Série D'exercices N°3 LPESE - M.PV: Systèmes Photovoltaïques [PDF]

Zitiervorschau

Série d’exercices N°3 LPESE – M.PV Systèmes photovoltaïques Exercice 1 : Un panneau solaire est composé de cellules photovoltaïques permettant de transformer l’énergie fournie par le soleil. Chaque cellule a une puissance P égale à 1,2 W et une tension nominale U égale à 0,48 V. 1. Calculer l’intensité maximale fournie par cette cellule. 2. Les panneaux solaires sont composés de cellules photovoltaïques montées en série pour obtenir une tension nominale de 12V. Calculer le nombre de cellules de tension nominale 0,48V nécessaires pour obtenir un panneau solaire de tension nominale 12V. 3. Dans la plupart des cas, les panneaux solaires servent à recharger une batterie qui permet d’alimenter des appareils électriques. Le schéma ci-dessous représente la chaîne énergétique de la charge de la batterie par les panneaux solaires. Compléter le schéma en choisissant parmi les propositions suivantes :  Énergie thermique  Turbine  Énergie chimique  Lampe  Panneaux photovoltaïques  Énergie mécanique  Soleil  Fils

Le panneau solaire est de forme rectangulaire. Il a les dimensions suivantes : 427 mm × 633 mm correspondant à une aire de surface 0,27 m². 4. Calculer la puissance absorbée par le panneau solaire. 5. Calculer le rendement du panneau solaire s’il fournit une puissance égale à 30 W Exercice 2 Une batterie de cellules photovoltaïques a une surface réceptrice de 8 m². Son taux de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique est de 15 %. Le rayonnement solaire apporte en moyenne, chaque seconde, 1 kJ/m². Elle fonctionne 10 heures par jour. 1. Calculer l’énergie solaire reçue en une journée par la batterie lors de son fonctionnement. 2. En déduire l’énergie électrique fournie en une journée par la batterie de cellules.

Exercice 3 : Dimensionnement des batteries. La production d'énergie par panneau photovoltaïque ne peut se faire que dans la journée et par beau temps alors que les besoins en énergie restent bien présents la nuit ou par mauvais temps. Il est donc nécessaire de stocker de l'énergie avec pour contrainte imposée de pouvoir fonctionner environ quatre jours sur la réserve. L'énergie nécessaire est stockée dans un parc de batteries, assemblées de telle façon que la tension disponible soit de 24 V continu. A.2.1. Calculer, en Wh, l'énergie stockée Estockée nécessaire au fonctionnement souhaité. A.2.2. Pour des raisons liées à la technologie des accumulateurs, l'énergie emmagasinée dans une batterie ne peut être utilisée entièrement. Le modèle de batterie présent sur le site est caractérisé par une profondeur de décharge de 70% (seuls 70% de l'énergie emmagasinée peuvent être restitués). Calculer l'énergie Ebatterie qui doit être accumulée dans la batterie pour garantir le fonctionnement souhaité. A.2.3. Les caractéristiques des batteries sont données pour une température ambiante de 20 ° C. La courbe suivante illustre la variation de la capacité Q de la batterie en fonction de la température ambiante. La capacité est de 100 % à 20° C.

A.2.3.1. Montrer par une analyse dimensionnelle que Ebatterie= Q.U avec Q la capacité de la batterie (exprimée en A.h) et U la tension aux bornes de la batterie. A.2.3.2. L'installation étant alimentée sous 24 V, calculer en Ah la capacité Q du parc de batteries pour que le site fonctionne normalement pendant une durée de quatre jours et à température moyenne de -10 ° C. A.2.4. Le parc de batteries est constitué d'éléments de 12 V - 100 Ah. Calculer le nombre d'éléments nécessaires et représenter sur le document réponse n° 1 le schéma de câblage de leur association. Exercice 4 : Chaque panneau solaire est assimilé à une source de courant. Afin d'optimiser la puissance fournie par le panneau solaire, on maintient à ses bornes la tension UP égale à 17,5V. A.2.1 - Exprimer UC en fonction de UP puis IC en fonction de IP.

A.2.2 - Le hacheur parallèle maintient la tension aux bornes du capteur solaire égale à UC = 192,5 V. Justifier le choix de cette valeur. A.2.3 - Exprimer la puissance PC délivrée par le capteur solaire en fonction de UC et de IC. Pour UP = 17,5V tracer la caractéristique IP en fonction de l'éclairement E exprimé en W.m -2 sur le document réponse 1. En déduire que pour cette même valeur de UP, la puissance délivrée est PC = 1,44.E A.2.4 - Calculer la surface totale SC du capteur solaire. Exprimer la puissance lumineuse reçue Plum en fonction de l'éclairement E. En déduire le rendement énergétique du capteur solaire. Annexe 2 - Capteur solaire Schéma de montage du capteur solaire Le capteur solaire est constitué de 33 panneaux élémentaires de dimensions 1m x 0,4 m interconnectés comme représenté sur le schéma cicontre.

Caractéristiques électriques des panneaux solaires en fonction de l'éclairement La caractéristique électrique de chaque panneau solaire dépend de l'ensoleillement E exprimé en W.m-2. Les points sur les caractéristiques électriques identifient les points de fonctionnement correspondant à une puissance maximale pour chaque valeur de l'ensoleillement.

