Énergie électrique

SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME
Représente la chaîne directe de
la conversion de l’énergie solaire
en énergie électrique utilisable
avec en indication la nature des
grandeurs électriques
Ce n’est pas un schéma
fonctionnel ou de
raccordement
CE NE SONT PAS…
ENVISAGER DES
EXPLORATIONS
alimentations électriques faibles puissances
SUPPLEMENTAIRES ?
Les alimentations électriques faibles telles que les
calculettes ou les chargeurs de piles.
Des modules PV peuvent faire fonctionner n'importe quel
appareil alimenté par des piles.
installations électriques photovoltaïques raccordées au réseau, bien
que l’on s’en approche et qui peut constituer une extension du sujet
SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME
Inventaire des problèmes :
RESSOURCE PROPRE
INEPUISABLE
INTERMITTANTE
le rayonnement est variable (météo, nuit) ; ce n’est pas
une grandeur stationnaire !
les besoins sont en journée et la nuit
CHANGER DE MODE DE VIE ?
les batteries se justifient complètement ; INDISPENSABLES
POUR LA NUIT ?
mais les batteries : durée de vie limitée, encombrement,
recyclage difficile et polluant, précautions
d’emploi
ELEMENT POLLUANT
DU sous
SOLAIRE
peine de danger et de réduction de sa durée
de vie.
certains appareils sont conçus pour être alimenté en DC
mais d’autres (la plupart) demandent une alimentation en
AC…et pour certains, de bonne POURQUOI
qualité.NE PAS BASCULER EN DC ?
UN SCHEMA PLUS COMPLET…
Énergie solaire
Simple flèche
Simple flèche
Double flèche
source : Hespul
Vocabulaire
Liaisons
Sens de transfert
Utilisation
L’onduleur n’est
pas représenté
connecté à la
batterie mais au
régulateur…
…voir les
documentations
techniques des
constructeurs…
UN SCHEMA PLUS COMPLET…
EST-IL FIABLE ?
Que signifient les flèches de liaison ?
Est-ce les « bonnes liaisons » ?
Où sont les protections des appareils ou des usagers ?
Est-ce le bon vocabulaire : scientifique, technique, commercial ?
IMPOSSIBILITE DE TRAVAILLER SUR UN SYSTEME A
FORTES PUISSANCES  PRENDRE UN « BON »
MODELE AVEC UN SYSTEME REDUIT
BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS
ESSENTIELS…QUE L’ON DOIT RETROUVER
DANS LE SYSTEME REDUIT
BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS
ESSENTIELS…QUE L’ON RETROUVE DANS LE
MODELE OU LA MAQUETTE
Énergie solaire et rayonnement solaire
Champ photovoltaïque ou panneau(x) solaire(s)
Régulateur.
Batterie d’accumulateurs.
Onduleur.
Récepteurs (équipements domestiques).
PANNEAUX
BATTERIE
Utilisation de matériels professionnels
et de la documentation du constructeur
qui induisent du questionnement…
APP. DC
Pas d’entrée onduleur : celui-ci se branche sur la batterie
La batterie se branche sur le régulateur (polarisation)
Sortie pour appareils alimentés en DC
Les panneaux ne sont pas connectés directement aux
charges : A JUSTIFIER
L’appareil qui permet la connexion des panneaux aux
applications est le régulateur.
Il assure une « adaptation de puissance ».
POUR PARVENIR A CES
CONCLUSIONS
La batterie, indispensable pour fournir et stoker l’énergie
est connectée au régulateur ; c’est elle qui fournit la
puissance aux appareils : A JUSTIFIER
Conclusion : Les panneaux servent à recharger la
batterie et ne fournissent généralement pas la puissance
aux charges.
L’onduleur ne fait que transformer la nature du signal
électrique : A MONTRER.
TROUVER UN MODELE FIABLE…
CAR LE BUT N’EST PAS DE FORMER DES
TECHNICIENS EN INSTALLATION MAIS DES CITOYENS
AVEC UNE BONNE CULTURE SCIENTIFIQUE ET
TECHNIQUE QUI LEUR PERMETTRA
EVENTUELLEMENT DE S’ADAPTER A UNE
FORMATION PROFFESSIONNELLE
PRENDRE UN SYSTEME REDUIT MAIS CREDIBLE QUI
INTEGRE NEANMOINS LES FONCTIONS
ESSENTIELLES DU SYSTEME INITIAL
CONFRONTER PAR UNE VISITE DU SITE REEL LES
EXPLOITATIONS PEDAGOGIQUES POUR
COMPLETER
CHOIX DU MODELE REDUIT …
ASSEMBLER DES ELEMENTS « GRAND PUBLIC »
REELS POUR REALISER UNE CHAINE PEDAGOGIQUE
PERMETTANT DE FAIRE DES ESSAIS ET DES
MESURES
en toute sécurité pour le matériel : c’est du matériel
professionnel avec des protections intégrées
en toute sécurité pour l’expérimentateur : on reste en
TBT sauf en sortie de l’onduleur…)
avec des appareils de mesures de lycée
CE N’EST PAS UN TRAVAIL DE CONCEPTION QUE
L’ON DEMANDE AUX ELEVES MAIS UN TRAVAIL
D’ANALYSE A PARTIR D’UN SYSTEME REEL.
