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CORRIGE

Lampadaire autonome LUMEA

Référence : E2-ACT2

Étude des panneaux solaires Conversion d’énergie CENTRE D'INTÉRÊT

CI6 : Solutions constructives relatives à la chaîne d’énergie.

Compétences visées

CO4-1 : Identifier et caractériser les fonctions et les constituants d’un système ainsi que ses entrées / sorties. CO4-4 : Identifier et caractériser les solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à l’énergie et aux informations d’un système. 3.1.3 Typologie des solutions constructives de l'énergie Système d’énergie mono source Système énergétique multi-source. Symbole des appareils de mesures, utilisation du voltmètre et d’une pince à effet Hall en wattmètre. Principe succinct de fonctionnement des installations à capteurs solaires (thermiques et photovoltaïques).

Connaissances associées

Prérequis

Conditions de réalisation

Nature de l'activité

Organisation de l'activité

2 heures

TD

Ressources

Étude de cas

TP

 Le texte de TP est conçu pour faire office de compte-rendu une fois les réponses inscrites dans les espaces prévus à cet effet.  Les montages et certaines mesures sont à faire contrôler par un enseignant.

1 Luméa, 1 support de projecteur équipé, 1 platine variateur, 1 boîtier intermédiaire, 2 écrans opaques, 1 analyseur de PV, 1 voltmètre, 1 pince MX 215, 1 luxmètre. DT_log-Solar-Module-Analyzer-essentiel Fiches ressources Cahier des charges Logiciel de l’analyseur de panneau photovoltaïque « Solar Module Analyser 6A ». Logiciel « graph » ou un tableur quelconque.

Objectifs ObjectifsduduTP : TP : Effectuer etet exploiter quelques mesures afin dede caractériser lesles panneaux solaires équipant le le système. Effectuer exploiter quelques mesures afin caractériser panneaux solaires équipant système. Mettre enen service etet examiner lesles puissances enen jeu. Mettre service examiner puissances jeu.

Commentaires : comporte 3 activités. Pour une durée dede deux heures, une des activités peut être Commentaires :LeLsujet e sujet comporte 3 activités. Pour une durée deux heures, une des activités peut être écartée. écartée.

Dans les activités qui suivent, nous allons découvrir puis mettre en œuvre un système d’éclairage reposant sur l’énergie solaire.

I. PRÉAMBULE DES ACTIVITÉS: L’EXPLOITATION DE L’ÉNERGIE SOLAIRE LA RESSOURCE SOLAIRE : l’énergie la plus durable de la planète ! Directement ou indirectement, l’origine de la plupart des sources d’énergies renouvelables est le soleil. (quelques exceptions : la géothermie et l’énergie marémotrice…). Le soleil produit de l’énergie en abondance (beaucoup plus que ce que nous pouvons consommer !) Document élève / E2-ACT2 - corrigé

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La haute atmosphère terrestre reçoit environ 1300 W/m2. Environ un tiers de cette puissance est réfléchie dans l'espace, une partie est absorbée par l'atmosphère (ce qui est une des raisons des vents), le reste, 1000 W/m2 par temps dégagé, parvient au sol. En faisant une moyenne de l'énergie reçue à la surface de la France, chaque mètre carré reçoit annuellement une énergie équivalente à 100l de pétrole, ou encore 1000 kWh. L’exploitation directe de l’énergie solaire au moyen de capteurs relève de deux technologies bien distinctes. Q1. Nommer ces deux technologies et en donner brièvement le principe.

Réponse : Le solaire thermique, dont le principe est d’emmagasiner les calories en provenance du soleil dans un fluide caloporteur pour les restituer à l’eau d’un chauffe-eau par exemple. Le solaire photovoltaïque, dont le principe est de transformer en énergie électrique la lumière captée par les panneaux.

II. DESCRIPTION SUCCINCTE DU « LUMEA». Le luméa est destiné à éclairer et sécuriser des zones ou les solutions traditionnelles d’éclairage ne peuvent être mises en oeuvre. Ce lampadaire se veut autonome en énergie. Il possède deux modes de fonctionnement : • allumage en mode veille à la détection du crépuscule, • éclairage pleine puissance pendant 45s, à la détection de présence par capteurs infrarouges. L’éclairage est assuré par 5 LEDs de puissance de 130 lumen chacune. Le constructeur annonce 40 heures d’autonomie à pleine puissance. Sa constitution est détaillée sur les figures suivantes.

