Cours sur la production de l’énergie électrique
Différents types de centrales.
Activité 1p116 : quel est l’élément commun aux différents types de centrales ?
Conclusion :
L’alternateur est la partie commune à toutes les centrales électriques (sauf les centrales photovoltaïques)
Documents :
1p122 : Les turbines
2p122 : La centrale marémotrice de la Rance.
3. Cette centrale fournit 3 % de la consommation d’énergie électrique de la Bretagne, ce qui correspond à moins de 0,2 % de la production française d’énergie électrique.
Exercices :
19p126 : Pile ou alternateur.
Les sources d énergie.
AV : Energie pour un développement durable
Introduction :
En quelques dizaines d’années, l’homme a brûlé une grande partie des stocks d’énergie que la planète a mis des centaines de millions d’années à constituer. Nous puisons la Terre de ses ressources, l’atmosphère s’enrichit en CO2, l’effet de serre augmente, les écosystèmes se dégradent, le changement climatique annoncé est devenu une réalité ...
Notre mode de vie exerce une pression toujours croissante sur l’environnement. Notre empreinte écologique en témoigne.
L’énergie est devenue tellement omniprésente et banale dans notre société que nous perdons de vue que le fait de se chauffer, de se déplacer, de se nourrir, de produire des biens ...
consomme de l’énergie et produit des gaz à effet de serre.
Pourtant des solutions simples existent. Pour minimiser notre empreinte écologique. Pour limiter le changement climatique. Pour protéger la biodiversité de notre planète. Pour faire un premier pas vers un développement durable.
Ces solutions reposent sur des nouvelles pratiques de production et de consommation. Le développement des énergies renouvelables et l’amélioration de l’efficacité énergétique sont incontournables, de même que des changements de comportement de consommation, à toutes les échelles.
Qu’est-ce que l’énergie ?
L’énergie est une notion difficile à appréhender. Elle est stockée dans la matière et ne se manifeste que lorsqu’elle se transforme. C’est à ce moment-là que nous percevons ses effets : la chaleur fournie par une bûche de bois qui brûle, la lumière émise par une lampe ...
L’énergie ne disparaît jamais ; elle se transforme d’une forme en une ou plusieurs autres.
Quelles sont les sources d’énergie à notre disposition ?
Pour répondre à cette question, nous allons regarder une émission intitulée « les nouvelles énergies : la planète carbure au vert » et il vous faudra écrire, au fur et à mesure, les différentes sortes d’énergie que l’on utilise pour se chauffer, s’éclairer, se déplacer ...
Dans la mesure du possible, vous noterez les avantages et les inconvénients de chaque source d’énergie.
Source d’énergie | Avantages | Inconvénients | |
Fossiles (79%) : | Faciles à exploiter | Production de CO2 | |
- | Pétrole | Epuisable | |
- | Gaz | ||
- | charbon | ||
Nucléaire (7%) | Moins cher aujourd’hui. | Epuisable (contrairement à ce qui | |
Moins de CO2 | est laissé entendre dans la vidéo) | ||
Déchet radioactifs | |||
Renouvelables (14%) : | Risque d’accident nucléaire. | ||
Ne peuvent être implantée de | |||
- | Eau | Inépuisables à notre échelle. | |
- | Soleil (thermique et | Peu ou non polluantes | partout. |
photovoltaïque) | Coût plus élevé. | ||
- | Vent | Faible puissance. | |
- | biomasse (bois, plantes..) | Fabrication recyclage des cellules | |
- | Géothermie | photovoltaïque |
Conclusion :
Une énergie renouvelable est une énergie considérée comme inépuisable à notre échelle (à l'échelle humaine).
Energies renouvelables | Energies non renouvelables | |
• | Solaire (thermique photovoltaïque) | • Fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) |
• | Hydraulique | • Nucléaire. |
• | Eolienne | |
• | Marée motrice | |
• Biomasse (bois, biogaz, biocarburant, | ||
• | résidus de récoltes | |
Géothermie | ||
• | Aérothermie | |
• Courant marin, osmotique etc.. |
Les énergies renouvelables proviennent principalement :
- Du Soleil : rayonnement, cycle de l’eau, vent, photosynthèse…...
- De la chaleur interne de la Terre (provenant elle-même de la radioactivité d’éléments tels que l’uranium, la géothermie
- De la rotation propre de la Terre par rapport au système Terre-Lune c'est à dire l’énergie marémotrice.
Remarque : le bois, l’énergie solaire, l’hydroélectricité et l’éolien sont issus de l'énergie solaire. Seules la géothermie et l’énergie marémotrice échappent à cette règle.
