IN SITU : ÉNERGIE 2 PANNEAUX SOLAIRES Réalisation : Noël Faltas Scénario : Alain Lartigue CNDP, 1998 Durée : 02 min 55 s Ce film montre des applications pratiques des générateurs électriques que sont les panneaux solaires. Il décrit la constitution d une photopile et le mécanisme de production des électrons. Il explique le couplage des photopiles pour obtenir une tension et une puissance suffisantes. Un panneau photovoltaïque transforme l énergie lumineuse (en pratique, le plus souvent solaire) en énergie électrique. Il est constitué de plusieurs photopiles. Chaque photopile est un empilement de couches de silicium dopées, les unes au bore (couche P), les autres au phosphore (couche N). Les photons arrachent des électrons de la couche N, pour aller vers la couche P. La tension produite est continue. Pour obtenir une puissance suffisante, les photopiles doivent être couplées à la fois en série (les tensions s additionnent) et en dérivation (les courants débités s additionnent). En pratique, les panneaux photovoltaïques délivrent 12, 24 ou 48 V. L énergie produite est stockée dans des batteries. La tension continue peut être exploitée telle quelle ou être convertie en tension alternative par des onduleurs.
DISCIPLINES, CLASSES ET PROGRAMMES Physique-chimie, 5 e (programme publié au BO n 5, 25 août 2005): Les circuits électriques en courant continu. Physique-chimie, 3 e (programme publié au BO n 10, 15 octobre 1998) : Matériaux et électricité. OBJECTIFS DU FILM Montrer l utilité des panneaux photovoltaïques. Décrire le principe physique de fonctionnement d une photopile et l association de photopiles pour former un panneau photovoltaïque de puissance suffisante. Souligner le type de tension produite (continue) et la possibilité de la convertir en tension alternative. VOCABULAIRE REQUIS Tension électrique (partie «Contexte»). Électrons, intensité électrique, puissance électrique, associations en série et en dérivation, courant et tension continus et alternatifs (partie «Exploration»). VOCABULAIRE À EXPLIQUER Réseaux de distribution électrique, panneau solaire, panneau photovoltaïque (partie «Contexte»). Silicium, bore, phosphore, photons, onduleur (partie «Exploration»). PRINCIPAUX THÈMES ABORDÉS Le fonctionnement d un panneau photovoltaïque. Les photopiles. 2
DÉCOUPAGE DU FILM 00min 00s: Contexte : utilité des panneaux photovoltaïques pour des régions à l écart des systèmes de distribution électrique, ou pour des équipements isolés. 01min30s: Exploration: un panneau solaire est constitué de photopiles. La structure d une photopile en couches de silicium dopées et son principe de fonctionnement. 02min 15s: Le couplage des photopiles en série et en parallèle pour constituer un panneau solaire. 02 min 40 s : Le courant produit est utilisé tel quel ou transformé en courant alternatif. 03min 00s: Application: en zone tropicale, l eau peut être puisée grâce à des pompes alimentées par des panneaux photovoltaïques. 3
SUGGESTIONS D EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE Cette séquence comporte trois parties : «Contexte», «Exploration» et «Application». En classe de 5 e, la partie «Contexte» peut être utilisée pour montrer l existence et l utilité des panneaux photovoltaïques. Les autres parties sont trop difficiles. En classe de 3 e, on peut visionner à la suite les trois parties, la première situant le sujet, la deuxième apportant à elle seule l essentiel des informations scientifiques, la troisième montrant une application particulière. FICHE ÉLÈVE Répondez aux questions au cours du visionnage. Contexte Citez quelques équipements isolés auxquels des panneaux photovoltaïques permettent d apporter une alimentation électrique (fig. A) : Fig. A Un exemple de panneau photovoltaïque, appelé communément «panneau solaire» 4
Exploration 1a. Quel est le matériau de base des photopiles? 1b. Comment les couches P sont-elles dopées? Quel est leur rôle électrique? 1c. Comment les couches N sont-elles dopées? Quel est leur rôle électrique? 1d. Qu est-ce qui provoque l arrachage d électrons de la couche N? 2. Que peut-on dire de l intensité débitée par une seule photopile? 3. Comment les photopiles sont-elles couplées dans un panneau photovoltaïque? Faites un schéma. 4. En pratique, combien la tension aux bornes d un panneau photovoltaïque vaut-elle? 5. Avec quel appareil peut-on transformer une tension continue en tension alternative? 5
INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES Les cellules photovoltaïques Historique La découverte de l effet photoélectrique l émission d électricité par des métaux exposés à la lumière remonte au XIX e siècle, avec notamment les expériences de Becquerel (1839), puis de Hertz (1887) et l interprétation théorique, donnée par Einstein en 1905, qui lui valut le prix Nobel en 1921. Avec l avènement des semi-conducteurs, les recherches concernant les photopiles se développent dans les années 1940. Le domaine spatial est au centre de ces travaux et, en 1959, le satellite américain Vanguard est le premier à être alimenté par des photopiles. Au moment de la crise énergétique des années 1970, les gouvernements et les industriels commencent à investir dans les applications terrestres de la technologie photovoltaïque. Principes de fonctionnement Une cellule photovoltaïque moderne est composée d un matériau semiconducteur qui reçoit l énergie lumineuse et la transforme en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés du rayonnement et à celles des semi-conducteurs, le silicium étant en pratique le matériau le plus utilisé. Un semi-conducteur est un matériau dont la conductivité est très faible par rapport à celle des métaux, mais très supérieure à celle des isolants. Ainsi, par exemple, à température ordinaire : 5,8 x 10 7 S.m 1 pour le cuivre, 3,2 x 10 4 S.m 1 pour le silicium ultra pur (la valeur est extrêmement sensible au degré de pureté du cristal), et jusqu à 10 22 S.m 1 pour d excellents isolants. Ces valeurs s expliquent par le nombre de charges libres. Dans un métal, chaque atome fournit un ou plusieurs électrons libres, lesquels sont donc au total très nombreux. Dans un semi-conducteur, pour qu un électron lié à son atome (bande de valence) devienne libre et participe à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimale lui permettant d atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (bande de conduction) : c est le «gap» d énergie, exprimé usuellement en électronvolt (ev). Cette valeur est de 1,1 ev pour le silicium cristallin (c-si) et de 1,7 ev pour le silicium amorphe (a-si). Et dans un isolant, le gap est beaucoup plus important, de l ordre de plusieurs ev. 6
