Brochure Capt Eurs Sol Aires

1Aujourdhui pour demainLes cApteurs soLAires

Une dmarche active pour comprendre les principes physiques mis en jeu dans le fonctionnement des

capteurs thermiques

Public cible : les jeunes de10 14 ans

2 3

table des matiresIntroduction 5Statuts de lexprience 6Canevas dexploitation pour lenseignant 8

Activits pralables 10 Analyse de lutilisation de lnergie dans la classe 10 Le cot de lnergie dans ma classe 12 Les sources dnergie utilises 12Phase de sensibilisation 13 Les panneaux solaires thermiques 13Prtest 15Exprience pour ressentir 20 Lexprience des chaussettes 20Exprience concevoir 23 Jaune, rouge, blanc, noir, vert... Quelle couleur pour quelle chaleur ? 23Exprience suivre 26 Panneaux noirs ou panneaux blancs ? 26Exprience suivre 28 Vitre ou pas vitre ? 28 Les verres colors ? 30Exprience suivre 34 Panneaux isols ou non isols ? 34Exprience concevoir 36 Quel matriau pour notre panneau ? 36Structuration 38 Les panneaux solaires thermiques 38 Analyserflexive 43Exprience action 44 Faire tourner un moteur grce la lumire 44

Energie - Puissance - Units de mesure 46Pour en savoir plus 46Bibliographie 47

Cette brochure est ralise par lasbl Hypothse avec le soutien de la DGO4 - SPW

Janvier 2011

Auteurs : Fabian Richard - Sabine Daro - Caroline Villeval - Claire Balthazart Francis Schoebrechts - Serge Nanson

Maison ligeoise de lEnvironnementrue Fusch, 3 - 4000 Lige

Tl. : 042.50 95 89www.hypothese.be

[email protected]

Graphisme et schmas : Serge Nanson

4 5

introduction Chez moi, on a install des panneaux solaires raconte un enfant dans cette classe de 6e primaire lors dune discussion entame propos du rchauffement climatique. A quoi vont-ils servir ? demande linstituteur. A chauffer la maison et faire de llectricit, je crois rpond lenfant.

Linstituteur renvoie lexplication aux autres lves de la classe. Certains disent que cest pour chauffer leau, dautres rejoignent lide que cest pour chauffer la maison, dautres pensent que le compteur dlectricit va tourner lenvers aussi. Finalement personne ne sait avec assurance. Il y a une certaine confusion, les avis divergent, les explications sont floues.En effet, si les enfants pensent pour la plupart quil y a quelque chose de bnfique pour la plante dans le fait dinstaller des capteurs solaires (ils sont fiers de le raconter leur instituteur, ils disent quil faudrait en mettre lcole), peu diffrencient les types de capteurs et leur rle. Cette confusion entre capteurs thermiques et photovoltaques est dailleurs trs frquente chez les adultes aussi.

Et si on mettait de lordre dans tout a !La squence que nous vous proposons ici a pour objectif de partir de situations dactualits lies aux problmes nergtiques qui se posent notre socit et dlaborer des connaissances scientifiques prcises sur ce thme. Nous aimerions que les enfants de 10 14 ans dpassent cette impression de connatre et construire avec eux des savoirs scientifiques utiles et transfrables. Nous voulons leur donner loccasion de comprendre les avantages et inconvnients des solutions techniques et denvisager les changements de modes de vie ncessaires qui les accompagnent.La dmarche est conue en appliquant la rflexion mthodologique dveloppe par notre association Hypothse1. Nous partons des avis et conceptions spontanes de lapprenant pour ensuite proposer des activits exprimentales varies qui permettront de construire des systmes explicatifs plus complets pour rendre compte du rel.Expriences pour ressentir, expriences action, expriences suivre, expriences concevoir, la dmarche permet par ces diffrentes approches de susciter les savoir - faire disciplinaires tels que dfinis dans les socles. Les savoirs classs dans Energie sont ici travaills avec pertinence et plus particulirement les notions lies la chaleur et ses modes de propagation.Comme nous lexplique Giordan2, le dveloppement durable peut-tre vu comme un moyen de donner un sens un savoir scientifique en apportant celui-ci un contexte. () La rflexion sur le dveloppement durable et lducation qui sy rapporte, donnent non seulement un sens aux multiples savoirs en crant un lien avec lactualit, mais correspondent souvent au besoin de lenfant, et surtout de ladolescent, de pouvoir agir sur le monde qui lentoure.

1 Asbl Hypothse, 2007- Articulation entre lenseignement fondamental et lenseignement secondaire - Sciences et mathmatiques - Rapport de recherche Communaut franaise DARO Sabine, GERON Christine, GRAFTIAU Marie-Christine, HINDRYCKX Marie-Nolle, STEGEN Pierre, http://www.enseignement.be/index.php?page=26044&id_fiche=4996&dummy=248982 Giordan A, Pellaud F, 2008 Comment enseigner les sciences, Col. Pdagogie et formation Ed. Delagrave

6 7

statuts de lexprienceLorsque des expriences sont proposes dans des squences dapprentissage, elles nont pas toujours la mme fonction, la mme place. Le tableau ci-dessous dcrit diffrentes manires denvisager une activit exprimentale. Selon le statut occup par lexprience, les apprentissages dvelopps chez les enfants vont varier.Ces expriences sont prsentes selon une gradation progressive qui permet un ancrage plus efficace des notions apprises. Les activits proposes dans cette squence ont t testes en sixime primaire et au premier degr du secondaire.Tout au long de la squence, nous indiquons les activits spcifiques selon la tranche dge. Nous partons toutefois du principe que les activits exprimentales peuvent tre proposes lun ou lautre niveau. Plus que laction elle-mme, cest le niveau de formulation de la structuration de lactivit vcue quil faudra adapter.

Statut de lexprience Rle1 Exprience de sensibilisation Provoquer la motivation de la classe.

Poser une nouvelle question.2 Exprience pour ressentir Permettre la perception par le corps

des phnomnes abords.3 Exprience action pour com-

prendre comment a marche Essai plutt informel pour une pre-mire approche, pour se familiariser avec un concept.

4 Exprience suivre ralis par llve

Lexprience est propose dans le but de faire dcouvrir une loi ou illustrer un phnomne physique. Le protocole est donn.

5 Exprience concevoir Lenfant conoit une exprience afin de vrifier son ide. Lanimateur est associ dans le processus de recherche avec llve. Il ne sait pas quelles expriences seront propo-ses par les lves. Il ne connat pas ncessairement les rsultats des expriences.

Le tableau suivant permet dassocier chacune des expriences de la brochure sa mthodologie spcifique. La brochure complte est tlchargeable sur le site www.hypothese.be

1 2 3 4 5

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Phase daccroche et de motivation Test de prconception Exprience des chaussettes Panneau blanc ou panneau noir ? Vitre ou pas vitre ? Quelle couleur pour quelle chaleur ? Les verres colors Panneaux isols ou non isols ? Quel matriau pour notre panneau ? Faire tourner un moteur grce la lumire

Exprience concevoir

Exprience suivre

Prtest Exprience action

Exprience pour

ressentir

8 9

canevas dexploitation pour lenseignantA. Le matriel

Il se compose de coffres que lon peut se procurer sur simple demande lAsbl Hypo-thse ([email protected]).Idalement deux coffres sont ncessaires pour raliser lensemble des expriences.Avec 2 coffres, il est possible de travailler en 4 groupes de 4 5 lves.

