Terminale science de l’ingénieur Lycée George Brassens · Terminale science de l’ingénieur Lycée George Brassens 4 I. Présentation du projet : Nous voulons faire fonctionner

Terminale science de l’ingénieur Lycée George Brassens 1


Sommaire :

I. Présentation du projet : Page 4

II. Le photovoltaïque : Page 5

III. La recherche dans le solaire : Page 5

IV. Mise en œuvre des panneaux :

1. Présentation des panneaux utilisés Page 8

2. Mesures Page 9

3. Exploitation des mesures Page 15

4. Calcul du rendement Page 16

V. Réalisation du projet :

1. Cahier des charges Page 16

2. Mesure de la puissance consommée par l’ordinateur

et le vidéo projecteur Page 16

3. Choix du matériel Page 18

4. Montage et essais Page 20

5. Problèmes rencontrés Page 20

VI. Conclusion : Page 22

VII. Annexe :

1. Le moteur Stirling Page 23

2. Documentation technique Page 25


Présentation générale : Nous sommes un groupe de cinq élèves de terminale scientifique option Sciences de l’Ingénieur au lycée George Brassens de Bagnols sur Cèze dans le département du Gard : - Breton Jim, - Carbonnel Grégory, - Guasch Mari Rémy, - Marboeuf Jeremy, - Maurin Adrian. Les professeurs encadrant notre projet sont : - Mme Bruyère, - M. Agniel.


I. Présentation du projet : Nous voulons faire fonctionner un ordinateur portable et son vidéo projecteur,

librement, sans nous soucier d’un emplacement précis lié aux câbles d’alimentation. Cela entraîne la conception d’une installation avec des batteries rechargeables. Elles seront chargées à l’aide de deux panneaux photovoltaïques. Cette énergie solaire nous est profitable du fait de la situation géographique de notre lycée (voir photo ci-dessous). Elle participe au développement durable sachant que les énergies fossiles vont s’épuiser à plus ou moins court terme (#50ans). De plus, cette énergie ne pollue pas lors de son utilisation, contrairement aux énergies fossiles ! Néanmoins une pollution est engendrée lors de la fabrication des panneaux en silicium.

Bagnols sur Cèze


II. Le photovoltaïque :

Les panneaux solaires photovoltaïques convertissent directement la lumière du soleil en électricité. Ils produisent un courant continu, soit le même courant que produisent les piles et les batteries. On peut convertir le courant continu en courant alternatif au moyen d’un dispositif appelé onduleur. Le photovoltaïque utilise l’énergie des photons de la lumière. Ceux-ci traversent une fine couche de silicium dopée N (semi-conducteur). A la jonction des deux couches de silicium (couche dopée N et couche dopée P), les photons apportent de l’énergie supplémentaire aux électrons du semi-conducteur qui sont arrachés et deviennent libres. Cela permet la création d’un courant dans un circuit extérieur. L’énergie des photons est donc convertie en énergie électrique.

III. La recherche dans le solaire : Visite du centre de recherche PROMES à Odeillo et Perpignan

1. Programme de la journée :

- Départ de Bagnols sur Cèze à 7h00.

- Visite du four solaire d’Odeillo dans les Pyrénées de 11h00 a 13h00.

- Visite du laboratoire PROMES de Perpignan de 16h00 à 18h30.

- Retour à Bagnols sur Cèze.


2. Déroulement des visites :

Dès notre arrivée sur Odeillo, nous avons été pris en charge par une équipe de chercheurs. Ils nous ont présenté :

le moteur solaire Sterling :

Le soleil chauffe une masse de gaz à volume constant et donc pousse un piston, puis on refroidit le gaz pour le détendre. Et ainsi de suite … (fonctionnement détaillé en annexe page 23). Ce moteur qui a été utilisé dans des sous-marins suédois, permettra d’alimenter des zones hors réseau électrique.

le four solaire :

Visite de la salle de commande des 63 héliostats et démonstration ; leur orientation varie automatiquement en fonction de la position du soleil pour renvoyer les rayons sur le grand miroir parabolique.

