Énergie du vent et de l'eau
| Projet | Durée | Difficulté | Âge |
|---|---|---|---|
| The Dexter Lab | 2-3 heures | Débutant | 10-14 ans |
Problématique : Comment pouvons-nous récolter de l'énergie pour produire de l'électricité à partir de sources renouvelables ?
Matériel
- LED
- Moteur
- Pile
- Matériel pour construire une manivelle pour le moteur (papier, tiges en bois…)
Optionnel : accès à une imprimante 3D pour imprimer une turbine
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L'énergie contenue dans le vent et les chutes d'eau peut être convertie en énergie électrique utilisable pour alimenter les foyers et les entreprises. Les éoliennes sont utilisées pour capter l'énergie du vent, tandis que les centrales hydroélectriques utilisent l'énergie potentielle des chutes d'eau pour produire de l'électricité. Cette forme d'énergie qui utilise des phénomènes naturels est appelée énergie renouvelable. Elle est considérée comme une alternative plus durable aux sources d'énergies carbonées telles que le pétrole et le charbon. Le développement de technologies plus efficaces pour capter, transformer et utiliser ces formes d'énergie joue un rôle clé dans la transition vers une économie à faible émission de carbone.
Déroulé de l'activité
Dans ce protocole, l'objectif est de comprendre le concept physique fondamental de l'énergie, ses formes et ses transformations. Nous allons fabriquer un appareil simple en connectant différents composants pour explorer et comprendre comment l'énergie peut se transformer d'une forme à une autre.
Dans ce cas particulier, nous allons étudier la question scientifique suivante : "Le vent et les chutes d'eau ont-ils de l'énergie ?". Nous allons construire un dispositif simple avec une turbine éolienne et un petit moteur connecté à une LED. Nous apprendrons qu'à l'aide d'une turbine et d'un moteur, que nous utilisons comme générateur, nous captons l'énergie de la lumière du vent ou des chutes d'eau et la transformons en électricité, qui alimente ensuite la LED. De cette manière, nous démontrerons que le vent et les chutes d'eau transportent de l'énergie que nous pouvons utiliser de différentes manières. Cela constituera une opportunité de discussions et de réflexion sur les challenges de développement durable (et plus particulièrement le SDG 7) liés aux sources d'énergies durables et propres.
Un protocole TheDexterLab aborde des questions similaires à celui-ci autour des transformations de l'énergie. Il est disponible dans les ressources du projet et il est intitulé "La lumière a-t-elle de l'énergie ?". Ces deux protocoles peuvent venir nourrir une séquence pédagogique autour des énergies renouvelables.
Compétences mobilisées
Ce projet peut être relié à plusieurs compétences du programme scolaire, telles que :
- En sciences physiques : l'énergie (formes et transferts), les circuits électriques simples, les sources d'énergie renouvelables
- En sciences de la nature : les interactions avec le milieu physique et chimique, la production et l'utilisation d'énergie
- En technologie : la compréhension et l'utilisation de dispositifs technologiques, la résolution de problèmes technologiques
Comme pour l'ensemble des ressources TheDexterLab, les compétences abordées peuvent être adaptées par l'enseignant en fonction de la discipline, du niveau scolaire des élèves et des objectifs d'apprentissage spécifiques.
Étape 1 : Collecter des données
Orientation
Pour démontrer que le vent ou les chutes d'eau ont de l'énergie, nous devons d'abord trouver un moyen de collecter cette énergie, puis de la transférer pour alimenter un dispositif connu qui nécessite de l'énergie pour fonctionner. Le dispositif retenu est une LED car elles sont peu coûteuses, facilement disponibles et simples à mettre en œuvre.
