Deux siècles d'énergie électrique - Maxicours

Deux siècles d'énergie électrique

Objectifs
  • Reconnaitre les principaux éléments d’un alternateur et analyser ses propriétés.
  • Définir le rendement d’un alternateur et citer un phénomène susceptible de l’influencer.
  • Interpréter et exploiter un spectre d’émission atomique.
  • Comparer le spectre d’absorption d’un matériau semi-conducteur et le spectre solaire pour décider si ce matériau peut être utilisé pour fabriquer un capteur photovoltaïque.
  • Tracer la caractéristique d’une cellule photovoltaïque et l’exploiter pour déterminer la résistance maximisant la puissance électrique délivrée.
Points clés
  • Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d’induction électromagnétique. Ils réalisent une conversion d’énergie mécanique en énergie électrique avec un très bon rendement.
  • Au début du XXe siècle, la physique quantique permet d’expliquer les raies sur les spectres d’émission des atomes. L’exploitation technologique des matériaux semi-conducteurs, en particulier du silicium, en est également une conséquence.
  • Les matériaux semi-conducteurs sont constitutifs des capteurs photovoltaïques. Ceux-ci convertissent l’énergie lumineuse radiative en énergie électrique.
Pour bien comprendre
  • Spectres de raies d’émission atomiques
  • Caractéristique I(U) d’un dipôle électrique

Depuis environ deux siècles, la production d’énergie électrique s’est développée grâce aux découvertes de la recherche fondamentale en physique. Nous allons étudier la production d’énergie électrique par les alternateurs (XIXe siècle), puis par les capteurs photovoltaïques (XXe siècle). La technologie des capteurs photovoltaïques découle de la découverte de la mécanique quantique, et notamment des spectres de raies atomiques.

1. Les alternateurs électriques
Un alternateur électrique est un dispositif qui permet de convertir de l’énergie mécanique en énergie électrique, grâce au phénomène d’induction électromagnétique.
Cette conversion s’effectue avec un excellent rendement.
a. L'induction électromagnétique

Le phénomène de l’induction électromagnétique a été découvert par Michael Faraday en 1831.

L’induction électromagnétique est l’apparition d’un courant électrique dans un conducteur électrique placé dans un champ magnétique variable.

Induction électromagnétique par une bobine de fil de cuivre et un aimant

 Si on déplace l’aimant à proximité de la bobine, ou si on déplace la bobine à proximité de l’aimant, une tension électrique alternative apparait sur le multimètre.

Une tension alternative est une tension qui change de signe au cours du temps.

b. Les constituants d'un alternateur
Un alternateur est toujours constitué d’au moins deux éléments (qu’il faut savoir reconnaitre sur un schéma) :
  • une bobine de fil conducteur ;
  • un aimant.

Ces deux éléments doivent être en mouvement l’un par rapport à l’autre.

La partie mobile se nomme le rotor, et la partie fixe le stator :

  • Sur un schéma, on peut repérer le rotor car c’est la partie qui tourne (autour d’un axe).
  • La plupart du temps, on peut repérer la bobine grâce à ses fils enroulés de couleur rouge/orangé.
  • La plupart du temps, le rotor est l’aimant et le stator est la bobine.

Exemple d’un alternateur de vélo
Remarque
On appelle souvent « dynamo » un alternateur de vélo, mais c’est un abus de langage. En effet, une dynamo transforme de l’énergie mécanique en courant électrique continu, alors que l’alternateur produit un courant électrique alternatif.

Exemple d’un alternateur industriel
c. La conversion d'énergie
Un alternateur permet de convertir une énergie mécanique en énergie électrique.
Exemple de l’alternateur de vélo (voir la partie 1B)

Lors du pédalage du vélo, la partie mobile de l’alternateur qui est en contact avec la roue est mise en mouvement. Une tension alternative apparait alors aux bornes de la bobine, ce qui permet d’allumer la lampe. L’alternateur de vélo permet donc de convertir une énergie mécanique en énergie électrique.

Exemple d’un alternateur industriel

Dans la plupart des centrales électriques, l’énergie mécanique de la turbine (produite par différents moyens selon le type de centrale) entraine le rotor de l’alternateur, qui produit de l’énergie électrique.

d. Le rendement d'un alternateur
Le rendement reflète l’efficacité de la conversion d’énergie.
Dans le cas des alternateurs, le rendement est proche de 1, donc excellent.

Dans un alternateur, lors de la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique, il y a toujours une petite partie de l’énergie mécanique « perdue » sous forme de chaleur, due aux frottements : c’est une énergie thermique.

