SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME Représente la chaîne directe de la conversion de lénergie...
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SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME
Représente la chaîne directe de la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique utilisable avec en indication la nature des grandeurs électriques
Ce n’est pas un schéma fonctionnel ou de raccordement
alimentations électriques faibles puissances
Les alimentations électriques faibles telles que les calculettes ou les chargeurs de piles.
Des modules PV peuvent faire fonctionner n'importe quel appareil alimenté par des piles.
CE NE SONT PAS…
installations électriques photovoltaïques raccordées au réseau, bien que l’on s’en approche et qui peut constituer une extension du sujet
ENVISAGER DES EXPLORATIONS
SUPPLEMENTAIRES ?
Inventaire des problèmes :
le rayonnement est variable (météo, nuit) ; ce n’est pas une grandeur stationnaire !
les besoins sont en journée et la nuit
les batteries se justifient complètement ; INDISPENSABLES
mais les batteries : durée de vie limitée, encombrement, recyclage difficile et polluant, précautions d’emploi sous peine de danger et de réduction de sa durée de vie.
certains appareils sont conçus pour être alimenté en DC mais d’autres (la plupart) demandent une alimentation en AC…et pour certains, de bonne qualité.
SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME
RESSOURCE PROPRE INEPUISABLE
INTERMITTANTE
CHANGER DE MODE DE VIE ?
POUR LA NUIT ?
ELEMENT POLLUANT DU SOLAIRE
POURQUOI NE PAS BASCULER EN DC ?
UN SCHEMA PLUS COMPLET…
source : Hespul
Énergie solaire
Double flèche
Simple flèche
Simple flèche
VocabulaireLiaisons
Sens de transfertUtilisation
L’onduleur n’est pas représenté connecté à la
batterie mais au régulateur…
…voir les documentations techniques des constructeurs…
UN SCHEMA PLUS COMPLET…
IMPOSSIBILITE DE TRAVAILLER SUR UN SYSTEME A FORTES PUISSANCES PRENDRE UN « BON »
MODELE AVEC UN SYSTEME REDUIT
BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS ESSENTIELS…QUE L’ON DOIT RETROUVER
DANS LE SYSTEME REDUIT
EST-IL FIABLE ?Que signifient les flèches de liaison ?
Est-ce les « bonnes liaisons » ?
Où sont les protections des appareils ou des usagers ?
Est-ce le bon vocabulaire : scientifique, technique, commercial ?
BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS ESSENTIELS…QUE L’ON RETROUVE DANS LE
MODELE OU LA MAQUETTE
Énergie solaire et rayonnement solaire
Champ photovoltaïque ou panneau(x) solaire(s)
Régulateur.
Batterie d’accumulateurs.
Onduleur.
Récepteurs (équipements domestiques).
Pas d’entrée onduleur : celui-ci se branche sur la batterie
La batterie se branche sur le régulateur (polarisation)
Sortie pour appareils alimentés en DC
BATTERIE
PANNEAUX
APP. DC
Utilisation de matériels professionnels et de la documentation du constructeur
qui induisent du questionnement…
POUR PARVENIR A CES CONCLUSIONS
Les panneaux ne sont pas connectés directement aux charges : A JUSTIFIER
L’appareil qui permet la connexion des panneaux aux applications est le régulateur.
Il assure une « adaptation de puissance ».
La batterie, indispensable pour fournir et stoker l’énergie est connectée au régulateur ; c’est elle qui fournit la
puissance aux appareils : A JUSTIFIER
Conclusion : Les panneaux servent à recharger la batterie et ne fournissent généralement pas la puissance
aux charges.
L’onduleur ne fait que transformer la nature du signal électrique : A MONTRER.
CAR LE BUT N’EST PAS DE FORMER DES TECHNICIENS EN INSTALLATION MAIS DES CITOYENS
AVEC UNE BONNE CULTURE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE QUI LEUR PERMETTRA
EVENTUELLEMENT DE S’ADAPTER A UNE FORMATION PROFFESSIONNELLE
PRENDRE UN SYSTEME REDUIT MAIS CREDIBLE QUI INTEGRE NEANMOINS LES FONCTIONS
ESSENTIELLES DU SYSTEME INITIAL
CONFRONTER PAR UNE VISITE DU SITE REEL LES EXPLOITATIONS PEDAGOGIQUES POUR
COMPLETER
TROUVER UN MODELE FIABLE…
CE N’EST PAS UN TRAVAIL DE CONCEPTION QUE L’ON DEMANDE AUX ELEVES MAIS UN TRAVAIL
D’ANALYSE A PARTIR D’UN SYSTEME REEL.
