Physique-chimie et mathématiques (STI2D · STL) · Terminale · Physique-chimie — Énergie
Photons, photovoltaïque et photothermique
La lumière livre l’énergie par paquets.
En bref
Pour comprendre comment la matière absorbe ou émet de la lumière, il faut la voir non plus seulement comme une onde, mais comme un flux de photons : des « grains » d’énergie.
Le photon
E = h × f = h × c / λ
E : énergie d’un photon (J) ; h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s (constante de Planck) ; f : fréquence (Hz) ; λ : longueur d’onde (m) ; c = 3,00 × 10⁸ m/s.
1 eV = 1,60 × 10⁻¹⁹ J (électronvolt)
Plus la fréquence est grande (plus la longueur d’onde est courte), plus le photon est énergétique : un photon ultraviolet porte plus d’énergie qu’un photon rouge, lui-même plus qu’un infrarouge.
Exemple : lumière orangée, λ = 600 nm. f = 3,00 × 10⁸ / 600 × 10⁻⁹ = 5,0 × 10¹⁴ Hz ; E = 6,63 × 10⁻³⁴ × 5,0 × 10¹⁴ ≈ 3,3 × 10⁻¹⁹ J, soit environ 2,1 eV.
Échanges d’énergie entre matière et lumière
Un atome ou une molécule n’a que certains niveaux d’énergie. Il absorbe un photon seulement si son énergie h × f égale l’écart entre deux niveaux, et il émet un photon d’énergie égale à l’écart quand il redescend.
ΔE = h × f
Deux conversions de l’énergie lumineuse
| La conversion | Chaîne | Rendement typique |
|---|---|---|
| Photovoltaïque | Lumineuse → électrique (+ thermique perdue) | 15 à 22 % |
| Photothermique | Lumineuse → thermique (capteur solaire, chauffe-eau) | 50 à 70 % |
La caractéristique d’un panneau photovoltaïque
La courbe I = f(U) d’un panneau, pour un éclairement donné, part du courant de court-circuit Icc (U = 0) et descend jusqu’à la tension à vide Uco (I = 0). Entre les deux, la puissance P = U × I passe par un maximum, près du « coude » de la courbe.
Le point de fonctionnement est l’intersection de cette caractéristique avec celle de la charge (pour une résistance, une droite passant par l’origine, U = R × I). Les onduleurs solaires ajustent la charge pour rester au point de puissance maximale.
Exemple travaillé : bilan de puissance photovoltaïque
Un panneau de 1,6 m² reçoit 1 000 W/m². À son point de fonctionnement : 33 V et 9,1 A.
- Puissance reçue : 1 000 × 1,6 = 1 600 W.
- Puissance électrique : 33 × 9,1 ≈ 300 W.
- Rendement : 300 / 1 600 ≈ 0,19, soit 19 %.
Exemple travaillé : chauffe-eau solaire
4 m² de capteurs reçoivent 800 W/m², rendement 60 % : 0,60 × 3 200 = 1 920 W utiles. Pour chauffer 200 L d’eau de 15 °C à 45 °C : Q = 200 × 4 180 × 30 ≈ 25 MJ, soit une durée de 25 × 10⁶ / 1 920 ≈ 13 000 s, environ 3 h 40.
Le rendement photothermique est plus élevé, mais il produit de la chaleur, moins facile à transporter et à valoriser que l’électricité.
Teste-toi
6 questions pour vérifier
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1.Quelle relation donne l’énergie d’un photon ?
2.Énergie d’un photon de longueur d’onde 600 nm ?
3.Combien d’électronvolts représentent 3,3 × 10⁻¹⁹ J ?
4.Quel photon est le plus énergétique ?
5.Que désigne Icc sur la caractéristique d’un panneau ?
6.Comment trouve-t-on le point de fonctionnement d’un panneau branché sur une charge ?
0 / 6 questions
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