B. canevas dexploitation avec un groupe de 16 20 lves (2 coffres)

Statut de lexprience Pages Expriences

Nombre de priode(s)

Pour ressentir 2023

Sensibilisation + exprience des chaus-settes en groupe classe + consignes pour lexprience concevoir Quelle couleur pour quelle chaleur ?

1

A concevoir 22 Prsentation des expriences conce-voir prpares par les lves 1

A suivre 2630

Panneau noir ou blanc ? Les verres colors+ consignes pour lexprience conce-voir Quel matriau pour notre pan-neau ?

1

A suivre A concevoir

2834

2 groupes (1 et 2) ralisent les exp-riences vitre ou pas vitre et pan-neaux isols ou non 2 groupes (3 et 4) prparent leur exp-rience concevoir (+ prsentation)

1

A suivre A concevoir

2834

2 groupes (3 et 4) ralisent les exp-riences vitre ou pas vitre et pan-neaux isols ou non 2 groupes (1 et 2) prparent leur exp-rience concevoir (+ prsentation)

1

Action 4438

Exprience dfi en groupe classe Faire tourner un moteur grce la lumire + commencer la structuration. Travail de synthse (ventuellement certifica-tif)

1

Structuration 38 En groupe classe 1

Total du nombre de priodes consacres : 7

Chaque coffre contient le matriel suivant :

1 support en bois pour les panneaux solaires1 panneau solaire de couleur noire1 panneau solaire de couleur blanche1 plaque de frigolite1 plaque de verre2 chaussettes : une de couleur blanche, une de couleur noire2 thermomtres digitaux6 petits verres de couleurs diffrentes avec bouchons1 statif1 spot de 400 W ou 500 W1 multiprise1 panneau photovoltaque 1 petit moteur lectrique et une hlice3 schmas de panneaux solaires thermiques (format A3, plastifis)1 schma de panneaux photovoltaques (format A3, plastifi)1 brochure prsentant le projet Aujourdhui pour demain, les capteurs solaires 8 fiches didactiques

10 11

Activits pralablesActivit 1

AnAlyse de lutilisAtion de lnergie dAns lA clAsse

A. Mise en situAtion - ressentir la dpense dnergie

Faire faire aux lves des exercices physiques pour leur faire ressentir la dpense dnergie (la fatigue). Celle-ci est proportionnelle lintensit de lexercice ralis.

B. exercices physiques :

1. Faire 3 flexions avec les jambes : placer sur une chelle de 1 10 la dpense estime dnergie

2. Marcher lentement dans la classe : idem3. Faire 15 flexions avec les jambes : idem4. Tourner les yeux de gauche droite : idem5. Rester assis : idem

c. Discussion Avec LA cLAsse

Aboutir faire passer aux lves le message que ds quil y a mouvement, action, il y a dpense dnergie. Plus le mouvement est intense plus lnergie consomme est importante. (voir informations ci-dessous)Poser la question : Comment le corps fait-il pour se procurer de lnergie ? O la trouve-t-il ? Dans la nourriture. (quand on a faim, est-on capable de courir 1 km ?)Remarque - le point 5 - rester assis. Certains lves vont probablement dire quon ne dpense pas dnergie en restant assis puisquon ne bouge pas et vont peut tre critiquer lchelle de dpense puisquelle ne dbute pas 0. Dans ce cas, les faire imaginer quils restent assis jusqu une heure avance de la journe, et leur demander sils ne vont pas ressentir la sensation de faim. Or, sils ne dpensent pas dnergie, ils nont pas besoin de manger.

D. DAns LA cLAsse, queLs sont Les oBjets qui uti-Lisent De Lnergie ?

Observation des diffrents endroits de la classe et relev des appareils consommateurs. Exemples : non, lampe de bureau, radio, bouilloire, horloge, radiateurs, tlphone, jeux piles ...

Pourquoi ces appareils utilisent-ils de lnergie ? - raliser un classement

Produire de la lumire : non, lampe de bureau Produire du son : radio, tlphone, jeux Produire du mouvement : horloge, jeux Produire de la chaleur : radiateur, bouilloire

e. queL type Dnergie utiLisent ces AppAreiLs ?

Nous mangeons pour raliser toutes nos activits. Ces appareils de quoi ont-ils besoin pour produire de la lumire, du son, des mouvements, du chauffage ? De llectricit pour les lampes, la radio, le tlphone, le chauffage, ... Du mazout ou du gaz pour le chauffage

F. que consoMMent ces AppAreiLs ?

Nous, pour courir pendant une heure, il nous faut 2385 kJ soit un peu plus de 100g de chocolat (2252 kJ pour 100g) par heure. La puissance cest--dire la quantit dnergie par seconde dont a besoin un appareil pour fonctionner ne sexprime pas grammes de chocolat par seconde ou par heure mais en Watts.*Une bouilloire qui a besoin de 850 Watts pour fonctionner et qui chauffe pendant 1 heure consomme 850 Watts x 1 heure = 850 Watts X 3600 secondes = 3060 Kilo-Joules. Si elle ne fonctionne que 5 minutes ce qui est une consommation courante, elle consomme 850 Watts x 300 secondes = 255 KiloJoules. Ce qui est peu prs ce que nous consommons en 1 heure de sommeil.

g. coMpArAison De LA consoMMAtion Dnergie Des DiFFrents AppAreiLs De LA cLAsse

Afin daider les lves se rendre mieux compte de la relation consommation dnergie et production de travail, lenseignant peut raliser lactivit suivante.Prendre des ampoules de puissances diffrentes : 25W, 40W, 60W et 100W. Les tester et observer lintensit de la lumire en fonction de la puissance de lampoule.Variante - demander aux lves quelle est lampoule qui consomme le plus ou le moins dnergie.*

Les dpenses dnergie en fonction des activits ralises. Lunit utilise pour exprimer lnergie est le kilojoule (kJ) qui peut tre transform en kcal *

1 heure de sommeil = 270 kJ

1 heure assis au repos = 420 kJ

1 heure de marche lente (4,2 km/h) = 835 kJ

1 heure de marche rapide (6 km/h) = 1255 kJ

1 heure de course (8,5 km/h) = 2385 kJ

1 heure de monte descaliers = 4600 kJ

Le joule (symbole : J) est lunit utilise pour quantifier lnergie. Le joule tant une unit trs petite, on utilise plutt les kilojoules (kJ) en nutrition. Cette mesure est de plus en plus utilise au ct des calories (cal) et tend graduellement les remplacer. 1 kJ vaut 239 cal et 1 cal vaut 4,18 joules.

* La relation entre nergie et puissance et leurs units respectives sont reprises la fin de la brochure la page 46

12 13

Activit 2

le cot de lnergie dAns mA clAsse

Le chocolat que nous consommons, nous devons lacheter et le payer et bien... cest la mme chose pour lnergie que consomment les appareils de la classe.

Petit calcul : En sachant que lutilisation de 1000 Watts pendant 1 heure cote 0,15 , calculer la consommation des divers appareils.Demander ventuellement la facture lectricit annuelle de lcole et faire calculer la consommation annuelle.

Comment rduire les cots (consommer malin, modifier la source dnergie ?)

Activit 3

les sources dnergie utilisesLlectricit est la source dnergie qui permet de faire fonctionner les appareils. Do vient cette lectricit ?

