Alternateurs et Capteurs Photovoltaïques : Conversion d'Énergie

1. Les Alternateurs Électriques

a. L'induction Électromagnétique

Un alternateur électrique convertit l'énergie mécanique en énergie électrique grâce à l'induction électromagnétique. Ce phénomène, découvert par Michael Faraday en 1831, s'appuie sur le lien entre électricité et magnétisme mis en évidence par Oersted en 1820. L'induction électromagnétique est l'apparition d'un courant électrique dans un conducteur placé dans un champ magnétique variable.

Exemple : Déplacer un aimant à proximité d'une bobine de fil de cuivre, ou inversement, induit une tension électrique alternative (changeant de signe au cours du temps) mesurable avec un multimètre.

b. Les Constituants d'un Alternateur

Un alternateur comprend toujours au moins deux éléments :

• Une bobine de fil conducteur
• Un aimant

Ces éléments doivent être en mouvement relatif l'un par rapport à l'autre. La partie mobile, appelée rotor, est généralement composée d'aimants ou d'électroaimants et est associée à la rotation du système. La partie fixe, le stator, est un circuit électrique où le courant induit est généré.

c. La Conversion d'Énergie

Un alternateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.

Exemple 1 : Alternateur de vélo – Le pédalage entraîne la partie mobile de l'alternateur en contact avec la roue. Une tension alternative apparaît aux bornes de la bobine, allumant la lampe.

Exemple 2 : Alternateur industriel – Dans la plupart des centrales électriques, l'énergie mécanique de la turbine (produite par différents moyens) entraîne le rotor de l'alternateur, générant de l'énergie électrique.

d. Le Rendement d'un Alternateur

Le rendement mesure l'efficacité de la conversion d'énergie. Proche de 1 dans le cas des alternateurs, il est excellent. Lors de la conversion, une partie de l'énergie mécanique est perdue sous forme de chaleur due aux frottements. L'énergie se conserve : Énergie mécanique = Énergie électrique + Énergie thermique.

Le rendement (r) est le rapport entre l'énergie utile (sortante) et l'énergie reçue (entrante) : r = Énergie utile / Énergie reçue (r sans unité, énergies dans la même unité, par exemple en joules).

Pour un alternateur : r = Énergie électrique / Énergie mécanique.

Le rendement est influencé par les pertes thermiques. Plus les frottements sont importants, plus les pertes et la diminution du rendement le sont également. Il est donc crucial de minimiser les frottements.

Points clés sur le rendement :

• Reflète l'efficacité de la conversion d'énergie.
• Toujours positif et inférieur à 1.
• Exprimable en pourcentage.
• Un bon rendement est supérieur à 0,80 (80 %).

2. Les Capteurs Photovoltaïques

Exposés aux rayons solaires, les capteurs photovoltaïques produisent un courant électrique. L'effet photovoltaïque, découvert en 1839 par Antoine Becquerel, convertit l'énergie lumineuse en énergie électrique.

a. Les Matériaux Semi-conducteurs

Les capteurs photovoltaïques sont principalement constitués de matériaux semi-conducteurs. Dans un solide, les niveaux d'énergie des atomes forment des bandes d'énergies : la bande de conduction (BC), la bande de valence (BV), séparées par une bande interdite (BI). L'énergie de gap (Eg) est l'énergie minimale requise pour qu'un électron passe de la BV à la BC.

Si l'énergie extérieure (lumière) est supérieure à Eg, les électrons de la BV passent dans la BC, devenant des électrons libres, responsables du courant électrique. Le silicium est un semi-conducteur courant en électronique et dans les panneaux photovoltaïques.

b. Comparaison du Spectre d'Absorption et du Spectre Solaire

À la surface terrestre, l'énergie solaire reçue est majoritairement composée de rayonnements de longueurs d'onde entre 300 et 1200 nm.

Un semi-conducteur est performant s'il absorbe des photons d'énergie supérieure à Eg. Ces photons arrachent des électrons aux atomes, créant un courant électrique.

Le silicium absorbe des radiations entre 300 et 1150 nm, couvrant une grande partie du spectre solaire. Il est donc performant pour les cellules photovoltaïques, avec un rendement maximal de 25-30 %. Ce rendement limité est dû à l'absorption partielle des longueurs d'onde du rayonnement solaire.

Au point de puissance maximale (Pmax) de la courbe, on a : Pmax = Um × Im (P : puissance maximale en watts (W), Um : tension en volts (V), Im : intensité en ampères (A)).

La résistance optimale (R) pour une puissance maximale est donnée par la loi d'Ohm : U = R × I (U en volts (V), R en ohms (Ω), I en ampères (A)). Au point Pmax, R = Um / Im.

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3. La Production d'Énergie Électrique

a) L'induction Électromagnétique

Toutes les centrales (sauf photovoltaïques) convertissent l'énergie mécanique en énergie électrique via un alternateur, basé sur l'induction électromagnétique.

b) L'alternateur

L'alternateur comprend un stator (fixe, bobines de cuivre) et un rotor (mobile, aimants ou électroaimants). Entraîné par une turbine, il produit de l'énergie électrique par induction. Son rendement, proche de 1, est limité par les frottements.

Le rendement (r) est : r = Pu / Pf (Pu : puissance utile, Pf : puissance fournie).

4. Les Cellules Photovoltaïques

a) Les Semi-conducteurs

La physique quantique explique l'absorption et l'émission de lumière. Les semi-conducteurs, isolants devenant conducteurs avec un apport d'énergie (lumière solaire pour les capteurs photovoltaïques), sont basés sur cette théorie.

Chaque semi-conducteur a un spectre d'absorption spécifique.

b) Cellule Photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est une jonction de deux semi-conducteurs : un dopé n (excès d'électrons) et un dopé p (déficit d'électrons, trous positifs). Majoritairement en silicium, leur rendement est de 20 à 25 %.

Multiplier les jonctions avec différents semi-conducteurs élargit le spectre d'absorption et améliore le rendement. La caractéristique d'une cellule permet de déterminer sa puissance maximale.