Q2. À partir du schéma ci-dessus, déterminer les différentes sources d’énergie exploitées pour le fonctionnement du Luméa. Préciser les conversions réalisées sur ces sources. Document élève / E2-ACT2 - corrigé

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Réponse : Le Luméa exploite deux sources d’énergie : le vent et la lumière (soleil). L’éolienne convertit l’énergie du vent en énergie électrique. Les panneaux photovoltaïques convertissent l’énergie lumineuse en énergie électrique. Il existe 2 grandes familles de générateurs photovoltaïques : • Les installations raccordées au réseau dont l’électricité produite est injectée dans le réseau collectif (ERDF ou autre). • Les installations autonomes destinées à alimenter sur place certaines fonctions, soit sans autre source d’énergie, soit avec une source complémentaire (on parle alors de systèmes hybrides). Q3. Dans quel type d’installation le Luméa peut-il se classer ?

Réponse : Le Luméa constitue une installation autonome disposant de 2 sources d’énergie. Q4. Sur le schéma descriptif du Luméa, on remarque une batterie. Quelle peut-être sa fonction ?

Réponse : Sa fonction est de stocker l’énergie produite par l’éolienne et les PV, afin de pouvoir alimenter la « lanterne LED ».

Q5. De quelle nature (alternative ou continue) est la tension électrique fournie par un panneau photovoltaïque ?

Réponse : La tension délivrée par un panneau photovoltaïque est continue.

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PRÉSENTATION DU BOÎTIER DE MESURES DU SYSTÈME ET RACCORDEMENTS À RESPECTER

Composant Batterie Éolienne Panneau solaire 1 Panneau solaire 2 Composant

ETT Batterie Éolienne Panneau solaire 1 Panneau solaire 2

Mesure de tension entre les bornes 1-2 4-5 7-8 7 - 10 Mesure de courant entre les bornes 2-3 5-6 8-9 10 – 1 1


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III. ACTIVITÉ - 1 : DÉTECTION DE LUMINOSITÉ PAR LES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES Dans cette manipulation, le commutateur ON/OFF de la partie communication sans fil reste sur OFF. On utilisera un projecteur commandé par un variateur de lumière pour éclairer le Luméa (voir en page 6).

• Aveugler les 2 panneaux solaires à l'aide d’écrans opaques. • Vérifier qu’un des panneaux est bien positionné face au projecteur et que ce dernier est éteint. Q6. Sur le schéma ci-dessous, placer un voltmètre (en position DC) sur l’un des panneaux solaires. Faire vérifier par l’enseignant et, en sa présence, procéder au raccordement sur le système.

Proposer à l’enseignant un moyen simple de vérifier que la mesure de tension se fait bien sur le panneau placé face au projecteur. Procéder à la vérification et le cas échéant modifier, soit l’orientation du « Luméa », soit le raccordement du voltmètre.

Réponse : Il suffit d’enlever le masque du PV faisant face au projecteur et de vérifier si la tension au voltmètre en est véritablement affectée ou non. Si oui, il s’agit bien du bon panneau. • Utiliser la platine « variation de lumière », le boîtier de raccordement intermédiaire et le projecteur sur son support. Raccorder l’ensemble, puis placer une pince à effet Hall (MX215) selon le schéma ciaprès. Faire vérifier le montage par l’enseignant. NB : La mesure de la puissance appelée par le projecteur (et son variateur) permettra de fixer des points de mesures bien identifiés.

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Abréviations utilisées par la suite:

PVE : panneau photovoltaïque étudié ; PVO : panneau photovoltaïque occulté ; PV : ensemble des 2 panneaux photovoltaïques.

Les résultats des mesures qui suivent devront être consignés dans le tableau de la page suivante. Q8. Mesurer les tensions de sortie des 2 panneaux photovoltaïques lorsqu’ils sont équipés de leurs écrans. Les résultats sont-ils cohérents ? Vérifier que les masques sont totalement opérationnels, si besoin, les ajuster.

