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3 Table des matières Table des matières...3 Introduction...5 Principe, fonctionnement et applications...6 Généralités...6 Les différents types de conversions...8 Conclusion...17 Etude et caractéristiques de photopiles Introduction Préparation...19 Premières constatations rapides, premières caractéristiques Suite de la démarche expérimentale...22 Association en série et en parallèle...28 Applications, ouverture et conclusion Les autres énergies face au solaire...30 Le soleil Le vent L eau...32 Le sol / La Terre Conclusion...39 Avancées politiques, l énergie solaire dans le monde d aujourd hui.. 40 Le Programme Réflexions sur les acquis du programme...42 Conclusion...44 Conclusion...45 Bibliographie

4 - 4 - Introduction : Sébastien MORAND Conclusion : Sébastien MORAND Mise en page : Fabien VICARD Réalisation du site web : Fabien VICARD

5 Introduction Le manque d énergie dans les années futures due à l industrialisation d un grand nombre de pays sera très important. De sérieuses recherches démontrent que les besoins en énergie dans le siècle avenir seraient 5 à 7 fois plus importantes que celles d aujourd hui. De plus, les énergies actuelles comme le pétrole et l énergie nucléaire sont considérées comme polluantes et contraignantes, entraînant la dégradation de l environnement et provoquant le mécontentement des habitants. La catastrophe de Tchernobyl, les différentes marées noires, l effet de serre et le réchauffement climatique n en est pas un moindre exemple (n oublions pas de plus que la France s est engagée comme beaucoup d autres pays à ne pas produire en 2010 plus de dioxyde de carbone qu en 1991) et nous incitent donc à rechercher ainsi de nouvelles ressources d énergies permettant ainsi si ce n'est d'arrêter mais de ralentir l'effet des catastrophes climatiques et environnementales actuelles. Celles ci doivent donc supplanter les énergies actuelles par leur sûreté environnementale, leur rentabilité et leur caractère renouvelable. C est pourquoi nous avons décidé d étudier l une de ces énergies dites renouvelables : l énergie solaire Nous étudierons ainsi au long de cet exposé les différents aspects de l'énergie solaire. Dans une première partie, nous analyserons le fonctionnement de l'énergie solaire ainsi que de diverses applications, puis nous étudierons deux photopiles SOLEMS d'un point de vue technique (rendement, courbe d'intensité tension) ensuite nous comparerons l'énergie solaire aux énergies actuelles et finalement nous étudierons les avancées politiques et le développement de l'énergie solaire dans le monde

6 Sébastien MORAND Principe, fonctionnement et applications Généralités Le solaire, une énergie renouvelable Une énergie renouvelable est une énergie dont la consommation n aboutit pas à la diminution des ressources naturelles parce qu elle fait appel à des éléments régénérés naturellement comme l énergie solaire, hydraulique ou éolienne. L énergie solaire est inépuisable. Elle ne dégrade d aucune sorte l écosystème. La lumière émise par le soleil est à la base de la vie sur terre, elle permet la photosynthèse des plantes et surtout le réchauffement de la planète. Il est par conséquent la base de la plupart des énergies actuelles qu elles soient fossiles comme le charbon, le gaz naturel, le pétrole ou renouvelable comme l hydroélectricité, l énergie éolienne. L énergie nucléaire est la seule énergie ne dépendant pas de la lumière du soleil. Au cours de cette étude, nous allons vous parler de l énergie solaire de rayonnement c est à dire l énergie que l on peut utiliser à partir de la lumière du soleil. Nous développerons notamment la conversion photovoltaïque qui dans le cadre des TPE a été le sujet d une étude expérimentale. Quelques chiffres L énergie solaire provient du rayonnement émit par le soleil. Il est égal à TWh par an (T, abréviation de Téta exprime le multiple ) soit fois plus que les besoins mondiaux. Cette énergie provient des réactions thermonucléaires au sein de l étoile. En 1837, le physicien français Claude Pouillet introduisit la notion de constante solaire. Il remarqua que la puissance du rayonnement solaire, mesurée sur - 6 -

7 le bord extérieur de l'atmosphère terrestre, est pratiquement invariable lorsque la Terre est à une distance moyenne du Soleil. Cette constante est égale à W/m 2 et fluctue d'environ 0,2 % tous les trente ans. L'intensité de l'énergie solaire réellement disponible à la surface de la Terre est inférieure à la constante solaire en raison de l'absorption et de la dispersion de cette énergie, due à l'interaction des photons avec l'atmosphère, les nuages ou encore les fumées produites par la pollution. De plus 70% sont absorbés par la surface des océans et sont inexploitable de nos jours. La Terre reçoit par temps clair une puissance de 1 kw par m 2 soit de 1100 à 1900 kwh. Le Sahara quant à lui reçoit environ 2300kWh dut d une part à son ensoleillement et sa latitude basse 25. L ensoleillement et la latitude à laquelle on se situe sont donc deux facteurs primordiaux qui influent directement sur la quantité d énergie reçue

8 Les différents types de conversions L énergie solaire reçue ainsi sur Terre peut être assimilée de trois façons différentes. Soit par conversion thermique c est à dire qu une surface absorbe une partie du rayonnement lumineux pour le convertir en chaleur, soit par concentration grâce à des systèmes de miroir permettant une focalisation de l énergie en un point, soit convertit en énergie électrique par des systèmes photovoltaïques. Nous étudierons plus en détail cette dernière partie car elle nécessite des matériaux spécifiques et a un avenir plus intéressant et surtout plus prometteurs que les autres. La conversion thermique Une surface exposée au soleil capte une partie du rayonnement et se réchauffe. Elle réfléchit une autre partit du rayonnement. L exemple le plus connu est lorsque l on porte un vêtement noir ou un blanc la différence de température est notable par beau temps. Ce type de conversion est dit à basses températures c est à dire moins de 150 C. On peut noter de nos jours plusieurs types d applications : Les systèmes passifs Le plus répandu et le mieux maîtrisé est la serre qui permet la culture en milieu contrôlé de plantes. Ce type de culture permet de protéger les cultures contre des changements climatiques trop brutaux comme les gelées ou les canicules, il permet également de créer des microclimats autorisant ainsi la culture de plantes plus complexe. Dans une serre, le sol de couleur foncée absorbe toutes les radiations du spectre lumineux, ce qui provoque son échauffement. La vitre transparente qui recouvre la serre laisse passer le rayonnement solaire, mais piège le rayonnement calorifique qui se dégage du sol. Ce phénomène, appelé effet de serre, est également mis à profit pour réaliser des habitations solaires munies d'une véranda. Le stockage de cette énergie calorifique se fait alors au moyen de pierres ou de réservoirs d'eau, qui restituent lentement la chaleur

