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

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1 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 Ch. 2 TP photovoltaique- 1/8

2 Document 2 : Matériel disponible : Cellule photovoltaïque, Fils électriques, Lampe de bureau, Luxmètre, 2 multimètres, PC avec logiciel Regressi. Boite de résistances (de 1 à 10 k), 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 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 ANA 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 / / Appel professeur 3 / A l aide du logiciel Regressi, tracer la caractéristique : Ic = f (Uc) REA1 REA1 REA1 15 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 APP/REA2 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. Ch. 2 TP photovoltaique- 2/8

3 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/m 2. 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 : Ch. 2 TP photovoltaique- 3/8

4 2. Tableau de résultats expérimentaux : Valeur de l éclairement : E = 2300 lux R (en Ω) 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) 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) 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 / / 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. Ch. 2 TP photovoltaique- 4/8

5 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 : I CC = 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. 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 U V = 0,443 V 4. Caractéristique P = f (Uc) Graphiquement, on peut lire Pmax = 10,08 mw Ch. 2 TP photovoltaique- 5/8

6 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. P m : puissance maximale délivrée par la cellule. S : surface (en m²) de la cellule photovoltaïque Rendement de la cellule photovoltaïque : P ṃ E S 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 cm 2 Le rendement de la cellule est : η = P / (E x S) A.N. : η = 10, / (23 x ) = 0,08140, soit 8,14 %. Conclusion : Ce rendement est faible et inférieur à 15 %, rendement annoncé dans les documents. Ch. 2 TP photovoltaique- 6/8

7 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. Ch. 2 TP photovoltaique- 7/8

8 Pré- requis : EVALUATION 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 Evaluation Prof. Ch. 2 TP photovoltaique- 8/8

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