L'effet
photovolta�que, onduleur.
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D�couvert
en 1839 par A. Becquerel, l'effet photovolta�que permet la
transformation de l'�nergie lumineuse en �nergie �lectrique. Lorsqu'un
photon suffisamment �nerg�tique frappe la jonction PN au niveau de la
bande de d�pl�tion, il fait passer un �lectron de la bande de valence �
la bande de conduction, et cr�e ainsi une paire �lectron libre - trou
libre. Sous l'action du champ �lectrique dans la zone de d�pl�tion,
l'�lectron et le trou vont se d�placer dans le semi-conducteur. Les
cellules photovolta�ques fonctionnent sur ce principe.
25.
Exprimer l'�nergie d'un photon en pr�cisant le nom et l'unit� de chaque
terme. Apr�s avoir rappel� l'intervalle des longueurs d'onde dans le
vide correspondant � la lumi�re visible, exprimer les �nergies minimale
et maximale des photons pour la lumi�re visible.
E = h v = h c / l.
h : cponstante de Planck ; v
: fr�quence en Hz ; l
: longueur d'onde ( m) ; c : c�l�rit� de
la lumi�re dans le vide ( m / s).
Les longueurs d'onde du visible sont comprises entre 400 ( bleu) et 800
nm ( rouge ).
Emini = 6,62 10-34 x 3 108 /(800 10-9)
=2,48 10-19 J ou 1,55 eV.
.Emaxi
= 6,62 10-34 x 3 108 /(400 10-9) =4,96
10-19 J ou 3,10 eV.
26.
Comparer l'�nergie de gap du silicium ( 1,11 eV ) aux valeurs des
�nergies des photons de la lumi�re visible. Quelle en est la
cons�quence lorsqu'une jonction est �clair�e par de la lumi�re visible ?
Les �nergies des photons de la lumi�re visible sotn sup�rieures au gap
du silicium. Ils sont donc tous absorb�s.
27.
Repr�senter le champ �lectrique en diff�rents points de la zone de
d�pl�tion, ainsi que les forces �lectriques subies par un �lectron ou
un trou qui serait situ� dans cette zone.
28
Lorsqu'on place une r�sistance aux bornes de la jonction PN, on
constate que celle-ci est travers�e par un courant �lectrique.
Expliquer l'origine de ce courant. Indiquer son sens.
Des
paires d'�lectrons trous sont cr��es au niveau de la jonction lors de
l'absorption des photons. Sous l'action du champ �lectrique, les trous
se d�placent vers la gauche et les �lectrons vers la droite. D'o�
l'existence d'un courant �lectrique i.
La cellule photovolta�que.
Les caract�ristiques tension-intensit� d'une cellule photovolta�que
obtenues pour diff�rentes valeurs de la puissance surfacique lumineuse
re�ue sont donn�es. La temp�rature de la cellule est maintenue � 25 �C.
29. Pr�ciser sur le
symbole normalis� de la cellule ( diode de jonction ), les conventions
d'orientation de l'intensit� et de la tension.
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30.
Pour une puissance surfacique de 1000 W m-2,
d�terminer � partir de la figure :
- la tension � vide U0 aux bornes de la cellule en circuit
ouvert.
- l'intensit� Icc du courant �lectrique qui traverse la
cellule lorsqu'elle est en court-circuit.
U0 = U ( I = 0) = 0,6 V ; Icc= I( U = 0) = 3 A.
31. Recevant une
puissance surfacique de 1000 W m-2,
la cellule alimente une r�sistance de valeur R. D�terminer R pour
que la puissance fournie � la r�sistance soit maximale.
R = 0,48 / 2,7 ~0,18 ohm.
Les cellules sont assembl�es pour donner des panneaux photovolta�ques.
On donne les caract�ristiques du panneau pour plusieurs valeurs de la
puissance surfacique d'ensoleillement.
32. Indiquer en
justifiant comment sont associ�es les cellules photovolta�ques pour
obtenir un panneau photovolta�que. Faire un sch�ma de cette association.
Icc total = 9 A = 3 Icc ; U0 total
~42 V = 70 U0.
On associe 70 cellules en s�rie. On monte en parall�le 3 fois 70
cellules en s�rie.
33. Proposer une
activit� exp�rimentale r�alisanle en classe de Sti2d,en lien avec les
trois questions pr�c�dentes.
But :
d�terminer le rendement nominal d'un panneau solaire ?
Mat�riel :
un panneau solaire, un projecteur, une r�sistance variable de 1 � 100
ohms , un luxm�tre, un voltm�tre, un amp�rem�tre, des fils, un
ordinateur �quio� d'un tableur grapheur comme r�gressi.
R�sultats :
tracer la caract�ristique I = f(U) ou P = f(U) ; en d�duire la
puissance nominale.