Faire analyser des illustrations dindustries ou des documents qui relatent comment on

produit de llectricit.

phase de sensibilisation

les panneaux solaires thermiquesLe rchauffement climatique, ses causes et ses consquences sont des sujets rguli-rement prsents la une de lactualit. Et pour cause, les impacts de ce phnomne menacent la survie de lespce humaine. Il est donc grand temps que lhomme ragisse et prenne les bonnes dcisions en matire de climat.Alors, il semble capital de commencer une sensibilisation cette problmatique ds le plus jeune ge. La surconsommation nergtique devient habituelle, remplir sa citerne de mazout est un geste normal et on ne se pose pas la question de savoir si cela pourra durer ternel-lement, ou si dautres sources dnergies peuvent remplacer totalement ou en partie les combustibles fossiles. Encore trop peu de mnages ont fait le pas vers lutilisation dune nergie alternative. Et pourtant, des solutions diversifies existent.Le but de la dmarche propose ici est de faire connatre le fonctionnement des pan-neaux solaires thermiques, de diffrencier le thermique du photovoltaque, trop sou-vent confondus, mais aussi damener les jeunes se poser des questions sur limpor-tance de leur utilisation aujourdhui, pour que demain, la vie sur terre soit toujours possible.

Enseignement secondaire

A. texte sur le rchauffement climatique (presse, revue, internet...)

Travail de groupe sur cette problmatiqueQuestions-rponsesPrsentation du texteDiscussion en classe entire sur le thmeQuelles solutions pour demain ?

Socle vis : faire merger lnigme rsoudre, savoir ici, trouver un moyen dutiliser une nergie propre.

B. travail de recherche sur les nergies

Consigne : par groupe, ralisation dun diaporama de prsentation PowerPoint de 5 dias sur : Les diffrences entre nergie fossile et renouvelable Lnergie olienne Lnergie solaire thermique Lnergie solaire photovoltaque Lnergie hydraulique

Socles viss : C12, 13 et 14 Rassembler et organiser des informations sous une forme qui favorise la comprhension et la communication.

Les moyens de production dlectricit : les centrales hydro-lectriques, les turbo-alternateurs, les centrales nuclaires, les centrales thermiques, les turbines gaz, les groupes lectrognes Diesel, les cellules photolectriques (lnergie solaire), les oliennes, les centrales marmotrices et les gnratrices magntohydrodynamiques.

14 15

c. Projection dun film ou extrait de film (dure +/- 10 min)

Exemple de film : Sans nature, pas de futur . Fondation N. Hulot

Amorce dune discussion en grand groupe. Questions-rponses.Quelles solutions pour demain ?

Socle vis : faire merger lnigme rsoudre, savoir ici, trouver un moyen dutiliser une nergie propre.

D. elaboration dune publicit

Travail de groupe sur le thme des nergies renouvelables

Consigne : Vous tes vendeurs dans une entreprise qui place des panneaux solaires.Vous devez imaginer une publicit sur panneau A3, mettant en valeur les mrites de ce type de technologie.

Socles viss : C9, 10 et 11. Rcolter des informations par la recherche documentaire.

prtestCe que les lves imaginent propos des capteurs solaires

A. But De LActivite et prcautions mthodologiques

Organiser avant lapprentissage un test de conception est trs intressant car cela per-met de connatre les reprsentations des lves et surtout de pouvoir en tenir compte dans la suite de la squence. Selon une approche constructiviste, dposer ce que lon croit, ce que lon pense avant lapprentissage et y revenir pour amliorer, enrichir et corriger est le fil conducteur dune dmarche dapprentissage efficace. Il sagit de raliser ce test dans un climat de bienveillance. Ce test nest pas valu, il peut mme tre organis de faon anonyme comme note dans le cahier personnel de llve, lenseignant ne portera aucun jugement de valeur mme positif.

B. Le test

Avec le solaire, monsieur Jacques se met au vert

Pour chauffer leau de sa maison, Monsieur Jacques a dcid dinstaller des panneaux solaires sur le toit. Ces panneaux, qui transforment la lumire en chaleur, permettent de chauffer leau utilise dans la cuisine, la salle de bain et la buanderie. Monsieur Jacques ne connat rien au fonctionnement des panneaux solaires. On te propose de laider un peu. As-tu toi aussi des panneaux solaires comme ceux-l la maison ? : oui-non Dessine le toit de la maison de Mr Jacques avec les panneaux solaires. Dessine et explique avec tes mots comment les panneaux solaires chauffent leau

qui sortira des robinets et qui sera utilise pour se laver ou faire la cuisine.

c. Mise en coMMun

En groupe classe

D. ce quiLs iMAginent

Nous vous prsentons dans cette rubrique, titre dexemple, des conceptions den-fants. Le test a t effectu dans une classe de 5me anne primaire et dans une classe de 3me anne de lenseignement secondaire.

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Dans le secondaire :

1. Les enfants confondent trs souvent le solaire thermique et le solaire photovol-taque. Ils ne savent pas que deux productions diffrentes dnergie sont possibles partir de la lumire (production de chaleur par rayonnement dans le cas des capteurs thermiques ou dlectricit dans le cas des capteurs photovoltaques).2. Dans la plupart des cas, ils pensent que leau chauffe dans les serpentins sert di-rectement la consommation. Ils nvoquent pas un deuxime circuit deau sanitaire indpendant du circuit deau qui circule dans le capteur.3. Ils nont pas la notion dchangeur thermique, bien que certains parlent de trans-formation dnergie solaire en eau chaude.4. Ils ne se posent jamais la question de la circulation de leau dans le circuit.5. Ils ne pensent pas aux possibilits de gel, et donc nimaginent pas que le fluide calo-porteur contient un antigel.6. La structure mme des panneaux est rarement aborde, ou alors, cest le problme de la couleur noire du panneau qui est soulev. Jamais ils ne parlent disolation ou de vitrage (effet de serre).7. Lorientation et linclinaison du panneau sont rarement abordes.8. Certains enfants compliquent le systme en associant chaque destination deau sanitaire, une zone ou des capteurs thermiques indpendants. ( chaque robinet son capteur !)

Dans le primaire :

Les mmes remarques peuvent tre faites en ce qui concerne les plus petits.Dans lenseignement primaire, ils savent que leau chauffe dans le panneau mais ils ne vont pas plus loin. Contrairement ce que lon observe dans le secondaire, ils ne considrent pas lutilisation que lon va faire de cette eau chaude.Dans les dessins raliss, on remarque que certains enfants en primaire confondent le capteur solaire avec les antennes paraboliques.

Ce dessin illustre la remarque 1 : ici, lenfant confond clairement thermique et pho-tovoltaque.

Ce dessin illustre la remarque 2 : en effet, lenfant pense que leau chauffe va tre envoye directement au robinet.

Ce dessin illustre la remarque 3 : leau chaude des panneaux va permettre de chauffer leau sanitaire.

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Le courant continu produit par les panneaux photovoltaques, composs dun grand nombre de cellules photovoltaques, est transform en courant alternatif, comptabilis et renvoy vers le rseau publique. La production des panneaux domestiques nest donc pas directement utilise par les appareils de lhabitation.

e. ce que LenseignAnt Doit sAvoir

recul thorique pour lenseignantFonctionnement des panneaux solaires thermiques et photovoltaques

Le rle et le fonctionnement de ces deux types de panneaux, de plus en plus utiliss afin dconomiser lnergie et de rduire la production de CO2, sont souvent confon-dus mme par les adultes. Le panneau solaire thermique transforme le rayonnement solaire visible en chaleur pour permettre lchauffement dun liquide caloporteur qui circule dans un serpentin en cuivre du panneau. Ce serpentin amne le liquide chauff dans le bas du rservoir rempli deau sanitaire. Un tuyau, contenant leau chauffe par le liquide du serpentin, quitte la rserve pour se raccorder aux divers robinets deau chaude de la maison et alimenter ces derniers. Si le rayonnement solaire est insuffisant, le liquide caloporteur schauffe peu ainsi que leau du rservoir. Dans ce cas, une rsistance lectrique dappoint se met en fonctionnement, sous la commande dune sonde de temprature, et permet leau du rservoir datteindre la temprature voulue.

