T3S2E La cellule photovoltaïque

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1 T3S2 E Structure et propriétés des matériaux Partie I : La cellule photovoltaïque TS Spécialité Rendement d'une cellule photovoltaïque A- Contexte du sujet Les cellules photovoltaïques qui composent les panneaux solaires convertissent l énergie lumineuse du Soleil en énergie électrique. Lorsqu elle est éclairée par la lumière, une cellule photovoltaïque génère un courant électrique et une tension électrique apparaît entre ses bornes. B- Documents et matériels mis à disposition du candidat Document 1 : 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). Document 2 : Rendement d une cellule photovoltaïque Le rendement η d une cellule photovoltaïque est le quotient de la puissance électrique P max générée par la cellule par la puissance lumineuse Plum qu elle reçoit : η= Pmax Plum P lum=e S où E est l éclairement de la cellule, exprimée en W.m-2, S la surface de la cellule, exprimée en m². L éclairement est mesuré par un luxmètre : on admet qu un éclairement de 100 lux correspond à 1 W.m-². Document 3 : Liste du matériel disponible Une cellule photovoltaïque, deux multimètres, un potentiomètre dont la résistance R peut varier entre 0 et 10 k Ω, une lampe de bureau, un luxmètre et sa notice, 6 fils électriques (3 rouges, 3 noirs), un tableur ou un tableur grapheur et une règle graduée. CC1- Travail à effectuer Elaboration et réalisation d un montage (durée conseillée : 10 min) (Compétences : analyser ; réaliser) Proposer un schéma de montage permettant, avec le matériel disponible, de mesurer la tension U aux bornes de la cellule photovoltaïque et l intensité I qu elle génère lorsqu elle est éclairée par une lampe de bureau. 1/9

2 Dans le montage, le potentiomètre, qui se branche en série avec la cellule, doit permettre de faire varier les valeurs de la tension U et de l intensité I. Appel n 1 : Appeler le professeur pour lui présenter le montage. Réaliser le montage validé par le professeur. Compétences : communiquer ; réaliser C2- Tracés de caractéristiques (durée conseillée : 20 min) (Compétences : réaliser) Eclairer la cellule photovoltaïque avec la lampe de bureau et relever la valeur de l éclairement E. Sans modifier l éclairement, tracer la caractéristique courant tension I = f(u). Tracer ensuite la caractéristique puissance tension P = f(u). Appel n 2 : Appeler le professeur pour lui présenter les caractéristiques obtenues. Compétences : communiquer C3- Détermination du rendement de la cellule photovoltaïque (durée conseillée : 15 min) (Compétences : analyser) Proposer une méthode permettant de déterminer le rendement η de la cellule photovoltaïque étudiée. Le calculer et l exprimer en pourcentage. Appel n 3 : Appeler le professeur pour lui présenter la méthode proposée. Mettre en œuvre la méthode validée par le professeur. Compétences : communiquer ; réaliser C4- Interprétation du résultat obtenu (durée conseillée : 5 min) (Compétences : analyser) Commenter la valeur du rendement obtenu. Appel n 4 : Appeler le professeur pour lui présenter votre conclusion. Compétences : communiquer C5- Ranger le matériel. 2/9

3 Partie II : Pompage optique dans le désert du Sahel (Durée : 35 min) 3/9

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5 Partie III : Générateur photovoltaïque versus centrale nucléaire (Durée : 15 min) 5/9

6 T3S2 E La cellule photovoltaïque Matériel Structure et propriétés des matériaux Élèves : TS Spécialité Bureau : - Une cellule photovoltaïque - Deux luxmètres et leurs notices - deux multimètres - un potentiomètre dont la résistance R peut varier entre 0 et 10 kω - une résistance de 33 kω - une lampe de bureau - 6 fils électriques (3 rouges, 3 noirs) - PC avec Latis Pro - une règle graduée. 6/9

