Fiche de révision : Énergie transportée par la lumière

📋 Plan du Cours

1. Ondes électromagnétiques et lumière
2. Photons et effet photoélectrique
3. Caractéristique du panneau photovoltaïque
4. Point de fonctionnement électrique
5. Bilan énergétique et rendement photovoltaïque
6. Constitution du panneau thermique

📖 1. Ondes électromagnétiques et lumière

★ À maîtriser

• La lumière visible et invisible transporte de l’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques qui se propagent dans le vide à la célérité $c = 3{,}0 \times 10^8\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}$.

📌 La lumière est une onde transversale dont les champs électrique et magnétique oscillent perpendiculairement à la direction de propagation.

📐 Formule - La fréquence f et la longueur d’onde λ d’une onde électromagnétique vérifient $c = \lambda f$, où c est sa célérité.

Compléments

• Une onde électromagnétique combine un champ électrique E mesuré en volts par mètre (V/m) et un champ magnétique B mesuré en teslas (T).

• La lumière se propage en ligne droite dans le vide et dans les milieux transparents.

📐 Formule - La fréquence et la période sont liées par $f = \frac{1}{T}$ et $T = \frac{1}{f}$.

📖 2. Photons et effet photoélectrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Photon : Particule énergétique sans masse et sans charge qui peut modéliser la lumière.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’énergie E d’un photon est proportionnelle à la fréquence f de l’onde selon $E = hf$, où la constante de Planck vaut $h = 6{,}62 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}$.

• Lors de l’effet photoélectrique, des photons d’énergie suffisante libèrent des électrons d’un semi-conducteur ou d’un métal, ce qui permet de produire un courant électrique.

Compléments

• L’effet photoélectrique est associé à Hertz en 1887.

💡 Astuce mémo

Photon suffisamment énergétique → libération d’électrons

📖 3. Caractéristique du panneau photovoltaïque

★ À maîtriser

📌 Sur la caractéristique d’un panneau photovoltaïque, Icc est l’intensité de court-circuit, mesurée lorsque la tension est nulle (U = 0).

📌 Sur la caractéristique d’un panneau photovoltaïque, Uco est la tension en circuit ouvert, mesurée lorsque l’intensité est nulle (I = 0).

• La caractéristique courant-tension d’un panneau photovoltaïque dépend de la puissance lumineuse reçue, c’est-à-dire de l’éclairement.

• La puissance maximale Pmax d’un panneau photovoltaïque est obtenue lorsque son point de fonctionnement se situe dans le coude de sa caractéristique.

Compléments

📌 Au point de puissance maximale, Ippm désigne l’intensité du courant et Uppm la tension nominale du panneau photovoltaïque.

📖 4. Point de fonctionnement électrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Point de fonctionnement : Intersection des caractéristiques du panneau photovoltaïque et du dipôle récepteur, qui détermine entièrement l’intensité I et la tension U du circuit.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour un conducteur ohmique de résistance R, la caractéristique vérifie $U = RI$, soit $I = \frac{U}{R}$.

Compléments

• La caractéristique d’un conducteur ohmique est une droite passant par l’origine, de coefficient directeur 1/R lorsqu’elle représente I en fonction de U.

📖 5. Bilan énergétique et rendement photovoltaïque

★ À maîtriser

• Un panneau photovoltaïque transforme l’énergie solaire en énergie électrique continue, avec une part d’énergie perdue sous forme thermique et par réflexion.

📐 Formule - La conservation de l’énergie dans la conversion photovoltaïque s’écrit $E_{solaire} = E_{utile} + E_{perdue}$.

📐 Formule - Le rendement énergétique photovoltaïque est $\eta = \frac{E_{utile}}{E_{absorbée}} = \frac{E_{électrique}}{E_{solaire}}$ ; il est sans unité et s’exprime en pourcentage.

📐 Formule - L’énergie transférée pendant une durée Δt vérifie $E = P\Delta t$, avec E en joules, P en watts et Δt en secondes, ou E en kilowattheures, P en kilowatts et Δt en heures.

Compléments

• La conversion d’énergie est $1\ \mathrm{kWh} = 3{,}6 \times 10^6\ \mathrm{J}$.

📐 Formule - La puissance solaire reçue par une surface vérifie $P_{solaire} = P_{absorbée} = E \times S$, où E est l’éclairement ou l’irradiance en W·m⁻² et S la surface de réception en m².

📐 Formule - La puissance électrique utile au point de puissance maximale vérifie $P_{électrique} = P_{utile} = P_{MAX} = U_{ppm} \times I_{ppm}$.

📐 Formule - La conservation de la puissance dans la conversion photovoltaïque s’écrit $P_{solaire} = P_{utile} + P_{thermique}$.

📐 Formule - Le rendement en puissance photovoltaïque vérifie $\eta = \frac{P_{utile}}{P_{absorbée}} = \frac{P_{électrique}}{P_{solaire}}$.

📖 6. Constitution du panneau thermique

★ À maîtriser

• Un panneau thermique comprend :

  • une vitre
  • un absorbeur
  • un isolant
  • un caisson
  • un fluide caloporteur

• Les pertes thermiques se produisent par :

  • convection
  • rayonnement
  • conduction

Compléments

• Un panneau thermique reçoit l’énergie solaire, la convertit en énergie thermique et présente une part d’énergie perdue.