Comment utiliser l énergie du soleil?

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1 Document 1 - La fusion nucléaire du soleil Jean Perrin ( ), Prix Nobel de Physique en Ce n est qu au début du XX ème siècle que l homme a découvert que le soleil, longtemps considéré comme une planète, était une étoile, c est-à-dire une énorme boule de gaz chaud qui produit de l énergie. Agé de 4,6 milliards d années, le soleil brillera encore pendant 5 milliards d années. Comment fait-il donc pour ne pas s éteindre et se refroidir à force d émettre de la chaleur sous forme de rayonnement énergétique? C est en 1921 que le physicien français Jean Perrin explique ce phénomène : l énergie solaire est d origine nucléaire. À la différence de la fission nucléaire, qui génère de l énergie grâce à la désintégration de noyaux lourds, la fusion nucléaire du soleil a lieu lorsque deux noyaux légers d hydrogène entrent en collision et s assemblent pour former un noyau plus lourd, celui d un nouvel élément : l hélium. Ainsi, chaque seconde, 620 millions de tonnes d hydrogène sont transformés en 616 millions de tonnes d hélium. Cette réaction produit une quantité de chaleur faramineuse : au cœur du soleil, il fait15 millions de degrés. La chaleur voyage ensuite vers la surface de l'astre, où elle est transformée en lumière. C'est cette lumière qui nous illumine chaque jour. Et si on ne sait pas encore maîtriser les réactions de fusion nucléaire, on sait transformer cette lumière en électricité : c est l énergie solaire photovoltaïque. Exercice 1 Le saviez-vous? Hélium vient de,h lios : Soleil. A l aide du document 1 et du magazine Solarama, répondez aux questions suivantes : 1. Jean Perrin a découvert que l énergie solaire était d origine nucléaire. Qui a découvert l effet photovoltaïque du soleil? 2. En plus d avoir reçu un Prix Nobel, qu ont en commun ces deux physiciens? 3. Quelle est l origine du mot photovoltaïque? 4. Quelle est la différence entre la fusion et la fission nucléaires? 1/6

2 Document 2 - La réaction de fusion Tritium Hélium Les isotopes de l hydrogène, le deutérium 1 2 H et le tritium 1 3 H fusionnent et produisent un noyau 4 d hélium et un neutron 1 2 He 0 n Fusion Deutérium Neutron Exercice 2 1. En quoi le deutérium et le tritium sont-ils des isotopes? 2. Ecrire l équation de la réaction de fusion en utilisant la représentation symbolique A Z X Document 3 - Le phénomène de fusion nucléaire encore au stade de la recherche Sur Terre, l homme cherche à maîtriser les réactions de fusion du soleil ; mais il faudra sûrement patienter des dizaines d années avant d y parvenir. En effet, reproduire les fusions du soleil à petite échelle n est pas si simple. Pour cela, il est nécessaire de rapprocher deux atomes (du deutérium et du tritium) et de provoquer leur fusion, alors que ces derniers ont une forte tendance à se repousser l un l autre. Comment faire? Il faut porter le mélange de ces deux éléments à une température de l ordre de 100 millions de degrés. Depuis une trentaine d années, de nombreux laboratoires étudient ce phénomène de fusion. Ce domaine est encore au stade de la recherche et il n existe pas encore d applications industrielles pour la production d électricité. En attendant, il y a l énergie solaire photovoltaïque! 2/6

3 Document 4 - Energie solaire thermique et photovoltaïque Capteur 1 Eau chaude 1 Courant continu Courant alternatif Panneau photovoltaïque 2 Pompe de circulation Régulateur Ballon Résistance électrique 2 Onduleur 3 Réseau 3 Fonctionnement de l'énergie solaire photovoltaïque raccordée au réseau Eau froide Fonctionnement de l'énergie solaire thermique Exercice 3 A l aide du document 4 et du magazine Solarama, répondez à la question suivante : 1. Quelle est la différence entre l énergie solaire photovoltaïque et l énergie solaire thermique? Exercice 4 Le silicium est la matière première des panneaux solaires photovoltaïques. 1. Où trouve-t-on le silicium? 2. Quels sont ses deux grands atouts? 3. A l aide de vos recherches, indiquez dans quels autres secteurs le silicium est utilisé en tant que semi-conducteur. 3/6