Le luxm�tre donne la puissance surfacique re�ue par le panneau.
Mesure les dimensions du panneau pour d�terminer sa surface.
Calculer le rendement et conclure.
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Des panneaux photovolta�ques au r�seau
�lectrique.
Un
onduleur permet de transf�rer l'�nergie �lectrique des panneaux
photovolta�ques, source d'�nergie �lectrique continue, � une charge
fonctionnant en alternatif. L'�nergie �lectrique ainsi produite est
directement consomm�e par le propri�taire de l'installation ou d�livr�e
� un r�seau de distribution. Cette partie �tudie le principe de
fonctionnement d'un onduleur.
34.
Donner les caract�ristiques �lectriques de la tension v d�livr�e par
EDF : fr�quence, valeur efficace, amplitude. Tracer son chronogramme
v(t).
Valeur efficace : 230 V ; fr�quence : 50 Hz ; p�riode 0,02 s ;
amplitude 230 x2�~325 V.
Le sch�ma du circuit �lectrique mod�lisant l'onduleur est ke suivant :
E est la force �lectromotrice constante et positive d'une source de
tension id�ale.
La commande des interrupteurs que l'on suppose parfaits est la suivante
:
pour 0 < t < 0,5 T, K1 et K3 sont ferm�s et
K2 et K4 sont ouverts.
pour 0,5T < t < T, K1
et K3 sont ouverts et K2 et K4 sont
ferm�s.
35.
Tracer le chronogramme de la tension u(t).
Pour 0 < t < 0,5 T, u(t) = E.
Pout 0,5 T < t < T, u(t) = -E.
36.
D�finir la valeur efficace d'un signal p�riodique quelconque puis
�tablir la valeur efficace de la tension u(t) en fonction de E.
Comparer � la valeur efficace d'un signal sinuso�dal d'amplitude E.
37.
La d�composition en s�rie de Fourier de u(t) s'�crit :
Comment appelle-t-on le premier terme et les termes suivants ?
Justifier que cette d�composition ne fait appara�tre que des fonctions
sinus.
Le premier terme est le fondamental et les termes suivants sont les
harmoniques.
u(t) est une fonction impaire : sa d�composition en s�rie de Fourier ne
comporte que des fonctions imapires, donc des fonctions sinus.
38. Repr�senter le
spectre en amplitude de la fonction u(t).
Justifier que l'association RLC est un filtre qui permet d'obtenir en
sortie une tension u(t) sinuso�dale similaire � celle du r�seau EDF
avec en entr�e la tension u(t). Nommer le filtre et repr�senter
l'allure de son diagramme de Bode.
Fr�quence du fondamental f1 ; fr�quence des harmoniques : fn
= (2n+1) f1.
Amplitude des harmoniques : 4E / (p (2n+1)).
Le circuit RLC est un filtre passe bande ; s(t) = uR(t) et
e(t) = uR(t) + uL(t) +uc(t).
Fonction de transfert complexe : H(jw) = R / (R + j(Lw-1/(Cw)).
On pose : 
H(jw) = s / e
expression du gain G(w): norme de la fonction de transfert
g = 20 log G(x) = -10 log [ 1+Q�(x-1/x)�], g exprim� en
d�cibel (dB)
recherche des asymptotes :
lorsque x tend vers 0+, g tend vers moins
l'infini
1 est n�gligeable devant Q�/ x�
g �quivalent � : -20 logQ + 20
log x �quation de l'asymptote.(pente 20 dB
par d�cade)
lorsque x tend vers l'infini, g tend vers moins l'infini
:
1 est n�gligeable devant Q�x�
g �quivalent � : -20 logQ - 20
log x �quation de l'asymptote.(pente -20
dB par d�cade)
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39. Sur
un toit orient� au sud-est et inclin� de 30� par rapport �
l'horizontale ( facteur de correction 0,96 ), un particulier a install�
10 panneaux photovolta�ques dont les caract�ristiques sont donn�es
ci-dessus.
A
partir des donn�es ci-dessous, estimer l'�nergie maximale que pourra
produire ce particulier au cours d'une journ�e en consid�rant qu'un
syst�me de r�gulation permet au panneau de d�livrer une puissance
maximale. D�tailler les calculs.
Entre 8 h et 14 heures la puissance surfacique cro�t de mani�re � peu
pr�s lin�aire ; elle d�cro�t de 14 h � 20h de mani�re � peu pr�s
lin�aire.
Puissance moyenne re�ue par les panneaux solaires : Pmoy =
1/(20-8) ( 800 (14-8) / 2 +800 (20-14) / 2)= 400 W m-2.
Puissance cr�te correspondante : 142,1 W.
Tenir compte du facteur de correction : 0,96 x142,1 ~136 W.
Energie totale : 136 x10 x24 ~3,3 104 Wh = 33 kWh par jour.
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