Soutenance mémoire
A Madagascar, il est vrai que le charbon de bois et le pétrole sont aujourd’hui les deux principales sources d’énergies utilisées. Or ces deux énergies ne sont pas éternellement à la disposition des usagers. Les sources des ces énergies renouvelables présentent l’avantage d’être disponibles an quantité illimitée. Leur exploitation est un moyen de répondre aux besoins en énergie tout en préservant l’environnement. Elles sont de plus en plus utilisées et développées car elles permettent de faire des économies d’énergie et participent au développement durable.
Les principes formes d’énergie renouvelable sont l’énergie solaire, l’énergie éolienne, l’énergie issue de la biomasse, l’énergie géothermique et l’énergie hydraulique. L’exploitation de ces énergies reste inconnue des élèves malgaches. Ce présent mémoire intitulé : « TRANSFORMATION DE L’ENERGIE DE RAYONNEMENT SOLAIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE : cas d’une plaque solaire photovoltaïque » propose quelque solutions au problème cité ci-dessus. Il est consacré à l’élaboration d’un didacticiel permettant de comprendre le fonctionnement d’une plaque solaire photovoltaïque. Il explique comment l’énergie électrique est obtenue à partir du rayonnement solaire. Ce travail est fondé sur trois objectifs : premièrement, conscientiser les élèves aux bienfaits de la science, deuxièmement faire comprendre le principe de fonctionnement d’une plaque solaire photovoltaïque et enfin introduire la technologie d’information et de la communication à l’enseignement (TICE) pour enseigner le chapitre « effet photoélectrique » en classe secondaire. Ce mémoire est constitué de deux parties : la première partie contient les données bibliographiques et webographoques permettant de comprendre la contenu de l’outil didactique, la deuxième partie concerne l’élaboration de l’outil : cette deuxième partie se divise en quatre sous partie : la première offre des documentation concernant l’énergie renouvelable et le rayonnement solaire, la deuxième traite l’effet photoélectrique et présente des évaluation qui se rapportent à ce phénomène, troisième est consacré à la description des cellules photovoltaïque à silicium monocristalline, à silicium polycristalline, amorphe et la quatrième propose des évaluation formatives qui ont pour but de renforcer les acquis des élèves.
L’ENERGIE RENOUVELABLE
Définition de l’énergie renouvelable : (www.mouhandess.org/fldr/renouvlables.pdf)
Une énergie renouvelable est une source d’énergie qui se renouvelle assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l’échelle de l’homme. Les énergies renouvelables sont issues des phénomènes naturels réguliers ou constants provoques par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (géothermique). Aujourd’hui, on assimile souvent par abus de langage les énergies renouvelables aux énergies propres. Par opposition aux énergies fossiles et fissiles qui sont des énergies de stock, les énergies renouvelables sont des énergies de flux : elles se régénèrent en permanence au rythme du soleil et ses dérivés (le vent, les cours d’eau, les vagues, les courants marins, la chaleur naturelle et la croissance de la biomasse), ainsi que des marées et de la chaleur naturelle de la terre.
Les différents types de sources d’énergie renouvelable :(www.mrm.gov.pf/)
Les énergies renouvelables regroupent un grand nombre de systèmes différents, selon la source d’énergie valorisée et la forme d’énergie obtenue.
L’énergie hydraulique
L’énergie hydraulique tire son origine dans les phénomènes météorologiques et donc du Soleil. Ces phénomènes prélèvent de l’eau principalement dans les océans et en libèrent une partie sur les continents à des altitudes variables. On parle du cycle de l’eau pour décrire ces mouvements. L’eau en altitude possède une énergie potentielle de pesanteur. Cette énergie peut être alors captée et transformée lors des mouvements de l’eau qui retourne vers les océans. L’énergie hydraulique peut être directement utilisée sous forme d’énergie mécanique, l’eau d’un ruisseau fait tourner la roue d’un moulin à eau. L’énergie hydraulique peut également être convertie en énergie hydroélectrique ou marémotrice.
L’énergie hydroélectrique : est une énergie électrique obtenu par conversion de l’énergie hydraulique des différents flux d’eau (fleuve, rivières, chute d’eau, courants marins,…) l’énergie cinétique du courant d’eau est transformé en énergie hydroélectrique est une énergie renouvelable. Elle est aussi considérée comme une énergie propre, bien qu’elle fasse parfois l’objet de contestations environnementales, soit en raison de son empire foncier, soit plus récemment sur son bilan carbone.
