Fascicule de Travaux Pratiques

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1 Ministère de l'enseignement Supérieur, de la Recherche Scientifique et de la Technologie Université de Sousse Institut Supérieur des Sciences Appliquées et de Technologie de Sousse Fascicule de Travaux Pratiques BANC DE CONVERSION DE L ENERGIE Troisième année LMD Energétique Réalisé par : Fitwi Mourad Année universitaire

2 TP1 ETUDE DU RAYONNEMENT SOLAIRE INCIDENT POUR DIFFERENT D INCLINAISON PAR RAPPORT AU SOLANIMETRE TP2 DETERMINATION DE LA REPONCE ELECTRIQUE D UNE CELLULE PHOTOVOLTAIQUE EN FONCTION DU RAYONNEMENT INCIDEN TP 3 CALCUL DU RENDEMENT D UNE CELLULE PHOTOVOLTAIQUE 3 ème année LMD énergétique Page 2

3 TP1 : ETUDE DU RAYONNEMENT SOLAIRE INCIDENT POUR DIFFERENT D INCLINAISON PAR RAPPORT AU SOLANIMETRE I RAPPEL THEORIQUE I.1 Origine du soleil On supposes quo le.soleil, comme toute les autres étoiles de la galaxie, provient d une nuée d hydrogène interstellaire instable à l intérieur du nuage (sur la formation duquel il existe aujourd hui de nombreuses théories), à donné lieu à un processus de contraction gravitationnelle ; l énergie potentielle, qui s est ainsi libérée, a réchauffé la masse d hydrogène se trouvant en état de contraction, laquelle a commencé à émettre de faible radiations électromagnétique dans le champ des infrarouge. Cette phase représente ce que l on appelle la phase de «protoétoile» qui, dans le cas du soleil, a eu une durée de 7, année environ et qui à été caractérisé par de continuelle contractions gravitationnelles, jusqu au moment où l énergie gravitationnelles de contraction a été remplacée par l énergie nucléaire produite par la fusion de l hydrogène, donnant lieu à une phase d équilibre hydrostatique, appelée phase «adulte de l étoile». On a pu déduire des éléments radioactifs qui ont été découverts que la terre (qui dérive, comme tout le système solaire, de ce nuage interstellaire qui a provoqué ainsi l apparition du soleil), s est solidifiée il y a au moins 4, années. On a calculé pour une étoile ayant la même masse que le soleil que la phase de fusion de l'hydrogène dure environ8, années ; il s en suit que le Soleil a déjà Vécu environ 1a moitie de la phase «adulte» I.2 Constante solaire On appelle «constante solaire» la quantité d'énergie émise par le solei1 frappant en une certaine unité de surface normalement exposée aux rayons solaires ceci en dehors de l'atmosphère et pour une distance correspondant à la distance entre la Terre et le Soleil. La valeur de cette constante, qui est aujourd hui acceptée et qui est 1e produit de la moyenne de nombreuses mesures, est égale à : C s = 1,91 Cal/cm 2 mm (Langley/mm) 3 ème année LMD énergétique Page 3

4 Où, si l on prend d'autres unité de mesures, est égale à : C s = 1164 KCa1/m 2 h C s = 1,353 KCal/m 2. Fig1. Variation de la constante solaire au cours de l année Fig2. Distribution spectrale du rayonnement solaire I.3 Variation du rayonnement solaire avec le mouvement de la terre La Terre décrit une orbite plane et elliptique autour du Soleil, lequel occupe un des foyers. Le degré d'excentricité de l orbite est : e = 0,0 17 tandis que Faxe terrestre a, par rapport au plan de l'orbite, une inclinaison correspondant a un angle : ε = 23 44' De cette inclinaison de l'axe terrestre i1 s'ensuit qu'avec le mouvement de révolution autour du so1eil L angle de déclinaison δ (c est- à dire l angle existant entre les rayons solaires incidents et le plan de l'équateur), varie de + ε à - ε (voir figure 3) selon la relation : δ = 23 44'sin 2π 365 Où n représente le numéro d'ordre progressif des jours de 1'arinée à partir du 1 er janvier. n 3 ème année LMD énergétique Page 4

