Le document discute de la conversion de l'énergie solaire en électricité, en soulignant les difficultés techniques liées aux variations du rayonnement, à la nécessité de batteries et à la différence entre courant continu et alternatif. Il aborde également l'importance des régulateurs et des onduleurs pour un fonctionnement sûr et efficace des installations photovoltaïques. Enfin, il propose une approche pédagogique pour aider les élèves à comprendre ces systèmes à travers des expériences pratiques et une documentation appropriée.

1. SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME
Représente la chaîne directe de
la conversion de l’énergie solaire
en énergie électrique utilisable
avec en indication la nature des
grandeurs électriques
Ce n’est pas un schéma
fonctionnel ou de
raccordement

2. alimentations électriques faibles puissances
Les alimentations électriques faibles telles que les
calculettes ou les chargeurs de piles.
Des modules PV peuvent faire fonctionner n'importe quel
appareil alimenté par des piles.
CE NE SONT PAS…
installations électriques photovoltaïques raccordées au réseau, bien
que l’on s’en approche et qui peut constituer une extension du sujet
ENVISAGER DES
EXPLORATIONS
SUPPLEMENTAIRES ?

3. Inventaire des problèmes :
le rayonnement est variable (météo, nuit) ; ce n’est pas
une grandeur stationnaire !
les besoins sont en journée et la nuit
les batteries se justifient complètement ; INDISPENSABLES
mais les batteries : durée de vie limitée, encombrement,
recyclage difficile et polluant, précautions d’emploi sous
peine de danger et de réduction de sa durée de vie.
certains appareils sont conçus pour être alimenté en DC
mais d’autres (la plupart) demandent une alimentation en
AC…et pour certains, de bonne qualité.
SOUS SYSTEME 1 : SITUATION PROBLEME
RESSOURCE PROPRE
INEPUISABLE
INTERMITTANTE
CHANGER DE MODE DE VIE ?
POUR LA NUIT ?
ELEMENT POLLUANT DU
SOLAIRE
POURQUOI NE PAS BASCULER EN DC ?

4. UN SCHEMA PLUS COMPLET…
source : Hespul
Énergie solaire
Double flèche
Simple flèche
Simple flèche
Vocabulaire
Liaisons
Sens de transfert
Utilisation

5. L’onduleur n’est
pas représenté
connecté à la
batterie mais au
régulateur…
…voir les
documentations
techniques des
constructeurs…

6. UN SCHEMA PLUS COMPLET…
IMPOSSIBILITE DE TRAVAILLER SUR UN SYSTEME A
FORTES PUISSANCES  PRENDRE UN « BON »
MODELE AVEC UN SYSTEME REDUIT
BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS
ESSENTIELS…QUE L’ON DOIT RETROUVER
DANS LE SYSTEME REDUIT
EST-IL FIABLE ?
Que signifient les flèches de liaison ?
Est-ce les « bonnes liaisons » ?
Où sont les protections des appareils ou des usagers ?
Est-ce le bon vocabulaire : scientifique, technique, commercial ?

7. BIEN IDENTIFIER LES FONCTIONS OU BLOCS
ESSENTIELS…QUE L’ON RETROUVE DANS LE
MODELE OU LA MAQUETTE
Énergie solaire et rayonnement solaire
Champ photovoltaïque ou panneau(x) solaire(s)
Régulateur.
Batterie d’accumulateurs.
Onduleur.
Récepteurs (équipements domestiques).

8. Pas d’entrée onduleur : celui-ci se branche sur la batterie
La batterie se branche sur le régulateur (polarisation)
Sortie pour appareils alimentés en DC
BATTERIE
PANNEAUX
APP. DC
Utilisation de matériels professionnels
et de la documentation du constructeur
qui induisent du questionnement…

9. POUR PARVENIR A CES
CONCLUSIONS
Les panneaux ne sont pas connectés directement aux
charges : A JUSTIFIER
L’appareil qui permet la connexion des panneaux aux
applications est le régulateur.
Il assure une « adaptation de puissance ».
La batterie, indispensable pour fournir et stoker l’énergie
est connectée au régulateur ; c’est elle qui fournit la
puissance aux appareils : A JUSTIFIER
Conclusion : Les panneaux servent à recharger la
batterie et ne fournissent généralement pas la puissance
aux charges.
L’onduleur ne fait que transformer la nature du signal
électrique : A MONTRER.

