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