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Energie Solaire

Etude des caractéristiques du panneau solaire

Etude d’un panneau photovoltaïque

Nous allons maintenant passer à l’étude d’un panneau solaire. Dans cette activité vous aurez comme

matériels :

Un panneau photovoltaïque

Un multimètre

Un oscilloscope

Un Rhéostat

Une lampe halogène

Des câbles de connexion

Un ordinateur

Un générateur de tension alternatif

Un Luxmètre

Objectifs : définir les caractéristiques d’un panneau photovoltaïque

Avant tout câble appelez le professeur pour valider votre montage !

Activité préliminaire : Identifier la technologie de cellules photovoltaïques présentes sur le module.

Monocrstallin Polycristallin Cellule Amorphe

1. Quel sont les différences notable entre ces trois types de cellules photovoltaïques ?

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Etude des caractéristiques du panneau solaire

Activité 1 - La tension électrique disponible à la sortie d’un panneau photovoltaïque est-elle semblable à celle disponible à une prise de courant ?

Introduction :

L’oscilloscope est un appareil électrique permettant de visualiser une tension électrique en fonction du

temps. Il comporte essentiellement trois parties d’utilisation :

la partie « écran »,

la partie « bornes de branchement »,

la partie « zone de réglage ».

Un système d’axes, à savoir l’axe des temps en abscisse

et l’axe des tensions en ordonnée, nous permettra de

relever les éléments d’étude de la tension visualisée.

En l’absence de signal, on observe un trait horizontal

confondu avec l’axe des abscisses : cela signifie que la

tension vaut toujours 0 V.

On branche l’appareil dont on veut mesurer la tension

électrique sur les deux bornes de la fiche « banane ».

Les deux seuls boutons à savoir régler sont ceux portant

les indications : TIME / DIV et VOLT / DIV (au-dessus de

la fiche banane).

Visualisation de la tension aux bornes d’une pile

Branchez les deux bornes de la pile sur les bornes de branchement de l’oscilloscope à l’aide des

pinces “crocodiles” : le pôle + sur la borne rouge et le pôle - sur la borne noire.

Mettez l’oscilloscope en marche sans modifier les réglages de l’oscilloscope.

volts

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Etude des caractéristiques du panneau solaire

Mettez l’oscilloscope en marche sans modifier les réglages de l’oscilloscope.

Le quadrillage ci-dessous représente l’écran de l’oscilloscope.

1. Représentez ci-contre l’axe du temps t, l’axe de la tension U et l’oscillogramme observée.

2. Relevez le réglage de la sensibilité verticale :

3. Que signifie l’oscillogramme observé ?

4. Quel est la tension mesurée ?

5. De quelle nature est le signal observé ?

6. Quelle conclusion pouvez-vous en faire ? Justifiez votre réponse.

Visualisation de la tension délivrée par un panneau photovoltaïque lorsque celui-ci est éclairé

Branchez le panneau photovoltaïque sur l’oscilloscope

Le quadrillage ci-dessous représente l’écran de l’oscilloscope.

7. Représentez ci-contre l’axe du temps t, l’axe de la tension U et l’oscillogramme observée.

8. Relevez sur l'oscilloscope le réglage de la sensibilité verticale :

9. Que signifie donc l’oscillogramme observé ?

10. Quel est la tension mesurée ?

11. De quelle nature est le signal observé ?

12. Quelle conclusion pouvez-vous en faire ? Justifiez votre réponse.

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Etude des caractéristiques du panneau solaire

Visualisation de la tension aux bornes d’un générateur de courant alternatif

Branchez les deux bornes de la sortie “alternatif” d’un générateur sur les bornes de branchement de

l’oscilloscope. Vérifiez que le sélecteur du générateur est en position 6 V.

Mettez le générateur et l’oscilloscope en marche sans modifier les réglages de l’oscilloscope.

Le quadrillage ci-dessous représente l’écran de l’oscilloscope.

13. Représentez ci-dessus l’axe du temps t, l’axe de la tension U et l’oscillogramme observé.

14. Quelle est la fréquence du signal observé

15. Quelle est l’amplitude max du signal observé

16. Quelle conclusion pouvez-vous en faire ? Justifiez votre réponse.

Activité 2 - Caractéristiques électriques du panneau solaire

On veut tracer la courbe caractéristique « intensité-tension » d’un module solaire photovoltaïque.

Objectifs de l’activité :

Établir les conditions de fonctionnement optimal d’un panneau solaire.

Mesurer les performances d’un panneau solaire.

Données constructeur

La caractéristique constructeur intensité du courant-tension d’un panneau solaire quelconque est donné

ci - dessous pour une température de 25 °C :

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Etude des caractéristiques du panneau solaire

17. Quelles sont les conditions pour avoir un fonctionnement optimal d’un panneau solaire ?

On veut tracer la courbe caractéristique « intensité-tension » d’un module solaire photovoltaïque.

Pour ce faire, branchez le module sur une charge résistive variable (rhéostat 0-100 ohms de 300 Watts)

avec un voltmètre en parallèle et un ampèremètre en série comme indiqué sur le schéma ci-dessous :

Expérience : Situation 1

a. Éclairer le panneau solaire à l'aide d'une lampe à incandescence placée à 25 cm du panneau

solaire et alimentée par la tension 24 V du pupitre.

b. Mettez la lampe sous tension et patienter au moins une minute afin d'obtenir un fonctionnement en

régime permanent et d’éviter toute erreur due à des variations de température.

c. Mesurer la valeur de l'éclairement lumineux E, en lux (lx) avec le luxmètre, à l'emplacement du

panneau solaire.