7 T3S2 E La cellule photovoltaïque Correction Structure et propriétés des matériaux Partie I : TS Spécialité Rendement d'une cellule photovoltaïque CC1- Travail à effectuer Elaboration et réalisation d un montage (durée conseillée : 10 min) C2- Tracés de caractéristiques (durée conseillée : 20 min) C3- Détermination du rendement de la cellule photovoltaïque (durée conseillée : 15 min) 1Relever la puissance maximale : Pmax = 7,755 mw 2Calculer la surface de la cellule photovoltaïque : S = 32 cm 13 cm = 416 cm² = 4, m² 3Mesurer l éclairement E avec un luxmètre : E = 248 lux = 2,48 W.m-² 4- C4- Rendement η= P max P max 7, = = =7, P lum E S 2,48 4, soit η = 7,5 % Interprétation du résultat obtenu (durée conseillée : 5 min) Le rendement de la cellule étudiée est faible. Les cellules photovoltaïques au silicium convertissent assez mal l énergie lumineuse en énergie électrique. Pour obtenir une puissance électrique plus élevée, il faut augmenter la surface S et donc associer plusieurs cellules photovoltaïques, comme c est le cas pour les panneaux solaires. On peut aussi concentrer les rayons solaires sur les cellules photovoltaïques pour augmenter l éclairement. 7/9

8 Partie II : Pompage solaire dans le désert du Sahel Questions préliminaires : 1. Pour une longueur d onde de coupure C = 1110 nm, l énergie de gap Eg est donnée par la relation : soit Eg = Eg = hc λc 6, , = 1, J avec 3 chiffres significatifs Remarque : la valeur c = 3, m.s 1 doit être connue! Or 1 ev = 1, J donc Eg ( ev ) = Eg ( J ) 1, , Eg = = 1,12 ev. 1, Les cellules en silicium monocristallin et polycristallin peuvent, à priori, convenir car elles ont la bonne valeur de Eg. Mais le coût des cellules en silicium monocristallin est très élevé. On choisira donc pour ce projet les cellules en silicium polycristallin, moins chères que celles en silicium monocristallin mais avec un bon rendement, une durée de vie importante et un bon rapport qualité / prix. 2. L énergie potentielle de pesanteur EPP nécessaire pour soulever un volume d eau V = 1,0 m3 de masse m d une hauteur H = 50 m est : EPP = m.g.h =.V.g.H EPP = 1, ,0 9,8 50 = 4,9 105 J. 3. Problème Estimer la surface totale des panneaux solaires permettant de satisfaire aux besoins en eau au cours d un mois de l année où ces besoins sont importants au Sahel malien. On cherche la surface totale S des panneaux solaire nécessaire pour satisfaire aux besoins en eau au cours d un mois de l année où ces besoins sont importants au Sahel malien. On utilise des panneaux photovoltaïques en silicium polycristallin avec un rendement global de l installation égal à r = 5,2 %. Or r = énergie utile 100 énergie reçue L énergie utile est ici l énergie potentielle de pesanteur nécessaire pour soulever V = 35 m3 d une hauteur H = 50 m : E PP =.V.g.H L énergie reçue est l énergie lumineuse Elum pendant les 6 heures les plus ensoleillées de la journée soit de 9 h à 15 h (en heures solaires). On a donc t = 6 heures = 21,6 103 s et Elum = Preçue. t = Psurf.S. t Le mois de janvier est un mois de l année où les besoins en eau sont importants, car il n y a pas de précipitations. Par ailleurs, en janvier, la puissance surfacique est minimale. La variation de la puissance surfacique avec l heure solaire n est pas linéaire. On peut cependant estimer la puissance surfacique moyenne au mois de janvier, sachant que Psurf est comprise entre 790 et 900 W.m 2: Psurf = = 845 W.m-2. 2 Pour accéder à la surface, on reprend la relation du rendement : E 'PP énergie utile ρ.v '.g.h 100, que l on adapte r = 100 = 100. énergie reçue Elum Psurf.S. t ρ V ' g H 1, ,8 50 On en déduit S = 100. Soit S = 100 = 18 m2. Psurf r t 845 5,2 21,6 103 r= La surface S nécessaire est de taille raisonnable d où la pertinence de ces systèmes pour satisfaire aux besoins en eau dans les régions où l ensoleillement est fort. 8/9

9 Partie III : Générateur photovoltaïque versus centrale nucléaire Partie III : Générateur photovoltaïque versus centrale nucléaire 9/9