Aujourd’hui, l’énergie solaire reste peu utilisée mais se développe de plus en plus notamment en Allemagne, au Japon et aux Etats-Unis qui sont les trois plus grandes puissances solaires mondiales.

Dans le cadre de nos TPE, nous avons donc décidé de travailler sur cette énergie d’avenir que sont les panneaux solaires.

En 1839, Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque : la lumière produit des effets sur les matériaux semi conducteurs. Alors précoce, cette transformation de l’énergie connut son réel essor après la seconde guerre mondiale notamment grâce à la production plus facile de silicium et une forte demande de l’industrie spatiale. De ce fait, en 1959 est née la première cellule photovoltaïque embarquée sur le satellite Vanguard.

Aussi nous nous sommes interrogés sur le principe de cette technologie et si elle se pose comme une solution efficace face au réchauffement climatique.

Pour cela, nous nous attacherons en premier lieu au principe de fonctionnement des panneaux solaires et de ces différentes technologies, apporterons des réponses d’inclinaisons idéales face à un cahier des charges bien précis. Ensuite, à l’aide d’expériences, nous essaierons de trouver la relation liant la puissance à la distance lumineuse puis ferons une étude au niveau d’une salle du lycée afin de tirer une conclusion.

Principe d'un panneau solaire

Le principe d’un panneau solaire est simple. Celui-ci est constitué de deux couches : une couche négative car dopée au bore (élément ayant trois électrons de trop sur sa couche de valence) et une autre couche positive car dopée au phosphore (élément où il manque trois électrons sur sa couche externe).

La zone centrale est un « filtre », ne laissant passer les électrons que dans un sens : de la zone positive à la zone négative sous l’action des photons. Le seul moyen que les électrons aient pour rejoindre la zone positive est de passer par le fil électrique. Or la circulation d’électrons dans un fil s’appelle le courant électrique. La différence de potentiel entre les bornes de la cellule est toujours de 1.6 Volt.

Ainsi pour que ce courant soit utilisé par des appareils électroménagers, les cellules sont montées en parallèles pour augmenter l’intensité et en série pour augmenter la tension. De plus il est nécessaire de posséder un onduleur pour élever cette tension qui est alors encore faible (environ 20 à 30 V).

Les différentes technologies

Il existe trois technologies de panneau solaire : les panneaux en silicium polycristallin, monocristallin et enfin amorphes.

Le début de la fabrication des cellules est commun aux trois technologies. La première étape consiste à la purification du silicium. Celui-ci doit être d’une plus grande pureté possible.

Les cellules polycristallines sont constituées de plusieurs cristaux de silicium. Aujourd’hui, c’est la technologie la plus courante car son cout est relativement abordable et possède un rendement acceptable 10 à 15 %.

Les cellules monocristallines quant à elles subissent d’autres traitements couteux mais présentent grâce à leur silicium isotrope des rendements bien meilleurs de l’ordre de 15 à 20 %.

Enfin les cellules en silicium amorphe sont sur la bonne voie car ce sont les seules pouvant être facilement intégrées dans l’architecture car elles sont facilement déformables et pliables : pour les téléphones portables. Cependant leur taux de rendement n’est que de 8% en moyenne.

A noter que la recherche sur des cellules photovoltaïques de IIIème génération composées de nanomatériaux et à base d’oxyde de titane permettraient de dépasser la limite de conversion d’énergie théorique actuelle qui est de 32% notamment en utilisant un plus large spectre.

Si un utilisateur désire avoir une production élevée celui-ci pourra se servir de deux indicateurs de tendance centrale: la moyenne et la médiane. Cette dernière sera plus « parlante » que la moyenne car elle départage les effectifs en deux parties égales.

On peut remarquer sur le graphique précédent, que la moyenne autant que la médiane nous indique que la meilleure inclinaison possible correspond à 35° ou 45°.

Pour une production élevée en fonction de la saison

De la même manière quand nous sommes allongés sur la plage nous mettons un chapeau sur la tête pour ne pas être éblouis par le soleil qui se trouve au dessus de nos têtes. Le panneau solaire, lui aime bien le soleil, donc il est « allongé » ; à 5°.

Enfin pour une production importante la meilleure inclinaison est de 75°.

