Titre de la séquence: énergie solaire. Cellules photovoltaïques
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Académie de Rennes Thème 2009 Bac S.T.I. Génie électronique Panneau Solaire Automatisé Séquence:1A Durée:1h Titre de la séquence: énergie solaire. Cellules photovoltaïques Approche Physique Pré-requis:notion sur les ondes électromagnétiques et sur leur mode de propagation. Savoir : notions élémentaires d'astronomie (Terre/Soleil) Savoir-faire:Notion de base sur les photons, Schéma simple à deux niveaux Panneau Solaire Automatisé– Physique appliquée– Séquence:1A ENERGIE DU SOLEIL ►Le soleil est une étoile de forme pseudo- sphérique dont millions de km. le diamètre atteint 1,4 ►Il est situé à une distance moyenne de 149,6 millions de km de la Terre. ►Composé de matière gazeuse, essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium, il est le siège de réaction de fusion nucléaire permanente et sa température de cœur atteint 107K. 2 ÉNERGIE RENOUVEBLABLE ☼ L'énergie qui nous vient du soleil représente la quasi totalité de l'énergie disponible sur la terre. en plus de l'apport direct sous forme de lumière et chaleur, elle est à l'origine de la biomasse (photosynthèse), du cycle de l'eau, des vents,des courants océaniques,et,sous forme stockée durant des millions d'années,de nos réserves de gaz,de pétrole et de charbon. ☼ Les seules ressources énergétiques non solaires sont la chaleur de la terre(géothermie),les marées et l'énergie nucléaire. ☼ L'énergie du soleil produite par les réactions thermonucléaires est émise dans l'espace par la surface du soleil,notamment sous forme d'ondes 3 électromagnétiques(lumière). Définition de la position du Soleil h Panneau solaire situé en un point M de la surface de la terre M α LA POSITION DU SOLEIL EST DEFINI PAR DEUX ANGLES AZIMUTH : α HAUTEUR(angulaire): 4h Trajectoire du soleil : Les saisons h2 h1 la hauteur du Soleil en hiver (h1) est plus petite qu’en été (h2) 5 UN PLAN INCLINÉ CAPTE PLUS DE RAYONNEMENT QU'UN PLAN HORIZONTAL On maximise par conséquent la quantité d'énergie solaire directe captée quand on change constamment l'inclinaison du plan pour le maintenir à angle droit avec les rayons du soleil θ En plus on peut noter : lorsque l'inclinaison est égale à environ θ=35° par rapport à l'horizontale,le plan capte à peu près la même quantité d'énergie solaire toute l'année. Le rayonnement annuel capté est au maximum lorsque le plan est incliné à un angle égale à la latitude. 7 COMPOSANTES DU RAYONNEMENT SOLAIRE Rayonnement extraterrestre(moy: 1367W/m2) Limites de l'atmosphère Direct Diffus Rayonnement global environ 1000W/m2 par ciel clair Albédo Le rayonnement global est tout simplement la somme des diverses composantes: Direct+Diffus +Albédo 8 Masse d'air ou Air Mass (en anglais) notation AMx ►Plus le soleil est bas sur l'horizon,plus il va traverser une épaisseur d'atmosphère et plus il va subir de transformation, (voir figure ci-contre). ►D'où la définition de la masse d'air « Air Mass : AM »,rapport entre l'épaisseur d'atmosphère traversée OM par le rayonnement direct pour atteindre le sol et l'épaisseur traversée à la verticale du lieu. Soleil au Zénith Soleil Bas sur l'horizon à l' aide des points O , A et M on écrit que Air Mass = OM 1 = OA Sin(h) Dans l' expression AM x , x désigne le r apport A M Atmosphère o h Sol OM OM Exemples: ▬ Soleil au zénith(au niveau de la mer): AM1; ▬ Soleil à 30°: AM2; ▬ Soleil à 41,8°: AM1,5 Et donc par convention , AM0 désigne le rayonnement 9 hors atmosphère Petit historique 1839 E.Becquerel Pile photo-chimique 1873 W.Smith Photo-conduction (sélénium) 1887 E.Hertz Photo-émission 1888 W.hallwachs Photo-élecricité (Zn,UV) 1899 J.J.Thomson Découverte de l’électron Interprétation théorique: émission cathodique 1902 Ph . Lénard Lois expérimentales de l’effet photoélectrique 1905 A.Einstein Interprétation quantique : E = h.v +W 1912 H.Richarson et Compton Démonstration expérimentale de la relation Laboratoire Bell Telephone Développement des cellules de sillicium 1954 d’Einstein 10 La lumière est considérée selon le domaine d'application ►Comme une ONDE ÉLECTROMAGNÉTIQUE (exemple des ondes utilisées dans le domaine des télécommunication,se propagent à la vitesse c proche de 300.000km/s et de longueur d'onde λ: E Champs électrostatique E λ est la distance parcourue par l'onde durant une période T Sens de propagation de l'onde 0 B Champs magnétique x:Distance parcourue par l'onde B λ 1 λ = c × f ⇒ c = où f = ; f [ Hz ] ; λ[m] et T [ s ] T T ►Comme CORPUSCLE ou photon (masse m=0) transportant une énergie proportionnelle à la longueur d'onde λ : Eλ = h × f = h c ou f est souvent notéeν on écrit souvent Eλ = h ×ν λ C'est le point de vu corpusculaire qui sera exploité dans le domaine du photovoltaïque(conception des panneaux solaires) 11 Photon et Onde électromagnétique Un photon est un grain d'énergie sans masse qui se propage à la vitesse de la lumière c=300 000 km/s environ dans le vide en vibrant à une fréquence f (notée aussi V) formant ainsi dans l'espace une onde électromagnétique. Un photon transporte l'énergie E lumière = h.