L’énergie ne se crée pas et ne se perd pas, elle se convertit d’une forme à une autre. La somme des énergies « entrantes » est égale à la somme des énergies « sortantes ».
On a donc, dans le cas de l’alternateur :

Énergie mécanique = énergie électrique + énergie thermique

Ceci est souvent représenté grâce à une chaine énergétique :

De façon générale, le rendement r est le rapport entre l’énergie utile (« sortante ») l’énergie reçue (« entrante ») : .
r est sans dimension (sans unité), et les énergies doivent être exprimées dans la même unité (en Joule, par exemple).
Dans le cas d’un alternateur, le rendement r vaut : .

Le rendement d’un alternateur est notamment influencé par la valeur de l’énergie thermique « perdue ». Plus les frottements augmentent, plus les pertes sont importantes et plus le rendement diminue. D’où l’importance de diminuer les frottements entre les différentes pièces de l’alternateur.

Remarques
  • Un rendement reflète l’efficacité de la conversion d’énergie.
  • Un rendement est toujours un nombre positif inférieur à 1.
  • Un rendement peut s’exprimer en pourcentage.
  • On considère qu’un bon rendement est supérieur à 0,80 (soit 80 %).
2. Les spectres de raies d'émission atomique

À partir du XXe siècle, plusieurs résultats de recherche fondamentale en physique, notamment en physique quantique et sur les spectres de raies, ont permis aux techniques de production d’électricité d’évoluer.

a. La mécanique quantique

Au début du XXe siècle, plusieurs scientifiques ont développé la théorie de la physique quantique, qui permet de décrire la matière à l’échelle microscopique.

On ne peut pas certifier la présence de particules (atomes, photons…) à un endroit donné, on peut au mieux prévoir la probabilité de leur présence à cet endroit.

Ce modèle quantique a permis de comprendre et d’exploiter les matériaux semi-conducteurs, afin de développer les capteurs photovoltaïques.

b. Le spectre d'émission atomique
L’état d’énergie d’un atome

Un atome n’existe que dans des états d’énergie quantifiés (valeurs discrètes), que l’on représente sous forme d’un diagramme d’énergie, caractéristique de l’élément chimique.
Un atome peut être dans tel ou tel état d’énergie, mais pas entre deux niveaux.

Exemple

Diagramme d’énergie de l’atome de sodium

On observe sur le diagramme précédent qu’un atome de sodium existe à l’état fondamental ou à l’état excité. Il peut avoir différentes valeurs d’énergie, représentées à gauche : 5,14 eV, ou 3,03 eV, ou 1,93 eV…

L’émission de photons

Un atome peut passer d’un état d’énergie à un autre grâce à ses électrons qui changent de couche. Sur le diagramme, on représente cette transition par une flèche droite.
Lors de la transition de l’atome à un niveau inférieur, un photon est émis (flèche ondulée). L’énergie de ce photon est exactement égale à la valeur de l’énergie existant entre les deux niveaux.

Exemple

Transition d’un atome de sodium d’un état E3 à un état E1
et émission d’un photon

Le photon émis lors de cette transition transporte une énergie égale à la valeur absolue de 5,14  – (1,93) =  –3,21 eV, soit 3,21 eV car la valeur absolue d’un nombre correspond à la valeur positive de ce nombre.

Un photon est une particule de lumière. L’énergie qu’il transporte est directement liée à la longueur d’onde de la radiation émise, donc à sa couleur. Ceci explique les différentes couleurs des raies observées sur les spectres d’émission atomique.

Les spectres de raies d’émission atomique

Un gaz excité dans une lampe émet une lumière discontinue. Pour analyser cette lumière, on la décompose à l’aide d’un prisme : on obtient alors son spectre de raies d’émission.

Ce spectre est composé de raies fines colorées sur fond noir. Chaque raie correspond à chaque longueur d’onde de radiation d’émission des photons.

Le spectre est caractéristique de l’élément chimique constituant le gaz (chaque atome possède donc un spectre différent, comme on le voit ci-dessous).


Spectre de raies de l’oxygène
Spectre de raies de l’hydrogène

Le modèle quantique de l’atome et la compréhension des spectres de raies d’émission ont permis l’exploitation des matériaux semi-conducteurs, principaux constituants des capteurs photovoltaïques.

3. Les capteurs photovoltaïques

Lorsqu’ils sont exposés aux rayons lumineux solaires, les capteurs photovoltaïques produisent un courant électrique. L’effet photovoltaïque, découvert en 1839 par Antoine Becquerel, est la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique.

Il a fallu attendre les années 1980 pour que les couts de cette technologie soient plus abordables et permettent son essor.

a. Les matériaux semi-conducteurs

Les matériaux semi-conducteurs sont les principaux constituants des capteurs photovoltaïques.

Dans un solide, les niveaux d’énergie de tous les atomes présents forment des bandes d’énergies, appelées bandes de conduction (BC), et bandes de valence (BV), séparées d’une bande « interdite » (BI). Eg s’appelle l’énergie de gap.


