Sol Expert HQ Profi User guide [fr]

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H Q - P R O F I
CELLULE SOLAIRE « HQ Profi »
Manuel pédagogique
MANUEL
SOL-EXPERT
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Cellule solaire“« HQ Profi »
Introduction et guidage
La transformation directe des rayons du soleil grâce au processus photovoltaïque fait partie des possibilités d'utilisation d'une énergie renouvelable Ce set d'expérimentation permet aux enfants et aux jeunes et également aux adultes intéressés de découvrir et comprendre les principes de la photovoltaïque.
HQ Profi – Principes fondamentaux du courant solaire
Introduction et guidage
La transformation directe des rayons du soleil grâce au processus photovoltaïque fait partie des possibilités d'utilisation d'une énergie renouvelable Ce set d'expérimentation permet aux enfants et aux jeunes et également aux adultes intéressés de découvrir et comprendre les principes de la photovoltaïque.
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ATTENTION
A lire attentivement:
!
Ne convient pas aux enfants de moins de 3 ans!
10+
- de petites pièces peuvent être avalées! -
- Garder l’adresse de la société -
Recommandation: L’utilisation de ce kit
doit être supervisé par un adulte!
!
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Principes fondamentaux - Connaissances de base
L'énergie venue du soleil – Liste des pièces HQ Profi 32 Comment détermine-t-on la température du soleil? 33 Cellules solaires / Photovoltaïque : l'énergie venue de
la lumière 33
Photovoltaïque : l'énergie venue de la lumière
Coefficient de rendement des cellules solaires 34 Inconvénients des cellules solaires 35 Est-ce que les cellules solaires sont écologiques? 35
Installations parallèles au réseau
Injection dans le réseau électrique public 36 Exemples - Composants 36
Installations isolées
Alimentation électrique indépendamment du réseau électrique public 37 Exemples d'installations isolées 37 Petites applications solaires 37
Table des matières
Expérimenter avec HQ Profi
La cellule solaire en tant que source d'énergie 38
1. Expérience : Brancher un moteur à la cellule solaire 38
2. Expérience : La cellule solaire comme interrupteur 38
3. Expérience: La cellule solaire en tant que systèmes de tracking et de régulation 39
4. Expérience: La force de la source lumineuse 40
5. Expérience: montage en série 40
6. Expérience: montage en série et couverture d'une cellule solaire 41
7. Expérience: montage en parallèle 41
8. Expérience: montage face à face 42
L'ENERGIE SOLAIRE
Une énergie que l'homme doit utiliser à son profit!
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Principes fondamentaux - Connaissances de base
D'un point de vue technique, le soleil n'est rien d'autre qu'une grande boule de gaz. Une boule de gaz incroyablement chaude et très explosive. En son cœur règne une température d'env.14 millions de degré.
A la surface, on peut encore enregistrer la température considérable de 5500 degrés Celsius. La température du soleil est dure à décrire. Essayons un peu à l'aide de la liste suivante (voir ci- dessous) de températures :
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L'énergie venue du soleil
Le soleil représente 333000 fois la masse de la terre et est la plus grande source d'énergie de notre système solaire. Avec un diamètre de 1.392 millions de kilomètres, il est presque 100 fois plus grand que la terre. Un rayon solaire qui arrive sur la terre fait ce voyage en 8 minutes et vingt
Moyen de transport Vitesse Durée du voyage
Fusée 4050 km/h 4,2 ans
Avion 900 km/h 19 ans
Voiture 130 km/h 132 ans
Piéton 6 km/h 2854 ans
secondes. Pour cela, la lumière parcourt à chaque seconde une distance de
300.000 km (vitesse de la lumière).
Admettons que l'on puisse approcher le soleil sans se brûler, le voyage vers le soleil durerait très longtemps :
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D'un point de vue technique, le soleil n'est rien d'autre qu'une grande boule de gaz. Une boule de gaz incroyablement chaude et très explosive. En son cœur règne une température d'env.14 millions de degré.
