 12V :
Q = E/U = 420/12 = 35 Ah.
Pour un fonctionnement optimal, la batterie ne doit pas être déchargée à 100%, mais à
80% maximum donc 35Ah représente 80% de la batterie.
Donc il faut une batterie de capacité minimale : Q= (100x35)/80 = 44 Ah.
On choisit donc 2 batteries de 60 Ah que l’on commande chez CONRAD.
Calcul du temps de charge :
Nous cherchons à déterminer le temps de recharge d’une batterie.
En un jour, la batterie est déchargée de 35 Ah :
(puissance consommée 210x2 (h/jour) =420Wh, 420/12(tension batterie)=35Ah )
Il faut donc recharger la batterie de 35Ah. Les panneaux fournissent Pmax = 63 W
La batterie est alimentée sous 12V, donc les panneaux fournissent une intensité I :
I = 63/12 = 5.25 A
On calcule ainsi le temps nécessaire pour fournir 35Ah
t = 35/5.2 = 6.7 h
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18
Nous n’avons pas tenu compte du rendement du régulateur, il en résulterait un temps de
charge un peu plus long.
Nous avons le choix entre des batteries au plomb ou des batteries solaires. Nous
avons choisi, et c’est logique, deux batteries solaires. Il y a 2 raisons à ce choix. La
première est la composition des batteries en elle même car une batterie solaire contient
un électrolyte gélifié, ce qui l’empêche de geler, et elle n’a pas besoin d’entretien.
La deuxième raison est que les conditions typiques d’utilisation d’une batterie
solaire sont très différentes de celles d’une batterie de démarrage. La batterie à décharge
profonde (ou batterie solaire) oscille lentement entre des niveaux de pleine charge et de
décharge maximale admissible tandis que la batterie de démarrage est rechargée
immédiatement après utilisation par l’alternateur. Les plaques (électrodes) de la batterie
à décharge profonde sont plus épaisses que celles de la batterie de démarrage et sont
fabriquées dans un alliage plus dense et plus élaboré. Leur surface sont aussi plus
réduites, elles ne peuvent donc pas produire de forts courants instantanément ; ce qui
justifie l’interdiction d’utiliser même occasionnellement une batterie stationnaire pour
démarrer le moteur d’un véhicule (risque de détérioration dès la première utilisation).
Les plaques (toujours planes et minces) d’une batterie de démarrage se dégradent à une
vitesse impressionnante si elles sont soumises à des décharges profondes. Cette batterie
subit des dommages dès que la décharge atteint 50% de la capacité nominale, c’est
pourquoi elles ne conviennent pas aux systèmes photovoltaïques.
- choix du régulateur
Réf : Régulateur solaire 12/24V 6.3A 98/88/35mm 120g
Le rôle du régulateur est de protéger la batterie contre les décharges profondes et les
surcharges de celle-ci.
On a choisi ce régulateur car son ampérage est idéal dans notre situation. Il possède un
témoin de contrôle à DEL, et son courant de charge maximum est de 6,3A. Grâce à ce
régulateur solaire la batterie reste en fonctionnement jusqu'à atteindre un seuil d’arrêt de
décharge profonde. Pour les calculs, voir précédemment.
- choix connectique
Nous avions besoin de câbles pour connecter la batterie et le régulateur solaire.
Grâce à la section et à la longueur de câble correctes, un minimum de pertes de
puissance est garanti. Longueur de câble 2 x 1.5 m
Accessoires divers : colliers, connecteurs rapides.
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19
4. Montage et essai
On câble les panneaux solaires au régulateur puis celui-ci à la batterie afin de la
recharger. Une fois chargée, nous la branchons à l’onduleur par l’intermédiaire du
régulateur afin de faire fonctionner le vidéo projecteur avec et l’ordinateur : ça
marche …ou presque !
