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Sciences, climat et société
Ch. 1
L’atmosphère terrestre et la vie
Ch. 2
La complexité du système climatique
Ch. 3
Le climat du futur
Se préparer à l'évaluation - Thème 1
Le futur des énergies
Ch. 4
Deux siècles d’énergie électrique
Ch. 5
Conversion et transport de l’énergie électrique
Ch. 6
Énergie, développement et futur climatique
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Une histoire du vivant
Ch. 7
La biodiversité et son évolution
Ch. 8
L’évolution comme grille de lecture du monde
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De l’informatique à l’intelligence artificielle
Se préparer à l'évaluation - Thème 3
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Ch. 4
Cours
Deux siècles d'énergie électrique
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1 Du mouvement à l'électricité
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A Phénomène d'induction électromagnétique
- La production d'électricité dans les centrales (à l'exception des centrales photovoltaïques) repose sur le phénomène d'induction électromagnétique. Il permet de créer un courant électrique dans un conducteur à proximité d'un champ magnétique lorsque ces deux éléments sont en mouvement l'un par rapport à l'autre.
- On réalise ainsi une conversion d'énergie mécanique en énergie électrique. Ce phénomène d'induction électromagnétique a été découvert par Michael Faraday en 1831 et théorisé par James Maxwell en 1865.
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B Alternateur
- L'alternateur est un convertisseur d'énergie composé d'une partie fixe (le stator) constituée de bobines conductrices en cuivre et d'une partie mobile (le rotor) composée d'aimants. Entraîné par la turbine, l'alternateur produit de l'électricité par induction.
- Le rendement de conversion r d'un alternateur est défini par le rapport :
- Bien que proche de 1, le rendement de l'alternateur est toujours inférieur à cette valeur en raison des pertes sous forme d'énergie thermique.
- La fréquence f du courant électrique fourni par un alternateur est proportionnelle au nombre d'aimants N du rotor et à sa vitesse de rotation \omega :
\begin{array}{l|l}
r=\frac{P_{\mathrm{u}}}{P_{\mathrm{f}}} & \begin{array}{l}
r: \text { rendement de l'alternateur } \\
P_{\mathrm{u}}: \text { puissance électrique utile (W) } \\
P_{\mathrm{f}}: \text { puissance mécanique fournie (W) }
\end{array}
\end{array}
\begin{array}{l|l}
f=N \cdot \omega & \begin{array}{l}
f: \text { fréquence du courant électrique }(\mathrm{Hz}) \\
N: \text { nombre d'aimants du rotor } \\
\omega: \text { vitesse de rotation du rotor }\left(\mathrm{tr} \cdot \mathrm{s}^{-1}\right)
\end{array}
\end{array}
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2 Du Soleil à l'électricité
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A Semi-conducteurs
- La physique quantique a permis de développer des technologies reposant sur l'effet photoélectrique (absorption de la lumière par la matière).
- Un matériau semi-conducteur est un matériau isolant qui nécessite un apport d'énergie extérieur pour devenir conducteur. Cette propriété est au cœur du principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques.
- Les spectres d'absorption varient d'un matériau semi-conducteur à un autre : ils n'absorbent pas de la même façon les ondes électromagnétiques.
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B Capteur photovoltaïque
- Un capteur photovoltaïque est composé d'un grand nombre de cellules photovoltaïques obtenues en réalisant la jonction entre des semi-conducteurs. La plupart des capteurs photovoltaïques sont composés de silicium et leur rendement est d'environ 20 à 25 %.
- Pour atteindre de meilleurs rendements, on peut multiplier les jonctions avec différents types de semi-conducteurs. Ainsi, le spectre d'absorption du capteur est beaucoup plus large.
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- Alternateur : dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique et reposant sur le phénomène d'induction électromagnétique. Il est constitué d'un stator et d'un rotor.
- Capteur photovoltaïque : dispositif de conversion d'énergie radiative lumineuse en énergie électrique. Il est constitué de semi-conducteurs.
- Effet photoélectrique : phénomène d'interaction entre la lumière et la matière au cours duquel un rayonnement électromagnétique suffisamment énergétique est capable de mettre en mouvement des électrons à la surface d'un matériau.
- Induction électromagnétique : phénomène correspondant à l'apparition d'un courant électrique dans un conducteur en mouvement par rapport à un champ magnétique.
- Rendement : dans un dispositif de conversion d'énergie, rapport entre l'énergie (ou la puissance) sortant et l'énergie (ou la puissance) entrant.
- Rotor : partie mobile d'un alternateur.
- Semi-conducteur : matériau isolant capable, sous l'effet d'une excitation extérieure suffisamment importante, de conduire le courant électrique.
- Stator : partie statique d'un alternateur.
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L'unité officielle de la puissance est le watt (W).
L'unité officielle de l'énergie est le joule (J). On peut néanmoins lui préférer le watt-heure (W⋅h) :
L'unité officielle de l'énergie est le joule (J). On peut néanmoins lui préférer le watt-heure (W⋅h) :
1 \mathrm{~W} \cdot \mathrm{h}=3\:600 \mathrm{~J}
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En 2022, environ 4,5 % de la production mondiale d'énergie électrique était d'origine solaire.
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Le rendement est défini comme le rapport de deux puissances (ou deux énergies) qui ont la même unité.
Le résultat est donc sans unité.
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La plus grande centrale photovoltaïque du monde se situe en Inde. Le Bhadla Solar Park couvre, en 2024, une surface de 57 km2, soit l'équivalent de plus de 8 000 terrains de football.
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Production d'électricité à partir d'un alternateur
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Schéma animé
Schéma statique
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Production d'électricité à partir de cellules photovoltaïques
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