Visite de la salle d’expérimentation se situant derrière le foyer où tous les

rayons sont concentrés sur un cercle de 80cm de diamètre. Ils obtiennent ainsi une concentration de 8500 soleils (rapport surface parabole/surface disque au foyer), ce qui permet d’atteindre rapidement de très hautes températures et de tester des matériaux pour l’espace, la recherche industrielle ….

Salle de commande

Foyer et salle d’expérimentation

Miroir parabolique


leurs travaux de recherche sur la création d’hydrogène grâce au solaire :

L’objectif de cette recherche est de fournir des réserves d’hydrogène à partir de l’eau, à moindre coût que l’électrolyse afin d’en produire en grosse quantité pour alimenter les futurs moteurs à hydrogène.

leurs travaux sur les cellules photovoltaïques nouvelle génération :

Ce sont des cellules multicouches avec différents semi-conducteurs afin d’utiliser toutes les longueurs d’onde du spectre solaire pour améliorer leur rendement. En effet les cellules en silicium n’utilisent qu’une petite partie du spectre, d’où leur faible rendement.

Nous sommes ensuite descendus sur le laboratoire de Perpignan où le directeur adjoint M. Dollet nous a accueillis et nous a présenté le fonctionnement du laboratoire PROMES (PROcédé, Matériaux et Energie Solaire). Des équipes (44 chercheurs au total) travaillent sur 3 axes :

Interaction haut flux solaires/matière :

Cela permet de déterminer les propriétés de surface et l’interaction avec l’environnement de certains matériaux, comme ceux utilisés pour les boucliers thermiques dans l’espace.

Matériaux pour l’énergie :

Cela permet de synthétiser de nouveaux matériaux pour le transport ionique

(plasmas), le stockage d'énergie, la conversion photovoltaïque, le confinement de déchets nucléaires.

Transformation, stockage et transport d'énergie : Cela permet de capturer et de stocker du CO2, augmenter l'efficacité

énergétique, produire des vecteurs d'énergies (comme l’hydrogène par exemple).

A l'extérieur du laboratoire, M. Dollet nous a montré leur installation photovoltaïque adaptée à l'architecture du bâtiment. Elle comporte des panneaux à différentes inclinaisons et des panneaux verticaux qui alimentent le centre de recherche en électricité, sans renvoi sur le réseau. Un de leurs élèves de thèse nous a présenté son travail sur le transport d'énergie chaud/froid. Son système comporte deux cartouches de gaz : lorsque la vanne est ouverte, le gaz en se libérant, réchauffe l’une et refroidit l’autre ; en refermant cette


même vanne, les deux cartouches reviennent à température ambiante. Après une longue journée, riche en enseignements, nous avons quitté Perpignan pour rejoindre Bagnols sur Cèze. IV. Mise en œuvre des panneaux :

1. Présentation des panneaux utilisés :

Nous avons choisi des panneaux solaires PWX500 de chez PHOTOWATT car

une maquette utilisant ces panneaux est présente dans le laboratoire et nous permettait d’en disposer rapidement. Documentation technique (Voir annexe B page 25)

Nous avons branchés les 2 panneaux en parallèle pour augmenter l’ampérage en gardant la même tension (12V adaptés au onduleur).


2. Mesures des caractéristiques des panneaux :

L’expérimentation a été réalisée avec les 2 panneaux PWX500 montés en parallèle.

Schéma de câblage :

Plusieurs mesures ont été réalisées en extérieur en fonction de l’inclinaison des panneaux par rapport à l’horizontale (0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°) pour déterminer les caractéristiques Up= f (Ip) et Pp=f (Up), et ainsi déterminer le rendement des panneaux :

A

V

Voltmètre mx53c Panneaux solaires Pwx 500

Diode

Potentiomètre 50 Ohm 5A

Ampèremètre mx53c

I1 I2 I1+I2=Ip

Up


Essai 1 :

Le 13-10-06 à 13h00 Bagnols sur Cèze Orientation: Plein sud Inclinaison: 90 ° Temps: soleil Eclairement 68 400 lux