40° Celsius: Eau du bain 50 - 60° Celsius: Le désert la journée 90-100° Celsius: La température d'un sauna 100° Celsius: L'eau bout et se condense 660,3° Celsius: L'aluminium fond 1538° Celsius: Le fer fond
5.500° Celsius: La surface du soleil
14.000.000° Celsius: La température à l'intérieur du soleil
A la surface, on peut encore enregistrer la température considérable de 5500 degrés Celsius. La température du soleil est dure à décrire. Essayons un peu à l'aide de la liste suivante (voir ci­dessous) de températures :
Liste de pièces HQ Profi
2 x Cellules solaires 1 x Plaque de base avec moteur 1 x Plateau tournant 4 x Connecteurs 1 x Manuel pédagogique
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Principes fondamentaux - Connaissances de base
Comment détermine-t-on (mesure-t-on) la température du soleil ?
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Si l'on s'approchait trop près du soleil, on prendrait feu. La température ne peut en aucun cas être mesurée par un humain. C'est pourquoi nous avons besoin de scientifiques qui peuvent calculer la température. Avec des télescopes spéciaux, les scientifiques peuvent mesurer les vibrations et en déduire la température. Un ordinateur aide au calcul mais cela reste une tâche réservée aux physiciens qui sont spécialistes du soleil. Bien qu'une seule petite partie des rayons du soleil arrive sur la terre, il nous livre au total plus d'énergie que nous n'en consommons. Toutefois, nous n'avons pas encore réussi à utiliser cette énergie à grande envergure pour nous les hommes d'un point de vue
technique. Aujourd'hui, la science et la technologie sont suffisamment développées pour que nous puissions utiliser de façon profitable l'énergie solaire et les autres énergies renouvelables ; toutefois, il n'y a pas encore suffisamment d'installations construites pour atteindre un grand degré de couverture en énergies renouvelables. En 2010, 17 % de l'ensemble du besoin en électricité était cependant produit par des énergies renouvelables. La proportion d'énergies renouvelables en 1990 était de 1,9 % et en 2010 de 11 %, si l'on se base sur la consommation énergétique, soit le courant et le chauffage, de toute l'Allemagne.
(Source : www.erneuerbare-energien.de)
Cellules solaires / Photovoltaïque : l'énergie venue de la lumière
La transformation de la lumière en énergie électrique est appelée photovoltaïque. Ce terme vient du
grec et est composé des mots "phos = lumière" et "Volt = unité de tension électrique". La photovoltaïque a été découverte en 1839 par le physicien français Becquerel. Mais ce n'est que plus de 100 ans plus tard que la première cellule solaire a été développée dans les laboratoires Bell. C'était en 1954. L'énergie solaire est particulièrement importante pour l'alimentation en énergie des satellites. Ceux-ci étaient équipés au début de grandes batteries qui étaient cependant usées après un certain temps et ne pouvaient plus fournir d'énergie. De puis, tous les satellites ont ce que l'on appelle des panneaux solaires et ils sont alimentés en énergie électrique grâce à ceux-ci pendant plusieurs décennies de façon
fiable. Toutefois, cela a duré encore 40 ans pour que les cellules solaires puissent être achetées par des particuliers. Depuis le nouveau millénaire (2000), de plus en plus d'installations photovoltaïques privées sont installées. Les scientifiques travaillent depuis presque 60 ans à améliorer l'efficacité des cellules solaires. Mais cela ne fait que 20 ans que beaucoup plus de moyens financiers sont dépensés dans la recherche et le développement des cellules solaires (et entre autres des énergies renouvelables). L'objectif des scientifiques est d'améliorer le coefficient de rendement des cellules solaires et également de diminuer le coût de fabrication et d'augmenter leur résistance. A l'avenir, de plus en plus d'énergie utile sera produite à partir des énergies renouvelables.
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Photovoltaïque : l'énergie venue de la lumière
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Coefficient de rendement des cellules solaires
La mesure qui détermine le coefficient de rendement d'une cellule solaire est effectuée en laboratoire. Pour cela, il faut respecter différentes exigences. Le rayonnement solaire doit être de 1000 watt/m² pendant la mesure. De plus, il faut respecter une température ambiante de 25° C. A côté, l'humidité de l'air est contrôlée avec précision. Ces exigences permettent de comparer les cellules
Exemple :
Lorsque 1000 Watt de puissance solaire d'entrée produisent une puissance de sortie électrique de 100 Watt, le coefficient de rendement est de 10%.
