Production
d'�nergie �lectrique
sur un voilier. Bac Sti2d et Stl 2014
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La
solution classique pour disposer d’�nergie �lectrique � bord d'un
voilier est d’utiliser un moteur Diesel (qui ne doit pas servir � la
propulsion du bateau) coupl� � un alternateur pour recharger les
batteries.Besoins en �nergie �lectrique
Le document suivant donne les ordres de grandeurs des puissances et des
dur�es de fonctionnement par jour pour les diff�rents postes de
consommation.
Rappeler
la relation entre l’�nergie E (en wattheures) consomm�e par un
appareil, sa puissance P (en watt) et la dur�e de fonctionnement Δt (en
heure).
E = P Dt.
Calculer
l’�nergie absorb�e par chaque poste de consommation ainsi que l’�nergie
pour l’ensemble des postes.
Poste
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Puissance
(W)
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Dur�e de
fonctionnement (h)
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Energie
consomm�e par jour ( Wh)
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1 :
dessalinisateur
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50
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2
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50*2
= 100
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2 : pilote
automatique
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40
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20
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40*20=800
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| 3 : ordinateur
+GPS+radio |
80
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24
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80*24=1920
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4 :
�clairage int�rieur
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40
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12
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40*12=480
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5 : feux de
signalisation
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70
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10
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70*10=700
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Total :
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4000
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Le
moteur Diesel.
Donner la
signification des pictogrammes que l’on trouve sur la fiche technique
du gasoil.
1 : inflammable ; 2 : toxique et irritant ; 3 : mutag�ne et canc�rog�ne
; 4 : danger pour l'environnement.
Lors
de quel temps du cycle de fonctionnement du moteur Diesel y a-t-il
lib�ration d’�nergie par le m�lange � air + combustible � ?
Le m�lange "air-combustible" lib�re de l'�nergie lors du troisi�me
temps ( temps moteur ).
�
quelle valeur particuli�re la temp�rature du m�lange � air-combustible
� doit-elle �tre sup�rieure � la fin de l’injection ? Justifier.
Le m�lange "air-combustible" peut s'auto-inflammer si sa temp�rature
est sup�rieure � 225 �C.
L’un des hydrocarbures que l’on trouve dans le gasoil est le dod�cane
de formule chimique C12H26.
Equilibrer
l’�quation de la combustion compl�te du dod�cane dans le dioxyg�ne de
l’air, sans indiquer les �tats de la mati�re.
C12H26 + 18,5O2
---> 12 CO2 + 13 H2O.
Panneaux
photovolta�ques.
On donne la caract�ristique tension-courant des panneaux utilis�s pour
un rayonnement de puissance Prayonnement = 1000
W.m-2. Sachant que les valeurs nominales
correspondent au point de fonctionnement pour lequel la puissance
fournie par le panneau photovolta�que est maximale, compl�ter
le tableau des valeurs caract�ristiques.
| Tension
nominale |
18,2
V |
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| Intensit�
nominale |
5,5
A |
| Tension
� vide |
20
V |
| Intensit�
de court-circuit |
7
A |
Calculer
la puissance maximale Pmax d’un
panneau photovolta�que pour les conditions de rayonnement indiqu�es.
Pmax =18,2*5,5 = 100,1 ~100 W.
La surface de ce panneau est S = 0,556 m2. Calculer
la puissance re�ue, not�e Pre�ue, dans les
conditions de rayonnement indiqu�es.
Pre�ue = Prayonnement S
=1000*0,556 = 556 W.
Compl�ter
le sch�ma du bilan de puissance du panneau photovolta�que.
Indiquer
de quelle(s) nature(s) sont les pertes pour un panneau photovolta�que.
La puissance perdue est sous forme de puissance thermique.
L’�nergie �lectrique n�cessaire par jour � bord du voilier est Ejour
= 4,00 kW.h. De plus, la valeur de la puissance produite par m�tre
carr� de panneau est P = 180 W.m-2 pour un
rayonnement de puissance 1000 W.m-2.
Calculer
l’�nergie Epanneau produite
par un m�tre carr� de panneau pour une journ�e proposant 5 heures d’un
rayonnement suppos� �quivalent � 1000 W.m-2.
Epanneau = P Dt = 180 *5 = 900
Wh m-2.
En
d�duire la surface de panneaux devant �tre install�e sur le bateau.
S =Ejour
/ Epanneau=4,00 / 0,900 = 4,44 m2.
