Fiche de révision : Production et conversion de l’énergie électrique

📋 Plan du Cours

1. Induction électromagnétique et alternateur
2. Fonctionnement et rendement des alternateurs
3. Turbo-alternateurs et centrales électriques
4. Physique quantique et photons
5. Semi-conducteurs et effet photovoltaïque
6. Cellules photovoltaïques et caractéristique
7. Rendement photovoltaïque et multi-jonctions

📖 1. Induction électromagnétique et alternateur

🔑 Notions clés & Définitions

• Induction électromagnétique : Michael Faraday, 1831 - Apparition d’un courant électrique dans un conducteur lorsqu’un aimant est mis en mouvement à proximité de celui-ci.
• Alternateur : Faraday, XIXe siècle - Convertisseur d’énergie qui transforme une énergie mécanique en énergie électrique grâce à l’induction électromagnétique.

★ À maîtriser

• La production électrique des centrales repose généralement sur la conversion d’une énergie de mouvement en énergie électrique par un alternateur, sauf dans les centrales photovoltaïques.

Compléments

• Les alternateurs électriques exploitent l’induction électromagnétique découverte par Faraday puis théorisée par Maxwell au XIXe siècle.

💡 Astuce mémo

Mouvement relatif aimant-fil → courant induit

📖 2. Fonctionnement et rendement des alternateurs

★ À maîtriser

• Un alternateur comporte un stator fixe constitué de bobines de cuivre et un rotor mobile constitué d’aimants ou d’électroaimants, mais la bobine et l’aimant peuvent échanger ces rôles.

• Entraîné le plus souvent par une turbine, l’alternateur convertit l’énergie mécanique de rotation en énergie électrique par induction.

📐 Formule - Le rendement d’un alternateur est le rapport entre l’énergie électrique utile et l’énergie mécanique fournie, ou entre la puissance électrique et la puissance mécanique : $\eta=\frac{E_{\text{électrique}}}{E_{\text{mécanique}}}=\frac{P_{\text{électrique}}}{P_{\text{mécanique}}}$.

Compléments

• Lorsque la vitesse de rotation de l’alternateur de bicyclette augmente, la fréquence du signal électrique produit augmente également.

• Le rendement des alternateurs de centrales est en moyenne de 0,95, soit 95 % de l’énergie mécanique convertie en énergie électrique.

• Les pertes énergétiques d’un alternateur sont notamment dues aux frottements et à l’échauffement des fils par effet Joule, et se dissipent sous forme thermique.

• La quantité d’énergie convertie dépend de :

  • la vitesse de rotation
  • l’intensité du champ magnétique
  • le nombre de spires de la bobine

📖 3. Turbo-alternateurs et centrales électriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Turbo-alternateur : Association d’une turbine et d’un alternateur qui transforme la puissance mécanique d’un fluide en mouvement en électricité.

📝 Points essentiels

• Le fluide entraînant un turbo-alternateur peut être liquide, comme l’eau d’une rivière dans une centrale hydroélectrique, ou gazeux, comme la vapeur d’une centrale nucléaire.

• Les puissances nominales indiquées pour les centrales françaises sont de 1 800 à 5 400 MW pour le nucléaire, de 1 à 1 800 MW pour l’hydraulique et de 100 à 1 000 MW pour les centrales à flamme.

📖 4. Physique quantique et photons

🔑 Notions clés & Définitions

• Physique quantique : Description du comportement de la matière à l’échelle microscopique, où l’énergie ne peut prendre que certaines valeurs et est dite quantifiée.
• Quanta : Paquets d’énergie échangés entre la lumière et la matière, portés par les photons.

★ À maîtriser

• En 1924, Louis de Broglie a proposé d’étendre à la matière la dualité onde-corpuscule de la lumière, dont la nature corpusculaire est portée par les photons et la nature ondulatoire caractérisée par une fréquence et une longueur d’onde.

📌 Un atome absorbe un photon si son énergie correspond à l’écart entre deux niveaux d’énergie, et il émet uniquement des photons dont l’énergie égale l’écart entre deux niveaux.

Compléments

• La physique quantique explique l’absorption et l’émission de lumière par la matière, notamment les spectres de raies d’émission des atomes.

📖 5. Semi-conducteurs et effet photovoltaïque

🔑 Notions clés & Définitions

• Semi-conducteur : Matériau isolant qui nécessite un apport d’énergie extérieur pour devenir conducteur.

★ À maîtriser

📌 Si l’énergie d’un photon dépasse celle de la bande interdite d’un semi-conducteur, des électrons peuvent provoquer un courant électrique.

Compléments

• Le silicium est un exemple de matériau semi-conducteur utilisé dans les cellules photovoltaïques.

• À la fin du XIXe siècle, on a montré qu’un rayonnement électromagnétique peut extraire des électrons de la matière et engendrer un courant électrique si les photons ont une énergie suffisante, dont le minimum dépend du matériau.

• Dans un semi-conducteur, les niveaux d’énergie possibles sont regroupés en bandes séparées par une bande interdite, ou gap.

📌 La conversion photovoltaïque par la lumière solaire est possible lorsque le spectre d’absorption du matériau partage des longueurs d’onde avec le spectre solaire.

📖 6. Cellules photovoltaïques et caractéristique

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule photovoltaïque : Capteur obtenu par la jonction de deux semi-conducteurs, l’un dopé n avec un excédent d’électrons mobiles et l’autre dopé p avec un déficit d’électrons, correspondant à des trous positifs.
• Point de puissance maximale : Le point de puissance maximale (Iₘ, Uₘ) est le couple courant-tension qui donne la puissance maximale, égale au produit Uₘ × Iₘ.
• Caractéristique photovoltaïque : Ensemble des couples d’intensité et de tension (I, U), dépendant de l’éclairement reçu.
• Tension à vide : Tension aux bornes d’une cellule photovoltaïque lorsqu’elle ne débite pas de courant, donc lorsque l’intensité est nulle.
• Intensité de court-circuit : Courant maximal obtenu lorsque les deux bornes de la cellule sont reliées ensemble, donc lorsque U = 0 V.

★ À maîtriser

• La plupart des cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir de silicium et leur rendement est d’environ 20 à 25 %.

Compléments

📐 Formule - Au point de puissance maximale, la résistance correspondante vérifie $R_m=\frac{U_m}{I_m}$.

📖 7. Rendement photovoltaïque et multi-jonctions

★ À maîtriser

• Le rendement photovoltaïque est limité parce que certains photons n’excitent pas les électrons et que d’autres apportent plus d’énergie que nécessaire.

📌 Un spectre d’absorption plus large permet à un capteur photovoltaïque d’absorber davantage d’énergie solaire et d’améliorer son rendement de conversion.

Compléments

• L’ajout progressif de jonctions de semi-conducteurs ayant des gaps différents élargit le spectre absorbé et améliore la conversion du spectre solaire.

• L’exemple de cellule photovoltaïque à triple jonction présenté est constitué de GaInP, GaAs et Ge.