TPE Energie Solaire Photovoltaique

7/30/2019 TPE Energie Solaire Photovoltaique

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TPE


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Introduction :

Photovoltaque provient du grec photo qui signifie lumire et de

volta qui provient directement du nom du clbre physicien AllessandroVolta qui a contribu la dcouverte de llectricit.

Le photovoltaque est la transformation dune partie de lnergie lumineuse ennergie lectrique.

Depuis une quarantaine dannes, le concept du photovoltaque est en pleinessor grce lemploi de nouveaux matriaux.

Tout au long de lanne, les applications se font de plus en plus nombreuses et,de nos jours touchent un large secteur dactivit (mme si elles restent encorerestreintes en France).

De nos jours, le solaire est plus que jamais synonyme de LIBERTE.


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Tout particulirement notre poque o les hommes sont contraints d utiliserdes nergies polluantes.Si nous voulons btir un monde plus propre, il faut faire en sorte que

progressivement le solaire fasse partie intgrante de notre vie, ayons

lintelligence de la saisir.Dans le cadre de ce T.P.E, nous allons expliquer pourquoi lnergie solaire estune solution partielle au besoin mondiale en nergie ?

I- Petit historique

Lnergie solaire est lorigine du cycle de leau et des saisons, elle estdonc indirectement lorigine de richesses nergtiques tels que le charbon, le

ptrole ou encore le gaz. Lnergie solaire est utilise depuis de nombreuxsicles par exemple pour se chauffer.Depuis lAntiquit, les hommes tentent de tirer profit de cette nergie. Cest cette poque que jaillit lide dune conversion de lnergie solaire en nergie de

pompage. On retrouve cette ide dans certains travaux de nombreux savants telsque Euclide, Archimde ou bien encore Hron dAlexandrie. Le dveloppementde ces techniques va stendre du Moyen-ge la Renaissance avec lajout deverre dans certains prototypes ou bien encore ltude des miroirs ardents ainsique la construction de pompes solaires par Salomon de Caus.

Mais leffet photovoltaque proprement parl na t dcouvert quen 1839 parAlexandre Edmond Becquerel, qui sest pos la question de savoir pourquoicertains matriaux faisaient des tincelles lorsquils taient exposs la lumire.Il a russi prouver quil sagissait dune conversion directe de la lumire ennergie lectrique. Mais malheureusement, cette poque, les appareilslectriques nexistaient pas encore donc il ny avait pas dutilisations pratiques cette dcouverte.

En 1905, Albert Einstein met lhypothse que la lumire pouvait entrer lintrieur des atomes, et que la collision entre les photons et les atomes pouvaitfaire sortir des lectrons de leurs orbites et permettre ainsi la cration duncourant lectrique.

Il faut attendre le XXme sicle pour voir se dvelopper aux Etats-Unis unesrie de travaux et de ralisations se rapportant lnergie solaire. Leslaboratoires de Bell Telephone vont en 1954 mettre au point la premire cellule

photovoltaque de rendements acceptables (environ 6% de lnergie lumineuseconvertie en nergie lectrique). Ce rendement sera par la suite augment grce

la dcouverte du fait que la photosensibilit du silicium pouvait treaugmente en ajoutant des impurets ; celui-ci atteindra vers 1960 15%.


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Lors de la course vers lespace, les photopiles ont connu des progrs et desamliorations importantes. Car en effet, les photopiles sont une solution idale

pour lalimentation en lectricit des satellites.

En 1973, suite au choc ptrolier, lnergie solaire subit un essor considrable.

Au dbut des annes 90, la prise de conscience des limites de llectrificationrurale conventionnelle (rseau cbl), oblige les marchs du photovoltaque souvrir afin datteindre les campagnes de faon plus rentable.

En ce qui concerne lEurope, celle-ci nest pas en reste : 6centrales de plus de300kW sont actuellement en fonctionnement. La plus grande de ces centrales3MW, se trouve en Italie Delphos.

II- Les diffrentes cellules photovoltaque, principe de

fonctionnement et rendements

Vue gnrale dun panneau solaire


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Vue dtaille dun panneau solaire

Suivant leur structure cristalline, on distingue trois catgories de cellulessolaires.Les cellules solaires sont composes de semi-conducteurs utiliss lors de lafabrication de puces informatiques. Ces semi-conducteurs transforment lalumire en lectricit. Un courant continu est ainsi produit et peut tretransform, au moyen dun onduleur, en courant alternatif et peut tre donc ainsidirectement inject dans le rseau dlectricit public. En gnral, les semi-

conducteurs sont composs de silicium, lun des lments les plus prsents sur laplante.


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Pour fonctionner, une cellule photovoltaque a besoin de lumire.La lumire du soleil est constitue dune infinit de radiationslectromagntiques qui se propagent par ondes.La dcomposition de cette lumire blanche dans larc-en-ciel, ou par un prisme

nous montre seulement la partie visible du spectre lumineux. Mais londelumineuse vhicule aussi des grains dnergie appels photons.Mais ce nest pas tout, il faut aussi doper les plaques de silicium, c'est--direcrer une face N riche en lectron et une face P pauvre en lectrons. La surfacede sparation sappelle la jonction. Au voisinage de cette jonction le phnomneest complexe.Pour simplifier, la jonction constitue une barrire empchant les lectrons dela face N daller vers les lectrons de la face P.