9 On retrouve également dans les systèmes passifs plusieurs montage permettant dans une maison individuelle la climatisation des pièces notamment grâce au Mur Trombe : mur sud de la maison peint en noir avec un vitrage permettant ainsi un effet de serre grâce à des aérations dans le mur. Les systèmes actifs La conversion par système actif permet grâce à des capteurs plans de réchauffer soit de l eau pour alimenter une chaudière soit directement de l air. Les capteurs plans absorbent le rayonnement solaire au moyen d'une plaque peinte en noir et munie de fins conduits destinés au fluide caloporteur (qui transmet la chaleur). Lorsqu'il traverse les conduits, sa température (liquide ou air) augmente en raison du transfert de la chaleur reçue par la plaque absorbante. L'énergie transmise au fluide caloporteur est le rendement instantané du capteur. Comme une serre, les capteurs plans sont munis d'un vitrage transparent, qui piège le rayonnement calorifique s'échappant de la plaque absorbante. Ils peuvent chauffer les fluides caloporteurs à des températures légèrement supérieures à 80 C, avec un rendement variant entre 40 et 80 p Les capteurs plans sont surtout utilisés dans la production d'eau chaude sanitaire. Les capteurs fixes à usage domestique sont généralement installés sur le toit des habitations. Dans l'hémisphère nord, ils sont orientés vers le sud, et dans l'hémisphère sud, vers le nord. L'efficacité des capteurs dépend de l'angle qu'ils forment avec le plan horizontal. Leur inclinaison optimale varie selon la latitude de l'installation. Le fluide utilisé dans le système de chauffage solaire est l'air ou un liquide (eau ou mélange eau-antigel) le stockage thermique s'effectue généralement dans un accumulateur à pierre ou un réservoir d'eau bien isolé

10 Chauffe-eau La technologie du chauffe-eau solaire, accessible à un coût modéré, nécessite des températures de l'ordre de 60 ou de 70 C et des capteurs plans simples. L'économie apportée par ce moyen de chauffage, qui est néanmoins accompagné d'un chauffage d'appoint, est importante. Les chauffe-eau solaires sont répandus dans certains pays assez ensoleillés, tels que le Japon, l'israël et l'australie. Depuis les années 1980, la France commence à s'intéresser à cette technologie. Les capteurs plans sont fixés sur le toit. Le dispositif de chauffage est muni de deux circuits d'eau qui se rejoignent au sein du ballon de stockage : celui de l'eau (fluide caloporteur) qui s'échauffe dans le capteur solaire et celui de l'eau à usage domestique. Il est important de constater que les deux circuits sont indépendants et que le réchauffement de l eau ne s effectue que par transfert de chaleur. La conversion thermodynamique Principe Les capteurs plans ne peuvent généralement pas porter les fluides caloporteurs à très haute température. En revanche, il est possible d'utiliser des capteurs par concentration, mais ils sont plus complexes et plus onéreux. Il s'agit de réflecteurs en demi-cercle qui renvoient et concentrent l'énergie solaire sur un tuyau où circule un fluide caloporteur. Ce système est principalement basé sur un principe optique utilisé notamment en astronomie pour la fabrication des télescopes. Les miroirs sont orientés de telles façons que la lumière réfléchit soit concentrée en un point appeler foyer. Ce système est dit parabolique car la forme générale de la structure est une parabole. Cette concentration entraîne une augmentation de l'intensité, et les températures obtenues sur le récepteur (appelé cible) peuvent atteindre plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de degrés Celsius. Pour être efficaces, les concentrateurs doivent se déplacer pour suivre la course apparente du Soleil. Application De telles installations servent notamment en Arabie Saoudite, pour la désalinisation de l'eau de mer par évaporation

11 Le système appelé Thek utilise lui plusieurs miroirs orientés qui projète leur lumière sur un miroir parabolique qui les focalisent en un point. En France des centrales ont été crée pour récupérer cette énergie. A Vignola en Corse, a été créé en 1982 une centrale produisant 100 à 500kW d un coût de 15 millions de francs. Aux USA deux projets gigantesques appelés Solar One et Solar Two produisait aux environ de 10MW.Pour Solar One la surface couverte par les différents capteurs est de 52 ha et le point de réception où s effectue le transfert d énergie se situe à 80m de hauteur, à Barstow en Californie. Pour Solar Two, la surface couverte était d environ 29 ha dans le désert de Mojave et il produisait la même quantité d énergie avec une superficie deux fois inférieure. De nombreux autre pays ont développé des centrales comme l Allemagne, l Italie, l Espagne mais ils sont de bien moindre envergure. Fours solaires Les concentrateurs à haute température peuvent servir de fours solaires. Le plus grand d'entre eux, situé à Odeillo, près de Mont-Louis dans les Pyrénées-Orientales, est muni de réflecteurs plans et orientables, appelés héliostats. Ces derniers couvrent une surface totale d'environ m 2. Ils concentrent l'énergie solaire sur un four placé en haut d'une tour; on peut alors obtenir des températures allant jusqu'à C. Grâce à de tels fours, il est possible de mener des recherches nécessitant des températures élevées et un environnement exempt de polluants. Le four peut également être remplacé par une chaudière. La vapeur produite peut être utilisée dans le cycle traditionnel d'une centrale thermique pour produire de l'électricité. La conversion photovoltaïque L énergie solaire peut être convertie sous forme d électricité via un système photovoltaïque. Il permet de convertir une énergie de rayonnement en électricité. Ce principe a été découvert par Edmond Becquerel en Le principe de l énergie solaire photovoltaïque La lumière reçue sur la terre est composé de photon chacun portent une certaine quantité d énergie. Lorsqu un photon percute la surface d une photopile, il entre en

