Energie solaire - Olympiades de Physique

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Energie solaire
stockage et alimentation
Présenté par :
Lucile Rutkowski
Adnan Javaid
Matthieu Guillet
Lycée de la Côtière

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ALIMENTER ET STOCKER DE L'ENERGIE
AL'AIDE D'UNE ENERGIE PROPRE : L'ENERGIE SOLAIRE
I – Introduction
A/ Le groupe
B/ Le sujet
II – Comportement d'un panneau solaire
A/ Le panneau solaire, un ensemble de cellule photovoltaïque
B/ La conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique
C/ Mise en évidence du fonctionnement du panneau solaire
D/ Caractéristiques des panneaux solaires utilisés
III – Mise en Oeuvre d'un Panneau solaire
A/ Le montage mis en place
B/ Fonctionnement du Régulateur de Tension
C/ Conclusion
IV - Etude de la charge d'un accumulateur Ni-Mh
V – Contrôle du courant de charge
A/ Le montage
B/ Le LM317, Régulateur de courant
VI- Contrôle du niveau de charge
A/ Première solution : montage a l'aide d'un comparateur simple
B/ Modification du montage : Comparateur à hystérésis
C/ Montage Final
VII – Projet avec la société SORHODEL
A/ Présentation de la balise
B/ Vérification des performances du circuit à la balise
VIII – Conclusion
A/ bilan
B/ Remerciements

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I – Introduction
A/ Le groupe
Nous sommes trois élèves Lucile Rutkowski, Matthieu Guillet, et Adnan Javaid du Lycée de la
Côtière de LA BOISSE, tous trois issus de l’option SI proposée en classe de première et terminale
S.
Nous avons commencé ce projet en TPE et poursuivi ce travail en dehors de nos heures de cours en
terminale
Lors de la première année, nous avons commencé à développer le sujet et finaliser
cette étude avec une application industrielle en terminale.
B/ Le projet
C’est par le biais de l'option des Sciences de L'ingénieur et à la suite de la
proposition de notre professeur de Génie Electrique, M.Lacombe, que nous avons décidé de
poursuivre ce projet dans le but d'une présentation au concours national des Olympiades de
Physique.
Nous avons débuté ce projet en classe de première, et poursuivi celui-ci en début de
Terminale.
Ce projet est parti d'une idée assez simple : l'utilisation d'une énergie dite « propre »,
c'est-à-dire une énergie qui ne nuise pas à notre environnement. A ce jour, les énergies « propres »
les plus utilisées sont les énergies tirant partie du soleil ou du vent. Après concertation, nous avons
pensé qu'il serait plus intéressant de travailler sur l'énergie solaire.
Après une étude assez complète des cellules photovoltaïques, donc des panneaux
solaires, nous avons établi une première problématique : Pouvoir alimenter une application à l'aide
de ce panneau. Or selon les périodes de l'année, les panneaux ont parfois un fonctionnement
difficile du fait d’un ensoleillement trop faible. En prenant compte de cette remarque, nous avons
modifié notre problématique : Augmenter l'autonomie de petits appareils alimentés par une pile
appartenant à l'intervalle de tension [0;9V].
L'objectif final est donc d'optimiser la gestion de l'énergie en utilisant l'énergie
solaire.

