Chapitre 1 — Deux siècles d’énergie électrique
De la pile de Volta aux panneaux photovoltaïques, ce chapitre montre comment des découvertes scientifiques ont permis de produire de l’énergie électrique et comment on choisit un matériau photovoltaïque adapté.
I — Trois inventions historiques à connaître
Depuis deux siècles, plusieurs inventions ont permis de produire de l’électricité. Dans ce chapitre, il faut connaître trois grandes étapes historiques : la pile, l’alternateur et la cellule photovoltaïque.
Volta — 1800
L’électricité a été montrée par Volta en 1800.
En plus d’avoir montré l’existence de l’électricité, Volta a créé une pile électrochimique.
Dans une pile, on produit de l’énergie électrique toujours de même valeur.
Type d’électricité produite : courant continu.
Faraday — XIXe siècle
L’alternateur repose sur le phénomène d’induction électromagnétique.
Dans un alternateur, un mouvement relatif entre un aimant et une bobine permet de créer un courant électrique.
Type d’électricité produite : courant alternatif.
Becquerel — 1839
La cellule photovoltaïque permet de transformer un rayonnement solaire en courant électrique.
Une cellule PV est un générateur qui convertit une partie de l’énergie lumineuse en énergie électrique.
Type d’électricité produite : courant continu.
À ne pas confondre : Becquerel met en évidence l’effet photovoltaïque en 1839 ; Einstein explique l’effet photoélectrique en 1905.
II — L’alternateur : induction électromagnétique
Le principe de l’alternateur est de mettre en mouvement un aimant par rapport à une bobine, ou une bobine par rapport à un aimant. Cela crée une tension électrique.
Compétence exigible
Reconnaître sur un schéma les éléments principaux d’un alternateur : source de champ magnétique et fil conducteur en mouvement relatif.
Rendement
Le rendement d’un alternateur peut être proche de 1 : η = énergie utile / énergie reçue. Les pertes viennent notamment des frottements et de l’échauffement par effet Joule.
III — La cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque convertit une partie de l’énergie radiative solaire en énergie électrique. Elle utilise des matériaux semi-conducteurs.
Principe simplifié
Un photon du rayonnement solaire peut être absorbé par le matériau. Si son énergie est suffisante, il permet à un électron de passer dans un état où il peut participer à la conduction électrique.
Semi-conducteur
Dans un semi-conducteur, il existe une bande de valence et une bande de conduction, séparées par une énergie appelée énergie du gap, notée Eg.
IV — Énergie du photon, énergie du gap et longueur d’onde maximale
La lumière est constituée de photons. L’énergie d’un photon dépend de sa longueur d’onde.
Avec :
- h = 6,63 × 10-34 J·s : constante de Planck ;
- c = 3,00 × 108 m·s-1 : célérité de la lumière ;
- λ : longueur d’onde en mètre.
La vraie formule à utiliser
Pour déterminer la plus grande longueur d’onde absorbable par un semi-conducteur, on part de la relation :
Attention : si Eg est donnée en électronvolt, il faut d’abord la convertir en joule : E(J) = E(eV) × 1,60 × 10-19.
Phrase à connaître
Plus l’énergie du gap est faible, plus la longueur d’onde maximale absorbée est grande. Le matériau peut alors absorber une partie plus étendue du spectre solaire.
V — Exercice type clé : choisir le matériau le plus adapté
Le but est de calculer λmax pour deux matériaux à partir de leur énergie du gap, puis de comparer ces longueurs d’onde au spectre solaire.
Énergie du gap : Eg1 = 1,2 eV
λmax1 = (6,63 × 10-34 × 3,00 × 108) / (1,92 × 10-19)
λmax1 ≈ 1,04 × 10-6 m = 1040 nm
On peut arrondir à environ 1000 à 1100 nm selon les constantes utilisées.
Énergie du gap : Eg2 = 2,2 eV
λmax2 = (6,63 × 10-34 × 3,00 × 108) / (3,52 × 10-19)
λmax2 ≈ 5,65 × 10-7 m = 565 nm
On peut arrondir à environ 560 nm.
