DM 1SSI 2ème partie corrigé

213016 1

BORNE ESCAMOTABLE SOLAIRE

Présentation du système

Le dispositif étudié est un système permettant de limiter ou d"interdire la circulation dans des

zones à accès réservé. Ce dispositif comporte :

_un caisson intégrant la partie opérative, à savoir une borne motorisée rétractable dans le sol,

_un caisson intégrant la partie commande comportant : - une platine électronique de gestion, - une batterie d"alimentation électrique du système, - des cellules photovoltaïques assurant la charge de la batterie.

Vue d"ensemble du système

Problématique et objectif de l"étude

Selon son concept innovant et breveté, le système utilise un module solaire pour recharger sa batterie. L"installation d"une borne de ce type ne nécessite aucune tranchée, aucun raccordement, ni abonnement EDF ; son alimentation est gratuite et peut être envisagée sur n"importe quel site. Cependant, le fonctionnement du système est limité à un nombre de cycles dont la valeur dépend des conditions d"ensoleillement. La problématique majeure pour ce système est donc d"atteindre une autonomie suffisante, tout en minimisant le coût et l"encombrement des moyens de production et de stockage de l"énergie électrique.

L"objectif général de l"étude est de modéliser le système pour quantifier sa consommation

énergétique et son autonomie.

Fonction Critère Niveau

FP Temps de sortie (ou de rentrée)

Hauteur de la borne de sortie

correspondant à la course de la borne

Diamètre de la borne

Poids maximum supportable sur plot

relevé

6 s maximum

500mm

210 mm

80daN
2

Poids maximum supportable sur le plot

abaissé

Poids maximum supportable lors de la

montée du plot

Autonomie 15 000 daN

80 daN maximum en fin de course du plot

100 cycles par jour en été 50 cycles par jours en hiver

FIABILITE : Durée de vie > 10 000 heures de fonctionnement

Autonomie du système

L"objectif de cette partie est de déterminer l"énergie électrique récupérée pour différentes

conditions d"ensoleillement. Ces valeurs servent ensuite de base pour estimer l"autonomie du système.

Le système puise son énergie du soleil, grâce à un panneau solaire constitué de 36 cellules

photovoltaïques.

Etude expérimentale

On utilise le montage suivant:

3

La cellule solaire est éclairée à l"aide de la lampe. On remarque que les conditions optimales sont

obtenues lorsque les rayons lumineux frappent perpendiculairement sa surface que l"on situe à environ

10cm de la lampe.

La puissance lumineuse est définie par unité de surface. On la mesure à l"aide d"un luxmètre que l"on

positionne comme la cellule. Celui-ci nous indique 20 000 Lux soit 200 W/m

2 (ce qui correspond à un

temps extérieur couvert). La température mesurée à la surface du boîtier plastique contenant la cellule

est de 30°C.

Il est intéressant de prendre au préalable quelques mesures de puissance lumineuse en intérieur, sous

lumière naturelle, sous l"éclairage d"une lampe, puis en extérieur sous différentes conditions

météorologiques. On note les résultats suivants :

· grand soleil 1000 W/m2 ;

· ciel couvert 200 à 500 W/m2 ;

· ciel pluvieux 50 à 200 W/m2 ;

· intérieur 300 lux ou 300 lumens/m2 soit 3 W/m2.

Correspondances : 1 lux = 1 lumen/m

2 et 100 000 lux = 1000 W/m2.

Le relevé de la caractéristique s"obtient en faisant varier la valeur de la résistance de la charge Rc.

On relève les valeurs de la tension et de l"intensité à l"aide d"un tableur et on obtient la caractéristique

suivante : On décompose Icc en la différence de 2 caractéristiques : 4 On choisit une diode de tension de seuil 0,5V et une source idéale de courant de valeur

220mA pour ce modèle de la cellule solaire.

