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L’énergie photovoltaïque Dossier réalisé par Jean Pierre HOAREAU Professeur d’é

L’énergie photovoltaïque Dossier réalisé par Jean Pierre HOAREAU Professeur d’électrotechnique Lycée Georges BRASSENS B.P 253 – 16 Avenue Georges BRASSENS 97493 SAINTE CLOTILDE CEDEX SOMMAIRE A. CAHIER DES CHARGES.......................................................................................................................A-1 A.1. SERVICE À RENDRE.......................................................................................................................A-1 A.2. CARACTÉRISTIQUES GÉNÉRALES DE L’ÉNERGIE..............................................................................A-1 A.3. LES ÉQUIPEMENTS.........................................................................................................................A-1 A.4. LES BESOINS ÉNERGÉTIQUES..........................................................................................................A-2 A.5. CONTRAINTES...............................................................................................................................A-2 B. SOLUTION TECHNOLOGIQUE..........................................................................................................B-1 B.1. DIVERSES POSSIBILITÉS..................................................................................................................B-1 B.2. CHOIX TECHNOLOGIQUE................................................................................................................B-1 B.3. CRITÈRE ÉCONOMIQUE..................................................................................................................B-1 C. L’EFFET PHOTOVOLTAÏQUE............................................................................................................C-1 C.1. PRINCIPE DE LA PHOTOPILE............................................................................................................C-1 C.2. LE MATÉRIAU................................................................................................................................C-1 C.3. L'EFFET PHOTOVOLTAÏQUE............................................................................................................C-1 C.4. LE RENDEMENT.............................................................................................................................C-1 C.5. LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE.....................................................................................................C-2 C.6. LES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES.................................................................................................C-3 D. L’ENSOLEILLEMENT...........................................................................................................................D-1 D.1. LE SPECTRE SOLAIRE.....................................................................................................................D-1 D.2. LES SAISONS.................................................................................................................................D-1 D.3. LA LATITUDE................................................................................................................................D-2 D.4. VARIATION DE L’ENSOLEILLEMENT AU COURS D’UNE JOURNÉE......................................................D-3 D.5. TABLEAU DE RAYONNEMENT GLOBAL QUOTIDIEN MOYEN..............................................................D-4 D.6. GRAPHIQUES DU RAYONNEMENT GLOBAL QUOTIDIEN MOYEN.........................................................D-5 E. DIMENSIONNEMENT DU SYSTÈME.................................................................................................E-1 E.1. BESOINS ÉNERGÉTIQUES................................................................................................................E-1 E.2. DIMENSIONNEMENT.......................................................................................................................E-1 F. DESCRIPTION DU SYSTÉME DIDACTISÉ........................................................................................F-1 F.1. PRÉSENTATION...............................................................................................................................F-1 F.2. SYNOPTIQUE DE L’INSTALLATION...................................................................................................F-1 F.3. DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT................................................................................................F-1 F.4. EQUIPEMENT..................................................................................................................................F-2 F.5. L’ENREGISTREMENT DES DONNÉES..................................................................................................F-2 G. ANALYSE