10. CAR LE BUT N’EST PAS DE FORMER DES
TECHNICIENS EN INSTALLATION MAIS DES CITOYENS
AVEC UNE BONNE CULTURE SCIENTIFIQUE ET
TECHNIQUE QUI LEUR PERMETTRA
EVENTUELLEMENT DE S’ADAPTER A UNE
FORMATION PROFFESSIONNELLE
PRENDRE UN SYSTEME REDUIT MAIS CREDIBLE QUI
INTEGRE NEANMOINS LES FONCTIONS
ESSENTIELLES DU SYSTEME INITIAL
CONFRONTER PAR UNE VISITE DU SITE REEL LES
EXPLOITATIONS PEDAGOGIQUES POUR
COMPLETER
TROUVER UN MODELE FIABLE…

11. CE N’EST PAS UN TRAVAIL DE CONCEPTION QUE
L’ON DEMANDE AUX ELEVES MAIS UN TRAVAIL
D’ANALYSE A PARTIR D’UN SYSTEME REEL.
ASSEMBLER DES ELEMENTS « GRAND PUBLIC »
REELS POUR REALISER UNE CHAINE PEDAGOGIQUE
PERMETTANT DE FAIRE DES ESSAIS ET DES
MESURES
en toute sécurité pour le matériel : c’est du matériel
professionnel avec des protections intégrées
en toute sécurité pour l’expérimentateur : on reste en
TBT sauf en sortie de l’onduleur…)
avec des appareils de mesures de lycée
CHOIX DU MODELE REDUIT …

12. Régulateur de charge
solaire 12 V – 30 A
(Tension de charge
de la batterie)
Coffret panneaux solaires 13 W
derrière un vitrage !!
Convertisseurs DC AC
300 W

13. QUEL MATERIEL CHOISIR ?
Et tenir compte de la disponibilité des stocks, du coût…
Les panneaux solaires
Consulter de la documentation en ligne et constater les
divergence de vocabulaire, des spécifications, des valeurs
tests, des conditions d’utilisations…
Exploiter de la documentation constructeur par les élèves…
Les régulateurs (« solaires »)
Les batteries (« solaires »)
Les convertisseurs DC/ AC

14. DIMENSIONNEMENT
Charges coté alternatif On disposait de charges alternative sous 230 V en 60 W.
P = 300 W (S = 300 VA) U = 230 V - I = 1,7 A si trop faible délicat à mesurer
avec pince ampère-metrique. Choix d’un convertisseur 300 W donc sous 12 VDC
cela fait 25 A !
Applications coté continu : moteur DC 12 V – 2 A, ampoule 12 V – 20 W
Choix du régulateur : sortie 12 V et sortie 30 A (25 A dc batterie et 2 A dc autre)
Batterie : accu. plomb avec C = 7,6 Ah soit 0,76 A durant 10 h.
Ub = 12 V - Ib = 25 A maxi section des fils ; batterie non spécialisée
Donc sortie régulateur 12 V mais 30 A au moins ;
Dimensionnement des panneaux : pourquoi pas 300 W ?
Encombrement – compréhension de la chaîne nécessaire pour rôle des panneaux
Pourquoi 13 W et pas 80 W pour montrer au moins la possibilité de pouvoir
alimenter les charges par « liaison directe » en cas de condition d’éclairement
optimale ? Disponibilité – prix.

