diff --git a/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap1.tex b/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap1.tex index 7f451be..2ac3a02 100644 --- a/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap1.tex +++ b/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap1.tex @@ -533,7 +533,7 @@ Avec la relation glissement vitesse on a: % Ajout de la figure \begin{figure}[H] \centering - \includegraphics[width=0.9\textwidth]{Domaines_fonctionnement_MAs.png} + \includegraphics[width=0.7\textwidth]{Domaines_fonctionnement_MAs.png} \caption{Mode de fonctionnement de la MAS} \end{figure} diff --git a/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap2.tex b/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap2.tex index 00a72e5..8a033b7 100644 --- a/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap2.tex +++ b/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap2.tex @@ -69,28 +69,30 @@ C'est la suite du cours. \item Énergie éolienne + \emph{étudié dans le chapitre \ref{chap:eol}} + \item Énergie solaire -\begin{enumerate}[label=\alph*)] -\item Le chauffage solaire -\item Les centrales électriques solaires (thermodynamique, avec cogénération) -\item Le photovoltaïque (cf. \ref{sec:photovoltaique}) -\end{enumerate} + \begin{enumerate}[label=\alph*)] + \item Le chauffage solaire + \item Les centrales électriques solaires (thermodynamique, avec cogénération) + \item Le photovoltaïque (\emph{étudié dans le chapitre \ref{chap:photov})} + \end{enumerate} \item Géothermie -\begin{enumerate}[label=\alph*)] -\item La production directe de chaleur (ex aquifère de Cachan) -\item La production d'électricité -\item Les pompes à chaleur -\end{enumerate} + \begin{enumerate}[label=\alph*)] + \item La production directe de chaleur (ex aquifère de Cachan) + \item La production d'électricité + \item Les pompes à chaleur + \end{enumerate} \item{La biomasse} -\begin{enumerate}[label=\alph*)] -\item Les bio-carburants -\item Le biogaz -\item Le bois -\end{enumerate} + \begin{enumerate}[label=\alph*)] + \item Les bio-carburants + \item Le biogaz + \item Le bois + \end{enumerate} \end{enumerate} \section{L'hydroélectricité} @@ -126,23 +128,8 @@ C'est la suite du cours. \item Sihwa (Corée du Sud, \SI{258}{MW}) \end{itemize} \subsubsection{Les courants permanents} - \subsubsection{La houle} -\section{L'éolien} -\subsection{Sur Terre} -\emph{étudié dans le chapitre \ref{chap:eol}} - -\subsection{En mer} -\section{Le photovoltaïque} -\label{sec:photovoltaique} -\subsection{Origine de l'énergie solaire} -\subsection{Principe de la conversion: la cellulle photovoltaïque} -\subsection{Mise en oeuvre} - -\section{Conclusion} - - \end{document} %%% Local Variables: diff --git a/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap3.tex b/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap3.tex index ec23833..a5d04e8 100644 --- a/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap3.tex +++ b/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap3.tex @@ -101,10 +101,9 @@ Les particules constituant l'air ne pouvant disparaître en sortie de l'hélice P_{max} = \frac{16}{27}P_{E_c} \] \end{prop} - \begin{figure}[H] \centering - \begin{tikzpicture} + \begin{tikzpicture}[scale=0.7] \draw[fill=gray!20] (0,0) ellipse (1 and 2) (0,2)node[above left]{$S$}; \draw (-4,-1.4) arc(-90:90:-0.7 and 1.4) node[above right]{$S_1$}; \draw[dashed] (-4,-1.4) arc(-90:90:0.7 and 1.4); @@ -123,7 +122,7 @@ P_{max} = \frac{16}{27}P_{E_c} \end{figure} \begin{tabular}{l||l} - \begin{minipage}[t]{0.5\linewidth} + \begin{minipage}[t]{0.45\linewidth} \begin{tikzpicture}[scale=0.7] \draw (0,2)node[above left]{$S$}; \draw (0,1) ellipse(0.1 and 1) (0,-1) ellipse(0.1 and 1); @@ -131,10 +130,10 @@ P_{max} = \frac{16}{27}P_{E_c} \draw (-4.5,1.4) -- (-4,1.4) to[out=0,in=200] (0,2)to[out=20,in=180] (4,2.6); \draw (-4.5,-1.4) -- (-4,-1.4) to[out=0,in=160] (0,-2)to[out=-20,in=180](4,-2.6); \draw (4,2.6) node[above right]{$S_2$} -- (4,-2.6); - \draw[dash dot,-latex] (-6,0) -- (6,0); - \draw[very thick,-latex](0,0) -- ++(2,0) node[above]{$\vec{V}$}; - \draw[very thick,-latex](-4,0) -- ++(2,0) node[above]{$\vec{V_1}$}; - \draw[very thick,-latex](4,0) -- ++(2,0) node[above]{$\vec{V_2}$}; + \draw[dash dot,-latex] (-5,0) -- (6,0); + \draw[very thick,-latex](0,0) -- ++(2,0) node[midway,above]{$\vec{V}$}; + \draw[very thick,-latex](-4,0) -- ++(2,0) node[midway,above]{$\vec{V_1}$}; + \draw[very thick,-latex](4,0) -- ++(2,0) node[midway,above]{$\vec{V_2}$}; \draw[fill=gray!20] (-4.5,-1.4) rectangle (-4,1.4); \end{tikzpicture} @@ -146,10 +145,10 @@ P_{max} = \frac{16}{27}P_{E_c} \draw (-4,-1.4) to[out=0,in=160] (0,-2)to[out=-20,in=180](4,-2.6) -- (4.5,-2.6); \draw (4,2.6) node[above right]{$S_2$} -- (4,-2.6); \draw[fill=gray!20] (4.5,2.6) rectangle (4,-2.6); - \draw[dash dot,-latex] (-6,0) -- (6,0); - \draw[very thick,-latex](0,0) -- ++(2,0) node[above]{$\vec{V}$}; - \draw[very thick,-latex](-4,0) -- ++(2,0) node[above]{$\vec{V_1}$}; - \draw[very thick,-latex](4,0) -- ++(2,0) node[above]{$\vec{V_2}$}; + \draw[dash dot,-latex] (-5,0) -- (6,0); + \draw[very thick,-latex](0,0) -- ++(2,0) node[midway,above]{$\vec{V}$}; + \draw[very thick,-latex](-4,0) -- ++(2,0) node[midway,above]{$\vec{V_1}$}; + \draw[very thick,-latex](4,0) -- ++(2,0) node[midway,above]{$\vec{V_2}$}; \end{tikzpicture} \end{minipage} \\ \end{tabular} @@ -363,13 +362,13 @@ Dans notre cas les coefficients de trainée et portance sont donc: C_D = \frac{2k}{\rho}\sin(i)^2 \text{ et } C_L = \frac{2k}{\rho}\sin(i)\cos(i) \] \end{prop} - \begin{figure}[H] \centering \begin{tikzpicture} \def\c{1} \begin{axis} - [xmin=0,xmax=50, + [height=6.5cm, + xmin=0,xmax=50, ymin=0,ymax=0.6, domain=0:45, samples=51, diff --git a/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap6.tex b/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap6.tex index 9485c46..62bb6a8 100644 --- a/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap6.tex +++ b/414-Energie_Renouvelable/Cours/chap6.tex @@ -7,19 +7,18 @@ Le soleil (de rayon $R_s$=\SI{1,392e9}{m}) peux se décomposer en trois couches: \begin{enumerate} -\item Le coeur: +\item \textbf{Le coeur:} C'est la qu'a lieu la réaction nucléaire de fusion qui libère (beaucoup) d'énergie. Cette zone occupe un quart du rayon solaire, et possèd eune - température de 15 millions de Kelvin.On estime que \SI{4.26}{tonnes}de matière - y sont consommé chaque seconde pour \SI{383e15}{GW} de puissance. + température de 15 millions de Kelvin.On estime que \SI{4.26}{tonnes}de matière y sont consommé chaque seconde pour \SI{383e15}{GW} de puissance. C'est un processus autorégulé (le soleil ne va pas s'effondrer ou exploser dans les années qui viennent). -\item La zone de radiation: +\item \textbf{La zone de radiation}: La zone de radiation entre 0.25 et 0.7 du rayon solaire, très dense (98\% de la masse du soleil). Les atomes d'hygrogène et hélium ionisé émettent des photons absorbés par d'autre ions pas de convection thermique. -\item La zone de convection: +\item \textbf{La zone de convection:} Échange thermique par convection amenant la chaleur vers m'extérieur,on passe de 2 million à 5800K. La photosphère produit le rayonnnement solaire, épaisse d'environ 400km et de température moyenne 5781K. \end{enumerate} @@ -45,25 +44,26 @@ La puissance surfacique reçue en fonction de la température est elle d'après \] \subsection{Notion d'Air-Masse} -\begin{itemize} -\item C'est l'épaisseur atmosphérique effectivement traversée normalisé