12 collision avec les atomes composants le récepteur photovoltaïque engendrant un mouvement des charges du à la différence de potentielle crée. Les charges sont collectées par des parties semi-conductrices et distribuées dans le circuit électrique. Ce secteur de l énergie a été particulièrement développé depuis les années 1950 dans le domaine de l espace pour l alimentation des satellites et des stations spatiales. Les photopiles ne comportent pas de pièces mobiles, pas de liquide, ne s usent pas et leur longévité se chiffre en dizaines d années. Une photopile est caractérisée par 4 paramètres : le courant de court-circuit, c'est-à-dire l'intensité du courant traversant la photopile lorsque ses bornes sont reliées l'une à l'autre; la tension mesurée en circuit ouvert et le Watt crète. Le Watt Crête est la puissance nominale délivrée sous un bon ensoleillement de 1000W/m² avec une température de cellule à 25 C. Les différents types de capteurs photovoltaïques Il existe 4 filières de fabrication des matériaux des photopiles : Les capteurs cristallins La fabrication est très semblable à celle utilisée pour l électronique. La grande majorité sont fabriqués avec du silicium monocristallin. De nos jours la fabrication tend vers l utilisation de silicium polycristallin plus aisé d emploi et moins contraignant lors de la manutention. Les panneaux ainsi réalisés sont des produits de très bonne qualité, certains fonctionnent depuis plus de trente ans. Mais le prix de revient de ce produit de haute technicité est élevé. Le prix actuel, pour une commande importante, est de 4500 F (700 ) par m 2 de panneau. Si on considère le cas de la France où l énergie solaire moyenne reçue est de 1500 kwh/m 2 par an, le rendement des panneaux étant de 13%, pour un investissement sur 20 ans on trouve un prix de revient du kwh de l ordre de 1,33F (0.2 ), sans tenir compte du taux d intérêt de rémunération du capital investi et sans tenir compte du prix d un stockage si on veut disposer d électricité de façon continue. Les capteurs à couche minces

13 Les capteurs à couche mince sont pour la plupart composés de silicium amorphe. Malgré un rendement 2 fois inférieur au capteur cristallin, ils sont beaucoup plus abordables et beaucoup moins sensible lors de la manutention. La photopile de notre étude est d ailleurs de ce type. Les capteurs multicouches Ils permettent de concilier les différentes propriétés de différentes couches minces. De nos jours la plupart des capteurs développés ne fonctionnent que dans une certaine partie du spectre (lumière décomposé) du rayonnement solaire, par exemple les capteurs de types XX ne captent le rayonnement que dans la partie bleue du spectre, d autre comme xx dans la partie rouge, c est pourquoi de nos jours, nous voyons l apparition de capteurs multicouches permettant ainsi de combiner les propriétés des différentes couches pouvant ainsi multiplier par deux le rendement de ces capteurs. Les capteurs type GaAs Ce sont des capteurs utilisant des composants nouveaux au Gallium et à l arsenic, le rendement est très élevé environ 30% mais leur fabrication est hors de prix par rapport aux autres types de capteurs. Rendement Le rendement est le rapport de la puissance maximale fournie par la photopile sur la puissance solaire reçue. Le rendement de cette conversion photo-électrique est évidemment inférieur à 1 : Le principe de cette conversion est simple mais de nombreux paramètres viennent perturber le bon fonctionnement des systèmes photovoltaïques

14 L inclinaison du rayon lumineux par rapport au capteur ; le rayon peut être réfléchi par la surface, c est pourquoi la plupart des capteurs solaires sont d une forme crénelée permettant avec ces angles d éviter la réflexion lumineuse et les pertes d énergies. Les photons dont l énergie est inférieure à l énergie nécessaire ne sont pas absorbés tandis que des photons d énergie très supérieure seront certes absorbés mais seuls une partie de l énergie sera transformée en énergie électrique, le reste sera dissipé en chaleur. Filière Nature Rendements en Laboratoires Industries GaAs Cristallin 27% 22% Très élevé Silicium Cristallin 19% 14% Elevé Silicium Polycristallin 16% 13% Moyen Silicium amorphe Couche mince 11% 7% Bon marché Multicouche Couches minces 15%? Moyen La latitude ainsi que l ensoleillement sont deux facteurs extérieurs du rendement d une photopile et contraignent énormément son efficacité. Le bilan théorique est de 25% pour le silicium. Si l on ajoute les pertes triviales de nature optique ( réflexions sur les faces ) et électrique ( résistances série et fuites ), le rendement pratique d une photopile solaire est plutôt compris entre 15 et 20% en laboratoire et entre 10 et 15% en production. Si la puissance solaire à terre est de W/m 2, 1 m 2 de ces photopiles fournit en moyenne 150 W. Dans les deux graphiques suivants, nous pouvons voir le rendement d une centrale photovoltaïque installé au Mont Soleil en Suisse. Cette centrale couvre une surface de 4500m² de panneaux solaires et est développé depuis une dizaine d année. Prix

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16 Application Le secteur principal d utilisation de l énergie photovoltaïque est l aérospatiale. En effet depuis plus de 50 ans les sondes, satellites et station spatiales sont pour la plupart alimenter par des panneaux solaires. Actuellement, les photopiles les moins coûteuses à produire sont constituées de silicium amorphe. Bien que de très faible rendement, 6 à 8 p. 100, elles soient suffisantes pour de nombreuses applications peu gourmandes en énergie, comme les calculatrices, les montres électroniques ou encore les ampoules fluorescentes à faible consommation électrique. Les photopiles commerciales au silicium polycristallin, voire monocristallin sont employés par exemple, pour la signalisation lumineuse dans des sites d'accès difficile, comme le balisage des aéroports de montagne ou pour les bouées en pleine mer. En Italie a été crée une centrale électrique de démonstration. A Serre dans le Sud comportant cellules, elle produit 3.3 MW. Fonctionnant depuis 1994, c est la plus grande de ce type en Europe

