Fiche de révision : Alternateur et cellule photovoltaïque

📋 Plan du Cours

1. Courant électrique et déplacement des charges
2. Induction électromagnétique et alternateur
3. Rendement et pertes de l’alternateur
4. Conversion photovoltaïque et bandes d’énergie
5. Spectre solaire et choix du silicium
6. Puissance et rendement photovoltaïques
7. Dimensionnement et limites des panneaux

📖 1. Courant électrique et déplacement des charges

🔑 Notions clés & Définitions

• Courant électrique : Produit par le déplacement d’électrons quasi libres dans un milieu conducteur sous l’effet d’une tension électrique appliquée à ses bornes.

📝 Points essentiels

📌 Sous une tension continue, les électrons se déplacent vers la borne positive, tandis que sous une tension alternative sinusoïdale, ils oscillent dans les deux sens autour de leur position moyenne.

💡 Astuce mémo

En continu, les électrons dérivent vers la borne positive ; en alternatif, ils oscillent.

📖 2. Induction électromagnétique et alternateur

🔑 Notions clés & Définitions

• Alternateur : Dispositif qui transforme une partie de l’énergie mécanique de rotation en énergie électrique par induction électromagnétique.

★ À maîtriser

• L’induction électromagnétique produit une tension lorsqu’un aimant se déplace par rapport à une bobine, car leur mouvement relatif fait varier le flux magnétique vu par le conducteur.

📌 Le rotor est la partie tournante de l’alternateur et le stator est sa partie fixe, qui peut porter les bobines conductrices.

Compléments

• La source de champ magnétique d’un alternateur peut être un aimant permanent ou un électroaimant.

• Orsted a mis en évidence le lien entre électricité et magnétisme en observant qu’une aiguille aimantée déviait près d’un fil parcouru par un courant.

• Faraday a ajouté la notion de mouvement à l’observation du lien entre électricité et magnétisme.

• L’induction électromagnétique a été découverte expérimentalement par M. Faraday et décrite mathématiquement par J. C. Maxwell au XIXe siècle.

💡 Astuce mémo

Mouvement relatif aimant-bobine → induction → tension électrique.

📖 3. Rendement et pertes de l’alternateur

★ À maîtriser

📐 Formule - Le rendement d’un alternateur est le rapport de la puissance électrique utile à la puissance mécanique reçue : $\eta = \frac{P_{\text{électrique utile}}}{P_{\text{mécanique reçue}}}$.

Compléments

• Le rendement d’un alternateur est sans unité et compris entre 0 et 1, soit entre 0 % et 100 %.

• Le rendement de l’alternateur de la centrale hydroélectrique de Serre-Ponçon est de 95,2 %, calculé à partir de 700 GWh électriques pour 735 GWh mécaniques reçus.

• Un alternateur dissipe une partie de l’énergie reçue sous forme de chaleur par effet Joule et par frottements mécaniques ; les pertes magnétiques peuvent également contribuer aux pertes.

📌 Quand le rotor tourne plus vite, la tension maximale et la fréquence du courant produit augmentent.

📖 4. Conversion photovoltaïque et bandes d’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule photovoltaïque : Dispositif constitué d’un semi-conducteur qui convertit une partie de l’énergie radiative reçue en énergie électrique par effet photovoltaïque.

★ À maîtriser

• Lorsqu’un photon apporte une énergie suffisante pour franchir la bande interdite d’un semi-conducteur, un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction et devient mobile, ce qui permet la production d’un courant électrique.

Compléments

📌 Dans un semi-conducteur, les bandes de valence et de conduction sont séparées par une bande interdite, contrairement aux conducteurs où ces bandes se chevauchent.

• Une cellule photovoltaïque produit une énergie électrique accompagnée de pertes sous forme thermique.

💡 Astuce mémo

Photon absorbé → électron excité → charge mobile → courant.

📖 5. Spectre solaire et choix du silicium

★ À maîtriser

• Le rayonnement solaire reçu au sol s’étend du proche ultraviolet au proche infrarouge, et l’atmosphère en absorbe une partie.

• Une grande part de l’énergie solaire reçue au sol se trouve dans le domaine visible.

📌 Un bon matériau photovoltaïque doit absorber une partie importante du rayonnement solaire reçu au sol.

Compléments

• Le silicium est largement utilisé car il est relativement abondant dans la croûte terrestre et moins coûteux que plusieurs autres semi-conducteurs.

• Pour un même atome, les raies d’émission et d’absorption correspondent aux mêmes différences d’énergie entre niveaux.

📖 6. Puissance et rendement photovoltaïques

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance électrique est le produit de la tension par l’intensité : $P_{\text{électrique}} = U \times I$.

📐 Formule - Le rendement photovoltaïque en pourcentage est le rapport de la puissance électrique utile à la puissance lumineuse reçue, multiplié par 100 : $\eta (\%) = \frac{P_{\text{électrique utile}}}{P_{\text{lumineuse reçue}}} \times 100$.

Compléments

• Le rendement d’une cellule photovoltaïque est inférieur à 100 %, car toute l’énergie lumineuse reçue n’est pas convertie en électricité.

• La conversion entre les unités d’intensité nécessite de tenir compte de l’équivalence de 1 000 mA pour 1 A.

📖 7. Dimensionnement et limites des panneaux

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance électrique estimée d’un panneau éclairé uniformément est approximativement le produit du rendement décimal, de l’éclairement et de la surface : $P_{\text{électrique}} \approx \eta \times E \times S$.

• La production varie selon :
  • l’ensoleillement
  • la météo
  • l’orientation
  • l’heure

Compléments

• Pour un rendement de 0,24, un éclairement de 700 W·m⁻² et une surface de 20 m², la puissance estimée est 3 360 W, soit 3,36 kW.

• Dans l’exemple, la puissance théorique de 3,36 kW dépasse légèrement une consommation instantanée de 3,1 kW, sans établir l’autonomie sur une journée ou une année.

📌 Le stockage ou un raccordement au réseau peut être nécessaire pour pallier la variabilité de la production photovoltaïque.

• L’énergie solaire photovoltaïque est renouvelable à l’échelle humaine, sans combustion ni émission directe de CO₂ pendant le fonctionnement, et les installations sont modulables.

• Le rendement est limité et la fabrication ainsi que le recyclage des équipements nécessitent des matériaux et de l’énergie.

• Une cellule photovoltaïque est un générateur de tension continue.

💡 Astuce mémo

Ensoleillement variable → production intermittente → stockage ou réseau parfois nécessaire.