FONCTIONNELLE.............................................................................................................G-1 G.1. A-0 : FONCTION D’USAGE.............................................................................................................G-2 G.2. A0 : 1 ER NIVEAU DE DÉCOMPOSITION.............................................................................................G-3 G.3. A2 : FONCTION “GÉRER L’ÉNERGIE”.............................................................................................G-4 H. ANALYSE MATÉRIELLE.....................................................................................................................H-1 H.1. SCHÉMA DE PRINCIPE....................................................................................................................H-2 H.2. SCHÉMA DE CÂBLAGE...................................................................................................................H-3 H.3. SCHÉMA DE MONTAGE DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES ET DES BATTERIES..................................H-4 I. DOCUMENTATION TECHNIQUE.........................................................................................................I-1 I.1. MODULE PHOTOVOLTAÏQUE.............................................................................................................I-2 I.2. RÉGULATEUR DE CHARGE ET DE DÉCHARGE.....................................................................................I-3 I.3. BATTERIE SOLAIRE.........................................................................................................................I-12 I.4. MODULE D’ACQUISITION DE DONNÉES............................................................................................I-13 I.5. INTERRUPTEUR CRÉPUSCULAIRE.....................................................................................................I-19 A. CAHIER DES CHARGES A.1. Service à rendre Alimenter, en énergie électrique, une maison individuelle, très éloignée du réseau électrique d’EDF. Cette maison est située dans le cirque de Mafate, au lieu dit « La Nouvelle », à l’île de la Réunion. Le village est entouré de montagnes et n’est pas accessible par la route. On peut y parvenir à pied après 2 heures de marche à travers la montagne ou par hélicoptère. C’est un lieu très fréquenté par les randonneurs. Les propriétaires de la maison envisagent de transformer leur habitation en petit établissement hôtelier appelé « chambre d’hôtes » pour accueillir des touristes de passage. L’habitation est pour le moment, alimenté par un groupe électrogène de 4 kVA. La solution groupe électrogène étant trop coûteuse, trop bruyante, on envisage un autre moyen d’alimentation. A.2. Caractéristiques générales de l’énergie Tension alternative 230 V efficace Fréquence 50 Hz Forme sinusoïdale Puissance nécessaire 2 kW Régime de neutre TT A.3. Les équipements Séjour : 4 prises de courant confort 2 P + T 2 points lumineux en applique en va et vient 1 point lumineux en applique en simple allumage Cuisine : 3 prises de courant confort 2 P + T 1 point lumineux au centre en va et vient 1 point lumineux en applique en simple allumage Chambres 1 à 7 : 3 prises de courant confort 2 P + T 1 point lumineux au centre en va et vient SDB 1, 2, 3 : 1 point lumineux au centre en simple allumage 1 point lumineux en applique en simple allumage 1 prise de courant confort 2 P + T WC 1, 2, 3 : 1 point lumineux au centre en simple allumage Extérieur: 2 points lumineux en montage minuterie L’eau chaude sanitaire sera produite par un chauffe-eau solaire. Lycée G. BRASSENS Nom fichier (480969497.doc) Page 1 L’usage de cuisinière électrique est exclu, on optera plutôt pour 2 cuisinières, une fonctionnant au bois et l’autre au gaz. Lycée G. BRASSENS Nom fichier (480969497.doc) Page 2 A.4. Les besoins énergétiques Soit à alimenter :  3 lampes « basse consommation » 230 V / 25 W pendant 4 heures par jour (séjour)  2 lampes « basse consommation » 230 V / 25 W pendant 2 heures par jour (cuisine)  7 lampes « basse consommation » 230 V / 18 W pendant 1 heure par jour (chambres)  3 lampes « basse consommation » 230 V / 18 W pendant 1,5 heure par jour (SDB)  1 enseigne lumineuse 24 V 18 W pendant 3 heures par jour  1 réfrigérateur de 280 l consommant en moyenne par jour 0,83 kWh  1 congélateur de 363 l consommant en moyenne par jour 0,72 kWh  1 téléviseur 230 V / 60 W fonctionnant 3 heures par jour  1 machine à laver le linge consommant en moyenne 1 kWh par cycle de lavage  1 fer à repasser 230 V / 1200 W durée d’utilisation 2 heures par semaine On sur-dimensionnera l’installation de 25 %. A.5. Contraintes Il n’est pas envisageable de raccorder ce site au réseau EDF, du fait de son éloignement. L’exploitation de l’installation ne devra pas nécessiter de personnel, l’entretien devra être minime. L’éloignement du site du réseau routier, impose que le réapprovisionnement en énergie devra se faire le moins souvent possible (4 fois par mois au maximum) On souhaite avoir au