ν où E lumière = h. c λ où h# 6,62.10-34Js ,Constante de Planck, Une façon commode d'exprimer cette énergie : 1.26 E lumière = où λ est exprimé en micron et E lumière en (eV) λ La puissance rayonnante d'un faisceau lumineux monochromatique (une seule fréquence ν ) comprenant Nph par seconde est P = Nph. Elumière 12 Cellule Photovoltaïque Elle convertit directement l'énergie rayonnée par le soleil,S* en énergie électrique WE WJ Energie émise par le rayonnement solaire WS = S* Cellule Photovoltaïque Pertes par effet Joule WE Energie électrique Pertes par rayonnement WRay Le rendement caractéristique d'une cellule photovoltaïque est le rapport de l'énergie électrique fournie,WE sur l'énergie solaire,WS=S* reçue: WE η= WS 13 PRINCIPE PHYSIQUE D'UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE Rayonnement Solaire E lumière c = hν = h λ CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE Energie Electrique E électrique = qV INTERACTION RAYONNEMENT/MATIERE Une cellule photovoltaïque est constituée d'un matériau (à base de Silicim) absorbant l'énergie des photons : Elumière et la transformant en énergie électrique : Eélectrique 14 SHEMA SIMPLE : MATERIAU A DEUX NIVEAUX Une Photopile est constituée d'un matériau absobant l'énergie des photons et la transformant en énergie électrique. Energie Bande de conduction Energie lumineuse - - - - E2 E1,niveau d'énergie de la bande de conduction Eg= E2- E1 + + + + Bande de valence E2,niveau d'énergie de l'e- dans la bande de valence Niveau de référence Si un électron de la bande de valence reçoit une énergie lumineuse ,Elum sous la forme d'un photon et que , E lum = hν , avec hν > E g = (E 2 − E1 ) Il devient libre et peut participer à un courant électrique, on dit alors qu'une paire électron (e-),trou (+) s'est créer, la tension élémentaire est donnée par : V = Eg q Avec q, la charge de l'électron 15 CARACTERISTIQUE COURANT TENSION D'UN DIPÔLE DE BASE PHOTOPILE Éclairement Ei Courant (I ) I V Convention RÉCEPTEUR La puissance développée par le dipôle photopile: P= VxI Remarque: La courbe sous illumination Ei est simplement décalée par rapport à la première d'une valeur Icc proportionnel à l'intensité de l'éclairement. Zone II Zone I P> 0 P=0 Obscurité, E0=0 E1>E0 Tension (V) 0 V E2>E1 c0 E3>E2 Zone III P>0 Icc=kxE3 Zone IV P<0 CARACTERISTIQUES COURANT TENSION SOUS DIVERSES INTENSITÉS DE RAYONNEMENT Ei Dans le 4ième quadrant, zone IV:(P<0),le dipôle est générateur C'EST LE FONCTIONNEMENT EN CELLULE PHOTOVOLTAÏ QUE 16 CARACTERISTIQUES REELLES ET PUISSANCE MAXIMALE Hyperbole d'isopuissance I = Pm / V = f (V) à Pm = cste I:Courant Pm Mo Point de fonctionnement optimal Point de Puissance MAXIMALE ICC I M ou Pmax = Pm = Vm x Im ,caractérise le MO plus grand rectangle inscriptible sous la caractéristique de la cellule. Caractéristique réelle V m V CO V:Tension 17 INFLUENCE DE L'ÉCLAIREMENT SUR LES PERFORMANCES D'UNE CELLULE PHOTOVOLTAÎQUE Lorsque l'éclairement varie , ce qui est inévitable le long d'une journée ensoleillée,la caractéristique d'une cellule photovoltaïque évolue. Il y a proportionnalité entre le photocourant et le flux lumineux tombant sur la cellule: Icc1= a1x E1 et ICC2 = a2x E2 Pour extraire le maximum d'énergie électrique, il faut adapter l'impédance de charge: voir figure ci-dessous Intensité I I Icc1 Icc2 E2 >E1 1/R1 E2 =700 W/m² Pm 1/R2 E1=500 W/m² Pm1 Tension Vm 2 On peut remarquer que le PPM , le point de puissance maximum conserve à peu près la même tension soit Vm1 = Vm2 =cste quelque soit l''intensité E de l'éclairement. V 20 INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE SUR LES PERFORMANCES D'UNE CELLULE PHOTOVOLTAÎQUE 1 / R2 1 / R1 Icc2 Icc1 Vco2 Tension V T1 = 300 K Pm2 T2 = 500 K Intensite I Pm1 Quand la température augmente, il en est de même du photocourant ICC ,mais également le courant d'obscurité Id qui croît très vite, faisant ainsi chuter la tension voir la figure ci-contre. Vco1 Pour améliorer les performances d'installation en vue de transférer le maximum de puissance à la charge il faut adapter la résistance de charge et surtout chercher à refroidir les cellules photovoltaïques. 21 CARACTÉRISTIQUES Courant/Tension et de Puissance D'UNE CELLULE À ÉCLAIREMENT CONSTANT I=f(V) I=f(V) Icc M Im Intensite Point de fonctionnement optimal MPP(Maximum Power Point) P=f(V) P ( Puissance ) = f(V) I=f(V) M =V .I P m m max V Vm Vco 0 Une des solutions technologiques préconisée actuellement consiste en l'utilisation de régulateur type MPPT: Maximum Power Point Tracker, celui-ci permet de transférer le maximum de puissance de la source(Panneau solaire) vers la charge( Batterie ou autres). La fonction principale du régulateur est de maintenir le point de fonctionnement (Source/ Charge) au point de fonctionnement optimal(MPP) et ce quelques soient les perturbations extérieures( variation de la charge,de l'éclairement ou de la température) 22