4 Exercice 5 A l aide du magazine Solarama, indiquez la (ou les) bonne(s) réponse(s) : 1. Qu est-ce que le rendement d un panneau solaire? A - La quantité d électricité produite par rapport à la lumière reçue B - Le prix d un panneau solaire C - La chaleur dégagée par un panneau D - La quantité d électricité d un panneau produite sur l année 2. Quels sont les défis à relever pour faire du solaire une énergie de tous les jours? A - Réduire les coûts B - Augmenter le rendement des panneaux C - Améliorer le stockage de l électricité D - Adapter le réseau électrique 3. Sur une population mondiale de 7 milliards de personnes, combien n ont pas accès à l électricité aujourd hui? A millions B - 1 milliard C - Plus de 1,3 milliard D - 2 milliards 4. Quels sont les deux pays précurseurs dans la production d énergie photovoltaïque? A - La France et l Espagne B - La France et l Allemagne C - La Chine et le Brésil D - Le Japon et l Allemagne 5. Chaque jour, la Terre reçoit sous forme de lumière solaire une énergie suffisante pour satisfaire les besoins de la planète pendant : A - 3 ans B - 7 ans C - 17 ans D - 27 ans Document 5 - Cas pratique : la centrale photovoltaïque au sol Les centrales solaires photovoltaïques se présentent soit sous forme d un alignement de panneaux photovoltaïques standards montés sur châssis (système fixe), soit sous forme de système mobile, sur un ou deux axes, permettant de suivre le soleil (système à trackers). Le courant produit par les cellules photovoltaïques des panneaux solaires est un courant continu. Pour pouvoir alimenter les équipements électriques, il faut le transformer en courant alternatif grâce à un appareil électronique appelé onduleur. 4/6

5 Exercice 6 Une centrale solaire photovoltaïque convertit la lumière en énergie électrique. 1. Complétez la chaîne énergétique suivante : 2. D après le document 5, quel est le rôle de l onduleur? Le saviez-vous? Courant continu versus courant alternatif Le courant continu Un courant est dit continu lorsqu'il circule continuellement dans une seule et même direction : du pôle + vers le pôle -. Les électrons circulent de manière opposée au sens conventionnel du courant, et vont ainsi de la borne négative vers la borne positive. Le courant continu est produit par l'activité chimique d'une batterie ou d'une pile dans un circuit électrique fermé. C'est le cas par exemple dans une lampe électrique. Ce courant électrique est exprimé en ampère (A). Les panneaux photovoltaïques produisent du courant continu. Le courant alternatif Un courant est dit alternatif lorsqu'il circule alternativement dans une direction puis dans l'autre à intervalles réguliers appelés cycles. Ce courant est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz), nombre d allers-retours qu effectue le courant électrique en une seconde. La forme la plus utilisée de courant alternatif est pour la distribution commerciale de l'énergie électrique. Le courant électrique distribué par les réseaux aux particuliers est un courant alternatif, dont la fréquence est généralement de 60 Hz en Amérique du Nord et de 50 Hz en Europe. Les éoliennes, turbines et groupes électrogènes produisent du courant alternatif. Document 6 - Le photovoltaïque est partout! Depuis la première calculatrice solaire japonaise Teal photon en 1978, l usage de l énergie solaire s est généralisé à plusieurs objets de la vie courante : torches, lampes de jardin, radioréveils, mobiles animés, montres Les cellules photovoltaïques remplacent ainsi les piles électriques, plus difficiles à recycler et à recharger. De plus, les chargeurs solaires peuvent désormais alimenter téléphones mobiles comme ordinateurs portables, et ce où que l on se trouve. Certains imaginent aujourd hui des vêtements également dotés de cellules photovoltaïques, pour pouvoir y recharger directement leurs lecteurs MP3 par exemple. Exercice 7 Séquence création Et vous? Imaginez et dessinez un objet qui pourrait utiliser de l énergie solaire photovoltaïque : soyez inventif et créatif! 5/6

6 Pistes pédagogiques Rédaction d un texte argumenté Pourquoi est-il intéressant de développer l utilisation de l énergie solaire? Rédaction d un texte argumenté Expliquez la phrase suivante : Lorsque l on parle de production d énergie, il ne s agit donc pas d une création, mais d'une transformation! Recherche documentaire Plusieurs projets mondiaux existent pour tenter de maîtriser la fusion nucléaire, notamment le projet ITER en France. Présentez ce projet, ses espoirs et les progrès qu il reste à accomplir. Voici quelques sources documentaires pour vous aider : et Innovation Les panneaux solaires photovoltaïques récupèrent un maximum de lumière lorsqu ils sont perpendiculaires aux rayons solaires. C est pourquoi on veille soigneusement à leur orientation (les panneaux dirigés vers le sud captant davantage la lumière) et à leur inclinaison exprimée en degrés ( ). Cependant, l inclinaison des rayons du soleil varie notamment selon les moments de la journée! Imaginez une innovation des panneaux solaires photovoltaïques qui permettrait d augmenter la production d électricité sur les centrales solaires en évitant la variation de l inclinaison des rayons du soleil. Pour indice, un mot anglais : to track! Physique-Chimie Les cellules photovoltaïques produisent également de l électricité par la lumière indirecte du jour, alors qu un chauffe-eau solaire a besoin d une lumière directe. Expliquez la notion de lumière directe et indirecte en donnant d autres exemples. 6/6