Production d'énergie électrique sur un voilier. Bac Sti2d et Stl 2014

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La solution classique pour disposer d’énergie électrique à bord d'un voilier est d’utiliser un moteur Diesel (qui ne doit pas servir à la propulsion du bateau) couplé à un alternateur pour recharger les batteries.Besoins en énergie électrique
Le document suivant donne les ordres de grandeurs des puissances et des durées de fonctionnement par jour pour les différents postes de consommation.
Rappeler la relation entre l’énergie E (en wattheures) consommée par un appareil, sa puissance P (en watt) et la durée de fonctionnement Δt (en heure).
E = P Dt.
Calculer l’énergie absorbée par chaque poste de consommation ainsi que l’énergie pour l’ensemble des postes.
Poste
 Puissance (W)
 Durée de fonctionnement (h)
 Energie consommée par jour ( Wh)
1 : dessalinisateur
 50
 2
 50*2 = 100
2 : pilote automatique
 40
 20
 40*20=800
3 : ordinateur +GPS+radio 80
 24
 80*24=1920
4 : éclairage intérieur
 40
 12
 40*12=480
5 : feux de signalisation
 70
 10
 70*10=700
Total :
 4000

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 : mutagène et cancérogène ; 4 : danger pour l'environnement.
Lors de quel temps du cycle de fonctionnement du moteur Diesel y a-t-il libération d’énergie par le mélange « air + combustible » ?
Le mélange "air-combustible" libère de l'énergie lors du troisième temps ( temps moteur ).
 À quelle valeur particulière la température du mélange « air-combustible » doit-elle être supérieure à la fin de l’injection ? Justifier.
Le mélange "air-combustible" peut s'auto-inflammer si sa température est supérieure à 225 °C.
L’un des hydrocarbures que l’on trouve dans le gasoil est le dodécane de formule chimique C12H26.
Equilibrer l’équation de la combustion complète du dodécane dans le dioxygène de l’air, sans indiquer les états de la matière.
C12H26 + 18,5O2 ---> 12 CO2 + 13 H2O.
Panneaux photovoltaïques.
On donne la caractéristique tension-courant des panneaux utilisés 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 photovoltaïque est maximale, compléter le tableau des valeurs caractéristiques.
Tension nominale 18,2 V
Intensité nominale 5,5 A
Tension à vide 20 V
Intensité de court-circuit 7 A
Calculer la puissance maximale Pmax d’un panneau photovoltaïque pour les conditions de rayonnement indiquées.
Pmax =18,2*5,5 = 100,1 ~100 W.
La surface de ce panneau est S = 0,556 m2. Calculer la puissance reçue, notée Preçue, dans les conditions de rayonnement indiquées.
Preçue = Prayonnement S =1000*0,556 = 556 W.
Compléter le schéma du bilan de puissance du panneau photovoltaïque.

Indiquer de quelle(s) nature(s) sont les pertes pour un panneau photovoltaïque.
La puissance perdue est sous forme de puissance thermique.
L’énergie électrique nécessaire par jour à bord du voilier est Ejour = 4,00 kW.h. De plus, la valeur de la puissance produite par mètre carré de panneau est P = 180 W.m-2 pour un rayonnement de puissance 1000 W.m-2.
Calculer l’énergie Epanneau produite par un mètre carré de panneau pour une journée proposant 5 heures d’un rayonnement supposé équivalent à 1000 W.m-2.
Epanneau = P Dt = 180 *5 = 900 Wh m-2.
En déduire la surface de panneaux devant être installée sur le bateau.
S =Ejour / Epanneau=4,00 / 0,900 = 4,44 m2.
Quels paramètres peuvent influer sur l’énergie produite par ces panneaux solaires photovoltaïques ?
La présence ou l'absence de soleil ( couche de nuages ) ; l'inclinaison du panneau.




Éolienne ou hydrogénérateur.
Sur les vingt bateaux au départ de la dernière édition du Vendée Globe, six étaient équipés d’une ou deux éoliennes à axe horizontal et tous étaient équipés d’un ou deux hydrogénérateurs. L’éolienne est placée sur le pont du voilier. Son rotor est mis en rotation par le vent et le rotor est couplé à un alternateur qui produit ainsi de l’électricité.
L’hydrogénérateur est une hélice immergée placée à l’arrière et mise en mouvement par le déplacement du voilier. Cette hélice, comme pour l’éolienne, est reliée à un alternateur pour produire de l’électricité.
En utilisant certaines des propositions données ci-dessous, compléter les chaînes de conversion d’énergie « éolienne vers batterie » et « hydrogénérateur vers batterie ».
 Propositions : électrique, chimique, nucléaire, mécanique, vent, voilier en mouvement, convertisseur alternatif-continu, convertisseur continu-alternatif.
Chaîne de conversion « éolienne vers batterie ».