Rédaction attendue
On convertit d’abord les énergies de gap en joules, puis on calcule la longueur d’onde maximale absorbée avec λmax = h × c / Eg. Pour le matériau 1, λmax ≈ 1040 nm. Pour le matériau 2, λmax ≈ 565 nm. Le spectre solaire reçu au sol contient une grande partie du rayonnement visible et du proche infrarouge. Le matériau 1 absorbe donc une plus grande partie du spectre solaire que le matériau 2. Le matériau 1 est donc le plus adapté pour fabriquer une cellule photovoltaïque.
Attention à la justification
Il ne suffit pas d’écrire « le matériau 1 est meilleur ». Il faut expliquer : calcul de λmax → comparaison au spectre solaire → choix argumenté.
VI — Caractéristique I-U d’une cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque est un générateur. Sa caractéristique donne l’intensité I délivrée en fonction de la tension U.
Puissance électrique
Plus le produit U × I est grand, plus la puissance fournie par le panneau est grande.
Rendement
Le rendement indique la part de l’énergie solaire reçue réellement convertie en énergie électrique.
VII — Point de fonctionnement et adaptation de la charge
Lorsqu’un panneau photovoltaïque alimente un appareil électrique, le point de fonctionnement dépend à la fois du panneau et de l’appareil branché.
Si la résistance de l’appareil n’est pas adaptée, le point de fonctionnement n’est pas optimal et la puissance est trop faible.
On doit intercaler un régulateur électronique qui adapte en permanence la charge, pour placer la cellule au point optimal et permettre au panneau photovoltaïque de donner toute sa puissance.
VIII — Documents à analyser avec données réelles
Les technologies électriques ne sont pas apparues d’un coup. Elles s’appuient sur des découvertes expérimentales, puis sur leur exploitation technique. Cette partie correspond directement à l’esprit du programme : comprendre comment la recherche scientifique peut conduire à des innovations technologiques.
- Quelle invention réalise une conversion chimique → électrique ?
- Quelle découverte est à la base des alternateurs modernes ?
- Quelle découverte est à la base des cellules photovoltaïques ?
Le spectre solaire reçu au sol contient du visible et du proche infrarouge. Les valeurs sont simplifiées, mais les axes permettent une vraie lecture graphique.
- À quelle longueur d’onde le spectre est-il proche de son maximum ?
- Le visible correspond-il plutôt à 400–700 nm ou à 1000–1500 nm ?
- Pourquoi un matériau qui absorbe jusqu’à 1030 nm est-il intéressant ?
On compare deux semi-conducteurs. Le matériau absorbe les photons dont la longueur d’onde est inférieure à λmax. On calcule λmax avec la vraie formule λmax = h × c / Eg, après conversion de Eg en joules.
- Calcule λmax pour Eg = 1,2 eV.
- Calcule λmax pour Eg = 2,2 eV.
- Quel matériau absorbe la plus grande partie du spectre solaire ?
La puissance fournie par une cellule photovoltaïque vaut P = U × I. Le point utile est celui où le produit U × I est maximal.
- Lire graphiquement Uopt et Iopt.
- Calculer Pmax = Uopt × Iopt.
- Calculer Ropt = Uopt/Iopt.
Les rendements varient selon les technologies. Le rendement d’un panneau commercial est inférieur aux records de laboratoire.
- Lire le rendement approximatif d’un panneau silicium commercial.
- Pourquoi un record de laboratoire n’est-il pas toujours représentatif d’un panneau installé ?
- Citer une perte possible qui explique que le rendement ne soit pas 100 %.
Sources indicatives pour les documents : programme officiel d’enseignement scientifique ; NASA/NOAA pour le spectre solaire ; NREL pour les rendements photovoltaïques ; valeurs pédagogiques réalistes pour les caractéristiques I-U.
IX — Exercices types avec technique de rédaction
On souhaite fabriquer une cellule photovoltaïque. On compare deux matériaux semi-conducteurs : le matériau A possède Eg = 1,2 eV et le matériau B possède Eg = 2,2 eV.
- Calculer λmax pour chaque matériau.
- Comparer ces valeurs au spectre solaire.
