LES CELLULES SOLAIRES De la lumière à l électricité Solar Impulse n utilise que la lumière comme source d énergie pour alimenter ses moteurs. L effet de la lumière sur le matériau des panneaux solaires va permettre à ceux-ci de fournir le courant nécessaire pour le bon fonctionnement de l avion. Cette fiche te permettra de découvrir comment il est possible de produire de l électricité à partir de la lumière et, avec beaucoup de précautions, de fabriquer toi-même une pile qui fonctionne mieux lorsqu elle est illuminée par une lampe. Projet : EPFL dgeo Solar Impulse Rédaction : Michel Carrara Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro Centre d impression EPFL Suivi de projet : Yolande Berga 1/7
LES PANNEAUX SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES OU CELLULES SOLAIRES Solar Impulse tire son énergie uniquement du Soleil grâce à des cellules solaires ou panneaux solaires photovoltaïques. Voici le défi que s est donné Solar Impulse : «En écrivant à l énergie solaire les prochaines pages de l histoire de l aviation, jusqu à un tour de la planète sans carburant ni pollution, l ambition de Solar Impulse est d apporter une contribution du monde de l exploration et de l innovation à la cause des énergies renouvelables. Démontrer l importance des nouvelles technologies dans le développement durable, et bien sûr à nouveau placer le rêve et l émotion au cœur de l aventure scientifique». [1] Le principe des cellules solaires est de transformer l énergie de la lumière en courant électrique. Pour comprendre comment cela fonctionne, étudions comment s effectue cette transformation. Pour en savoir plus sur la lumière elle-même, voir la fiche «LA LUMIÈRE». Le mot «photovoltaïque» peut être divisé en deux parties : «photo» et «voltaïc». Le terme «photo» est dérivé du mot grec qui signifie «lumière». Un «volt» est l unité de mesure pour la tension électrique. Ainsi, littéralement, «photovoltaïque» signifie «électricité grâce à la lumière». Et c est exactement ce que signifie ce mot : «capturer l énergie solaire sous forme de lumière et la transformer en électricité». Alors, comment pouvons-nous transformer le rayonnement solaire en énergie électrique? Pour convertir la lumière du Soleil en électricité, nous utiliserons un matériau appelé «semi-conducteur». En termes simples, un semi-conducteur est un matériau qui agit comme un isolant électrique, mais qui est aussi capable de conduire l électricité dans certaines conditions, principalement liées à la pureté du matériau et à sa température. On emploie cette propriété lorsque l on convertit l énergie solaire en électricité. Les photons, les particules de lumière, entrent en collision avec la surface des matériaux semi-conducteurs (généralement du silicium, mais dans notre expérience nous utiliserons de l oxyde de cuivre) et mettent en mouvement les électrons du panneau solaire pour créer un courant électrique continu. [2] Une cellule solaire est constituée de deux couches de semi-conducteurs différents. Quand la cellule est illuminée, l énergie lumineuse met en mouvement les électrons dans les semi-conducteurs et une tension électrique apparaît (U). énergie lumineuse mesure de la tension électrique mesure de la tension électrique semi-conducteur de type n semi-conducteur de type p U = 0 type n type p U = 0 [1] Source : http://www.solarimpulse.com/fr/message (consulté le 12.12.2012). [2] Source : http://mondiasolar.com/index.php?option=com_djcatalog2&view=itemstable&cid=1&itemid=7 (consulté le 05.01.2013). 2/7 LES CELLULES SOLAIRES
Fabrique de sucre! 6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 gaz carbonique eau énergie lumineuse glucose oxygène (composé organique) La photosynthèse est le processus qui permet aux plantes de synthétiser de la matière organique en exploitant la lumière du Soleil. Les besoins nutritifs de ces organismes sont du dioxyde de carbone et de l eau. La photosynthèse est la principale voie de transformation du carbone minéral en carbone organique. Il existe des cellules solaires qui imitent la photosynthèse (les cellules Grätzel ou à colorant). Ces cellules ont été développées à partir des années 90 à l EPFL par le professeur M. Grätzel. On peut fabriquer une de ces cellules simplement, un mode opératoire se trouve