THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (CHAP.8 DU LIVRE) CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

Ch. 2 – TP photovoltaique- 1/8

Mots-clés : conducteurs, semi-conducteurs, photovoltaïques

Activité 2 - TP : LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE : UN DIPOLE ACTIF

Contexte du sujet :

L’énergie solaire pourrait produire 20 fois les besoins énergétiques mondiaux. Et pourtant,

elle ne représente que 1% des capacités de production électrique à l’échelle mondiale.

L’énergie solaire, produite par le rayonnement du Soleil sur la Terre, représente une source

naturelle inépuisable et renouvelable.

Exploitée selon deux techniques différentes, elle utilise soit :

des capteurs solaires qui transforment les rayonnements en énergie thermique

(chaleur). Cette chaleur est ensuite distribuée par un système de circulation d’eau ou

d’air.

des cellules photovoltaïques, réunies dans un panneau solaire, qui transforment

l’énergie en courant électrique. Celui-ci est alors utilisé localement par le bâtiment

qui l’a produit ou transmis sur le réseau électrique.

Lorsqu’elle est éclairée par de la lumière, une cellule photovoltaïque génère un courant électrique et une tension

électrique apparaît entre ses bornes.

Si on branche un conducteur ohmique à ses bornes et qu’on éclaire la cellule, celle-ci agit comme un générateur et

génère un courant électrique qui circule dans le conducteur.

Quelle est la caractéristique d’une cellule photovoltaïque ? Quel est son rendement ?

Document 1 : Caractéristiques d’une cellule photovoltaïque

THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (CHAP.8 DU LIVRE) CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

Ch. 2 – TP photovoltaique- 2/8

Document 2 : Matériel disponible :

Cellule photovoltaïque,

Lampe de bureau,

2 multimètres,

Boite de résistances (de 1 à 10 k),

Fils électriques,

Luxmètre,

PC avec logiciel Regressi.

La cellule photovoltaïque dont vous disposez ne peut générer qu’un courant maximal de 500 mA et une

tension maximale de 0,50 V.

Activité expérimentale évaluée (1h)

Durée

indicative

(min)

Activité Compétences

évaluées

10

15

5

5

15

1 / Proposer le schéma d’un montage électrique permettant d’acquérir les

grandeurs utiles pour tracer la caractéristique Ic = f (Uc) de la cellule

photovoltaïque disponible. Appel professeur

Consigne : la cellule sera éclairée par la lampe de bureau et la distance

entre l’ampoule et la cellule pourra être comprise entre 5 et 10 cm. Placer

la lampe au-dessus de la cellule, ne plus déplacer ni la lampe, ni la cellule.

2 / Réaliser le montage. Relever la valeur de l’éclairement et effectuer les

mesures nécessaires.

Consignes : Vous intégrerez à vos mesures les valeurs de Uc et Ic pour une

résistance de charge de petite valeur, soit R = 1,0 .

Vous ferez varier R de 1 à 15 en incrémentant de 1 puis R = 20 / 30

/ 40 / 50 / 100 / 1 000 / 10 000 . Appel professeur

3 / A l’aide du logiciel Regressi, tracer la caractéristique : Ic = f (Uc)

Commenter l’allure de la caractéristique intensité – tension.

Préciser si la cellule photovoltaïque est un récepteur ou un générateur

après observation de la caractéristique.

4 / Créer, dans Regressi, la grandeur nécessaire pour tracer la

caractéristique P = f (Uc). Puis, afficher la caractéristique à l’écran.

Appel professeur

5 / Réaliser les manipulations et calculs nécessaires pour évaluer un ordre

de grandeur du rendement de la cellule photovoltaïque dont vous disposez.

Rédiger vos résultats sur votre compte-rendu.

ANA

REA1

REA1

REA1

APP/REA2

THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (CHAP.8 DU LIVRE) CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

Ch. 2 – TP photovoltaique- 3/8

Mots-clés : conducteurs, semi-conducteurs, photovoltaïques

Activité 2 - TP : LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE : UN DIPOLE ACTIF

CORRECTION

1. Schéma du montage électrique

Rappels : 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).

Luxmètre et Lux

Le lux est une unité de mesure de l'éclairement lumineux (symbole : lx). Il caractérise le flux lumineux reçu par

unité de surface. Un lux est l'éclairement d'une surface qui reçoit, d'une manière uniformément répartie, un flux

lumineux d'un lumen par mètre carré : 1 lx = 1 Lm/m2.

Attention à l’utilisation du luxmètre : Choisir le bon calibre et appliquer le coefficient multiplicatif

correspondant.

Pour mesurer les caractéristiques d’une cellule photovoltaïque, il faut la mettre en circuit en tant que générateur de

tension (pile, entre P et N).

- On l’éclaire par une source de lumière blanche (lampe à filament) qui représente la lumière solaire.

- On fixe la distance entre la cellule et la lampe, ainsi que l’orientation de la cellule, de façon à avoir toujours le

même éclairement E. On mesure cet éclairement avec un luxmètre.

- On branche un ampèremètre (A) en série avec une résistance variable permettant de faire varier l’intensité

dans le circuit. On obtient une valeur de I en A.

- On branche un voltmètre (V) en dérivation. On obtient une valeur de la tension U aux bornes de la cellule, en

V.

- On détermine enfin la surface S (en m²) de la cellule, en mesurant ses dimensions à la règle graduée.