17 Conclusion L énergie photovoltaïque est utilisée depuis plus de 50 ans et le début de la conquête de l espace pour alimenter les différents satellites, sondes et stations spatiales. Malgré ce fort développement dans le domaine aérospatial, dans les conditions actuelles, ce que développera plus loin Romain, l énergie photovoltaïque ne peut pas subvenir aux besoins de ville ou de pays industrialisés. En effet les besoins en énergie sont souvent liés aux conditions climatiques pluie, froid vent et dans ces conditions les capteurs photovoltaïques sont inefficaces. Ceci pose le problème le plus important de l énergie solaire. Elle n est pas omniprésente, le faite de la stocké dans des batteries pour des usages ultérieures réduit de 20% les quantités d énergies collectées. Il s avère que les principes de conversions thermiques et thermodynamique ne permettent que d obtenir une énergie de chauffage. Ce qui restreint énormément les applications disponibles. Le photovoltaïque semble être lui une énergie avec un potentielle énorme. Dans les années futures, l amélioration des capteurs et de leur rendement, permettra de concurrencer les énergies actuelles. De nos jours les applications du solaire sont grandement limitées par le rendement assez faible des capteurs. De plus les avancés politiques actuelles ne sont pas suffisantes pour réellement introduire l énergie solaire dans le système énergétique prédominé par le pétrole, le charbon et le nucléaire. Le marché est en expansion, le contexte énergétique est très favorable, les applications et les innovations se multiplient, la ressource est quasi illimitée. Le photovoltaïque n'a que deux défauts : son coût actuel et, durablement, celui du stockage en application autonome. Il devrait être d'ici 20 ans une filière énergétique importante, et pourrait à long terme dominer dans les pays en développement

18 Fabien VICARD Etude et caractéristiques de photopiles Introduction Dans cette partie, après avoir bien compris comment fonctionnaient les photopiles nous allons étudier leurs principales caractéristiques en tant que générateur de tension continue. Pour ce faire, on utilisera deux modèles de photopiles au silicium amorphe SOLEMS, grand constructeur bien implanté dans la production des cellules aujourd hui. En vue du faible encombrement des cellules retenues pour l étude, elles sont destinées plus à l alimentation de petites applications électroniques qu à des usages plus gourmands en puissance. On pourra les trouver dans divers magasins d électronique ou dérivé et notamment chez RADIOSPARE sous les références 7/48/32 pour la plus grande et 5/48/16 pour la plus petite. Fiche technique RADIOSPARE :

19 Préparation Liste du matériel pour l étude Circuit d éclairage Alternostat (correspond à un transformateur au secondaire variable) Câbles Lampe à incandescence montée sur un pied orientable Circuit de mesure Boîtes à décades (une de 10 k par pas de 1 k, et une de 1 k par pas de 1 ) Voltmètre Microampèremètre Luxmètre Câbles Platine de montage électronique 2 cellules solaires SOLEMS 7/48/32 2 cellules solaires SOLEMS 5/48/16 On soude des fils de connexion sur les cellules solaires pour permettre une manipulation plus aisée. Les cellules solaires étant très fragiles, la soudure des fils doit se faire avec beaucoup de précautions et rapidement pour éviter toute élévation de température qui pourrait s avérer fatale pour celles-ci. Précisions des mesures Boîtes à décades Elles sont toutes deux très précises, on peut s y fier (elles ont étés contrôlées à l ohmmètre). En associant les deux boîtes à décades en série, on obtient une

20 résistance maximum de 11 k par pas de 1 ce qui s avère largement suffisant pour notre expérimentation. Voltmètre Il est digital, et la précision est de l ordre du centième de volt, ce qui est largement suffisant pour notre application. Les relevés sont donc facile et précis sur le voltmètre ce qui limite les erreurs de mesure au niveau de la tension. Microampèremètre Il est analogique, et on a un repère pour 5 µa. On peut néanmoins lire jusqu au cinquième de division l affichage étant clair, ce qui fait une précision de lecture d environ 1 µa. Luxmètre Il est analogique, et on a un repère pour 100 lux. On peut lire jusqu aux migraduations, ce qui fait une précision de lecture de 50 lux. A l usage, le luxmètre semble être très imprécis et on obtient plus un vague ordre de grandeur de l éclairement qu une mesure précise. Comme les mesures n ont pas toutes pu être réalisées le même jour, on perd encore un peu en précision

21 Premières constatations rapides, premières caractéristiques Surface Au stade des relevés simples, on peut aisément calculer la surface de nos cellules : Pour la cellule 7/48/32, on a L = 48 mm ; l = 32 mm ; ce qui fait : S = L l S = S = 1536 mm² S = 15,36 cm² Pour la cellule 5/48/16, on a L = 48 mm ; l = 16 mm ; ce qui fait : S = L l S = S = 768 mm² S = 7,68 cm² On remarque que la cellule 7/48/32 est deux fois plus grande que la 5/48/16. Type de tension délivrée En reliant une de nos cellules à un oscilloscope, on observera toujours une trace rectiligne horizontale et ce quel que soit l éclairement et les réglages de l oscilloscope. Les cellules solaires délivrent donc toujours une tension continue. I CC, U O Les cellules solaires sont caractérisées le plus souvent par deux valeurs remarquables et couramment rencontrées : Le courant de court-circuit ICC : C est l intensité mesurée en court-circuit, c est à dire avec une résistance nulle sous un éclairement donné. Le microampèremètre est simplement raccordé aux bornes de la cellule. Il faut savoir que les photopiles peuvent fonctionner sans inconvénient en court-circuit. Tension à vide ou tension de circuit ouvert U O : C est la tension mesurée sous impédance (ou résistance) infinie, c est à dire en circuit ouvert. Elle correspond à la valeur maximum de la tension que peut délivrer une cellule solaire sous un éclairement donné. Le voltmètre est simplement raccordé aux bornes de la cellule. On trouve expérimentalement les valeurs suivantes de ICC et UO avec un éclairement E de 1000 lux : Pour la cellule 7/48/32 : I CC = 82 µa U O = 4,57 V Pour la cellule 5/48/16 : I CC = 49 µa U O = 3,36 V