Justification de l’inclinaison

Pour qu’il y ait une meilleure reconversion possible il faut que l’énergie lumineuse reçue soit la plus forte. Or suivant l’angle avec lequel arrivent les rayons du soleil sur la terre, 1 m² de rayon dans l’espace peut couvrir 10 m² à de hautes latitudes. L’idéal, c’est que l’angle d’incidence soit égal à l’angle du panneau car dans ces conditions, 1m² de rayons dans l’espace couvre un m² de panneau solaire. Ainsi étant à une latitude de 45°N, l’idéal est d’incliner le panneau de 45°.

Donc pour savoir quelle est la meilleure orientation possible en fonction de l’endroit où nous sommes, nous pouvons utiliser cette formule :

Orientation du panneau = Latitude du lieu où l’on se trouve

Choix de la meilleure inclinaison

Les boîtes à moustaches permettent de visualiser l’écart interquartile de la série statistique ainsi que la médiane.

Dans notre cas cela permet de nous renseigner sur la régularité de la production de KWh au cours de l’année. Par exemple une orientation de 85° assure une production très régulière: l’étendue de la boîte est faible tandis que la production quand le panneau est orienté à 5° est très irrégulière.

Cela nous informe aussi de la répartition par des valeurs de la série. Si nous prenons l’exemple de l’inclinaison à 65°, nous pouvons remarquer que 50% de la production sont compris entre 1.3 et 3.6 KWh alors que 50 % sont compris entre 3,6 et 3,8 KWh ce qui montre bien la dispersion de la série et permet de déduire qu’au cours de 6 mois de l’année la production sera d’environ 3.75 KWh.

Même si au départ les histogrammes sont nettement plus « parlants », les boîtes à moustaches ont l’avantage de déduire d’autres informations que la moyenne seule n’aurait pas pu fournir.

Afin de déterminer la caractéristique I(U) de la cellule photovoltaïque utilisée, nous avons réalisé l’expérience suivante :

Nous avons fait varier la résistance du circuit à l’aide d’une résistance variable afin d’obtenir la caractéristique de la cellule. Le graphique obtenu est le suivant:

Après modélisation on obtient :

L’optimum trouvé est de :

On peut alors déterminer grâce à cette courbe le courant maximal produit qui est atteint lorsque l’on court-circuite les bornes de la cellule photovoltaïque. Aussi, on peut trouver un optimum donnant la plus grande puissance, ou Pmax, que l’on nomme couramment MPP (maximum power point). Dans le graphique ci-dessus, qui donne la courbe caractéristique de la cellule photovoltaïque utilisée pour toutes les expériences, Pmax correspond à la surface du plus grand rectangle que l’on peut dessiner sous la courbe ; soit :

La cellule ayant une surface de dm² alors production maximale théorique de cette cellule est donc de :

Expérience 1 :

On approche la source de lumière lentement de la cellule photovoltaïque et l’on observe.

On constate que plus l’on approche la cellule de la lampe, plus le moteur tourne vite. Au contraire plus on augmente la distance lampe-cellule, moins le moteur tourne.

Expérience 2 :

A l’aide du même montage que dans l’expérience 1, ajouré d’un ampèremètre et d’un voltmètre, pour chaque distance d(source de lumière,cellule p.v.) on mesure la tension à vide aux bornes du moteur ainsi que l’intensité du circuit.

On obtient les valeurs suivantes :

	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30	32	34	36	38
	885	837	792	752	712	675	623	585	575	517	504	477	404	343	211	190	173	155	141
	44	42	40	38	36	36	33	32	32	30	28	29	27	26	26	24	22	20	17

Le moteur ne tourne plus à partir de d=28cm

On en déduit que aussi bien la tension que l’intensité baissent quand on éloigne la source de lumière de la cellule photovoltaïque. Ainsi quand la tension et l’intensité sont trop faibles, le moteur arrête de tourner.
On peut calculer avec ces valeurs la puissance dans le circuit.

Découverte de la relation liant la puissance à la distance :

Nous allons à l’aide de calculs théoriques et du schéma ci-dessous découvrir la relation liant la puissance Pu reçue par la cellule photovoltaïque en fonction de la distance d séparant la cellule de la source lumineuse.
Nous prendrons pour cela une source lumineuse puis une cellule photovoltaïque à une distance d puis à une distance 2d.