Le panneau solaire photovoltaque utilise le principe de la transformation du rayonnement, compos de photons, en lectricit par le biais de cellules photovoltaques. Une cellule photovoltaque, comme le montre lillustration ci-dessous, est constitue de deux couches minces dun semi-conducteur, le silicium par exemple. Ces deux couches prsentent une diffrence de potentiel car leur composition diffre. Le silicium dit de type N a t enrichi en phosphore et est potentiellement donneur dlectrons. Le silicium dit de type P qui compose la 2e couche a t enrichi en bore et est potentiellement accepteur dlectrons. Lnergie des photons lumineux capts par les lectrons des atomes de la couche N leur permet de saffranchir de lattraction du noyau de leurs atomes. Pour que les charges libres par lillumination soient gnratrices dnergie, il faut quelles circulent. Il faut donc les attirer hors du matriau semi-conducteur dans un circuit lectrique. Cette extraction des charges est ralise au sein de la jonction entre les deux couches, cre volontairement dans le semi-conducteur. Pour effectuer la collecte de ce courant, des lectrodes sont dposes sur les deux couches de semi-conducteur. Llectrode suprieure est une grille permettant le passage des rayons lumineux. Une couche anti-reflet est ensuite dpose sur cette lectrode afin daccrotre la quantit de lumire absorbe*.

* http://www.lei.ucl.ac.be

20 21

exprience pour ressentir

lexprience des chAussettes

A. But De Lexperience

Prendre conscience par une sensation que les couleurs noire et blanche nabsorbent pas la chaleur de la mme manire.Les lves travaillent par groupes de 4 5. Il faudra donc multiplier le matriel autant de fois quil y a de groupes.Variante : lexprience peut tre ralise par le groupe entier. La mise en commun se fait alors instantanment. Plusieurs lves peuvent exprimenter. Le but tant de voir sils ressentent tous la mme chose.

B. MAterieL necessAire

Un spot de 400 W ou 500 W Une chaussette noire et une chaussette blanche Un foulard

c. Activite

Bander les yeux de llve qui va exprimenter.Lui enfiler sur une main la chaussette noire et sur lautre la chaussette blanche.Placer ses mains la mme distance, devant le spot.Attendre quelques instants.Lui demander de lever la main o la sensation de chaleur est la plus forte.Est-ce la main entoure dune chaussette noire ou dune chaussette blanche ?

D. Mise en coMMun

Les expriences termines, un moment est laiss aux diffrents groupes pour ordonner leur communication orale. Celle-ci doit rendre compte au groupe classe de la ques-tion de dpart, des rsultats obtenus, et de la conclusion qui ressort de lanalyse des rsultats.

e. ce que LenseignAnt Doit sAvoir

recul thorique pour lenseignantchaleur et temprature

Pour faire avancer la dmarche, il convient de faire remarquer aux lves que lexprience quils viennent de vivre se base uniquement sur les sensations, et que si les sens font partie intgrante de lobservation, ils ne peuvent suffire et apporter eux seuls une conclusion un phnomne. Il faudra donc passer des mesures prcises, laide dinstruments de mesure. Et cest sans doute le moment dintroduire ou de rappeler la diffrence essentielle entre chaleur et temprature. La sensation de chaleur nest pas ncessairement ressentie de la mme faon chez tout le monde, alors que la mesure dune temprature est une notion totalement objective.La chaleur caractrise lnergie thermique qui peut tre transfre dun corps lautre. Ce transfert peut seffectuer selon trois modes de propagation : la convection, la conduction et le rayonnement. Cest la temprature qui en est la mesure.

On ressent plus la chaleur dans la chaussette noire que dans la chaussettte blanche.La chaleur produite par le spot est mieux capte par la noire que par la blanche.

22 23

exprience concevoir

JAune, rouge, blAnc, noir, vert... Quelle couleur pour Quelle chAleur ?


Montrer, prouver (par groupes) par une exprience, que la couleur est un paramtre important dans labsorption de la chaleur par un matriau.


Tout le matriel ncessaire au bon fonctionnement de lexprience. Ce matriel peut tre amen par llve lors du prochain cours. Ils savent toutefois quils pourront utiliser le matriel habituel de la classe ou de la malle doutils : les thermomtres, rcipients.

c. Activite

Les lves doivent imaginer une exprience facilement ralisable en classe, qui montre que toutes les couleurs ne permettent pas dabsorber la lumire (solaire ou artificielle) de la mme faon.Attention, imaginer une exprience nest pas facile : quand on tudie un facteur, il faut faire en sorte que les autres ne varient pas (sinon, on ne sait pas lequel des facteurs a influenc lexprience)La consigne donner pourrait tre celle-ci :Vous devez imaginer une exprience dans laquelle vous allez montrer limportance de la couleur dans le phnomne dabsorption de la lumire.

a. Mon hypothse de dpart est b. Jai besoin du matriel suivant c. Le droulement de mon exprience est d. Je schmatise mon exprience comme ceci e. Aprs exprimentation, je constate que f. Jen conclus que

D. Mise en coMMun

Les expriences termines, un moment est laiss aux diffrents groupes pour ordonner leur communication orale. Celle-ci doit rendre compte au groupe classe de la question de dpart, du mode opratoire, du rsultat attendu et celui effectivement observ, ainsi que de la conclusion tire de lexprimentation.

recul mthodologique propos des expriences concevoir

Dans cette partie de la dmarche, il faut stimuler la rflexion dans les groupes, dis-cuter des protocoles proposs en valuant ladquation par rapport lhypothse pose. Les expriences imagines par llve servent contrler une ide, la tester. Dans ce type dexprience, de mise lpreuve, tel que dcrit par Cariou; Nous sommes au cur dune dmarche hypothtico-constructive : si cette hypothse est vraie, alors il sensuit que, dans telles conditions, jobserverai tel rsultat (dduction) .Bien que lexprience scientifique sentende habituellement dans ce sens l, elle est rarement propose lves. En effet, lcole la confusion est frquente entre une manipulation scientifique (faire, excuter, suivre une exprience) et une d-marche exprimentale (concevoir lexprience pour mettre lpreuve une ide). Trop souvent, lors des cours de sciences, les hypothses et le droulement de lexprience sont amens llve et semblent relever dune vidence que llve ne peroit pas toujours. Llve est alors excutant dune dmarche quil na pas pense lui-mme. Ici, llve doit penser le protocole pour mettre lpreuve le rel. Nous reprenons cette expression de Cariou : Le plus important dans lexp-rimental est le mental ! Ce nest pas qui ralise, mais qui conoit.

- Cariou J-Y, 2007, Un projet pour faire vivre des dmarches exprimentales. Ed. Delagrave

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e. ce quiLs pourrAient iMAginer

Nous vous prsentons dans cette rubrique, titre dexemple, ce que les lves ont propos comme exprimentation.

Plusieurs groupes ont travaill sur cette exprience. Les deux expriences ralises par les lves et prsentes ici ont t imagines sans aucune aide extrieure. Le matriel a t apport par les lves.

