Transformation de l énergie électrique lumineuse

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1 Transformation de l énergie électrique en énergie lumineuse : l éclairage Depuis la lampe de Thomas Edison en 1879 jusqu aux DELs de nos jours, les systèmes d éclairage n ont cessé d évoluer. L électronique de puissance à notamment permis de diminuer de façon significative, la consommation des ampoules. Définitions Définition du flux lumineux Le flux lumineux est la quantité de lumière émise par une source à sa tension nominale de fonctionnement. Il est mesuré en lumen (lm). On le note. Définition de l intensité lumineuse L intensité lumineuse est la densité de flux projeté dans une direction donnée. Elle est mesurée en candela (cd). On la note I. Définition de l éclairement Par convention, l éclairement est donné par le rapport entre l intensité lumineuse et la distance au carré. Les niveaux d éclairement se mesure avec un luxmètre. L unité est le lux(lx) Définition de l angle de rayonnement L angle de rayonnement est l angle formé par le réflecteur qui permet de diriger la lumière. Il est mesuré en degré ( ).On le note r. Définition de la température de couleur La température de couleur est mesurée en Kelvin (K). Elle permet de déterminer la température d une source de lumière à partir de sa couleur. Plus elle est basse, plus la lumière émise tend vers les couleurs chaudes (< K). Plus elle est élevée, plus elle est dynamique (> K) et plus la lumière tend vers le bleu. La lumière du jour correspond en moyenne à K. 1/11

2 Définition de l efficacité lumineuse On définit l'efficacité lumineuse d'une source de lumière comme le quotient du flux lumineux (lumens) par la puissance absorbée (watts). L'efficacité lumineuse de différentes sources de lumière change considérablement : elle peut varier de moins de 10 lm/w à plus de 200 lm/w. L'efficacité d'une source est le flux lumineux émis émis par unité de puissance de la source en Watt. Elle s'exprime en lumen par watt (lm/w). (c'est équivalent au rendement de la source) Définition de l indice de rendu de couleur (IRC) Il varie de 0 à 100. Il indique l aptitude d une lampe à ne pas déformer l aspect habituel des objets qu elle éclaire. IRC > 90 : très bon rendu de couleur 80< IRC< 90 : bon rendu de couleur 60< IRC< 80 : rendu de couleur modéré Le tableau ci-dessous donne les normes d éclairement et d IRC suivant le type de local Les différents types d ampoule Les ampoules à incandescence En présence de dioxygène, le filament porté à haute température brûlerait instantanément, c'est la raison pour laquelle, dès l origine, ce type de lampe a été muni d une enveloppe de verre isolant un milieu sans dioxygène, l'ampoule, qui a donné son nom populaire au dispositif, puis par extension à tout système, protégé par une enveloppe en verre, destiné à fabriquer de la lumière à partir d électricité. À l intérieur de l ampoule, on trouve soit un gaz caractéristique du type d ampoule : gaz noble souvent du krypton ou de l argon ; soit le vide. 2/11

3 Le principal avantage de la lampe à incandescence est la qualité de son signal électrique. En effet, alimentée par une tension sinusoïdale, elle consomme un courant lui-même sinusoïdal sans déphasage courant tension. Elle se comporte comme une simple résistance. Les puissances mises en jeu lors de cette transformation sont : P active : P= U I en Watt P réactive : Q = 0 VAR P apparente : S = U I en VA Les lampes fluorescentes Les lampes fluo-compactes sont le résultat du pliage d un tube fluorescent, associé à la miniaturisation des composants électroniques nécessaires au fonctionnement de ce tube, placés dans un culot d ampoule standard. Les tubes, d un diamètre en général compris entre 7 et 20 mm, contiennent un mélange gazeux d argon et de mercure. Des électrodes placées aux extrémités des tubes permettent l ionisation du mélange gazeux. Un courant électrique ionise le mélange gazeux, ce qui génère de la lumière dans la gamme des ultraviolets. Cette lumière est invisible, mais très énergétique. Elle permet de générer de la lumière visible, par son action sur les poudres fluorescentes disposées à la surface interne du tube. Les pertes dans la conversion énergétique sont dissipées sous forme de chaleur. La couleur de la lumière produite provient essentiellement du mélange de poudres fluorescentes utilisées. 3/11