- Choisir le matériau le plus adapté et justifier.
On utilise la relation λmax = h × c / Eg. Il faut d’abord convertir l’énergie du gap en joules : E(J) = E(eV) × 1,60 × 10-19. Pour A : Eg = 1,2 × 1,60 × 10-19 = 1,92 × 10-19 J, donc λmax ≈ 1,04 × 10-6 m = 1040 nm. Pour B : Eg = 2,2 × 1,60 × 10-19 = 3,52 × 10-19 J, donc λmax ≈ 5,65 × 10-7 m = 565 nm. Le matériau A absorbe une plus grande partie du spectre solaire, notamment le visible et une partie du proche infrarouge. Le matériau A est donc le plus adapté pour une cellule photovoltaïque.
Un alternateur contient un aimant en rotation et une bobine fixe.
- Identifier la source de champ magnétique.
- Identifier le conducteur.
- Expliquer pourquoi il y a production d’une tension électrique.
L’aimant constitue la source de champ magnétique. La bobine est le conducteur. Lorsque l’aimant tourne par rapport à la bobine, il existe un mouvement relatif entre le champ magnétique et le conducteur. Cela provoque un phénomène d’induction électromagnétique, donc une tension électrique apparaît aux bornes de la bobine.
Une cellule photovoltaïque reçoit une puissance solaire de 100 W. Au point de fonctionnement, elle délivre une tension U = 18 V et une intensité I = 1,1 A.
- Calculer la puissance électrique fournie.
- Calculer le rendement.
- Expliquer pourquoi il faut se placer au point de puissance maximale.
La puissance électrique vaut P = U × I = 18 × 1,1 = 19,8 W. Le rendement vaut η = Pélec / Psolaire = 19,8 / 100 = 0,198, soit environ 20 %. Il faut se placer au point de puissance maximale pour récupérer le plus possible d’énergie électrique.
Pour un panneau photovoltaïque, on mesure Uopt = 30 V et Iopt = 5 A.
- Calculer la puissance maximale.
- Calculer la résistance optimale à connecter au panneau.
- Expliquer le rôle d’un régulateur électronique.
Pmax = Uopt × Iopt = 30 × 5 = 150 W. La résistance optimale vaut Ropt = Uopt / Iopt = 30 / 5 = 6 Ω. Le régulateur électronique adapte la charge pour maintenir le panneau au point de puissance maximale.
X — Compétences exigibles du programme
| Ce qu’il faut savoir | Ce qu’il faut savoir faire | Où cela apparaît dans le cours |
|---|---|---|
| Les alternateurs exploitent l’induction électromagnétique. | Reconnaître la source de champ magnétique et le conducteur en mouvement relatif. | Partie II + exercice type 2. |
| Un alternateur convertit une énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement proche de 1. | Définir un rendement et citer un phénomène de pertes. | Partie II + rendement. |
| Les semi-conducteurs sont utilisés dans les capteurs photovoltaïques. | Comparer le spectre d’absorption d’un semi-conducteur et le spectre solaire. | Parties III, IV, V + exercice type 1. |
| Un panneau photovoltaïque convertit partiellement l’énergie radiative en énergie électrique. | Argumenter autour de l’installation ou du choix d’une technologie photovoltaïque. | Documents, rendements, point de fonctionnement, adaptation. |
XI — Fiche bilan
1. Volta montre l’électricité et réalise la pile en 1800 : conversion chimique → électrique.
2. L’alternateur repose sur l’induction électromagnétique : conversion mécanique → électrique.
3. La cellule photovoltaïque convertit une partie du rayonnement solaire en électricité.
4. Un semi-conducteur possède une énergie du gap Eg. Il absorbe un photon si Ephoton ≥ Eg.
5. Pour choisir un matériau photovoltaïque, on calcule λmax avec λmax = h × c / Eg après conversion de Eg en joules, puis on compare au spectre solaire.
6. Le point de fonctionnement optimal permet d’obtenir la puissance maximale P = U × I.
7. Si la charge n’est pas adaptée, la puissance est trop faible ; un régulateur permet d’adapter la charge.