Résultats : V panneau 1 = 0V

V panneau 2 = 0V

Les résultats doivent être identiques et égaux à 0V pour que l’obturation soit correcte. On maintiendra le second PV en permanence masqué pour s’assurer que l’élève réalise bien la mesure sur le bon panneau durant toute la manip ! Retirer seulement l’écran du panneau étudié (PVE) et relever la nouvelle valeur obtenue. Mesurer également l’éclairement du PVE à l’aide du luxmètre à disposition (prendre ces mesures au milieu du panneau en veillant à bien se positionner afin de ne pas projeter d’ombre à l’emplacement du luxmètre!). Document élève / E2-ACT2- corrigé

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Les mesures qui suivent seront exécutées en utilisant le projecteur aux puissances inscrites dans le tableau de consignation des résultats. NB : On utilisera le variateur de lumière et la pince MX 215 pour régler les différentes puissances du projecteur !

Faire le premier point de mesure avec le projecteur en présence de l’enseignant. Q9. Compléter le tableau ci-après :

État Panneau État Panneau photovoltaïque photovoltaïque non étudié Étudié (PVO) (PVE)

N °

État projecteur (ON / OFF)

Puissance projecteur (W)

1

éteint

0

occulté

occulté

2

éteint

0

occulté

Non occulté

3

allumé

50

occulté

Non occulté

4

allumé

100

occulté

Non occulté

5

allumé

150

occulté

Non occulté

6

allumé

200

occulté

Non occulté

7

allumé

250

occulté

Non occulté

8

allumé

300

occulté

Non occulté

9

allumé

350

occulté

Non occulté

1 0

allumé

400

occulté

Non occulté


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Tension de sortie du PVE (V)

Valeur lue au luxmètre sur le PVE (lux)

0

0

6.53

150

11.6

210

15.55

460

17.34

1180

18

2120

18.75

4550

19.07

6500

19.31

9000

19.62

14550

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E Exploitation des mesures

Q10. Quelle est l’information importante fournie par les mesures n°1 et 2 ?

Réponse : Les mesures n°1 et 2 nous permettent de mesurer la luminosité ambiante et de lire la tension de sortie PVE liée à cette luminosité « parasite ». (On obtient ainsi en qq sorte la tension d’offset. Limite : cette luminosité ambiante peut varier pdt les mesures !!! ) Q11. Tracer, sous le logiciel « graph », la courbe de la tension de sortie du PVE en fonction de la luminosité mesurée au luxmètre.

Courbe :

Zone la plus sensible aux variations d’éclairement

Q12. Repérer, sur la courbe, la zone ou le panneau est le plus sensible aux variations de l’éclairement. Comment évolue la tension de sortie du panneau aux éclairements supérieurs à 5000 lux ? Réponse : d’après les mesures, à partir de 5000 lux la tension de sortie plafonne, le panneau « sature en tension ».

Q13. Semble-t-il possible d’utiliser le PV en tant que détecteur de luminosité ? Exploiter également le document fourni en annexe 2 (complément de la courbe tracée ci-dessus). Si on considère le tableau de l’annexe 3, qu’obtiendrait-on en sortie de panneau :


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• au crépuscule par temps clair, • un jour entièrement couvert (voir annexe 2)?

Réponse : Oui dans une certaine limite mais cela n’en fait pas forcément un capteur de mesure de lumière intéressant à utiliser tel quel. Au crépuscule par temps clair (400lux) on obtient VPV-vide # 15 V. Mesures plus ou moins « entachées d’imprécisions » suivant essais et panneau utilisé!!! Un jour entièrement couvert (40lux) on obtiendrait VPV-vide # 3,8 V.

IV. ACTIVITÉ - 2 : CARACTÉRISATION DU PV AVEC L’ANALYSEUR « VA 200 » Pour cette activité, nous utiliserons le matériel suivant : • Platine de variation de lumière, • Boîtier de raccordement au secteur, • Projecteur sur son support, • Analyseur VA 200 + Poste informatique (logiciels : Solar Module Analyzer 6A, Graph). Raccorder l’ensemble selon le schéma de la page 6 et brancher le VA 200 comme précisé ci-dessous : Q14. Proposer, sur le schéma, un n° de borne en cohérence avec le raccordement adopté en activité 1. Utiliser des cordons de 4mm ! L’analyseur VA 200 succinctement décrit ci-après sera utilisé en mode automatique (Auto scan).

La procédure du travail à réaliser est présentée en page 11.