L'Institut Fraunhofer pour les systèmes énergétiques solaires (ISE) a déjà atteint aujourd'hui des coefficients de rendement de plus de 40 % en laboratoire. Cela signifie qu'à l'avenir, avec moins de surface de panneaux solaires, plus d'énergie sera créée sous forme de courant solaire. Il faudra cependant encore quelques années avant que ces panneaux ne soient disponibles à un prix raisonnable. Cela ne vaut pas non plus le coup d'attendre qu'une technologie solaire plus efficace arrive sur le marché, il est dans touts les cas sensé d'utiliser le soleil dès aujourd'hui.
solaires de différents fabricants. Le coefficient de rendement détermine le rapport entre l'énergie irradiée et l'énergie gagnée en pourcentage.
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Exemple de cellule solaire à concentration :
L'ENERGIE SOLAIRE
Une énergie que l'homme doit utiliser à son profit!
Photos : Rolf Behringer
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Photovoltaïque : l'énergie venue de la lumière
Inconvénients des cellules solaires
Les cellules solaires livrent uniquement du courant lorsqu'il y a suffisamment de lumière. Lorsque le temps est couvert, elles en livrent donc moins que lorsqu'elles se trouvent
directement baignées par les rayons du soleil. Il est donc important que le courant solaire soit accumulé pour avoir suffisamment de courant la nuit et lorsque le temps est couvert. Les systèmes isolés autonomes sont équipés de batteries et de régulateur de charge et sont installés là où il n'y a pas de réseau électrique public : par ex., dans les montagnes, dans les jardins ouvriers, pour les horodateurs, sur l'autoroute ou à la campagne dans les pays en voie de développement. Il s'agit ici cependant seulement de petites quantités accumulées. Actuellement, on travaille néanmoins activement aux technologies d'accumulation et il existe déjà des concepts permettant d'accumuler de grandes quantités de courant généré à partir d'énergies renouvelables. Il sera à l'avenir de plus en plus important d'utiliser l'énergie venue du soleil. En la combinant avec d'autres énergies renouvelables, nous pouvons couvrir nos besoins personnels en Allemagne voire dans le monde entier et ainsi réduire le changement climatique. Lorsque le soleil ne brille pas, on peut donc utiliser la force du vent et de l'eau, la bioénergie, la géothermie (chaleur de la terre), l'énergie maritime. Ce qui doit être toujours mentionné ici est que nous pouvons manipuler l'énergie toujours de façon plus économe et plus cohérente, cela signifie utiliser l'énergie que lorsque nous en avons vraiment besoin et acheter des appareils qui sont efficaces sur le plan énergétique, autrement dit qui consomment le moins possible d'énergie.
Est-ce que les cellules solaires sont écologiques?
Lorsque quelque chose est fabriqué, des matières premières et de l'énergie sont toujours nécessaires. Ce processus n'est jamais vraiment écologique si l'on y regarde de plus près. Toutefois, les acheteurs de produits peuvent veiller à ce qu'ils soient le plus écologiques possibles. Les cellules solaires sont recyclables (revalorisables) mais pour leur fabrication, beaucoup d'énergie est encore nécessaire. Pour les premières cellules solaires sont arrivées sur le marché, il fallait
Certes, il est possible de réduire de façon significative la consommation énergétique au moment de la fabrication et la recherche travaille toujours à de nouveaux procédés qui seront encore plus efficaces mais cependant la fabrication nécessite de l'énergie. Une cellule solaire a besoin d'environ 3-5 ans avant d'avoir généré l'énergie qui a été nécessaire à sa
fabrication, environ 10 ans. D'un autre côté, il ne faut pas oublier que par ex, la fabrication d'un générateur électrique fonctionnant au diesel a besoin également d'énergie pour sa fabrication et qu'il doit être rempli en permanence en carburant après sa vente pour qu'il puisse fabriquer de l'énergie électrique.