Le pétrole, le gaz naturel et le charbon ne sont pas des énergies renouvelables : il a fallu des millions d'années pour que la vie sur Terre constitue les stocks d'énergie fossile que l'on consomme actuellement. De même, l'énergie nucléaire issue de la fission des atomes d'uranium, ne peut pas être considérée comme une énergie renouvelable, l’extraction de l’uranium étant limitée.
Le caractère renouvelable d'une énergie dépend de la vitesse à laquelle la source se régénère, mais aussi de la vitesse à laquelle elle est consommée. Ainsi, le bois est-il une énergie renouvelable tant qu'on abat moins d'arbres qu'il n'en pousse, et que la forêt continue à jouer ses fonctions écologiques vitales. Le comportement des consommateurs d'énergie est donc un facteur à prendre en compte.
Exercices :
10p125 : comparer deux types de centrales.
12p125 : Expliquer le principe d’une centrale hydraulique.
14p125 : s’intéresser aux centrales éoliennes.
15p125 : Examiner le cas du soleil.
18p126 : Les capteurs photovoltaïques.
1. On place les capteurs sur le toit, car c’est là qu’ils recevront le maximum d’énergie solaire. 2. Ce mode de production de l’énergie utilise une énergie gratuite et renouvelable. Il ne génère aucune pollution. 3. Photo signifie « lumière » en grec et voltaïque vient de Volta, qui est l’inventeurde la première pile. Photovoltaïque signifie donc : qui transforme l’énergie lumineuse en énergie électrique.
20p126 : A quoi est utilisée l’énergie solaire ?
22p127 : La tonne équivalent pétrole.
23p127 : L’uranium fait il le poids ?
1. 60 000 wagons de charbon produisent la même énergie que 70 tonnes d’oxyde d’uranium, donc 1 wagon produit la même quantité d’énergie que 70 / 60 000 = 0,001 2 tonne d’oxyde d’uranium soit 1,2 kg !
24p127 : Energie solaire : oui mais……
1. L’énergie solaire est inépuisable à notre échelle et non polluante.
27p128 : Pollution atmosphérique.
En Allemagne, l’énergie électrique est fournie essentiellement par des centrales thermiques classiques, qui, contrairement aux centrales nucléaires, produisent du dioxyde de carbone (en France, l’énergie électrique est en majeure partie d’origine nucléaire).
AD : Les convertisseurs d’énergie.
Tous les appareils que construit l’homme afin d’améliorer son confort ou de réduire sa fatigue sont des CONVERTISSEURS D’ENERGIE. Ils reçoivent de l’énergie sous une forme (dans le langage courant, on dit qu’ils «consomment de l’énergie») et la restituent sous une (parfois plusieurs) autre(s).
L’énergie peut donc exister sous plusieurs formes qui sont : l’énergie électrique, l’énergie thermique (chaleur), l’énergie rayonnante (lumière), l’énergie mécanique (mouvement), l’énergie chimique et l’énergie nucléaire
L’unité légale d’énergie est le joule (J).
Compléter les schémas en utilisant des termes présents dans le texte ci-dessus.
Energie électrique Energie thermique
Four
électrique
Energie rayonnante
Energie électrique Energie rayonnante
Lampe
électrique
Energie thermique
Energie électrique Energie mécanique
Moteur
électrique
Energie thermique
On pourrait évoquer d’autres exemples comme : le fer à repasser, le grille-pain, le convecteur. Pour tous ces appareils on constate qu’une partie (parfois la totalité) de l’énergie électrique est transformée en énergie thermique.
On donne à ce phénomène le nom d’effet Joule
AE : production d’énergie électrique avec un alternateur.
Matériel : alternateur, lampe, moteur, deux fil
Allumer la lampe avec l’alternateur.
Interprétation énergétique
Energie mécanique | Energie électrique |
Alternateur
Energie Thermique
Un alternateur transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique et en énergie thermique.
Cf Larousse illustré 2007 p412
Documents :
1p123 : De l’énergie au cœur des atomes.
Exercices :
9p125 : chercher les ressemblances et les différences.
11p125 : Suivre les transformations de l’énergie dans une centrale.
1. En énergie mécanique (vapeur d’eau en mouvement), qui fait tourner la turbine.
13p125 : Résume le principe de fonctionnent d’une centrale.
Dans la chaudière, l’énergie thermique de la combustion du gaz, du fuel ou du charbon transforme l’eau en vapeur d’eau en mouvement, possédant de l’énergie mécanique. Une partie de cette énergie sert à faire tourner des groupes turbine-alternateur, qui transforment une partie de l’énergie mécanique en énergie électrique.
17p126 : Les groupes électrogènes.
25p127 : Chaine énergétique dans une centrale (Exercice de synthèse)
1. Il s’agit d’une centrale thermique classique. La chaudière transforme l’eau en vapeur, la turbine mise en rotation par la vapeur d’eau entraîne l’alternateur ;
l’alternateur transforme l’énergie mécanique en énergie électrique.
