Fiche de révision : Deux siècles d’énergie électrique

📋 Plan du Cours

1. Induction et fonctionnement de l’alternateur
2. Rendement des conversions énergétiques
3. Conversion photovoltaïque et rendement
4. Alternateurs et production électrique
5. États d’énergie et lumière
6. Spectres du mercure et du cadmium
7. Puissance des panneaux solaires
8. Caractéristique photovoltaïque et température
9. Alternateur automobile et dynamo
10. Cellule photovoltaïque de chargeur
11. Rendement de la cellule photovoltaïque
12. Puissance des alternateurs de vélo

📖 1. Induction et fonctionnement de l’alternateur

🔑 Notions clés & Définitions

• Alternateur : L’alternateur convertit l’énergie mécanique en énergie électrique.
• Induction électromagnétique : Faraday - Phénomène par lequel le mouvement d’une source de champ magnétique par rapport à une bobine crée un courant électrique dans celle-ci.
• Rotor : Partie mobile de l’alternateur, constituée d’un aimant ou d’un électroaimant qui tourne autour d’un axe.
• Stator : Partie fixe de l’alternateur, constituée d’une bobine où apparaît le courant induit.

★ À maîtriser

• Une tension et un champ électrique sont induits dans un conducteur lorsqu’un aimant ou le conducteur est mis en mouvement à proximité de l’autre.

• Un alternateur comprend un rotor mobile, souvent source du champ magnétique, un stator fixe portant les enroulements de cuivre où apparaissent les tensions et courants induits, et un système d’entraînement du rotor.

📌 La bobine peut fournir de l’énergie électrique uniquement si l’aimant est en mouvement par rapport à elle.

📌 La tension mesurée aux bornes du stator de la dynamo est alternative et périodique : elle prend des valeurs positives et négatives et se répète régulièrement.

Compléments

• En 1820, Oersted découvre qu’un courant électrique peut modifier l’orientation d’une boussole et établit ainsi un lien entre électricité et magnétisme.

• Le champ magnétique créé par un électroaimant est similaire à celui d’un aimant droit, avec un pôle nord et un pôle sud.

• Lorsque l’aimant se rapproche ou s’éloigne de la bobine, une tension apparaît à ses bornes.

• Plus l’aimant se déplace rapidement par rapport à la bobine, plus la valeur de la tension induite est grande.

• L’inversion du pôle de l’aimant présenté à la bobine inverse le signe et le sens de la tension.

• Le mouvement de va-et-vient de l’aimant produit un courant alternatif, et sa rotation autour d’un axe peut également produire une tension similaire.

• La tension maximale mesurée est $U_{\max}=2\ \mathrm{V}$ et sa période est $T=40\ \mathrm{ms}$, ce qui correspond à une fréquence de $f=25\ \mathrm{Hz}$.

💡 Astuce mémo

Le rotor tourne et porte souvent l’aimant ; le stator reste fixe et porte les enroulements.

📖 2. Rendement des conversions énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Rendement énergétique : Grandeur qui mesure l’efficacité d’une conversion en comparant l’énergie utile obtenue à l’énergie fournie au convertisseur.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le rendement énergétique est donné par $\eta = \frac{E_{utile}}{E_{fournie}}$ ou par le rapport de la puissance utile à la puissance fournie.

Compléments

• Le rendement est sans unité, inférieur à 1, et peut être exprimé en pourcentage en multipliant sa valeur par 100.

📐 Formule - L’énergie fournie se répartit entre l’énergie utile et l’énergie dissipée : $E_{fournie}=E_{utile}+E_{dissipée}$.

• Dans un alternateur, les pertes peuvent être dues aux frottements et à l’effet Joule ; lorsqu’elles sont faibles, le rendement est proche de 1.

💡 Astuce mémo

Frottements et effet Joule → énergie dissipée → rendement inférieur à 1.

📖 3. Conversion photovoltaïque et rendement

★ À maîtriser

• Dans un semi-conducteur, les électrons excités par la lumière atteignent des niveaux d’énergie appelés bande de conduction et peuvent se déplacer d’un atome à l’autre, ce qui produit un courant électrique.

• La puissance électrique fournie par une cellule photovoltaïque est maximale à son point de fonctionnement, défini par les valeurs de tension Umax et d’intensité Imax, qui dépendent de la résistance R du circuit.