Ce qui est particulirement encourageant, cest le fait que les lves ont pu, seuls, imaginer leur protocole exprimental, tout en respectant scrupuleusement les tapes dune dmarche scientifique exprimentale, en prenant bien soin de ne faire varier quun seul facteur la fois.

exprience 1 : lexprience des boites

exprience 2 : lexprience du chocolat

26 27

exprience suivre

pAnneAux noirs ou pAnneAux blAncs ?


Montrer que la couleur du panneau est importante pour la production deau chaude.


Panneau solaire thermique noir, son caisson et sa vitre Panneau solaire thermique blanc, son caisson et sa vitre Un spot de 400 W ou 500 W Deux thermomtres digitaux

c. Activite

Par groupes de 2 ou 3 lves

Exposer les deux panneaux (noir et blanc), vitrs, la mme intensit de chaleur, pro-duite par le spot, pendant le mme laps de temps.Lexprience durera 20 minutes et une mesure de temprature est faite toutes les cinq minutes. Remplir avec de leau le tuyau de cuivre des deux panneaux. Vrifier en y plongeant les thermomtres que leau est au dpart la mme temprature. Les mesures ralises sont reportes dans un tableau de mesures, conu par llve (au secondaire) ou construit avec lenseignant (au primaire).

Un graphique reprsentant lvolution de la temprature au cours du temps pour les deux capteurs peut galement tre ralis partir du tableau de rsultats.

D. Mise en coMMun

Les expriences termines, un moment est laiss aux diffrents groupes pour ordonner leur communication orale. Celle-ci doit rendre compte au groupe classe de la question de dpart et des rsultats obtenus.

e. que retenir De cette Activite ?

La temprature slve plus vite et la diffrence de temprature atteinte aprs vingt minutes est plus importante pour le panneau noir. Une surface noire absorbe plus les rayons lumineux quune surface blanche. La chaleur apporte leau circulant dans le capteur noir est donc plus importante. Un panneau de couleur noire est donc plus efficace, cest pourquoi les panneaux solaires thermiques sont toujours noirs.

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exprience suivre

vitre ou pAs vitre ?


Montrer que quand le panneau est vitr, il est plus efficace que quand il ne lest pas.


Deux panneaux solaires thermiques noir et leur caisson Systme de vitrage prvu avec le panneau Un spot de 400 W ou 500 W Un thermomtre digital

c. Activite

Par groupes de 2 ou 3 lves.

Remplir les panneaux avec de leau temprature ambiante.Les faire tenir debout et inclin grce au support.Introduire le thermomtre digital dans la conduite (orifice suprieur)Les lves doivent exposer les panneaux (un avec vitre, lautre sans vitre) devant le spot.Une mesure de temprature est effectue toutes les 5 minutes, pendant 20 minutes. Ces mesures sont reportes dans un tableau de mesure.

Variante possible :

On peut aussi faire travailler la moiti des groupes sur panneaux non vitrs et lautre moiti sur panneaux vitrs.

D. Mise en coMMun

Les expriences termines, un moment est laiss aux diffrents groupes pour ordonner leur communication orale. Celle-ci doit rendre compte au groupe classe de la question de dpart, des rsultats obtenus.Une conclusion pourra ds lors tre tire.


Les panneaux vitrs chauffent plus vite et produisent une eau plus chaude que les pan-neaux non vitrs. Le phnomne mis en avant ici sappelle leffet de serre.

Dans une serre, quand les rayons du soleil arrivent contre les vitres, la lumire visible et certains rayons infra-rouges traversent le verre et entrent dans la serre. Ceci a pour consquence de rchauffer lair intrieur.Le sol absorbe le rayonnement solaire et rmet ensuite un rayonnement infrarouge (chaleur) qui est rflechi par le verre et reste en grande partie emprisonn dans la serre. Ce qui contribue augmenter un peu plus la temprature qui y rgne. Cest ce phnomne qui se produit dans un panneau solaire thermique plan vitr. De plus, le fait de vitrer le panneau empche la circulation de lair et ainsi le refroi-dissement prmatur.

Leffet de serre

30 31

mise en situation

les cApteurs de couleurs sont-ils Aussi rentAbles Que les pAnneAux noirs ?

Exemple de rflexion : les panneaux solaires sont assez voyants sur les toits puisquils sont de couleur fonce. Inviter les lves rflchir sur lide suivante : Je voudrais mettre un capteur solaire sur le toit de mon habitation, puis-je mettre un capteur rouge tuile sur mon toit pour quil soit plus discret sur la toiture ? Pourquoi les panneaux solaires sont-ils systmatiquement noirs ?

exprience suivre

les verres colors ?


Montrer que toutes les couleurs nabsorbent pas la lumire de la mme faon.


6 verres identiques avec bouchons Papier de couleur (blanc, jaune, vert, bleu, rouge, noir) Un thermomtre digital Un spot de 400 W ou 500 W Ciseaux, papier collant

c. Activite

Cette exprience peut prcder lexprience Panneaux blancs ou panneaux noirs dans le cas o toutes les expriences suivre sont vcues successivement par len-semble de la classe. Une autre organisation serait de raliser en parallle ces diff-rentes expriences suivre par des groupes diffrents. Chaque groupe communique alors ses rsultats lensemble de la classe.

Entourer chacun des verres dun papier de couleur diffrente. Remplir chaque verre avec 100 ml deau temprature ambiante. Placer les verres une distance de 20 cm du spot (en arc de cercle afin de respec-

ter lquidistance). Allumer le spot et relever les tempratures toutes les 10 minutes pendant 30 mi-

nutes. Reporter les mesures dans un tableau et raliser un graphique comparatif adquat.

Variante possible :

On pourrait aussi proposer cette exprience en exprience concevoir.La consigne serait alors : Montre linfluence de la couleur sur labsorption de la chaleur . Les lves devraient imaginer eux-mmes une exprience pour confirmer ou infirmer lhypothse : labsorption de chaleur par rayonnement varie selon la couleur de la surface absorbante.

D. Mise en coMMun

Les expriences termines, un moment est laiss aux diffrents groupes pour ordonner leur communication orale. Celle-ci doit rendre compte au groupe classe de la question de dpart, des rsultats obtenus.Une conclusion pourra ds lors tre tire. Selon la variation de temprature observe, les lves classent par ordre croissant les rcipients qui ont absorb le plus de chaleur.


Toutes les couleurs (pigments) nabsorbent pas la lumire de la mme faon.Avec une surface recouverte de pigment noir, rsultant du mlange de tous les pigments colors, labsorption est maximale et la temprature est plus leve. Par contre, le blanc tant labsence de pigment, la lumire nest pas absorbe. On remarque que leau schauffe quand mme dans ce rcipient blanc. En effet, une petite partie du rayonnement infrarouge passe de toute faon, dans tous les rcipients.

Les rcipients de couleur prsentent des tempratures intermdiaires entre les rci-pients noir et blanc. Lexprience ne nous permet pas de classer les couleurs en fonc-tion de la quantit de chaleur absorbe car les diffrences de temprature observes ne sont pas significatives.