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Fonction Auto Scan 1. Allumer la source lumineuse de référence afin d’éclairer le panneau solaire de manière uniforme. 2. Appuyer sur le bouton AUTO SCAN afin de lancer le balayage automatique. 3. L’appareil mesure automatiquement les paramètres suivants: Vopen (tension à vide), Ishort (courant de courtcircuit), Pmax, Vmaxp, et Imaxp. À partir de ces données, l’appareil lance une simulation et trace les courbes I-V / V-I et P-V / P-I sur l’écran LCD. 4. L’utilisateur peut alors déplacer le curseur pour revoir les valeurs en un point donné le long de la courbe. Ci-contre : exemple de relevé obtenu.

Il y a un temps de retard avant que l’appareil commence le balayage automatique “Auto Scan”. Ce temps de retard permet d’allumer la source lumineuse de référence avant que l’“Auto Scan” commence.


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Travail à réaliser • Occulter le panneau non étudié, vérifier que le projecteur est perpendiculaire au panneau PVE. • En présence de l’enseignant, régler la puissance du projecteur à 400W. Pour cela utiliser le variateur de lumière ainsi que la pince MX215 fournie. • Lancer un « auto scan » directement depuis le VA-200 (on pourrait aussi le faire après connexion au PC, sous l’application « Solar Module Analyzer 6A »). Enregistrer le résultat en appuyant sur la touche « REC » du VA 200 (penser à noter le n° d’enregistrement). • Connecter la sortie USB du VA 200 à un PC. Lancer Solar Module Analyzer 6A. Cliquer sur l’icône communication (en haut à gauche), puis sous « Load ». Le logiciel récupère les données du VA 200. Penser à bien sélectionner le n° d’enregistrement (« sample : prélèvement, échantillon ») noté précédemment ! Q15. Sous l’application logicielle, en déplaçant la souris, récupérer les points nécessaires aux tracés sous « graph » des courbes suivantes : V = f(I), P=g(I). V PVE en V I PVE en A P PVE en W …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. Les élèves relèvent sous le logiciel Solar Module Analyzer…………….. les …………….. …………….. différents points en déplaçant la souris sur les courbes …………….. de …………….. …………….. …………….. l’écran du PC (dans l’encart bleu du bas de l’écran les infos …………….. …………….. demandées sont affichées et mises à jour à chaque …………….. …………….. …………….. …………….. déplacement de souris). On pourrait également récupérer le …………….. …………….. …………….. fichier CVS et le convertir sous Excel mais c’est un peu …………….. …………….. …………….. fastidieux pour les élèves ! …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. …………….. Q16.Tracer, ci-dessous, les courbes précitées.


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Q17. Donner les valeurs de Pmax, Imax, et Vmax.

Réponse : Résultats obtenus pour PVE sous projecteur halogène à 400W. Pmax = 0.973 W, Imax = I short = 0.058 A et Vmax = Vopen 20.07 V. Q18. Pour quel courant débité a-t-on la puissance maximale délivrée ? À quelle tension de sortie de PVE cela correspond-t-il ?

Réponse : Résultats obtenus pour PVE sous projecteur halogène à 400W. Pmax = 0.973 W pour Ipmax = 0.0553 A et Vpmax = 17,6 V. Q19. Déterminer les dimensions de la partie efficace du panneau, calculer sa surface en m2.

Réponse : D’après le constructeur (mais voir les espaces « vides » !!!) : 246.10-3 x 214.10-3= 52644.10-6 m² soit # 0.053 m² Q20. À partir des mesures réalisées calculer la puissance crête que pourrait produire ce panneau, dans les mêmes conditions d’éclairement au m², s’il faisait 1m sur 1m.

Réponse : 0.053 m² fournissent 0.973 Wcrête. Dans les conditions optimales on peut espérer : 0.973 /0.053 = 18.36 W. Q21. D’après son constructeur un panneau photovoltaïque de ce type est, capable de produire, à puissance maximale, 110 à 130W/m² par grand soleil. Que peut-on conclure quand on compare nos résultats avec cette valeur annoncée ?

Réponse : Notre projecteur halogène de 400W ne diffuse pas un éclairement équivalent à celui envisagé (grand soleil), loin de là (rapport d’environ 1/10)! Dès que l’on dépasse 1W il faut absolument que les panneaux soient placés à l’extérieur pour bénéficier d’une lumière bien meilleure que celle de l’éclairage artificiel qui ne peut convenir que pour de petites applications électroniques (horloge par exemple).