5 Cette variation du flux d énergie solaire a pour effet direct l alternance des saisons; en plus, elle conditionne l évolution climatique des différentes régions de la terre. I.4 Le solanimètre à barre avec projection d ombre Le solanimètre qui est fournit avec le solar Energy et que l on utilisera pour mesurer la densité de puissance de la radiation solaire totale ou de la radiation diffuse seulement. Ainsi, en retranchant de la valeur de la radiation totale celle de la radiation diffuse, on obtiendra la valeur de la radiation directe. A la figure 4 est montré le schéma du solanimètre, installé dans un boîtier standard. Après avoir placé le boîtier dans le sens nord-sud (ceci pour obtenir la mesure de la radiation diffuse seulement), on mettra la barre dans le sens Est-ouest, jusqu à ce que son ombre se rejette sur l élément sensible à la lumière, qui est constitué par une cellule photovoltaïque. De cette façon, en excluant la lumière directe, on mesurera la radiation diffuse seulement. La densité de puissance P(W/m²) de la radiation solaire incidente est liée à l intensité I (exprimée en ma) du courant de court-circuit produit par la cellule photovoltaïque, grâce au facteur de calibrage : On obtient ainsi : F C W / m² ( ) ma 3 ème année LMD énergétique Page 5

6 W P( ) = I m² W / m² ma ( ma) F Dans le cas de la radiation émise par une lampe au tungstène (tampérature d incandescence de 2870 K) semblable à celle qui équipe le Solar Energy minllab, la valeur de FC est égale à : W / m² F C = 1,667 ma C II MANIPULATION II.1 Etude du rayonnement émis par une lampe à tungstène Réaliser l installation du matériel et le raccordement comme définit sur le schéma ci-dessous. 3 ème année LMD énergétique Page 6

7 Relevés Une fois le montage réalisé remplir le tableau de relevé expérimental (annexe 1) Réaliser un graphique reprenant les intensités en fonction des angles d inclinaisons. II.2 Etude du rayonnement solaire. Réaliser l installation du matériel et le raccordement comme définit sur le schéma ci-dessous 3 ème année LMD énergétique Page 7

8 Relevés Une fois le montage réalisé remplir le tableau de relevé expérimental (annexe 2) Réaliser un graphique reprenant toutes les valeurs mesurées. Procéder au nettoyage et au rangement complet de l installation. 3 ème année LMD énergétique Page 8

9 ANNEXE 1 Angle d inclinaison par apport à la parallèle de la source lumineuse 0 Valeur relevée sur le milliampèremètre ème année LMD énergétique Page 9

10 ANNEXE 2 Durée après Radiation Radiation Radiation Radiation début de Totale Diffuse Totale Diffuse l expérience perpendiculaire perpendiculaire parallèle perpendiculaire (min) ème année LMD énergétique Page 10

11 TP2 : DETERMINATION DE LA REPONCE ELECTRIQUE D UNE CELLULE PHOTOVOLTAIQUE EN FONCTION DU RAYONNEMENT INCIDEN I CARACTERISTIQUES GENERALES DES CELLULES SOLAIRES AU SILICIUM Dans ce paragraphe on indiquera de façon détaillée les paramètres définissant la cellule solaire au silicium. a- Courant de court circuit I 0 : valeur de l intensité du courant débité par la cellule photovoltaique correspondant à une certaine valeur de l intensité de la radiation incidente (W/m²) et à une certaine température, ceci pour une certaine surface de la cellule exposée à la lumière et pour une valeur nulle de la résistance de charge. b- Tension à vide V 0 : Différence de potentiel mesurée aux extrémités de la cellule à circuit ouvert, pour une certaine intensité de radiation et une certaine température de la cellule. C- Rendement η Par rendement de la cellule solaire, on entend le rapport entre la plus grande puissance électrique fournie par la cellule et la puissance de la radiation frappant sa surface ; actuellement ce rendement ne dépasse pas ème année LMD énergétique Page 11