Les cellules solaires en comparaison se trouvent sur le toit et livrent du courant dés que le soleil brille. Presqu'aucune maintenance n'est nécessaire car ce ne sont pas des pièces mobiles.
En comparaison avec les autres appareils qui génèrent du courant, les cellules solaires sont donc bien plus écologiques que celles qui sont entraînées par des sources d'énergie fossile. Toutefois, les cellules solaires ont toujours besoin de suffisamment de lumière pour transformer celle-ci en courant.
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Installations parallèles au réseau
Injection dans le réseau électrique public
Les installations parallèles au réseau servent à injecter le courant fabriqué par la photovoltaïque dans le réseau électrique public.
Exemples:
Copyright www.sunset-solar.com
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Composants
Panneaux solaires :
Ils transforment la lumière en courant et sont composés de nombreuses cellules solaires.
Onduleur :
Il transforme le courant continu qui vient des panneaux en courant alternatif. Cela doit se passer avec une très grande précision pour que nos prises de courant reçoivent toujours la même tension (230 Volt et 50 Herz). Si cela n'était pas le cas, nos appareils électriques tomberaient en panne très vite.
Système de calcul de la puissance générée:
Le courant électrique solaire généré est injecté dans le réseau public et est rémunéré. C'est pourquoi le courant généré est calculé pour le propriétaire d'une installation solaire sache combien de kWh son installation a produit et quelle somme d'argent il va toucher. La hauteur de la rémunération change au fil des années. Depuis l'an 2000, il existe une subvention pour le courant solaire. Elle est de moins en moins importante car les installations solaires sont disponibles des prix de plus en plus bas et que le courant solaire pourra concurrencer dans quelques années les énergies conventionnelles. Les propriétaires d'installations solaires possèdent en général encore un grand affichage qui leur permet de lire le courant solaire généré et de le surveiller. Les installations solaires sont assurées par les propriétaires pour qu'en cas de dommages imprévus, les pertes ne soient pas trop importantes. Ainsi, les grêlons de grande taille peuvent détruire le verre des panneaux solaires. Cela provoque de nombreuses bosses aux voitures et les toits ne sont alors plus étanches.
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Installations isolées 37
Alimentation électrique indépendamment du réseau électrique public
Les installations isolées sont utilisées lorsqu'aucun réseau d'alimentation électrique public n'est à disposition.
Cela est le cas par ex. pour les mobil-homes, les bateaux, les huttes de pâturage dans les montagnes. Pour exploiter une telle installation isolée, des panneaux solaires sont nécessaires ainsi qu'un régulateur de charge, des batteries solaires et bien évidemment un consommateur tel que des lampes, radios, pompes à eau et chargeur pour petites applications (par ex. : portable, lecteur MP3, appareil photo etc.). Les installations isolées peuvent être également des solar home systems, un terme anglais qui signifie « installation solaire à domicile ». Ces systèmes possèdent les mêmes composants que les installations isolées décrites ci-dessus et sont souvent installés dans les pays en voie de développement. Là-bas, à la campagne, il n'y a souvent pas de réseau électrique public, cela signifie que les habitants n'ont pas d'électricité sauf si elle vient du soleil. Etant donné que la population rurale des pays en voie de développement ne possède presque pas de consommateur électrique, une petite installation solaire suffit en général pour couvrir le besoin en énergie. Un solar home system génère de l'énergie pour 2 à 3 ampoules à économie d'énergie, une radio, un chargeur de portable et peut-être aussi un ventilateur, car il fait souvent très chaud dans ces pays. Il existe également de plus grands systèmes qui permettent d'alimenter un réfrigérateur ou un téléviseur.
Exemples d'installations isolées
Petites applications solaires
Iactuellement, les applications sont très diverses. Celle que nous connaissons depuis longtemps est la calculatrice solaire. Aujourd'hui, de nombreuses personnes possèdent des lampes solaires dans le jardin ou sur le balcon, il existe également un chargeur de portable avec cellules solaires Il existe des jouets, des lampes de poche, des montres, des radios solaires et bien d'autres objets encore.