Ipv (A) Vpv (V) Ppv(W) 3,4 0,49 1,666 2,6 14,3 37,18

2,335 15,6 36,426 1,938 16,719 32,401422 1,474 17,63 25,98662 1,055 18,25 19,25375 0,872 18,436 16,076192 0,77 18,535 14,27195 0,692 18,606 12,875352 0,586 18,683 10,948238 0,503 18,765 9,438795 0,429 18,83 8,07807 0,36 18,888 6,79968

Essai 2 :

Le 13-10-06 à 13h10 Bagnols sur Cèze Orientation: plein sud

Inclinaison: 75°

Temps: beau

Eclairement 87500 lux

Ipv (A) Vpv (V) Ppv(W) 4,854 0,5409 2,6255286 4,413 8,212 36,239556 4,01 14,658 58,77858 2,925 16,878 49,36815 2,145 17,705 37,977225 1,553 18,221 28,297213 1,328 18,375 24,402 1,056 18,563 19,602528 0,788 18,757 14,780516 0,702 18,812 13,206024 0,644 18,845 12,13618 0,53 18,918 10,02654

0,364 19,035 6,92874


Essai 3 :


Inclinaison: 60°

Temps: beau


Ipv (A) Vpv (V) Ppv(W) 3,551 0,476 1,690276 3,213 16,846 54,126198 1,945 17,985 34,980825 1,254 18,476 23,168904 1,024 18,63 19,07712 0,842 18,748 15,785816 0,718 18,823 13,514914 0,622 18,87 11,73714 0,531 18,917 10,044927 0,5 18,927 9,4635 0,465 18,938 8,80617 0,419 18,968 7,947592

Essai 4 :


Inclinaison: 45°

Temps: beau

Eclairement 105 500 lux

Ipv (A) Vpv (V) Ppv(W) 5,478 0,783 4,289274 3,912 16,103 62,994936 2,384 17,58 41,91072 1,84 17,986 33,09424 1,237 18,391 22,749667 0,962 18,573 17,867226 0,787 18,675 14,697225 0,608 18,784 11,420672 0,53 18,83 9,9799 0,496 18,84 9,34464 0,453 18,844 8,536332 0,406 18,848 7,652288 0,36 18,865 6,7914


Courbes récapitulatives :

Intensité fournie par les panneaux en fonction de la tension et de l’inclinaison des panneaux :

Ipv=f(Vpv)

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Vpv[V]

Ipv[

A]

essai 1

essai 2

essai 3

essai 4

Puissance fournie par les panneaux en fonction de la tension et de l’inclinaison des panneaux :

Ppv=f(Vpv)

010203040506070

0 5 10 15 20

Vpv[V]

Pp

v[W

]

essai 1

essai 2

essai3

essai 4


Essai 1 :

Le 13-10-06 à 13 h 25 Bagnols sur Cèze Orientation: plein sud

Inclinaison: 30 °

Temps: soleil

Eclairement 105800 lux Ipv (A) Vpv (V) Ppv(W) 5,491 0,803 4,409273 4,55 14,931 67,93605 2,978 16,908 50,352024 2,131 17,598 37,501338 1,289 18,204 23,464956 0,967 18,413 17,805371 0,788 18,523 14,596124 0,686 18,563 12,734218 0,589 18,633 10,974837 0,537 18,659 10,019883 0,48 18,684 8,96832 0,442 18,704 8,267168 0,358 18,739 6,708562

Essai 2 : Le 13-10-06 à 13 h 30 Bagnols sur Cèze Orientation: plein sud

Inclinaison: 15°

Temps: soleil


Ipv (A) Vpv (V) Ppv(W) 5,147 0,745 3,834515 4,127 15,036 62,053572 2,442 17,073 41,692266 1,486 17,831 26,496866 0,948 18,208 17,261184 0,763 18,32 13,97816 0,56 18,478 10,34768 0,538 18,493 9,949234 0,497 18,529 9,208913 0,465 18,55 8,62575 0,433 18,57 8,04081 0,396 18,594 7,363224

