Le rayonnement solaire : une source d'énergie propre et "illimitée" : concours technicien  laboratoire2011.

De nos jours, le constat est sévère. Si notre société continue à utiliser les énergies fossiles et non renouvelables que sont le pétrole, le gaz naturel et la houille au même rythme, il faut s'attendre à deux conséquences à plus ou moins brève échéance : - Les bouleversements climatiques engendrés par les rejets toujours plus nombreux de dioxyde de carbone issu des combustions. - La disparition des énergies fossiles. ll existe cependant des alternatives, en particulier,dans l'exploitation des énergies renouvelables. L'utilisation du rayonnement solaire grâce aux panneaux photovoltaïques est l'une de ces alternatives. Potentiel énerqétique. La Terre intercepte une toute petite partie de l'énergie solaire rayonnée dans l'espace. On estime que la puissance du rayonnement que reçoit une surface de 1 m2 située à une distance de 150 millions de kilomètres , exposée perpendiculairemenat ux rayons du Soleil si I'atmosphère terrestre n'existait pas, est de 1367 W. Cette puissance surfacique représente la constante solaire égale à 1367 W. m-2. Pour les calculs d'énergie, on considèrera que l'on dispose en France, d'un potentiel de 1000 heures équivalentes de plein ensoleillement par an avec une puissance surfacique de 1000 W .m-2. Sachant que l'énergie électrique consommée par un ménage français est en moyenne de 3500 kWh/an ( hors chauffage), calculer la surface de panneaux photovoltaïques de rendement 10% à installer afin de subvenir aux besoins de ce ménage. Energie ( kWh) = puissance (kW) fois durée ( h) : 1*1000 = 1000 kWh m-2. Surface des panneaux : 3500 / 1000 = 3,5 m2 ; tenir compte du rendement de 10 % : 35 m2. Etude d'un panneau photovoltaïque d'après la caractéristique constructeur. En associant plusieurs cellules photovoltaïques élémentaires, on réalise un panneau photovoltaïque noté (PV) utilisé pour la production d'électricité, panneau que I'on peut modéliser par un dipôle actif représenté en figure 1. Lorsque ce dipôle alimente un récepteur, il débite un courant d'intensité i. Le constructeur de panneaux photovoltaïques donne en figure 2 la caractéristique courant-tension i = f(u) d'un panneau, de référence PWX500, en fonction de l'éclairement pour une température de 25°C. .   Etude à éclairement constant de 1000 W.m-2. En utilisant la caractéristique donnée, donner la valeur de la tension à vide( V0) ainsi que celle du courant de court-circui (ICC). V0 ~ 21,6 V et ICC ~ 3,15 A pour un éclairement de 1kW m-2. Le dipôle étudié est dit actif. Justifier ce terme. La caractéristique U=f(I) ne passe pas par l'origine et une partie de la puissance mise en jeu n'est pas de la puissance Joule. Peut-on le qualifier de dipôle linéaire ? Justifier la réponse. La caractéristique U = f(I) n'est pas une droite : le dipôle n'est pas linéaire.  Représenter en prenant une dizaine de points, la courbe donnant l'évolution de la puissance transférée par le panneau en fonction de la tension délivrée. A) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,1 3,15 U(V) 21,6 21,2 20,6 20,2 19,6 18,6 16 12 0 P=UI (W) 0 10,6 20,6 30,3 39,2 46,5 48 36,3 0  Indiquer les  coordonnées (Uopt, lopt ) du point de fonctionnement à puissance maximale. Uopt ~ 17 V et Iopt ~2,9 A pour un éclairement constant de 1000 W m-2.  A quelle partie du graphe correspond le fonctionnement Uopt ? Partie courbe de I=f(U) ( zone en vert ci-dessus ). Etude à éclairement variable. Tracer la courbe donnant l'évolution de Uopt et lopt ( tension et courant à puissance maximale ) en  fonction de l'éclairement. éclairement W m-2 50 40 28 23 20 Uopt (V) 17 17 17 17 17 Iopt (A) 2,9 2,2 1,6 1,3 1 Quel est l'effet d'une variation d'éclairement sur le panneau solaire ? La tension optimale reste à peu près constante ; par contre l'intensité optimale est pratiquement proportionelle à l'éclairement. La puissance optimale est à peu près proportionnelle à l'éclairement. Conclure sur le type de charge à placer en sortie d'un panneau solaire afin de travailler à puissance maximale. Il faut utiliser l'énergie solaire convertie en énergie électrique pour charger des batteries ; ces dernières pourront pallier aux variations de l'éclairement solaire. Proposition et validation d'un modèle pour le panneau. On propose comme modèle simple pour ce dipôle actif, le schéma suivant : l : courant proportionnel à l'éclairement. V : tension générée par le panneau à vide et à éclairement nul. D : modélise la jonction PN, au niveau de semi-conducteur. R3 est la résistance dynamique de la jonction PN. R1 (Résistance série): modélise les résistances de contact et de connextons. R2 (Résistance parallèle): modélise les divers courants de fuite Pour un éctairement de 1000W .m-2 on utilise les valeurs suivantes : I = 3,1 A ; V = 17,2 V ; Vd = 0,7 V ; R1 = 1 mW ; R2 = 150 W ; R3 = 1,15 W. Dans un premier temps, on néglige les résistances R1 et R2. Le schéma alors utilisé est donné  : On court-circuite les points A et B. Quelles sont alors les valeurs de I'intensité i et de la tension u ? u = 0 ; i = I. Le panneau est à vide. Exprimer puis calculer les valeurs de l'intensité i et de la tension u. i = I = 3,1 A ; u = 0 On retrouve les valeurs indiquées par la caractéristique fournie par le constructeur. La simulation logicielle du comportement du panneau a donné la caractéristique suivante : On retrouve les valeurs V0 ~ 21,6 V et ICC ~ 3,1 A pour un éclairement de 1kW m-2 Pour quel intervalle de tension, le panneau solaire se comporte-t-il comme un générateur de courant idéal ? Schématiser alors le modèle électrique équivalent du dipôle A B. Pour une tension comprise entre 0 et 18 V, l'intensité est constante I = 3,1 A : le panneau solaire se comporte, dans cet intervalle  [0 ; 18 V ] comme un générateur de courant idéal. Influence de la résistance R2 En ajoutant la résistance R2 de 150 ohms, on obtient la caractéristique modifiée suivante : Conclure, qualitativement par une phrase, sur l'influence de la résistance parallèle R2. Le panneau solaire n'est pas un générateur de courant idéal :  l'intensité varie de 3,1 A à 3 A sur l'intervalle [0 ; 17 V ].

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