Cette séquence permettra aux apprenants de découvrir le fonctionnement d’une installation photovoltaïque. Les apprenants devront représenter, mesurer, dimensionner et concevoir des maquettes d’installation photovoltaïque pour des maisons à faible consommation énergétique.
Les métiers du recyclage et des énergies renouvelables⚓
Présentation de la séquence et documents à télécharger⚓
Compétence(s) ciblée(s)
Identifier l’impact des énergies renouvelables à travers des objets techniques.
Savoirs, savoir-faire, savoir-être/attitudes à acquérir
Identifier les différentes sources d’énergie renouvelables : solaire, éolienne, hydraulique, géothermique, biomasse, énergie cinétique des courants marins...
Représenter (schémas, croquis, maquettes…) des systèmes techniques utilisant des énergies renouvelables pour la production de l'électricité : Installation solaire, photovoltaïque.
Appréhender les unités physiques liées à la production de l’électricité à partir d’énergie renouvelable (tension, intensité, puissance électrique).
Prérequis
Connaitre les enjeux du recyclage et la nécessité d’utiliser des énergies renouvelables pour obtenir de l’électricité.
Stratégie d’enseignement-apprentissage
Analyser le fonctionnement d’un système permettant de transformer de l’énergie.
Échanger et débattre ;
S’informer, comprendre.
Découpage en séances
Séance (Titre et durée) | Thème, place dans la séquence et très brève description |
séance 1 Etude d’une installation photovoltaïque existante (2 h) | Observation d’une installation photovoltaïque (réelle ou en photographie). Recueil des représentations initiales sur le rôle et le fonctionnement d’une installation photovoltaïque. Faire une représentation graphique des différentes parties qui composent l’installation. Etablir la chaine d’énergie de l’installation : Energie entrante, énergie de sortie, énergie perdue. |
séance 2 Concevoir le circuit électrique de l’installation (1 h) | Conception de l’installation électrique pour une maison «Kay peyi». Les apprenants devront représenter et élaborer un schéma électrique d’une installation photovoltaïque. Générateur, récepteur, circuit électrique. |
séance 3 Construire la maquette d’une installation électrique (2 h) | Construction de la maquette d’une installation électrique. Les apprenants appréhenderont la notion de circuit électrique ouvert et fermé en construisant une maquette de circuit électrique. |
séance 4 Utilisation de la maquette (1 h) | Effectuer des mesures électriques. Les apprenants effectueront des mesures de tension et d’intensité à l’aide d’un voltmètre et d’un ampèremètre. Plusieurs récepteurs seront utilisés afin d’identifier l’impact d’un récepteur sur la consommation de l’énergie électrique. |
séance 5 Choisir des solutions techniques (2 h) | Proposer un dimensionnement pour une installation électrique dans une maison «Kay peyi». En partant d’une habitation dont les besoins sont : éclairage pour deux pièces, trois prises électriques. |
Support, matériel et ressources
Supports :
Photographie d’installation photovoltaïque.
Papier, outils de mesure, fil électrique, générateur très basse tension (pile, panneaux photovoltaïques, lampes, douilles, interrupteur).
Ressource :
Installation photovoltaïque autonome : http://fr.solarpedia.net/wiki/index.php?title=Installation_photovolta%C3%AFque_autonome
Modalités d’évaluation
Evaluation initiale (diagnostique) :
Les apprenants seront évalués à partir de leurs premières représentations lors de la séance 1. Les représentations seront notées afin de les comparer avec les représentations en fin de séquence.
Evaluation finale (bilan) et critères/indicateurs de réussite :
Grille d’évaluation et questionnaire visant les capacités et les connaissances suivantes :
Prolongements éventuels
Effectuer la visite d’une installation photovoltaïque existante.
Echanger avec l’exploitant de l’installation.
Différenciation et adaptation aux élèves à besoins éducatifs particuliers
La classe sera divisée en plusieurs groupes de 5 à 6 élèves. Des rôles différents peuvent être attribués afin de gérer les élèves à besoins particuliers.
Les supports utilisés peuvent être adaptés pour certains élèves.
L’enseignant pourra s’y reporter tout au long de la séquence.
Mise au point pour l’enseignant
Se familiariser avec les relations physiques : \(P=U\cdot I\)
Puissance (\(P\)) en Watt, Tension (\(U\)) en Volt, Intensité (\(I\)) en Ampère.