On affine le modèle et on obtient :

5

1-Déterminer graphiquement la pente de la caractéristique et en déduire RSC inverse de

la pente. (1 point) ∆I/∆U =0,125/ (0,5-0,47) =4,16 S (A/V) R

SC= 0,24Ω

Rendement

Le rendement se détermine à partir de la formule: La puissance absorbée par la cellule photovoltaïque correspond au produit de la puissance lumineuse surfacique par la surface de la cellule photovoltaïque. La surface de la cellule est celle d"un carré dont un côté a pour mesure 5 cm. 2- Dans nos conditions d"utilisation, 200 W/m2 et 30°C, calculer la puissance absorbée

Pas (1 point)

La puissance utile de la cellule photovoltaïque correspond à la puissance électrique maximale

qu"elle peut fournir pour un ensoleillement donné, appelée aussi puissance crête. On recherche le point de puissance maximum MPP (Maximum Power Point) sur la

caractéristique que l"on a tracé, à l"aide du tableur. Le rectangle (produit de la tension et de

l"intensité correspondante) qui a la plus grande surface indique la puissance crête. 6

3-Calculer Pmax (1point)

Dans nos conditions d"utilisation, 200 W/m2 et 30°C, on trouve pour le point de puissance max : 7

Ce qui donne pour la puissance utile :

P max=0,4x0,185=74mW

4-En déduire le rendement : (1 point)

Rendement calculé dans les STC

On peut aussi calculer un rendement de la cellule solaire à partir des données de la notice. Elle

indique 500mA - 0,5V environ, pour un éclairement maximum. Ces données très succinctes nécessitent quelques précisions. Elles correspondent aux conditions de test standard STC (Standard Test Conditions) à savoir 1000 W/m

2 et 25°C en température de jonction. Ces tests

sont réalisés sous des éclairements flash. Les données de l"intensité et de la tension

correspondent au MPP (des mesures dans des conditions proches des conditions standard nous ont permis de faire cette vérification). Les calculs donnent :

On en déduit le rendement:

D"autres mesures en irradiation solaire montrent que les rendements varient avec la puissance lumineuse et la température : · 1000 W/m2 et 25°C on mesure un rendement de 10% · 150W/m2 et 20°C on mesure un rendement de 13,8% · 36W/m2 et 14°C on mesure un rendement de 3% On souhaite réaliser un module solaire conforme à celui d"un constructeur, à partir des cellules photovoltaïques étudiées. Module SM - 110 - 24V (Total Energy) ; la plaque signalétique nous indique · Dimension S = 0,9m2

· Puissance crête (STC) P= 110W

· Tension 24V

· Tension de circuit ouvert 42V

· Tension à puissance max 35V

5-Déterminer sur cette plaque signalétique les données qui permettent de déterminer le

point de puissance max de ce module. ( 1 point) 8

6-En déduire l"intensité à puissance maximale : (1 point)

Nous allons déterminer combien faut-il de cellules photovoltaïques et comment faut-il les associer pour obtenir un module de puissance utile identique à celui du constructeur?

7-Déterminer le nombre de cellules à associer en série dans une branche : (1 point)

8-Déterminer le nombre de branches nécessaires : (1 point)

9-Conclure sur le nombre de cellules : (1 point)

10-Déterminer la surface qu"aura le module solaire : (1 point)

11-Comparer avec la surface du panneau Module SM - 110 - 24V : (1 point)

Ce résultat est assez conforme à celui du constructeur qui a une surface de 0,9m2.

12-Dans le cas idéal qui correspond à un éclairement identique de toutes les cellules,

calculer le rendement du module qui doit correspondre à celui d"une cellule à l"aide des résultats précédents. (1 point)

En pratique, le rendement d"un module solaire est toujours légèrement inférieur à celui d"une

cellule car les cellules associées ne sont pas toutes identiques, il en résulte des pertes d"adaptation. Le rendement est toujours calculé au point de puissance max (MPP). Il est donc nécessaire

qu"une installation fonctionne en ce point afin d"optimiser la production d"énergie électrique.