4 Les ampoules à DEL Dans la lampe LED il n y a pas de filaments dans l ampoule, mais des couches de matériaux semi-conducteurs, nitrure d aluminium et phosphorure de gallium, qui n opposent aucune résistance au courant et n entraînent donc pas de perte d énergie. Un courant électrique traverse les couches semi-conductrices, les électrons en surnombre rencontrent des atomes chargés positivement, ce qui dégage de l énergie sous forme de lumière. Comparaison des performances des ampoules 4/11

5 Transformation de l énergie lumineuse en énergie électrique : Les modules photovoltaïques La jonction PN Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, l énergie transmise par le photon est dissipée lors de la recombinaison d un trou avec un électron. Dans une cellule photovoltaïque, il faut récupérer cette énergie pour créer de l électricité. Pour cela, on utilise une jonction PN La cellule et le panneau photovoltaïque La majorité des cellules photovoltaïques est fabriquée en silicium cristallin de grande pureté comme dans le secteur électronique pour les semi-conducteurs. Une jonction PN est créée par différents traitements chimiques afin d obtenir la cellule photovoltaïque. Dans la liaison électrique se crée une différence de potentiel de 0,5 V environ qui dépend peu de l éclairement. Si l on souhaite fabriquer un module de cellules photovoltaïques permettant une alimentation de 20V, il faut placer 40 cellules en série (20/0,5 = 40). Ces 40 cellules forment une «string».il faut associer plusieurs «strings» en parallèle pour augmenter la puissance du panneau solaire. A u contraire de la tension, le courant et la puissance électrique d une cellule photovoltaïque dépend de l intensité du flux lumineux. On ne peut donc pas définir une puissance de panneau qui serait valable quelque soit l ensoleillement. On définit alors les puissances en watt-crête. Définition du Watt-crête Un watt-crête correspond à la puissance d une cellule pour un flux lumineux de 1000W/m 2 à une température de cellule de 25 C. C est ce que l on appelle les conditions standards (STC «Standard test conditions») 5/11

6 Les grandeurs caractéristiques d un panneau solaire photovoltaïque sont : Tension à vide Le courant de court-circuit La puissance maximale (MPP «Maximal Power Point») Toutes ces grandeurs sont définies dans les conditions standards d utilisation. La tension à vide varie peu en fonction de l ensoleillement. Elle dépend principalement du matériau utilisé pour sa conception. De manière générale, elle varie entre 0,5 V et 0,6V. Le courant de court-circuit est le courant obtenu lors de la mise en court circuit du panneau (tension nulle). C est le courant maximal que peut fournir le panneau. La puissance maximale est définie par le point de fonctionnement (U MPP, I MPP ). Elle correspond à la puissance maximale que peut fournir le panneau dans les conditions standards d utilisation. Remarque : l action de la température peut être néfaste pour le rendement d une cellule photovoltaïque. En effet, lorsque la température augmente, la puissance d une cellule cristalline diminue d environ 0,5% par degré Celsius. Ainsi pour une augmentation de 30 C, la perte de puissance est de 15%. L ombrage Le rayonnement solaire n est constant ni au cours de la journée, ni au cours de l année. Par conséquent, il est important de bien calculer l emplacement, l inclinaison et l orientation des panneaux solaires installés0 La meilleure solution à retenir est celle qui fournit au panneau, le moins d ombres possibles. Les obstacles coûtent cher aux propriétaires d installation photovoltaïque à travers le diminution de leur rendement. Lorsqu une cellule n est plus éclairée (cachée par une feuille par exemple), elle agit comme une diode inversée. Une tension apparaît alors sur cette cellule photovoltaïque, qui est supérieure à la tension de claquage de la diode. Dans le cas d une tension élevée, le courant augmente brutalement, la cellule chauffe et peut alors être endommagée. 6/11

7 Les obstacles temporaires apparaissent généralement avec la neige, les feuilles mortes, les excréments d oiseaux, les salissures. Les ombres fixes sont issues des éléments situés autour de l installation elle-même comme les cheminées, les bâtiments voisins, les arbres. L élimination des ombres fixes doit se faire lors de la conception afin de déterminer le meilleur emplacement pour les panneaux solaires. La gestion des ombres temporaires se fait par l utilisation de diodes by-pass. Le branchement en parallèle d une diode by-pass sur plusieurs cellules photovoltaïques permet au courant de passer dans une diode en parallèle plutôt que de passer dans une cellule cachée et donc de l endommager Exemple Lors de l installation des panneaux solaires photovoltaïques sur le toit de la maison de Sceaux, la question d une installation horizontale ou verticale s est posée. Pour répondre à cette question, l étude des ombrages a été utilisée. Lors de cette étude, la présence d un arbre provoque une ombre verticale qui se déplace d ouest en est avec la course du soleil. La figure suivante représente les deux solutions technologiques possibles ainsi que l ombre de l arbre dans le courant de la matinée. Sur l image de droite, seule la moitié supérieure de l installation fonctionne, le rendement n est alors que de 25%. En revanche, sur l image de gauche, seul le module de droite est à l ombre, le rendement est alors de 75%. Dans le cas de ce masque particulier, il faut retenir la solution de gauche. 7/11

