Biologie Métabolisme et Enzymes

Objectifs du Module

• Acquisition des notions de base relatives à l'énergie solaire photovoltaïque
• Introduction des notions de base de l'énergie photovoltaïque, de leurs conversions et montage de projets
• Caractérisation et modélisation d'un site photovoltaïque et calcul des puissances disponible et extraite
• Rôles des différents éléments de systèmes solaires
• Conception et dimensionnement d'installations photovoltaïques
• Compréhension du fonctionnement et des caractéristiques des systèmes électrotechniques usuels et compréhension du processus de production et de distribution.

Introduction Générale

• Rappels sur l'énergie photovoltaïque
• Contexte général de la connexion au réseau

Le Générateur Photovoltaïque

• L'effet photovoltaïque
• Caractéristiques des cellules et des modules photovoltaïques (rendement, courbe courant-tension, influence de la température et de l'irradiation...)
• Association série, association en parallèle et série-parallèle
• Les diodes de by-pass
• Types de modules photovoltaïques
• Les masques et leurs effets

Historique du Photovoltaïque

• Découvert en 1839 par Antoine Becquerel
• L'hélio-électricité apparut en 1930 avec les cellules à oxyde cuivreux puis au sélénium
• 1954 : réalisation des premières cellules photovoltaïques au silicium en laboratoire
• 1960 : alimentation des véhicules spatiaux et équipement de satellites spatiaux
• A partir de 1970 : les premières utilisations terrestres ont concerné l'électrification des sites isolés
• 1980 : la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement
• A partir des années 1990 : progrès des techniques de production de cellules photovoltaïques ainsi que l'augmentation des volumes de production
• La production mondiale de modules photovoltaïques est passée de 5 MWc en 1982 à plus de 175 GWc en 2022

La Conversion de la Lumière en Électricité

• Le terme « photovoltaïque » : « photo » (mot grec signifiant lumière) et « Volta » (nom du physicien italien Alessandro Volta qui a inventé la pile électrochimique en 1800)
• L'effet photovoltaïque : conversion de l'énergie solaire en électricité
• La conversion photovoltaïque se produit dans des matériaux semi-conducteurs à base de silicium qui transforment le rayonnement solaire en énergie électrique sous forme de courant continu

Principe de Fonctionnement d'une Cellule Solaire Photovoltaïque

(Aucune information présentée)

Avantages et Inconvénients de l'Energie Photovoltaïque

Avantages

• Energie indépendante, le rayonnement solaire est renouvelable et gratuit
• L'énergie photovoltaïque est une énergie propre et non-polluante
• Génère l'énergie requise
• Réduit la vulnérabilité aux pannes d'électricité
• L'extension des systèmes est facile, la taille d'une installation peut aussi être augmentée par la suite pour suivre les besoins de la charge
• La revente du surplus de production permet d'amortir les investissements voire de générer des revenus
• Entretien minimal
• Aucun bruit

Inconvénients

• La fabrication des panneaux photovoltaïques relève de la haute technologie demandant énormément de recherche et développement et donc des investissements coûteux
• Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles
• Nécessite un système d'appoint (batteries) pour les installations domestiques
• Le coût d'investissement sur une installation photovoltaïque est cher

Différents Types de Systèmes Photovoltaïques

• Systèmes autonomes
• Systèmes hybrides
• Systèmes connectés au réseau

Systèmes Autonomes

• Ce type de montage est adapté aux installations ne pouvant être raccordées au réseau.
• L'énergie produite doit être directement consommée et/ou stockée dans des accumulateurs pour permettre de répondre à la totalité des besoins

Les Systèmes Hybrides

• Les différentes sources dans un système hybride peuvent être connectées en deux configurations : architecture à bus continu et architecture à bus alternatif

Les Systèmes Connectés au Réseau

• Un système photovoltaïque connecté au réseau, c'est un système couplé directement au réseau électrique à l'aide d'un onduleur
• Ce type de système offre beaucoup de facilité pour le producteur/consommateur puisque c'est le réseau qui est chargé de l'équilibre entre la production et la consommation d'électricité

Cellule Photovoltaïque

• La cellule solaire est le seul moyen connu actuellement pour convertir directement la lumière en électricité
• Un dispositif semi-conducteur à base de silicium délivrant une tension de l'ordre de 0,5 à 0,6 V

Module Solaire ou Photovoltaïque

• Les caractéristiques électriques d'une seule cellule sont généralement insuffisantes pour alimenter les équipements électriques.
• Il faut associer les cellules en série pour obtenir une tension plus importante
• Un panneau photovoltaïque est un assemblage en série de cellules permettant d'obtenir une tension de 12 volts par exemple
• La puissance d'un panneau solaire est en fonction de sa surface, c'est à dire du nombre de cellules photovoltaïques

Diodes "by-pass"

• La mise en série des cellules peut être dangereuse lorsque l'une d'entre elles se retrouve à l'ombre.
• Pour supprimer ce problème, on place des diodes "by-pass" en anti-parallèles sur 18 ou 24 cellules de façon à court-circuiter les cellules ombrées.

Rayonnement Solaire

• Malgré la distance considérable qui sépare le soleil de la terre, la couche terrestre reçoit une quantité d'énergie importante sous forme de rayonnement électromagnétique
• 9% dans la bande des ultraviolets
• 47% dans la bande visible
• 44% dans la bande des infrarouges

Définition du Watt Crête

• La puissance crête d'une installation photovoltaïque est la puissance maximale délivrée par un module dans les conditions optimales (orientation, inclinaison, ensoleillement) et s'exprime en Watt crête (Wc)
• En première approximation, un module de 1 m² produit 100 Wc

Caractéristiques d'une Cellule Photovoltaïque

• Les conditions normalisées de test des panneaux solaires sont caractérisées par un rayonnement instantané de 1000 W/m² d'une température ambiante de 25°C et d'un spectre AM de 1.5AM

Exemple de Module Photovoltaïque

• Les constructeurs de panneaux photovoltaïques fournissent les paramètres du module sous les conditions standard de fonctionnement (une insolation de 1000 W/m² et une température de 25°C, AM 1.5).
• Le tableau suivant montre les données d'un module photovoltaïque, de type SIEMENS SM 110-24.