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F. ce que LenseignAnt Doit sAvoir

recul thorique pour lenseignantrcuprer la chaleur du soleil

Chacun en a fait lexprience en t : un simple tuyau darrosage laiss au soleil va fournir quelques litres deau chaude lorsquon le videra. Comment amliorer ce systme ? Une premire amlioration consistera peindre le tuyau en noir (voir exprience suivre prcdente). En effet, un corps color rflchit une partie de la lumire qui lclaire. Cest autant dnergie qui ne sera pas absorbe. Un corps noir absorbe toute la lumire, et donc accumule toute lnergie lumineuse pour la transformer en chaleur. Le problme est que cette chaleur absorbe va rayonner dans linfrarouge vers lextrieur du tuyau. Comment retenir cette nergie ? Cest le rle du vitrage.Un vitrage ordinaire est opaque au rayonnement infrarouge et va permettre de conserver ce rayonnement thermique dans lenceinte du capteur, tout en laissant entrer la lumire visible du soleil. Source : Lnergie solaire de Michel Tissot. Ed. Eyrolles.Linfrarouge : La lumire blanche est compose de 7 couleurs visibles (arc-en-ciel), le rouge, lorange, le jaune, le vert, le cyan, le bleu et le violet, et de deux cou-leurs invisibles pour lhumain ; linfrarouge et lultraviolet. La composante de la lumire qui met le plus de chaleur est linfrarouge.

1. Complte le tableau ci-dessous avec les tempratures obtenues toutes les 10 mi-nutes. Noublie pas de noter la temprature de dpart.

2. Trace le graphique de lvolution de la temprature dans chacun des rcipients en fonction du temps.

Blanc Jaune Bleu Rouge Vert Noirgr 1 10,7 12,6 15 14,3 14,8 20,4gr 2 10,2 13,,1 15,5 13,9 14 21gr 3 11,1 13,8 14,5 13,8 15,2 19,9gr 4 9,8 13,5 15,1 14,5 14,5 21,2

moyenne 10,45 13,25 15,025 14,125 14,625 20,625

Blanc Jaune Bleu Rouge Vert Noir0 min 14 14 14 14 14 14

10 min 18,3 19,2 19,1 18,9 19 1920 min 23 23,9 25,5 25 25,3 28,430 min 24,7 26,6 29 28,3 28,8 34,4

3. Rponds aux questions suivantes Quel est le rcipient qui a permis le meilleur rchauffement de leau ? le noir Quel est le gain de temprature de leau de ce rcipient aprs 30 minutes ? 20,4 Quel est le rcipient qui a permis le moins bon rchauffement de leau ? le blanc Quel est le gain de temprature de leau de ce rcipient aprs 30 minutes ? 10,7

4. Chaque rcipient a permis un rchauffement de leau aprs 30 minutes. Compare tes rsultats avec ceux des autres groupes.

Indique ces rsultats dans le tableau ci-dessous.

Les rsultats sont-ils identiques ceux obtenus par les autres groupes ? : Non pas tout fait.

Conclusion ( rdiger ensemble) : On constate que cest dans le rcipient noir quon obtient la temprature la plus leve et que cest dans le rcipient blanc quon obtient la temprature la plus basse.

Les rsultats obtenus avec les dif-frents verres colors sont inter-mdiaires entre ceux obtenus avec le verre blanc et le verre noir mais sur la base de cette exprience, les diffrences observes ne sont pas significatives.

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exprience suivre

pAnneAux isols ou non isols ?


Montrer que lisolation du panneau joue un rle important dans la conservation de la chaleur capte par le fluide. Montrer que la dperdition calorifique est plus importante si le panneau nest pas isol.


2 panneaux solaires thermiques noirs et leur caisson Un spot de 400W ou 500 W Un thermomtre digital Systme de vitrage prvu avec le panneau Systme disolation du panneau

c. Activite


Monter un panneau avec isolant et lautre sans isolant. Remplir les 2 panneaux avec une eau chaude (robinet ou chauffe grce un bec

bunsen ou une bouilloire). Placer le thermomtre digital. Reprer la temprature toutes les 10 minutes pendant 30 minutes. Reporter les mesures dans un tableau de mesures. Raliser un graphique montrant lvolution de la temprature de leau contenue

dans les panneaux en fonction du temps.

D. Mise en coMMun

Les expriences termines, un moment est laiss aux diffrents groupes pour ordonner leur communication orale. Celle-ci doit rendre compte au groupe classe de la question de dpart et des rsultats obtenus.


Lisolation permet de limiter les pertes de chaleur dans le capteur. Lisolation joue un rle capital dans la conservation de lnergie calorifique accumule par le fluide caloporteur. Plus le panneau est isol, et plus la chaleur accumule sera conserve. Il convient galement disoler les conduites aller et retour du circuit du fluide, menant au systme de rgulation et au ballon de stockage. Pour isoler un panneau solaire, le matriau utilis est trs souvent le polystyrne expans.

Tous les matriaux conduisent plus ou moins la chaleur. La conductivit thermique est dtermine par un coefficient, appel coefficient de conductivit thermique. Plus ce coefficient est petit, plus le matriau est isolant et inversement.

A titre dexemple, voici quelques coefficients de matriaux connus :

Polystyrne expans : 0,036 Laine de verre : 0,04 Bois de pin : 0,15 Bton : 0,92 Cuivre : 380

Le cuivre est un trs bon conducteur de chaleur, son coefficient de conductivit ther-mique est lev. La laine de verre est un isolant, son coefficient de conductivit ther-mique est faible.

Les coefficients de conductivit thermique se mesurent en W.m-1.K-1

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exprience concevoir

Quel mAtriAu pour notre pAnneAu ?


Montrer, prouver (par groupes) par une exprience, que le choix du mtal est impor-tant pour la confection des panneaux


Tout le matriel ncessaire au bon fonctionnement de lexprience. Ce matriel peut tre amen par llve lors du prochain cours. Ils savent toutefois quils pourront utiliser le matriel habituel de la classe ou de la malle doutils : les thermomtres, rcipients

c. Activite

Les lves doivent imaginer une exprience facilement ralisable en classe, qui montre que tous les matriaux ne conduisent pas la chaleur de la mme faon. Il sagit ici daborder la notion de bon ou mauvais conducteur de chaleur.

Attention, imaginer une exprience nest pas facile : quand on tudie un facteur, il faut faire en sorte que les autres ne varient pas (sinon, on ne sait pas lequel des fac-teurs a influenc lexprience).

La consigne donner pourrait tre celle-ci :Vous devez imaginer une exprience dans laquelle vous allez montrer limportance du matriau choisi pour la confection des panneaux.

a. Mon hypothse de dpart est b. Jai besoin du matriel suivant c. Le droulement de mon exprience est d. Je schmatise mon exprience comme ceci e. Si mon hypothse est confirme, jattends les rsultats suivants :f. Aprs exprimentation, je constate que g. Jen conclus que

Lenseignant a pour rle de valider le protocole propos avant que les lves ne ra-lisent concrtement lexprience (le protocole est-il en adquation avec lhypothse ? un moyen de mesure est-il prvu ? lexprience est-elle ralisable ?).

D. Mise en coMMun

Les expriences termines, un moment est laiss aux diffrents groupes pour ordonner leur communication orale. Celle-ci doit rendre compte au groupe classe de la question de dpart, du mode opratoire, du rsultat obtenu, ainsi que de la conclusion tire de lexprimentation.

Voici quelques ides que les lves pourraient proposer :

Verser de leau chaude dans un rcipient mtallique (boite de conserve), dans un rcipient en plastique et dans un en verre. Constater celui qui est le plus chaud.

Plonger le bout dune tige mtallique dans leau bouillante. Y plonger aussi le bout dune tige en bois de mme diamtre et de mme longueur et mesurer lvolution de la temprature lautre extrmit des deux tiges.