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II – Etude d'un photo générateur
Contrairement au terme de "panneau solaire" souvent utilisé, l'appellation
"générateur photovoltaïque" désigne bien ce dispositif qui permet de produire de l'électricité à partir
de la lumière.
A/ Le panneau solaire, un ensemble de cellule photovoltaïque
Un panneau solaire est formé de plusieurs cellules photovoltaïques mises en série
pour obtenir la tension désirée. Chaque cellule produit un courant continu dont la puissance dépend
de la surface de la cellule. Une cellule délivre une tension de 0,5 Volt. Les différentes cellules sont
montées en série pour former des modules qui délivrent des tensions normalisées
Les cellules sont la plupart du temps fabriquées à partir de silicium. On utilise du
silicum monocristallin (coûteux mais au rendement plus élevé), du silicum polycristallin (le plus
répandu sur la surface de la Terre) ou du silicium amorphe (le moins coûteux mais aussi le moins
performant).
B/ La conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique
La conversion de la lumière en électricité nécessite tout d’abord des matériaux semi-
conducteurs (silicium). Dans ces matériaux, les électrons contenus dans la matière ne peuvent
circuler que si on leur fournit une énergie pour les libérer de leurs atomes. Quand la lumière pénètre
dans un semi-conducteur, ses photons apportent une énergie permettant aux électrons de se libérer
et de se déplacer dans la matière, c’est ainsi qu’on observe la création d'un courant électrique sous
exposition à la lumière.
Un photo générateur est en fait une tranche de silicium que l’on place entre deux
électrodes métalliques (+) et (-) pour collecter le courant produit. C'est en créant une différence de
potentiel entre ces deux bornes que l’on permet la circulation du courant. C’est le « dopage » des
parties avant et arrière de la « tranche » de silicium qui va permettre l’apparition de cette différence
de potentiel. On crée ainsi un champ électrique interne pour entraîner vers le circuit externe les
charges électriques libérées sous illumination.
ANATOMIE D’UN PHOTOGENERATEUR
Panneau solaire au silicium cristallin :
Le silicium cristallin est en fait du silicium à l’état massif qui a une structure ordonnée. Le panneau
solaire est alors une plaquette de 0.2mm d’épaisseur découpée dans une section de silicium. Ce
silicium cristallin peut être, selon la technologie employée, monocristallin ou polycristallin.
Lorsqu’il est monocristallin, le panneau est composé de photopiles formées d’un seul cristal de
silicium ordonné. Ce matériaux est fabriqué par la recristallisation à haute température ou en
barreaux. Lorsqu’il est polycristallin, il est constitué de cristaux de 1mm à 2cm liés entre eux et
orientés perpendiculairement à la surface du panneau, ce qui permet de garder un rendement
supérieur à 10%. Il a donc un plus faible rendement mais il est aussi moins onéreux. Enfin le
silicium utilisé pour les photopiles peut être aussi amorphe, c’est-à-dire que les atomes du cristal
sont fixés entre eux de manière désordonnée. Le silicium est moins sensible à la température et il a
un rendement qui est relativement stable quel que soit la luminosité même s’il reste toujours plus
faible que celui du silicium polycristallin.

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C/ Mise en évidence du fonctionnement du panneau solaire
Pour un éclairement donné, grâce au voltmètre, on mesure la tension Ur et on fait varier la
résistance grâce au potentiomètre. On s’aperçoit que le panneau solaire se comporte comme un
générateur de courant et qu'on a la relation: Ur=R*I.
L'intensité est proportionnelle à l'éclairement, cependant chaque panneau solaire à une intensité
maximale Imax propre qu'il ne peut dépasser (figure1). D'où les graphiques suivants :
De plus, on peut remarquer que le panneau solaire s’adapte parfaitement à
l’application : plus elle a besoin de tension, plus le photo générateur en fourni. Mais, quelque soit
l’intensité, il existe une tension maximale liée à la capacité du panneau solaire (et donc propre à
chacun) telle que, lorsque l’application dépasse cette Umax, l’intensité diminue rapidement
(figure2).
En comparant ces deux courbes, on voit clairement l'influence du facteur « Météo » sur le
rendement d'un panneau solaire, d'où la modification de notre problématique
D/ Caractéristiques des panneaux solaires utilisés
Pour notre projet, nous avons utilisé deux panneaux solaires différents dont voici les
caractéristiques :
- pour les premiers circuits, nous avons utilisé un panneau (de puissance 713 mW) avec une
tension nominale de 8,4 V et un courant de 85 mA comme courant nominal. En court-circuit, il peut
aller jusqu'à 109 mA.
- pour le montage final : nous avons utilisé un panneau (de puissance 686 mW) avec une
tension nominale de tension 18V et de courant nominal de 38mA et qui peut aller jusqu’à 49mA en
court-circuit.
Figure 2
Figure 1