moins 4 jours d’autonomie en énergie. L’installation sera soumise à des contraintes climatiques difficiles (fortes averses, vents violents, …) Le site étant très touristique, il devra être préservé, autant que possible, de toute pollution (sonore, chimique, visuelle, …) On exige l’utilisation de constituants industriels courants. Lycée G. BRASSENS Nom fichier (480969497.doc) Page 3 B. Solution technologique B.1. Diverses possibilités Lorsqu'une installation, un bâtiment, ne peut pas être raccordé au réseau EDF en raison de son éloignement ou de contraintes d'environnement, on doit résoudre le problème de son alimentation en utilisant d'autres sources d'énergie. Les solutions conventionnelles de remplacement utilisées (groupe électrogène, éclairage à gaz) présentent des inconvénients importants : approvisionnement et achat de carburant, fonctionnement intermittent, risques de défaillance, nuisances dues au bruit, frais d'exploitation et de maintenance élevés... Les générateurs solaires, ou aussi les éoliennes, éliminent ces contraintes. Ils permettent de disposer de l'électricité de manière automatique, à tout moment, tout en garantissant sécurité et confort à l'utilisateur. B.2. Choix technologique Le site n’étant pas très ventilé, le choix se portera sur la solution « générateur photovoltaïque + groupe électrogène d’appoint ». Les données d’ensoleillement fournies par le centre de météorologie montre que la zone concernée présente un ensoleillement satisfaisant tout au long de l’année. B.3. Critère économique La solution mixte, générateur photovoltaïque + Groupe électrogène d’appoint permet de réduire le nombre de modules photovoltaïques installé. Le groupe électrogène est mis en fonctionnement uniquement en cas d’utilisation d’appareils de fortes puissances (machine à laver, fer à repasser, …). Il fonctionne seulement quelques heures par semaine. Lycée G. BRASSENS Nom fichier (480969497.doc) Page 1 Maison alimentée par Groupe électrogène seul Maison alimentée par générateur photovoltaïque + Groupe électrogène d’appoint 1500 F / mois 1000 500 Solution C. L’effet photovoltaïque C.1. Principe de la photopile Les photopiles sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité. Elles sont réalisées à l'aide de matériaux semi-conducteurs, c'est-à- dire ayant des propriétés intermédiaires entre les isolants et conducteurs. C.2. Le matériau. La photopile la plus courante utilise le silicium, élément très répandu sous forme de silice (sable), mais qui doit être amené à un très grand état de pureté et sous forme de monocristal. En effet, le fonctionnement de la photopile est basé sur les propriétés électroniques acquises par le silicium quand des atomes étrangers en petit nombre (des "impuretés") sont substituées dans un réseau cristallin (le dopage). Si l'atome d'impureté contient plus d'électrons que le silicium, le matériau contiendra des électrons libres en excès : il sera dit de type "n" (exemple silicium dopé au phosphore). Si au contraire, l'atome d'impureté contient moins d'électrons que le silicium, le matériau sera déficitaire en électrons : il sera dit de type « p », (exemple : silicium dopé au bore). C.3. L'effet photovoltaïque Lycée G. BRASSENS Nom fichier (480969497.doc) Page 2 Le phénomène mis en œuvre est celui de l'interaction de la lumière avec les atomes. Pour cette interaction, la lumière peut être considérée comme composée de particules, les photons dont l'énergie varie avec la longueur d'onde. Un photon d'énergie suffisante qui heurte un atome peut arracher un électron et lui communiquer une certaine vitesse. Les électrons ainsi arrachés pourront circuler dans un circuit extérieur. L’énergie des photons est donc convertie en énergie électrique. C.4. Le rendement Le rendement d’une photopile est le rapport entre l’énergie électrique qu’elle fournit et l’énergie solaire reçue sur l’ensemble de sa surface. Toute l'énergie de la lumière solaire n'est pas transformée en électricité. *0 Certains photons sont réfléchis sur la face avant des photopiles, *1 Certains ne sont pas assez énergétiques pour arracher un électron. *2 Seuls les photons d'énergie suffisante sont absorbés et créent des paires électrons-trous, l'énergie excédentaire est cédée aux électrons sous forme d'énergie cinétique qu'ils perdent rapidement pour se retrouver sous forme de chaleur. *3 Enfin de nombreux électrons créés rencontrent des charges positives et se recombinent avant d'avoir fourni un courant utile. Ces différents phénomènes limitent théoriquement le rendement à 22 % pour le silicium monocristallin. Pratiquement les photopiles, actuellement les plus utilisées pour des raisons de coût, ont un rendement typique de l'ordre de 10 à 14 %. Lycée G. BRASSENS Nom fichier (480969497.doc) Page 3 C.5. La cellule photovoltaïque C.5.1. Modélisation On peut modéliser une cellule photovoltaïque éclairée comme ci-dessous. Utilisation I Id V Ig Ig : courant généré Id uploads/s1/ etude-didactique-dimensionnement-installation-photovoltaique.pdf