sous le lien http://portail.umons.ac.be/ FR/universite/facultes/fpms/applicasciences/Documents/ RessourcesPedag/CelluleGratzel.pdf Quelles cellules solaires choisir? Comment les intégrer à la structure? Quels sont les matériaux les plus adéquats et comment les intégrer pour obtenir des panneaux solaires qui offrent le meilleur rendement pour le poids le plus faible avec la plus grande résistance possible? PORTRAIT LAURE-EMMANUELLE PERRET-AEBI Après plusieurs années de recherche, Laure-Emmanuelle Perret-Aebi souhaita s associer à un projet pratique permettant de faire le lien entre recherche fondamentale et industrialisation. A la recherche d un projet ambitieux qui permette de démontrer que la technologie peut avoir un impact positif sur l environnement, elle entendit parler de Solar Impulse et envoya sa candidature. Sa formation de chimiste, les connaissances qu elle avait acquises sur les réactions chimiques intervenant aux interfaces entre différents matériaux en faisaient la candidate parfaite pour intégrer l équipe du professeur Ballif, de l EPFL, qui travaillait en partenariat avec Solar Impulse sur les problématiques d intégration et d encapsulation des cellules solaires aux panneaux de l avion. Une opportunité qui correspondait parfaitement aux attentes de Laure-Emmanuelle. Diplômée de l UNI Neuchâtel en 2000, Laure-Emmanuelle a fait un doctorat à Fribourg sur les moteurs moléculaires (molécules dans lesquelles on peut induire un mouvement), suivi par 4 ans de recherche à Edimbourg et Neuchâtel. Depuis son projet avec Solar Impulse, elle travaille dans le domaine photovoltaïque, en support aux industriels, pour les aider à améliorer leurs produits, résoudre des problèmes et permettre d imaginer les nouveaux produits qui verront le jour dans les cinq prochaines années. LES CELLULES SOLAIRES 3/7
ET TOUT CELA EN CHIFFRES Exercice 1 On estime à 170 000 000 GW la puissance du rayonnement solaire global qui nous parvient sur Terre. 30 % du rayonnement est réfléchi par l atmosphère. 20 % est absorbé par l atmosphère, surtout par l ozone qui absorbe particulièrement bien les UV. 50 % est absorbé par le sol ou les océans dont : - 40 % est réémis immédiatement sous forme de rayonnement infrarouge - 40 % est responsable de l évaporation de l eau (cycle de l eau, etc.) - 20 % est transmis à l atmosphère par conduction thermique (source des vents par exemple) ou sert à d autres usages (photosynthèse, capteurs thermiques, etc.). Seul le 0,05 % du rayonnement global est utilisé par la photosynthèse et 0,008 % pour la production d énergie à usage humain. ~ 30% réfléchi par l atmosphère atmosphère ~ 50% absorbé par le sol et les océans ~ 20% absorbé par l atmosphère Seuls 0.05% du rayonnement global est utilisé par la photosynthèse et 0.08% pour la production d énergie à l usage humain Sur la base de ces informations, calcule : a) La proportion du rayonnement total qui est utilisée pour l évaporation de l eau. b) La puissance qui est absorbée par l atmosphère. c) La puissance qui est réémise sous forme de rayonnement infrarouge. 4/7 LES CELLULES SOLAIRES
En supposant que l énergie soit absorbée de manière homogène sur l entier de la surface terrestre (le rayon terrestre moyen est de 6 371 km) : d) Calcule l énergie reçue par mètre carré en une journée de 24 heures. e) Cette hypothèse est-elle réaliste? Explique. En moyenne par m 2 et en une année, l énergie produite par le rayonnement solaire est de 1 200 kwh en Suisse. Selon l IEA-PVPS (International Energy Agency Photovoltaic Power System Programme), 140 km 2 de toitures pourraient être disponibles pour la production d énergie. f) Calcule l énergie fournie en prenant un rendement moyen de 20 % pour des panneaux photovoltaïques. g) Compare cette énergie à celle produite en une année par la Grande Dixence (2 400 GWh) et à la puissance de la centrale nucléaire de Leibstadt, la plus puissante des centrales nucléaires de Suisse (1 200 MW). Exercice 2 Le défi proposé par Solar Impulse a poussé les fabricants de cellules photovoltaïques à se dépasser. Le rendement des cellules est très bon mais l accent a été mis surtout sur une masse très faible par rapport à la surface couverte, de façon à ce que l avion soit le plus léger possible. Calcule la puissance électrique maximale