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Manuel d'enseignement des énergies renouvelables Manuel d'enseignement des éner

Manuel d'enseignement des énergies renouvelables Manuel d'enseignement des énergies renouvelables CREDITS Contributors/Reviewers Colleen Spiegel Ph.D. Horizon Design and Production Staff Stone Shen, Miro Zhang, Dane Urry Version française contribuée par notre partenaire H2Power www.h2power.ch Copyright c 2009 by Horizon Fuel Cell Technologies. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopy, recording, or any information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher. Horizon Fuel Cell Technologies Block 19, No.2 Suide Rd. Shanghai 200331, P.R. China http://www.horizonfuelcell.com Manuel d'enseignement des énergies renouvelables Chapitre 1 : Environnement et changement climatique 1.1 Introduction 1.2 Demande mondiale en énergie 1.3 Réchauffement global 1.3.1 L'effet de serre 1.3.2 Niveau des mers 1.3.3 Les effets du réchauffement global 1.3.4 Pouvons nous stopper le réchauffement global ? 1.4 Inconvénients des technologies actuelles de l'énergie 1.5 Technologies écologiques innovantes 1.5.1 Cellules solaires photovoltaïques 1.5.2 Energie éolienne 1.5.3 L'électrolyse 1.5.4 Les piles à combustible 1.6 Perspectives d'une économie basée sur l'hydrogène; énergie propre d'origine renouvelables 1.7 Conclusion Chapitre 2 : Energie solaire 2.1 Introduction 2.2 Histoire 2.3 Types de panneaux photovoltaïques 2.4 Principes et caractéristiques 2.5 Technologie solaire 2.5.1. Déplacement des électrons dans le silicium 2.5.2. Effet photovoltaïque 2.5.3. Spectre électromagnétique et pertes d'énergie 2.5.4. Le silicium et la jonction PN 2.5.5. Etude des matériaux 2.5.5.1. Pertes de tension due au transfert de charges 2.6 Autres matériaux pour les cellules photovoltaïques 2.6.1. Silicium cristallin 2.6.2. Cellule solaire au tellurure de cadmium 2.6.3. Cellule solaire au séléniure de cuivre-indium 2.6.4. Cellule solaire multijonction à l'arséniure de gallium (GaAs) 2.6.5. Colorants absorbeurs de lumière DSSC Light Absorbing Dyes) 2.6.6. Cellules solaires en polymère organique 2.6.7. Films minces de silicium 2.7 Utilisations de l'énergie solaire 2.7.1 Powering a House Using Solar Power 2.7.2 Solving Solar-Power Lssues 2.7.3 Solar Powered Cars 2.8 Conclusion Chapitre 3: Energie éolienne 3.1 Introduction 3.2 Histoire de l'énergie éolienne 3.3 Principes et caractéristiques 3.3.1 le régime global des vents 3.3.2 l'aérodynamique des éoliennes 3.4 Types d'éoliennes 01-20 21-37 38-52 Table des matières 3.4.1 Éolienne à axe horizontal 3.4.2 Éoliennes à axe vertical 3.5 Éléments constitutifs d'une éolienne 3.6 Énergie et puissance du vent 3.7 Effet de la hauteur du mât 3.8 Potentiel théorique de l'énergie éolienne 3.8.1. Distribution de la vitesse du vent 3.9 Estimation de l'énergie produite par une éolienne 3.10 Facteur de capacité 3.11 Parcs éoliens 3.12 Conclusion Chapitre 4: Les electrolyseurs 4.1 Introduction 4.2 Histoire des électrolyseurs 4.3 Conception des électrolyseurs 4.3.1. Concept unipolaire 4.3.2. Concept bipolaire 4.4 Types d'électrolyseurs 4.4.1. Electrolyseurs alcalins 4.4.2. Electrolyseur PEM 4.4.2.1. L'électrolyte 4.4.2.2 Le catalyseur 4.5 Rendement des électrolyseurs 4.6 Les bases de la thermodynamique dans la conception des électrolyseurs 4.7 Production actuelle de l'hydrogène 4.8 Opportunités pour l'électrolyse 4.9 Conclusion Chapitre 5: Les piles à combustible 5.1 Introduction 5.2 Histoire des piles à combustible 5.3 Utilisations des piles à combustible 5.3.1. Secteur du stationnaire 5.3.2. Marché des transports 5.3.3. Secteur portable 5.4 