9

Un système d"adaptation réalise la poursuite en temps réel du point de puissance crête. Ce

système est appelé MPPT (Maximum Power Point Tracking).

13-Calculer le rendement du module constructeur à partir des données de sa plaque

signalétique donne : (1 point) Les rendements des modules photovoltaïques varient suivant la technologie et la fabrication.Ils s"échelonnent aujourd"hui entre 12 et 17%. Installation photovoltaïque de la borne escamotable

14-Calculer la puissance utile pour la montée de la borne à l"aide de la formule

suivante : Pu=F*v (1 point)

V=hauteur/durée=0,5/6=0,083m/s

P=800N*0,083m/s=66,67W

15-Sachant que le rendement de la chaine d"énergie jusqu"au moteur est de 70% en

déduire la puissance électrique en entrée du moteur (1 point)

Pe=66 ,6/0,70=95,2W

Tension batterie choisie 48V

16-Déterminer le nombre de cellules en série. (1 point)

Ncellules = 48/0,5=96 cellules en série

17-Déterminer l"intensité du courant nécessaire. (1 point)

I=P/U=95,2/48=1,98A

18-En déduire le nombre de branche : (1 point)

Nombre de branches : Nb=1,98/0,5=3,96#4 branches

19-Déterminer au total le nombre de cellules : (1 point)

96*4=384 cellules soit une surface 5cmx5cmx384 #0,96m2

10

II-Régulation de charge

Le panneau, la batterie et la motorisation du système sont reliés grâce à un dispositif appelé

régulateur de charge Régulateur de charge pour système photovoltaïque

A. Présentation générale

Le régulateur de charge est un dispositif électronique au fonctionnement entièrement

automatique. Il relie le panneau photovoltaïque, la batterie et les équipements destinataires de

l"électricité produite.

Sa fonction principale est de contrôler l"état de charge de la batterie. Il autorise la charge

complète de celle-ci en éliminant le risque de surcharge. Il peut également interrompre 1

BORNE ESCAMOTABLE SOLAIRE

Présentation du système

Le dispositif étudié est un système permettant de limiter ou d"interdire la circulation dans des

zones à accès réservé. Ce dispositif comporte :

_un caisson intégrant la partie opérative, à savoir une borne motorisée rétractable dans le sol,

_un caisson intégrant la partie commande comportant : - une platine électronique de gestion, - une batterie d"alimentation électrique du système, - des cellules photovoltaïques assurant la charge de la batterie.

Vue d"ensemble du système

Problématique et objectif de l"étude

Selon son concept innovant et breveté, le système utilise un module solaire pour recharger sa batterie. L"installation d"une borne de ce type ne nécessite aucune tranchée, aucun raccordement, ni abonnement EDF ; son alimentation est gratuite et peut être envisagée sur n"importe quel site. Cependant, le fonctionnement du système est limité à un nombre de cycles dont la valeur dépend des conditions d"ensoleillement. La problématique majeure pour ce système est donc d"atteindre une autonomie suffisante, tout en minimisant le coût et l"encombrement des moyens de production et de stockage de l"énergie électrique.

L"objectif général de l"étude est de modéliser le système pour quantifier sa consommation

énergétique et son autonomie.

Fonction Critère Niveau

FP Temps de sortie (ou de rentrée)

Hauteur de la borne de sortie

correspondant à la course de la borne

Diamètre de la borne

Poids maximum supportable sur plot

relevé

6 s maximum

500mm

210 mm

80daN
2

Poids maximum supportable sur le plot

abaissé

Poids maximum supportable lors de la

montée du plot

Autonomie 15 000 daN

80 daN maximum en fin de course du plot

100 cycles par jour en été 50 cycles par jours en hiver

FIABILITE : Durée de vie > 10 000 heures de fonctionnement

Autonomie du système

L"objectif de cette partie est de déterminer l"énergie électrique récupérée pour différentes

conditions d"ensoleillement. Ces valeurs servent ensuite de base pour estimer l"autonomie du système.

