L'énergie solaire alimente déjà des lampes, des pompes, des chargeurs de téléphone et des kits domestiques dans de nombreux villages. Pour les élèves, comprendre comment elle fonctionne n'est pas un sujet lointain : c'est l'explication d'objets qu'ils voient chaque jour. Avec un petit panneau et un appareil de mesure, le club peut mener une série d'expériences très concrètes.
Le matériel
- un petit panneau solaire de quelques watts, du type utilisé pour recharger une batterie de lampe ;
- un multimètre, qui mesure la tension (en volts) et l'intensité (en ampères) ;
- quelques fils avec pinces crocodiles ;
- une petite ampoule ou LED adaptée à la tension du panneau, ou un petit moteur ;
- en option, une petite batterie rechargeable avec son régulateur de charge.
Ce matériel reste à basse tension : il est sans danger, à condition de ne jamais le relier au courant du secteur.
Trois grandeurs à comprendre
Avant les expériences, posez le vocabulaire avec une image simple, celle de l'eau dans un tuyau :
- la tension (volts) ressemble à la pression de l'eau : c'est la « poussée » électrique ;
- l'intensité (ampères) ressemble au débit : la quantité d'électricité qui circule ;
- la puissance (watts) est le produit des deux : volts × ampères. C'est elle qui dit ce que le panneau peut réellement alimenter.
Expérience 1 : le panneau et l'orientation
Placez le panneau au soleil et mesurez sa tension, puis l'intensité qu'il fournit à l'ampoule. Faites ensuite varier son orientation :
- face au soleil ;
- à plat, tourné vers le ciel ;
- tourné de côté ;
- tourné à l'opposé du soleil.
Notez les mesures dans un tableau. Les élèves constatent que la production est maximale quand le panneau fait face au soleil, et qu'elle chute fortement quand il est mal orienté. C'est pourquoi l'installation d'un panneau demande réflexion.
Expérience 2 : l'effet de l'ombre
Recouvrez progressivement le panneau avec une feuille : un quart, la moitié, puis une seule petite bande. Mesurez à chaque fois.
Résultat souvent surprenant : une ombre même partielle peut faire chuter fortement la production, plus que ne le laisserait penser la surface masquée. La raison : les cellules d'un panneau sont reliées en série, et une cellule à l'ombre freine tout le circuit. Les élèves comprennent pourquoi un panneau installé sous une branche d'arbre déçoit tant.
Expérience 3 : la journée solaire
Mesurez la puissance du panneau, bien orienté, toutes les heures de la matinée jusqu'en fin d'après-midi. Tracez la courbe : elle monte le matin, atteint un maximum vers le milieu de la journée, puis redescend. Les jours nuageux donnent une courbe bien plus basse et irrégulière.
En additionnant les mesures horaires, on obtient une estimation de l'énergie produite dans la journée, en wattheures. C'est la grandeur qui compte pour savoir combien de temps on pourra éclairer le soir.
Expérience 4 : stocker l'énergie
Le soleil se couche, mais on a besoin de lumière le soir. D'où la batterie. Avec un petit kit comprenant panneau, régulateur et batterie, les élèves peuvent :
- charger la batterie pendant la journée ;
- mesurer combien de temps elle alimente une LED le soir ;
- comparer avec la quantité d'énergie produite dans la journée.
Ils découvrent que tout n'est pas récupéré : une partie de l'énergie se perd lors de la charge et de la décharge. C'est une introduction concrète à la notion de rendement.
Le projet final : dimensionner un éclairage autonome
Pour conclure, proposez un défi réaliste : concevoir l'éclairage solaire d'une salle de classe pour les cours du soir ou les révisions.
- Combien de lampes faut-il, et quelle est la puissance de chacune ?
- Combien d'heures doivent-elles fonctionner chaque soir ?
- Quelle énergie faut-il donc chaque jour ?
- Quelle taille de panneau et de batterie faut-il, en tenant compte des jours nuageux et des pertes ?
Les élèves mobilisent tout ce qu'ils ont mesuré. Leurs réponses ne seront pas parfaites, mais ils auront compris la démarche des techniciens qui installent de vrais systèmes. Certains clubs vont jusqu'à réaliser une petite installation de démonstration, encadrée par un professionnel.
Des métiers d'avenir
L'énergie solaire se développe rapidement en Afrique, et avec elle les besoins en techniciens capables d'installer, d'entretenir et de dépanner des systèmes. Ces expériences peuvent éveiller des vocations, et montrer que les sciences mènent à des métiers concrets et utiles.
Newtiv.org aide les établissements à équiper des laboratoires pratiques où l'énergie, l'électronique et la programmation s'apprennent en manipulant.