Expérience 4 Quelle est l`évolution de la tension à vide et du courant
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http://www.gymnase-morges.ch/docs/PROTOCOLE/intro.html Expérience 4 Quelle est l'évolution de la tension à vide et du courant d'une cellule photovoltaïque lorsque l'on varie l'intensité lumineuse? Marche à suivre: Puisqu'il s'agit de mesurer la tension à vide et le courant en fonction de l'intensité lumineuse, nous varions celle-ci en modifiant la distance cellule-source de lumière. Pour chaque mesure, nous allons dans un premier temps mesurer l'intensité lumineuse en [Lux] à l'aide de la sonde, puis nous mesurons la tension à vide et le courant produit par la cellule photovoltaïque. Nous établissons ensuite un graphique représentant courant et tension à vide en fonction de l'intensité lumineuse. Graphique: Constats: On constate que l'intensité du courant est représentée par une droite; cela signifie que le courant est proportionnel à l'intensité lumineuse. En effet, le nombre de charges qui passent dans la cellule photovoltaïque dépend de la quantité de lumière qui y parvient, or le courant se définit comme le nombre de charges par unité de temps. Ainsi, plus il y a de lumière, plus il y a de charges et plus l'intensité du courant est grande. Quant à la tension à vide, nous remarquons qu'elle est indépendante de l'intensité lumineuse, car, à faible luminosité, elle atteint déjà presque son maximum, et n'augmente alors que très légèrement. Cela s'explique par la dépendance de la tension à vide à la densité en charges, et non pas à la quantité de charges. Expérience 5: La tension U d'une cellule solaire photovoltaïque dépend-elle de la surface cellulaire éclairée? Et qu'en est-il du courant? Marche à suivre: Nous allons mesurer l'intensité du courant et de la tension en recouvrant progressivement la cellule photovoltaïque avec une surface opaque. Le spot se trouve à une distance de 35 centimètres de la cellule, ce qui équivaut à une luminosité de 3700 [Lx]. Graphique: Constats: Pour ce qui est de la tension, sa valeur est pratiquement indépendante de la grandeur de la surface éclairée. Par contre, l'intensité du courant mesuré est directement proportionnelle à la surface de cellule éclairée: ainsi, une cellule à demi-obscurcie produira une tension égale à sa valeur en plein éclairement, et un courant d'une intensité réduite de moitié ! Expérience 6 La tension et l'intensité d'un courant produits par une cellule photovoltaïque varient-elles selon l'angle d'incidence des rayons d'éclairement de la cellule ? Marche à suivre: Il s'agira de relever les valeurs de la tension et du courant produits par la cellule en variant l'angle d'éclairement de ladite cellule. Mesures: Calculs: L'intensité du courant et la tension produits par la cellule photovoltaïque varient selon le sinus de l'angle d'éclairement de la lumière. Ainsi, nous avons les relations de calculs suivantes: sin(angle d'éclairement[°]) ï tension fournie [mV] = tension produite [mV] sin(angle d'éclairement [°]) ï courant fourni [µA]= courant produit [µA] Résultats: Graphique: Constats: Graphiquement, l'on note encore une fois la dépendance linéaire du courant avec l'intensité lumineuse, mais surtout, on constate la diminution linéaire de la tension et du courant avec l'augmentation de l'angle d'incidence Les valeurs mesurées de tensions et d'intensités de courant divergent passablement de celles calculées, particulièrement en ce qui concerne la tension. Pour ce qui est de l'intensité, les erreurs ne sont que de l'ordre de un ou deux milliampères. Nous pouvons ainsi affirmer que la tension et le courant varient linéairement avec l'angle d'incidence. Il est à préciser que si cette linéarité n'est pas bien visible sur les graphiques, c'est à cause de l'indice de réflexion du plastique recouvrant la cellule voltaïque. En effet, ce dernier a tendance à réfléchir une partie des rayons lumineux incidents, ce qui provoque une baisse accentuée de la tension et de l'intensité. Ce phénomène expliquerait les différences relatives aux tensions relevées et calculées. De plus, nous devons encore préciser que, du fait que