Dposer trois gouttes de cire sur le dos de cuillres soit en bois, soit en plastique, soit en mtal et plonger les manches dans de leau chaude. Constater sur quelle cuillre la cire fond le plus vite.

...

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structuration

les pAnneAux solAires thermiQues

A. LAisser Des trAces

Tout au long de cette dmarche, les lves auront produit toute une srie de traces, et de documents divers. Ceux-ci, mme sils ont t raliss consciencieusement par les jeunes, ne peuvent servir de base thorique. En effet, certaines traces laisses dans les cahiers sont parfois errones ou incompltes. Il convient donc, pour le professeur, deffectuer maintenant un travail important avec le groupe classe : la structuration des apprentissages.

B. priMAire-seconDAire

Bien que les expriences proposes peuvent facilement tre ralises la fois dans lenseignement primaire et secondaire, les notes thoriques seront probablement dif-frentes dans les deux niveaux. Il conviendra alors chaque enseignant dadapter ces notions au lves. Nous ne voulons pas imposer de thories prdfinies aux ensei-gnants. Il existe une multitude de sources facilement consultables pour construire des notes. Les enseignants pourront aussi se servir des diffrents reculs thoriques de cette brochure.

Au primaire, on se limitera noter de faon simple les diffrentes notions rencontres. Pourquoi le panneau est noir. Pourquoi il est en mtal. Pourquoi il est isol et le rle jou par la vitre.

Au secondaire, la squence peut dboucher sur des notions plus pointues sur les dif-frents types de propagation de la chaleur, leffet de serre, la notion de coefficient disolation, la dilatation des liquides (do limportance dun vase dexpansion), la notion dantigel (fluide caloporteur), la notion de masse volumique (serpentin CES en bas du ballon de stockage)

c. proposition DActivite De structurAtion

A laide des schmas proposs dans les fiches annexes suivantes, on peut par exemple demander chaque lve de raliser un court texte expliquant le fonctionnement dune installation solaire. Un schma dune installation photovoltaque est volontaire-ment fourni, afin de bien diffrencier les deux technologies.

Il conviendra probablement dinduire les notions de vase dexpansion et de ballon de stockage.

Ce texte pourra constituer lvaluation certificative de la squence.On pourrait par exemple imposer un certain nombre de termes importants, qui de-vraient obligatoirement prendre une place dans le texte de synthse. (Effet de serre, mtallique, vitre, nergie lumineuse, couleur fonce, fluide caloporteur, ballon de stockage, circuler, change de chaleur, panneau solaire thermique )

D. structurAtion

Aprs correction, le professeur peut distribuer le meilleur rsum, qui servira de base thorique, ou alors fournir un rsum commun, fait par lui.Un schma annot accompagnera le texte.Lvaluation lors de lexamen portera sur la comprhension du schma et du fonction-nement dune installation solaire thermique.

e. scheMAs proposes

Capteur Solaire

Rgulateur

Circulateur

Sonde 2

Sonde 1

Eau chaude sanitaire

Arrive eau froide sanitaire

Chaudire dappoint

Ballon de stockage

Chauffe-eau solaire lments spars avec chauffage dappoint

Circuit primaire

Le rgulateur est un thermostat qui mesure la diffrence de t entre la sonde 1 (prise de t dans leau du rservoir) et la sonde 2 (prise de t dans leau du capteur)

Liquide caloporteur

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Capteur solaire

RgulateurCirculateur


Arrive eau froide sanitaire

Eaux sanitaires

uses

Chaudire dappoint

brleur mazout ou gaz

Ballon de stockage

Liquide caloporteur

Ballon solaire mixte avec

appoint chaudire et lectricit selon la saison

Capteur solaire


Eau froide sanitaire

Rgulateur

Rsistance lectrique

Pompe de circulateur

Ballon de stockage

Liquide caloporteur

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F. oBserver pour coMprenDre

Observer le capteur solaire de face et de profil. Identifier ses divers composants et les relations quils ont entre eux.Aprs avoir observ, dessiner le capteur solaire tout en dtaillant lorganisation de ses composants. Reprsenter galement, laide de flches, le trajet de la chaleur de manire bien comprendre comment celle-ci se transmet leau.Les panneaux solaires sont placs sur les versants des toits qui sont le plus exposs au soleil. Le rayonnement solaire arrive sur le panneau solaire, une partie de ce rayonnement est rflchie et lautre est absorbe. Ainsi, le rayonnement solaire apporte sa chaleur et le capteur schauffe. Le corps chauff diffuse sa chaleur par rayonnement, conduction au serpentin de cuivre qui parcourt le panneau.

g. construire un schMA qui iLLustre Le FonctionneMent Dun pAnneAu soLAire

Par groupe de 4, les lves dessinent leurs conceptions du fonctionnement dun panneau solaire en partant de la question : Comment leau, chauffe dans le capteur solaire plac sur le toit, arrive-t-elle au robinet de la douche ?

Remarques : Les lves pensent souvent que cest leau du serpentin du panneau qui est utilis

pour lusage domestique. Dans le serpentin, ce nest pas de leau qui circule mais un liquide antigel

caloporteur.

Aprs avoir laiss les lves prsenter leur schmas, une discussion constructive peut sinstaller entre eux pour aider approcher le fonctionnement correct du panneau. Ensuite les schmas prcdents leur sont distribus, ils les analysent et rdigent un petit texte qui prcise son fonctionnement.

h. FonctionneMent

Le serpentin de cuivre permet au liquide caloporteur de circuler du rservoir (ballon de stockage) vers le capteur et du capteur vers le rservoir. Le liquide caloporteur est frais lorsquil rentre dans la structure du panneau solaire puisquil est en contact dans le rservoir avec leau du circuit dalimentation (eau froide). Au sein du panneau solaire, le liquide du serpentin absorbe la chaleur de rayonnement, de convection et de conduction (provenant de la lumire solaire) et schauffe petit petit tout au long de son parcours dans le serpentin. Quand il rentre dans le rservoir, il transmet sa chaleur par rayonnement, conduction et convection leau du rservoir qui sera utilise par le consommateur.

Analyse rflexive

Que se passe-t-il quand la mto est dfavorable ? Exemple : un temps gris pendant trois jours.

Cette question peut spontanment tre pose par les lves. Si non, elle permet dapporter une prcision par rapport linstallation du circuit deau.

La prsence dans le rservoir dun circuit deau qui provient dune chaudire dappoint permet, lorsque lensoleillement nest pas suffisant, de chauffer leau sanitaire une temprature de 60. Cest un thermostat coupl une sonde qui enclenche le fonctionnement de la chaudire dappoint. Un vase dexpansion situ entre le panneau solaire et le rservoir est ncessaire pour permettre laugmentation du volume du liquide du serpentin lorsque celui-ci schauffe.Un rgulateur et un circulateur permettent au liquide du serpentin de circuler selon lensoleillement.

Dans le cas o trois jours conscutifs ne sont pas ensoleills, une rsistance lectrique ou une chaudire dappoint maintient leau du ballon sa temprature de consigne.

Quelle taille doit avoir le panneau solaire pour permettre de chauffer suffisamment deau pour ma famille ?

Leau chaude sanitaire reprsente 20% des dpenses nergtiques dun foyer.