12 Fig1. Courbes caractéristiques tension-courant d une cellule photovoltaïque 3 ème année LMD énergétique Page 12

13 II ETUDE DU COURANT FOURNI PAR CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE EN FONCTION DE SON ORIENTATION PAR RAPPORT AU RAYONNEMENT On a vu au paragraphe précédent que l intensité du courant de court-circuit produit par une cellule solaire à un cours extrêmement linéaire selon la densité de puissance incidente. Il s en ensuit que la cellule solaire recevra un maximum d énergie irradiée (et par conséquent qu elle débitera une intensité de courant de court-circuit maximale) quand elle sera orientée perpendiculairement à la direction des rayons lumineux. Par contre, si ces derniers forment avec la normale à la surface de la cellule un angle θ, le flux lumineux frappant cette surface diminuera en raison d un facteur égal à cos θ, et le courant débité sera égal à : I θ = I 0 cos θ III MESURE DES CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES D UNE CELLULE AU SILICIUM Lors de la description des caractéristiques générales d une cellule solaire, on a vu que cette dernière était un dispositif électrique non linéaire ; ceci il implique qu il faudra trouver la courbe caractéristique tension-courant en fonction de la charge insérée et pour une certaine valeur d éclairement. Après s être assuré qu avec la lampe éteinte la cellule photovoltaïque ne produise aucun courant dans des conditions de charge nulle (cellule courant-circuitée) ceci signifiant qu aucun source lumineuse n influence les mesures, on allumera la lampe au tungstène et on mettra les potentiomètre (de réglage approximatif et de réglage fin) à leur point maximal. Avec ce type de disposition, qui correspond a un circuit ouvert, l'ampèremètre indiquera un courant nul, et le voltmètre une tension a vide V o. A ce point, on diminuera lentement la résistance du potentiomètre de réglage approximatif, tout en laissant le potentiomètre de réglage fin a zero. En un premier temps, la tension diminuera assez lentement, ceci jusqu'a ce que le courant mesuré reste quasiment constant après avoir subi au préalable une brusque augmentation. Dans ces mesures de tension-courant, on aura soin d e manoeuvrer le potentiomè tr e de réglage approximatif par petits paliers, et de faire les mesures de façon plus précise en intervenant légèrement sur le potentiomètre de réglage fin. Quand les potentiomètres seront au minimum, la résistance sera pratiquement nulle, et la tension devrait descendre a zéro. On peut vérifier ceci en excluant un potentiomètre et en court- 3 ème année LMD énergétique Page 13

14 circuitant la sortie de l instrument voltampérométrique avec un des cordons servant à brancher ce dernier au potentiomètre Dans ces conditions, on effectuera la mesure du courant de court-circuit. IV MANIPULATION IV.1 Détermination du courant produit par une cellule solaire pour différentes orientations Réaliser l installation du matériel et le raccordement comme définit sur le schéma ci-dessous. Relevés Une fois le montage réalisé remplir le tableau de relevé expérimental (annexe 1) Réaliser un graphique reprenant le courant produit par la cellule solaire en fonction des angles d inclinaisons. IV.2 Détermination des courbes tension-courant pour differentes valeur d eclairage Au montage précedent, ajoputer une charge variable 3 ème année LMD énergétique Page 14

15 Relevés a- Remplir le tableau de relevé expérimental pour une distance de 13 cm,1 6cm, 19 cm et 22 cm et avec charge variable (annexe 2) b- Réaliser un graphique ayant en abscisse les valeurs de l intensité et en ordonnée la puissance fournit c- Réaliser un graphique compilant toutes les informations relevées lors de la phase d expérimentation ANNEXE 1 Angle d inclinaison par apport à la parallèle de la source lumineuse 0 Courant produit par la cellule solaire ème année LMD énergétique Page 15

16 ANNEXE2 Relevés Pour éloignement de la source lumineuse (en cm) V ( mv ) I ( ma ) P ( mw ) ème année LMD énergétique Page 16