Le spectre du rayonnement solaire est la distribution des photons particules de lumière en fonction de leur énergie (inversement proportionnelle à la longueur d onde). Le rayonnement arrivant sur la cellule solaire est en partie réfléchi. L autre partie pénètre le matériau semi-conducteur et est absorbée au bout d un parcours plus ou moins long. Chaque photon absorbé dont l énergie est supérieure à celle du «gap» crée un électron libre (bande de conduction). En partant, cet électron laisse derrière lui un «trou positif» parmi les électrons liés (bande de valence) : ce trou permet un déplacement de proche en proche des électrons liés et contribue à la conductivité du matériau. Par commodité intellectuelle, on peut adopter un point de vue équivalent, qui consiste à dire qu il y a désormais dans le matériau deux sortes de charges mobiles : des électrons libres et des trous. Pour produire un courant électrique utilisable et réaliser une véritable photopile, l idée est alors de créer, au sein même du matériau semiconducteur, un champ électrique permanent E destiné à provoquer le déplacement d ensemble des électrons libres dans un sens, d un trou à l autre. La méthode utilisée pour créer ce champ consiste à réaliser une jonction entre deux couches de silicium, l une dopée P, l autre dopée N. Le dopage de type P (positif) utilise des atomes dont la substitution dans le réseau cristallin donnera des trous excédentaires ; le bore est le dopant de type P le plus couramment utilisé pour le silicium car, étant trivalent et le silicium tétravalent, leur association laisse une place vacante à un électron pour satisfaire à la règle de l octet. Le dopage de type N (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des atomes étrangers, qui ont la propriété de donner chacun un électron libre excédentaire ; c est le cas du phosphore, pentavalent, dans le silicium (fig. 1). Lorsque les deux matériaux P et N sont en contact, les trous, majoritaires dans P, se diffusent naturellement vers la région N (fig. 2), et dès leur arrivée se recombinent avec les électrons libres majoritaires de N. Mais comme ces derniers proviennent des atomes de phosphore qui se retrouvent à l état de cations, il se forme alors dans le matériau N une couche de l ordre du micromètre d épaisseur chargée positivement. De l autre côté, les électrons libres majoritaires dans N se diffusent vers P : arrivés dans P, ils se recombinent avec les trous majoritaires, ce qui crée une zone de charge négative, due aux anions de bore. La double couche électrique (fig. 3) ainsi formée crée un champ électrostatique E dirigé de N vers P. 7
Fig. 1 La photopile est faite de deux couches de silicium dopées P et N Fig. 2 Par diffusion, les porteurs de charge migrent Fig. 3 À la suite des recombinaisons, une double couche chargée se forme au niveau de la jonction Comme on l a vu, l absorption d un photon par la photopile crée une paire électron libre-trou. Cette paire subit le champ E : le trou se met en mouvement dans le sens de E, l électron libre dans le sens inverse. Ce courant est récupéré aux bornes de la photopile (fig. 4). Fig. 4 La photopile en fonctionnement 8
9 Avantages Les cellules photovoltaïques présentent une très bonne longévité, notamment parce qu elles ne comportent pas de pièces mobiles. Leurs coûts de fonctionnement sont faibles, car l entretien se réduit essentiellement au nettoyage des panneaux. Le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissances allant du milliwatt au mégawatt. La technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique, car le produit fini est non polluant, silencieux et n entraîne aucune perturbation du milieu, si ce n est par l occupation de l espace pour les installations de grande dimension. Inconvénients La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert des investissements d un coût élevé. Le rendement réel de conversion d un module est faible (la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28 %). Les générateurs photovoltaïques ne sont compétitifs par rapport aux générateurs Diesel que dans le cas de faible demande d énergie en région isolée. Enfin, lorsque le stockage de l énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru. La fiabilité et les performances du système restent cependant équivalentes, pour autant que la batterie et les composants de régulation associés soient judicieusement choisis. Intérêt du groupement mixte des piles Le groupement en série Il permet d augmenter la f.é.m. S il comprend, associés en série, x éléments de f.é.m. E et de résistance r, la f.é.m. résultante est E = x.e, et la résistance r = x.r. Le groupement en dérivation Il permet de diminuer la résistance interne et, par conséquent, pour une même tension, d augmenter l intensité du courant délivré. Un groupement comprenant y éléments de f.é.m. E et de résistance r associés en parallèle a pour f.é.m. résultante E = E et pour résistance r = r /y.
Le groupement mixte L association en parallèle de y groupements en série de f.é.m. E = x.e et de résistance r = x.r possède une f.é.m. résultante E = E = x.e et une résistance r = r /y = x.r/y. Le groupement mixte permet donc d augmenter la f.é.m. mais aussi l intensité du courant qui peut être délivré (par rapport au groupement en série, on a une diminution de la résistance interne et des pertes par effet Joule), et par conséquent d accroître la puissance électrique produite. LIVRET RÉDIGÉ PAR JEAN JANDALY SCÉRÉN-CNDP, 2006