1.1 : Qu’est-ce que la Conversion Directe d’Énergie ?

Les dispositifs de conversion d’énergie convertissent entre les formes d’énergie électrique, magnétique, cinétique, potentielle, optique, chimique, nucléaire et autres. Les processus de conversion d’énergie se produisent naturellement. Par exemple, l’énergie est convertie du rayonnement électromagnétique optique en chaleur lorsque la lumière du soleil réchauffe une maison, et l’énergie est convertie de l’énergie potentielle en énergie cinétique lorsqu’une feuille tombe d’un arbre. Alternativement, les dispositifs de conversion d’énergie sont conçus et fabriqués par un large éventail de scientifiques et d’ingénieurs. Ces dispositifs de conversion d’énergie vont de minuscules composants de circuits intégrés tels que des thermocouples qui sont utilisés pour détecter la température en convertissant des microwatts de puissance de l’énergie thermique en électricité à d’énormes centrales à charbon qui convertissent des gigawatts d’énergie stockée dans les liaisons chimiques du charbon en électricité.

Un dispositif de conversion d’énergie directe convertit une forme d’énergie en une autre par un seul processus. Par exemple, une cellule solaire est un dispositif de conversion d’énergie directe qui convertit le rayonnement électromagnétique optique en électricité. Alors qu’une partie de la lumière du soleil qui tombe sur une cellule solaire peut la chauffer à la place, cet effet n’est pas fondamental pour le fonctionnement de la cellule solaire. Alternativement, les dispositifs de conversion d’énergie indirecte impliquent une série de processus de conversion d’énergie directe. Par exemple, certaines centrales solaires impliquent de convertir le rayonnement électromagnétique optique en électricité en chauffant un fluide de sorte qu’il s’évapore. L’évaporation et la détente du gaz font tourner un rotor d’une turbine. L’énergie du mouvement mécanique du rotor est convertie en un champ magnétique variant dans le temps qui est ensuite converti en un courant électrique alternatif dans les bobines du générateur.

Ce texte se concentre sur les dispositifs de conversion d’énergie directe qui convertissent entre l’énergie électrique et une autre forme. En raison de la grande variété d’appareils qui entrent dans cette catégorie, la conversion d’énergie est un sujet important pour tous les types d’ingénieurs électriciens. Certains ingénieurs électriciens se spécialisent dans les systèmes d’instrumentation de bâtiments. De nombreux capteurs utilisés par ces ingénieurs sont des dispositifs de conversion d’énergie directe, notamment des jauges de contrainte utilisées pour mesurer la pression, des capteurs à effet Hall qui mesurent le champ magnétique et des capteurs piézoélectriques utilisés pour détecter les vibrations mécaniques. L’énergie électrique produite dans un capteur peut être si faible qu’une amplification est nécessaire. D’autres ingénieurs électriciens se spécialisent dans la production et la distribution d’énergie électrique. Les batteries et les cellules solaires sont des dispositifs de conversion d’énergie directe utilisés pour stocker et produire de l’électricité. Ils sont particulièrement utiles dans les endroits éloignés ou dans les gadgets portables où il n’y a pas de moyen facile de se connecter au réseau électrique. Parallèlement, les dispositifs de conversion directe d’énergie tels que les dispositifs thermoélectriques et les piles à combustible sont utilisés pour alimenter les satellites, les rovers et d’autres systèmes aérospatiaux. De nombreux ingénieurs électriciens travaillent dans l’industrie automobile. Les dispositifs de conversion d’énergie directe trouvés dans les voitures comprennent des batteries, des caméras optiques, des capteurs à effet hall dans le tachymètre utilisé pour mesurer la vitesse de rotation et des capteurs de pression.

La conversion directe d’énergie est un sujet fascinant car elle ne s’intègre pas parfaitement dans une seule discipline. La conversion de l’énergie est fondamentale pour les domaines du génie électrique, mais elle l’est également pour le génie mécanique, la physique, la chimie et d’autres branches de la science et de l’ingénierie. Par exemple, les ressorts sont des dispositifs de stockage d’énergie souvent étudiés par les ingénieurs mécaniciens, les condensateurs sont des dispositifs de stockage d’énergie souvent étudiés par les ingénieurs électriciens et les batteries sont des dispositifs de stockage d’énergie souvent étudiés par les chimistes. De manière connexe, les dispositifs de stockage et de conversion d’énergie, tels que les ressorts, les condensateurs et les batteries, ne sont pas ésotériques. Ils sont monnaie courante, bon marché et largement disponibles. S’ils se retrouvent dans des objets du quotidien, ils sont aussi des sujets actifs de la recherche contemporaine. Par exemple, les ordinateurs portables sont limités par la durée de vie des batteries et la réception des téléphones portables est souvent limitée par la qualité d’une antenne. Les batteries, antennes et autres dispositifs de conversion directe d’énergie sont étudiés à la fois par des sociétés de consommation essayant de créer de meilleurs produits et par des chercheurs universitaires essayant de comprendre la physique fondamentale.

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