A l’aide de ce schéma, on constate que plus l’on s’éloigne de la source lumineuse et plus la zone éclairée est grande. Or la puissance fournie par la source lumineuse est toujours constante (constance solaire par exemple) et la taille de la cellule est fixe. À P1 on considère que la cellule a une aire de 1 cm²
Le théorème des milieux stipule que :

Quand A milieu de [OA’], B milieu de [OB’] et (AB)//(A’B’) alors le segment [A’B’] mesure deux fois la mesure du segment [AB].
Comme on se situe dans l’espace, on applique deux fois ce théorème donc

Alors la surface en P2 de la zone éclairée est de 4 cm². La surface de la cellule n’ayant pas changé, la cellule ne reçoit plus que 1/4 de la puissance en P1. Ainsi on peut affirmer que :

Modélisation de la courbe expérimentale de la courbe du IV. B.:

Nous allons modéliser la courbe obtenue au cours des expériences pour vérifier la relation trouvée précédemment faisant le lien entre la puissance et la distance entre la source de lumière et la cellule photovoltaïque.
Lors de la modélisation, on peut calculer un nombre r ∈[-1;1] qui nous renseigne sur l’exactitude de la modélisation. Ainsi plus r est proche de 1 ou de -1 et plus la modélisation de la courbe sera fiable. Nous n’avons pas voulu nous aventurer dans le calcul de ce nombre, le logiciel le donnant lors de la modélisation.

Modélisation par une fonction affine

A l’aide du logiciel Synchronie, nous avons pu modéliser la courbe par une droite d’équation :

L’optimum trouvé est de

Modélisation par une fonction exponentielle

A l’aide du logiciel Synchronie, nous avons pu modéliser la courbe par une courbe exponentielle d’équation :

L’optimum trouvé est de

Modélisation par une fonction polynôme de degré 2

A l’aide du logiciel Synchronie, nous avons pu modéliser la courbe par une courbe d’équation :

L’optimum trouvé est de

Il est indéniable que la meilleure modélisation possible est celle par une courbe représentant une fonction polynôme du 2° degré. Or, cela implique que sa représentation soit une parabole qui, à un moment ou un autre, sera croissante ; en d’autres termes, alors que la cellule photovoltaïque sera de plus en plus éloignée, la puissance produite sera de plus en plus élevée, ce qui est physiquement irrationnel. C’est pour cela qu’il est nécessaire de préciser que l’on peut modéliser la courbe expérimentale par une courbe de fonction

sur l’intervalle [0;40[ et pour toutes distances en dehors de cette intervalle par la courbe de fonction

Nous n’avons pas réussit à approcher les résultats expérimentaux aux résultats théoriques. Après réflexion, nous nous sommes aperçus que la source de lumière n’était en aucun cas ponctuelle –le filament mesurant 4 cm et la plage de mesures étant effectuées entre 0 et 40cm- donc cette relation ne peut vérifier les expériences réalisées.

Énergie consommée par jour :

La formule permettant de calculer l’énergie quand on a la puissance et le temps d’utilisation est :

Avec l’énergie en wattheures (Wh), la puissance en watt (W) et le temps en heure.
D’où

Soit donc

Il sera retenu que la salle consomme en moyenne 8.2 kWh par jours.

Surface de panneaux solaires nécessaire pour l’autonomie de cette salle:

Sachant que le lycée est très peu utilisé en été, nous avons choisi de prendre une orientation ayant le maximum de production en hiver et sur la moyenne annuelle. Nous avons vu dans le chapitre III que la meilleure inclinaison pour une forte production en hiver était de 75°. Cependant cette inclinaison offre une médiane annuelle faible. Donc l’inclinaison produisant beaucoup en hiver et qui pour autant à une bonne médiane est de 55° ; fournissant une médiane de production de 3,6 kWh/m² par jour.
Pour calculer la surface de panneaux solaires nécessaire, il faut appliquer cette formule :

Cependant, comme indiqué dans la bibliographie, pour les calculs de statistiques, nous avons choisi une puissance crête de l’installation photovoltaïque de 1 kWc ce qui correspond à une surface de panneaux solaires d’environ 10 m² (la production d’un module de 1m² étant d’environ 100 Wc)
Ainsi la production d’un mètre carré de panneaux solaires est de :

Alors la surface nécessaire est de :

Une surface de 23 m² de panneaux solaires garantirait une autonomie totale de l’éclairage de la salle.