nous n'avons pas réalisé notre expérience dans une obscurité totale, la lumière ambiante aura probablement perturbé nos relevés. Expérience 7: Comment évoluent la tension à vide et l'intensité du courant de deux cellules photovoltaïques montées en parallèle, puis en série ? Marche à suivre: La source lumineuse est placée à 35 [cm] en face d'une première cellule photovoltaïque. La seconde cellule est située de côté et orientée de manière à recevoir un maximum de lumière. Pour une intensité lumineuse de 3700 [Lx], on mesure la tension à vide et le courant produits par chaque cellule individuellement, puis lorsque l'on branche les deux cellules en parallèle et en série. Mesures: Constat: En ce qui concerne les cellules montées en parallèle, l'on remarque que la tension à vide vaut approximativement la moyenne des tensions de chaque cellule. Le courant, lui, est égal à la somme des intensités du courant des deux cellules. A l'opposé, lorsque les deux cellule photovoltaïques sont branchées en série, la tension à vide est l'addition des tensions de chaque cellule et le courant vaut la moyenne de leurs intensités. Ces résultats contraires entre courant et tension sont logiques: en effet, les lois conventionnelles de la physique montrent bien les capacités associatives de la tension. Pour ce qui est du courant, l'addition des intensités en parallèle se justifie par la conservation de la charge. Expérience 8: Quelle est l'influence d'une semi-obstruction des modules photovoltaïques relativement au courant et à la tension à vide qu'ils produisent lorsqu'ils sont montés en parallèle ou en série ? Marche à suivre: Le montage est semblable à celui de l'expérience précédente. On mesure d'abord la tension et l'intensité du courant des deux cellules individuellement, sans les obscurcir. Ensuite, elles sont branchées en parallèle, en série, et l'on note leur tension et courant sans cache; de là, une moitié de chacune des cellules est obstruée, et l'on effectue à nouveau les mesures pour chaque couplage, comme à l'expérience 5. Ainsi, on obtient trois mesures de tensions à vide, et trois mesures d'intensités du courant pour chaque montage; les premières pour les deux cellules pleinement éclairées, les secondes alors que la première cellule est masquée, et les dernières quand il s'agit de la seconde cellule que l'on recouvre de moitié. Mesures: Constats: Le comportement des deux circuits est assez différent en raison de leurs montages: dans le cas d'un circuit en parallèle, la tension des deux cellules est identique, le courant varie et on additionne les tensions des deux cellules. Pour la cellule obscurcie, le comportement est naturel, puisque la tension ne varie pas de façon importante, tel qu'indiqué dans l'expérience 5. Pour un circuit en série, le courant est constant et la tension varie; on mesure alors la tension totale. Afin de déterminer le montage le plus adéquat, on comparera d'abord la puissance des différents montages: leurs puissances s'avérent cependant relativement équivalentes, puisque l'on ne mesure qu'une différence d'un pour-cent environ. Le montage final doit donc être choisi en fonction de la tension et du courant désiré. Une configuration en parralèle semble ainsi préférable, car son comportement est plus proche du cas avec une seule cellule, le risque de surcharge étant de plus réduit. Expérience 9: Quelle est l'évolution comparée de la tension et du courant d'une cellule photovoltaïque à différentes intensités lumineuses ? Marche à suivre: Il s'agit, à des intensités lumineuses de 3000, 6000 et 9000 [Lx], de varier la résistance et de relever les valeurs des tensions et des courants respectifs. Graphiques: Constats: Nous constatons, pour les trois intensités lumineuses, que la tension augmente et le courant diminue en fonction de l'augmentation de la résistance. Ainsi, on comprend que la loi d'Ohm U=RI s'applique tout à fait aux cellules photovoltaïques. Contrairement à ce que nous nous attendions à voir, les courbes du graphique ne sont pas linéaires comme la formule le laisserait supposer. En effet, un deuxième facteur entre en ligne de compte. La cellule photovoltaïque