Précaution : Durant toute la phase de mesure, il faut veiller à ne pas modifier les conditions

d'éclairement du panneau solaire.

Mesurez les valeurs de la tension électrique et de l’intensité du courant sur plusieurs positions du rhéostat

régulièrement réparties et reportez-les sur 20 points dans le tableau ci-dessous :

NB : il est important que l’irradiance (luminosité) ne varie pas pendant la mesure des différents points

(module fixe).

Point Situation 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

I=Intensité (A)

U=Tension (V)

P=Puissance P=U*i (W)

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Etude des caractéristiques du panneau solaire

Effectuez également les mesures pour les deux points particuliers suivants :

Court-circuit : Lorsqu’on relie directement un fil d’une borne du rhéostat sur l’autre borne du

rhéostat.

Circuit ouvert : en débranchant une borne du rhéostat.

Point Court-Circuit Circuit Ouvert

Intensité (A)

Tension (V)

À l'aide du logiciel Excel, compléter votre tableau de mesures en calculant la puissance Pélec fournie par

le panneau solaire

18. À l'aide de la fonction courbe de Latis Pro, tracer les graphes I = f(U) et Pélec = f(U).

19. Indiquer sur le graphe I = f(U) les points de fonctionnement à vide et en court-circuit.

20. Quelle est la puissance maximale Pélec _max délivrée par le panneau solaire dans cette situation ?

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Etude des caractéristiques du panneau solaire

Expérience situation 2

Refaite cette expérience mais cette fois ci en débranchant la lampe halogène et en prenant vos mesures

en extérieur.

Point Situation 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

I=Intensité (A)

U=Tension (V)

P=Puissance P=U*i (W)

Vous mesurerez également les valeurs de tension et d’intensité en court-circuit et en circuit ouvert

21. À l'aide de la fonction courbe de Latis Pro, tracer les graphes I = f(U) et Pélec

= f(U).

22. Indiquer sur le graphe I = f(U) les points de fonctionnement à vide et en

court-circuit.

23. Quelle est la puissance maximale Pélec _max délivrée par le panneau solaire

dans cette situation ?

Observations

24. Observer la surface éclairée par la lampe lorsqu’on la rapproche. Comment évolue alors la

luminosité de la surface éclairée ? Conclure sur la variation de l’éclairement lorsqu’on rapproche

la lampe. Et en déduire l'influence de l'éclairement sur l'intensité du courant de court-circuit.

25. En faisant une analogie avec un panneau photovoltaïque installé sur le toit d’une maison, indiquez

comment sera l'intensité du courant généré par le panneau solaire par temps nuageux et par temps

ensoleillé

26. Quelle est l'influence de l'éclairement sur la puissance maximale Pélec_max délivrée par le panneau

solaire ?

27. Sous quelles formes d'énergie, l'énergie solaire rayonnée est-elle convertie dans un panneau

solaire photovoltaïque ? Quelle est l’énergie utile dans ce cas ?

28. Comparer vos courbes avec les données constructeurs. Conclure.

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Etude des caractéristiques du panneau solaire

Branchement en série et branchement en parallèle.

Nous allons maintenant étudier le montage de plusieurs panneau photovoltaïque ensemble

Précaution : Durant toute la phase de mesure, il faut veiller à ne pas modifier les conditions

d'éclairement du panneau solaire.

Mesurez les valeurs de la tension électrique et de l’intensité du courant sur une seule position du rhéostat

Branchement en Série

Branchement en parallèle

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Etude des caractéristiques du panneau solaire

En Série En parallèle

Tension (V)

Intensité (A)

Puissance (W)

29. Que remarquez-vous ?

30. Que se passe-t-il au niveau de la puissance ?

Déterminer la loi générale d’un générateur électrique

Voir fiche ressources « Loi de l’électricité »

Activité 3 : Rendement du panneau solaire

Objectif de l’activité :

Déterminer l'ordre de grandeur du rendement d’un panneau solaire

Ressources :

Le flux lumineux F, exprimé en lumen (en lm), est la quantité d’énergie émise par la lampe sous forme

de rayonnement visible dans toutes les directions par unité de temps :

F = E x S

(Avec E, éclairement lumineux en lux (en lx) et S, surface du panneau solaire en m2).

Le flux énergétique ΦE (en W) est le rapport du flux lumineux F en lumen (lm) (reçu par le panneau

solaire d’une surface S) par l’efficacité lumineuse K en lumen par watt (lm .W-1) de la lampe :

ΦE = F / K

Pour une lampe à incandescence de 40 W du type utilisé : K = 12 lm .W-1.

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Etude des caractéristiques du panneau solaire

L’éclairement énergétique Eénergétique (en W/m2) du panneau solaire correspond au rapport de la

puissance lumineuse rayonnée par la lampe, nommée flux énergétique ΦE (en W), par la surface S

(en m2) du panneau solaire :

E énergétique = ΦE / S

Le rendement η du panneau solaire est donné par la formule :

η =

Puisance électrique max fournie par le panneausurface du panneau

éclairement énergétique reçu par le panneau

Problématique

À l'aide des résultats de l’activité 1 expérimentale « Caractéristiques électriques du panneau solaire » et

du document donné de l’activité documentaire « Rendement du panneau solaire », proposer une

démarche théorique pour calculer le rendement du panneau solaire pour un éclairement lumineux créé

par la lampe de travail située à 25 cm du panneau solaire. Puis le calculer.

Rechercher l’ordre de grandeur du rendement des panneaux photovoltaïques utilisés sur les toits des

maisons individuelles et conclure.