0,356 18,62 6,62872


Essai 4 :

Le 13-10-06 à 13 h 35 Bagnols sur Cèze Orientation: plein sud

Inclinaison: 0°

Temps: soleil

Eclairement 105800 lux Ipv (A) Vpv (V) Ppv(W) 4,505 0,647 2,914735 3,161 15,912 50,297832 2 17,16 34,32 1,35 17,71 23,9085 1,057 17,938 18,960466 0,83 18,113 15,03379 0,67 18,231 12,21477 0,591 18,289 10,808799 0,515 18,336 9,44304 0,476 18,387 8,752212 0,406 18,427 7,481362 0,373 18,456 6,884088

0,353 18,47 6,51991

Courbes récapitulatives :

Intensité fournie par les panneaux en fonction de la tension et de l’inclinaison des panneaux :

Ipv=f(Vpv)

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Vpv[V]

Ipv[

A]

essai 1essai 2essai 3essai 4


Puissance fournie par les panneaux en fonction de la tension et de l’inclinaison des panneaux :

Ppv=f(Vpv)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20Vpv[V]

Pp

v[W

] essai 1essai 2essai3essai 4

3. Exploitation des courbes Les différentes courbes nous permettent de choisir la meilleure inclinaison des panneaux en fonction de la puissance maximale et de la latitude de Bagnols sur Cèze (Donnée point GPS : 44°09’48’’ Nord ; 4°37’14’’ Est).

Inclinaison Puissance maximale 0° 50.28 W 15° 62.05 W 30° 67.94 W 45° 63 W 60° 54.13 W 75° 58.78 W 90° 32.4 W

A la vue des puissances maximales obtenues et de la latitude de Bagnols sur

Cèze, l’inclinaison choisie est de 45°.


4. Calcul du rendement à la position 45°:

L’intensité lumineuse reçue est mesurée en lux. On sait que 100 000 lux = 994 W/m².

On prend l’inclinaison à 45° car on a pu s’apercevoir que c’était avec cette inclinaison qu’on obtenait une des plus grandes puissances de sortie (63W), les mesures ont été effectuées à 105 500 lux. Conversion en W/m² : (105 500 x 994) / 100 000=1 047 W/m² Nos panneaux ayant une superficie de 0.75m², on obtient une puissance lumineuse reçue par les panneaux notée Pr. Pr = 1 047 x 0.75 = 776 W On peut calculer le rendement : Rendement = Pmax / Pr = 63 / 776 = 8,10 %

V. Réalisation du projet : 1. Cahier des charges :

Nous voulons disposer d’une source d’énergie électrique 230V/50Hz pour alimenter un ordinateur portable et un vidéo projecteur à raison de 2 h d’utilisation journalière. Par ailleurs nous souhaitons avoir un dispositif de recharge des batteries à l’aide de panneaux solaires.

2. Mesure de la puissance consommée par l’ordinateur et le vidéo projecteur :

Nous avons utilisé le matériel suivant : -Rétroprojecteur EMPS3 Epson, -Un ordinateur portable.

Nous avons réalisé la mesure de la puissance consommée par ces 2 appareils à l’aide d’un wattmètre branché sur le cordon d’une multiprise qui alimente ensuite le dispositif.


Valeurs relevées: Puissance Consommée 210 W Intensité Consommée 1.05 A Tension 226 V Ces relevés vont nous permettre de dimensionner les autres matériels nécessaires à notre projet.

