Panneaux et capteurs solaires, BTS FED 2024. En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicités adaptées à vos centres d’intérêts. . . . . . . .. .. ...... ... A. Caractéristiques et installation de panneaux solaires photovoltaïques Un panneau photovoltaïque est un dispositif convertissant une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. I. Caractéristiques d’un panneau photovoltaïque Un panneau solaire de surface 1,6 m2 a un rendement de 18 %, ce qui signifie que 18 % de l’énergie solaire reçue est convertie en énergie électrique. Le flux solaire maximal reçu sur terre est de 1 000 W·m-2. 1. Calculer la puissance électrique maximum Pmax du panneau solaire en Wc (Watt crête). Pmax =1000 x 1,6 x 0,18= 288 W. 2. En réalité, la puissance moyenne d’un panneau dépend de la durée d’ensoleillement et de l’angle incident des rayons du soleil. La quantité d’énergie captée au sol par an à Bordeaux est de 1 490 kWh·m-2 selon l’ADEME, Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie. Calculer la puissance moyenne annuelle Pmoy disponible par mètre carré si le panneau solaire est installé à Bordeaux. 2076 h d'ensoleillement par an. Pmoy = énergie ( Wh) / durée (h) =1490 103 / 2076~718 W m-2. 3. La production d’un panneau photovoltaïque est caractérisée par les données suivantes :  MPP ou maximal power point : point de fonctionnement à puissance maximale  Vmpp et Impp ou tension et intensité optimums : tension et intensité pour une puissance maximale au point MPP  Vco ou tension à vide : tension générée par une cellule non raccordée  Icc ou courant de court-circuit : intensité pour une cellule éclairée connectée en court-circuit 3.1. Compléter les deux cases  avec deux des caractéristiques ci-dessus. 3.2. Placer le point MPP, maximal power point, et donner les valeurs de la tension et de l’intensité correspondantes. 4. Lors du fonctionnement des panneaux solaires, la température des panneaux varie en fonction de l’ensoleillement. Le constructeur donne les caractéristiques suivantes de l’intensité en fonction de la tension à différentes températures du panneau. Indiquer comment la température influe sur la production d’électricité des panneaux. La production électrique des panneaux diminue quand la température augmente. II. Installation Les panneaux solaires peuvent être raccordés en parallèle ou en série. 1. Indiquer l’intérêt de raccorder les panneaux solaires soit en parallèle soit en série. En série, la tension croît et l'intensité reste constante. En parallèle, la tension reste constante et l'intensité croît. 2. Sur le document réponse 1 figure 2 donnant la caractéristique de l’intensité en fonction de la tension d’un panneau solaire, tracer à main levée la courbe caractéristique pour chacun des deux montages : - en bleu la caractéristique de deux panneaux solaires raccordés en parallèle, - en rouge la caractéristique de deux panneaux solaires raccordés en série. B. Capteurs solaires thermiques Les capteurs solaires thermiques permettent de transformer l’énergie solaire en énergie thermique à l’aide d’un fluide caloporteur qui circule dans le capteur solaire et qui va généralement réchauffer l’eau d’un ballon tampon. L’un des inconvénients de ces capteurs est une montée en température excessive en l’absence d’utilisation d’eau chaude. I. Dimensionnement d’un vase d’expansion La température d’un capteur peut atteindre 200 °C s’il n’y a pas d’utilisation de l’énergie captée. L’installation utilise l’eau comme fluide caloporteur ; l’eau doit être à l’état liquide. 1. En utilisant la courbe de vaporisation de l’eau donnée ci-dessous, indiquer la valeur de la pression atteinte pour une température de 200 °C. 2. Généralement les capteurs solaires sont dimensionnés pour fonctionner à 6 bars maximum. Pour éviter une montée en pression trop importante, il est possible d’installer un vase d’expansion équipé d’une membrane souple qui permet d’absorber la variation de volume due à la dilatation de l’eau sous l’effet de la température. Sélectionner les grandeurs physiques à connaître pour dimensionner le vase d’expansion. Température eau max Pression nominale réseau Débit du réseau Pression max réseau II. Choix du fluide caloporteur Dans les systèmes de capteurs solaires thermiques, il est nécessaire d’ajouter du glycol pour assurer la sécurité du système. La documentation technique du glycol utilisé, GREENWAY NEO, est donnée. Point de congélation °C (AFNOR NF T 78-102 / ASTM D 1177) 33 % en volume dans l'eau...................................... - 13 ± 2°C 50 % en volume dans l'eau ..................................... - 27 ± 2°C Température d'ébullition °C (AFNOR R 15-602-4 / ASTM D 1120) à la pression atmosphérique  144 ± 2°C Le GREENWAY® NEO est miscible en toutes proportions avec l’eau. Les points de congélation des solutions aqueuses correspondent à la formation d’une bouillie cristalline de GREENWAY® NEO indiqués ci-dessous et non à une prise en masse compacte. Concentration GREENWAY® NEO (%en volume) 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Point de congélation en °C ± 2 -5 -6 -9 -11 -14 -17 -22 -27 -31 -39 -47 -55 Références normatives : AFNOR NF T 78-102 / ASTM D 1177 1. Indiquer les risques que le glycol permet d’éviter. Evite la vaporisation du fluide. Evite la congélation du fluide. 