Si lon introduit des atomes de phosphore ayant 5 lectrons de valence, 4lectrons de latome forment des liaisons avec latome de silicium et il en reste 1qui pourra assurer la conduction.Cest un dopage de type (N) N comme ngatif car la conduction se fera par leslectrons supplmentaires.

Si lon introduit des atomes de bores ayant 3 lectrons de valence, 3 lectronsde latome forment des liaisons avec latome de silicium et il y a un manque dlectron que lon appelle trou positif.Des lectrons de valence peuvent venir occuper ces trous, en librant eux-

mmes des places pour assurer la conduction.Cest un dopage de type (P) P comme positif car la conduction se fera par destrous.

Quand le flux de photons arrive sur les cristaux, de lnergie est absorbe. Ongnre des porteurs de charge au voisinage de la jonction : une diffrence de

potentiel apparat entre les deux faces de la cellule ; cest leffet photovoltaque.

A) Les cellules monocristallines


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Ces cellules sont composes dun seul cristal divis en deux plaques ultrafines,dopes et connectes entre elles. Elles permettent dobtenir de hauts rendements,de lordre de 15 20%. Ces cellules monocristallines souffrent nanmoins de

deux inconvnients. Premirement, leur prix reste lev et deuximement, ladure damortissement nergtique reste lev (c'est--dire le temps durantlequel une cellule solaire doit produire de lnergie pur rembourser lnergiencessaire sa production. Cette dure peut aller jusqu 7 ans

B) Les cellules polycristallines

Ces cellules ressemblent beaucoup aux cellules monocristallines, mais sontcomposes dun agglomrat de cristaux et non pas dun seul cristal pur, ds lorsles plaques sont htrognes et les rendements un peu plus faibles, de lordre de10 15%. Le seul avantage est que sa production ncessite moins dnergie etson prix dachat plus bas.

C) Les cellules amorphes

On parle de cellules amorphes ou couches fines lorsque la couche de siliciumne dpasse pas les 1 um (paisseur dun cheveu humain 50 100 um). La

production est peu coteuse grce de moindre frais en matriaux. En revanche,le rendement des cellules amorphes est largement infrieur celui des autrestypes de cellules. Les cellules amorphes sont gnralement utilises dans desappareils portables (montre, calculatrice) ou comme lments de faade.

III- Calcul thorique de la production dnergie grce auxcellules photovoltaques

Calcul de la rception dnergie solaire par la Terre

Puissance P reue par la Terre en 24 heures


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P=SxC

P, puissance reue par la Terre en WC, constante solaire en W/m (c=600 W/m)

S, surface de la Terre en m (S=5210 066E

9 m)

P=5210 066 E9x600P=2,9583828E17 W

La Terre reoit donc 2,9583828E17 W en une journe.Or, le monde consomme 17000TWh soit environ 6,12E19W

On constate donc que lnergie solaire brute reue par la Terre ne suffirait pas la consommation mondiale en nergie, le monde demanderait plus quil ne peutrecevoir, il est donc impossible de subvenir au besoin mondial lectrique encomptant uniquement sur lnergie solaire.

Calculons maintenant ce que pourrait produire le monde

grce au photovoltaque :

Admettons quune cellule de 1m produise 600W soit 600W/m.La surface terrestre dans le monde reprsente 148 429 000 km.Retirons les surfaces inexploitables : Les terres arables, 10,1% de la superficie soit environ 14 991 329 km Les forts qui reprsentent une superficie de 38 700 000 km

Il reste donc une superficie exploitable (thorique) de 94 737 671 km.

Soit une puissance de 94 737 671x 600=5.684E10 WLe photovoltaque nous permettrait donc de produire 5.684E10 W

Ce deuxime calcul permet donc de conclure que lnergie solaire est unesolution partielle au besoin mondial en nergie.

III- Expriences


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1) Exprience 1

Le but de lexprience est dtudier lincidence de linclinaison, delloignement, de la surface claire et de la puissance de lnergie reue en

fonction de la source lumineuse.

Liste du matriel : ampoule, panneaux solaires, voltmtre, fils conducteurs etun gnrateur.

Protocole exprimentale : une ampoule est relie un gnrateur et unmultimtre est reli une cellule photovoltaque. Ensuite, on mesure la tension la sortie de la cellule photovoltaque. De plus, pour chaque exprience, un seul

paramtre change la fois.

Tension la sortie du panneau solaire en fonction de lloignement

Tension a la sortie (mV) Eloignement (cm)

500 1

495 12

480 20

460 28

432 40

386 53

362 59

314 73

279 81

238 92

200 102

152 119

133 142

100 163

84 176

74 203


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Tension en fonction de l'loigneme nt

0

200

400

600

120 40 59 81 10

2142

176

loignement

tension

On constate que plus la cellule photovoltaque sloigne de la source lumineuse,plus la tension aux bornes du panneau solaire diminue.On en conclut donc que lloignement de la source lumineuse du panneausolaire a pour effet de diminuer la tension aux bornes du panneau solaire.