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Q22. À partir de la documentation des panneaux, fournie en annexe, compléter le tableau comparatif ciaprès. Les résultats de la question précédente, sont-ils confirmés ?

Réponse : Caractéristiques électriquesDonnées constructeurs (STC : 1000W/m², 25°C)Valeurs mesurées dans les conditions de l’essaiTension à vide : Vopen (V) 2120.07Courant de court-circuit: Ishort (A) 0.340.058Puissance max : Wp (W)50.973Tension à p max : Vmp (V)16.817.6Courant à p max : Imp (A)0.30.0553 Bilan : Nous sommes assez loin des données du constructeur, mais la qualité de notre éclairement n’a rien à voir avec les 1000W/m² du soleil (par très beau temps !).

V. ACTIVITÉ - COMPLÉMENTAIRE : MESURES DES PUISSANCES EN JEU. Demander, si besoin, le matériel nécessaire au montage représenté en annexe 4. Effectuer le raccordement. Les mesures des différentes puissances se feront en plusieurs fois suivant la disponibilité du matériel et en fonction de la démarche à mettre en place. Faire vérifier l’ensemble par l’enseignant. Les mesures sur les panneaux se feront, à tour de rôle, avec le projecteur à sa pleine puissance dirigé face au PV étudié. Q23. Proposer un moyen permettant de faire fonctionner l’éclairage à plein, lors de la mesure de la puissance délivrée par la batterie.

Réponse : Ouvrir le « circuit courant » des panneaux pour simuler l’obscurité. Q24. Compléter le tableau suivant : P produite par les panneaux photovoltaïques (W) Ptot = PPV1 + PPV2 = (0.12 x15.5) + (0.133 x 15.48) = 1.86 + 2.064 # 3.92W

P délivrée par la batterie (W) 0.585 x 12.73 # 7.45 W

Éteindre le projecteur.


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Q25. Quel est le constituant du Luméa qui fournit la puissance électrique aux LEDs ?

Réponse : La batterie fournit la puissance électrique aux leds. Q26. Quel est véritablement le rôle des panneaux photovoltaïques ?

Réponse : Leur rôle est de recharger la batterie.

Q27. Dans les conditions de l’activité*, combien de temps faudrait-il aux PV pour fournir à la batterie l’énergie qu’elle perd pendant 45 secondes de fonctionnement ? On suppose que pendant ce temps le Luméa n’est plus sollicité. On rappelle que l’énergie W est définie par : W=Pxt avec : P puissance en W, t : temps en secondes, W : énergie en J. 1J = 1Watt x 1 seconde.

Réponse : L’énergie délivrée par la batterie en 45s de fonctionnement de l’éclairage à pleine puissance est égale à : 7.45 x 45= 335,25 W.s. Dans les conditions de l’activité, les 2 PV fournissent 3,92 W. On peut en déduire que pour rendre à la batterie l’énergie dépensée, il faut : 335,25 / 3,92 # 85.5 s. Pratiquement deux fois le temps d’éclairage. ∗ À comparer aux intensités lumineuses obtenues en extérieur sous lumière naturelle.

Déposer le raccordement et ranger le poste de travail !


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Annexe 1: Documentation technique des panneaux photovoltaïques.


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Annexe 2: Complément de mesures réalisées sur les panneaux photovoltaïques: « essai sous basse luminosité ».

Tension panneau sous très faible irradiance et sans lumière artificielle tension panneau à vide (V)

Relev és réalisés à la lum ière nat urelle au t ravers d'un e vit re ( variatio n obt enue p ar des st ores)- mars 20 12.

6.5 6 5.5 5 4.5 4

# 3.8 V 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5

lux mesurés 5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

-0.5


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Annexe 3: Exemples de valeurs d’intensité lumineuse rencontrées. Intensité lumineuse

Exemple

120 000 lux

Soleil direct

20 000 lux

Ciel bleu à midi

10000 - 25000 lux

Ciel nuageux à midi

400 lux

Aube ou au crépuscule, par temps clair

< 200 lux

Ciel très nuageux

40 lux

Entièrement couvert

< 1 lux

Nuage de tempête, cas exceptionnels