Compléments

• Les atomes ne peuvent occuper que des niveaux d’énergie donnés et quantifiés.

📌 Les semi-conducteurs d’un panneau photovoltaïque sont choisis pour que leur spectre d’absorption soit adapté au spectre d’émission solaire.

• Le rendement des panneaux photovoltaïques est de l’ordre de 0,15.

💡 Astuce mémo

Lumière → électrons excités → déplacement dans le semi-conducteur → courant électrique.

📖 4. Alternateurs et production électrique

★ À maîtriser

• À l’heure actuelle, l’essentiel de la production mondiale d’énergie électrique est réalisé à l’aide d’alternateurs.

• Dans la plupart des centrales, une turbine met en mouvement un alternateur pour produire de l’électricité ; les centrales thermiques classiques et nucléaires utilisent une chaudière et de la vapeur d’eau, tandis que les centrales hydrauliques utilisent une réserve d’eau.

Compléments

• Un groupe électrogène de 20 à 30 kg associe un moteur à essence et un alternateur pour alimenter une petite installation non reliée au secteur.

• L’alternateur du groupe électrogène fournit une puissance électrique de 3,7 kW à 50 Hz, tandis que son moteur à essence consomme 1,4 L·h⁻¹ et fournit une puissance mécanique de 4,2 kW.

• Un alternateur de centrale nucléaire délivre un courant d’intensité 68,3 kA sous une tension de 20,0 kV et présente des pertes de 9,00 MW.

• Le barrage des Trois-Gorges compte 32 turbo-alternateurs entraînés par l’eau retenue par le barrage.

• Au barrage des Trois-Gorges, la chute d’eau mesure 80,6 m, chaque turbo-alternateur délivre 775 MW et son rendement nominal est de 0,96 ; le débit moyen maximal est de 1065 m³·s⁻¹.

📐 Formule - La puissance fournie par l’eau est $P=h\,d\,\rho\,g$, où h est la hauteur en mètres, d le débit en m³·s⁻¹, ρ la masse volumique en kg·m⁻³ et g l’intensité du champ de pesanteur en m·s⁻².

• Les données utilisées pour l’eau sont une masse volumique de 1,0 × 10³ kg·m⁻³ et un champ de pesanteur de 9,81 m·s⁻².

• La puissance des éoliennes en mer a été multipliée par plus de 100 depuis les premières éoliennes.

• Le parc éolien en mer prévu au large des îles d’Yeu et de Noirmoutier à l’horizon 2023 doit comprendre 62 éoliennes de 8 MW chacune.

• La puissance délivrée par le barrage d’Itaipu est de 14 GW.

• La puissance des plus grandes éoliennes en mer indiquée par période passe de 75 kW en 1980–1990 à 300 kW en 1990–1995, 750 kW en 1995–2000, 1 500 kW en 2000–2005, 1 800 kW en 2005–2010, 3 000 kW en 2010, 5 000 kW en 2015 et 8 000 kW en 2018.

📖 5. États d’énergie et lumière

🔑 Notions clés & Définitions

• État fondamental : Niveau d’énergie électronique le plus bas d’un atome.
• Effet photovoltaïque : Phénomène par lequel un matériau exposé à la lumière émet des électrons dont le mouvement d’atome en atome produit un courant électrique.

★ À maîtriser

• Un électron excité qui retourne à un niveau inférieur perd l’énergie reçue en émettant un photon de longueur d’onde précise.

• Le spectre d’émission d’un gaz excité comporte des raies, car seules certaines longueurs d’onde sont émises; elles correspondent aux changements de niveaux d’énergie des électrons et sont propres au gaz.

• Lorsqu’un électron absorbe un photon, il gagne de l’énergie et passe de son état d’origine à un état excité de niveau supérieur.

Compléments

• Les niveaux d’énergie électronique d’un atome ont des valeurs bien déterminées et propres à chaque atome.

• Dans un semi-conducteur, l’absorption de lumière peut faire passer le matériau d’un état isolant à un état conducteur.

• L’électronvolt est une unité d’énergie adaptée à l’échelle atomique et vaut $1\ \mathrm{eV}=1{,}60\times10^{-19}\ \mathrm{J}$.