Images: Peter Adelmann
Exemple de petite application : Chargeur pour portable CLED'ONE, www.sol-expert-group.de
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38 Expérimenter avec HQ Profi
Une cellule solaire et le moteur sont reliés entre eux avec deux connecteurs (fiche de court-circuit.)
En fonction de la polarité, la plaque tourne vers la gauche ou la droite. Source de lumière: lumière solaire (même lorsque le temps est couvert) ou lumière artificielle.
Attention! Les ampoules à économie d'énergie et les LEDs ne sont pas des sources de lumière adaptées.
Utilisez l'halogène ou les ampoules classiques d'une puissance de 25 – 60 Watt
Dès qu'il y a suffisamment de lumière sur la cellule solaire, une tension est créée entre les deux pôles (plus/moins). Cette tension suffit pour entraîner un moteur électrique même lorsque le temps est couvert. Le HQ Profi contient deux cellules solaires et un moteur avec une plaque tournante et un connecteur. La cellule solaire est la source d'énergie et le moteur est le consommateur.
Avec ce set, le « HQ Profi », nous mettons à disposition un moyen de transmission des connaissances de base de la photovoltaïque à travers ses propres expériences. Les expériences sont destinées à différentes catégories d'âge et permettent une compréhension aussi bien théorique que pratique. Pour les pédagogues, les expériences sont expliquées dans l'essentiel et des conseils méthodiques adaptés sont dispensés.
La cellule solaire en tant que source d'énergie
Dès qu'il y a suffisamment de lumière sur la cellule solaire, une tension est créée entre les deux pôles (plus/moins). Cette tension suffit pour entraîner un moteur électrique même lorsque le temps est couvert. Le HQ Profi contient deux cellules solaires et un moteur avec une plaque tournante et un connecteur. La cellule solaire est la source d'énergie et le moteur est le consommateur.
1. Expérience
Brancher le moteur sur la cellule solaire
Une cellule solaire et le moteur sont reliés entre eux avec deux connecteurs (fiche de court-circuit.)
En fonction de la polarité, la plaque tourne vers la gauche ou la droite. Source de lumière: lumière solaire (même lorsque le temps est couvert) ou lumière artificielle.
Attention! Les ampoules à économie d'énergie et les LEDs ne sont pas des sources de lumière adaptées.
Utilisez l'halogène ou les ampoules classiques d'une puissance de 25 – 60 Watt
2. Expérience
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La cellule solaire comme interrupteur
Couvrez entièrement la cellule solaire pour qu'elle ne reçoive plus aucune lumière. Que se passe-t-il ?
Le moteur s'arrête car il ne reçoit plus d'énergie électrique. La cellule solaire recouverte a ainsi la fonction d'un interrupteur. Dès que la cellule solaire reçoit de nouveau de la lumière, le moteur est relancé.
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3. Expérience
La cellule solaire en tant que régulateur
Quand est-ce que le moteur tourne le plus rapidement?
Dirige la cellule solaire le plus précisément possible vers la source de lumière !
Enfin, retire lentement la cellule solaire de la source de lumière et observe la plaque tournante du moteur.
Tu peux également recouvrir partiellement la cellule solaire pour observer le même effet. Moins il y a de lumière qui arrive sur la cellule solaire, plus la plaque tourne lentement.
Expérimenter avec HQ Profi 39
Tu peux donc régler et influencer la vitesse de rotation du moteur en exposant plus ou moins la cellule solaire à la lumière.
« Systèmes de tracking »
« Systèmes de tracking » Pour qu'au cours de la journée autant de lumière solaire que possible soit transformée en énergie électrique, des « systèmes de tracking » ont été développés qui garantissent que le soleil brille toujours verticalement sur la cellule solaire. Ainsi, les pertes de réflexion qui sont produites lorsque les rayons du soleil tombent à plat sur le panneau solaire sont évitées.
Images: Rolf Behringer
Images: Peter von Bechen / pixelio.de
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40 Expérimenter avec HQ Profi
Le soleil ne brille pas toujours à la même intensité. Il y a différentes saisons, le ciel n'est pas toujours clair, il peut y a voir de lourds nuages et il peut y avoir de la brume et du brouillard Donc, les rayons du soleil parviennent plus ou moins bien sur la terre. Plus il y a de lumière sur la cellule solaire, plus nous pouvons récolter de l'énergie électrique.