à l'épaisseur traversé jusqu'au niveau de la mer pour un soleil au zénith, en condition normale de pression: +\begin{defin} +On nomme \emph{air-masse} l'épaisseur atmosphérique effectivement traversée normalisé à l'épaisseur traversé jusqu'au niveau de la mer pour un soleil au zénith, en condition normale de pression: \[ m = \frac{P}{1013}\frac{1}{sin(\alpha)}exp\left(\frac{-z}{7.8}\right) \] -\begin{description} -\item[P] Pression atmosphérique en hPa ou millibar -\item[$\alpha$] élévation du soleil sur l'horizon -\item[$z$] altitude en km (7.8 km est l'épaisseur moyenne de l'atmosphère) -\end{description} -\item On défini alors les conditions d'ensoleillement par les lettres AM suivi de $m$: +\begin{itemize}[label=--] +\item $P$ : Pression atmosphérique en hPa ou millibar +\item $\mathbf{\alpha}$ : élévation du soleil sur l'horizon +\item $z$ : altitude en km (7.8 km est l'épaisseur moyenne de l'atmosphère) +\end{itemize} +\end{defin} + +On défini alors les conditions d'ensoleillement par les lettres AM suivi de $m$: \begin{itemize} \item AM0 correspond aux conditions hors atmosphère \item AM1 au sol lorsque le soleil est au zénith \item AM2 au sol lorsque le soleil est à $30^o$ sur l'horizon. \end{itemize} -\end{itemize} -En pratique le flux recu ne dépasse 1000$W/m^2$ (1367 $W/m^2$ pour AM0). +En pratique le flux reçu ne dépasse 1000$W/m^2$ (1367 $W/m^2$ pour AM0). Les conditions standartd des qualification des cellules sont un spectre $AM1.5$, une puissance incidente de 1000$W/m^2$ et une température de $25^o$C. @@ -72,6 +72,20 @@ Les conditions standartd des qualification des cellules sont un spectre $AM1.5$, \section{Principe de la conversion: la cellule photovoltaïque} \subsection{Historique} +Le developpement de l'exploitation de l'énergie solaire s'est fais au long des découvertes scientifiques majeures du XIXème et XXème siècle: + +\begin{description} +\item[1839] Découverte de l'effet photovoltaïque par Antoine Becquerel sur un couple electrochimique +\item[1877] 1ère cellule PV au sélénium +\item[1954] 1ère cellule PV au silicium rendement de 4,5\% à 6\%. +\item[1955] 1ère commercialisation de cellule PV 14mW (2\%). +\item[1958] Satellite Vanguard-1 avec des cellules PV qui fonctionnent pendant 8 ans. +\item[Années 60] Montée des rendements et puissances. +\item[1963] Japon : 242 W sur une maison +\item[1970] Mission Solar One (Université du Delaware) +\item[1981] Premier avion Solaire ``Solar Challenger'' Paris-Manston (Angleterre) 262km. +\end{description} + \subsection{La jonction PN} \emph{cf UE 232} \subsection{Effet photovoltaïque} @@ -83,11 +97,122 @@ Il faut pour cela que l'énergie du photon soit supérieur à l'énergie de gap \subsection{La photodiode} +\begin{figure}[H] + \centering + \begin{tikzpicture} + \draw[fill=gray!10] (0,0) rectangle (7,4); + \draw[fill=gray!40] (0,1) rectangle ++(7,2); + \draw (0.5,5) node[above]{K} -- (0.5,4) + (0.5,-1) node[below]{A} -- (0.5,0) + (0.5,0.5) node{N} (0.5,2.5) node{I} (0.5,3.5)node{P}; + \draw[latex-latex] (3.5,2.7) node(E)[left]{$e^-$} -- ++(2,-1) node[right](T){$t^+$} coordinate[midway](P); + \node (Pstart) at (6.5,5.2) {$h\nu$}; + \draw[-latex,decorate,decoration={snake,amplitude=.4mm,segment length=2mm,post length=1mm}] (Pstart) -- (P); + \draw (11,0)node[below]{A} to[photodiode] ++ (0,4) node[above]{K}; + \end{tikzpicture} + \caption{Schéma de la photodiode} +\end{figure} + + +Pour des photon d'énergie $E=h\nu$ on créer un courant: +\[ + I_{ph} = q_e \eta \phi_p = q_e \eta \frac{\lambda}{hc} \phi_e +\] +où +\begin{itemize} +\item $q_e$ charge électrique. +\item $\eta$ rendement quantique. +\item $\phi_p$ fux de photon reçu par la photodiode. +\end{itemize} + +\subsubsection{Caractéristique courant-tension} + +\begin{prop}[Rappel