Conceptualisation
Une pile ou une batterie sont des dispositifs de stockage d'électricité qui vont se comporter comme une source d'énergie quand on les connecte à un circuit. Par exemple si l'on connecte une batterie à un moteur (par exemple de jouet), celui-ci se met immédiatement à tourner. L'énergie électrique contenue dans la batterie a été transformée en énergie mécanique par le moteur. À l'inverse, si on fait tourner un moteur "manuellement", au lieu de consommer l'énergie électrique, il va en produire. Dans ce cas, en faisant tourner l'axe du moteur, nous lui donnons de l'énergie cinétique qui est transformée en électricité. La manière la plus simple de le faire est de fixer une manivelle ou une roue sur l'axe du moteur. En le connectant correctement, on peut alors allumer une LED. Si l'on ne fait pas tourner le moteur, la LED est éteinte. Lorsque le moteur sera actionné lentement la LED s'allumera faiblement. De même, si la manivelle est activée rapidement, la LED s'éclaire vivement.
Nous pouvons donc penser de la même manière en remplaçant la manivelle par une hélice. S'il est possible de faire tourner l'axe du moteur avec ces hélices avec du vent ou de l'eau, il sera possible de produire de l'énergie. C'est ce que l'on fait avec une turbine.
Investigation
Commençons par nous familiariser ou par jouer avec nos composants simples : des LED, moteurs, piles et fils. Créons d'abord un circuit simple, par exemple pile + moteur ou pile + résistance + LED.
Ensuite, nous pouvons connecter un moteur et une LED sans pile. L'objectif est de les connecter correctement afin que le moteur soit notre générateur d'électricité qui allumera la LED. Tout d'abord, avec des bâtonnets de bois, construire une manivelle et la fixer à l'axe du moteur. Après cela, il vous faut construire une turbine d'éolienne. Pour avoir une maquette d'éolienne réaliste, vous pouvez utiliser une imprimante 3D avec un modèle disponible en ligne (par exemple : Wind Turbine by me2space sur Thingiverse).
Si vous ne disposez pas d'une imprimante 3D, vous pouvez aussi faire une maquette avec du carton en vous inspirant de tutoriels vidéo disponibles en ligne.
L'éolienne simple est prête à être testée pour voir ce qui se passe. Y a-t-il assez de vent pour faire tourner la turbine et le moteur ? La LED s'allume-t-elle ? Nous pouvons étudier ce qui se passe lorsque nous sommes à l'extérieur par temps venteux. Si vous êtes en intérieur, le vent peut facilement être simulé avec un ventilateur de table.
Les mêmes principes s'appliquent lorsque c'est un courant d'eau qui fait tourner la turbine au lieu du vent. Nous pouvons réaliser des expériences similaires en utilisant un jet d'eau du robinet dans notre cuisine ou notre salle de bains. C'est à vous de décider ce qui est le plus amusant à essayer ! Dans ce qui suit, pour simplifier, nous nous concentrons sur le vent.
Débriefing
Grâce à la mise en œuvre de cette phase, nous avons abordé les sujets suivants :
- Comprendre comment collecter de l'énergie à partir de sources renouvelables telles que le vent ou l'eau.
- Comprendre comment utiliser un moteur comme générateur en le faisant tourner à l'aide d'une manivelle ou d'une turbine.
- Savoir comment connecter correctement un moteur et une LED pour que le moteur soit notre générateur d'électricité qui allumera la LED.
- Être capable de construire une turbine simple à l'aide d'une imprimante 3D ou en utilisant des matériaux simples tels que du papier, du carton, des tiges en bois, etc.
- Comprendre comment tester notre éolienne et nos turbines et étudier ce qui se passe dans différentes conditions de vent ou de courant d'eau.
Étape 2 : Afficher les données collectées
Orientation
Dans l'étape précédente, nous avons construit un générateur d'énergie éolienne simple avec une turbine, un moteur comme générateur et une LED afin de démontrer que le vent transporte de l'énergie. Dans cette étape, nous allons étudier ce qui se passe dans différentes conditions de vent. Nous pouvons également essayer de construire des turbines de différentes tailles et voir ce qui se passe dans les mêmes conditions de vent.
Conceptualisation
Nous voulons voir ce qui se passe dans différentes conditions de vent tout au long de la journée, par exemple le matin, à midi ou l'après-midi, lors d'une journée venteuse par rapport à une journée normale.