Montage proposé :

THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (CHAP.8 DU LIVRE) CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

Ch. 2 – TP photovoltaique- 4/8

2. Tableau de résultats expérimentaux :

Valeur de l’éclairement : E = 2300 lux

R (en Ω) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Uc (en V) 0,126 0,164 0,199 0,230 0,257 0,280 0,299 0,314 0,325 0,339 0,347 0,353

Ic (en mA) 45,3 43,2 41,6 39,7 37,7 35,5 33,9 31,9 30,1 28,6 26,9 25,4

R (en Ω) 13 14 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Uc (en V) 0,388 0,405 0,413 0,417 0,421 0,424 0,425 0,426 0,427

Ic (en mA) 17,6 12,6 9,7 8,0 6,7 5,8 5,1 4,6 4,1

R (en Ω) 200 300 400 500 600 1000 2000 6000 10 000

Uc (en V) 0,431 0,432 0,433 0,434 0,433 0,434 0,435 0,434 0,435

Ic (en mA) 2,1 1,4 1,1 0,9 0,7 0,4 0,2 0,07 0,04

Remarque : Les valeurs pour R = 1 à 15 puis 20 / 30/ 40 /50 / 100 / 1 000 / 10 000

3. Caractéristique Intensité – Tension : Ic = f(Uc)

Commenter l’allure de la courbe :

On remarque que pour U < 0,35 V, l’intensité varie faiblement puis l’intensité chute rapidement jusqu’à 0.

La caractéristique de la cellule photovoltaïque ne passe pas par l’origine : la cellule photovoltaïque est un générateur

et non un récepteur.

THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (CHAP.8 DU LIVRE) CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

Ch. 2 – TP photovoltaique- 5/8

Quand la cellule n’est reliée à aucun circuit ou est reliée à un circuit ouvert, c’est-à-dire quand elle ne délivre

aucun courant (Ic = 0), la tension Uc à ses bornes n’est pas nulle.

On peut déterminer graphiquement le courant de court-circuit : ICC = 52 mA environ (Quand la tension aux

bornes de la cellule est nulle).

La cellule photovoltaïque possède une différence de potentiel (différence d’état électrique) en circuit

ouvert : On parle d’une tension à vide non nulle (voir cours de 1ère S : force électromotrice fem E d’une pile

= tension à vide d’une pile. E = 4,5 V pour une pile plate).

Graphiquement, on trouve UV = 0,443 V environ.

La cellule photovoltaïque est donc un générateur et non un récepteur.

4. Caractéristique P = f (Uc)

Graphiquement, on peut

lire Pmax = 10,08 mW

Possibilité de faire une modélisation par bornes et à partir de l’équation du

modèle sur cette zone, détermination de Icc quand Uc = 0

Icc = 52 mA

environ

UV = 0,443 V

THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (CHAP.8 DU LIVRE) CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

Ch. 2 – TP photovoltaique- 6/8

5. Evaluer un ordre de grandeur du rendement de la cellule photovoltaïque.

Rappels :

E : éclairement, mesuré en lux.

On admettra que pour la lampe utilisée, un éclairement de 100 lux correspond à environ 1,0 W.m-2. L’éclairement

E mesuré varie avec la distance lampe-luxmètre.

Uc : tension électrique aux bornes de la cellule ;

Ic : courant électrique généré par la cellule

P = Uc x Ic : puissance électrique disponible aux bornes de la cellule photovoltaïque lorsqu’elle est éclairée.

Pm : puissance maximale délivrée par la cellule.

S : surface (en m²) de la cellule photovoltaïque

Rendement de la cellule photovoltaïque : SE

Pm

.

Le rendement de la cellule est : η = Pm / (E x S)

On a déterminé graphiquement Pmax = 10,08 mW

Un éclairement de 100 lux correspond à une puissance reçue par le capteur de 1 W.m-2

Pmax a été déterminée avec un éclairement de 2300 lux donc E = 23 W.m-2

Surface de la cellule solaire S = 5,4 x 10 = 54 cm2

Le rendement de la cellule est : η = P / (E x S)

A.N. : η = 10,11.10-3 / (23 x 54.10-4) = 0,08140, soit 8,14 %.

Conclusion :

Ce rendement est faible et inférieur à 15 %, rendement annoncé dans les documents.

THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (CHAP.8 DU LIVRE) CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

Ch. 2 – TP photovoltaique- 7/8

Différentes remarques afin d’optimiser l’utilisation de Regressi

Lorsque que l’on saisit les symboles et unités des valeurs expérimentales, noter les unités utilisées en TP.

Ici I en mA et U en V.

Lorsque l’on crée la grandeur P ne pas rentrer l’unité afin que le logiciel choisisse la bonne unité.

Si un problème d’unité cliquer sur option et décocher dans calcul : calcul avec prise en compte des unités.

THEME 1 : LES MATERIAUX STRUCTURE ET PROPRIETES DES MATERIAUX (CHAP.8 DU LIVRE) CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

Ch. 2 – TP photovoltaique- 8/8

EVALUATION

Pré- requis :

Savoir utiliser un multimètre numérique

Utilisation d’un logiciel de traitement de données

Savoir ce que représente la caractéristique d’un dipôle électrique

Compétences évaluées :

APP : S’approprier des informations – Réponse correctement argumentée

ANA : Proposition à l’orale d’une démarche expérimentale afin de répondre à un objectif

REA1 : Montage correctement réalisé - Qualité des mesures réalisées et du traitement des données avec le logiciel.

REA2 : Calculs correctement menés (Expression littérale et unité adaptée)

Note : Le professeur ne dispose que d’un luxmètre et doit passer dans les rangs pour réaliser avec l’élève une mesure

de l’éclairement lumineux au niveau de la cellule photovoltaïque.

Compétences APP ANA REA1 REA2

Total 2 3 6 2

Evaluation Prof.