Ordinateur ayant servi aux mesures

Vidéo projecteur ayant servi aux mesures

Wattmètre ayant servi aux mesures


3. Choix des matériels :

- choix de l’onduleur

L’onduleur convertit la tension continue de 12V issue de la batterie en tension alternative 230V permettant à l’ordinateur et au vidéo projecteur de fonctionner. La puissance consommée étant de 210W, l’onduleur nécessaire pour alimenter l’ordinateur et le vidéo projecteur doit avoir une puissance supérieure à celle-ci. Choix : réf onduleur : EPC-12-0300 12V 300W

- choix batteries Besoin : 210W Temps d’utilisation : 2h/jour Durée d’une batterie : 1 jour Une batterie doit donc fournir 210 x 2 = 420 Wh. Capacité nécessaire sachant que la batterie délivre 12V : Q = E/U = 420/12 = 35 Ah. Pour un fonctionnement optimal, la batterie ne doit pas être déchargée à 100%, mais à 80% maximum donc 35Ah représente 80% de la batterie. Donc il faut une batterie de capacité minimale : Q= (100x35)/80 = 44 Ah. On choisit donc 2 batteries de 60 Ah que l’on commande chez CONRAD. Calcul du temps de charge : Nous cherchons à déterminer le temps de recharge d’une batterie. En un jour, la batterie est déchargée de 35 Ah : (puissance consommée 210x2 (h/jour) =420Wh, 420/12(tension batterie)=35Ah ) Il faut donc recharger la batterie de 35Ah. Les panneaux fournissent Pmax = 63 W La batterie est alimentée sous 12V, donc les panneaux fournissent une intensité I : I = 63/12 = 5.25 A On calcule ainsi le temps nécessaire pour fournir 35Ah t = 35/5.2 = 6.7 h


Nous n’avons pas tenu compte du rendement du régulateur, il en résulterait un temps de charge un peu plus long.

Nous avons le choix entre des batteries au plomb ou des batteries solaires. Nous avons choisi, et c’est logique, deux batteries solaires. Il y a 2 raisons à ce choix. La première est la composition des batteries en elle même car une batterie solaire contient un électrolyte gélifié, ce qui l’empêche de geler, et elle n’a pas besoin d’entretien.

La deuxième raison est que les conditions typiques d’utilisation d’une batterie solaire sont très différentes de celles d’une batterie de démarrage. La batterie à décharge profonde (ou batterie solaire) oscille lentement entre des niveaux de pleine charge et de décharge maximale admissible tandis que la batterie de démarrage est rechargée immédiatement après utilisation par l’alternateur. Les plaques (électrodes) de la batterie à décharge profonde sont plus épaisses que celles de la batterie de démarrage et sont fabriquées dans un alliage plus dense et plus élaboré. Leur surface sont aussi plus réduites, elles ne peuvent donc pas produire de forts courants instantanément ; ce qui justifie l’interdiction d’utiliser même occasionnellement une batterie stationnaire pour démarrer le moteur d’un véhicule (risque de détérioration dès la première utilisation). Les plaques (toujours planes et minces) d’une batterie de démarrage se dégradent à une vitesse impressionnante si elles sont soumises à des décharges profondes. Cette batterie subit des dommages dès que la décharge atteint 50% de la capacité nominale, c’est pourquoi elles ne conviennent pas aux systèmes photovoltaïques.

- choix du régulateur Réf : Régulateur solaire 12/24V 6.3A 98/88/35mm 120g Le rôle du régulateur est de protéger la batterie contre les décharges profondes et les surcharges de celle-ci. On a choisi ce régulateur car son ampérage est idéal dans notre situation. Il possède un témoin de contrôle à DEL, et son courant de charge maximum est de 6,3A. Grâce à ce régulateur solaire la batterie reste en fonctionnement jusqu'à atteindre un seuil d’arrêt de décharge profonde. Pour les calculs, voir précédemment.

- choix connectique

Nous avions besoin de câbles pour connecter la batterie et le régulateur solaire. Grâce à la section et à la longueur de câble correctes, un minimum de pertes de puissance est garanti. Longueur de câble 2 x 1.5 m Accessoires divers : colliers, connecteurs rapides.


4. Montage et essai

On câble les panneaux solaires au régulateur puis celui-ci à la batterie afin de la recharger. Une fois chargée, nous la branchons à l’onduleur par l’intermédiaire du régulateur afin de faire fonctionner le vidéo projecteur avec et l’ordinateur : ça marche …ou presque !