Le système puise son énergie du soleil, grâce à un panneau solaire constitué de 36 cellules

photovoltaïques.

Etude expérimentale

On utilise le montage suivant:

3

La cellule solaire est éclairée à l"aide de la lampe. On remarque que les conditions optimales sont

obtenues lorsque les rayons lumineux frappent perpendiculairement sa surface que l"on situe à environ

10cm de la lampe.

La puissance lumineuse est définie par unité de surface. On la mesure à l"aide d"un luxmètre que l"on

positionne comme la cellule. Celui-ci nous indique 20 000 Lux soit 200 W/m

2 (ce qui correspond à un

temps extérieur couvert). La température mesurée à la surface du boîtier plastique contenant la cellule

est de 30°C.

Il est intéressant de prendre au préalable quelques mesures de puissance lumineuse en intérieur, sous

lumière naturelle, sous l"éclairage d"une lampe, puis en extérieur sous différentes conditions

météorologiques. On note les résultats suivants :

· grand soleil 1000 W/m2 ;

· ciel couvert 200 à 500 W/m2 ;

· ciel pluvieux 50 à 200 W/m2 ;

· intérieur 300 lux ou 300 lumens/m2 soit 3 W/m2.

Correspondances : 1 lux = 1 lumen/m

2 et 100 000 lux = 1000 W/m2.

Le relevé de la caractéristique s"obtient en faisant varier la valeur de la résistance de la charge Rc.

On relève les valeurs de la tension et de l"intensité à l"aide d"un tableur et on obtient la caractéristique

suivante : On décompose Icc en la différence de 2 caractéristiques : 4 On choisit une diode de tension de seuil 0,5V et une source idéale de courant de valeur

220mA pour ce modèle de la cellule solaire.

On affine le modèle et on obtient :

5

1-Déterminer graphiquement la pente de la caractéristique et en déduire RSC inverse de

la pente. (1 point) ∆I/∆U =0,125/ (0,5-0,47) =4,16 S (A/V) R

SC= 0,24Ω

Rendement

Le rendement se détermine à partir de la formule: La puissance absorbée par la cellule photovoltaïque correspond au produit de la puissance lumineuse surfacique par la surface de la cellule photovoltaïque. La surface de la cellule est celle d"un carré dont un côté a pour mesure 5 cm. 2- Dans nos conditions d"utilisation, 200 W/m2 et 30°C, calculer la puissance absorbée

Pas (1 point)

La puissance utile de la cellule photovoltaïque correspond à la puissance électrique maximale

qu"elle peut fournir pour un ensoleillement donné, appelée aussi puissance crête. On recherche le point de puissance maximum MPP (Maximum Power Point) sur la

caractéristique que l"on a tracé, à l"aide du tableur. Le rectangle (produit de la tension et de

l"intensité correspondante) qui a la plus grande surface indique la puissance crête. 6

3-Calculer Pmax (1point)

Dans nos conditions d"utilisation, 200 W/m2 et 30°C, on trouve pour le point de puissance max : 7

Ce qui donne pour la puissance utile :

P max=0,4x0,185=74mW

4-En déduire le rendement : (1 point)

Rendement calculé dans les STC

On peut aussi calculer un rendement de la cellule solaire à partir des données de la notice. Elle

indique 500mA - 0,5V environ, pour un éclairement maximum. Ces données très succinctes nécessitent quelques précisions. Elles correspondent aux conditions de test standard STC (Standard Test Conditions) à savoir 1000 W/m

2 et 25°C en température de jonction. Ces tests

sont réalisés sous des éclairements flash. Les données de l"intensité et de la tension

correspondent au MPP (des mesures dans des conditions proches des conditions standard nous ont permis de faire cette vérification). Les calculs donnent :

On en déduit le rendement:

D"autres mesures en irradiation solaire montrent que les rendements varient avec la puissance lumineuse et la température : · 1000 W/m2 et 25°C on mesure un rendement de 10% · 150W/m2 et 20°C on mesure un rendement de 13,8% · 36W/m2 et 14°C on mesure un rendement de 3% On souhaite réaliser un module solaire conforme à celui d"un constructeur, à partir des cellules photovoltaïques étudiées. Module SM - 110 - 24V (Total Energy) ; la plaque signalétique nous indique · Dimension S = 0,9m2

· Puissance crête (STC) P= 110W

· Tension 24V

· Tension de circuit ouvert 42V

· Tension à puissance max 35V

5-Déterminer sur cette plaque signalétique les données qui permettent de déterminer le

point de puissance max de ce module. ( 1 point) 8

6-En déduire l"intensité à puissance maximale : (1 point)

Nous allons déterminer combien faut-il de cellules photovoltaïques et comment faut-il les associer pour obtenir un module de puissance utile identique à celui du constructeur?

7-Déterminer le nombre de cellules à associer en série dans une branche : (1 point)

8-Déterminer le nombre de branches nécessaires : (1 point)

9-Conclure sur le nombre de cellules : (1 point)

10-Déterminer la surface qu"aura le module solaire : (1 point)

11-Comparer avec la surface du panneau Module SM - 110 - 24V : (1 point)

Ce résultat est assez conforme à celui du constructeur qui a une surface de 0,9m2.

12-Dans le cas idéal qui correspond à un éclairement identique de toutes les cellules,

calculer le rendement du module qui doit correspondre à celui d"une cellule à l"aide des résultats précédents. (1 point)

En pratique, le rendement d"un module solaire est toujours légèrement inférieur à celui d"une

cellule car les cellules associées ne sont pas toutes identiques, il en résulte des pertes d"adaptation. Le rendement est toujours calculé au point de puissance max (MPP). Il est donc nécessaire

qu"une installation fonctionne en ce point afin d"optimiser la production d"énergie électrique.

9

Un système d"adaptation réalise la poursuite en temps réel du point de puissance crête. Ce

système est appelé MPPT (Maximum Power Point Tracking).

13-Calculer le rendement du module constructeur à partir des données de sa plaque

signalétique donne : (1 point) Les rendements des modules photovoltaïques varient suivant la technologie et la fabrication.Ils s"échelonnent aujourd"hui entre 12 et 17%. Installation photovoltaïque de la borne escamotable

14-Calculer la puissance utile pour la montée de la borne à l"aide de la formule

suivante : Pu=F*v (1 point)

V=hauteur/durée=0,5/6=0,083m/s

P=800N*0,083m/s=66,67W

15-Sachant que le rendement de la chaine d"énergie jusqu"au moteur est de 70% en

déduire la puissance électrique en entrée du moteur (1 point)

Pe=66 ,6/0,70=95,2W

Tension batterie choisie 48V

16-Déterminer le nombre de cellules en série. (1 point)

Ncellules = 48/0,5=96 cellules en série

17-Déterminer l"intensité du courant nécessaire. (1 point)

I=P/U=95,2/48=1,98A

18-En déduire le nombre de branche : (1 point)

Nombre de branches : Nb=1,98/0,5=3,96#4 branches

19-Déterminer au total le nombre de cellules : (1 point)

96*4=384 cellules soit une surface 5cmx5cmx384 #0,96m2

10

II-Régulation de charge

Le panneau, la batterie et la motorisation du système sont reliés grâce à un dispositif appelé

régulateur de charge Régulateur de charge pour système photovoltaïque

A. Présentation générale

Le régulateur de charge est un dispositif électronique au fonctionnement entièrement

automatique. Il relie le panneau photovoltaïque, la batterie et les équipements destinataires de

l"électricité produite.

Sa fonction principale est de contrôler l"état de charge de la batterie. Il autorise la charge

complète de celle-ci en éliminant le risque de surcharge. Il peut également interrompre