Types de piles à combustible 5.4.1 Pile à combustible à membrane polymère électrolytique (PEM) 5.4.2 Pile à combustible alcaline (AFC) 5.4.3 Pile à combustible à acide phosphorique (PAFC) 5.4.3 Pile à combustible à acide phosphorique (PAFC) 5.4.4 Pile à combustible à oxyde solide (SOFC) 5.4.5 Pile à combustible à carbonate fondu (MCFC) 5.4.6 Pile à combustible directe à méthanol (DMFC) 5.5 Principe de fonctionnement 5.5.1. La couche d'électrolyte 5.5.2. La couche de diffusion des gaz 5.5.3. La couche catalytique 5.5.4. Les plaques bipolaires 5.6 Conception et configuration des piles 5.7 Conditions d'utilisation 5.7.1 Courbe de polarisation 5.8 Conclusion 53-66 67-83 Chapitre 6: Stockage et transport de l'hydrogène 6.1 Introduction 6.2 Aspect de la sécurité avec l'hydrogène en temps que combustible 6.3 Production, distribution et stockage de l'hydrogène 6.3.1. Techniques pour la production de l'hydrogène 6.3.1.1. Reformage de vapeurs 6.3.1.2. Oxydation partielle 6.3.1.3. Gazéification du charbon 6.3.1.4. La biomasse 6.3.1.5. Electrolyse de l'eau 6.4 Technologies pour le stockage de l'hydrogène 6.4.1. Grand réservoir souterrain 6.4.2. Réservoirs d'hydrogène pressurisés pour véhicules 6.4.3 Stockage de l'hydrogène liquide 6.4.4 Réservoir à hydrures métalliques 6.4.5 Les nanofibres de carbone 6.4.5.1. Résistance des nanotubes de carbone 6.4.5.2. Stockage de l'hydrogène et autres applications 6.5 Technologies pour le stockage de l'hydrogène 6.6 Conclusion Chapitre 7: Eléments d'électronique de puissance 7.1 Introduction 7.2 Notions d'électronique 7.2.1. Les circuits 7.2.2. Termes courants utilisés en tests et mesures électroniques 7.2.3 Tests de base 7.2.3.1. Mesure de tension (Volts) 7.2.3.2. Mesure d'un courant (Ampères) 7.2.3.3. Mesure d'une résistance 7.3 Electronique analogique et électronique numérique (digitale) 7.4 La loi d'Ohm 7.5 Histoire de l'électronique 7.6 Electronique de puissance et énergies renouvelables 7.7 Types de semiconducteurs de puissance 7.7.1. les diodes de puissance 7.7.2. Dispositifs de commutation 7.7.2.1 MOSFET de puissance 7.7.2.2 Transistor bipolaire à porte isolée (IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor) 7.7.2.3 Thyristors ou redresseurs contrôlables à base de silicium (SCRS) 7.7.2.4 Thyristor commutable à porte intégrée (IGCT Integrated Gate Commuted Thyristor) 7.8 Convertisseurs et systèmes de puissances 7.8.1. Convertisseurs DC – DC 7.8.2 Onduleurs 7.9 Conclusion Résumé Sources 84-97 98-114 115-117 118-122 Chapitre 1 Environnement et changement climatique 1.1 Introduction 1.2 Demande mondiale en énergie 1.3 Réchauffement global 1.4 Inconvénients des technologies actuelles de l'énergie 1.5 Technologies écologiques innovantes 1.6 Perspectives d'une économie basée sur l'hydrogène, énergie propre d'origine renouvelable 1.7 Conclusion 2 L'énergie fait partie intégrante de notre société moderne, elle permet la vie après le coucher du soleil, le transports des gens et des marchandises ainsi que le développement continu des sciences et des technologies. Les sources d'énergie actuelles, telles que le pétrole, et le gaz naturel ont permis de satisfaire les besoins en énergie croissants d'une population en augmentation aussi bien pour la consommation résidentielle ou industrielle que pour les transports. Cependant l'utilisation des combustibles fossiles pour générer l'énergie nécessaire a eu de nombreuses conséquences négatives, soit : une pollution considérable, l'exploitation intensive des ressources naturelles, d'importantes tensions geo-politiques envers les pays disposant d'importantes ressources de combustible. De plus, la demande globale