Deux siècles d'énergie électrique

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

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.

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

Exemple d’un alternateur industriel

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.

Au début du XX^e 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.

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…

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.

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.

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). E_g 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 E_g (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.

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

Un matériau semi-conducteur est performant s’il est capable d’absorber des photons d’énergie supérieure à son énergie de gap (E_g). 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.

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.

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

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 P_max on 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 :

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

On exploite les courbes ci-dessus.
La courbe représentant la puissance P en fonction de la tension U nous montre que : P_max = 33 W pour une tension U_m = 6,5 V et une intensité I_m = 5,1 A.
Or, P_max= U_m × I_m 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 Ω.