15. La « maquette » est un bon compromis.
Qui permet néanmoins de montrer :
La différence entre énergie et puissance
Montrer les limites du système
Montrer le rôle des blocs fondamentaux
Montrer le rôle centrale et la gestion de la batterie
Montrer les différentes formes de puissance électrique (DC
ou AC)
Montrer les caractéristiques des appareils, les valeurs
optimales les différences entre le vocabulaire technique et
commercial
DIMENSIONNEMENT ?

16. Charges à courant continu sous 12 ou
24 V: moteurs, éclairage...
Soleil et
rayonnement
solaire à travers
l’atmosphère
Panneau solaire ou panneau
photovoltaïque PV
Régulateur « de charge solaire »
avec sortie DC en 12 ou 24 V
Batterie « solaire »
Convertisseur de tension ou
inverseur ou onduleur DC/AC
Charges à alternatif : moteurs des
appareils électroménagers,
éclairage...sous 230 V AC – 50 Hz

17. …POUR REMPLIR DES EXIGENCES DU
PROGRAMME STL-ST2D ET COUVRIR
L’EXEMPLE 1 DE L’ENSEIGNEMENT DE
SPECIALITE DE SCIENCES PHYSIQUES ET
CHIMIQUES EN LABORATOIRE PARTIE
SYSTEMES ET PROCEDES
Intitulé : Production autonome d'électricité
Système étudié : installation photovoltaïque.
UN DISPOSITIF DIDACTIQUE ADAPTE…

18. Entrée : Sortie :
Rayonnement solaire Puissance électrique
Besoins : alimentation autonome en électricité
Fonctions Notions et contenus des programmes Notions et contenus
complémentaires
Capture de l'énergie solaire Coefficient de transmission énergétique Matériaux
Conversion de l'énergie
solaire en énergie électrique
Spectre de la lumière du soleil, longueur d'onde
Énergie et puissance électriques
Caractéristique d'un
générateur
Effet photovoltaïque
Interaction rayonnement matière
Énergie d'un photon
Conversion photovoltaïque
Mesure de flux lumineux
Photo détecteurs
Stockage de l'énergie Transformations chimiques et transformation d'énergie
électrique
Piles, accumulateurs, piles à combustibles
Régulation de la puissance
fournie à la batterie par la
cellule
Loi des nœuds et lois des mailles Régulation
Conversion statique de
l'énergie électrique (continu
alternatif)
Énergie et puissance électrique
Bilan énergétique
Convertisseurs statiques
Surveillance et mise en
sécurité de la batterie
Chaîne de mesure
Exemple 1 : production autonome
d'électricité
Système étudié : installation
photovoltaïque
ONDULEUR
REGULATEUR
BATTERIE
PANNEAU SOLAIRE
OU
PHOTOVOLTAIQUE

19. Dimensionnement reste crédible
Pas de protections des systèmes (disjonction DC et AC,
parafoudre…) ou des usagers (prise de terre ?)
Essais aléatoires : ensoleillement (saison) ; dans la salle de
TP, derrière un vitrage, c’est moins direct qu’en extérieur…
Batterie de plus faible capacité donc autonomie réduite à
moins d’investir dans des batteries spéciales dites
« solaires »
Coûts d’investissement plus élevés si on souhaite comparer
différentes techniques ou technologie : exemple du
régulateur (PWM, MPPT), convertisseurs DC/AC ou à
« sinusoïde modifiée » ou onduleur dit sinus pur
AVOIR A L’ESPRIT LES LIMITES DU MODELE
ET LES MOYENS DU LABORATOIRE…

20. IDENTIFIER par une première approche globale les
principales caractéristiques du système :
- fonction(s) globale(s) réalisée(s) ;
- grandeurs ou flux d'entrée et de sortie ;
- principales performances attendues ;
- dimensions économique et sociétale.