Cette relation est valable pour une tension continue et non pas pour une tension alternative (sauf pour les récepteurs résistifs). Pour simplifier le dimensionnement, la puissance électrique correspondra à la puissance apparente (\(S=U\cdot I\)).
Séance 1. Etude d’une installation photovoltaïque existante⚓
Supports et matériel
Photographie d’installation photovoltaïque.
Papier, outils de mesure, fil électrique, générateur très basse tension (pile, panneaux photovoltaïques, lampes, douilles, interrupteur).
Déroulement de la séance
Etape | Durée | Ce que fait l’enseignant | Ce que fait l’élève |
|---|---|---|---|
Temps 1 Mise en route Situation de départ | 15 min | Présentation de l’objectif de la séance :
L’enseignant demande aux apprenants de dire ce qu’ils savent sur le fonctionnement d’une installation photovoltaïque. Recueil des hypothèses.
| Les apprenants prennent connaissance de l’objectif de la séance et répondent à la question de l’enseignant en disant ce qu’ils savent sur le fonctionnement d’une installation photovoltaïque. |
Temps 2 Investigation sur les installations photovoltaïques | 40 min | L’enseignant demande aux apprenants de se mettre en groupe de 5 ou de 6. Il distribue à chaque groupe une documentation sur les installations photovoltaïques et leur demande d’analyser cette documentation afin de préciser le rôle, la fonction ainsi que les composants d’une installation photovoltaïque. Ils devront ensuite établir la chaine énergétique de l’installation. Energie entrante, énergie de sortie, énergie perdue. | Chaque groupe analyse la documentation et propose un compte rendu dans lequel sont précisés : le rôle, la fonction, les composants d’une installation photovoltaïque. Les apprenants établissent aussi la chaine énergétique de l’installation. |
Temps 3 Restitution débats et mise en commun | 40 min | L’enseignant demande à chaque groupe de présenter ses travaux à l’ensemble de la classe. L’enseignant anime les débats dans la classe, favorise les échanges. Il régule et amène les apprenants à faire la mise en commun de leurs différentes représentations d’une installation photovoltaïque. | Un représentant de chaque groupe présente les travaux de son groupe. Les apprenants débattent sur les différentes représentations qu’ils ont d’une installation photovoltaïque. Ils font la mise en commun des différentes représentations qu’ils ont d’une installation photovoltaïque. |
Temps 4 Synthèse, trace écrite | 45 min | L’enseignant demande aux apprenants de faire le point sur ce qu’ils ont appris. Il aide les apprenants à rédiger la synthèse. Il est attendu une synthèse qui précise le fonctionnement d’une installation photovoltaïque. Elle peut prendre la forme suivante :  | Aidés par l’enseignant, les apprenants font le point de ce qu’ils ont appris à partir de la séance. Les apprenants consignent la trace écrite dans leur cahier. |
Séance 2. Concevoir le circuit électrique de l’installation⚓
Supports et matériel
Photographie d’installation photovoltaïque.
Papier, outils de mesure, fil électrique, générateur très basse tension (pile, panneaux photovoltaïques, lampes, douilles, interrupteur).