est capable de produire une certaine tension, pas plus (la tension à vide de la cellule). Lorsque nous augmentons la résistance, la tension augmente, mais plus elle se rapproche de la tension à vide de la cellule, plus elle « peine » à augmenter. Et, comme nous pouvons le constater, les trois courbes du graphique tendent à environ 500 voltes quand le courant tend vers zéro. Expérience 10 Comment évoluent le courant et la tension d'une cellule photovoltaïque, en fonction de la température ? Marche à suivre: La cellule photovoltaïque est disposée dans un bac en Plexiglas à une distance fixe de la source lumineuse. On remplit tour à tour le récipient avec de l'eau à 50 [°C], 40 [°C] et 20 [°C]. A chaque température, on varie la résistance de charge et on mesure l'intensité du courant et la tension. Schéma Graphique: Constat: Le rendement de la cellule baisse avec l'augmentation de la température. On voit que le meilleur rendement est obtenu à 22°C et le plus mauvais à 50°C. Il est d'ailleurs intéressant de relever que la température, contrairement à l'intensité lumineuse, n'a presque pas d'influence sur le court-circuit, mais en a par contre une grande sur la tension à vide. Expérience 11 Comment varient les tensions et intensités du courant de charge et de décharge d'un accumulateur chargé par quatre cellules photovoltaïques ? Marche à suivre: On charge l'accumulateur pendant 15 minutes, en relevant toutes les deux minutes les valeurs du courant et de la tension. Ensuite, les cellules solaires sont débranchées, et on laisse l'accumulateur se décharger tout seul, en mesurant à nouveau toutes les deux minutes l'intensité du courant et la tension. Graphique: Constat: Du graphique, on peut déduire la capacité de l'accu ( en mA min) de l'intégrale de la courbe représentant le courant. Ce qui nous permet de calculer le temps de décharge de l'accu. Expérience 1 L'intensité lumineuse varie-t-elle selon le type de source lumineuse ? Marche à suivre: A l'aide d'un Luxmètre, on relève l'intensité lumineuse de différentes sources lumineuses. Mesures: Constats: Nous constatons que chaque source lumineuse a sa propre intensité et qu'elle permet par conséquent de créer plus ou moins de courant lors de l'utilisation d'une cellule photovoltaïque. Les tables numériques nous indiquent que l'intensité lumineuse en plein soleil est approximativement de 100'000 [Lx], soit une valeur quatre fois supérieure à celle de la lampe expérimentale (qui est déjà très puissante) et mille fois plus grande que l'intensité lumineuse d'une simple bougie Expérience 2 Comment l'intensité lumineuse varie-t-elle par rapport à la distance à la source lumineuse ? Marche à suivre: Il s'agira de varier la distance entre la lampe expérimentale et la sonde mesurant l'intensité du rayonnement, afin de démontrer leur dépendance. De plus, on calculera cette intensité lumineuse à partir des intensité du courant et de la tension à vide mesurées; en fonction des différences constatées entre intensités lumineuses calculée et mesurée, nous pourrons évaluer la précision de la sonde. Graphique: Constats: Le graphique de l'intensité lumineuse par rapport à la distance nous dévoile une courbe concave et décroissante; ce tracé parabolique montre bien que l'intensité du rayonnement varie selon l'inverse du carré de la distance du spot à la sonde. Ainsi, plus on est éloigné d'une source lumineuse, plus l'intensité du courant faiblit. Expérience 3: Quel est le caractère diodique d'une cellule solaire ? Comment se comporte la cellule par rapport au type de lumière qui lui est fournie ? Marche à suivre: Nous travaillons avec une cellule solaire reliée à un ampèremètre et à un voltmètre. Nous relevons les valeurs dans une semi-obscurité, puis à la lumière de la classe et pour finir, les cellules solaires sont placées à 35 centimètres d'un projecteur. Mesures: Constat: Lorsque la lumière parcoure un trajet sans obstacle et que nous augmentons la tension, alors que l'on travaille avec le spot, le courant ne varie que très faiblement. A l'opposé, quand la lumière doit traverser un obstacle, le courant est beaucoup plus élevé par rapport à la tension.
