SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME Représente la chaîne directe de la conversion de lénergie...

SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME

Représente la chaîne directe de la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique utilisable avec en indication la nature des grandeurs électriques

Ce n’est pas un schéma fonctionnel ou de raccordement

alimentations électriques faibles puissances

Les alimentations électriques faibles telles que les calculettes ou les chargeurs de piles.

Des modules PV peuvent faire fonctionner n'importe quel appareil alimenté par des piles.

CE NE SONT PAS…

installations électriques photovoltaïques raccordées au réseau, bien que l’on s’en approche et qui peut constituer une extension du sujet

ENVISAGER DES EXPLORATIONS

SUPPLEMENTAIRES ?

Inventaire des problèmes :

le rayonnement est variable (météo, nuit) ; ce n’est pas une grandeur stationnaire !

les besoins sont en journée et la nuit

les batteries se justifient complètement ; INDISPENSABLES

mais les batteries : durée de vie limitée, encombrement, recyclage difficile et polluant, précautions d’emploi sous peine de danger et de réduction de sa durée de vie.

certains appareils sont conçus pour être alimenté en DC mais d’autres (la plupart) demandent une alimentation en AC…et pour certains, de bonne qualité.

SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME

RESSOURCE PROPRE INEPUISABLE

INTERMITTANTE

CHANGER DE MODE DE VIE ?

POUR LA NUIT ?

ELEMENT POLLUANT DU SOLAIRE

POURQUOI NE PAS BASCULER EN DC ?

UN SCHEMA PLUS COMPLET…

source : Hespul

Énergie solaire

Double flèche

Simple flèche

Simple flèche

VocabulaireLiaisons

Sens de transfertUtilisation

L’onduleur n’est pas représenté connecté à la

batterie mais au régulateur…

…voir les documentations techniques des constructeurs…

UN SCHEMA PLUS COMPLET…

IMPOSSIBILITE DE TRAVAILLER SUR UN SYSTEME A FORTES PUISSANCES PRENDRE UN « BON »

MODELE AVEC UN SYSTEME REDUIT

BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS ESSENTIELS…QUE L’ON DOIT RETROUVER

DANS LE SYSTEME REDUIT

EST-IL FIABLE ?Que signifient les flèches de liaison ?

Est-ce les « bonnes liaisons » ?

Où sont les protections des appareils ou des usagers ?

Est-ce le bon vocabulaire : scientifique, technique, commercial ?

BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS ESSENTIELS…QUE L’ON RETROUVE DANS LE

MODELE OU LA MAQUETTE

Énergie solaire et rayonnement solaire

Champ photovoltaïque ou panneau(x) solaire(s)

Régulateur.

Batterie d’accumulateurs.

Onduleur.

Récepteurs (équipements domestiques).

Pas d’entrée onduleur : celui-ci se branche sur la batterie

La batterie se branche sur le régulateur (polarisation)

Sortie pour appareils alimentés en DC

BATTERIE

PANNEAUX

APP. DC

Utilisation de matériels professionnels et de la documentation du constructeur

qui induisent du questionnement…

POUR PARVENIR A CES CONCLUSIONS

Les panneaux ne sont pas connectés directement aux charges : A JUSTIFIER

L’appareil qui permet la connexion des panneaux aux applications est le régulateur.

Il assure une « adaptation de puissance ».

La batterie, indispensable pour fournir et stoker l’énergie est connectée au régulateur ; c’est elle qui fournit la

puissance aux appareils : A JUSTIFIER

Conclusion : Les panneaux servent à recharger la batterie et ne fournissent généralement pas la puissance

aux charges.

L’onduleur ne fait que transformer la nature du signal électrique : A MONTRER.

CAR LE BUT N’EST PAS DE FORMER DES TECHNICIENS EN INSTALLATION MAIS DES CITOYENS

AVEC UNE BONNE CULTURE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE QUI LEUR PERMETTRA

EVENTUELLEMENT DE S’ADAPTER A UNE FORMATION PROFFESSIONNELLE

PRENDRE UN SYSTEME REDUIT MAIS CREDIBLE QUI INTEGRE NEANMOINS LES FONCTIONS

ESSENTIELLES DU SYSTEME INITIAL

CONFRONTER PAR UNE VISITE DU SITE REEL LES EXPLOITATIONS PEDAGOGIQUES POUR

COMPLETER

TROUVER UN MODELE FIABLE…

CE N’EST PAS UN TRAVAIL DE CONCEPTION QUE L’ON DEMANDE AUX ELEVES MAIS UN TRAVAIL

D’ANALYSE A PARTIR D’UN SYSTEME REEL.