Déroulement de la séance
Etape | Durée | Ce que fait l’enseignant | Ce que fait l’élève |
|---|---|---|---|
Temps 1 Présentation de l’objectif de la séance | 10 min | Présentation de l’objectif de la séance:
L’enseignant demande aux apprenants de se mettre en groupes de 5 ou 6 participants. Il demande aux apprenants de dire en trois ou quatre lignes ce qu’ils savent sur les différents moyens de concevoir une installation électrique pour une maison. Recueil des hypothèses :  | Les apprenants se mettent en groupe de 5 ou 6. Ils indiquent en trois ou quatre lignes ce qu’ils savent sur les différents moyens de concevoir une installation électrique pour une maison. |
Temps 2 Investigation sur la conception d’une installation photovoltaïque pour une maison | 20 min | L’enseignant distribue une documentation présentant les caractéristiques de différentes installations photovoltaïques pour une maison. Il demande à l’ensemble de la classe d’analyser la documentation, de comparer les différentes installations électriques, de choisir la meilleure solution, de représenter et élaborer un schéma d’une installation photovoltaïque pour une maison « Kay peyi ». | Les apprenants analysent la documentation, comparent les différentes installations photovoltaïque et choisissent la meilleure solution, puis représentent et élaborent un schéma d’une installation photovoltaïque pour une maison « Kay peyi ». |
Temps 3 Restitution, débats et mise en commun | 20min | L’enseignant demande à chaque groupe de présenter ses travaux à l’ensemble de la classe. Il anime et facilite les débats, fructifie les échanges entre les apprenants. Il régule et amène les apprenants à valider leurs propositions. | Un représentant de chaque groupe présente les travaux de son groupe. La mise en commun des différentes propositions permettra à l’ensemble de la classe de choisir les meilleures solutions pour la conception d’une installation photovoltaïque pour une maison. |
Temps 4 Synthèse | 10 min | L’enseignant demande aux apprenants de faire le point sur ce qu’ils ont appris. Il est attendu une synthèse qui présente les choix de solutions pour la conception et le schéma de différentes parties (générateur, récepteur et éléments du circuit électrique) d’une installation photovoltaïque pour une maison.  (source : http://fr.solarpedia.net/wiki/index.php?title=Installation_photovolta%C3%AFque_autonome) | Aidés par l’enseignant, les apprenants font le point sur ce qu’ils ont appris à partir de la séance. Les apprenants consignent la synthèse dans leur cahier et chaque groupe retient les solutions les plus appropriées pour la conception d’une installation photovoltaïque pour une maison en indiquant sur un schéma les différentes parties : générateur, récepteur et éléments du circuit électrique. |
Séance 3. Construire la maquette d’une installation électrique⚓
Supports et matériel
Photographie d’installation photovoltaïque
Papier, outils de mesure, fil électrique, générateur très basse tension (pile, panneaux photovoltaïques, lampes, douilles, interrupteur)
Déroulement de la séance
Etape | Durée | Ce que fait l’enseignant | Ce que fait l’élève |
|---|---|---|---|
Temps 1 Présentation de l’objectif de séance | 15 min | Présentation de l’objectif de la séance :
L’enseignant demande aux apprenants de conserver les mêmes groupes de 5 ou 6 participants. Il demande aux apprenants comment ils vont s’y prendre pour construire la maquette d’installation photovoltaïque pour une maison Recueil des hypothèses. | Les apprenants se mettent en groupe de 5 ou 6. Ils disent comment ils vont s’y prendre pour construire la maquette d’installation photovoltaïque pour une maison. |
Temps 2 Construction de la maquette | 40 min | L’enseignant demande à chaque groupe de rassembler ou réaliser les différentes parties (maquettes en bristol, carton …) d’une installation photovoltaïque pour une maison, puis fabriquer la maquette d’une installation photovoltaïque. L’enseignant donne les consignes pour fabriquer les maquettes des différentes parties de l’installation. La maquette doit permettre de visualiser les différents éléments d’une installation (générateur, récepteur, éléments du circuit électrique). Fonction principale de l’installation électrique solaire : Permet de produire de l’électricité pour répondre à un ou des besoin(s). Fonctions Contraintes : il sera fabriqué à partir :
L’enseignant indique les consignes de sécurité pour manipuler les outils lors du traçage, découpage, façonnage des matériaux… | Chaque groupe rassemble ou réalise les différentes parties d’une installation photovoltaïque, puis fabrique la maquette d’une installation solaire électrique. Les apprenants appliquent les consignes de sécurité émises par l’enseignant lors des manipulations des outils de traçage, découpage, façonnage des matériaux. |
Temps 3 Conception des maquettes (suite) | 40 min | L’enseignant encadre chaque groupe en stimulant les échanges, en vérifiant les travaux. | Les apprenants continuent à manipuler les outils et le matériel pour réaliser les maquettes. |
Temps 4 Restitution, débats et mise en commun | 25 min | L’enseignant demande à chaque groupe de présenter ses travaux à l’ensemble de la classe. Il anime et facilite les débats, fructifie les échanges entre les apprenants. Il régule et valide les solutions proposées en référence au besoin. | Un représentant de chaque groupe présente les travaux de son groupe à l’ensemble de la classe. Les apprenants échangent sur les travaux des différents groupes. Les apprenants réalisent et découvrent les maquettes des installations photovoltaïques pour une maison. |
Séance 4. Utilisation de la maquette⚓
Supports et matériel
Papier, outils de mesure, fil électrique, générateur très basse tension (pile, panneaux photovoltaïques, lampes, douilles, interrupteur).