Coffret panneaux solaires 13 W
derrière un vitrage !!
Convertisseurs DC AC
300 W
Régulateur de charge
solaire 12 V – 30 A
(Tension de charge
de la batterie)
QUEL MATERIEL CHOISIR ?
Consulter de la documentation en ligne et constater les
divergence de vocabulaire, des spécifications, des valeurs
tests, des conditions d’utilisations…
Exploiter de la documentation constructeur par les élèves…
Les panneaux solaires
Les régulateurs (« solaires »)
Les batteries (« solaires »)
Les convertisseurs DC/ AC
Et tenir compte de la disponibilité des stocks, du coût…
DIMENSIONNEMENT
Charges coté alternatif On disposait de charges alternative sous 230 V en 60 W.
P = 300 W (S = 300 VA) U = 230 V - I = 1,7 A si trop faible délicat à mesurer
avec pince ampère-metrique. Choix d’un convertisseur 300 W donc sous 12 VDC
cela fait 25 A !
Applications coté continu : moteur DC 12 V – 2 A, ampoule 12 V – 20 W
Choix du régulateur : sortie 12 V et sortie 30 A (25 A dc batterie et 2 A dc autre)
Batterie : accu. plomb avec C = 7,6 Ah soit 0,76 A durant 10 h.
Ub = 12 V - Ib = 25 A maxi section des fils ; batterie non spécialisée
Donc sortie régulateur 12 V mais 30 A au moins ;
Dimensionnement des panneaux : pourquoi pas 300 W ?
Encombrement – compréhension de la chaîne nécessaire pour rôle des panneaux
Pourquoi 13 W et pas 80 W pour montrer au moins la possibilité de pouvoir
alimenter les charges par « liaison directe » en cas de condition d’éclairement
optimale ? Disponibilité – prix.
DIMENSIONNEMENT ?
La « maquette » est un bon compromis.
Qui permet néanmoins de montrer :
La différence entre énergie et puissance
Montrer les limites du système
Montrer le rôle des blocs fondamentaux
Montrer le rôle centrale et la gestion de la batterie
Montrer les différentes formes de puissance électrique (DC
ou AC)
Montrer les caractéristiques des appareils, les valeurs
optimales les différences entre le vocabulaire technique et
commercial
Charges à courant continu sous 12 ou
24 V: moteurs, éclairage...
Panneau solaire ou panneau
photovoltaïque PV
Régulateur « de charge solaire »
avec sortie DC en 12 ou 24 V
Soleil et
rayonnement
solaire à travers
l’atmosphère
Convertisseur de tension ou
inverseur ou onduleur DC/AC
Batterie « solaire »
Charges à alternatif : moteurs des
appareils électroménagers,
éclairage...sous 230 V AC – 50 Hz
UN DISPOSITIF DIDACTIQUE ADAPTE…
…POUR REMPLIR DES EXIGENCES DU
PROGRAMME STL-ST2D ET COUVRIR
L’EXEMPLE 1 DE L’ENSEIGNEMENT DE
SPECIALITE DE SCIENCES PHYSIQUES ET
CHIMIQUES EN LABORATOIRE PARTIE
SYSTEMES ET PROCEDES
Intitulé : Production autonome d'électricité
Système étudié : installation photovoltaïque.
Entrée :
Sortie :
Rayonnement solaire
Puissance électrique
Besoins : alimentation autonome en électricité
Fonctions
Exemple 1 : production autonome
d'électricité
Système étudié : installation
photovoltaïque
Notions et contenus des programmes
Notions et contenus
complémentaires
Capture de l'énergie solaire
Coefficient de transmission énergétique
Matériaux
Conversion de l'énergie
solaire en énergie électrique
Spectre de la lumière du soleil, longueur d'onde
Énergie et puissance électriques
Caractéristique d'un
générateur
PANNEAU SOLAIRE
OU
PHOTOVOLTAIQUE
Effet photovoltaïque
Interaction rayonnement matière
Énergie d'un photon
Conversion photovoltaïque
Mesure de flux lumineux
Photo détecteurs
Transformations chimiques et transformation d'énergie
électrique
Piles, accumulateurs, piles à combustibles
Stockage de l'énergie
BATTERIE
Régulation de la puissance
fournie à la batterie par la
cellule
Loi des nœuds et lois des mailles
Conversion statique de
l'énergie électrique (continu
alternatif)
Énergie et puissance électrique
Bilan énergétique
Surveillance et mise en
sécurité de la batterie
Chaîne de mesure
Régulation
REGULATEUR
Convertisseurs statiques
ONDULEUR
AVOIR A L’ESPRIT LES LIMITES DU MODELE
ET LES MOYENS DU LABORATOIRE…
Dimensionnement reste crédible
Pas de protections des systèmes (disjonction DC et AC,
parafoudre…) ou des usagers (prise de terre ?)