Nous avons pu aborder tout au long de ce dossier à la fois les fondements de l’énergie solaire mais aussi des solutions d’inclinaison à un type de consommation.
Nous avons fait émerger, à l’aide d’expériences des théories fondamentales.
Aussi dans la dernière partie, nous avons estimé, à l’aide des statistiques faites précédemment, la surface de panneau solaire nécessaire à l’autonomie de la salle B303 du lycée.
Cependant, nous avons délibérément choisi de ne pas traiter l’aspect économique de ce sujet. En effet, bien que l’essor de cette technologie en dépend, nous pensons que le choix des techniques permettant la production d’électricité est d’avantage du ressort des gouvernements mondiaux que de l’aspect économique. Car peut importe la technologie choisie, la facture de la protection de l’environnement et de la maitrise de l’effet de serre sera très importante.

C’est pour cela que nous répondrons simplement à notre problématique :

L’énergie solaire est-elle une solution efficace face au réchauffement climatique ?

Sans conteste oui, c’est une solution face au réchauffement planétaire. Certes, elle est loin d’être aussi efficace que l’est l’énergie nucléaire mais un financement acceptable des recherches dans ce secteur permettrait un taux de rendement bien supérieur.

Bibliographie

Schéma inspiré par : http://www.lavieillemontagnesolaire.fr/IMG/jpg/effet_photovoltaique.jpg

http://www.techno-science.net/

http://www.cnrs-imn.fr/Chimie/LBrohan/Theme1LB.htm

Basé sur le logiciel Calsol : http://ines.solaire.free.fr/pvreseau.php avec les réglages suivants:
Puissance crête de l’installation photovoltaïque : 1 kWh
Ville : Auxerre
Rendement de conversion : 90 %
—Tableau de données en annexe 2—

Ont été retenus comme mois d’hiver les mois de décembre janvier et février
Ont été retenus comme mois d’été les mois de mai, juin et juillet

Schémas de montage réalisés à l’ide de Croco Clip 6.05

Source de lumière utilisée : Projecteur Novamat 515 AF

http://www.sses.ch/fr/technique/photovoltaique.html

Modélisations réalisées à l’aide du logiciel Eurosmart Synchronie 2003 5.0

Synthèses

A.

Nous avons choisi le sujet sur les panneaux solaires. Ce sujet nous tient particulièrement à cœur car il concerne les énergies nouvelles. En effet, elles sont au centre du débat sur le réchauffement climatique. Nous nous intéressions tous deux aux énergies renouvelables et nouvelles comme le nucléaire, l’éolien … Mais la « moins connue », la plus controversée de ces énergies et celle dont on parle le moins est l’énergie solaire. Nous nous sommes ensuite demandés si nous pourrions adopter cette énergie au lycée Louis-Davier.
Nous nous sommes d’abord attachés à savoir comment cette énergie fonctionne. Nous avons plus précisément centré notre recherche sur l’énergie solaire photovoltaïque car c’est celle-ci qui est le plus utilisée et car ce sont les cellules photovoltaïques monocristallines qui ont un taux de rendement acceptable (de 10 à 15 %) et qui ont un prix raisonnable. Rappel de la problématique :
L’énergie solaire est-elle une solution d’avenir face au réchauffement climatique ?
Nous avons organisé le dossier selon ce plan :
1°) Le fonctionnement des panneaux solaires
2°) Production énergétique
3°) Expériences
4°) Application à une salle du lycée Louis-Davier

Par cette recherche, j’ai mieux compris le fonctionnement de l’énergie solaire, pourquoi cette énergie n’est que très peu utilisée, ses contraintes, ses ressources … En effet, elle a un taux de rendement faible. Espérons que dans les années futures, elle sera plus en vogue !
Dans l’élaboration de ce dossier nous avons compris quel est l’enjeu d’adopter une telle énergie. Premièrement, elle permet, à long terme, de réaliser des économies car le prix de départ est élevé mais on peut, par exemple, revendre le surplus à E.D.F. les mois d’été où l’on consomme moins. De plus, comme c’est une énergie propre, elle pourrait empêcher le réchauffement climatique, l’objectif du traité de Kyoto. Toutefois, si certains pays n’adhèrent pas à ce traité, le réchauffement climatique restera un problème mondial. Tout comme le souligne un scientifique interviewé :

Les petits gestes ne servent à rien sauf si nous sommes des millions à les faire

Espérons que dorénavant ce sera le cas !!

