L’intensité de ce courant est proportionnelle à l'éclairement. D ocument 2 : Panneau photovoltaïque








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titreL’intensité de ce courant est proportionnelle à l'éclairement. D ocument 2 : Panneau photovoltaïque
date de publication22.01.2018
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TS spé Thème Matériaux/Structure et propriétés des matériaux Étude d’une cellule photovoltaïque
Compétences : Analyser, Réaliser, Valider.
Objectifs du TP : Étudier le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque.
Partie 1 : Documents à analyser



Document 1 : Panneau solaire et cellule photovoltaïque




Un panneau photovoltaïque est composé de cellules photovoltaïques.

La cellule photovoltaïque fonctionne comme une photodiode mais avec une surface d'éclairement plus importante ; dans l'obscurité, elle se comporte comme une jonction P-N (diode) et quand la cellule est éclairée, les photons qui pénètrent dans la cellule photovoltaïque peuvent arracher des électrons aux atomes de silicium, ces électrons sont entraînés vers la cathode (grille)sous l’action du champ électrique interne créé par la jonction P-N, puis peuvent circuler dans le circuit extérieur comportant une « charge », une ampoule, par exemple . Plus le nombre de photons absorbés est important, plus le nombre d’électrons libérés et donc le courant généré est important. L’intensité de ce courant est proportionnelle à l'éclairement.




Document 2 : Panneau photovoltaïque
Pour créer un panneau photovoltaïque on réalise une association de cellules photovoltaïques : elles sont associées à la fois en série et en parallèle selon le document ci-contre: sur celui-ci, douze cellules sont associées en série et ces six structures ainsi réalisées sont associées en parallèle entre elles.

Aujourd’hui, les rendements énergétiques moyens des panneaux solaires sont de l’ordre de 15%




Document 3 : Lois des circuits électriques


Circuit série

Circuit parallèle



Loi d'additivité
des tensions en série :





Unicité de la tension
en parallèle :





Unicité de l'intensité

du courant en série :





Loi des nœuds

en parallèle :







Document 4 : Caractéristiques d’une cellule photovoltaïque et grandeurs physiques utilisées



  • La puissance électrique (en watt W) fournie par un générateur à un récepteur vaut : P = U  I avec U en V et I en A.
    La puissance maximale PMPP est la puissance la plus élevée que peut délivrer la cellule sous un éclairement de 1000 W/m2.


  • Le rendement est calculé par : où E est l’éclairement (en W.m-2) et S la surface éclairée (en m2).
    L’éclairement est mesuré avec un luxmètre : un éclairement de 100 lux correspond à 1 W.m-2.


  • UMPP et IMPP correspondent respectivement à la tension et l'intensité pour laquelle la puissance est maximale.

  • La tension UCO est la tension pour laquelle I = 0 A, l'intensité ICC est l'intensité pour laquelle U = 0 V.

Remarque : Sur le graphique ci-dessus, les tensions sont notées V et non U, comme c’est généralement le cas en électronique.
Questions liées à l’analyse des documents précédents
Q1. Soit h l’énergie transportée par un photon et E g le « gap » de la bande interdite du silicium. Quelle inégalité doit-il exister entre het E g pour qu’un photon arrache un électron à un atome de silicium ?
Q 2. De quel(s) paramètre(s) peut dépendre l’intensité du courant électrique débité par la cellule photovoltaïque ?
Q 3. La tension en circuit ouvert aux bornes d’une cellule photovoltaïque dépend peu de l’éclairement : elle vaut

0,56 V. L’intensité par unité de surface du courant débité, pour une cellule exposée perpendiculairement à la direction de la lumière, vaut environ 200 A.m-2.

Calculer la puissance électrique par unité de surface, notée PSE, exprimée en W.m-2, fournie par la cellule dans ces conditions.
Q 4. La puissance maximale du rayonnement du Soleil par unité de surface vaut PSSmax = 1000 W.m-2. Calculer le rendement de la cellule et l’exprimer en pourcentage. Comparer la valeur trouvée à celle donnée dans le texte.
Q 5. Un panneau photovoltaïque est constitué de 72 cellules identiques et associées selon les données du doc.2. Chaque cellule a une tension en circuit ouvert UCO et une intensité de court-circuit ICC .Déterminer les valeurs littérales de la tension en circuit ouvert UCO panneau et de l’intensité de court-circuit ICC panneau du panneau.

