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sciences de la vie et de la Terre

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l'énergie solaire : du local au global

mis à jour le 05/06/2010


neo_nasa

Des ressources pour la partie du programme de seconde consacrée à l'inégale répartition de l'énergie solaire et son exploitation.

mots clés : énergie, soleil, photovoltaïque, solaire, Terre, rayonnement, lumière



L'étude des particularités de la planète Terre a mis en évidence l'importance de l'énergie solaire et de l'effet de serre pour le développement et le maintien de la vie sur Terre. La comparaison du flux solaire au sommet de l'atmosphère et du flux mesuré au sol va conduire à se poser la question de l'utilisation de l'énergie solaire. Des manipulations simples et des tâches complexes faisant appel au système d'informations géographiques en ligne neo nasa ou aux SIG classiques permettront de poser les bases d'une discussion sur la place des énergies renouvelables dans la satisfaction des besoins de l'humanité et sur les perspectives d'emplois dans ce secteur.

Ces ressources sont de simple propositions d'activités que le professeur modulera en fonction des conditions de l'enseignement et de ses choix pédagogiques. Elles ne sauraient être considérées comme une progression.

Ces activités pourront être insérées dans une démarche pluridisciplinaire en rapport avec la partie "L'enjeu énergétique" de l'enseignement de géographie dans le cadre de projets pédagogiques. Elles font appel à des notions de physique étudiées au collège.

Mesurer la quantité d'énergie arrivant à la surface de la Terre
Passer de l'échelle locale à l'échelle globale
Exploiter l'énergie solaire
Remerciements

Mesurer la quantité d'énergie arrivant à la surface de la Terre

 
La partie du programme consacrée aux conditions de vie sur Terre a pu être l'occasion d'évoquer la valeur de la constante solaire. Au sommet de l'atmosphère celle-ci est en moyenne de 1368 W/m². Cette valeur n'est liée qu'à l'activité solaire et à la distance Soleil/Terre.

Il peut être intéressant de savoir si toute cette énergie arrive au niveau du sol.

La mise en oeuvre d'un petit calorimètre solaire est l'occasion de faire une mesure quasi instantanée qui peut être extrêmement variable en fonction de l'heure et de la nébulosité.

Cette manipulation est décrite dans la ressource : mesure de l'énergie solaire dans cette rubrique.

Un simulateur en ligne permet aussi de pallier à un manque de soleil le jour de la manipulation. Une manipulation réalisée un jour ensoleillé de juin donne une élévation de 1°C par minute soit une puissance surfacique d'environ 917 W/m²
calorimètre solaire
 
Face à la variabilité des résultats, les élèves peuvent formuler des hypothèses sur les facteurs qui sont en jeu. Un autre simulateur en ligne permet de tracer des graphiques montrant que l'heure, la saison, la latitude et la nébulosité ont une influence sur la valeur du flux d'énergie arrivant au sol. Cela peut donner lieu à un travail d'atelier, chaque groupe ne faisant l'étude que d'un facteur.
Le bilan fait apparaître que l'énergie solaire disponible au niveau du sol à un endroit donné est très variable en fonction de l'heure, de la saison de la latitude et de la nébulosité.

Passer de l'échelle locale à l'échelle globale

 
neo_nasa15
Il apparaît rapidement que la valeur mesurée de façon instantanée est parfois très éloignée de la valeur moyenne du flux en un point. C'est cette valeur qui est prise en compte pour l'exploitation de l'énergie solaire par l'homme. Cette valeur moyenne est accessible via les données du Système d'Informations géographiques en ligne NEO NASA.
 
NASA Earth Observations est un utilitaire en ligne disponible sur le site de la NASA à l'adresse : http://neo.sci.gsfc.nasa.gov/Search.html

Un tutoriel d'utilisation a été publié sur le site de l'Académie de Lille à l'adresse : http://www5.ac-lille.fr/~svt/svt/articles.php?lng=fr&pg=468

La plupart des données disponibles sont des données issues des satellites d'observation de la Terre dans différents domaines.

Ces données ont permis de construire des indices à partir de traitements mathématiques de signaux bruts. L'onglet "Energy" permet de choisir les données relatives à nos préoccupations.