E thermique
Chaudière Turbine Alternateur
E thermique | E thermique | E thermique |
26p128 : pourquoi tant de chaleur ? L’eau des rivières est envoyée dans le condenseur, où elle circule autour de tubes contenant de la vapeur d’eau. Comme elle est froide, elle fait baisser la température de
a vapeur qui, au-dessous de 100 °C, se retransforme en eau. Au cours de cette opération, l’eau de la rivière se réchauffe et on la renvoie dans son cours, dont elle élève légèrement la température.
28p128 : et pourtant rien ne tourne !
(maison)
Les petites plaques noires de la calculette sont des lames de silicium, matériau qui a la propriété de perdre des électrons quand il est soumis au rayonnement solaire. Ces électrons peuvent être captés et créer un courant.
29p128 Hasard ou pas ?
Les centrales hydrauliques sont implantées le long des fleuves dont le cours subit des dénivellations importantes du fait du relief accidenté.
IV.Comment produire une tension ?
AE : Principe d’un alternateur.
Activité 1p132 : comment produire une tension ?
Professeur | Elèves |
Alternateur sur support | - Carcasse transformateur démontable |
Lampe | - Un aimant cylindrique |
Modèle alternateur (bobine en mouvement) | - 3 fils + câble pointeur |
- Alternateur | |
- Multimètre |
1.Constitution d’un alternateur
Un alternateur de bicyclette, appelé aussi génératrice, est un modèle réduit des énormes alternateurs des centrales électriques.
Un alternateur est constitué de deux parties ; le rotor, dispositif tournant qui comporte un aimant et le stator, dispositif fixe (statique) qui comporte une bobine de fil de cuivre.
Identifier les différentes parties de l’alternateur.
A galet b alternateur c Aimant et axe d Cage en acier et bobine
2.Principe de production d’une tension.
Brancher le voltmètre (calibre 2V) aux deux bornes primaires de la bobine
Qu’observe-t-on si on approche lentement l’aimant de la bobine ? Il apparait une tension qui varie positive
Qu’observe-t-on si on éloigne lentement l’aimant de la bobine ? Il apparait une tension qui varie négative
Retourner l’aimant
Qu’observe-t-on si on approche ou si on éloigne lentement l’aimant de la bobine ? Le signe de la tension est inversé
Qu’observe- t-on si le mouvement de l’aimant est plus rapide ? La valeur de la tension est plus importante.
3.Tension produite par l’alternateur.
Brancher l’alternateur de bicyclette au multimètre (calibre 2V)
Faire tourner le galet lentement. Qu’observe-t-on ? La tension est tantôt positive, tantôt négative. Faire tourner le galet plus rapidement. Qu’observe-ton ? La valeur de la tension est plus importante.
Brancher l’alternateur sur le voltmètre en mode alternatif (zone V ~ )
Qu’observe-t-on si on fait tourner le galet avec une vitesse constante ? La tension produite est toujours positive est presque constante.
Conclusion :
Le déplacement d’un aimant au voisinage d’une bobine (ou l’inverse), produit une tension variable (dont la valeur change au cours du temps) tantôt positive et tantôt négative.
Exercices :
9p141 : prévoir des résultats.
AE : Deux sortes de tensions.
1ère Expérience.
COM
3ère Expérience
Observations :
- On constate que la tension est <0
- La lampe brille.
- La DEL Gauche est allumée, celle de droite éteinte.
Conclusion :
- Les DEL s'allument et s'éteignent alternativement
- Quand un circuit est alimenté par un générateur de tension continue, le courant circule toujours dans le même sens : c'est un courant continu.
- Quand un circuit est alimenté par un générateur de tension alternative, le courant circule alternativement dans un sens puis dans l'autre : c'est un courant alternatif.
- Un alternateur produit une tension alternative.
Remarque :
Si le courant change très vite de sens, la lampe clignote très vite et notre œil à l’impression qu’elle reste allumée en permanence. C’est le phénomène de persistance rétinienne.
Document 2p138 : Les alternateurs industriels.
Exercices :
8p141 : prévoir le résultat d’une expérience.
Quand on avance ou on recule l’aimant, les DEL 2. La tension utilisée est continue clignotent.
10p141 : choisir les valeurs de la tension. Pour l’expérience b, le voltmètre indique 1 V ; pour les expériences c et d, le voltmètre indique – 1 V.
11p141 : exploiter une photographie.