Partie 2 : Étude expérimentale.
2.1. Caractéristiques et rendement d’une cellule photovoltaïque


  • Réaliser le montage du schéma ci-contre. Le potentiomètre est constitué d’une boîte de décades contre laquelle placer la cellule (aimant au dos), elle est alors inclinée de 45° par rapport à la table.




  • Éclairer la cellule à l’aide de la lampe de bureau et placer cette dernière de telle sorte que l’éclairement soit maximal, à une distance de 30 à 50 cm de la cellule.

  • Mesurer la valeur E de l’éclairement grâce à la sonde du luxmètre connectée à Sysam. Placer la lampe et l’orienter de telle sorte que l’éclairement soit maximal et de l’ordre de 500 lux (« mode permanent » dans Latis Pro). Relever la valeur précise (extrémité de la sonde au niveau de la surface de la cellule) et ne plus déplacer ni lampe ni cellule.

  • Reproduire et compléter les deux premières lignes du tableau ci-dessous et effectuer une douzaine de mesures en modifiant la valeur de R (bouton circulaire sur la boîte de décades). Les deux valeurs limites sont :

    • U = 0 V (alors I = ICC) obtenue en court-circuitant le potentiomètre avec un fil (ou en faisant R = 0)

    • I = 0 mA (alors U = UCO) obtenue en déconnectant le potentiomètre du circuit




I (mA)










.............







0

U (V)

0







.............










P (mW)










.............













  • Entrer les valeurs dans le tableur Régressi et créer (icône Y+) la nouvelle grandeur (« grandeur calculée »)

P = U.I (unité : mW)

  • Tracer la caractéristique intensité-tension : I = f1 (U). Y superposer (« Échelle à droite ») la caractéristique puissance-tension P = f2 (U). Vérifier qu’il y a bien accord avec la courbe du doc.4. Imprimer après validation par le professeur.


Exploitation
Q6. La caractéristique intensité-tension d’un récepteur passe par l’origine du repère, contrairement à celle d’un générateur. Justifier que la cellule photovoltaïque  est bien un générateur.
Q7. Modifier l’éclairement et mesurer les nouvelles valeurs de ICC et UCO. Conclure quant à l’influence de l’éclairement sur ces deux grandeurs.
Q8. Commenter l’allure de la caractéristique puissance-tension.

Q9. Déterminer la valeur maximale Pm de la puissance électrique fournie par la cellule (utiliser les fonctionnalités de Régressi).
Q10. Déterminer la valeur de la surface S de la cellule. L’exprimer en m2.
Q11. Sachant que le rendement de la cellule, dans les conditions de l’expérience, a pour expression : , Pm

s’exprime en W, S la surface de la cellule s’exprime en m2 et l’éclairement E en W.m-2, déterminer sa valeur dans les conditions de l’expérience et vérifier que le résultat est bien du même ordre que celui donné dans le texte (doc.2)

2.2. Relation intensité du courant-éclairement


  • Proposer, en quelques lignes, un protocole permettant d’étudier l’influence de l’éclairement sur la valeur de l’intensité de court-circuit ICC du courant délivré par la cellule.

  • Après validation par le professeur, réaliser le protocole proposé.

  • À l’aide de la représentation graphique appropriée et réalisée avec Régressi, trouver la relation mathématique liant les deux grandeurs ICC et E.



Q12. La relation mathématique trouvée grâce à la modélisation dans Régressi est-elle en accord avec la proposition du doc.1 ?

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FICHE MATERIEL ET PRODUITS

Par poste : prévoir 10 postes (ou selon matériel disponible, en salle ordis)
● cellule photovoltaïque

● 2 multimètres

● boîte de décades

● lampe de bureau

● Sysam

● sonde luxmètre

● fils de connexion (6)

Au bureau :
Matériel :
● mètres ruban

● matériel de secours : quelques multimètres, fils, .......

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