Vous êtes invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle n’a pas abouti. La démarche est évaluée et nécessite d’être correctement présentée.

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27/03/20 P08_cellule_photovoltaique_probleme.doc 1/4

Thème : Matériaux Problème

Physique Produire l’électricité nécessaire au lycée de l’Europe à Dunkerque grâce à des panneaux photovoltaïques : réaliste ou utopique ?

 Chap.8

 Ceci est un problème scientifique à caractère expérimental (sans faire l’expérience puisque nous sommes confinés)

Présentation du problème

 L’énergie solaire photovoltaïque transforme le rayonnement solaire en électricité grâce à des cellules photovoltaïques intégrées à des panneaux qui peuvent être installés sur des bâtiments ou posés sur le sol. Les cellules constituées de fines plaques de silicium

(silicium cristallin

photovoltaïque de 1^ère génération) ont un rendement en général compris entre 10 et 20 %.

Bien lire l’ensemble des documents avant de répondre aux questions.

Questions préliminaires (en vous aidant des documents joints) :

1. Module photovoltaïque du commerce utilisé pour le problème. (Document 5)

1.1. En utilisant la caractéristique du document 5, tracer à l’aide d’un tableur (Regressi de préférence) le graphique représentant la puissance P en fonction de la tension U pour l’éclairement de 500 W.m^-2. 1.2. En déduire la puissance optimale et calculer le rendement de la cellule proposée.

2. Cellule photovoltaïque du laboratoire

 Proposer un schéma de montage permettant, avec le matériel disponible, de mesurer la tension U aux bornes de la cellule photovoltaïque et l’intensité I qu’elle génère lorsqu’elle est éclairée par une lampe de bureau.

 Les résultats expérimentaux sont les suivants pour un éclairement E = 1800 lux

I (mA) 2,4 3 3 3,7 4,5 6,2 8,9 12 15 17 19 19 19 19,1 19,2 19,3 19,5 U (V) 1,9 2 2 1,9 1,9 1,9 1,8 1,7 1,6 1,4 1,2 1 0,82 0,63 0,44 0,25 0,085

Problème

 En admettant un éclairement de 500 W.m^-2 en moyenne sur l’année 12 heures par jour, (hypothèses évidemment simplificatrices), répondre à la problématique posée dans le titre.

 Vous rédigerez une note synthétique (avec votre démarche et présentation des calculs) pour présenter vos résultats.

 Apporter un regard critique à votre résultat.

Vous êtes invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle n’a pas abouti. La démarche est évaluée et nécessite d’être correctement présentée.

Document 1. : Tension, courant et puissance électrique

 La tension électrique, notée U, entre les bornes d’un générateur se mesure avec un voltmètre monté en dérivation aux bornes du générateur. Elle s’exprime en volts (V).

 Les bornes du multimètre utilisé en voltmètre sont les bornes « V » et « COM ».

 L’intensité d’un courant électrique, notée I, délivrée par un générateur se mesure avec un ampèremètre branché en série avec ce générateur. Elle s’exprime en ampères (A).

 Les bornes du multimètre utilisé en ampèremètre sont les bornes « A » ou « mA » et « COM ».

 La puissance électrique P, fournie par un générateur, vaut P = U  I avec P en watt (W), U en volt (V) et I en ampère (A).

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Document 2. : Rendement d’une cellule photovoltaïque

 Le rendement  d’une cellule photovoltaïque est le quotient de la puissance électrique Pmax générée par la cellule par la puissance lumineuse Plum qu’elle reçoit :  = Pmax

Plum .

 Plum = E  S où E est l’éclairement de la cellule, exprimée en W/m², S la surface de la cellule, exprimée en m².

 Un luxmètre est un capteur permettant de mesurer simplement et rapidement l'éclairement E en lux.

 L’éclairement est mesuré par un luxmètre du laboratoire ou une application luxmètre sur le téléphone portable (lux meter, …). On admet qu’un éclairement de 100 lux correspond à 1 W/m².

Liste du matériel disponible

 Une cellule photovoltaïque.

 Deux multimètres.

 Un potentiomètre dont la résistance R peut varier entre 0 et 100 k.

 Une lampe de bureau.

 Un luxmètre et sa notice.

 6 fils électriques (3 rouges, 3 noires)

 Tableur grapheur Regressi

 Une règle graduée

Document 3. : Diagramme de transferts d’énergie pour un panneau photovoltaïque.

Document 4. : Données

 Schématisation d’une cellule photoélectrique.

 Définition de la caractéristique courant-tension d’un dipôle : La caractéristique courant-tension d'un dipôle est la courbe qui traduit l'évolution de l'intensité I du courant qui le traverse en fonction de la tension U aux bornes du dipôle, c’est à dire le graphe I = f(U) « caractéristique » de ce dipôle.

 L’énergie électrique WE (en Joules) s’exprime pendant une durée t d’utilisation sous la forme WE = PE  t avec

t en s.

Soleil Panneau

photovoltaïque

WR

Energie de rayonnement

W_R’

Pertes sous forme d’énergie de rayonnement

W_E

Energie électrique

WT

Pertes sous forme d’énergie thermique

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Document 5. : Panneaux photovoltaïques

 Un constructeur donne la caractéristique intensité-tension d’un module photovoltaïque au silicium de surface S = 0,150 m², pour deux éclairements, 500 W.m^-2 et 1000 W.m^-2.

 Pour un éclairement donné, la puissance électrique fournie par un photogénérateur délivrant un courant d’intensité I avec une tension électrique U entre ses bornes est P = U  I (U en V, I en A et P en W).

 La puissance fournie par un module photovoltaïque est généralement insuffisante pour les applications domestiques ou industrielles. De ce fait, les générateurs photovoltaïques sont réalisés par association d’un grand nombre de modules photovoltaïques.

 Le rendement  d’un générateur photovoltaïque est le quotient de la puissance électrique maximale, Pmax, fournie par le générateur par la puissance lumineuse Plum reçue :  = Pmax

Plum

 La puissance lumineuse reçue par une surface S sous un éclairement E est : Plum = E  S (E en W.m^-2, S en m² et Plum en W).

 On admet que le rendement d’un générateur photovoltaïque est le même que celui des modules le constituant.

Document 6. : Données climatiques

Ville Ensoleillement (h/an)

Pluie (mm/an)

Neige (j/an)

Orage (j/an)

Brouillard (j/an)

Moyenne nationale 1 973 770 14 22 40

Dunkerque 1 900 650 11 11 34

Paris 1 630 642 15 19 13

Nice 2 668 767 1 31 1

Strasbourg

1 633 610 30 29 65

Brest

1 492 1 109 9 11 74

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Document 7. : Le lycée de l’Europe à Dunkerque

 La surface de toiture des bâtiments est de 13 500 m² (en réalité cette surface est la surface au sol des bâtiments)

 Sa consommation électrique s’est élevée en 2017 à près de 936 000 kWh pour un coût total de 75 000 euros TTC.

Document 8. : Données météorologiques

 Puissances lumineuses en extérieur sous différentes conditions météorologiques.

 Grand soleil : 50 000 à 100 000lux

 Ciel bleu : 20 000 lux

 Ciel couvert : 500 à 25000 lux

 Ciel pluvieux : 50 à 1000 lux

Document 9. : Données climatiques