ASSEMBLER DES ELEMENTS « GRAND PUBLIC » REELS POUR REALISER UNE CHAINE PEDAGOGIQUE
PERMETTANT DE FAIRE DES ESSAIS ET DES MESURES
en toute sécurité pour le matériel : c’est du matériel professionnel avec des protections intégrées
en toute sécurité pour l’expérimentateur : on reste en TBT sauf en sortie de l’onduleur…)
avec des appareils de mesures de lycée
CHOIX DU MODELE REDUIT …
Régulateur de charge solaire 12 V – 30 A
(Tension de charge de la batterie)
Coffret panneaux solaires 13 W derrière un vitrage !!
Convertisseurs DC AC
300 W
QUEL MATERIEL CHOISIR ?
Et tenir compte de la disponibilité des stocks, du coût…
Les panneaux solaires
Consulter de la documentation en ligne et constater les divergence de vocabulaire, des spécifications, des valeurs tests, des conditions d’utilisations…
Exploiter de la documentation constructeur par les élèves…
Les régulateurs (« solaires »)
Les batteries (« solaires »)
Les convertisseurs DC/ AC
DIMENSIONNEMENT
Charges coté alternatif On disposait de charges alternative sous 230 V en 60 W.
P = 300 W (S = 300 VA) U = 230 V - I = 1,7 A si trop faible délicat à mesurer avec pince ampère-metrique. Choix d’un convertisseur 300 W donc sous 12 VDC cela fait 25 A !
Applications coté continu : moteur DC 12 V – 2 A, ampoule 12 V – 20 W
Choix du régulateur : sortie 12 V et sortie 30 A (25 A dc batterie et 2 A dc autre)
Batterie : accu. plomb avec C = 7,6 Ah soit 0,76 A durant 10 h.
Ub = 12 V - Ib = 25 A maxi section des fils ; batterie non spécialisée
Donc sortie régulateur 12 V mais 30 A au moins ;
Dimensionnement des panneaux : pourquoi pas 300 W ?
Encombrement – compréhension de la chaîne nécessaire pour rôle des panneaux
Pourquoi 13 W et pas 80 W pour montrer au moins la possibilité de pouvoir alimenter les charges par « liaison directe » en cas de condition d’éclairement optimale ? Disponibilité – prix.
Cette approche doit être également prise en compte par les élèves : elle
est centrale car elle permet de bien saisir les distinctions entre l’énergie,
la puissance, l’autonomie, les approches globales et moyenne, les
maximums…
La « maquette » est un bon compromis.
Qui permet néanmoins de montrer :
La différence entre énergie et puissance
Montrer les limites du système
Montrer le rôle des blocs fondamentaux
Montrer le rôle centrale et la gestion de la batterie
Montrer les différentes formes de puissance électrique (DC ou AC)
Montrer les caractéristiques des appareils, les valeurs optimales les différences entre le vocabulaire technique et commercial
DIMENSIONNEMENT ?
Charges à courant continu sous 12 ou 24 V: moteurs, éclairage...
Soleil et rayonnement
solaire à travers l’atmosphère
Panneau solaire ou panneau photovoltaïque PV
Régulateur « de charge solaire » avec sortie DC en 12 ou 24 V
Batterie « solaire »
Convertisseur de tension ou inverseur ou onduleur DC/AC
Charges à alternatif : moteurs des appareils électroménagers,
éclairage...sous 230 V AC – 50 Hz
…POUR REMPLIR DES EXIGENCES DU PROGRAMME STL-ST2D ET COUVRIR
L’EXEMPLE 1 DE L’ENSEIGNEMENT DE SPECIALITE DE SCIENCES PHYSIQUES ET
CHIMIQUES EN LABORATOIRE PARTIE SYSTEMES ET PROCEDES
Intitulé : Production autonome d'électricitéSystème étudié : installation photovoltaïque.
UN DISPOSITIF DIDACTIQUE ADAPTE…
Entrée : Sortie :
Rayonnement solaire Puissance électrique
Besoins : alimentation autonome en électricité
Fonctions Notions et contenus des programmes Notions et contenus complémentaires
Capture de l'énergie solaire Coefficient de transmission énergétique Matériaux
Conversion de l'énergie solaire en énergie électrique
Spectre de la lumière du soleil, longueur d'onde Énergie et puissance électriques
Caractéristique d'un générateur
Effet photovoltaïqueInteraction rayonnement matière Énergie d'un photon Conversion photovoltaïque Mesure de flux lumineux Photo détecteurs
Stockage de l'énergie Transformations chimiques et transformation d'énergie électrique Piles, accumulateurs, piles à combustibles
Régulation de la puissance fournie à la batterie par la cellule
Loi des nœuds et lois des mailles Régulation
Conversion statique de l'énergie électrique (continu alternatif)
Énergie et puissance électrique Bilan énergétique
Convertisseurs statiques
Surveillance et mise en sécurité de la batterie
Chaîne de mesure
Exemple 1 : production autonome d'électricitéSystème étudié : installation photovoltaïque
ONDULEUR
REGULATEUR
BATTERIE
PANNEAU SOLAIRE OU
PHOTOVOLTAIQUE
Dimensionnement reste crédible
Pas de protections des systèmes (disjonction DC et AC, parafoudre…) ou des usagers (prise de terre ?)