Pourquoi ne pas installer un panneau solaire thermique qui se chargerait de chauffer cette eau ? Dans le cas dun chauffe-eau solaire, jusqu 80% de lnergie ncessaire chauffer leau peut tre fournie par les panneaux solaires thermiques. Seuls 20 % sont pris en charge par la chaudire dappoint et sont payer, sans parler du geste environnemental que lon fait.

Sachant que la moyenne deau chaude ( 60C) utilise par une personne est de 30 litres par jour et quun m2 de panneau solaire produit en moyenne 65 litres deau chaude, de quelle surface de panneaux solaires as-tu besoin pour produire suffisamment deau chaude pour ta famille ?

Le cot moyen dinstallation dun m2 de panneau solaire est de 1000 .

Sachant quil faut chauffer 150 litres deau pendant 4 heures pour quelle atteigne une temprature de 60C et que cette lvation de temprature ncessite 2400 Watts dlectricit par heure de chauffe. Calcule, en valuant le prix moyen dun kWh 0,15, quel est le cot par jour pour chauffer leau dune famille de 5 personnes ? Quel est le cot par an ?

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exprience action

FAire tourner un moteur grce lA lumire


Raliser un circuit lectrique comprenant un mini panneau photovoltaque et un petit moteur.Dure : 15 min.


Un mini panneau photovoltaque Un moteur Cblage Un spot

c. Activite


Avec le matriel mis votre disposition, trouver un moyen de faire tourner le petit moteur. Faire raliser un schma du montage lectrique.Faire comparer solaire thermique et solaire photovoltaque, grce un texte court.

D. Mise en coMMun

Les expriences termines, un moment est laiss aux diffrents groupes pour ordonner leur communication orale. Celle-ci doit rendre compte au groupe classe de la question de dpart, des rsultats obtenus.Une conclusion pourra ds lors tre tire.


Le but de cette activit, outre le fait de faire un rappel du circuit lectrique, est de montrer quil existe dautres technologies permettant de tirer profit de lnergie solaire : ici lnergie photovoltaque.

Cette activit, qui suit les expriences utilisant les capteurs solaires thermiques, per-met dintroduire la diffrence essentielle entre les transformations dnergie en jeu dans les capteurs thermiques et les capteurs photovoltaques. Pour lun, il sagit dune transformation de lumire en chaleur, et pour lautre de lumire en lectricit.La confusion est si frquente, mme chez les adultes que cette clarification nous semble importante.

recul thorique

le panneau photovoltaque

Un panneau photovoltaque transforme directement la lumire en lectricit. Le matriau utilis pour le fabriquer est le silicium (Si). Le silicium est un matriau abondant dans la crote terrestre, on en trouve notamment dans le sable. Le sili-cium naturel nest pas conducteur. Pour quil le devienne, il faut le rendre semi-conducteur. Pour ce faire, on va le doper. Pour le dire simplement, on modifie sa structure de faon ce que le courant passe dans un seul sens entre la face sup-rieure et la face infrieure du panneau. Quand la lumire percute la surface du panneau, les particules quelle contient, appels photons, provoquent la libration de charges lectriques, les lectrons. Ceux-ci sont collects par les lectrodes qui sont places de part et dautre du panneau, ce qui cre le courant lectrique. (Voir aussi p 18)Source : Le guide de lnergie solaire. Michel Tissot. Ed. Eyrolles.

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Bibliographie

Le guide de lnergie solaire thermique et photovoltaque. Tissot Michel. Ed. Eyrolles

Sciences et Vie n 1078/Juillet 2007

Test achats n5231/Mai 2009

Atlas des nergies. Bertrand BARRE. Ed. Autrement

Divers sites internet : www.enersol.be, www.Wallonie.be, www.altereco.be, http://energie.wallonie.be (un chauffage chez vous ! Soltherm)

Articulation entre lenseignement fondamental et lenseignement secondaire - Sciences et mathmatiques - Rapport de recherche Communaut franaise. DARO Sabine, GERON Christine, GRAFTIAU Marie-Christine, HINDRYCKX Marie-Nolle, STEGEN Pierre : http://www.hypothese.be/documents/LesActivitesScientifiquesExperimentales.pdf

pour en savoir plus

Piro P. - 2006 - Guide des nergies vertes pour la maison - cologie pratique - Ed. Terre Vivante

Mons L. - 2008 - Les enjeux de lnergie - Petite encyclopdie - Ed. Larousse

Lhomme J-C. - 2001 - La maison conome - Ed. Delachaux et Niestl

Giordan A.; Souchon C. - 2008 - Une ducation pour lenvironnement, vers un dve-loppement durable - Ed. Delagrave

Wautelet M. - 2005 - Sciences, technologies et socit : questions et rponses - Ed. de Boeck

La revue Symbioses, ralise par le Rseau IDe, regorge dides et doutils dans la domaine de lducation au dveloppement durable en gnral et de lducation lnergie en particulier. www.symbioses.be

Outil dvaluation - Communaut franaise > Sciences : un chauffage solaire effi-cace 1er degr de lenseignement secondaire > www.enseignement.be

energie - puissance - units de mesureEnergieLunit dnergie est le joule. On emploie galement la calorie : 1 calorie = 4,184 joulesComme ces units sont relativement petites, on utilise frquemment le kilojoule et la kilocalorie : 1 kjoule = 1000 joules 1kcal = 1000 calories ou 4184 joules

PuissanceDans de nombreuses utilisations, plutt que de connatre la quantit totale dnergie, produite ou utilise, il est important de connatre la vitesse de variation de cette quan-tit par unit de temps. On peut, par exemple, dneiger un chemin laide dune pelle ou avec une machine. Dans les deux cas, le mme travail est effectu. Toutefois, la machine effectue ce travail plus rapidement. On dit que la machine est plus puissante.

Lunit de puissance est appele le watt (W)1Watt correspond la production ou la consommation de lnergie dun joule par se-conde. 1 kilowatt = 1000 watts par secondeLunit de puissance des capteurs solaires thermiques est le Kilowatt-thermique /m2Cette unit sert calculer la surface ncessaire de panneaux solaires thermiques pourcouvrir un besoin en puissance exprim en Kilowatt. 1 kWth/m2 produit 1,4 Kw

AttentionLekilowattheure(Kwh)quifiguresurnotrefacturedlectricitestuneunitdnergie puisquil correspond une production ou une consommation de 1000 watts durant 1 heure (3600 secondes) soit 3.600.000 joules.

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Cette brochure est ralise par lasbl Hypothse avec le soutien de la DGO4 - SPW

janvier 2011

Maison ligeoise de lEnvironnementrue Fusch, 3 - 4000 Lige

Tl. : 042.50 95 89www.hypothese.be

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IntroductionStatuts de lexprienceCanevas dexploitation pour lenseignantActivits pralablesAnalyse de lutilisation de lnergie dans la classeLe cot de lnergie dans ma classeLes sources dnergie utilises

Phase de sensibilisationLes panneaux solaires thermiques

PrtestExprience pour ressentirLexprience des chaussettes

Exprience concevoirJaune, rouge, blanc, noir, vert... Quelle couleur pour quelle chaleur ?

Exprience suivrePanneaux noirs ou panneaux blancs ?

Exprience suivreVitre ou pas vitre ?Les verres colors ?

Exprience suivrePanneaux isols ou non isols ?

Exprience concevoirQuel matriau pour notre panneau ?

StructurationLes panneaux solaires thermiques

Analyse rflexiveExprience actionFaire tourner un moteur grce la lumire

Energie - Puissance - Units de mesurePour en savoir plusBibliographie

Documents

Brochure Capt Eurs Sol Aires