22 Suite de la démarche expérimentale Schéma du montage expérimental Côté circuit d éclairage, on raccorde la lampe à incandescence à l alternostat, luimême raccordé au secteur EDF 240 V. En faisant varier la molette de réglage de l alternostat, on arrive donc à faire varier l intensité lumineuse de la lampe à incandescence permettant ainsi d avoir un réglage de l intensité lumineuse sur les cellules solaires. Côté circuit de mesure, les cellules à étudier sont couplées en série aux boîtes à décades et à l ampèremètre. Le voltmètre, quant à lui est accouplé en dérivation aux photopiles. On éclaire les cellules solaires avec la lampe du circuit d éclairage, et on place le luxmètre juste à côté, le plus près possible et à la même hauteur surtout. Tout autre éclairage parasite devra si on le peut être éliminé, et notamment toute lumière provenant du soleil (nous verrons pourquoi plus tard) afin d éviter au mieux toute variation dans les résultats

23 La caractéristique I = f(e) A ce stade, on peut débuter nos mesures. Pour commencer, on relève les différentes valeurs de I en faisant varier progressivement l éclairement E et avec une résistance nulle (montage en court-circuit avec R = 0 ). On relève les résultats suivants que l on consigne dans un tableau : E (lux) /48/32 I (µa) /48/16 I (µa) voir graphique «I = f(e)» La courbe de l intensité obtenue est une droite qui croit (presque) proportionnellement avec l éclairement. Il peut être intéressant de calculer le coefficient directeur k de cette droite avec deux points A et B appartenant à celle-ci. On prend A le point avec E = 250 lux et B le point avec E = 1750 lux : Pour la 7/48/32 : k = ( yb ya ) / ( xb xa ) k = ( 135 * * 10-6 ) / ( ) k = 107 * 10-6 / 1500 k = * 10-6 k = 71.3 * 10-9 Pour la 5/48/16 : k = ( yb ya ) / ( xb xa ) k = ( 82 * * 10-6 ) / ( ) k = 65 * 10-6 / 1500 k = * 10-6 k = 43.3 * 10-9 On aura donc pour une augmentation de l intensité lumineuse E de 1 lux une augmentation de k A de I, c est à dire de µa (ou 43.3 na) pour la 5/48/16, et de µa (ou 71.3 na) pour la 7/48/

24 Les caractéristiques I = f(r) et U = f(r) On se place sous une luminosité constante pour le reste des mesures à suivre, sauf indication contraire, à savoir l éclairement E=1000 lux. En faisant varier cette fois R, on relève les valeurs nécessaires à l élaboration de la courbe de l intensité I en fonction de R et la courbe de la tension U aussi en fonction de R. Une attention toute particulière a été portée sur les valeurs de I et U avec R compris entre 30 et 50 k (c est dans cette plage que l on retrouvera la puissance maximum délivrable par les cellules), et on incrémente ici R de 1 k en 1 k. R (k ) U (V) /48/32 I (µa) U (V) /48/16 I (µa) voir graphique «I = f(r)» La courbe de la tension U en fonction de la résistance montre : La tension croit rapidement de 0 à 30 k Puis elle se place dans une phase de transition de 30 k à 50 k où elle croit de moins en moins vite Enfin, au-delà de 50 k, elle croit presque plus ; elle s est stabilisée aux environs de U O La courbe de l intensité, au contraire ne fait que descendre : De 0 à 30 k, L intensité est presque en palier horizontal aux environs de I CC Puis elle amorce une chute progressive entre 30 et 50 k Enfin, au-delà de 50 k, elle continue sa baisse, mais diminue de moins en moins. La caractéristique I = f(u) Toujours en faisant varier R, on s intéresse à la variation de l intensité I en fonction de la tension U. On obtient les résultats suivants : U (V) /48/32 I (µa) /48/16 I (µa) voir graphique «I = f(u)» Globalement, I décroît de plus en plus vite lorsque U augmente. Ici, on s aperçoit que les photopiles ne se comportent pas exactement comme les générateurs de tensions plus couramment utilisés (piles, batteries, alimentation secteur, ) qui observent une relation du type U = E + r I qui correspond donc à une droite. Dans notre cas, E peut être assimilé à U CC, et on aurait une résistance interne variable en fonction de U. On note que notre courbe va couper les axes du graphique en deux points que l on a déjà définis : Elle coupe l axe des ordonnées en I CC (car on a U = 0 V) Elle coupe l axe des abscisses en U O (car on a I = 0 A)

25 Avant de passer à la suite, il peut être intéressant de monter un graphique tridimensionnel avec les variables I, U et E. Pour se faire, on relève les données et on construit le graphique voir graphique «I = f(e, U) Ce graphique permet une analyse synthétique des mesures précédemment réalisées et met en valeur à lui seul plusieurs des caractéristiques des photopiles. La caractéristique P = f(r) Par la relation P = U I, on va pouvoir, après calculs préalables, tracer la courbe de la puissance délivrée par les photopiles en fonction de la résistance R du circuit. On trouve les résultats suivants : 7/48/32 R (k ) U (V) I (µa) P (mw) U (V) /48/16 I (µa) P (mw) On retrouve les puissances maximums que peuvent délivrer les cellules : Pour la 7/48/32 : P MAX = 275,6 mw avec R = 45 k Pour la 5/48/16 : P MAX = 124,1 mw avec R = 45 k Les valeurs pour R = 45 k ne sont pas indiqués dans le tableau de résumé ci-dessus. Elle correspond aux valeurs qui ont étés spécifiquement recherchées pour un tracé plus correcte dans la zone de 30 à 50 k où la courbe admet son maximum P MAX ; voici un extrait : 7/48/32 R (k ) U (V) I (µa) P (mw) U (V) /48/16 I (µa) P (mw) voir graphique «P = f(r)» Comme on le voit, la courbe présente plusieurs aspects : Elle passe par l origine du repère (P = 0 W ; R = 0 ) ce qui peut s expliquer facilement : P = U I Mais U = R I Donc P = R I 2 Donc si R = 0, P = 0 I 2 = 0 W Elle croit rapidement jusqu au valeurs de R aux environs de 30 k où elle amorce une stabilisation