💡 Astuce mémo

Émission : l’électron perd un photon ; absorption : il gagne un photon

📖 6. Spectres du mercure et du cadmium

📝 Points essentiels

• Le spectre d’émission du mercure comporte des raies aux longueurs d’onde 407, 434, 546, 577 et 579 nm.

• Le spectre d’émission du cadmium comporte des raies aux longueurs d’onde 468, 480, 508 et 643 nm.

📖 7. Puissance des panneaux solaires

★ À maîtriser

• Pour un éclairement de 1000 W·m⁻², une cellule solaire de 0,200 m² fournit une tension et une intensité maximales de 15,5 V et 1,2 A.

Compléments

• Les turboalternateurs d’un réacteur nucléaire délivrent une puissance électrique de 900 MW.

📖 8. Caractéristique photovoltaïque et température

★ À maîtriser

• À éclairement constant, le module photovoltaïque étudié présente les couples tension-intensité suivants : (0 V ; 3,4 A), (7,0 V ; 3,3 A), (14,0 V ; 3,2 A), (17,5 V ; 2,9 A), (19,3 V ; 2,3 A), (20,0 V ; 1,6 A) et (21,0 V ; 0 A).

• La caractéristique du panneau solaire est présentée pour une irradiation incidente de 1000 W/m² et des températures de cellule de 10 °C, 25 °C, 40 °C, 55 °C et 70 °C.

• La puissance maximale fournie par le panneau solaire diminue lorsque la température de ses cellules augmente.

Compléments

📐 Formule - La tension aux bornes d’un conducteur ohmique vérifie $U = RI$.

• Le dipôle ohmique étudié pour le module photovoltaïque a une résistance de 4,0 Ω.

💡 Astuce mémo

La température augmente → la puissance maximale baisse.

📖 9. Alternateur automobile et dynamo

★ À maîtriser

• L’alternateur automobile étudié reçoit un couple de 5 Nm et tourne à 2 000 tours/min ; il fournit un courant de 80 A sous une tension de 12 V.

Compléments

• La batterie de smartphone étudiée a une tension nominale de 3,85 V, une énergie stockée de 7,70 Wh et une tension de charge de 4,4 V.

📖 10. Cellule photovoltaïque de chargeur

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance absorbée par une cellule photovoltaïque vérifie $P_{abs} = E \cdot S$, où E est l’éclairement en W·m⁻² et S la surface de la cellule en m².

Compléments

• La cellule photovoltaïque du chargeur portable mesure 15 cm de large et 30 cm de long.

• La plupart des smartphones nécessitent une puissance de 5 W pour être rechargés.

• Les caractéristiques I(U) et P(U) de la cellule sont données pour un éclairement moyen de 1000 W·m⁻² et une température de 25 °C.

📖 11. Rendement de la cellule photovoltaïque

★ À maîtriser

📐 Formule - Le rendement de la cellule photovoltaïque est le rapport de la puissance électrique maximale délivrée à la puissance absorbée : $\eta = \frac{P_{\max}}{P_{\mathrm{abs}}}$.

Compléments

• Pour une cellule photovoltaïque de puissance maximale 8 W et de puissance absorbée 45 W, le rendement vaut $\eta = \frac{8}{45} \approx 0{,}18$, soit 18 %.

📖 12. Puissance des alternateurs de vélo

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance mécanique transmise à la roue pour entraîner l’alternateur vaut $P = 310 \times 0{,}02 = 6{,}2\ \mathrm{W}$.

• À 20 km·h⁻¹, l’alternateur bouteille produit 3,3 W et l’alternateur moyeu produit 5 W.

📐 Formule - À 20 km·h⁻¹, le rendement de l’alternateur bouteille est $\eta = \frac{3{,}3}{6{,}2} \approx 53\ \%$.

📐 Formule - À 20 km·h⁻¹, le rendement de l’alternateur moyeu est $\eta = \frac{5}{6{,}2} \approx 81\ \%$.

Compléments

• L’alternateur moyeu présente l’intérêt de fournir une puissance qui augmente plus rapidement avec la vitesse du vélo que celle de l’alternateur bouteille.

📊 Tableaux de synthèse

Alternateurs à 20 km·h⁻¹