Prends une source de lumière artificielle et tiens la cellule solaire devant à env. 20 cm de distance.
(Attention, risque de brûlure, ne pas la tenir trop près de la source de lumière!)
4. Expérience
La puissance de la source lumineuse (expérience pour salle de classe)
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Le soleil ne brille pas toujours à la même intensité. Il y a différentes saisons, le ciel n'est pas toujours clair, il peut y a voir de lourds nuages et il peut y avoir de la brume et du brouillard Donc, les rayons du soleil parviennent plus ou moins bien sur la terre. Plus il y a de lumière sur la cellule solaire, plus nous pouvons récolter de l'énergie électrique.
Prends une source de lumière artificielle et tiens la cellule solaire devant à env. 20 cm de distance.
(Attention, risque de brûlure, ne pas la tenir trop près de la source de lumière!)
5. Expérience
Montage en série
Branche les deux cellules solaires en série!
Si tu ne sais plus comment cela fonctionne, tu peux regarder la photo. Le moteur reçoit maintenant plus d'énergie car il est entraîné par deux cellules solaires. Que peux-tu observer
sur le moteur ?
La plaque tournante tourne plus vite. Deux cellules solaires génèrent 1 Volt et 4 en génèrent donc 2. Cela est particulièrement important pour les grandes installations solaires car pour une puissance optimale de l'installation solaire, une tension précise doit être générée. Un montage en série permet d'augmenter la tension.
Augmente ensuite progressivement la distance et observe de nouveau la plaque tournante du moteur. A quelle distance, le moteur s'arrête-t-il?
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Expérimenter avec HQ Profi
6. Expérience
Montage en série et couverture d'une cellule solaire
Recouvre entièrement une cellule solaire. Que se passe-t-il?
La plaque tournante s'arrête de tourner parce que le circuit électrique est interrompu. Les cellules solaires sont branchées en série et dépendent l'une de l'autre. Dès que l'une d'entre elles ne reçoit plus de lumière le circuit électrique est interrompu.
7. Expérience Montage en parallèle
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Connecte les deux cellules solaires parallèlement au moteur.
Le photo te montre comme le branchement doit être effectué si tu ne le sais pas.
Recouvre entièrement une cellule solaire. Que se passe-t-il?
Le plaque tournante ne s'arrête pas car chaque cellule solaire possède son propre circuit électrique. Même si une cellule solaire est recouverte et ne peut plus fournir de courant, l'autre cellule alimente le moteur en électricité si bien que celui-ci continue de tourner.
Est-ce que tu peux expliquer?
Quelle est la différence entre le montage en série et en parallèle ?
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42 Expérimenter avec HQ Profi
8. Expérience
Montage face à face
Pour cette expérience nous montons les cellules solaires en parallèle mais l'une d'entre elles est branchée plus contre moins (voir photo).
Que se passe-t-il lorsque tu exposes maintenant les deux cellules à la lumière?
La plaque ne tourne pas parce que les deux cellules solaires reçoivent autant de lumière l'une que l'autre.
Recouvre une cellule solaire. Que se passe-t-il?
La plaque tourne. Pourquoi? Lorsque les deux cellules solaires reçoivent autant de lumière l'une que l'autre, elles se bloquent mutuellement si bien qu'aucun courant ne peut être produit. Si l'on recouvre une cellule solaire, le courant de la cellule exposée à la lumière peut s'écouler et entraîner le moteur.
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Recouvre alternativement les cellules solaires et décris ce qu'il se passe.
La plaque tournante change de direction lorsque l'autre cellule solaire est recouverte. Un coup d'œil à la polarité fournit l'explication. Les cellules sont branchées avec différentes polarités c'est pourquoi la plaque tournante tourne une fois dans une direction et une fois dans l'autre.
L'ENERGIE SOLAIRE
Une énergie que l'homme doit utiliser à son profit!
Images: Rolf Behringer
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