26 Elle passe alors par le point P MAX vu précédemment Puis elle commence la descente jusqu à 50 Et finit par une descente de moins en moins rapide Cette puissance maximum de sortie des cellules solaires va nous permettre de calculer un élément important dans l étude des photopiles : le rendement. La puissance d entrée P ENTRÉE, le rendement et la caractéristique = f(r) Pour pouvoir avoir le rendement des photopiles, il va falloir qu on calcule la puissance d entrée en fonction des rayonnements que reçoit la cellule solaire. Le taux de conversion varie selon le type de rayonnement (solaire, néon, ou comme ici lampe à incandescence), mais on peut prendre une valeur assez correcte qui convient pour les essais sous lumière artificielle d une lampe à incandescence : 100 lux 1 W.m -2 Comme toute la lumière du soleil n a pu être évitée lors des mesures, on aura par conséquent une plus ou moins grande erreur en ce point pour la puissance d entrée, et donc pour le rendement. En laboratoire de recherche haut niveau, on trouve des appareils de mesures capables de donner le véritable taux à adopter en fonction de l environnement lumineux, mais ce matériel étant trop onéreux, on se contentera d un ordre d idée. Ainsi, sous 1000 lux, on a 10 W.m -2 = 100 mw.cm -2, donc Pour la 7/48/32 : P ENTRÉE = 100 S PENTRÉE = ,36 P ENTRÉE = 1536 mw Pour la 5/48/16 : PENTRÉE = 100 S P ENTRÉE = 100 7,68 P ENTRÉE = 768 mw On a la définition en physique du rendement d un générateur : c est le rapport entre la puissance de sortie fournie par le générateur et l énergie totale qu il consomme. Ce qui nous fait : = P SORTIE / P ENTRÉE MAX = P MAX / P ENTRÉE Donc pour la 7/48/32 : MAX = PMAX / PENTRÉE MAX = 275,6 / 1536 MAX = 17,94 % Pour la 5/48/16 : MAX = P MAX / P ENTRÉE MAX = 124,1 / 768 MAX = 16,16 %

27 On a donc un rendement moyen des photopiles SOLEMS de : MOYEN = ( 7/48/32 + 5/48/16) / 2 MOYEN = (17, ,16) / 2 MOYEN = 17,05 % Un rendement de 17 % est tout de même assez exceptionnel pour ce type de cellule au silicium amorphe couche mince. Les calculs ne peuvent être remis en cause. Ils ont étés gérés sous EXCEL avec des reports des résultats pour éviter une perte de précision après de nombreux calculs. On peut expliquer ces fluctuations par rapport aux moyennes données en partie 1 (pour rappel : 11 %) de plusieurs façons : En premier lieu, les 11 % ne sont qu une moyenne purement théorique, et une moyenne signifie qu on trouvera des valeurs au-dessus, et en dessous naturellement. Le constructeur SOLEMS vante d ailleurs ses produits comme ayant des rendements exceptionnels Il y a eut forcément des erreurs de lecture sur les instruments, même minimes qui peuvent venir perturber les résultats. Et les instruments ont eut aussi leurs précisions, et notamment le luxmètre qui est difficile à mettre en œuvre une inclinaison de quelques degrés pouvant faire varier rapidement le résultat lu (cf. «Précisions des mesures») Le taux de conversion du lux au W.m -2 est incertain et tous les rayonnements du soleil n ont pus être évités Les mesures n ont pas étés réalisées le même jour, et donc pas dans les mêmes conditions La lampe ayant été rapprochée de très près, les effets de réflexion (vus en partie 1) ont pus différer de l habitude, dans les laboratoires Les constructeurs, par précaution donneront toujours un rendement inférieur au rendement effectif pour éviter des problèmes de publicité mensongère Il faut savoir aussi que les cellules solaires voient leurs caractéristiques changées si leurs températures internes varient. Il faut un équipement spécifique que nous n avons pas pour mesurer ces variations. De plus, les calculs en deviennent beaucoup plus compliqués. Enfin les photopiles étaient toutes neuves et n avaient subi aucunes altérations de quelque nature que ce soit Au final, l écart avec la moyenne n est que de (17 11) / 11 = 50 % environ ce qui reste quand même raisonnable On constate ici le très faible rendement des photopiles par rapport à leurs homologues les piles qui assurent des rendements frôlant les 80 %. Néanmoins les photopiles présente l immense avantage d être une énergie renouvelable ce qui la destine à bien des applications

28 Association en série et en parallèle En faisant quelques mesures supplémentaires, on s aperçoit que les cellules solaires fonctionnent comme n importe quelle source de tension continue au niveau des associations en parallèle ou en série ; à savoir : En mettant en parallèle deux cellules solaires (ou plus), on va obtenir une intensité de sortie égale à la somme des intensités de toutes les cellules, mais la tension sera limitée par la plus petite des tensions des photopiles : I = I 1 + I 2 + I 3 + La mise en série de deux cellules solaires va permettre d obtenir une tension de sortie plus élevée, car on aura U = U1 + U2 +U3 + En contrepartie, l intensité sera limitée par la plus petite valeur des intensités admissibles par les cellules :