19p143 : AC ou DC ? Comment ça marche ? (maison)
L’élève doit distinguer les appareils qui fonctionnent avec une tension continue (avec des piles ou des batteries) de ceux qui fonctionnent avec une tension sinusoïdale (avec la prise du secteur). Pour savoir si un appareil fonctionne en continu ou en alternatif, il suffi t de consulter la plaque signalétique de l’appareil et de chercher le signe = pour le continu ou le signe ~ pour l’alternatif.
VI.Caractéristiques d’une tension alternative périodique.
AE : Evolution d’une tension alternative.
GBF | Générateur Basse Fréquence | |
GBF | V | Voltmètre continu |
V |
Réglage 3/4
Relever la valeur de la tension toutes les 5 secondes pendant environ 5 minutes.
- Une personne donne un TOP toutes les 5s.
- Une autre personne lit la valeur de la tension (à avoir toujours en tête).
- Les autres inscrivent la valeur dans le tableau.
- Tracer le graphique U = f(t).
Temps (s) | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 |
U (V) | 10.1 | 9.5 | 7.9 | 5.8 | 3.4 | 0.8 | -1.8 | -4.3 | -6.8 | -8.5 | -9.8 |
Temps (s) | 55 | 60 | 65 | 70 | 75 | 80 | 85 | 90 | 95 | 100 | 105 |
U (V) | -10.3 | -9.6 | -8.2 | -6.1 | -3.5 | -0.9 | 1.7 | 4.2 | 6.5 | 8.4 | 9.6 |
Temps (s) | 110 | 115 | 120 | 125 | 130 | 135 | 140 | 145 | 150 | 155 | 160 |
U (V) | 10.1 | 9.4 | 7.7 | 5.6 | 3.2 | 0.6 | 2.0 | -4.5 | -6.8 | -8.6 | -10.0 |
Temps (s) | 165 | 170 | 175 | 180 | 185 | 190 | 195 | 200 | 205 | 210 | 215 |
UAB (V) | -10.3 | -9.5 | -7.8 | -5.9 | -3.5 | -0.7 | 1.9 | 4.4 | 7.0 | 8.9 | 9.7 |
Temps (s) | 220 | 225 | 230 | 235 | 240 | 245 | 250 | 255 | 260 | 265 | 270 |
UAB (V) | 10.0 | 9.3 | 7.5 | 5.4 | 2.9 | 0.4 | -2.2 | -4.7 | -7.0 | -8.7 | -10.0 |
Représentation graphique : Abscisse : 1cm représente 20secondes.
Ordonnée : 1 cm représente 2 volts.
Placer les points en utilisant le signe (+)
Tracer au crayon de papier et à main levée une ligne continue, sans pic ni bosse, passant le plus près possible de chaque point.
Observations.
La tension augmente et diminue régulièrement en prenant des valeurs positives et négatives.
Cette courbe en forme de vague s'appelle une sinusoïde. Elle représente une tension sinusoïdale.
Elle passe toujours par une même valeur maximale Umax et une même valeur minimale
Umin.
On peut trouver une portion de la courbe appelée motif élémentaire qui se répète identique à lui même.
Par définition, on appelle période notée T la durée d’un motif élémentaire
U max = 10,1V U min = -10.1V
T = 140-27,5 = 112,5s
Conclusion
Une tension continue est une tension dont la valeur ne change pas au cours du temps. Une tension variable est une tension dont la valeur change au cours du temps.
Une tension périodique est une tension variable pour laquelle on peut trouver un motif élémentaire, elle est alors caractérisée par la valeur de sa période T
Une tension alternative est une tension périodique pour laquelle la tension maximale et la tension minimale sont opposées (U max= - U min)
Fiche méthode : reconnaître une tension continue, variable, périodique ou alternative.
Les tensions suivantes sont elles continues ou variables ? Pourquoi ?
Cette tension est continue car sa valeur reste constante au cours du temps.
(Sa représentation est une droite parallèle à l'axe des temps)
Cette tension est variable car sa valeur change au cours du temps.
Cette tension est variable car sa valeur change au cours du temps. (Elle augmente)
Les tensions variables suivantes sont elles périodiques ? Pourquoi ?
Cette tension est périodique car | Cette tension n'est pas périodique |
on peut trouver un motif | car on ne peut pas trouver de |
élémentaire qui se reproduit | motif élémentaire qui se reproduit |
régulièrement. | régulièrement. |
Les tensions périodiques suivantes sont elles alternatives ? Pourquoi ?
Cette tension n'est pas périodique car on ne peut pas trouver de motif élémentaire qui se reproduit régulièrement.
Cette tension est alternative car la tension maximale et la tension minimale sont opposées.
Cette tension n'est pas alternative car la tension maximale et la tension minimale ne sont pas opposées.
Cette tension n'est pas alternative car la tension maximale et la tension minimale ne sont pas opposées.
Document 2p139 : Les tensions périodiques en médecine.