Chaîne de conversion « hydrogénérateur vers batterie »

Quelle première conclusion peut-on faire sur le choix entre l’utilisation d’une éolienne ou d’un hydrogénérateur ?
Un hydrogénérateur produit une puissance supérieure à celle de l'éolienne.
Estimer l’ordre de grandeur de la puissance moyenne que peut fournir un hydrogénérateur et montrer que celui-ci permet de couvrir les besoins énergétiques journaliers sur le voilier ( 4,00 kWh jour-1).
Puissance moyenne  fournie par l'hydrogénérateur : 250 W.; énergie moyenne fournie par jour : 250*24 = 6000 Wh = 6,0 kWh.
L'énergie produite couvre les besoins journaliers.
De quel type de vent (réel, vitesse ou apparent) dépendent les performances d’une éolienne ? Justifier.
Les performances d'une éolienne fixée sur le bateau dépendent du vent que l'on ressent sur le voilier en mouvement, c'est à dire le vent apparent.
Indiquer les jours pendant lesquels la production d’énergie de l’éolienne ne suit pas la même évolution que celle de l’hydrogénérateur.
Entre le 12è et le 18è jour l'éolienne ne produit rien, alors que l'hydrogénérateur produit de l'énergie.
Pour ces jours, quelle allure suivie par le voilier (près, vent de travers, largue ou vent arrière) pourrait expliquer cette différence de production entre l’éolienne et l’hydrogénérateur ? Justifier.
Par vent arrière, le vent apparent est quasiment nul.

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La batterie.
Tous les concurrents disposent d’une ou plusieurs batteries à bord. Celles-ci sont du type accumulateur au plomb ou du type accumulateur lithium-ion.
Décharge d’une batterie au plomb.
 Rappeler la définition d’un oxydant et d’un réducteur.
Un réducteur est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs électrons ; un oxydant est une espèce chimique susceptible de gagner un ou plusieurs électons.
Compléter le schéma  en indiquant :
- le sens de circulation des électrons à l’extérieur de la batterie,
- le sens conventionnel du courant à l’extérieur de la batterie,
- les bornes + et – de la batterie,
- le nom de la réaction (oxydation ou réduction) ayant lieu sur chacune des électrodes.

Écrire l’équation de la réaction globale lors de la décharge..
Faire la somme des deux demi-équations :
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 représente l’indication 160 A.h ?
160 Ah est la capacité de la batterie.
Calculer l’énergie Ebatterie stockée dans cette batterie lorsqu’elle est entièrement chargée.
Ebatterie = Q U = 160*12 = 1920 Wh.
Calculer la masse minimale d’une telle batterie.
On donne l'énergie massique de la batterie : entre 30 et 40 Wh kg-1.
Masse minimale de la batterie : 1920 / 40 = 48 kg.
Justifier l’intérêt de changer de technologie pour utiliser une batterie lithium-ion.
On donne l'énergie massique de la batterie lithium-ion : 200 Wh kg-1.
Masse minimale de la batterie lithium-ion : 1920 / 200 ~10 kg.
L'énergie massique d'une batterie lithium-ion est supérieure à celle d'une batterie au plomb.




Le dessalinisateur.
Le dessalinisateur permet de dessaler l’eau de mer afin de disposer d’eau douce à bord. On donne les caractéristiques du dessalinisateur choisi.

Pour une course de 100 jours et des besoins de 10 litres par jour, quelle masse d’eau devrait être embarquée au départ s’il n’y avait pas de moyen de production d’eau douce à bord ? Commenter.
100*10 = 1000 L soit 1 m3 ou 1000 kg d'eau.
Cette quantité 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 résultat.
Débit volumique fois durée de fonctionnement = 5,7 *2 = 11,4  ±1,7 L.
Cela suffit pour la production quotidienne d'eau douce.
Dans le système international d’unités, un débit volumique doit être exprimé en m3 .s-1.
Convertir la valeur 5,7 L.h-1 en m3.s-1, puis exprimer le débit volumique DV sous la forme : DV = DVmoy ± ΔDV
DVmoy est le débit volumique moyen ; ΔDV est la tolérance sur le débit 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 récepteur G.P.S.
Tout participant à la course possède un récepteur G.P.S. à bord.
Le terme « Global Positioning System (G.P.S.) » peut être traduit en français par « système de localisation mondial ».
Ce système est basé sur l’utilisation de nombreux satellites (situés à environ 20000 km de la Terre) qui émettent en permanence des ondes sur des fréquences de 1 575,42 MHz (pour le domaine civil) et 1 227,60 MHz (pour le domaine militaire). Ces ondes électromagnétiques contiennent les informations nécessaires au calcul de la position des satellites.
Le récepteur G.P.S. peut, grâce à ces informations, calculer la distance qui le sépare des satellites, et ainsi connaître ses coordonnées.
Rappeler la structure d’une onde électromagnétique.
Une onde électromagnétique est constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique.
Positionner approximativement les ondes électromagnétiques émises par les satellites du système G.P.S. pour le domaine civil et pour le domaine militaire.
1575 MHz = 1,575 109 Hz.


Rappeler la relation entre la fréquence f, la longueur d’onde l et la célérité c d’une onde électromagnétique.
l = c / f.
Calculer la longueur d’onde l pour une onde électromagnétique de fréquence f = 1575,42 MHz.
On rappelle la valeur de la célérité : c = 3,00.108 m.s-1.
l = 3,00 108 / (1,575 109) =0,190 m.
Une information envoyée par un des satellites est reçue par le récepteur G.P.S. positionné sur le bateau avec un retard Δt = 70,0 ms.
Calculer la distance d séparant le satellite du voilier, et vérifier que cette distance est plausible.
d = c Dt= 3,00 108 *0,0700 =2,1 107 m = 2,1 104 km.
Cela correspond à peu près à l'altitude des satellites du système GPS.


  

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