Production de l’énergie : Les panneaux solaires
Séquence 4 : Solutions constructives 2/2 TD
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PRODUCTION DE L’ENERGIE – LES PANNEAUX SOLAIRES
Afin de rendre certains systèmes autonomes en énergie, il est indispensable de posséder un système de production d’énergie. Les panneaux solaires, quelle que soit leur technologie (monocristallin ou polycristallin) permettent d’assurer la fonction de production d’énergie et d’alimentation.
Il faut savoir les dimensionner, vérifier par les mesures et éventuellement par simulation leur fonctionnement.
1. Généralité
1.1. Le module photovoltaïque
Le panneau solaire est constitué de cellules photovoltaïques branchées à la fois en série et en dérivation. Dans chaque branche les cellules sont associées en série, et les différentes branches sont montées en dérivation (parallèle).
Les paramètres à prendre en compte pour le choix des panneaux solaires sont les suivants :
1.1.1. Paramètres électriques
• Puissance crête Pc (en Wc)
La puissance optimale (MPP, Max Power Point) correspond à la valeur maximale du produit P = U.I pour un éclairement et une température de jonction donnés, et sous les conditions de test standard.
Ce point correspond à la puissance crête (Pc) du module.
Figure 1 : Le point de fonctionnement idéal
• Tension de circuit ouvert Voc (à vide), de 18 à 22 V pour un panneau de 12 V
• Tension en charge (qui dépend de l’ensoleillement)
• Courant maximal de sortie
• Courant de court-circuit Icc (en A) 1.1.2. Paramètres physiques
• Nombre de cellules
• Température d’utilisation (de – 40 °C à + 80 °C)
• Poids et dimensions
• Durée de vie
• Coût
1.2. La cellule
Une cellule est constituée d’un empilage de couches.
Figure 2 : Couches d’une cellule solaire
Le fonctionnement qualitatif d’une cellule est assez simple : les photons (particules de lumières) frappent la cellule, ils transfèrent leur énergie aux électrons du silicium. Le silicium est traité (dopé) de manière que tous les électrons se dirigent dans le même sens, vers la grille métallique du dessus, créant ainsi un courant électrique continu dont l’intensité est fonction de l’ensoleillement.
Les caractéristiques définies par les constructeurs sont obtenues dans les conditions de test standard (STC) suivantes :
• Température de jonction Tj : 25 °C
• Irradiation ou éclairement E : 1 000 W/m2. Cela correspond approximativement à la puissance du rayonnement solaire à midi, par temps clair et sur une surface de 1 m2 perpendiculaire à la direction du rayonnement solaire.
• Masse d’air AM : lorsque le soleil est à son zénith La « masse d’air » est la couche d’atmosphère que le rayonnement doit traverser.
1.2.1. Les caractéristiques courant-tension
Une cellule génère du courant continu en fonction de la tension. La caractéristique I = f (U) dépend principalement de deux paramètres : l’éclairement (E) et la température de la jonction de la cellule (Tj).
Figure 3 : La courbe caractéristique I = f (U) du module Shell SQ80 1.2.2. La puissance crête (Pc)
En photovoltaïque, la puissance crête (Pc) désigne la puissance mesurée aux bornes d’une cellule photovoltaïque dans les conditions de test standard (E = 1 000 W/m² ; AM = 1,5 ; Tj = + 25 °C).
Pc (ou Wc) est donc la puissance théorique (P = U.I) exprimée en watts que peut produire un module PV.
1.2.3. L’influence de la température sur le fonctionnement
La température a des effets importants sur une cellule.
Lorsque la température augmente, la puissance diminue, le courant augmente légèrement, mais la tension décroît (de l’ordre de 0,0023 V/°C pour le silicium).
Figure 4 : L’influence de la température du module Shell SQ80 sur sa courbe caractéristique I = f (U)
2. Présentation
Une installation a été créée pour récupérer les eaux de pluie d’un bâtiment et les envoyer vers les toilettes. Le système utilise une pompe monophasée alimentée à partir de deux sources électriques (le système
photovoltaïque et le réseau EDF). Dans le cas de manque d’eau dans la cuve, on alimentera les toilettes à partir du réseau d’eau public
Figure 5 : schéma simplifié de l’installation
Figure 6 : schéma de principe
Q1. Donnez le nom et le rôle des 3 éléments (1, 2 et 3) du schéma de principe précédent.
Q2. Compléter la chaîne d’énergie (ou chaîne de puissance) du système.
Figure 7 : chaîne d’énergie (ou chaîne de puissance) du système
3. Les panneaux solaires photovoltaïque
Notre panneau solaire a une puissance crête de 75W. La tension aux bornes du panneau vaut 17V.
Le panneau solaire est constitué de cellules photovoltaïques branchées à la fois en série et en dérivation. Dans chaque branche les cellules sont associées en série, et les différentes branches sont montées en dérivation (parallèle). Chaque cellule délivre une tension de 0,5V et un courant de 450 mA.
Q3. Quel est le nombre de cellules dans une branche ?
Q4. Quelle est l’intensité du courant débitée par le panneau ? En déduire le nombre de branches du panneau.
Q5. Déterminer le nombre total de cellules du panneau.
Q6. Déterminer de quelle manière on doit associer les cellules pour construire notre panneau solaire (faire un dessin simplifié)
4. Le stockage de l’énergie
Nous allons maintenant déterminer la ou les batteries nécessaires à notre système.
Données techniques :
• La pompe est une pompe monophasée 230V, 900W, cos ρ=0,78, η=0,64.
• La pompe fonctionne en moyenne 1 heure par jour (à pleine puissance).
• Le rendement de l’onduleur (24V/230V) est de 98 %.
• Les batteries disponibles : 12V , 215 A.h.
• On doit pouvoir fonctionner 7 jours sans soleil.
Q7. Calculer la puissance consommée par la pompe. En déduire l’énergie quotidienne consommée par le moteur de la pompe (en W.h).
Q8. Calculer l’énergie nécessaire à stoker dans les batteries.
Q9. Déterminer de quelle manière on doit associer les batteries pour que l’onduleur soit correctement alimenté.
Q10. Calculer l’énergie stockée par l’ensemble de batteries (déterminé à la question précédente) quand elles sont totalement chargées.
Q11. Calculer le nombre d’ensemble de batteries nécessaires pour stoker l’énergie.
Q12. Déterminer de quelle manière on doit associer les batteries pour alimenter l’onduleur (faire un dessin simplifié). En déduire le nombre total de batteries nécessaires.
On va considérer maintenant que notre association de batterie équivaut à une seule « grosse » batterie.
Q13. Donnez les caractéristiques de cette « grosse » batterie (tension, capacité).
Q14. La mesure du courant de la pompe (à pleine puissance) est 7,83A. Retrouvez par calcul la valeur de ce courant.
Q15. Calculer la puissance consommée par l’onduleur lorsque la pompe est à pleine puissance. En déduire le courant consommé par l’onduleur.
Q16. A ce régime-là, combien de temps peut fonctionner la pompe ?
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