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Université Hassan II de Casablanca Faculté des Sciences Ain Chock Département d

Université Hassan II de Casablanca Faculté des Sciences Ain Chock Département de physique Licence Professionnelle Energies Solaire et Eolienne (ESE) Module Energie Photovoltaïque PV Support de cours et de TD Département de physique Laboratoire de Physique des Matériaux Avancées et Thermique (LPMAT) Pr: youssef ARBA Année universitaire 2021-2022 1 Introduction la conversion l’énergie solaire au moyen de capteurs se manifeste par deux technologie bien distinctes : l’une produit des calories, c’est l’énergie solaire thermique, et l’autre produit de l’électricité, et c’est cette dernière, énergie solaire photovoltaïque, qui fait l’objet de ce cours. L’installation photovoltaïque passe par une étude d’économie d’énergie et par une conception rigoureuse avec des composant qui répondent au besoin. Pour aider les professionnels à atteindre ce résultat, ce cours propose des outils de base aux concepteurs et maîtres d’ouvrage impliqués dans des installations photovoltaïques. Ou on trouve les démarches concrètes pour élaborer et installer les modules photovoltaïques. On y trouve les démarches concrètes pour élaborer et optimiser un cahier des charges, calculer les composants nécessaires – panneaux solaires, batterie, régulateur et autres –, les mettre en place et les entretenir. Le chapitre 0 représente un rappel des notions de base pour aborder l’électricité, les risques et les processus de protection que tout électricien doit maîtriser. Le soleil, l’énergie qu’il dispense et les mécanismes de la conversion de la lumière en électricité sont décrits aux chapitre 1 et 2. Ces aspects un peu plus fondamentaux ne sont pas indispensables au reste du cours mais intéresseront ceux qui veulent comprendre les phénomènes qui la régissent. Ensuite, sont détaillés au chapitre 3 le fonctionnement et l’optimisation des modules photovoltaïque et autre composants : batterie, régulateurs, convertisseurs …, ceci afin de bien comprendre les caractéristiques des diverses technologies disponibles et en développement. Le chapitre 4, lui fait un tour d’horizon des applications actuelles ainsi que des récepteurs (appareils électriques) adaptés à l’énergie photovoltaïque. La présentation des méthodes de conception et des règle d’installation, au chapitre 5, est immédiatement suivie, dans le chapitre 6, par une étude de l’économie des projets. Cette structure ouverte permet au apprenant de se concentrer sur l’approche qui lui semble la plus pertinente par rapport à son besoin. 2 0 RAPPELS D’ÉLECTRICITÉ Dans ce chapitre, nous rappelons quelques notions de base d’électricité nécessaires à la compréhension des notions et phénomènes électriques rencontrés par un électricien, ainsi que des principes et des unités auxquels il faudra se référer au cours de la lecture des autres chapitres en cas de nécessité. I. GRANDEURS PHYSIQUES ET UNITÉS Une grandeur physique est une quantité qui peut se calculer ou se mesurer. Elle peut être décrite par un scalaire ou un vecteur., généralement accompagné d’une unité de mesure. Une grandeur algébrique est une grandeur physique affectée d’un signe, ce qui permet d’en orienter le sens sur un axe donné. Une loi physique est une association des grandeurs physiques par une relation mathématique. 1. Le courant électrique (ou intensité) La circulation de particules chargées, les électrons et les trous, présents dans toute matière, représente le courant électrique. Nous appelons le courant nominal le courant électrique circulant normalement dans un circuit donné. Il représente le débit de charges électriques s’écoulant dans un conducteur et on écrit : I=dq dt avec q est la charge électrique. Pour un courant continu (CC) on écrit : I= Q Δt , il se mesure en Ampère (A). ANALOGIE Par analogie nous pouvons faire correspondre le courant électrique à la quantité d’eau qui s’écoule de l’ouverture par intervalle de temps t (c’est un débit) (figure 1.1). Figure 1.1. 3 2. La différence de potentiel d.d.p (ou tension électrique) La différence de potentiel (d.d.p) électrique entre deux points A et B est définie comme la circulation du champ électrique le long d’un contour reliant A et B, changée de signe. Le symbole du potentiel électrique est V, il se mesure en volt (V). On écrit par conséquent : U AB=V A−V B=∫ A B Edl C’est la quantité d’énergie mobilisable par les électrons pour aller d’un point A à un point B d’un circuit. La d.d.p aux bornes d’un générateur est appelée tension nominale. C’est la tension d’utilisation dans les conditions de fonctionnement normal. ANALOGIE Soit un bidon d’eau, dans lequel on a fait un trou à mi-hauteur. La différence de potentiel correspondrait à la hauteur de la chute d’eau (figure 1.2). Figure 1.2. 