Bandes d'énergies des 3 grands types de matériaux dans le domaine de la conduction de l'électricité

À l’état fondamental, la bande de valence est la dernière couche électronique occupée.

Dans le cas des semi-conducteurs, si une énergie fournie par l’extérieur (la lumière, par exemple), est suffisante et supérieure à Eg (voir le schéma ci-dessus), alors les électrons de la bande de valence peuvent passer dans la bande de conduction, et devenir électrons libres, responsables du courant électrique.

Le silicium est un matériau semi-conducteur très utilisé en électronique et dans les panneaux photovoltaïques.

b. Comparaison du spectre d'absorption d'un semi-conducteur et du spectre solaire
Le spectre solaire

La lumière solaire est composée de nombreux rayonnements, caractérisés par leurs longueurs d’onde.
À la surface de la Terre, la majeure partie de l’énergie radiative reçue du Soleil est composée de rayonnements de longueurs d’onde comprises entre 300 et 1200 nm.


Énergie radiative reçue du Soleil en fonction de la longueur d’onde
Les spectres d’absorption des matériaux semi-conducteurs

Un matériau semi-conducteur est performant s’il est capable d’absorber des photons d’énergie supérieure à son énergie de gap (Eg). Dans ce cas, les photons absorbés sont capables d’arracher des électrons aux atomes. Ces électrons se mettent alors en mouvement : c’est le courant électrique.

Un matériau semi-conducteur performant pour la fabrication d’un capteur photovoltaïque doit donc être capable d’absorber une grande partie des rayonnements solaires. Cette capacité s’observe sur le spectre d’absorption de l’élément chimique qui compose le matériau.

On donne ci-dessous le spectre d’absorption du silicium cristallin :

On observe sur ce graphique que le silicium est capable d’absorber des radiations de longueurs d’onde comprises entre 300 et 1150 nm. Or, on a vu précédemment que les longueurs d’onde des radiations solaires étaient majoritairement comprises entre 300 et 1200 nm. Le silicium est donc un matériau capable d’absorber une grande partie des radiations solaires : il peut donc être performant pour la fabrication de cellules photovoltaïques.

Les capteurs photovoltaïques absorbent l’énergie lumineuse radiative et la convertissent en énergie électrique.
c. Caractéristique I(U) d'une cellule photovoltaïque

La caractéristique I(U) intensité-tension d’une cellule photovoltaïque, est la courbe représentant l’intensité I délivrée, en fonction de la tension U à ses bornes.

Exemple
Pour un éclairement E donné, on obtient la caractéristique suivante :

Circuit électrique permettant de mesurer I et U
Remarque
La résistance variable permet de mesurer plusieurs valeurs de tensions et d’intensités, afin de tracer la caractéristique I(U).
d. La puissance maximale délivrée

La puissance maximale délivrée par la cellule photovoltaïque est le point de fonctionnement indiqué par les pointillés (voir le graphique précédent).
On peut aussi tracer la courbe représentant la puissance en fonction de la tension P(U) :

Au maximum local de la courbe, point de fonctionnement de puissance maximale Pmax on a :

Pmax= Um × Im avec :
  • P la puissance maximale, en watt (W)
  • Um la tension, en volt (V)
  • Im l'intensité, en ampère (A)

Il existe une valeur optimale de la résistance d’utilisation R pour laquelle la puissance est maximale.
D’après la loi d’Ohm, on a :

U = R × I avec :
  • U en volt (V)
  • R en ohm ()
  • I en ampère (A)

On en déduit qu’au point de puissance maximum Pmax, la résistance R de charge de la cellule doit être égale à .

Application

On exploite les courbes ci-dessus.
La courbe représentant la puissance P en fonction de la tension U nous montre que : Pmax = 33 W pour une tension Um = 6,5 V et une intensité Im = 5,1 A.
Or, Pmax= Um × Im et .
On en déduit donc .
La valeur optimale de la résistance d’utilisation R pour laquelle la puissance est maximale est donc égale à 1,28 .

Vous avez déjà mis une note à ce cours.

Découvrez les autres cours offerts par Maxicours !

Découvrez Maxicours

Comment as-tu trouvé ce cours ?

Évalue ce cours !

 

quote blanc icon

Découvrez Maxicours

Exerce toi en t’abonnant

Des profs en ligne

  • 6j/7 de 17 h à 20 h
  • Par chat, audio, vidéo
  • Sur les matières principales

Des ressources riches

  • Fiches, vidéos de cours
  • Exercices & corrigés
  • Modules de révisions Bac et Brevet

Des outils ludiques

  • Coach virtuel
  • Quiz interactifs
  • Planning de révision

Des tableaux de bord

  • Suivi de la progression
  • Score d’assiduité
  • Un compte Parent