grand oral panneau solaire

« Grand oral physique chimie Sujet : les panneaux solaires Problématique : comment optimiser l‘efficacité des panneaux solaires afin de répondre aux besoins énergétiques actuels et futurs ? Plan : I. II. III. Principes physiques de la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique Optimisation du rendement énergétique des panneaux solaires Innovations technologiques et matériaux pour améliorer l’efficacité Notions utilisées : effet photoélectrique, propriété des semi-conducteurs, conversion énergétique, spectre lumineux, circuits électriques, chimie des matériaux Introduction : (=50sec) L’énergie solaire est exploitée depuis plus de 100 ans, et son rôle est aujourd'hui crucial face aux enjeux énergétiques mondiaux.

Découverte au XIXe (19) siècle par Alexandre Edmond Becquerel, l’effet photoélectrique a permis la création des premiers panneaux photovoltaïques.

En 2023, l’électricité solaire représente environ 15% de la consommation d’électricité en France.

En raison de l’épuisement des ressources fossiles et du changement climatique, les panneaux solaires représentent une solution clé pour la transition énergétique.

Cependant, l’optimisation de leur efficacité reste un défi majeur, et c’est ce que nous explorerons aujourd’hui : comment optimiser l‘efficacité des panneaux solaires afin de répondre aux besoins énergétiques actuels et futurs ? Nous aborderons les principes physiques de la conversion de l’énergie lumineuse en électricité, les méthodes d’optimisation du rendement, puis les dernières innovations technologiques. I. Principes physiques de la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique a) Composition du panneau (1min) Le panneau solaire est constitué de : - - - Cellules photovoltaïques qui sont les éléments principaux du panneau car c’est là où la lumière est convertie en électricité.

Elles sont constituées de silicium.

Le panneau est constitué de plusieurs cellules connectées entre elles (60 et 72). Sa structure avec le cadre, le fond et une protection.

Le cadre maintient les cellules en place.

Le fond assure la rigidité et la protection contre les chocs.

Une couche de protection encapsule les cellules pour les protéger contre l’humidité et la corrosion. Un verre de couverture et une couche anti-reflet : le verre trempé protège les cellules des intempéries tout en laissant passer la lumière, tandis que la couche anti-reflet maximise l’absorption de la lumière par les cellules. - Fils de connexion et boite de jonction : fils métalliques relient les cellules et transmettent l’électricité produite, tandis que la boite de jonction abrite les câbles et les diodes de sécurité pour éviter les courts circuits. - Onduleur : il convertit le courant continu en courant alternatif. b) Effet photoélectrique (1min) L’effet photoélectrique est à la base du fonctionnement des panneaux photovoltaïques.

Cet effet provient des photons de la lumière, qui sont des particules de la lumière se déplaçant à la vitesse de la lumière.

Lorsqu’un photon frappe un matériau semi-conducteur, ici le silicium dans les panneaux, il transmet son énergie à un électron situé à la surface du matériau.

Si l’énergie du photon est suffisante pour arracher un électron de son atome, cet électron devient libre et peut se déplacer dans le matériau.

Cela génère un courant électrique. Si l’on zoome à l’intérieur du panneau, dans le silicium, nous nous rendons compte que 2 couches forment ce silicium : - - Une couche dopée de type p (positif) : du bore (B) est ajouté au silicium ; le bore contient un électron de valence en moins par rapport au silicium (3 pour B et 4 pour Si), cela crée des « trous », des espaces où des électrons peuvent se déplacer.

Ces trous agissent comme des charges positives mobiles. Une couche dopée de type n (négatif) : du phosphore (P) est ajouté au silicium ; le phosphore contient un électron de valence en plus par rapport au silicium (5 pour P), cela crée des électrons libres qui sont des charges négatives mobiles. Lorsqu’on met en contact ces 2 couches, cela crée une jonction p-n : les électrons libres de la couche n se déplacent vers la couche p et remplissent les trous présents dans cette couche.

Ce transfert d’électrons crée une zone de déplétion autour de la jonction p-n : cela crée une barrière de potentiel qui empêche le flux d’électrons sans apport d’énergie extérieure. c) Limites de l’efficacité du panneau (50 sec) Les panneaux photovoltaïques ont des limites théoriques qui sont liés à l’efficacité de conversion de l’énergie lumineuse en électricité et aux lois physiques qui apparaissent lors de ces conversions. La limite de Shockley-Queisser est une limite qui définit l’efficacité maximale théorique pour un panneau solaire utilisant un seul matériau semi-conducteur.

Selon cette limite, l’efficacité maximale d’un panneau dans des conditions idéales est d’environ 33,7 %.

Cela est liée à la dispersion de l’énergie des photons, aux pertes thermiques et aux propriétés de matériau utilisé. Il existe aussi la limite de thermodynamique : en effet, les photons perdent de l’énergie lors de la conversion car des pertes sont dues aux processus thermiques et aux recombinaisons d’électrons. Dans la pratique, des facteurs comme l’angle d’incidence de la lumière, les conditions météorologiques, la poussière, la température ambiante et l’âge du panneau affectent son efficacité. II. Optimisation du rendement énergétique des panneaux solaires (1min30) Le rendement d’un panneau correspond à la quantité d’énergie lumineuse transformée en électricité par rapport à la quantité d’énergie qui est entrée dans le système.

Pour optimiser ce rendement, plusieurs solutions peuvent être mise en place. Tout d’abord, il faut veiller à avoir une orientation et une inclinaison optimale.

En France, la meilleure orientation est vers le sud (est ou ouest) car c’est avec cette orientation qu’un maximum de photons sont captés car les rayons du soleil viennent du sud une grande partie de la journée. L’inclinaison parfaite est quant à elle d’environ 30° pour que les rayons du soleil arrivent perpendiculaires au panneau.

La solution parfaite pour avoir une orientation et une inclinaison optimale tout au long d’une journée ou d’une année est d’installer un système de suivi solaire (ou tracker) qui s’ajuste pour suivre la trajectoire du soleil.

Ce système peut augmenter le rendement de 20 à 40 %. Ensuite, avant l’installation des panneaux, il faut vérifier qu’il n’y ait pas d’éléments qui peut créer de l’ombre sur les panneaux car une zone d’ombre peut vite réduire le rendement, en effet, les photons ne pourront plus entrer en contact avec les cellules photovoltaïques. Il faut également choisir une région avec une température avoisinant les 25 °C car c’est la température idéale pour optimiser un panneau.

En effet, si elle est inférieure à 25, la chaleur ne sera pas suffisante pour que les cellules fonctionnent au maximum de leur capacité.

Cependant, si elle est supérieure, le rayonnement solaire trop intense va perturber les cellules photovoltaïques qui vont produire moins d’énergie.

( -0.3 à 0.5% par degré sup).

Pour résoudre ce problème, un système de refroidissement peut.... »