Fiche de révision : Alternateurs et cellules photovoltaïques

📋 Plan du Cours

1. Courant électrique continu et alternatif
2. Induction et fonctionnement de l’alternateur
3. Rendement et pertes de l’alternateur
4. Effet 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 continu et alternatif

🔑 Notions clés & Définitions

• Courant électrique : Produit par le déplacement d’électrons quasi libres dans un milieu conducteur sous l’action d’une tension électrique.

📝 Points essentiels

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

💡 Astuce mémo

Continu : les charges dérivent vers une borne ; alternatif : elles oscillent autour de leur position moyenne.

📖 2. Induction et fonctionnement de l’alternateur

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

• Le mouvement relatif d’un aimant et d’une bobine fait varier le flux magnétique et induit une tension électrique.

📌 Le rotor est la partie tournante qui crée le mouvement relatif nécessaire à l’induction, tandis que le stator est la partie fixe pouvant porter les bobines.

Compléments

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

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

• Lorsque le rotor tourne, le flux magnétique vu par une bobine varie périodiquement et la tension produite est alternative et périodique.

• Une rotation plus rapide du rotor augmente la tension produite et la fréquence du courant.

💡 Astuce mémo

Mouvement relatif → flux magnétique variable → tension induite.

📖 3. Rendement et pertes de l’alternateur

🔑 Notions clés & Définitions

• Rendement d’un alternateur : Rapport entre la puissance électrique utile produite et la puissance mécanique reçue.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le rendement de l’alternateur vérifie $\eta = \frac{P_{\text{électrique utile}}}{P_{\text{mécanique reçue}}}$.

• Le rendement d’un alternateur est inférieur à 100 % notamment à cause de la chaleur produite par effet Joule, des frottements mécaniques et des pertes magnétiques.

Compléments

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

• Un rendement de 0,90 signifie que 90 % de la puissance mécanique reçue est convertie en puissance électrique utile.

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

📖 4. Effet photovoltaïque et bandes d’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet photovoltaïque : L’effet photovoltaïque permet à une cellule composée d’un semi-conducteur de convertir une partie de l’énergie radiative reçue en énergie électrique.

★ À maîtriser

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

Compléments

📌 Dans un conducteur, les bandes de valence et de conduction se chevauchent, tandis que dans les semi-conducteurs et les isolants elles sont séparées par une bande interdite.

• Une cellule photovoltaïque convertit l’énergie radiative en énergie électrique avec des pertes sous forme thermique.

• La cellule photovoltaïque est un générateur de tension continue.

💡 Astuce mémo

Photon absorbé → électron dans la bande de conduction → charges mobiles → courant.

📖 5. Spectre solaire et choix du silicium

★ À maîtriser

• Le rayonnement solaire reçu au sol s’étend du proche ultraviolet au proche infrarouge.

• Une grande part de l’énergie solaire reçue se trouve dans le visible, de sorte qu’un semi-conducteur photovoltaïque doit absorber une part importante de ce rayonnement.

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

Compléments

• L’atmosphère absorbe une partie du rayonnement solaire reçu avant qu’il atteigne le sol.

• Les atomes émettent un photon lors d’une transition vers un niveau d’énergie inférieur et en absorbent un pour atteindre un niveau supérieur.

• 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 - Le rendement photovoltaïque en pourcentage vérifie $\eta = \frac{P_{\text{électrique utile}}}{P_{\text{lumineuse reçue}}} \times 100$.

Compléments

• Dans la relation de puissance, U est la tension en volts, I l’intensité en ampères et P la puissance en watts.

• Pour convertir une intensité en milliampères en ampères, il faut la diviser par 1 000.

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

📖 7. Dimensionnement et limites des panneaux

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour un panneau éclairé uniformément, la puissance électrique estimée vérifie $P_{\text{électrique}} \approx \eta \times E \times S$, avec le rendement exprimé en nombre décimal.

📌 Une puissance théorique de 3,36 kW qui dépasse une consommation instantanée de 3,1 kW ne signifie pas que le logement est autonome sur la journée ou l’année.

Compléments

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

• La production photovoltaïque varie avec l’ensoleillement, la météo, l’orientation et l’heure, et elle est nulle la nuit.

• Le stockage ou le raccordement au réseau peut être nécessaire pour répondre aux besoins lorsque la production photovoltaïque est insuffisante.

• 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.

• La production photovoltaïque est intermittente, son rendement est limité, et la fabrication et le recyclage des équipements nécessitent des matériaux et de l’énergie.