ENERGIES RENOUVELABLES
2007-2008
Bases & physique
1 / Qu'est-ce que l'électricité ?
Afin de comprendre ce qu'est l'électricité, nous devons nous
pencher sur la physique. Nous ne pouvons en effet pas faire
autrement que d'expliquer les principaux termes et éléments par des
images, des représentations et des exemples. Le principal problème
est que le courant électrique ne se voit pas, ne se sent pas ni ne
s'entend. On ne reconnaît l'électricité qu'au travers de l'effet qu'elle
produit. Empruntons donc le même chemin que les scientifiques:
ayons recours à des images, des modèles et des calculs.
Effets du courant électrique :






lumière
chaleur
magnétisme (force)
chimie (électrolyse)
physiologie (médecine)
effet électronique
2 / Structure de l'atome
En principe, un atome se compose d'un noyau et d'un nuage
électronique. Le noyau de l'atome comprend des protons et des
neutrons. Des électrons tournent en orbite autour du noyau de
l'atome.
Potentiel (ou charge) des constituants de l’atome:
Le noyau composé de neutrons et de protons (charges +)
Le nuage électronique composé d'électrons (charges -)
3 / La tension
La tension électrique est la différence de potentiel entre deux points (ou charges) de référence.
Représentée en abrégée par la lettre V ou la lettre U, son unité est le volt.
3.1 / Production de tension
Tous les appareils qui entraînent une séparation de charge sont appelés générateurs de tension.
Il existe de nombreuses possibilités de produire une tension :






par frottement, par exemple la charge statique
par des aimants en mouvement, par exemple les générateurs
par la chaleur, par exemple le thermocouple
par la lumière, par exemple l'opto-capteur, les cellules solaires
par la pression, par exemple Piezo
par des procédés chimiques, par exemple batteries de piles sèches ou accumulateurs
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3.2 / Types de tension
Les producteurs de tension fournissent différents types de tension :


Tension continue (piles, thermocouples et opto-capteurs)
Tension alternative (générateurs des centrales)
3.2.1 / Tension continue
La tension continue présente toujours le même comportement et la même polarité.
Symbole graphique : Abréviation : DC (Direct Current)
3.2.2 / Tension alternative
La tension alternative change constamment son comportement et sa polarité.
Symbole graphique : ~
Abréviation : AC (Alternating Current)
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4 / Loi de l'intensité
L'intensité d’un courant électrique est représentée en abrégée la lettre I. L'unité du courant
électrique est l’ampère (A).
Lors de l'utilisation d'énergie, les charges dans une source de tension se séparent : une tension
se produit. La tension s'efforce d'annuler cette séparation de charge. Ceci ne peut se produire
au sein d'une source de tension, tant que les forces de séparation font effet.
Par contre, si l'on connecte la source de tension à un consommateur par le biais de
conducteurs métalliques, ce consommateur compense la charge – la boucle est bouclée.
Malgré la compensation de la charge, la tension est maintenue aussi longtemps que les forces
de séparation de la charge font effet.
4.1 / Sens du courant
Au 19e siècle, l'origine du courant électrique était encore floue. Il avait été décidé que le
courant électrique s'écoule vers le pôle négatif. Par la suite, il à été démontré que le courant
correspond à un déplacement des électrons de la borne positive à la borne négative du
générateur. Par convention on retiendra le sens d’origine (du + vers le -).
4.2 / Courant physique
On caractérise le flux réel des électrons allant du pôle négatif au pôle positif de « sens du
courant électronique » ou de « sens du courant physique ».
5 / La résistance
La résistance électrique est désignée par la lettre R.
Son unité est l'Ohm.
symbole (grec : Omega)
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5.1 / Résistivité
Chaque conducteur métallique présente une résistance électrique.
Des mesures effectuées sur des conducteurs de divers matériaux
montrent que la résistance électrique dépend du matériau, pour
autant que les conducteurs soient de dimensions égales. La grandeur
électrique qui caractérise le matériau se nomme résistivité. Le
cuivre présente par exemple une résistivité moins élevée que
l'aluminium ou le fer. C'est pourquoi la plupart des conducteurs sont
en cuivre.
Symbole (grec : Rho)
La résistance d'un conducteur dépend, en plus du matériau, de sa section A et de sa
longueur l. Plus la section est grande, plus la résistance est petite ; plus la longueur est
grande, plus la résistance est élevée.
La formule pour calculer la résistance électrique est la suivante :
Le tableau vous donne les valeurs de la résistivité de divers matériaux à 20°C.
5.2 / Exemple :
Quelle est la résistance d'un rouleau de câble de 25 m de long comprenant 1 mm2 de
conducteur de cuivre ?
Solution :
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5.3 / Couplage de résistances
Plusieurs consommateurs peuvent être connectés à une source de tension. On différencie deux
types de couplages :