Quels
param�tres peuvent influer sur l’�nergie produite par ces panneaux
solaires photovolta�ques ?
La pr�sence ou l'absence de soleil ( couche de nuages ) ; l'inclinaison
du panneau.
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�olienne
ou hydrog�n�rateur.
Sur les vingt bateaux au d�part de la derni�re �dition du Vend�e Globe,
six �taient �quip�s d’une ou deux �oliennes � axe horizontal et tous
�taient �quip�s d’un ou deux hydrog�n�rateurs. L’�olienne est plac�e
sur le pont du voilier. Son rotor est mis en rotation par le vent et le
rotor est coupl� � un alternateur qui produit ainsi de l’�lectricit�.
L’hydrog�n�rateur est une h�lice immerg�e plac�e � l’arri�re et mise en
mouvement par le d�placement du voilier. Cette h�lice, comme pour
l’�olienne, est reli�e � un alternateur pour produire de l’�lectricit�.
En
utilisant certaines des propositions donn�es ci-dessous, compl�ter les
cha�nes de conversion d’�nergie � �olienne vers batterie � et �
hydrog�n�rateur vers batterie �.
Propositions : �lectrique, chimique, nucl�aire, m�canique,
vent, voilier en mouvement, convertisseur alternatif-continu,
convertisseur continu-alternatif.
Cha�ne de conversion � �olienne vers batterie �.
Cha�ne de conversion � hydrog�n�rateur vers batterie �
Quelle premi�re conclusion peut-on faire sur le choix entre
l’utilisation d’une �olienne ou d’un hydrog�n�rateur ?
Un hydrog�n�rateur produit une puissance sup�rieure � celle de
l'�olienne.
Estimer
l’ordre de grandeur de la puissance moyenne que peut fournir un
hydrog�n�rateur et montrer que celui-ci permet de couvrir les besoins
�nerg�tiques journaliers sur le voilier ( 4,00 kWh jour-1).
Puissance moyenne fournie par l'hydrog�n�rateur : 250 W.;
�nergie moyenne fournie par jour : 250*24 = 6000 Wh = 6,0 kWh.
L'�nergie produite couvre les besoins journaliers.
De
quel type de vent (r�el, vitesse ou apparent) d�pendent les
performances d’une �olienne ? Justifier.
Les performances d'une �olienne fix�e sur le bateau d�pendent du vent
que l'on ressent sur le voilier en mouvement, c'est � dire le vent
apparent.
Indiquer
les jours pendant lesquels la production d’�nergie de l’�olienne ne
suit pas la m�me �volution que celle de l’hydrog�n�rateur.
Entre le 12� et le 18�
jour l'�olienne ne produit rien, alors que l'hydrog�n�rateur produit de
l'�nergie.
Pour
ces jours, quelle allure suivie par le voilier (pr�s, vent de travers,
largue ou vent arri�re) pourrait expliquer cette diff�rence de
production entre l’�olienne et l’hydrog�n�rateur ? Justifier.
 Par vent
arri�re, le vent apparent est quasiment nul.
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La batterie.
Tous les concurrents disposent d’une ou
plusieurs batteries � bord. Celles-ci sont du type accumulateur au
plomb ou du type accumulateur lithium-ion.
D�charge d’une batterie au plomb.
Rappeler
la d�finition d’un oxydant et d’un r�ducteur.
Un r�ducteur est une esp�ce chimique susceptible de c�der un ou
plusieurs �lectrons ; un oxydant est une esp�ce chimique susceptible de
gagner un ou plusieurs �lectons.
Compl�ter
le sch�ma en indiquant :
- le sens de circulation des �lectrons � l’ext�rieur de la batterie,
- le sens conventionnel du courant � l’ext�rieur de la batterie,
- les bornes + et – de la batterie,
- le nom de la r�action (oxydation ou r�duction) ayant lieu sur chacune
des �lectrodes.
�crire
l’�quation de la r�action globale lors de la d�charge..
Faire la somme des deux demi-�quations :
Pb +2SO42- +PbO2+4H++2e-
---> 2PbSO4 + 2H2O
+ 2e-.
Simplifier : Pb +2SO42-
+PbO2+4H+ --->
2PbSO4 + 2H2O.
On dispose d’une batterie au plomb 12 V – 160 A.h.
Quelle
grandeur physique repr�sente l’indication 160 A.h ?