Déroulement de la séance
Etape | Durée | Ce que fait l’enseignant | Ce que fait l’élève |
|---|---|---|---|
Temps 1 Présentation de l’objectif de séance | 10 min | Présentation de l’objectif de la séance :
L’enseignant demande aux apprenants de dire en deux ou trois lignes comment vont-ils s’y prendre pour effectuer des mesures électriques dans une installation photovoltaïque. L’enseignant recueille les hypothèses des apprenants sans les commenter. | Les apprenants disent en deux ou trois lignes comment ils comptent effectuer des mesures électriques dans une installation photovoltaïque. |
Temps 2 Investigation, manipulation, mesures des grandeurs électriques | 20 min | L’enseignant demande aux apprenants de reconstituer les groupes de 5 ou de 6 comme à la séance précédente. Il leur distribue le matériel nécessaire et leur demande d’effectuer des mesures de la tension et de l’intensité dans différents points ou aux bornes de différentes tronçons de l’installation photovoltaïque que représente la maquette qu’ils avaient fabriquée à la séance précédente. Ils doivent préciser le mode de branchement de l’appareil de mesure dans le cas de la mesure d’une tension et d’une intensité. Pour chaque récepteur du circuit, ils doivent préciser la puissance qu’il absorbe. Ils comparent les mesures effectuées pour deux récepteurs différents afin de découvrir l’impact d’un récepteur sur la consommation énergétique. | Les apprenants se mettent en groupe de 5 ou de 6 pour effectuer des manipulations afin de préciser le mode de branchement à considérer suivant qu’on mesure une tension ou une intensité de courant. A partir des mesures effectuées pour deux récepteurs différents, ils précisent l’impact d’un récepteur sur la consommation énergétique. |
Temps 3 Restitution, débats et mise en commun | 20 min | L’enseignant demande à chaque groupe de présenter ses travaux à l’ensemble de la classe. Il anime et facilite les débats, exploite les échanges entre les apprenants. Il régule et amène les apprenants à valider leurs résultats. | Un représentant de chaque groupe présente les travaux de son groupe à l’ensemble de la classe. Les apprenants échangent sur les travaux des différents groupes. Les apprenants valident les résultats de leurs travaux. |
Temps 4 Synthèse, trace écrite | 10 min | L’enseignant demande aux apprenants de faire le point sur ce qu’ils ont appris. Il est attendu une synthèse qui précise comment effectuer des mesures de grandeurs électriques dans une installation photovoltaïque. Cette synthèse peut prendre la forme suivante :  | Aidés par l’enseignant, les apprenants font le point de ce qu’ils ont appris à partir de la séance. Les apprenants consignent la synthèse dans leur cahier. |
Séance 5. Choisir des solutions techniques⚓
Supports et matériel
Papier, outils de mesure, fil électrique, générateur très basse tension (pile, panneaux photovoltaïques, lampes, douilles, interrupteur).