29 Applications, ouverture et conclusion Comme on vient de le voir, les cellules solaires ne sont capables de fournir qu une assez faible puissance ce qui limite très sérieusement leurs applications directement aux bornes des appareils à alimenter. De plus, si le soleil ou, du moins la source lumineuse est absente temporairement, il sera impossible de soutirer la puissance voulue. C est pourquoi les cellules solaires sont dans la majorité des cas accouplées à une batterie. Celle-ci permet notamment de fournir une puissance bien supérieure et se recharge lorsque l appareil n est pas utilisé. C est ce qui lui a permit de se développer facilement pour des appareils domestiques ou industriels (calculatrices, parcmètres, caravanes ou maisons individuelles en complément du réseau EDF, ) Encore un petit calcul intéressant : pour charger une batterie 3 V de 1 Ah, il faudra à une cellule pouvant débiter 80 µa sous 3 V (cas de la 7/48/32 sous 1000 lux) : t = C / I t = 1 / 8 * 10-5 t = h, soit presque une année et demi! Notons toutefois que la cellule admet une surface relativement faible et que la technologie reste bas de gamme ce qui amène à une puissance de sortie relativement limitée. On choisira la technologie en fonction du prix de revient souhaité, et la surface, liée au choix de la technologie et à l application. Avant de clore cette partie, parlons tout de même d une autre caractéristique, le Watt Crête qui correspond à la puissance nominale délivrée sous un bon ensoleillement (1000 W.m2) avec une température de cellule de 25 C. Elle donne un ordre d idée du fonctionnement d une cellule solaire aux hautes luminosités (soleil). L impossibilité de monter à de telles intensités lumineuses en les mesurant ne nous a pas permis de connaître les valeurs de nos cellules

30 Anthony HELLEU Les autres énergies face au solaire L'essentiel des ressources en énergies fossiles est constitué de combustibles solides (charbons), liquides (pétrole) et gazeux (gaz naturel). L'abondante utilisation qui en est faite depuis plus d'un siècle ne va pas sans entraîner des modifications, qui pourraient être importantes, sur les climats (production de gaz à effet de serre). Le caractère limité des combustibles fossiles et même fissiles a conduit à s'intéresser aux énergies dites «renouvelables» : énergie hydraulique (déjà assez développée), éolienne, énergie solaire directe. Le soleil Energie solaire Il existe 2 formes d énergies solaires : Thermique Photovoltaïque Seule la photovoltaïque sera prise ici en compte (l énergie solaire thermique est principalement destinée au chauffage de locaux ou d eau ; à notre latitude, l énergie étant en grande partie utilisée pour le chauffage, une installation solaire thermique pourrait tout de même couvrir 40% de nos besoins). Avantages Ecologique Disponibilité pour toujours Energie locale, sans transport, disponible partout Grande durée de vie des panneaux Inconvénients Mauvais rendement pour le photovoltaïque (environ 15%) Fonctionne presque exclusivement en été en Europe du Nord (Défaut de l implantation) Encore assez cher Ne fonctionne pas en continu (pas de soleil la nuit) Pas de possibilité de stockage

31 Le vent Energie éolienne C est l énergie du vent. L'énergie du vent captée sur les pales entraîne le rotor, couplé à la génératrice, qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Avantages Ecologique Possibilité d implantation au large, économie de surface (mers et océans = 2 tiers de la surface planétaire) Disponible pour toujours Pour un coût égal, produit plus que le photovoltaïque (utile si l on dispose de beaucoup d espace) Inconvénients La surface au sol nécessaire est de 8 ha/mw ce qui revient à 60 kwh annuels par m2 au sol. C est 5 fois moins que les possibilités de la génération photovoltaïque. Pour atteindre le potentiel actuel des réacteurs nucléaires (au nombre de 55), il faudrait éoliennes de grande puissance avec une densité d implantation de 20 fermes par kilomètre de côte.(techniquement faisable) Implantation sur les côtes difficiles (sites touristiques) Nuisances sonores, dangereux pour les oiseaux Durée de vie d une éolienne : au minimum 15 ans (moins que le solaire)

32 L eau Hydroélectricité C est l énergie de l eau : le principe est simple, on se sert de l eau pour faire tourner une bobine d un alternateur, qui produit alors de l électricité. Avantages Potentiel énorme (36000 TWh en exploitant tout le potentiel, production mondiale actuelle : 12000TWh) Pas de pollution de l atmosphère Disponible pour toujours Inconvénients Essentiel du potentiel situé en Asie, en Amérique du sud et en ex-u.r.s.s. Impact environnemental des nouveaux barrages considérable sur le climat et les écosystèmes locaux (déplacement des populations notamment : facteur très limitatif) Risque de rupture des barrages : catastrophes L énergie marémotrice Elle utilise l énergie des marées : lorsque l eau monte ou descend, elle actionne une hélice et ainsi crée de l électricité (même principe que l énergie hydraulique/le sens dans lequel tourne l hélice est toujours le même du fait qu elle soit équipée de pales orientables) Avantages Ecologique Economique (environ 30 centimes le kwh pour l usine de la Rance (Bretagne) contre 36 centimes pour l électricité (en heure creuse, 51 cts en heure pleine) mais aussi contre 19 cts pour le gaz naturel) Disponible pour toujours

33 Inconvénients Implantation limitée (pour avoir une installation rentable, il faut de fortes amplitudes de marée et un débit d eau rapide)

34 Le sol / La Terre Géothermie La géothermie exploite le potentiel de chaleur accumulée durant les différentes périodes géologiques dans des réservoirs d eau souterrains. Captées grâce à un forage, ces eaux véhiculent la chaleur jusqu à la surface où des échangeurs de chaleur en récupèrent une grande partie. L eau refroidie est ré-injectée dans la nappe pour maintenir sa pression. La géothermie permet de produire de l électricité pour des gisements à moyenne (de 90 à 150 C) et haute température (au delà de 150 C) et de la chaleur pour les gisements à basse température (de 30 à 90 C), en direct au moyen d échangeurs de chaleur ou par l intermédiaire de pompes à chaleur. Avantages Non polluant Moyen de chauffage économique Ressource fiable et stable ( ne dépend pas des aléas climatiques, comme le solaire ou l éolien) Inconvénients Nécessité d avoir un gisement a proximité (défaut de localisation) Prix d installation élevé Pas totalement inépuisable : les réservoirs finissent par s épuiser