Couplage en série
Couplage en parallèle
5.4 / Couplage en série
Le couplage en série est synonyme de prolongation du conducteur électrique.
Dans un couplage en série, la résistance totale est égale à la somme de toutes les
résistances:
Rg = R1 + R2 + R3 +...
Couplage de résistances « les unes dernières les autres »
5.5 / Couplage en parallèle
Le couplage en parallèle correspond à un agrandissement de la section du conducteur. Dans
une installation domestique, les divers consommateurs (machine à laver, éclairage, radio,
cuisinière électrique, etc.) sont connectés en parallèle. Pour les couplages en parallèle, la
valeur réciproque de la résistance totale est égale à la somme des valeurs réciproques des
résistances.
Couplage de résistances « les unes à côté des autres ».
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6 / La loi d'Ohm
Dans une source de tension, l'énergie provenant d'autres formes d'énergie est transformée en
énergie électrique.
Dans le récepteur, l'énergie électrique est transformée en énergie utilisable (chaleur,
rotation…). L'énergie électrique est "consommée" et une autre forme d'énergie est "produite".
Le récepteur n'est donc pas un consommateur au sens propre, mais un transformateur
d'énergie.
7 / Transformateur d'énergie
Dans de nombreux conducteurs, la tension, l'électricité et la résistance dépendent l'un de
l'autre selon une loi : si l'on varie la tension, l'intensité se modifie également. L'intensité
augmente proportionnellement à la tension :
I~U
Le rapport entre la tension et l'intensité est une constante :
Cette constante représente la résistance électrique R.
La loi d'Ohm est une des lois de base en électrotechnique.
Les équations (moyen mnémotechnique : canton d'URI) permettent
de mettre en relation l'intensité et la tension dans des circuits
électriques.
Exemple :
Quelle est la résistance d'une ampoule qui « consomme » une intensité de 0,26 A sous une
tension de 230 V ?
Solution :
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8 / La puissance électrique
L'unité de la puissance électrique est le Watt, abrégée W, et son
symbole le P (anglais : power).
La grandeur "puissance" (force) désigne le travail accompli au cours d'un certain temps.
Elle indique à quelle rapidité ce travail a été accompli. Plus la puissance mécanique d'une
turbine dans une centrale est grande, plus la hauteur et donc la pression de l'eau sont
élevées, plus il s'écoule d'eau à la seconde à travers la turbine. De même, plus la tension et
l'intensité sont élevées, plus la puissance électrique est grande.
En plus des Watts, on a souvent recours aux unités suivantes :
1 térawatt = 1 TW = 1 000 000 000 000 W
1 gigawatt = 1 GW = 1 000 000 000 W
1 mégawatt = 1 MW = 1 000 000 W
1 kilowatt = 1 kW = 1 000 W
1 milliwatt = 1 mW = 0,001 W
1 microwatt = 0,000 001 W
On utilise aussi :
1 kW =1,36 CV (cheval) ou 1 CV = 0,736 kW
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Exemples :
9 / Récepteur (résistifs) à trois phases
La puissance des consommateurs triphasés se calcule selon la
formule suivante:
Exemple :
Connecté à une tension 3 x 400 V, un chauffe-eau « consomme » 8,7 A.
Quelle est sa puissance ?
Solution :
10 / Le travail électrique, l'énergie
L'unité du travail électrique est le watt heure, abrégée Wh, et son
symbole le E (en mécanique W).
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Le travail désigne l'énergie disponible dans un agent énergétique
(électricité, gaz, huile, essence, etc.) et l'énergie nécessaire pour
l'exploitation d'un appareil durant un certain temps. Des sources de
tension mettent de l'énergie électrique à disposition. Pour produire
cette énergie, un travail est fourni dans les centrales durant une
certaine durée.
10.1 / Exemple mécanique :
Combien faut-il monter de sacs de 50 kg sur une dénivellation de 10 m, pour accomplir un
travail de 1 kWh, si on néglige le poids du corps.
Solution :
F=M.g (N)
F=50 . 9,81=490,5N
W=F.h (ws)
W=490,5 . 10=4905Nm
Sachant que Wref=1kwh=3600000ws
Nombre de sac :
N=Wref/W
= 360000/4905
= 734 sacs
10.2 / Exemple électrique :
Une lampe de 60 W est allumée 200 jours par année, 4 heures par
jour. Selon le tarif de l'entreprise électrique, 1 kWh coûte 20
centimes. Combien d'énergie faut-il et que coûte l'énergie électrique
pour 1 année ?
Solution :
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10.3 / Mesure du travail électrique
Pour mesurer le travail électrique, il faut un voltmètre, un ampèremètre et un chronomètre. Il
est toutefois plus simple d'avoir recours à un compteur électrique. Il se compose en principe
d'un circuit de tension (voltmètre) et d'un circuit de courant (ampèremètre). Tous deux
agissent sur un compteur qui enregistre le travail durant son enclenchement (temps). L'unité
Ws étant très petite, on utilise en pratique des unités plus grandes telles que le wattheure (Wh)
et le kilowattheure (kWh).
10.4 / Mesure du travail
10.5 / Mesure de l'énergie
Appareils de mesure
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11 / Synthèse
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11 / Transformations
L'ensemble des formules ci-contre montre les relations qui existent entre les grandeurs
électriques suivantes : intensité (I) en A, tension (U) en V, résistance (R) en Ohm et
puissance (P) en W.
12 / Le circuit électrique
Un circuit électrique se compose d' :