5. Résolution des problèmes rencontrés

Au cours des essais, l’onduleur s’est mis en alarme. Après vérification dans la documentation, celui-ci se met en alarme quand la tension de la batterie devient inférieure à 10.5 V. Nous avons effectué des mesures de tension et d’intensité côté continu : Intensité ( A ) Tension (V ) Puissance (W ) Vidéoprojecteur 20 12 230 Ordinateur portable 7 12 80 Total 27 12 310 -REGULATEUR : On a une puissance de 310 W côté continu. Ce qui donne une intensité de 26 A. Donc un régulateur ayant un calibre d’au moins 26 A sera nécessaire lors de la décharge de la batterie. Référence du matériel choisi : régulateur série SC sans afficheur et sans interface 30 A. -ONDULEUR : Cette puissance côté continu nous permet de déterminer le rendement de l’onduleur.

Onduleur Pentrée=310 W Psortie=230 W

η = 230 ÷ 310 = 0.74 ≈ 74 %

Ce rendement trouvé est infèrieur au rendement théorique de plus de 90% annoncé par le constructeur. Ce qui augmente l’intensité demandée côté continu.


-BAISSE DE TENSION BATTERIE : Le modèle électrique de la batterie est le suivant :

R U batterie E D’après les caractéristiques techniques, la capacité réelle pour une heure de fonctionnement est de 30 Ah. Ce qui nous permet de calculer la résistance R interne de notre batterie. On pose : E = 12 V ; Ubatterie = 10.5 V ; I=30 A d’où R = (E - Ubatterie) ÷ I = (12 - 10.5) ÷ 30 = 0.05 Ω Vérification de la tension batterie avec le courant total absorbé par notre dispositif : Ubatterie = E – RI = 12 - (27×0.05) = 10.65 V Ceci est un calcul théorique mais qui est proche de 10.5 V obtenu en pratique d’où la mise en défaut de l’onduleur. -CONCLUSION : On peut conclure que si le courant côté continu est trop élevé la tension batterie chute et devient trop faible pour l’onduleur. Solutions envisagées : - baisser la consommation de notre dispositif ( ce qui est en désaccord avec nos besoins ). - augmenter la capacité batterie ( mais problème de poids pour la mobilité et le coût ). - utiliser nos deux batteries en parallèle pour fournir une intensité plus élevée en restant à 12 V.


Nos problèmes provenaient de la partie continue qui a été négligée au départ du fait d’un défaut d’information au niveau du matériel utilisé. La solution envisagée ne permettra pas l’utilisation de notre dispositif tous les jours.

VI. Conclusion :

Les élèves de Terminale Scientifique avec option sciences de l’ingénieur ont une

épreuve au bac nommée PPE (projet pluridisciplinaire encadré). Nous avons choisi de continuer notre projet dans le cadre de ces PPE en concevant et réalisant des supports pour les panneaux solaires que nous disposerons sur le toit du laboratoire des sciences de notre lycée. Si ce système donne satisfaction il sera développé dans d’autres bâtiments de notre lycée, notamment sur les futurs ateliers.


VII. Annexes :

A- Le moteur Stirling : Une masse de gaz évolue en circuit fermé dans un ou plusieurs cylindres (étanches). Au cour du cycle moteur elle subit d’abord une compression isotherme. Chauffés à volume constant elle se détend iso thermiquement au cour de la phase suivante en repoussant le piston auquel elle fournit le travail moteur. Enfin elle se refroidit à valeur constante, et le cycle recommence. L’énergie calorifique qui sert à échauffer la masse gazeuse est fournie par la chambre de combustion interne indépendante, est transmise par l’échangeur qui en récupère une partie au cour de la 4e phase. On peut théoriquement employer n’importe quel combustible. - avantages : Peu polluant, peu bruyant et consommation plus faible ( # 30% ). - inconvénients : Encombrement, cependant Philips a pu loger un moteur de 17 ch. dans une boite de 30 cm de côté.


Circuit d’eau froide

Arrivé de l’hydrogène sous pression

Piston


B- Documentation technique des panneaux solaires



Documents

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