ASSEMBLER DES ELEMENTS « GRAND PUBLIC » REELS POUR REALISER UNE CHAINE PEDAGOGIQUE

PERMETTANT DE FAIRE DES ESSAIS ET DES MESURES

en toute sécurité pour le matériel : c’est du matériel professionnel avec des protections intégrées

en toute sécurité pour l’expérimentateur : on reste en TBT sauf en sortie de l’onduleur…)

avec des appareils de mesures de lycée

CHOIX DU MODELE REDUIT …

Régulateur de charge solaire 12 V – 30 A

(Tension de charge de la batterie)

Coffret panneaux solaires 13 W derrière un vitrage !!

Convertisseurs DC AC

300 W

QUEL MATERIEL CHOISIR ?

Et tenir compte de la disponibilité des stocks, du coût…

Les panneaux solaires

Consulter de la documentation en ligne et constater les divergence de vocabulaire, des spécifications, des valeurs tests, des conditions d’utilisations…

Exploiter de la documentation constructeur par les élèves…

Les régulateurs (« solaires »)

Les batteries (« solaires »)

Les convertisseurs DC/ AC

DIMENSIONNEMENT

Charges coté alternatif On disposait de charges alternative sous 230 V en 60 W.

P = 300 W (S = 300 VA) U = 230 V - I = 1,7 A si trop faible délicat à mesurer avec pince ampère-metrique. Choix d’un convertisseur 300 W donc sous 12 VDC cela fait 25 A !

Applications coté continu : moteur DC 12 V – 2 A, ampoule 12 V – 20 W

Choix du régulateur : sortie 12 V et sortie 30 A (25 A dc batterie et 2 A dc autre)

Batterie : accu. plomb avec C = 7,6 Ah soit 0,76 A durant 10 h.

Ub = 12 V - Ib = 25 A maxi section des fils ; batterie non spécialisée

Donc sortie régulateur 12 V mais 30 A au moins ;

Dimensionnement des panneaux : pourquoi pas 300 W ?

Encombrement – compréhension de la chaîne nécessaire pour rôle des panneaux

Pourquoi 13 W et pas 80 W pour montrer au moins la possibilité de pouvoir alimenter les charges par « liaison directe » en cas de condition d’éclairement optimale ? Disponibilité – prix.

Cette approche doit être également prise en compte par les élèves : elle

est centrale car elle permet de bien saisir les distinctions entre l’énergie,

la puissance, l’autonomie, les approches globales et moyenne, les

maximums…

La « maquette » est un bon compromis.

Qui permet néanmoins de montrer :

La différence entre énergie et puissance

Montrer les limites du système

Montrer le rôle des blocs fondamentaux

Montrer le rôle centrale et la gestion de la batterie

Montrer les différentes formes de puissance électrique (DC ou AC)

Montrer les caractéristiques des appareils, les valeurs optimales les différences entre le vocabulaire technique et commercial

DIMENSIONNEMENT ?

Charges à courant continu sous 12 ou 24 V: moteurs, éclairage...

Soleil et rayonnement

solaire à travers l’atmosphère

Panneau solaire ou panneau photovoltaïque PV

Régulateur « de charge solaire » avec sortie DC en 12 ou 24 V

Batterie « solaire »

Convertisseur de tension ou inverseur ou onduleur DC/AC

Charges à alternatif : moteurs des appareils électroménagers,

éclairage...sous 230 V AC – 50 Hz

…POUR REMPLIR DES EXIGENCES DU PROGRAMME STL-ST2D ET COUVRIR

L’EXEMPLE 1 DE L’ENSEIGNEMENT DE SPECIALITE DE SCIENCES PHYSIQUES ET

CHIMIQUES EN LABORATOIRE PARTIE SYSTEMES ET PROCEDES

Intitulé : Production autonome d'électricitéSystème étudié : installation photovoltaïque.

UN DISPOSITIF DIDACTIQUE ADAPTE…

Entrée : Sortie :

Rayonnement solaire Puissance électrique

Besoins : alimentation autonome en électricité

Fonctions Notions et contenus des programmes Notions et contenus complémentaires

Capture de l'énergie solaire Coefficient de transmission énergétique Matériaux

Conversion de l'énergie solaire en énergie électrique

Spectre de la lumière du soleil, longueur d'onde Énergie et puissance électriques

Caractéristique d'un générateur

Effet photovoltaïqueInteraction rayonnement matière Énergie d'un photon Conversion photovoltaïque Mesure de flux lumineux Photo détecteurs

Stockage de l'énergie Transformations chimiques et transformation d'énergie électrique Piles, accumulateurs, piles à combustibles

Régulation de la puissance fournie à la batterie par la cellule

Loi des nœuds et lois des mailles Régulation

Conversion statique de l'énergie électrique (continu alternatif)

Énergie et puissance électrique Bilan énergétique

Convertisseurs statiques

Surveillance et mise en sécurité de la batterie

Chaîne de mesure

Exemple 1 : production autonome d'électricitéSystème étudié : installation photovoltaïque

ONDULEUR

REGULATEUR

BATTERIE

PANNEAU SOLAIRE OU

PHOTOVOLTAIQUE

Dimensionnement reste crédible

Pas de protections des systèmes (disjonction DC et AC, parafoudre…) ou des usagers (prise de terre ?)