8 Le photovoltaïque raccordé au réseau La maison de Sceaux possède une installation photovoltaïque raccordée au réseau. Aujourd hui cette solution est plus rentable qu une utilisation directe de l électricité. Ceci est valable dans la mesure où le prix de vente du kwh est supérieur au prix d achat. Pour effectuer un raccordement au réseau de distribution d électricité, il est nécessaire d adapter la tension continue ( sortie des panneaux photovoltaïques) à la tension alternative du réseau de distribution. Il faut donc utiliser un onduleur. Synoptique d une installation photovoltaïque raccordée au réseau Sur cette figure, nous pouvons 3 compteurs différents. C1 est le compteur de vente de l électricité d origine photovoltaïque, C2 est un compteur de non-consommation qui sert au fournisseur pour vérifier que le particulier ne se sert pas de ce branchement pour consommer de l électricité sur le réseau. C3 est le compteur de consommation habituelle. Afin de protéger l installation des courts- circuits, des éléments de protection électriques doivent être mis en place du coté du courant continu comme du coté du courant alternatif. Du coté continu, il faut protéger l installation contre les courts-circuits et les surtensions atmosphériques. Il faut également prévoir la mise en place d un interrupteur général permettant la coupure de l ensemble des panneaux solaires en cas d urgence. Du coté alternatif de l installation, il faut protéger l installation contre les surintensités et les surtensions atmosphériques. Il faut également prévoir la mise en place d un interrupteur sectionneur afin de déconnecter l installation ainsi que la mise en place de la protection des personnes. 8/11

9 Schéma de l installation de la maison de Sceaux Dans ce schéma, Q1 protège le circuit continu contre les courts-circuits, Q2 est un interrupteur sectionneur qui permet de couper toutes les cellules de façon simultanée et qui possède également contre les surtensions atmosphériques via le parafoudre. Q5 assure la protection des personnes du coté alternatif. C est un disjoncteur équipé d un dispositif différentiel résiduel de 30mA. Q3 protège l installation contre les surintensités et Q4 a pour fonction l isolement et la protection contre les surtensions atmosphériques grâce au parafoudre. 9/11

10 Systèmes autonomes Les systèmes autonomes sont des installations de production d énergie qui doivent garantir une alimentation des systèmes indépendante du réseau d alimentation électrique. L énergie est conditionnée sur place afin d alimenter les appareils de façon satisfaisante. Le synoptique le plus répandu pour une installation photovoltaïque autonome est présenté ci-dessous. Dans une installation autonome, on stocke l énergie électrique pendant les périodes d ensoleillement dans des batteries. Un régulateur surveille la charge de ces batteries et distribue l énergie électrique créée. Un onduleur est présent pour adapter l énergie électrique si les appareils branchés fonctionnent en énergie alternative. Le tableau ci-contre reprend les différents types de montage que l on peut rencontrer suivant le type de charge et le domaine de tension correspondant. 10/11

11 Synthèse Transformation de l énergie électrique en énergie lumineuse : l éclairage Les paramètres à prendre en compte pour le choix d un type d éclairage : La température de couleur mesurée en Kelvin (K) L indice de rendu des couleurs (IRC) sans unité L éclairement mesurée en lux (lx) Suivant le type de local et sa fonction, ces paramètres sont utilisés pour choisir la quantité de points lumineux, leur puissance et leur nature. Pour la comparaison des différents types d ampoules, il faut prendre en compte les principaux paramètres suivants : Leur prix Leur efficacité électrique (puissance déformante) Leur efficacité lumineuse exprimée en lumen par watt (lm/w) Leur durée de vie. Les paramètres à prendre en compte lors de l installation de panneaux solaires photovoltaïques sont : L inclinaison du toit L orientation Les ombrages éventuels Deux montages sont possibles pour le branchement du photovoltaïque : Les systèmes raccordés au réseau. Le montage le plus couramment rencontré est le suivant. Transformation de l énergie lumineuse en énergie électrique : Le photovoltaïque Les systèmes autonomes. Le montage le plus couramment rencontré est le suivant. 11/11