35 Gaz et Biogaz Le gaz naturel est extrait du sol, il s agit d un combustible fossile. Le Biogaz, lui, est très proche du gaz naturel mais s obtient par la méthanisation : c est la fermentation de matières organiques (en l occurrence déchets ménagers, agricoles et industriels). Avantages Spécifique au Biogaz : Energie renouvelable Permet de recycler des déchets Réduit les émissions de gaz à effet de serre (le Biogaz peut se former naturellement lors de la biodégradation de divers déchets, contenant de grandes quantités de méthane (CH4), il pollue. Le fait de récupérer les déchets et de consommer le Biogaz ne pollue pas (le CO2 issu de la combustion du méthane ne contribue pas à l effet de serre)) Coût correct Peu polluant Polyvalent : peut-être utilisé comme carburant, pour se chauffer

36 Inconvénients Transport délicat et nécessitant des entreprises spécifiques à son conditionnement (sociétés dont les chaînes de conditionnement sont exclusivement pneumatiques : système Parker par exemple) Risque d explosion Spécifique au Biogaz : Pollue si on ne l utilise pas (teneur en méthane très importante) Spécifique au gaz naturel : La plupart des gisements sont loin des grands centres de consommation, et sont surtout localisés dans les pays de l est : la Russie et l Iran possèdent à eux seuls plus de la moitié des réserves mondiales Les réserves seront épuisées d ici une bonne soixantaine d années (au rythme actuel de la consommation) Pétrole Pas besoin d explications.? tout le monde sait de quoi il s agit (énergie fossile extraite du sol) Avantages Apparemment bon marché (sans les coûts indirects de la pollution) Haute densité énergétique Facile à mettre en valeur dans un brûleur Stockable Inconvénients Dégage de grosses quantités de CO2, gaz responsable de l'effet de serre Viendra à manquer au cours du siècle prochain (si l on considère juste les réserves connues de pétrole brut, si l on tient compte des sources inexploitées et nécessitant un raffinage, les réserves actuelles peuvent décupler, dans le plus optimiste des cas, les réserves sont assurées jusqu au milieu du XXI siècle ) Dégage du SO2 (dioxyde de soufre) et des NOX,(oxydes d azote),gaz toxiques, si la combustion s effectue dans de mauvais brûleurs. Les marrées noires qui perturbent l équilibre de l écosystème Nucléaire L énergie nucléaire peut être extraite grâce à 2 méthodes : la fusion (encore au stade de l étude, elle n est pas encore maîtrisée : il s agit de l association de 2 noyaux (d atomes) légers qui conduit ainsi à la formation d un noyau plus lourd). Ce procédé n entraînerait pas de radioactivité ni de déchets. la fission (procédé actuellement utilisé : c est la division d un noyau atomique lourd en 2 fragments plus légers). Avantages Délivre beaucoup plus d énergie que le pétrole pour des quantités moindres (1 tonne d isotopes (atomes) fissiles = 2 millions de tonnes de pétrole)

37 Inconvénients Viendra à manquer d ici un peu plus d un siècle si la fusion ne s est pas encore développée (l uranium, seul moyen d accéder à l énergie nucléaire, se trouve dans grand nombre de roches mais en quantités restreintes) Exploitation délicate et coûteuse Radiations (augmentation du risque de cancer pour une population exposée à des radiations faibles) Problème de stockage des déchets radioactifs Données cumulées relatives aux combustibles usés dans les réacteurs nucléaires : Pays Puissance installée GW électriques Pourcentage d électricité d origine nucléaire Tonnages usés France Belgique Suède Suisse Espagne Finlande Allemagne Japon Grande Bretagne * U.S.A Canada ** Pays-Bas Total * estimations ** ce tonnage anormalement élevé est du au fait que les réacteurs canadiens utilisent de l uranium naturel

38 Charbon Avantages Stockable Faible coût d exploitation (raison pour laquelle il s est fortement développé au 19 ). Transport facile Sera exploitable pendant encore au moins 200 ans Inconvénients Etant souvent utilisé pour produire de l électricité d origine thermique, dégage de grosses quantités de CO2 (effet de serre), ce malgré la désulfuration (traitement pour que les fumées ne polluent pas). Un seul gisement européen au Royaume-Uni, il représente 7% des réserves mondiales Rendement faible : 38% du charbon sont transformés en énergie (contre 52% pour le gaz naturel). Grâce à la gazéification du charbon, les industriels ont réussi à atteindre un rendement de 52%, mais il faut encore standardiser le matériel. Le prix étant constamment en baisse,(car les pays producteurs-exportateurs doivent s aligner sur les prix de l Afrique du sud, dont le prix de revient est très bas, l Australie frise donc la vente au prix de production), il peut y avoir des problèmes d approvisionnement

39 Conclusion L énergie solaire, malgré le fait qu elle soit implantable partout et qu elle soit totalement renouvelable, n est pas encore le meilleur parti. Son prix est encore très élevé, le rendement des panneaux assez faible et l énergie n est pas stockable. L éolien, son concurrent le plus direct, soufre du même défaut de stockage mais est plus abordable. Ce n est cependant pas un très bon investissement à long terme (durée de vie des éoliennes assez limitée comparée à celle des panneaux solaires). De plus, son défaut majeur est de nécessiter un espace important. En revanche, ces ressources restent utiles pour alimenter en énergie les lieux auxquels l installation d un réseau ne serait pas rentable. Pour ce qui est des énergies fossiles, même en admettant que les ressources sont encore conséquentes, elles finiront tôt ou tard par être épuisées, il vaut donc mieux se pencher vers de nouvelles techniques et penser aux générations futures. Les énergies liées à l eau, elles, nécessitent le plus souvent des installations ayant des impacts importants sur les écosystèmes locaux (barrages par exemple) et ne peuvent être implantées partout. A mon avis, le meilleur pari sur l avenir serait l énergie thermonucléaire (fusion) : elle constituerait une source d énergie quasi intarissable, non polluante et stockable. Le solaire, quant à lui, deviendrait réellement intéressant si l on était capable de stocker l électricité, d améliorer le rendement des cellules photovoltaïques, mais aussi si le prix de cette technologie était plus raisonnable

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