L’énergie marémotrice : est issue des mouvements de l’eau crées par les marées, causés par l’effet conjugué des forces de gravitation de la lune et du soleil et récupérés en mer par des turbines marémotrices.
La biomasse
La biomasse est le produit de la photosynthèse des végétaux. Cette réaction photochimique transforme et stocke l’énergie solaire sous forme d’énergie chimique. Cette transformation peut atteindre une efficacité maximum de 05%. Il faut cependant garder à l’esprit que, outre les filières alimentaires, la valorisation sous forme d’énergie n’est pas la seule utilisation possible de la biomasse. Pour des applications énergétiques la biomasse est transformée en un combustible ou un carburant.
L’énergie éolienne
L’activité solaire est la principale cause des phénomènes météorologiques. Ces derniers sont notamment caractérisés par des déplacements de masse d’air à l’intérieur de l’atmosphère. C’est l’énergie mécanique de ces déplacements de masse d’air qui est à la base de l’énergie éolienne. L’énergie éolienne a aussi été vite exploitée à l’aide de moulins à vent équipés de pales en forme de voile. Ces moulins utilisent l’énergie mécanique pour actionner différents équipements. Les meuniers utilisent des moulins pour faire tourner une meule à grains. Aujourd’hui, ce sont les éoliennes qui prennent la place des moulins à vent. Les éoliennes transforment l’énergie mécanique en énergie électrique, soit pour l’injecter dans un réseau de distribution soit pour être utilisé sur place (site isolé de réseau de distribution).
L’énergie éolienne peut être utilisée de plusieurs manières :
➤ Conservation de l’énergie mécanique: le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (Navire à voile ou char à voile), pour pomper de l’eau ou pour faire tourner la meule d’un moulin. Transformation en force motrice (pompage de liquides, compression de fluides…).
➤ Production d’énergie électrique ; l’éolienne est alors couplée à un générateur électrique pour fabriquer du courant continu ou alternatif. Le générateur est relié à un réseau électrique ou bien fonctionne au sein d’un système « autonome ».
L’énergie géothermique
La géothermie est l’exploitation de la chaleur stockée dans le sous-sol. L’utilisation des ressources géothermales se décompose en deux grandes familles : la production d’électricité et la production de chaleur. En fonction de la ressource, de la technique utilisée et des besoins, les applications sont multiples. Le critère qui sert de guide pour bien cerner la filière est la température. Ainsi, la géothermie est qualifiée de « haute énergie » (plus de 150°C), « moyenne énergie » (90 à 150°C), « basse énergie » (30 à 90°C) et « très basse énergie » (moins de 30°C).
L’énergie solaire :
L’énergie solaire correspond au type d’énergie que le soleil diffuse dans l’atmosphère par son rayonnement. Elle est obtenue grâce à des panneaux solaires et est utilisée par les humains sous deux formes différentes : électrique et thermique. L’énergie électrique permet de transformer les rayons du soleil en électricité, tandis que l’énergie thermique est plutôt utilisée pour produire de la chaleur (ex. : pour chauffer l’eau d’une maison). Les panneaux solaires peuvent être installés partout où le soleil brille à longueur d’année, comme c’est le cas pour les pays situés aux abords de la ligne équatoriale, mais peuvent également servir de source d’énergie d’appoint dans les régions plus nordiques. Le soleil est la principale source des différentes formes d’énergies renouvelables disponibles sur terre. L’énergie solaire a directement pour origine l’activité du Soleil. Le Soleil émet un rayonnement électromagnétique dans lequel on trouve notamment les rayons cosmiques, gamma, X, la lumière visible, l’infrarouge,…. Tous ces types de rayonnement électromagnétique émettent de l’énergie. L’énergie solaire est capturée par des capteurs (panneaux) installés généralement sur le toit qui la transforme soit en chaleur (solaire thermique) soit en électricité (solaire photovoltaïque).
Conclusion :
Les énergies renouvelables nous proposent de multiples façons de produire de l’énergie. Elles donnent aussi plusieurs avantages:
➤ Plus les sources sont variées, plus l’indépendance énergétique est assurée.
➤ Décentralisation qui privilégie des petites unités de production locale.
➤ Facilité d’installer, d’utiliser et de combiner plusieurs sources en même temps.
➤ Coût au kWh fixe, faible et stable.
➤ L’investissement et le rendement sont prévisibles à long terme.