Puissance Maximale

• La puissance maximale d'une cellule est déterminée pour un flux lumineux de 1000 W/m² à une température de 25°C.

Influence de l' éclairement et de la température

• Plus l'éclairement et la température augmentent, plus le module est performant.
• Le réchauffement d'une cellule solaire conduit à une diminution du rendement (environ 0,5% par degré Celsius).
• La perte de rendement pour des modules mal ventilés est de 4 à 6% plus importante que celle des modules munis d'une ventilation en façade arrière .

Rayonnement Solaire

• Malgré la distance considérable qui sépare le soleil de la terre (150.10^6 km), la couche terrestre reçoit une quantité importante d'énergie (180.10^9 GW)
• Cette énergie se présente sous forme de rayonnements électromagnétiques variant entre 0.22 et 10 μm
• Le rayonnement solaire se décompose en :
  • 9% dans la bande des ultraviolets ( < 0.4µm)
  • 47% dans la bande visible (0.4-0.8µm)
  • 44% dans la bande des infrarouges ( > 0.8µm)

Constitutions du Système Photovoltaïque : Modules Photovoltaïques

• Les modules sont assemblés en photopiles (cellules) montées en série pour obtenir une tension désirée (12V, 24V...)
• Plusieurs cellules sont associées dans un module
• Les modules sont regroupés en panneaux
• Les cellules sont principalement réalisées en silicium cristallin (monocristallin, multicristallin) ou en couches minces.

Constitutions du Système Photovoltaïque : Différents types de cellules solaires

Comparaison des trois principales technologies de capteurs

•  Tableau comparant les technologies monocristalline, polycristalline et amorphe en termes de rendement, durée de vie, coût de fabrication, puissance et rendement sous faible éclairement

Régulateur de Charge et Décharge

• Le régulateur électronique gère la charge et la décharge de la batterie dans un système PV.
• Il limite la tension de la batterie pour éviter la surcharge, en déconnectant la batterie des modules PV quand elle est trop chargée.
• Quand la batterie est trop déchargée, le régulateur la déconnecte de l'utilisation, et protège contre la décharge profonde.

Batteries d'Accumulation

• Les batteries d'accumulateurs sont utilisées pour stocker l'énergie électrique produite par les panneaux solaires. Elles sont connectées au régulateur et alimentent les charges.
• L'association en série permet d'augmenter la tension, et en parallèle pour augmenter la capacité et la puissance. Cela détermine le nombre de batteries.

Onduleur de Tension

• Les modules photovoltaïques produisent une tension continue, tandis que la plupart des charges électriques nécessitent une tension alternative.
• L'onduleur est nécessaire pour convertir la tension continue produite par les modules PV en tension alternative. Il calcule le point de fonctionnement optimal (MPPT).

Critères de Choix d'un Onduleur

• Puissance maximale entrée
• Tension maximale entrée
• Plage de tension entrée
• Nombre maximal de strings raccordables
• Puissance maximale sortie
• Tension nominale sortie
• Fréquence nominale sortie
• Rendement

Généralités et Principe de Fonctionnement d'un Onduleur

Rendement Maximal d'un Onduleur

• Le rendement moyen des onduleurs européens en 2007 était de 94.4%.
• Il est important de considérer le rendement des onduleurs à charge partielle, et non uniquement le rendement maximal.

Courbe de Rendement de l'Onduleur

• Le rendement d'un onduleur dépend de la tension d'entrée et de la puissance d'entrée.

Plage de Tension MPPT d'un Onduleur Photovoltaïque

• Les onduleurs photovoltaïques possèdent un système MPPT (Maximum Power Point Tracking) pour optimiser le rendement en fonction de la tension d'entrée. Il y a une plage de tension correspondante.

Courant d'entrée Maximal d'un Onduleur Photovoltaïque

• Le courant d'entrée maximal correspond au courant maximal que l'onduleur peut supporter sans détérioration.

Puissance de Sortie de l'Onduleur

• La puissance de sortie de l'onduleur est le produit de la tension et du courant efficaces, multiplié par le facteur de puissance cos φ.
• La puissance maximale en sortie est importante pour dimensionner les composants électriques.

Choix du Régulateur Photovoltaïque

• Le régulateur doit être compatible avec le champ photovoltaïque, le parc de batteries.
• Le dimensionnement se fait en fonction de 3 paramètres majeurs : courant du champ photovoltaïque, courant du parc de batteries et tension du parc de batteries.

Identification des Paramètres de Dimensionnement du Régulateur

• Il faut identifier les paramètres du régulateur dans sa fiche technique (courant solaire, tension de fonctionnement...).

Durée de Vie des Onduleurs

• Les fabricants offrent des garanties plus étendues pour les onduleurs comparé au passé.
• La durée de vie est améliorée grâce à l'utilisation de composants de meilleure qualité, surdimensionnés ou plus résistants aux hausses de température.

Testez vos connaissances sur le rôle des enzymes dans le métabolisme. Ce quiz aborde des questions sur l'activité enzymatique, les facteurs influençant celle-ci, ainsi que les produits de la glycolyse. Idéal pour les étudiants en biologie souhaitant approfondir leurs compétences.