que peuvent produire les panneaux lorsque l avion vole. Indications L énergie du Soleil fournit une puissance moyenne de 250 W/m 2 sur 24 heures. La surface des panneaux de Solar Impulse est de 200 m 2. Le rendement des cellules est de 12 % Les surfaces supérieures de l aile et du stabilisateur de Solar Impulse sont bleu foncé, la couleur caractéristique des cellules solaires. Ces 11 628 cellules ont l orientation la plus favorable pour être exposées aux rayons du soleil. Pour gagner en poids, l équipe de Solar Impulse a développé des solutions permettant d intégrer les cellules directement à la peau constituant l aile de l avion. Un défi de fabrication pour garantir la résistance de la structure tout en maximisant sa légèreté. LES CELLULES SOLAIRES 5/7
TECHNOLOGIE : FABRIQUE UNE PHOTOPILE Fabriquons une photopile, c est-à-dire une pile qui produise de l électricité grâce à la lumière : c est le principe des cellules photovoltaïques. Cette expérience nécessite un très long temps d attente, d au moins une semaine pour bien fonctionner. [3] Matériel nécessaire produit chimique : une solution de NaCl saturée [4], le volume à préparer doit permettre de remplir le récipient que l on va utiliser 2 plaques de cuivre 1 morceau d étoffe sombre (venant d un vieux T-shirt, par exemple) 2 élastiques 1 petit récipient en plastique ou en plexiglas (pas de verre) 1 multimètre 2 fils de cuivre isolés 2 trombones ou pinces crocodiles 1 lampe de bureau Marche à suivre 1) Découpe deux plaques de cuivre d une surface d au moins 80 cm 2 (par ex. de dimensions 10 10 cm). Elles seront utilisées comme électrodes pour la pile que nous sommes en train de construire. Nettoie ces feuilles avec de la laine d acier afin de mettre systématiquement le métal à nu (ne pas employer des produits nettoyants comme des savons, mais uniquement des produits abrasifs). Dégage une patte sur chaque électrode (c est-à-dire découpes-y une languette) pour y fixer les pinces crocodiles. 2) «Habille» les deux faces de l une des plaques avec un tissu foncé, de telle façon qu il n y ait qu une seule couche de tissu entre les deux électrodes. La figure ci-dessous montre comment assembler les deux plaques et les maintenir ensemble avec deux élastiques. plaque habillée du tissu foncé + plaque nue + 2 élastiques La plaque nue est destinée à recevoir la lumière, l autre est maintenue dans l obscurité par le tissu qui l entoure. Avant de poursuivre, vérifie soigneusement que les deux électrodes ne soient en contact à aucun endroit. [3] Source : Science & Vie N 858, Mars 89, page 138. [4] Le NaCl (chlorure de sodium) est le sel de cuisine. Pour préparer une solution saturée de sel de cuisine, verse le sel par petites quantités dans de l eau chaude, si possible déminéralisée, et agite jusqu à complète dissolution ; poursuis l opération jusqu à ce que le sel ajouté ne se dissolve plus dans la solution (saturation). Laisse reposer la solution jusqu à température ambiante. C est prêt. Cela correspond à un peu plus de 350 g/l à 25 C. 6/7 LES CELLULES SOLAIRES
3) Mets le tout en place dans la cuve de manière à ce que l ensemble des plaques se présente légèrement en biais, puis verse dans la cuve la solution saturée de sel, de façon à ce que les plaques y trempent au maximum. 4) Si l on branche à ce moment-là un multimètre numérique aux bornes du montage, on constate qu une tension de quelques millivolts est créée par la pile. Elle est due aux impuretés présentes dans le métal utilisé et qui ne sont pas réparties uniformément dans les deux plaques, même si on a découpé ces dernières dans une feuille unique. Avant de détecter une variation de la tension sous l effet de la lumière, il va falloir être patient. Il faut attendre presque une semaine pour que l oxydation superficielle de la face sensible de l électrode active (face visible de la plaque nue) l ait couverte d une couche semi-conductrice. Passé ce délai, elle deviendra sensible à la lumière et la photopile fournira une plus grande tension si elle est éclairée (mais de quelques millivolts seulement, de 2 à 10 mv selon la lampe utilisée). Comme il y aura de l évaporation durant le temps d attente, il est nécessaire de maintenir la hauteur du liquide en ajoutant régulièrement de l eau. LES CELLULES SOLAIRES 7/7