Solar impulse 2, bac STi2d 2021.

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L'�nergie �lectrique est-elle une solution pertinente pour l'avenir du transport a�rien ?
1.1 Calculer la somme des �missions en milliard de tonnes des �missions du dioxyde de carbone et le pourcentage d� au transport. Conclure.
Electricit� et chaleur  : 15,01 ; transport : 7,87 ; industrie, construction : 7,57 ; r�sidentiel : 2,72 ; d�forestation : 2,68 ; autre combustions : 0,852.
Total : 36,7 milliards de tonnes.
Par du transport : 7,87 / 36,7 =0,214 (21,4 %).
 Le transport est responsable de 21 % des �missions de CO2.
1.2. Compl�ter le document et expliquer pourquoi un trajet en avion a plus d'impact en mati�re d'�mission de CO2 qu'un trajet moyen en voiture ou en bus,-car.

Voiture
 Car-Bus
 Avion
 avion / voiture ( distance moyenne)
 avion / car-bus (distance moyenne)
g CO2 �mis par km
et par voyageur
 155
 74,4
 128
 128 / 155 =0,826
 128 / 74,4 =1,72
kg CO2 �mis par heure
de transport
 6,7
 3,2
 90
 90 / 6,7 =13,4
 90 / 3,2 =28,1
kg CO2 �mis par trajet
 2,4
 1,2
 311
 311 / 2,4 =129,6
 311 / 1,2 =259
Un trajet en avion a plus d'impact  ( de 130 fois � 260 fois plus grand) en mati�re d'�mission de CO2 qu'un trajet moyen en voiture ou en bus,-car.
1.3. Expliquer pourquoi l'avenir de la propulsion a�rienne pourrait �tre �lectrique.
A moyen terme, les vols court-courriers ( 500 km de distance) pourraient devenir en partie �lectrique.
Ce n'est pas envisageable pour les travers�es transatlantiques.

Comment valider la solution " Solar Impulse 2" ?
2.1. Compl�ter les exigences attendues, premi�re colonne, lignes 1, 4 et 5.
2.2. Pour chaque avion, v�rifier si les crit�res sont respect�s.
2.3. Conclure sur le seul avion qui respecte tous ces crit�res.
Solar Impulse 2 respecte les 5 crit�res.

 Diamond DA42-VI
 X-57 Nasa
 A�ronef Ehang 184
 Solar Impulse 2
empreinte CO2 en utilisation
exigence : pas d'�mission de CO2
 -1
 +1
 +1
 +1
Distance parcourue sans atterissage
Exigence : 9000 km
 -1
 -1
 -1
 +1
Ne pas d�pendre des �nergies fossiles.
Exigence : pas de consommation d'essence, de gaz ou de gazole
 -1
 +1
 +1
 +1
Autonomie en �nergie en vol
Exigence : voler en autonomie �nerg�tique.
 +1
 +1
 +1
 +1
Limiter la masse de l'avion.
Exigence : masse totale inf�rieure � 2500 kg.
 +1
 +1
 +1
 +1
Total
 -1
 +3
 +3
 +5

Comment est structur� l'avion " Solar Impulse 2" ?
En fonctionnement de jour, l'�nergie solaire r�colt�e par les cellules photovolta�ques est transmise aux batteries par l'interm�diaire d'un module de gestion MPPT. Cette �nergie permet d'alimenter les moteurs ; elle est ensuite adapt�e gr�ce aux r�ducteurs, pour permettre aux h�lices de  tracter l'avion.
 3.1. Compl�ter le diagramme. Indiquer les noms des blocs suivants : cellules photovolta�ques ; batteries ; moteur ; r�ducteur ; h�lices.
Indiquer les flux suivants : �nergie solaire; �nergie �lectrique ; �nergie m�canique de rotation ; �nergie m�canique de translation.
Surligner le flux d'�nergie ,du soleil � l'�nergie m�canique de translation responsable du mouvement d'avancement de l'avion.
Le pilote doit �galement, durant cette phase de jour, effectuer une mont�e progressive en altitudde afin d'optimiser le vol de nuit qui suivra. Pour cela, il doit monter progressivement la puissance et utiliser ses gouvernes en surveillant le niveau de batterie.

Analyse de la phase de vol de jour P2.
Le jour , l'avion est soumis � une puissance solaire moyenne Psolaire = 1000 W m-2.
Surface des panneaux photovolta�ques : S = 269,5 m2 ; rendement 22,7 %.
 4.1. Calculer la puissance �lectrique en sortie des panneaux.
P�lec = Psolaire x S x rendement = 1000 x 269,5 x 0,227 =6,12 104 W.
4.2. D�terminer la puissance m�canique maximum d�livrable par les 4 moteurs et en d�duire la puissance �lectrique n�cessaire � leur fonctionnement.
Puissance m�canique d'un moteur : 17,5 ch soit 17,5 x 735,5 =1,29 104 W.
Rendement : 94 %.
Puissance �lectrique re�ue par un moteur : 1,29 104 / 0,94 =1,37 104 W
Soit pour 4 moteurs : 4 x 1,37 104 =5,48 104 W.
 Les 4 batteries ont une masse totale m = 633 kg, une densit� �nerg�tique d = 260 Wh kg-1 et un rendement de 96 %.
4.3 D�terminer l'�nergie � fournir aux batteries pour les charger � 100 % puis l'�nergie d�livrable en sortie des batteries.
Energie � fournir :633 x260 =1,65 105 Wh.
Energie d�livrable en sortie : 1,65 105 x 0,96 =1,58 105 Wh = 158 kWh.
4.4. D�terminer la puissance �lectrique n�cessaire � la recharge des batteries en 8 heures ( phase de jour de 6 h � 14 h).
1,58 105 / 8 =1,98 104 W.
  4.5. D�terminer la puissance de fonctionnement des moteurs durant la phase de prise d'altitude. Conclure.
L'avion passe de 5000 m � 10 000 m et les moteurs fonctionnent � 65 % de leur capacit�.
Puissance �lectrique consomm�e par les moteurs : 5,48 104 x0,65 =3,56 104 W.
Totale puissance  : 1,98 104 +3,56 104 =5,54 104 W.
Cette valeur �tant inf�rieure � 6,12 104 W, l'autonomie �nerg�tique est assur�e durant cette phase.

