Alternateurs

Alternateurs

L’alternateur est à l’origine de plus 95% de l’électricité produite dans le monde.

Il s’agit donc d’un dispositif sur lequel repose entièrement nos sociétés industrialisées !

L'induction électromagnétique

Michael Faraday, savant anglais (1791-1867), découvre l’induction électromagnétique en 1831.

Lorsqu’un conducteur se déplace dans un champ magnétique, il peut apparaître une tension à ses bornes (ou un courant s’il s’agit d’un circuit fermé).

Fonctionnement d'un alternateur

Un alternateur génère du courant par induction électromagnétique.

Le principe est toujours le même : une partie mobile, le rotor, tourne dans une partie fixe, le stator.

Le rotor peut être un aimant permanent ou un électroaimant. Le stator est constitué d’un enroulement de fil de cuivre (appelé bobine). Ce dispositif produit un courant alternatif.

Conversion d'énergie

Un alternateur permet de convertir de l’E mécanique en E électrique

Le rotor peut être mis en mouvement par une turbine entraînée par de la vapeur d’eau ou de l’eau liquide.Le rotor peut également être mis en mouvement par le vent ou par un moteur.

Rendement d'un alternateur

Rappel : E = P x t

Joule

Watt

Seconde

Wattheure

Heure

Les meilleurs alternateurs ont des rendements de l’ordre de 95 % !

Les pertes sous forme d'E thermique : - Frottements mécaniques (pièces en mouvement) - Passage du courant électrique (Effet Joule)

Application

Correction

Rappel : P = U x I

Panneaux photovoltaïques

Les semi-conducteurs

Les panneaux photovoltaïques sont essentiellement constitués de silicium. Le silicium est un semi-conducteur. Un semi-conducteur est un matériau dont la conductivité électrique est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants.

Matériau conducteur : Les électrons périphériques des atomes peuvent passer librement de la bande de valence vers la bande de conduction.

Matériau isolant : Le gap est trop important, ces matériaux ne conduisent pas le courant.

Matériau semi-conducteur : le gap est suffisamment faible pour qu’un faible apport d'E par des photons dans le domaine du visible ou de l’infrarouge par exemple, permette le passage des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. Le matériau devient donc conducteur.

Valeurs de Gap : Si 1,12 eV ; Ge 0,66 eV ; GaAs 1,42 eV

Energie d'un photon

Un photon est un « grain » de lumière. Chaque photon transporte une certaine quantité d’énergie. Cette quantité d’énergie est reliée à la longueur d’onde de la lumière associée au photon par la relation :

Célérité de la lumière (3,00x108 m.s-1)

Longueur d'onde (m)

Energie (J)

Fréquence (Hz)

Constante de Planck (6,63x10-34J.s)

1 eV = 1,6 x 10-19 J

Application

1. Quelle est l’énergie d’un photon associé à une lumière rouge de longueur d’onde = 650 nm ? Exprimer le résultat en eV. 2. Proposer une formule permettant de passer directement d’une longueur d’onde en nm à une énergie en eV.

Spectre solaire

La lumière du Soleil est composée de différentes radiations allant de l'UV à l'IR en passant par le domaine visible. Toutes les radiations ne sont pas émises en quantités égales et l'atmosphère en absorbe une partie.

Fonctionnement et caractéristique d'une cellule photovoltaïque

Lorsqu’un semi-conducteur absorbe un photon d’E > gap, l’E excédentaire est convertie en chaleur. Les photons dont E < Gap ne sont pas absorbés et donc pas convertis en E électrique.

Une cellule photovoltaïque présente un point (U,I) de fonctionnement optimal, pour lequel son rendement est le plus élevé possible.

Caractéristique d'une cellule photovoltaïque