Tension la sortie du panneau solaire en fonction de linclinaison

Tension (V) Inclinaison ()

14,5 90

14,4 100

14,2 110

13,9 120

13,6 130

13,4 140

13 150

Tension en fonction de l'inclinaison

1212,5

1313,5

1414,5

15

90 100 110 120 130 140 150

Inclinaison

Tension


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Liste du matriel : ampoule, panneaux solaires, voltmtre, fils conducteurs, ungnrateur et des filtres colors (indigo, turquoise, vert, jaune, rouge, violet,

blanc)

Protocole exprimentale : une ampoule est relie un gnrateur et unmultimtre est reli une cellule photovoltaque. Diffrents filtres colors sontplacs tout tour devant lampoule et lon mesure lintensit et la tension lasortie de la cellule photovoltaque.

P=UxI

P en WattU en VoltI en Ampre

Couleurs U (en volt) I (enampre)

P (en Watt)

Indigo 1,21 1,18 1,43

Turquoise 0,38 2,89 1,10

Vert 0,49 3,59 1,76

Jaune 1,94 14,51 28,15

Rouge 1,26 9,53 12,01

Violet 1,28 9,55 12,22

Blanc 2,72 19,73 53,69


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Pr=1,43+1,10+1,76+28,15+12,01+12,22+53,69=56,67W

Pr, puissance la sortie du gnrateur avec les filtres colors en Watt

Pb =53,69W

Pb, puissance la sortie du gnrateur avec le filtre blanc en watt

On constate que la somme de la puissance des couleurs indigo, turquoise, vert,jaune, rouge, violet, blanc correspond quasiment la puissance de la couleurblanche (lcart rencontr correspond des imprcisions lors des mesures).

Conclusion gnrale des expriences

Ces deux sries dexpriences permettent de conclure que la lumire blanchenaturelle du soleil permet un meilleur rendement que les lumires colores. De

plus, pour obtenir un rendement correct, une cellule photovoltaque doitrpondre de nombreuses contraintes et de ce fait nest pas la solution idale la consommation mondiale en nergie.

IV- Avantages et limites

Avantages :Lnergie solaire peut tre utilise dans de nombreuses rgions, notamment lesrgions quatoriales ou tropicales, o les rayons arrivent perpendiculairementaux cellules. Il nont pas de pices mobiles et sont donc ainsi appropris auxrgions isoles. Les cots de fonctionnement sont faibles, les entretiens sontrduits et les panneaux ne ncessitent ni combustibles, ni transports, ni

personnel.


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Inconvnients :La nuit, il ny a plus de lumire, il faudrait donc prvoir un systme de stockagecomme un condensateur, ce qui reprsente un cot levLe prix dachat des panneaux solaires en France est lun des plus lev enEurope (car pas intressant financirement pour ltat).Le rendement des cellules photovoltaques reste trs faible (entre 10% et 15%).

V- Conclusion :

De nos jours, les nergies renouvelables prennent un essor considrable. Daprsnos sries dexpriences et nos calculs, nous pouvons conclure que lnergiesolaire est solution partielle au besoin mondial en nergie.

De plus, nous avons montr que le soleil ne pouvait fournir lnergie ncessairepour rpondre la demande mondiale.

Daprs nos sries dexpriences, nous avons montr que pour fonctionnercorrectement, les panneaux solaires devaient rpondre de nombreux critres

Cest pourquoi, dans loptique dun dveloppement de la technologie duphotovoltaque, son prix devra baisser et surmonter des contraintes techniques etnaturelles pour se dvelopper partout dans le monde.Mais le monde est-il prt faire cet effort ?

Nous avons donc russi mener notre TPE son terme et de nous instruire surce sujet passionnant.


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SOMMAIRE

Introduction page 1, 2

Petit historique page 2, 3

Les diffrentes cellules photovoltaque, principe de fonctionnement etrendements...page 3, 4, 5, 6

Expriences.. page 6, 7, 8, 9, 10, 12

Exprience 1.....page 7, 8, 9, 10

Exprience 2.... page 10, 11, 12

Avantages et inconvnients. page 12, 13

Conclusion. page 13

Bibliographie. page 14


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BIBLIOGRAPHIE

Sources internet:

http://www.industrie.gouv.fr/energie/statisti/se_elecmond.htm

http://crdp.ac-amiens.fr/enviro/air/air_maj4_detail_p1.htm

http://perso.id-net.fr/%7Ebrolis/docs/blue/blue.html

http://www.univ-pau.fr/%7Escholle/ecosystemes/4-pv/41-pri/41-1-fr.htm

http://www.inti.be/ecotopie/solvolt.html#histori

http://www.total-energie.fr/photo/histo.htm

http://villemin.gerard.free.fr/Science/Terre.htm#index

CDI :

Science et vie

Autres :

Brochure
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