Essais aléatoires : ensoleillement (saison) ; dans la salle de TP, derrière un vitrage, c’est moins direct qu’en extérieur…

Batterie de plus faible capacité donc autonomie réduite à moins d’investir dans des batteries spéciales dites

« solaires »

Coûts d’investissement plus élevés si on souhaite comparer différentes techniques ou technologie : exemple du

régulateur (PWM, MPPT), convertisseurs DC/AC ou à « sinusoïde modifiée » ou onduleur dit sinus pur

AVOIR A L’ESPRIT LES LIMITES DU MODELE ET LES MOYENS DU LABORATOIRE…

IDENTIFIER par une première approche globale les principales caractéristiques du système :

- fonction(s) globale(s) réalisée(s) ;- grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ;- principales performances attendues ;- dimensions économique et sociétale.

ENERGIE SOLAIRE

ENVIRONNEMENT

Régulateur

ConvertisseursDC / ACOnduleur

Appareils Électriques

AC


DCÉnergie électrique

Pertes (chaleur)

Énergie « Utile »

Énergie « Utile »

Énergie rayonnant

Batteries

Panneaux Solaires

ENVIRONNEMENT

Pertes (chaleur)

ENVIRONNEMENT

Pertes (chaleur)

fonction(s) globale(s) réalisée(s) ;

grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ;

Bilan de conversion et bilan d’énergie

Régulateur

Batteries

ENERGIE SOLAIRE

ENVIRONNEMENT



AC


DCPuissance électrique

Pertes (chaleur)

Puissance « Utile »

Puissance rayonnant ou flux

Panneaux Solaires

ENVIRONNEMENT

Pertes (chaleur)

ENVIRONNEMENT

Pertes (chaleur)

Puissance instantanée conditions :

jour et excel. éclairement


13 W

200 W50 W

10 W

210 W

42 W

5 W

Et pendant combien de temps ?

Donc les schémas suivants sont faux et dangereux !!

Ils laissent penser que la conversion est directe et suffisante en puissance.

Pertes (chaleur)

80 W

ETOILES , NUAGES ?ENVIRONNEMENT

Régulateur



AC





Batteries

Panneaux Solaires

ENVIRONNEMENT

Pertes (chaleur)

ENVIRONNEMENT

Puissance instantanée conditions nuit ou

éclairement très faible


12 W

2 W

14 W

5 W

85 W

Combien de temps ? AUTONOMIE

Recharge de la batterie

ENVIRONNEMENT

ENERGIE SOLAIRE

ENVIRONNEMENT

Régulateur



AC



Pertes (chaleur)


Batteries

Panneaux Solaires

ENVIRONNEMENT Pertes (chaleur)

Puissance Chimique

13 W

11 W

2 W

Puissance instantanée conditions :

jour et excel. éclairement et pas de

consommation

QUEL TRAVAIL AVEC LES ELEVES ?

Puissance électrique

Courant quelle forme ?

Tension (quelle forme ?)

Caractéristique électrique

Paramètres influents

Comment s’effectue la conversion ?

Rendement ?

Peut-on la quantifier ?

LE PANNEAU SOLAIRE

ENERGIE SOLAIRE

Panneaux Solaires

ENVIRONNEMENT

Pertes

Énergie électrique Régulateur

Pourquoi faut-il le régulateur ?

Quel point de fonctionnement ?

MESURES – ESSAIS OBSERVATIONS

ETUDE DE DOCUMENTS

ENVIRONNEMENT

LA BATTERIE :

RESERVOIR D’ENERGIE ET SOURCE DE PUISSANCE

Énergie chimique

Pertes

RégulateurÉnergie

électrique Batteries

Comment s’opère la conversion ?Comment régule-t-il ?

Énergie chimique

Pertes

Régulateur BatteriesÉnergie

électrique

Courant quelle forme ?

Comment s’opère la conversion ?

ESSAIS et OBSERVATIONS

Combien de temps ?

ENVIRONNEMENT

LA CONVERSION DC/AC :

ENVIRONNEMENT



AC

Courant et tension DC ?

Pertes

Mécanique

Énergie chimique Batteries

Énergie électrique

Énergie électrique

Courant et tension AC ?

Lumineuse

Électronique

OBSERVATION ET MESURE ET BILAN DE

PUISSANCE

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