5. Résolution des problèmes rencontrés
Au cours des essais, l’onduleur s’est mis en alarme. Après vérification dans la
documentation, celui-ci se met en alarme quand la tension de la batterie devient
inférieure à 10.5 V. Nous avons effectué des mesures de tension et d’intensité côté
continu :
Vidéoprojecteur
Ordinateur portable
Total
Intensité ( A )
20
7
27
Tension (V )
12
12
12
Puissance (W )
230
80
310
-REGULATEUR :
On a une puissance de 310 W côté continu. Ce qui donne une intensité de 26 A.
Donc un régulateur ayant un calibre d’au moins 26 A sera nécessaire lors de la décharge
de la batterie.
Référence du matériel choisi : régulateur série SC sans afficheur et sans interface 30 A.
-ONDULEUR :
Cette puissance côté continu nous permet de déterminer le rendement de
l’onduleur.
Onduleur
Pentrée=310 W
Psortie=230 W
η = 230 ÷ 310 = 0.74 ≈ 74 %
Ce rendement trouvé est infèrieur au rendement théorique de plus de 90% annoncé par
le constructeur. Ce qui augmente l’intensité demandée côté continu.
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-BAISSE DE TENSION BATTERIE :
Le modèle électrique de la batterie est le suivant :
R
U batterie
E
D’après les caractéristiques techniques, la capacité réelle pour une heure de
fonctionnement est de 30 Ah. Ce qui nous permet de calculer la résistance R interne de
notre batterie.
On pose : E = 12 V ; Ubatterie = 10.5 V ; I=30 A
d’où R = (E - Ubatterie) ÷ I = (12 - 10.5) ÷ 30 = 0.05 Ω
Vérification de la tension batterie avec le courant total absorbé par notre dispositif :
Ubatterie = E – RI = 12 - (27×0.05)
= 10.65 V
Ceci est un calcul théorique mais qui est proche de 10.5 V obtenu en pratique d’où la
mise en défaut de l’onduleur.
-CONCLUSION :
On peut conclure que si le courant côté continu est trop élevé la tension batterie
chute et devient trop faible pour l’onduleur.
Solutions envisagées : - baisser la consommation de notre dispositif ( ce qui est
en désaccord avec nos besoins ).
- augmenter la capacité batterie ( mais problème de poids
pour la mobilité et le coût ).
- utiliser nos deux batteries en parallèle pour fournir une
intensité plus élevée en restant à 12 V.
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Nos problèmes provenaient de la partie continue qui a été négligée au départ
du fait d’un défaut d’information au niveau du matériel utilisé.
La solution envisagée ne permettra pas l’utilisation de notre dispositif tous
les jours.
VI. Conclusion :
Les élèves de Terminale Scientifique avec option sciences de l’ingénieur ont une
épreuve au bac nommée PPE (projet pluridisciplinaire encadré). Nous avons choisi de
continuer notre projet dans le cadre de ces PPE en concevant et réalisant des supports
pour les panneaux solaires que nous disposerons sur le toit du laboratoire des sciences
de notre lycée. Si ce système donne satisfaction il sera développé dans d’autres
bâtiments de notre lycée, notamment sur les futurs ateliers.
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VII. Annexes :
A- Le moteur Stirling :
Une masse de gaz évolue en circuit fermé dans un ou plusieurs cylindres (étanches). Au
cour du cycle moteur elle subit d’abord une compression isotherme. Chauffés à volume
constant elle se détend iso thermiquement au cour de la phase suivante en repoussant le
piston auquel elle fournit le travail moteur. Enfin elle se refroidit à valeur constante, et
le cycle recommence. L’énergie calorifique qui sert à échauffer la masse gazeuse est
fournie par la chambre de combustion interne indépendante, est transmise par
l’échangeur qui en récupère une partie au cour de la 4e phase. On peut théoriquement
employer n’importe quel combustible.
- avantages : Peu polluant, peu bruyant et consommation plus faible ( # 30% ).
- inconvénients : Encombrement, cependant Philips a pu loger un moteur de 17 ch. dans
une boite de 30 cm de côté.
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Arrivé de l’hydrogène sous pression
Piston
Circuit d’eau froide
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B- Documentation technique des panneaux solaires
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