Pour moi, ce travail a été intéressant car il m’a permis de concevoir ce T.P.E. en groupe. En effet, dans la plupart des métiers, le travail en groupe est très important. De plus le sujet était assez intéressant. Toutefois, je pense qu’il aurait du être moins « sélectif ». Il aurait pu, au lieu de s’appliquer seulement au département, s’appliquer, par exemple, à toute l’Europe ou encore au monde entier car dans le département, nous ne pouvions pas étudier l’énergie hydroélectrique par exemple.

B.

L’homme est de plus en plus sensible à son environnement. Il commence à comprendre ou redécouvre qu’il est nécessaire d’avoir un équilibre entre la société, ses contraintes économiques et l’environnement. Aussi, les flambées du baril de pétrole -ayant dépassé la barre des 80 $- poussent l’homme à trouver une énergie permettant à l’homme de se détourner du pétrole. La signature de la part de beaucoup de candidats à l’élection présidentielle de 2007 au pacte écologique de Nicolas HULOT montre bien que l’écologie et la protection de l’environnement ont une place telle dans notre société qu’elles ont atteintes les sphères de la politique. C’est pour cela, que nous avons choisi le thème des énergies renouvelables.
Il existe parmi ces énergies très en vogue, une énergie pourtant très controversée : l’énergie solaire. Pour certains, c’est une énergie réservé aux montagnards ou aux paysans ; pour d’autres, c’est la solution du futur. Ainsi nous avons voulu nous faire notre propre avis sur ce type d’énergie.
Nous nous sommes demandés plus précisément comment pouvions-nous transformer de la lumière en électricité et quel était l’ordre de grandeur de production d’un panneau solaire.
Nous avons organisé notre dossier suivant le plan Principes, Théorie, Pratique et Application qui, nous pensons, est la façon la plus logique et la plus facile à comprendre pour traiter ce sujet. En effet il s’agit d’une démarche chronologique adaptable à tous projets.
A travers cette recherche, j’ai appris qu’il fallait toujours vérifier ses preuves, avoir un esprit critique et savoir se détacher des préjugés. Ainsi nous avons découvert que l’énergie solaire avait toute sa place dans la catégorie « énergie renouvelable ». Cependant j’ai aussi découvert que l’investissement en un projet commun est très différent entre les individus.
Nous avons essayé de traiter, dans le temps imparti, le maximum d’horizons. Cependant, il serait prétentieux d’allouer à ce dossier le caractère d’être omniscient. En effet certains domaines tels que l’impacte écologique du système n’a pu être étudié (LCA : analyse du cycle de vie) qui aurait accordé ou non le titre d’énergie dite « écologique ».
De ce fait nous n’avons qu’une facette de la réponse à notre problématique : la production mais pas le point de vu environnemental.
De plus, cette expérience permet une approche différente de l’apprentissage. Cela permet la découverte de la création d’un projet en semi-autonomie qui n’est pas facile pour tout le monde. Bien que sommaire, c’est aussi une approche efficace du travail de groupe, du respect d’un temps imparti donc de la gestion du calendrier donnant un avant gout aux études supérieures.
Aussi on peut espérer que notre projet un jour se concrétise ; le ministre de l’éducation nationale, de l’enseignement supérieur et de la recherche voulant

encourager les 250 établissements collèges et lycées […] en faveur de la protection de l’environnement.

Je tiens notamment à indiquer que même si toutes les séances ont eu leurs lots d’imprévus (salle informatiques non ouverte ou problème de compatibilités pour le diaporama PowerPoint…) nos professeurs encadrant ont toujours été présents, pour nous aiguiller, afin d’aboutir à ce dossier.