Ensoleillement en fonction de l'heure au cours d'une journée type

Exercice 5 : Énergie solaire et ensoleillement Un panneau solaire à usage domestique de 5 m de longueur et de 4 m de hauteur est installé sur la toiture d’une maison située à une latitude de 32° Nord et une longitude de 20° Est. Le toit de la construction est orienté vers le Sud-Ouest et incliné par rapport à la normale verticale de 35°. Durant la journée du 22 Décembre et à 13h TSV l’appareillage de mesure enregistre un rayonnement global horizontal de 230W/m². Le coefficient d’insolation est situé aux alentours de 0.2 et celui d’albédo est de 0.7 1. Quelle est la situation orbitale de la terre par rapport au soleil, démontrer votre réponse ; 2. Calculer le rayonnement diffus reçu ; 3. Calculer le rayonnement direct reçu ; 4. Evaluer le rayonnement global absorbé par le panneau et commenter les résultats obtenus ; 5. Quelle est l’heure de début et celle de la fin d’absorption ; 6. Quelle est la durée maximale d’absorption pour cette journée. Exercice 6 : Une cellule photovoltaïque de surface 30 cm² est soumise à un rayonnement d’éclairement énergétique E = 800 W.m-2. On admettra que la lumière qui arrive sur cette cellule est quasimonochromatique et de longueur d’onde λ = 550 nm. 1. Déterminer l’énergie d’un photon en Joules. 2. Calculer le nombre de photons reçus par la cellule chaque seconde. Données : c = 3.00 108 m.s-1 ; h = 6.63 10-34 J.s . Exercice 7 : Les cellules photovoltaïques actuelles ne fonctionnent pas avec tout le spectre visible de la lumière. Elles emploient, principalement les radiations autour du vert et du bleu. 1. Déterminer les fréquences des photons associés aux longueurs d’ondes suivantes : λ1 = 440 nm (bleu) et λ2 = 0.510 μm (vert). 2. Calculer les énergies, en Joule et en électronvolt associées à ces photons. Données : c = 3.00 108 m.s-1 ; h = 6.63 10-34 J.s ; 1 eV = 1.6 10-19J Exercice 8 : Un panneau solaire a une puissance crête de 100 W lorsqu’il reçoit un éclairement énergétique E = 1000 W.m-2. Il est constitué de cellules photovoltaïques branchées à la fois en série et en dérivation. Dans chaque branche les cellules sont associées en série, et les différentes branches sont montées en dérivation. La tension aux bornes du panneau vaut 40V et chaque cellule délivre une tension de 0.5V et un courant de 500 mA. 1. Quel est le nombre de cellules dans une branche ? 2. Quelle est l’intensité du courant débitée par le panneau ? En déduire le nombre de branches du panneau. 3. Déterminer le nombre total de cellules du panneau. 4. Chaque cellule est un carré de 5.0 cm de côté. 4.1 Quelle est la surface totale du panneau solaire ? 4.2 Calculer son rendement énergétique.

Exercice 9 : Un module photovoltaïque comprend un grand nombre de cellules qui convertissent une partie de l’énergie rayonnante du Soleil qu’elles reçoivent, en énergie électrique. Certaines caractéristiques d'un module photovoltaïque sont représentées sur le graphique de la feuille de réponses. Les caractéristiques sont données pour des puissances rayonnantes reçues par m2 de cellule photovoltaïque, cela correspond à un éclairement énergétique ; Par exemple 800 W/m² : le module photovoltaïque reçoit une puissance rayonnante de 800 W sur 1 m² de surface de module. Les caractéristiques électriques pour éclairement énergétique reçu de 1000 W/m² sont indiquées dans le tableau ci-dessous. Température du module (°C) Puissance électrique maximale (W) Tension aux bornes du module à puissance maximale (V) Intensité I (A) pour une tension U = 15V Tension en circuit ouvert (V) Intensité de court-circuit (A)

50 32.8 14.9 2.2 18.4 2.2

1. Sur le graphique, placer respectivement pour un éclairement de 800 W/m² : a. le point de fonctionnement A correspondant à la puissance électrique maximale disponible ; b. le point de fonctionnement B correspondant à l’intensité de court-circuit ; c. le point de fonctionnement C correspondant à un circuit ouvert. 2. Ce module reçoit, à 50 °C, un éclairement énergétique de 1000 W/m² . La tension à ces bornes, lorsqu'il fonctionne est égale à 10 V. a. D’après le graphique, quelle est la valeur de l'intensité du courant débité ? b. Quelle est la puissance électrique fournie ? c. La surface du module est égale à 0,185 m² . Calculer le rendement énergétique du module. d. Réaliser un diagramme des transferts énergétiques pour un module photovoltaïque. 3. En utilisant le graphique ou le tableau, quelle résistance doit-on brancher aux bornes du panneau solaire recevant 1000 W/m² pour qu’il fournisse une puissance maximale ?

Exercice 10 : 1. Captation de l’énergie solaire Les panneaux solaires photovoltaïques représentent une solution de production d’énergie électrique à petite échelle. Pour nous faire une meilleure idée du potentiel de cette installation, calculons la surface nécessaire pour produire la consommation mondiale d'électricité. Nous disposons des chiffres suivants :  Production mondiale annuelle d'électricité : 19 000 TWh  Rendement net annuel sur toute la surface de la centrale : 14 %  Énergie solaire en zone ensoleillée : 250 W/m²  Rayon moyen de la Terre : 6371 km 2. Les centrales solaires peuvent-elles suffire ? 1. Calculer la puissance moyenne Pm de la production mondiale. 2. En déduire la puissance moyenne Ps que doit fournir le soleil pour produire la puissance Pm avec des panneaux photovoltaïque. 3. Quelle est la surface S en km² de centrale solaire nécessaire pour « capter » cette puissance? 4. En déduire la proportion en pourcentage de la surface terrestre que cela représente. Donner comme exemple la superficie d’un pays équivalent. 5. Au vu de la carte ci-dessous, quels arguments ne sont pas en faveur cette hypothèse ?