une source d'électricité
un consommateur (récepteur)
un commutateur
un conducteur d'arrivée et d'un conducteur de retour
12.1 / Comparaison avec l'eau
Le courant électrique peut être comparé à un circuit hydraulique.
12.2 / Pression de l'eau
Dans un circuit hydraulique fermé, la pompe produit une pression
qui fait circuler l'eau dans les conduites.
12.3 Tension
Dans un circuit électrique fermé, le générateur produit une
tension électrique qui met les électrons en mouvement dans le
conducteur (courant électrique). Dans les deux cas, les conduites
et les consommateurs opposent une résistance au circuit.
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Flux hydraulique (circuit de l'eau) – flux électrique (circuit des électrons)
L'intensité électrique désigne la grandeur de la charge qui traverse la section du conducteur
durant l'unité de temps :
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Exemple :
Quelle est l'intensité du courant qui passe dans une ampoule de 100 W alimenté sous
tension de 230v?
Solution :
I = P :U
= 100 : 230
= 0,44A
13 / Ordre de grandeur pour les intensités
Posemètre (photo): env. 0,0001 A (où U=220V)
Lampe de 100 W : env. 0,44 A (où U=220V)
Fer à repasser : env. 5 A (où U=220V)
Tram : env. 50 A (où U=?)
Four pour la fonte de l'aluminium : env. 15 000 A (où U=?)
Eclair : env. 100 000 A (où U=?)
14 / Induction
Note : Tout conducteur produit un champ magnétique et tout changement du flux des
aimants entraîne la formation d'un champ électrique.


Production d'une force sur les électrons dans le cuivre en coupant le champ
magnétique.
La coupure d'un champ magnétique induit une tension dans le conducteur (principe
des générateurs).
14.1 / Création d'une tension
Le déplacement d'un fil conducteur dans un champ magnétique qui varie induit une tension.
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La tension induite dans une bobine augmente :