sur la diode] + \begin{itemize} + \item Une étude théorique (développé dans le cours UE 232 de Saphire) permet + de montrer que la caractéristique de la diode en convention générateur: + +\[ + I_d = - I_s \left(exp\left(\frac{q_eV}{kT}\right)-1\right) +\] + +On a typiquement $I_s = $\SI{10e-12}{A.cm^{-2}} et$k = k_B = $\SI{1.3807e-23}{J/K}. + + +\item En ajoutant le courant issus de la création de la paire électron trou on a le courant d'une photodiode: + \[ + I = I_{ph}- I_s \left(exp\left(\frac{q_eV}{kT}\right)-1\right) + \] +\end{itemize} +\end{prop} + +\subsubsection{Schéma équivalent d'une photodiode} + + +On peux construire le schéma équivalent: +\begin{figure}[H] + \centering + \begin{tikzpicture} + \draw + (0,0) to[I,i=$I_{ph}$] ++(0,2) -- ++(1,0) coordinate(A) to[diode,i>^=$I_d$] ++(0,-2) -- (0,0) + (A) -- ++(1,0) to[R,l=$R_s$,i=$I_p$] ++(3,0) to[open,v<=$V_p$]++(0,-2) --++(-3,0) + (A) ++(1,0) to[R,l=$R_{sh}$] ++(0,-2) -- (0,0); + \end{tikzpicture} + \caption{Schéma équivalent} +\end{figure} +Avec: +\begin{itemize} +\item Resistance de contact et connexion: $R_s=5$ à $20m\Omega$ +\item Fuite de courant aux bords de la jonction : $R_{sh}=20$ à $200\Omega$/ +\end{itemize} + +\subsection{Devenir des photons} + + +quand un photon frappe un matériaux de silicium il peut se produire trois phénomènes: +\begin{itemize} +\item Le photon peut traverser le silicium (photon à faible énergie) +\item Le photon peut se réfléchir sur la surface(30\% silicium, descend à 3\% avec une couche anti reflet) +\item Le photon peut être absorbé par le matériau. Si l'énergie du photon est supérieur à l'énergie de gap celui ci génère une paire électron trou et un échauffement. +\end{itemize} +\begin{rem} + Les photons UV ne génère qu'une seule paire d'electron-trou, le reste de l'énergie est convertie en chaleur. Ce qui représente environ 28\% de perte de l'énergie incidente. +\end{rem} + +\subsection{Rendement} + +La répartition spectrale de la puissance émise par le soleil est telle qu'elle est constituée majoritairement de photon possédant une énergie supérieure à la bande interdite du silicium (1.1eV). L'énergie en excès est convertie en chaleur (photons: AM1.5 25\% en théorie). + +Le rendement maximal théorique est de 50\% à AM1.5. + +\begin{prop} + En pratique 25\% de l'énergie du rayonnement solaire est convertie en electricité utile. +\end{prop} + + +\subsection{Caractéristique du générateur} +\begin{defin} + La cellule photovoltaïque est un générateur élementaire à courant continu qui convertit directement l'énergie lumineuse en énergie électrique. + +\end{defin} +La tension est basse car inférieur à la tension de polarisation directe de la jonction (0.5 V à 0.8V pour le silicium) + +\begin{prop} + La puissance crète pour une cellule 10cm x 10cm est de l'ordre du Watt: 0.6V , 5A soit 3W pour du silicium monocristallin. +\end{prop} \section{Mise en oeuvre} +On assemble différentes élements photovoltaique en série et parallèle pour augmenter la tension et (resp.) le courant disponible. + +Les cellules solaire utilisent des matériaux sous différentes formes, avec de différents rendements : + + +\subsection{CAractéristique d'une cellule} + + diff --git a/414-Energie_Renouvelable/Cours/main.tex b/414-Energie_Renouvelable/Cours/main.tex index 9363351..827b920 100644 --- a/414-Energie_Renouvelable/Cours/main.tex +++ b/414-Energie_Renouvelable/Cours/main.tex @@ -18,7 +18,7 @@ \subfile{chap2.tex} \chapter{L'éolien : principe physique}\label{chap:eol} \subfile{chap3.tex} -\chapter{Physique de la conversion électrovoltaïque} +\chapter{Physique de la conversion électrovoltaïque}\label{chap:photov} \subfile{chap6.tex} \chapter{Électronique de puissance pour les parcs éoliens connectés au réseau}