21. ENERGIE
SOLAIRE
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Régulateur
Convertisseurs
DC / AC
Onduleur
Appareils
Électriques
AC
Appareils
Électriques
DC
Énergie électrique
Pertes (chaleur)
Énergie
« Utile »
Énergie
« Utile »
Énergie rayonnant
Batteries
Panneaux
Solaires
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Pertes
(chaleur)
ENVIRONNEMENT
Pertes (chaleur)
fonction(s) globale(s)
réalisée(s) ;
grandeurs ou flux
d'entrée et de sortie ;
Bilan de conversion
et bilan d’énergie

22. Régulateur
Batteries
ENERGIE
SOLAIRE
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Convertisseurs
DC / AC
Onduleur
Appareils
Électriques
AC
Appareils
Électriques
DC
Puissance
électrique
Pertes (chaleur)
Puissance
« Utile »
Puissance rayonnant ou flux
Panneaux
Solaires
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Pertes
(chaleur)
ENVIRONNEMENT
Pertes (chaleur)
Puissance instantanée
conditions :
jour et excel.
éclairement
Puissance
« Utile »
13 W
200 W
50 W
10 W
210 W
42 W
5 W
Et pendant combien de
temps ?

23. Donc les schémas suivants sont faux et dangereux !!
Ils laissent penser que la
conversion est directe et
suffisante en puissance.

24. Pertes (chaleur)
80 W
ETOILES , NUAGES ?
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Régulateur
Convertisseurs
DC / AC
Onduleur
Appareils
Électriques
AC
Appareils
Électriques
DC
Puissance
électrique
Puissance
« Utile »
Puissance rayonnant ou flux
Batteries
Panneaux
Solaires
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Pertes
(chaleur)
ENVIRONNEMENT
Puissance instantanée
conditions nuit ou
éclairement très faible
Puissance
« Utile »
12 W
2 W
14 W
5 W
85 W
Combien de temps ?
AUTONOMIE

25. Recharge de la batterie
ENVIRONNEMENT
ENERGIE
SOLAIRE
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T
Régulateur
Convertisseurs
DC / AC
Onduleur
Appareils
Électriques
AC
Appareils
Électriques
DC
Puissance
électrique
Pertes (chaleur)
Puissance rayonnant ou flux
Batteries
Panneaux
Solaires
E
N
V
I
R
O
N
N
E
M
E
N
T Pertes (chaleur)
Puissance
Chimique
13 W
11 W
2 W
Puissance
instantanée
conditions :
jour et excel.
éclairement et pas de
consommation

26. QUEL TRAVAIL AVEC LES ELEVES ?

27. Puissance électrique
Courant quelle forme ?
Tension (quelle forme ?)
Caractéristique électrique
Paramètres influents
Comment s’effectue la
conversion ?
Rendement ?
Peut-on la quantifier ?
LE PANNEAU SOLAIRE
ENERGIE
SOLAIRE
Panneaux
Solaires
ENVIRONNEMENT
Pertes
Énergie
électrique Régulateur
Pourquoi faut-il le régulateur ?
Quel point de fonctionnement ?
MESURES – ESSAIS
OBSERVATIONS
ETUDE DE DOCUMENTS

28. ENVIRONNEMENT
LA BATTERIE :
RESERVOIR D’ENERGIE ET SOURCE DE PUISSANCE
Énergie
chimique
Pertes
Régulateur
Énergie
électrique Batteries
Comment s’opère la conversion ?
Comment régule-t-il ?
Énergie
chimique
Pertes
Régulateur Batteries
Énergie
électrique
Courant quelle forme ?
Comment s’opère la conversion ?
ESSAIS et OBSERVATIONS
Combien de temps ?

29. ENVIRONNEMENT
LA CONVERSION DC/AC :
ENVIRONNEMENT
Convertisseurs
DC / AC
Onduleur
Appareils
Électriques
AC
Courant et tension
DC ?
Pertes
Mécanique
Énergie
chimique Batteries
Énergie
électrique
Énergie
électrique
Courant et tension
AC ?
Lumineuse
Électronique
OBSERVATION ET
MESURE ET BILAN DE
PUISSANCE