Investigation
À ce stade, nous décidons quand mener notre enquête, par exemple toutes les 3 heures à partir de 9 heures du matin. Nous créons un tableau avec des colonnes. La première colonne est "heure", la deuxième colonne est "conditions de vent" et la troisième colonne est "observations ou commentaires".
| Heure | Conditions de vent | Observations/Commentaires |
|---|---|---|
Voici un exemple :
| Heure | Conditions de vent | Observations/Commentaires |
|---|---|---|
| 9h00 | Vent fort | L'éolienne tourne rapidement et la LED est brillante |
| 12h00 | Vent modéré | L'éolienne tourne plus lentement et la LED brille plus faiblement |
| 15h00 | Pas de vent | L'éolienne ne tourne pas et la LED est éteinte |
Si nous n'avons pas autant de chance avec les conditions de vent dans notre région, nous pouvons essayer de construire des turbines de différentes tailles et réitérer notre enquête. Nous pouvons construire une turbine de petit, moyen et grand diamètre. Nous les fixons une par une sur l'axe et notons nos observations pour des conditions de vent relativement identiques. Voici un exemple :
- Vent faible ou léger : la petite turbine tourne... et la LED est...
- Vent faible ou léger : la turbine moyenne tourne... et la LED est...
- Vent faible ou léger : la grande turbine tourne... et la LED est...
Débriefing
Grâce à cette étape, nous avons appris à tester notre éolienne et nos turbines dans différentes conditions de vent ou de courant d'eau. Nous avons également mis en place une méthode pour collecter des données, afin de mieux comprendre les phénomènes étudiés et en tirer des conclusions. Nous avons également appris comment organiser et enregistrer les données collectées dans un tableau. De plus, nous avons compris l'importance de mener une enquête qualitative pour essayer de répondre à une question de recherche spécifique.
Étape 3 : Analyser les données
Orientation
Dans l'étape précédente, nous avons rempli un tableau d'observations, ce sont nos données. Nous voulons en tirer des enseignements en essayant de répondre aux questions suivantes : les conditions de vent changent-elles au cours de la journée ? Cela affecte-t-il la quantité d'énergie que nous pouvons obtenir ? La taille de l'éolienne est-elle importante ?
Conceptualisation
Comme nous l'avons déjà mentionné, notre analyse est qualitative dans le sens où nous ne pouvons donner qu'une réponse approximative à une question de recherche. Si nous voulons des réponses plus précises, nous devons collecter des données quantitatives et les analyser. Cela peut être l'objectif d'un projet de suivi où, par exemple, nous essayons de mesurer et d'enregistrer la vitesse de rotation de l'éolienne.
Investigation
Nous passons en revue notre tableau d'observations par jour ou par cas de la taille de l'éolienne et pour chacune d'entre elles, à la fin, nous essayons de répondre par oui/non/peut-être aux questions :
- Les conditions de vent changent-elles au cours de la journée ?
- Cela affecte-t-il la quantité d'énergie que nous pouvons obtenir ?
- La taille de l'éolienne a-t-elle de l'importance ?
Enfin, nous écrivons nos conclusions et en discutons en classe. Nous réfléchissons également à l'ensemble du processus, du début à la fin du projet. À ce stade, il est possible de discuter des énergies renouvelables/vertes, telles que l'énergie solaire, éolienne ou hydraulique, ainsi que de divers sujets connexes. Ces sujets posent un défi pour notre société, comme la production, le stockage et la consommation d'énergie, la durabilité et l'utilisation de sources renouvelables.
Débriefing
Dans cette phase, nous avons appris à tirer des conclusions à partir des données collectées en répondant à des questions spécifiques sur les observations. Nous avons appris à discuter à partir de nos observations en classe, afin d'aborder des sujets connexes tels que les énergies renouvelables et les défis qu'elles posent à notre société de manière construite.
Cette analyse étant qualitative, pour des réponses plus précises, nous devrions collecter des données quantitatives grâce à un projet connexe utilisant un anémomètre pour mesurer l'intensité du vent et un multimètre pour mesurer la tension en sortie de la turbine.
Cette fiche fait partie du projet The Dexter Lab, financé par le programme Erasmus+. Contenu sous licence CC BY-SA 4.0.