2. L’installation est située sur la commune de Bordeaux en Gironde dont les conditions climatiques sont définies ci-dessous : Eté : 24 °C, hygrométrie 60 % HR. Hiver : -5°C ; hygrométrie : 80 % HR. N.B. : indépendamment de la protection contre le gel, nous recommandons d’utiliser des solutions de GREENWAY® NEO concentrées à 33 % minimum afin d’obtenir une protection anticorrosion optimale. 2.1. Indiquer la proportion de glycol qu’il faut utiliser pour protéger l’installation contre le gel en justifiant la réponse. Point de congélation -9 ± 2°C  ; concentration : 25 % en volume. 2.2. La documentation technique recommande dans tous les cas une proportion à 33 % au minimum. Expliquer pourquoi. Température moyenne minimale en hiver à Bordeaux : -5°C. Certains matins la température peut descendre vers -10 °C. ... .... III. Capteur solaire à tube sous vide. Le capteur solaire thermique utilisé est un capteur à tube sous vide. Le vide à l’intérieur du tube en Pyrex permet d’améliorer les performances thermiques. Le fluide caloporteur circule dans un tube en cuivre placé dans le tube en Pyrex sous vide. 1. En considérant les différents modes de transfert thermique possibles, expliquer l’intérêt du vide dans le tube Pyrex. Dans le vide, il n'y a pas de transfert thermique par convection. 2. Afin de s’assurer que le tube est toujours sous vide, il est muni d’un témoin : une couche argentée en Baryte anhydre (Protoxyde de Baryum : BaO). Cette couche devient blanche au contact de l’eau contenue dans l’air : le Protoxyde de Baryum BaO réagit avec l’eau pour donner l’Hydroxyde de Baryum Ba(OH)2 de couleur blanche. Ecrire et équilibrer l’équation bilan de cette réaction. BaO(s) + H2O(l) --> Ba(OH)2 (s). 3. L’échange et la circulation du fluide s’effectuent sans circulateur ni dispositif de régulation mais par simple différence de hauteur. Expliquer le sens de circulation du fluide à partir des modifications physiques du fluide. Si la température augmente, les molécules du fluide s'écartent et la densité diminue. IV. Les systèmes hybrides. Pour améliorer le rendement, on utilise des panneaux solaires hybrides : photovoltaïques et thermiques (hors capteur à tube sous vide). Le système hybride à eau juxtapose les deux technologies l’une au-dessus de l’autre. Le système thermique permet de refroidir le système photovoltaïque. Indiquer la position des panneaux photovoltaïques et thermiques sur le schéma et justifier la position des panneaux. La partie supérieure exposée au soleil produit de l'électricité. La partie inférieure capte la chaleur émise par le soleil ce qui permet de refroidir le panneau et d'améliorer son rendement. C. Étalonnage de capteurs. Pour assurer une meilleure rentabilité, il convient de maintenir les capteurs en état optimal le plus longtemps possible. Pour cela, il est nécessaire de contrôler le pH du fluide caloporteur pour prévenir tout risque de corrosion interne. Il faut donc installer une sonde de mesure du pH. Au cours du temps, cette sonde peut se dégrader. Le vieillissement de l’électrode se manifeste par un temps de réponse plus long, une dégradation de la sensibilité et une dérive du point zéro, pH0. I. Etalonnage du capteur pH L’étalonnage consiste à régler les valeurs affichées en fonction des valeurs des solutions étalons. Cela permet de compenser les déviations du zéro et de la sensibilité de l’électrode. 1. Les relevés de la sonde de pH donnent le tableau ci-dessous. pH de référence 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Sortie en mV 20 18 10 6,5 3 -4 -7 -8 -12 -16 1.1. La courbe théorique de la tension en fonction du pH est donnée. Tracer sur ce même document la courbe expérimentale à partir des relevés de la sonde de pH. 1.2. En comparant la courbe théorique et la courbe d’étalonnage, indiquer les réglages éventuels à réaliser. Correction de la pente et du zéro. 2. Afin de corriger le défaut de la sonde, il faut procéder à son étalonnage. Indiquer l’ordre chronologique des différentes étapes d’étalonnage de la sonde pH. II. Etalonnage d’un capteur de température Afin d’assurer la régulation de la température du système solaire, des capteurs de type Pt1000 sont installés. Pour contrôler le capteur, une mesure comparative avec une sonde étalon est réalisée. En utilisant les caractéristiques du capteur, indiquer et justifier si le capteur est conforme. Mesure étalon 20°C ; mesure capteur installation : 20,35 °C. Valeur de tolérance ±(0,3 +0,005 *20) =±0,4. Mesure étalon 40°C ; mesure capteur installation :40,42 °C. Valeur de tolérance ±(0,3 +0,005 *40) =±0,5. Le capteur est conforme.

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