LE RAYONNEMENT SOLAIRE : (Oleksiy Nichiporuk, thèse en PC 2005 INSA de Lyon)
Le développement, l’optimisation et la caractérisation des cellules photovoltaïques impliquent une certaine connaissance de la source d’énergie utilisée : le soleil. La source de celui-ci se comporte comme un corps à la température d’environ 6000K. Ceci conduit à un pic d’émission situé à une longueur d’onde de 5,5µm pour une puissance d’environ 60MW/m2 , soit un total de 9,5.1025W. En tenant compte de la surface apparente du soleil et de la distance entre celui-ci et la terre, cela conduit à un éclairement moyen dans l’année de 1,36kW/m2 hors atmosphère. Cette irradiance est pondérée par des divers facteurs à la surface de la terre : absorption par les molécules des différentes couches de l’atmosphère, condition climatique, latitude du lieu d’observation et saison. (Exemple : des gaz comme l’ozone, pour des longueurs d’ondes inférieures à 0,3µm Afin de comparer et unifier les performances des cellules photovoltaïques élaborées dans les différents laboratoires du monde, il a été institué la notion d’Air Mass (AM). Elle quantifie la quantité de puissance absorbée par l’atmosphère en fonction de l’angle du soleil par rapport au zénith.
La théorie « corpusculaire » de Max Planck prévoit que tout rayonnement de fréquence peut être considéré comme un flux de photons dont l’énergie élémentaire est directement proportionnelle à cette fréquence. De ce fait, ce sont les rayonnements de courte longueur d’onde (ou de haute fréquence) qui sont les plus énergétiques. Notre œil perçoit une partie seulement du rayonnement solaire, celle située dans le domaine dit visible, de longueurs d’onde comprises entre 0,40 et 0,80 µm. Le Soleil émet cependant dans une large gamme de longueurs d’onde, allant (dans le sens des petites vers les grandes longueurs d’onde) des rayons gamma aux grandes ondes radioélectriques, en passant par les rayons X, le rayonnement ultraviolet, le rayonnement visible, le rayonnement infrarouge et le rayonnement hyperfréquences. La Terre reçoit également en permanence de l’atmosphère solaire du plasma qui constitue le vent solaire (flux de protons, de neutrons, d’hélium et d’électrons éjectés à une vitesse de 300 à 900 km.s-1 des couches extérieures de la couronne solaire). Ces éjections de matière coronale s’accompagnent d’ondes de choc qui se propagent dans le vent solaire. Lors des plus fortes éruptions solaires, des particules accélérées (protons) peuvent atteindre la Terre et produire de grandes perturbations sur l’environnement terrestre. Ces périodes sont connues sous le nom « d’événements à protons ». Pendant ces périodes de très forte activité solaire, le Soleil émet davantage de rayons X et d’ultraviolets. L’atmosphère terrestre qui les absorbe s’échauffe et se dilate, entraînant un freinage des satellites dont les orbites sont les plus basses. Les événements à protons sont accompagnés « d’orages géomagnétiques » qui peuvent aussi perturber les satellites géostationnaires en modifiant le champ magnétique terrestre sur lequel ces satellites sont « calés ».
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Table des matières
INTRODUCTION
A. GENERALITES
I. L’ENERGIE RENOUVELABLE
1. Définition de l’énergie renouvelable
2. Les différents types de sources d’énergie renouvelable
a. L’énergie hydraulique
b. La biomasse
c. L’énergie éolienne
d. L’énergie géothermique
e. L’énergie solaire
f. Conclusion
II. LE RAYONNEMENT SOLAIRE
III. TRANSFORMATION DE L’ENERGIE DE RAYONNEMENT SOLAIRE EN ENERGIE ELECTRIQUE
1. Effet photoélectrique
a. Cellule photoélectrique
b. Bilan énergétique
2. ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE
a. Historique et principe
b. Les semi-conducteurs
c. La jonction P-N
3. LA CELLULE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE
a. Fonctionnement
b. Caractéristiques de la cellule
c. Production électrique d’un module en une journée
d. Les différentes technologies
e. Le fonctionnement d’un système photovoltaïque en site isolé
f. Site connecté au réseau
4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE L’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE
a. Avantages de l’énergie photovoltaïque
b. Inconvénients et limites
B. DIDACTICIEL POUR L’APPRENTISSAGE
1. Phase de présentation du module
2. Etude des transformations de l’énergie de rayonnement solaire en énergie électrique
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIES ET WEBOGRAPHIES