Essais aléatoires : ensoleillement (saison) ; dans la salle de TP, derrière un vitrage, c’est moins direct qu’en extérieur…
Batterie de plus faible capacité donc autonomie réduite à moins d’investir dans des batteries spéciales dites
« solaires »
Coûts d’investissement plus élevés si on souhaite comparer différentes techniques ou technologie : exemple du
régulateur (PWM, MPPT), convertisseurs DC/AC ou à « sinusoïde modifiée » ou onduleur dit sinus pur
AVOIR A L’ESPRIT LES LIMITES DU MODELE ET LES MOYENS DU LABORATOIRE…
IDENTIFIER par une première approche globale les principales caractéristiques du système :
- fonction(s) globale(s) réalisée(s) ;- grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ;- principales performances attendues ;- dimensions économique et sociétale.
ENERGIE SOLAIRE
ENVIRONNEMENT
Régulateur
ConvertisseursDC / ACOnduleur
Appareils Électriques
AC
Appareils Électriques
DCÉnergie électrique
Pertes (chaleur)
Énergie « Utile »
Énergie « Utile »
Énergie rayonnant
Batteries
Panneaux Solaires
ENVIRONNEMENT
Pertes (chaleur)
ENVIRONNEMENT
Pertes (chaleur)
fonction(s) globale(s) réalisée(s) ;
grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ;
Bilan de conversion et bilan d’énergie
Régulateur
Batteries
ENERGIE SOLAIRE
ENVIRONNEMENT
ConvertisseursDC / ACOnduleur
Appareils Électriques
AC
Appareils Électriques
DCPuissance électrique
Pertes (chaleur)
Puissance « Utile »
Puissance rayonnant ou flux
Panneaux Solaires
ENVIRONNEMENT
Pertes (chaleur)
ENVIRONNEMENT
Pertes (chaleur)
Puissance instantanée conditions :
jour et excel. éclairement
Puissance « Utile »
13 W
200 W50 W
10 W
210 W
42 W
5 W
Et pendant combien de temps ?
Donc les schémas suivants sont faux et dangereux !!
Ils laissent penser que la conversion est directe et suffisante en puissance.
Pertes (chaleur)
80 W
ETOILES , NUAGES ?ENVIRONNEMENT
Régulateur
ConvertisseursDC / ACOnduleur
Appareils Électriques
AC
Appareils Électriques
DCPuissance électrique
Puissance « Utile »
Puissance rayonnant ou flux
Batteries
Panneaux Solaires
ENVIRONNEMENT
Pertes (chaleur)
ENVIRONNEMENT
Puissance instantanée conditions nuit ou
éclairement très faible
Puissance « Utile »
12 W
2 W
14 W
5 W
85 W
Combien de temps ? AUTONOMIE
Recharge de la batterie
ENVIRONNEMENT
ENERGIE SOLAIRE
ENVIRONNEMENT
Régulateur
ConvertisseursDC / ACOnduleur
Appareils Électriques
AC
Appareils Électriques
DCPuissance électrique
Pertes (chaleur)
Puissance rayonnant ou flux
Batteries
Panneaux Solaires
ENVIRONNEMENT Pertes (chaleur)
Puissance Chimique
13 W
11 W
2 W
Puissance instantanée conditions :
jour et excel. éclairement et pas de
consommation
QUEL TRAVAIL AVEC LES ELEVES ?
Puissance électrique
Courant quelle forme ?
Tension (quelle forme ?)
Caractéristique électrique
Paramètres influents
Comment s’effectue la conversion ?
Rendement ?
Peut-on la quantifier ?
LE PANNEAU SOLAIRE
ENERGIE SOLAIRE
Panneaux Solaires
ENVIRONNEMENT
Pertes
Énergie électrique Régulateur
Pourquoi faut-il le régulateur ?
Quel point de fonctionnement ?
MESURES – ESSAIS OBSERVATIONS
ETUDE DE DOCUMENTS
ENVIRONNEMENT
LA BATTERIE :
RESERVOIR D’ENERGIE ET SOURCE DE PUISSANCE
Énergie chimique
Pertes
RégulateurÉnergie
électrique Batteries
Comment s’opère la conversion ?Comment régule-t-il ?
Énergie chimique
Pertes
Régulateur BatteriesÉnergie
électrique
Courant quelle forme ?
Comment s’opère la conversion ?
ESSAIS et OBSERVATIONS
Combien de temps ?
ENVIRONNEMENT
LA CONVERSION DC/AC :
ENVIRONNEMENT
ConvertisseursDC / ACOnduleur
Appareils Électriques
AC
Courant et tension DC ?
Pertes
Mécanique
Énergie chimique Batteries
Énergie électrique
Énergie électrique
Courant et tension AC ?
Lumineuse
Électronique
OBSERVATION ET MESURE ET BILAN DE
PUISSANCE