Analyse de la phase de jour P3.
On consid�re d�sormais que les moteurs fonctionnent � la puissance minimale requise( 30 % de leur capacit� ) permettant pilotage et conservation d'altitude.
 4.6. Calculer la puissance �lectrique et l'�nergie n�cessaire au fonctionnement des moteurs.
Puissance �lectrique : 5,48 104 x0,30 =1,64 104 W.
Dur�e de cette phase : 4 heures.
Energie n�cessaire aux moteurs : 1,64 104 x 4 =6,58 104 Wh= 65,8 kWh.
4.7. Calculer l'�nergie exc�dentaire produite par les cellules photovolta�ques.
Energie n�cessaire � la recharge des batteries : 6,58 104 Wh=65,8 kWh.
Energie produite par les cellules photovolta�ques : 6,12 104 x4 =2,45 105 Wh = 245 kWh.
Energie exc�dentaire : 245-65.8=179 kWh.

Analyse de la phase de nuit P4.
L'avion perd de l'altitude, car il �conomise de l'�nergie pour la fin de la nuit. Les moteurs recoivent la puissance minimale n�cessaire au pilotage et � la stabilit� ( 10 % de leur capacit� ). Les batteries sont charg�es au maximum au d�but de cette phase ( �nergie d�livrable 158 kWh)
 4.8. Calculer la puissance �lectrique et l'�nergie n�cessaire au fonctionnement des moteurs.
Puissance �lectrique : 5,48 104 x 0,10 =5,48 103 W.
Dur�e de cette phase : 4 heures.
Energie n�cessaire aux moteurs : 5,48 103 x 4 =2,19 104 Wh= 21,9 kWh.
4.9. D�terminer la quantit� d'�nergie restante pour la phase 1 dans les batteries une fois la phase 4 termin�e.
158-21,9 ~136 kWh.

Analyse de la phase de nuit P1.(22 h � 6 h matin soit 8 heures).
Les moteurs doivent permettre le maintien de l'avion � son altitude plancher de 5000 m.
 4.10. D�terminer la puissance �lectrique d�livrable par les batteries durant cette phase. V�rifier que cette puissance est suffisante pour maintenir l'altitude de l'avion.
Puissance batteries : 136 / 8 =17 kW.
Puissance absorb�e par les moteurs : 55,4 x 0,30 = 16,6 kW valeur inf�rieure � 17 kW.
4.11. Conclure sur la capacit� du Solar Impulse 2 � voler de mani�re autonome sur un cycle de 24 heures  avec les batteries et les cellules solaires d�crites.
Solar Impulse 2 est capable de voler de mani�re autonome sur un cycle de 24 heures.
Par contre si le jour suivant, l'ensoleillement ne permet la recharge des batteries qu'� 50 %, l'avion doit se poser pour recharger compl�tement ses batteries avant un �ventuel vol nocturne.
On consid�re que les consoommations �nerg�tiques de cet avion peut �tre repr�sent�es sous la forme du diagramme suivant :

4.12. D�terminer le rendement global de la chaine d'�nergie du Solar Impulse 2 : entre l'�nergie en entr�e des panneaux photovolta�ques et l'�nergie m�canique des moteurs.
W m�ca moteur =473,4  ; Wsolaire : 3234.
W m�ca moteur / Wsolaire =473,4 / 3234 ~0,146 ( 14,6 %).
4.13. Rep�rer l'�l�ment principal responsable des pertes et conclure quant � l'efficacit� globale des technologies mises en oeuvre dans le Solar Impulse 2.
Les panneaux photovolta�ques sont la principale cause de ce faible rendement global.
Les technologies sont innovantes : rendement de 22,7 % des panneaux photovolta�ques ; densit� �nerg�tique importante des batteries ; utilisation de mat�riaux ultral�gers en fibre de carbone.
5.1. Identifier et nommer la fonction r�alis�e par les blocs encadr�s en pointill�s.
Le groupe de gestion �nerg�tique et le module MPPT, plac�s entre le groupe photovolta�que et les batteries,  convertissent l'�nergie solaire en �nergie �lectrique.
5.2. Compl�ter le document suivant en positionnant par des rep�res verticaux les 4 phases de vol du cycle journalier.
5.3. Pr�ciser les phases qui correspondent � la charge ou � la d�charge des batteries. Justifier le signe de la grandeur " puissance batteries".

5.4. Donner 2 arguments permettant de justifier l'utilisation des modules MPPT dans la recherche de l'optimisation de l'effiacit� �nerg�tique.
Le module MPPT cherche en permanence � produire une tension et un courant correspondant � la puissance maximale que peut d�livrer le groupe photovolta�que.
Il permet �galement la r�gulation de la charge du pack de batteries.



  

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