Essais aléatoires : ensoleillement (saison) ; dans la salle de
TP, derrière un vitrage, c’est moins direct qu’en extérieur…
Batterie de plus faible capacité donc autonomie réduite à
moins d’investir dans des batteries spéciales dites
« solaires »
Coûts d’investissement plus élevés si on souhaite comparer
différentes techniques ou technologie : exemple du
régulateur (PWM, MPPT), convertisseurs DC/AC ou à
« sinusoïde modifiée » ou onduleur dit sinus pur
IDENTIFIER par une première approche globale les
principales caractéristiques du système :
- fonction(s) globale(s) réalisée(s) ;
- grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ;
- principales performances attendues ;
- dimensions économique et sociétale.
fonction(s) globale(s)
réalisée(s) ;
grandeurs ou flux
d'entrée et de sortie ;
ENERGIE
SOLAIRE
Bilan de conversion
et bilan d’énergie
E
Énergie rayonnant
N
V
Panneaux
I
Solaires
R
Convertisseurs
DC / AC
O
Onduleur
Régulateur
N
Pertes
N (chaleur)
Énergie électrique
E
Appareils
Électriques
M
AC
E
Batteries
Énergie
« Utile »
N
Pertes (chaleur)
T
ENVIRONNEMENT
Pertes (chaleur)
Appareils
Électriques
DC
Énergie
« Utile »
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Puissance instantanée
conditions :
jour et excel.
éclairement
ENERGIE
SOLAIRE
Et pendant combien de
temps ?
E
Puissance rayonnant ou flux
N
Pertes (chaleur)
V
Panneaux
I
Solaires
R 10 W Convertisseurs
13 W
5W
DC
/
AC
O
Onduleur
Régulateur
50 W
N
Appareils
200 W
Pertes
N (chaleur)
Électriques
210 W
Puissance
électrique
E
Appareils
DC
Électriques
42 W
M
AC
Puissance
E
Batteries
« Utile »
Puissance
N
« Utile »
Pertes (chaleur)
T
ENVIRONNEMENT
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Donc les schémas suivants sont faux et dangereux !!
Ils laissent penser que la
conversion est directe et
suffisante en puissance.
Puissance instantanée
conditions nuit ou
éclairement très faible
ETOILES , NUAGES ?
E
Puissance rayonnant ou flux
N
V
Panneaux
I
Solaires
R 5 W Convertisseurs
2W
DC
/
AC
O
Onduleur
Régulateur
12 W
N
Appareils
Pertes
80 W
N (chaleur)
Électriques
85 W
Puissance
E
Appareils
DC
14 W
électrique
Électriques
M
AC
Puissance
E
Batteries
« Utile »
Puissance
Combien de temps ?
N
« Utile »
AUTONOMIE
Pertes (chaleur)
T
ENVIRONNEMENT
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Puissance
instantanée
conditions :
jour et excel.
éclairement et pas de
consommation
ENERGIE
SOLAIRE
Puissance rayonnant ou flux
Pertes (chaleur)
Panneaux
Solaires
Convertisseurs
DC / AC
Onduleur
Appareils
Électriques
AC
13 W
2W
Régulateur
11 W
Puissance
électrique
Appareils
Électriques
DC
Recharge de la batterie
Batteries
Puissance
Chimique
Pertes (chaleur)
ENVIRONNEMENT
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
QUEL TRAVAIL AVEC LES ELEVES ?
LE PANNEAU SOLAIRE
ENVIRONNEMENT
Pertes
ENERGIE
SOLAIRE
Peut-on la quantifier ?
Panneaux
Solaires
Énergie
électrique
Puissance électrique
Comment s’effectue la
conversion ?
Courant quelle forme ?
Rendement ?
Pourquoi faut-il le régulateur ?
Tension (quelle forme ?)
Caractéristique électrique
MESURES – ESSAIS
OBSERVATIONS
ETUDE DE DOCUMENTS
Régulateur
Paramètres influents
Quel point de fonctionnement ?
LA BATTERIE :
RESERVOIR D’ENERGIE ET SOURCE DE PUISSANCE
ESSAIS et OBSERVATIONS
Courant quelle forme ?
Énergie
électrique
Régulateur
Batteries
Énergie
chimique
Comment s’opère la conversion ?
Pertes
ENVIRONNEMENT
Combien de temps ?
Pertes
Énergie
électrique
Régulateur
Comment régule-t-il ?
Batteries
Énergie
chimique
Comment s’opère la conversion ?
LA CONVERSION DC/AC :
ENVIRONNEMENT
Pertes
Énergie
chimique
Batteries
OBSERVATION ET
MESURE ET BILAN DE
PUISSANCE
Énergie
électrique
Courant et tension
DC ?
Mécanique
Électronique
Lumineuse
Convertisseurs
DC / AC
Onduleur
Appareils
Électriques
AC
Courant et tension
AC ?
ENVIRONNEMENT
Énergie
électrique