plus la variation du champ induit est rapide,
plus la variation du champ induit est grande,
plus le nombre de spires de la bobine est grand.
L'évolution sous forme de sinus de la tension alternative résultant du mouvement circulaire
de la bobine illustre le modèle d'un générateur de tension alternative.
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15 / Puissance réactive
Les récepteurs connectés au réseau électrique peuvent engendrer des coûts d'énergie
différents. C'est pourquoi non seulement la grandeur de la puissance de raccordement et la
durée d'exploitation, mais aussi le type de récepteur jouent un rôle dans la facture des coûts.
On fait la différence entre les récepteurs ohmiques (résistifs) et les récepteurs inductifs
(selfiques).
(Non compensé)
Font partie des récepteurs résistifs : lampes, chauffages, fourneaux électriques, etc. Les
récepteurs résistifs n'utilisent que du courant actif du réseau. Il en résulte une
consommation d'énergie active calculée en kWh.
Font partie des récepteurs inductifs : moteurs, transformateurs, lampes fluorescentes,
lampes économiques, etc. Les récepteurs inductifs utilisent en plus du courant actif, du
courant réactif dans le réseau. Il en résulte une consommation d'énergie réactive calculée en
kVarh.
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L'électricité réactive est nécessaire pour l'exploitation des
récepeteurs inductifs. L'électricité réactive entraîne toutefois une
charge plus élevée du réseau électrique. Un réseau chargé
d'électricité réactive peut transporter moins d'énergie active. La part
d'énergie réactive calculée à partir d'une certaine grandeur peut être
éliminée par une installation de compensation.
(Compensé)
Note : Le champ électromagnétique a besoin d'énergie réactive.
Exemple :
Différence entre MW, MVar et MVA ?
Réponse :
La puissance apparente S (MW) sert à dimensionner les câbles
d’alimentation.
La puissance réactive (MVar) sert à calculer l’énergie de
compensation à fournir.
La puissance active (MW) est celle utilisée pour la transfomation de
l’énergie électrique en energie utilisable (appropriée).
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15.1 / Energie réactive
Qu'est-ce que l'énergie réactive ?
Pierre-André Chamorel, EOS Service Exploitation Lausanne
Pour une machine asynchrone :
Q=
15.2 / Graphique énergie réactive
Graphique énergie réactive
Pierre-André Chamorel, EOS Service Exploitation Lausanne
16 / Courant monophasé
Savez-vous par hasard ce qu'est une phase? Lorsque les
professionnels de l'électricité utilise cette expression, c'est qu'il
s'agit de courant alternatif. Nous nous souvenons de ce type de
courant qui, comme une onde sinusoïdale, monte, puis redescend
jusqu'au zéro, puis remonte dans la direction inverse. Nous savons
aussi que le courant alternatif est produit dans des générateurs où de
puissants aimants passent à côté des bobines de cuivre et
engendrent ces courants, ou plutôt les induisent. Dans le réseau
domestique, chaque lampe est alimentée en courant alternatif "
conventionnel " par une ligne bifilaire. Dans le jargon, on l'appelle
courant alternatif monophasé, car il ne dessine qu'une onde
sinusoïdale sur l'écran de l'oscilloscope, comme lorsqu'il circule
dans la ligne.
Une rotation complète présente une onde sinusoidale entière.
Le courant monophasé se compose d'une seule onde
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17 / Fréquence
L'évolution de la courbe représente une rotation de la bobine, soit une oscillation. Puis, la
même courbe recommence. Ce procédé est donc périodique. Par " période ", on désigne
l'oscillation complète d'une tension alternative ou d'un courant alternatif. La durée d'une
oscillation s'appelle la période. Son symbole est T et son unité la seconde (s). La période
correspond à un angle de 360°. On peut donc remplacer l'angle par le temps t. Pour la tension
alternative habituelle dans le réseau, T = 0,02 s. On peut en déduire le nombre de périodes par
seconde: 1 période / 0,02 s = 50 périodes / s.
Le nombre de périodes par seconde constitue la fréquence. La fréquence est représentée par la
lettre f et son unité est l’Hertz, abrégée Hz (1 Hz = 1 / s).
18 / Courant triphasé
Toute découverte technique évolue. Ce qui n'a pas manqué dans ce cas également. Les
ingénieurs ont aussi produit des courants polyphasés et ont testé leur adéquation. Le courant
triphasé, que nous avons illustré ci-contre, a acquis une grande importance dans la pratique.
Illustration du courant triphasé. Sur le graphique, il n'est pas difficile de voir que les
courants polyphasés ne sont rien d'autre que plusieurs courants alternatifs en chaîne, dont
les traits d'ondes se déplacent à intervalles identiques. Le déplacement des trois phases est
dû aux bobines du stator décalées de 120 °C, donc directement lié à la structure "
géométrique " du générateur en une sorte de triangle. On trouve le courant triphasé du type
que l'on vient de décrire dans le réseau de distribution jusqu'aux installation domestiques.
Les 3 bobines donnent lieu à 3 phases de courant alternatif décalées de 120 degrés
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