Déroulement de la séance
Etape | Durée | Ce que fait l’enseignant | Ce que fait l’élève |
|---|---|---|---|
Temps 1 Présentation de l’objectif de séance | 20 min | Présentation de l’objectif de la séance : proposer un dimensionnement pour une installation électrique dans une maison « Kay peyi ». L’enseignant demande aux apprenants de dire en deux ou trois lignes comment vont-ils s’y prendre pour dimensionner une installation électrique photovoltaïque. L’enseignant recueille les hypothèses des apprenants sans les commenter. | Les apprenants disent en deux ou trois lignes comment ils comptent s’y prendre pour dimensionner une installation électrique photovoltaïque. |
Temps 2 Investigation, recherche des solutions techniques | 40 min | L’enseignant demande aux apprenants de se mettre en groupes de 5 ou de 6. Il leur demande de proposer le dimensionnement d’une installation électrique photovoltaïque pour alimenter une maison «kay peyi» dont les besoins en énergie électrique sont indiqués : Maison de deux pièces (deux lampes, chacune équivalent à 7 watts ; 3 prises électrique pour alimenter un téléviseur équivalent à 75 watts, un ventilateur équivalent à 20 watts et un poste de radio équivalent à 7 watts). Pour cette application, il est considéré que la puissance absorbée par chaque récepteur est constante pendant le cycle de fonctionnement. | Les apprenants se mettent en groupe de 5 ou de 6 pour proposer des solutions relatives au besoin indiqué. Ils établiront une relation entre l’énergie entrante, l’énergie perdue et l’énergie utilisée à la sortie pour pouvoir faire des choix techniques qui répondent au besoin indiqué. |
Temps 3 Restitution débats et mise en commun | 40 min | L’enseignant demande à chaque groupe de présenter ses travaux à l’ensemble de la classe. Il anime et facilite les débats, fructifie les échanges entre les apprenants. Il régule et amène les apprenants à valider leurs propositions. | Un représentant de chaque groupe présente les travaux de son groupe à l’ensemble de la classe. Les apprenants échangent sur les travaux des différents groupes. Les apprenants valident les résultats de leurs travaux. |
Temps 4 Synthèse, trace écrite | 20 min | L’enseignant demande aux apprenants de faire le point sur ce qu’ils ont appris. Il est attendu une synthèse qui indique la solution la plus appropriée pour dimensionner une installation électrique photovoltaïque d’une maison de deux pièces «kay peyi». | Aidés par l’enseignant, les apprenants font le point de ce qu’ils ont appris à partir de la séance. Les apprenants consignent la synthèse dans leur cahier. |
Production attendue et évaluation⚓
Production attendue
Construction d’un circuit électrique constitué d’un générateur (panneaux photovoltaïque), de conducteurs et d’un récepteur (lampe).
Trace écrite pour l’élève
En Haïti, le nombre d’heures d’ensoleillement est important. L’énergie solaire est une énergie renouvelable qui peut être transformée pour obtenir de l’énergie électrique. Certaines habitations sont difficiles d'accès et donc onéreux à raccorder au réseau électrique. Dans ces cas-là, il est plus avantageux d'opter pour une installation solaire photovoltaïque autonome.
L'utilisation d'une installation solaire autonome consiste à utiliser l'électricité produite directement ou en la stockant dans des batteries.
L’installation est constituée de:
un ou plusieurs panneau(x) photovoltaïque(s) pour convertir l’énergie solaire en énergie électrique dite à tension continue (DC) ;
un régulateur permettant de contrôler l’énergie destinée à charger la ou les batterie(s) ;
une ou plusieurs batteries de stockage qui permettent de convertir l’énergie électrique continue en énergie chimique ;
un onduleur qui utilise l’énergie provenant de la batterie pour la transformer en énergie électrique dite alternative permettant d’alimenter les récepteurs dans les habitations (voir le schéma d’une installation solaire dans le document ressource).
Évaluation et régulation
Grille d’évaluation
Savoirs évalués | Critères attendus | Ne maitrise pas encore (0 point) | Maitrise avec aide (1 point) | Maitrise (2 points) |
|---|---|---|---|---|
Appréhender les unités physiques : tension, intensité, puissance | Compréhension du vocabulaire et des unités de mesure (\(V\), \(A\) et \(W\)) |
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Vocabulaire : récepteur, générateur | Compréhension du vocabulaire et utilisation pendant les présentations |
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Rôles des éléments dans une installation photovoltaïque | Convertisseur d’énergies |
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Réaliser la maquette d’une installation électrique en proposant des règles de sécurité. | Respecter le cahier des charges |
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Comprendre la notion de dimensionnement d’une installation électrique, solaire | Calculer une puissance électrique |
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Éléments de remédiation
Des visites d’installations photovoltaïques pourront être effectuées afin d’appréhender les différents éléments.
Panneaux photovoltaïques
Batterie
Régulateur de charge
Onduleur
Annexes⚓
Installation photovoltaïque pour une habitation individuelle
L'énergie solaire photovoltaïque (ou énergie photovoltaïque) est produite à partir du rayonnement solaire grâce à des panneaux qui convertissent l’énergie lumineuse en énergie électrique. Elle est dite renouvelable, car sa source (le Soleil) est considérée comme inépuisable à l'échelle du temps humain.