17 TP 3 CALCUL DU RENDEMENT D UNE CELLULE PHOTOVOLTAIQUE I. RAPPEL THEORIQUE Le rendement d'une cellule photovoltaïque est le rapport entre la puissance électrique maximale, débitée par la cellule et la puissance de la radiation incidente sur la surface de cette dernière On devra savoir déterminer le rendement d une cellule photovoltaïque, pour ê t r e e n me s u r e d'estimer la qualité des différents types de cellules se trouvant dans le marché. Par conséquent,. on écrira : P = elmax Pinc Vu que Ia mesure de la puissance incidente est effectuée à l aide du solarimètre, celle-ci sera rapportée à 1'unité de surface :il est donc utile que la mesure de P el max soit faite elle aussi par rapport l'unité de surface de la cellule. On a donc : η = P S P elmax cellule in (W) (m²) = (W / m²) P inc P elmax (Watt) (W / m²) S(m²) Si l on exprime la surface de la cellule en cm², la P elmax en mw, la P inc en KW/m² et le rendement en pourcentage, on obtiendra : η = P inc P elmax (mw) (KW / m²) S(m²) On emploiera cette formule pour le calcul du rendement de la cellule correspondant aux puissances électrique maximales fournies par la cellule que l'on aura placée, par rapport a. la lampe au tungstène, aux quatre distances examinées dans les essais précédents. Ensuite, à l'aide du solarimètre, on mesurera la densité de puissance incidente (KW/m 2 ) correspondant aux quatre distances entre la cellule et la lampe, en employant le facteur de calibrage F c. La surface de la cellule employée est. de 22 cm². 3 ème année LMD énergétique Page 17

18 II. MANIPULATION II.1 Montage de l expérience Réaliser l installation du matériel et le raccordement comme définit sur le schéma cidessous avec la cellule de type 1 II.2 Relevés a- Une fois le montage réalisé remplir le tableau de relevé expérimental et avec charge variable, pour une distance de 10 cm, 16 cm, et 22cm (annexe 1) b- Retirer la cellule solaire est placer le solarimètre à barre comme le montre le schéma cidessous : 3 ème année LMD énergétique Page 18

19 c- Une fois le montage réalisé remplir le tableau de relevé expérimental de valeur du solarimètre pour une distance de 10 cm 16 cm et 22 cm (annexe 2). d- Remplir le tableau (annexe 3) étant synthèse des différents relevés. e- Le rendement de la cellule seras donné par : η = P inc P elmax (Watt) (W / m²) S(m²) Sachant que pour faciliter le calcul nous allez transformer les ma en kw/m² les multipliant par Compléter le tableau de synthèse (annexe 3) f- Réaliser l installation du matériel et le raccordement comme définit sur le schéma ci-dessous avec la cellule de type 2 3 ème année LMD énergétique Page 19

20 II.3 Relevés a- Une fois le montage réalisé remplir le tableau de relevé expérimental pour une distance de (10 cm, 16cm, et 22cm) et avec charge variable (annexe 1) b- Retirer la cellule solaire est placer le solarimètre à barre comme le montre le schéma cidessous : 3 ème année LMD énergétique Page 20

21 a- Une fois le montage réalisé remplir le tableau de relevé expérimental pour une distance de 10 cm 16 cm et 22 cm (annexe 2). b- Remplir le tableau (annexe 3) étant synthèse des différents relevés. c- Le rendement de la cellule seras donné par η = P inc P elmax (Watt) (W / m²) S(m²) Sachant que pour faciliter le calcul nous allez transformer les ma en kw/m² les multipliant par Compléter le tableau de synthèse (annexe 3) 3 ème année LMD énergétique Page 21

22 ANNEXE 1 Relevés pour éloignement de la source lumineuse V ( mv ) I ( ma ) P ( mw ème année LMD énergétique Page 22

23 ANNEXE 2 Distance en cm I ( ma ) ANNEXE 3 Eloignement P el max (mw) I sol (ma) P inc (Kw/m²) Rendement ème année LMD énergétique Page 23

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