en énergie va croître avec l'augmentation de la population du globe. Les réserves en combustibles fossiles existent en quantité limitée; elles se situent dans quelques régions du globe. Cette situation conduit à des tensions ou conflits régionaux qui représentent une menace pour la paix mondiale. Les réserves limitées et l'énorme demande en combustibles fossiles va inévitablement conduire à des hausses de coût. Pour cette raison, la fin des combustibles fossiles bon marché s'approche. Les combustibles fossiles sont actuellement indispensables pour maintenir notre niveau de vie et notre confort. Cependant leur consommation provoque des effets secondaires négatifs pour les humains, les animaux et les plantes. Les résidus de combustion de produits provoquent le réchauffement de l'atmosphère terrestre, ils polluent l'air, l'eau et le sol. Le résultat en est une détérioration des conditions de vie pour toutes les espèces vivant sur terre. Il existe à la fois des raisons économiques et environnementales pour justifier le développement d'énergies alternatives. 1.1 Introduction 3 Chapter 1 L'intérêt dans les sources d'énergie alternatives est apparu dans les années 1970, lorsque le pétrole s'est soudainement raréfié sur le marché. Alors que les réserves semblaient encore immenses, le monde a tout à coup pris conscience que les réserves de pétrole sont limitées et qu'un jour elles seraient épuisées. Durant la dernière décénnie, l'intérêt pour les énergies douces et pour une meilleure productivité a vu le jour. La recherche s'est alors orientée vers des sources d'énergie alternatives Notre dépendance envers les combustibles fossiles a conduit à une sévère pollution de l'air et à l'épuisement rapide des réserves de pétrole mondiales. En plus du danger qu'elle représente pour l'écosystème et pour les espèces vivantes, la pollution altère aussi l'atmosphère terrestre. Cette tendance est appelée le réchauffement global et celui ci continuera de s'aggraver avec la consommation croissante de combustibles fossiles. Le monde a besoin d'une source d'énergie peu polluante, hautement efficace et qui existe en quantité illimitée afin de satisfaire les besoins d'une population croissante. De nombreuses énergies alternatives ont été testées et développées. Celles-ci comprennent le soleil, le vent, l'hydro-électrique, la bio-énergie, la géothermie et bien d'autres encore. Les cellules solaires photovoltaïques utilisent le rayonnement solaire pour produire de l'électricité, l'énergie cinétique du vent est utilisée pour faire tourner les éoliennes, la bio-énergie est extraite des plantes. D'autres sources d'énergies renouvelables proviennent des déchets végétaux ou de l'énergie des vagues. Chacune de ces sources alternatives d'énergie présentent des avantages et des inconvénients; elles se trouvent actuellement dans différents stades de développement . Les Figures 1-1 à 1-3 représentent l'énergie éolienne, solaire et hydro-électrique . Il est bénéfique pour notre terre et pour toutes les espèces qui l'habitent que nous prenions conscience de l'énergie que nous consommons. Le set éducatif relatif aux énergies renouvelables (FCJJ-27) , permet de découvrir toutes les formes d'énergies renouvelables de base : l'éolienne, solaire photovoltaïque, et l'hydrogène (production et consommation grâce à un electrolyseur et une pile à combustible). Ce set d'expérimentation démontre comment les énergies renouvelables sont produites, transformées, stockées puis consommées. Ces énergies se régénèrent naturellement dans notre environnement. Les expériences possibles à l'aide de uploads/Litterature/ energie-renouvelable 1 .pdf