En fin de vie, le panneau photovoltaïque aura produit 20 à 40 fois l'énergie nécessaire à sa fabrication et à son recyclage.
Principaux composants d'un système photovoltaïque d’une habitation individuelle
Les principaux composants d'un système photovoltaïque sont :
Panneaux photovoltaïques / panneaux solaire
Régulateur de charge de la tension continue permettant de diminuer les valeurs élevées de la tension
Système de stockage (les batteries)
Un onduleur pour transformer la tension continue en une tension alternative
Des câbles (des fils conducteurs d’électricité)
Représentation schématique d’une installation photovoltaïque
Dimensionner une installation photovoltaïque
Pour dimensionner une installation photovoltaïque, il faut réaliser :
Le dimensionnement de la charge : la première étape du dimensionnement d’une installation commence par les charges ou les appareils que votre installation solaire doit être capable d’alimenter. Il est important de connaître la puissance en watts de chaque appareil que vous prévoyez d'utiliser via votre installation, ainsi que la durée sur laquelle vous comptez les utiliser, dans une journée. Vous allez multiplier les watts par les heures pour obtenir des wattheures. Si vous avez plusieurs appareils, il vous suffit de les additionner tous pour obtenir le nombre total de wattheures. Les watts-heure correspondent à l’énergie électrique consommée par des appareils.
Le dimensionnement des panneaux : La seconde étape consiste à connaitre la moyenne d'heure d'ensoleillement où se trouve l’habitation, y compris les heures de pointe solaires. Vous devez ensuite prendre la totalité de l’énergie électrique, en watts-heure, dont vous avez besoin, puis la diviser par le nombre d'heures de pointe pour obtenir des watts, une puissance. C’est cette puissance dont vous aurez besoin pour faire fonctionner vos appareils électriques.
Le dimensionnement du régulateur : pour la troisième étape, vous devez trouver un régulateur capable d’accepter la puissance en watts fournie par les panneaux photovoltaïques. Vous pouvez consulter la fiche technique du régulateur pour connaître les puissances qu’il peut gérer. Par exemple, un régulateur de 30 ampères avec une tension de 12V correspond à une puissance électrique de : 360W. La puissance électrique correspond à la tension multipliée par la valeur de l’intensité en ampère.
Le dimensionnement de la batterie : La batterie permet de transformer de l’énergie électrique en énergie chimique et inversement. Le choix de la batterie doit tenir compte de la valeur initiale en watts-heure afin de faire en sorte que la charge ne vide pas la batterie à plus de 50%. Pour cela, vous devez prendre la dernière valeur de puissance que vous avez calculée et la multiplier par 2. Vous la divisez ensuite par la tension (12V, 24V ou 48V) en fonction du régulateur utilisé pour trouver le nombre d'heures ampères nécessaire.
Le dimensionnement de l'onduleur : En fin de chaine d’énergie, l'onduleur sert à transformer une tension continue (DC) (provenant des batteries et des panneaux photovoltaïques) en une tension alternative (AC) permettant d’alimenter les appareils électriques de l’habitation. Pour choisir un onduleur, vous devez additionner toutes les puissances de tous les appareils que vous souhaitez utiliser. Vous devez ensuite choisir un onduleur avec une puissance supérieure à celle-ci. Assurez-vous également que votre onduleur correspond à la tension continue fournie par les batteries.
Dangers d’une installation photovoltaïque
Les contacts directs ou indirects provoquent des électrisations (risques de brûlures…) ou électrocutions (mort). Sur les muscles du corps humain les courants électriques peuvent provoquer une tétanisation (muscles moteurs et de la cage thoracique) ou une fibrillation ventriculaire pouvant provoquer l’arrêt du cœur.
Pour éviter l’électrocution, il ne faut pas toucher un conducteur ayant une tension supérieure à certaines valeurs. Ces tensions limites de sécurité dépendent du milieu. Ainsi, dans un milieu sec, le corps humain supporte une tension plus importante que dans un milieu humide.
Nature de la tension | Milieu sec | Milieu humide |
|---|---|---|
Alternative (au niveau des prises électriques dans les habitations) | 50 \(V\) | 12 \(V\) |
Continue (en sortie des panneaux photovoltaïques et des batteries) | 120 \(V\) | 25 \(V\) |
Tableau : Tensions maximales pouvant être supportées par le corps humain