3. Convention relative au sens du courant et au sens de référence de la tension On sait que, en physique, le courant électrique correspond à un déplacement de charges électriques. On admet, arbitrairement, que le sens du courant est inverse au déplacement des charges négatives (électrons). La manière d’indiquer graphiquement le sens positif des tensions est réalisée à l’aide d’une flèche. La flèche est orientée du point au potentiel le plus bas vers le potentiel le plus haut : Figure 1.3. Figure 1.4. 4 4. La résistance (ou résistor) La résistance mesure la « difficulté » de passage d’un courant. Figure 1.5. Elle se mesure en ohms (Ω). Pour un conducteur parfait, elle est reliée au courant et à la tension par la relation : U = RI On peut introduire aussi la notion de conductance dont l’unité est le siemens (S) : G= 1 R ANALOGIE Dans la comparaison avec la circulation d’eau, une résistance électrique pourrait être représentée par un tuyau étroit, qui limite le débit pouvant circuler dans une canalisation. 5. La puissance C’est le produit de la quantité d’électrons (courant) par l’énergie mobilisable par les électrons (tension). La valeur de mesure est le watt (W). Le symbole d’expression est la lettre P. ANALOGIE La puissance correspondrait à la force de l’eau qui parcourt la hauteur de la chute avec un certain débit (figure 1.6). Figure 1.6. La puissance s’exprime par la formule : 5 P = UI (W) = (V)(A) P s’exprime en watts, U en volts et I en ampères. Exemple Une ampoule fonctionnant sous une tension de 12 V et consommant un courant de 0,5 A aura une puissance de : P = UI = 12 × 0,5 = 6 W 6. Ampères-heures C’est une quantité d’électricité ou une capacité égale au produit du courant par le temps écoulé : Q = It (C) = (A)(s) ou : (Ah) = (A)(h) Elle s’exprime en coulombs (C), ou plus commodément en ampères-heures (Ah). Elle sert notamment à quantifier la capacité d’une batterie (en Ah). ANALOGIE La quantité d’eau qui s’écoule de l’ouverture pendant une durée t, donc un volume d’eau (figure 1.7) : Volume = Débit × Durée Figure 1.7. Exemples 1. Un appareil qui consomme 0,1 A en permanence aura consommé au bout de 10 jours une quantité d’électricité égale à : 0,1 (A) × 240 (h) = 24 Ah 2. Un accumulateur a une capacité de 10 Ah si l’on peut théoriquement le vider par exemple en 1 heure en consommant un courant de 10 A, ou en 5 heures avec un courant de 2 A. 7. La consommation électrique C’est l’énergie électrique consommée ou produite pendant une unité de temps. 6 Cette grandeur nous est très familière puisque c’est celle qui sert de base au calcul de nos factures d’électricité domestique. Les compagnies d’électricité facturent à leurs clients le nombre de kilowatts-heure (kWh) qu’ils consomment. Quand on a allumé une lampe de 100 W pendant 10 h, on a consommé : 100 W × 10 h = 1 000 Wh = 1 kWh La consommation électrique correspond donc au produit de la puissance (en watts) par le temps (en heures) : E = Pt (Wh) = (W)(h) Elle peut s’exprimer en joules (J), qui sont des (W)(s), ou plus commodément en watts-heure (Wh) : 1 kWh = 3,6 MJ 1 kilowatt-heure = 3,6 mégajoules = 3,6 millions de joules C’est aussi la capacité multipliée par la tension : E = UIt = QU (Wh) = (V)(A)(h) = (Ah)(V) ANALOGIE La consommation électrique correspondrait au travail, ou à la quantité d’énergie, qui a été fournie par la chute d’eau pendant le temps considéré (figure 1.8). Figure 1.8. Exemple L’appareil de notre exemple précédent, qui consomme 0,1 A en permanence, s’il fonctionne sous une tension de 12 V, a une puissance de : 0,1 × 12 = 1,2 (A)(V) = (W) Il aura consommé au bout de 10 jours une énergie de : 1,2 × 240 = 288 (W)(h) = (Wh) ce qui est équivalent à : 24 × 12 = 288 (Ah)(V) = (Wh) 7 8. Le rendement On appelle rendement énergétique le rapport entre l’énergie réellement utilisée Eu et l’énergie fournie à l’utilisateur Ei (la différence entre ces deux quantités est en fait la perte). C’est donc le rapport entre l’énergie qui entre dans un système et celle qui en sort sous forme exploitable. ANALOGIE Un réservoir de 100 litres est entièrement rempli d’eau. Un tuyau est branché sur ce réservoir mais, à cause des fuites, on ne peut utiliser que 80 litres d’eau (figure 1.9). Le rendement de cette installation est de 80 %. Rendement = r uploads/Litterature/ cours-pv-3.pdf