Ici c'est l'insolation moyenne en W/m² (Solar insolation) au mois d'avril 2010 qui a été choisie.
neo_nasa01
 
Il est bien entendu possible de choisir la période de mesure dans la liste en dessous de l'écran. La commande "View" actualise l'affichage tandis qu'"Analyze this image" la charge dans une boîte de choix dans la partie droite de l'écran.
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neo_nasa
La commande "Configure/launch analysis" charge un nouvel écran avec des onglets de choix. On se contentera dans ce cas précis de cliquer sur "Launch analysis"

Après un délai d'affichage qui peut être assez long en fonction de la connexion, l'image est chargée et l'outil "Probe" permet d'accéder à la valeure moyenne de l'insolation en n'importe quel point du globe durant le mois étudié.
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L'utilisation du pointeur doit conduire les élèves à exprimer les relations entre le flux solaire, la latitude, la saison et la nébulosité.
En ce mois de juillet la nébulosité de l'Atlantique nord ou celle de la zone intertropicale empêche ces régions de recevoir beaucoup d'énergie alors que les déserts chauds ou froids (Gröenland) reçoivent des quantités importantes d'énergie solaire.

Exploiter l'énergie solaire



 
En même temps que la mesure effectuée avec les calorimètres solaires, un panneau photovoltaïque emprunté au laboratoire de physique a été installé et a permis de prendre des mesures de courant produit par effet photoélectrique. Un calcul simple sur le modèle du calorimètre permet d'évaluer la puissance électrique d'un mètre carré de panneau solaire au moment de la mesure.

Les appareils sont montés conformément au schéma ci-contre. On veillera à ajuster la résistance réglable pour pouvoir considérer que la résistance interne de la cellule est négligeable. Le panneau est un  produit grand public vendu comme chargeur de batteries.

Les élèves mesurent les valeurs de U et I. Ils connaissent depuis le collège la relation P = U.I qui donne la valeur de la puissance dissipée par la résistance.
Elle est égale à la puissance de la cellule. Cette valeur sera rapportée à sa surface de la cellule pour donner la puissance surfacique selon l'équation Ps = U.I/S
circuit01
 
Pour une cellule de 0.29 m sur 0.29 m, avec une résistance de 80 000 Ohms, nous avons mesuré sous un soleil brillant en juin 24.80 V et 0.309 A. La puissance surfacique calculée était donc d'environ 91 W/m² soit un rendement d'environ 10 %.
panneau03
 
La valeur calculée sera comparée avec celle obtenue avec le calorimètre solaire et le rendement de la photosynthèse qui est évalué à moins de 1% de l'énergie reçue.
Il apparaît ainsi qu'un chauffe-eau solaire sur le principe du calorimètre récupère beaucoup plus d'énergie que le panneau solaire photovoltaïque qui a un  rendement plus faible.

Une ressource pédagogique consacrée à l'exploitation de l'énergie solaire par les plantes est proposée dans cette rubrique.

Un travail utilisant les données de l'EIA (U.S. Energy Information Administration, service indépendant de statistiques énergétiques rattaché au ministère fédéral de l'énergie des USA) est ensuite entrepris. Il permet aux élèves d'aborder l'usage d'un Système d'Informations Géographiques (SIG) pour représenter les pourcentages d'énergies primaires utilisées dans la production électrique dans différents pays.

Ce travail est décrit dans une ressources séparée.

L'une des cartes produites concerne le pourcentage d'énergie solaire dans les productions nationales d'électricité. On constate que ce pourcentage n'est jamais supérieure à 2% et seules l'Allemagne et l'Espagne dépassent 0,4% (statistiques 2008).

eia09








NB : les statistiques de l'EIA assimilent l'électricité d'origine marémotrice et houlomotrice à de l'énergie solaire, mais celles-ci représentent un pourcentage négligeable.
 

Au terme de ce travail, les élèves doivent exprimer le fait que la production d'électricité voltaïque ne couvrait en 2008 qu'une toute petite partie des besoins mondiaux en électricité. De plus, cette technologie coûteuse en terme d'investissement et de maintenance se développe plus rapidement dans les pays riches que dans les pays en voie de développement.

Vu le développement rapide des chauffe-eau solaires et de la filière photovoltaïque, il peut être utile de présenter les métiers de l'installation et de la maintenance de ces équipements.

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remerciements


à Cyrille Chopin, professeur d'Histoire et de Géographie au collège Léo Lagrange du Havre pour les sources de données énergétiques.
à Frédéric Volteau, professeur de Physique Chimie au lycée Jean Perrin de Rezé pour les discussions sur le circuit du capteur photovoltaïque.
 
auteur(s) :

François Cordellier, professeur de SVT au lycée Jean Perrin de Rezé

information(s) pédagogique(s)

niveau : 2nde

type pédagogique : démarche pédagogique, travaux pratiques

public visé : enseignant

contexte d'usage : atelier, classe, laboratoire, salle multimedia

référence aux programmes :

Le Soleil : une source d'énergie essentielle

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