160 Ah est la capacit� de la batterie.
Calculer
l’�nergie Ebatterie stock�e dans cette batterie
lorsqu’elle est enti�rement charg�e.
Ebatterie = Q U = 160*12 = 1920 Wh.
Calculer
la masse minimale d’une telle batterie.
On donne l'�nergie massique de la batterie : entre 30 et 40 Wh kg-1.
Masse minimale de la batterie : 1920 / 40 = 48 kg.
Justifier
l’int�r�t de changer de technologie pour utiliser une batterie
lithium-ion.
On donne l'�nergie massique de la batterie lithium-ion : 200 Wh kg-1.
Masse minimale de la batterie lithium-ion : 1920 / 200 ~10 kg.
L'�nergie massique d'une batterie lithium-ion est sup�rieure � celle
d'une batterie au plomb.
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Le
dessalinisateur.
Le dessalinisateur permet de dessaler l’eau de mer afin de disposer
d’eau douce � bord. On donne les caract�ristiques du dessalinisateur
choisi.
Pour une course de 100 jours et des besoins de 10 litres par jour, quelle
masse d’eau devrait �tre embarqu�e au d�part s’il n’y avait pas de
moyen de production d’eau douce � bord ? Commenter.
100*10 = 1000 L soit 1 m3 ou 1000 kg d'eau.
Cette quantit� d'eau prend de la place et alourdit le voilier.
Calculer
le volume minimal d’eau douce produit par le dessalinisateur pour 2,00
heures de fonctionnement. Commenter ce r�sultat.
D�bit volumique fois dur�e de fonctionnement = 5,7 *2 = 11,4
�1,7 L.
Cela suffit pour la production quotidienne d'eau douce.
Dans le syst�me international d’unit�s, un d�bit volumique doit �tre
exprim� en m3 .s-1.
Convertir la valeur 5,7 L.h-1 en m3.s-1,
puis exprimer le d�bit volumique DV sous la
forme : DV = DVmoy � ΔDV
DVmoy est le d�bit volumique moyen ; ΔDV
est la tol�rance sur le d�bit volumique.
DV = 5,7 10-3 / 3600 =1,58 10-6
~1,6 10-6 m3.s-1
; ΔDV=1,58 10-6
*0,15 =0,23 10-6 m3.s-1
; DV
=(1,6
�
0,2) 10-6 m3.s-1.
Le
r�cepteur G.P.S.
Tout participant � la course poss�de un r�cepteur G.P.S. � bord.
Le terme � Global Positioning System (G.P.S.) � peut �tre traduit en
fran�ais par � syst�me de localisation mondial �.
Ce syst�me est bas� sur l’utilisation de nombreux satellites (situ�s �
environ 20000 km de la Terre) qui �mettent en permanence des ondes sur
des fr�quences de 1 575,42 MHz (pour le domaine civil) et 1 227,60 MHz
(pour le domaine militaire). Ces ondes �lectromagn�tiques contiennent
les informations n�cessaires au calcul de la position des satellites.
Le r�cepteur G.P.S. peut, gr�ce � ces informations, calculer la
distance qui le s�pare des satellites, et ainsi conna�tre ses
coordonn�es.
Rappeler
la structure d’une onde �lectromagn�tique.
Une onde �lectromagn�tique est constitu�e d'un champ �lectrique et d'un
champ magn�tique.
Positionner
approximativement les ondes �lectromagn�tiques �mises par les
satellites du syst�me G.P.S. pour le domaine civil et pour le domaine
militaire.
1575 MHz = 1,575 109 Hz.
Rappeler
la relation entre la fr�quence f, la longueur d’onde l et la
c�l�rit� c d’une onde �lectromagn�tique.
l =
c / f.
Calculer
la longueur d’onde l pour une
onde �lectromagn�tique de fr�quence f = 1575,42 MHz.
On rappelle la valeur de la c�l�rit� : c = 3,00.108
m.s-1.
l
= 3,00 108 / (1,575 109)
=0,190 m.
Une information envoy�e par un des satellites est re�ue par le
r�cepteur G.P.S. positionn� sur le bateau avec un retard Δt = 70,0 ms.
Calculer
la distance d s�parant le satellite du voilier, et v�rifier que cette
distance est plausible.
d = c Dt=
3,00 108 *0,0700 =2,1 107
m = 2,1 104 km.
Cela correspond � peu pr�s � l'altitude des satellites du syst�me GPS.
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