L’énergie solaire, Solar Impulse, l’avion électro-solaire pouvant voler de nuit ! Concours général Stl 2014

Le premier avion électro-solaire Solar Impulse HB-SIA décolle de Payerne en Suisse le 7 juillet 2010 à 6 h 51, piloté par André Boschberg. Toute la journée, Solar Impulse HB-SIA est monté pour atteindre 8500 m d’altitude en fin d’après-midi, chargeant ses 400 kg de batteries à l’aide des 11628 cellules solaires installées sur ses 63,40 m d’envergure. Au coucher de soleil, l’avion solaire, privé de son énergie, a ensuite converti l’énergie potentielle accumulée en énergie cinétique, ce qui lui a permis de planer lentement. Puis, parvenu à l’altitude de 1500 m vers 23 h, il a ensuite volé jusqu’au matin en utilisant une partie de l’énergie stockée dans la journée dans les 400 kg de batteries embarquées. Pour la première fois, un aéronef piloté a volé plus de 24 h en utilisant directement ou indirectement l’énergie solaire. L’expérience acquise par l’équipe est maintenant mise au service de la construction du Solar Impulse HB-SIB qui devrait faire le tour de la planète en 2014.
Besoins énergétiques.
Le document qui suit, fournit les besoins énergétiques du Solar Impulse HB-SIA en fonction de la plage horaire. Pour une vitesse moyenne de 70 km.h^-1, les caractéristiques énergétiques très simplifiées sont les suivantes :

		Puissance consommée par
Horaires	Puissance radiative moyenne reçue ( Wm^-2)	Un des moteurs (kW)	Système de communication (W)	Reste des appareils embarqués ( W)
De 0 h à 6 h	0	3,0	50	250
De 6 h à 20 h	250	6,9
De 20 h à 24 h	0	3,0

Déterminer en heures les durées totales :
Dt_N pendant laquelle l’avion fonctionne grâce à l’énergie solaire seule.
De 6 h à 20 h. Dt_N =14 h.
Dt_J pendant laquelle l’avion fonctionne grâce aux accumulateurs.
De 20 h jusqu'à 6 h du matin : Dt_J =10 h.
Les moteurs ne fonctionnent pas de manière continue, mais se coupent régulièrement pour éviter une surchauffe. En moyenne sur la durée totale, ils ne fonctionnent que pendant un quart de la durée Dt_N ou Dt_J. Pendant toute la durée où l’avion est privé de son énergie solaire, calculer la valeur de l’énergie totale W_N nécessaire à son bon fonctionnement.
Durée sans énergie solaire : 10 h ; durée de fonctionnement des 4 moteurs : 10/4 = 2,5 h.
Energie consommée par les 4 moteurs : 3,0*4*2,5 =30 kWh.
Energie consommée par les autres appareils : (250+50) *10 =3000 Wh = 3,0 kWh.
W_N = 33 kWh.
Même question lorsque celui-ci fonctionne avec l’énergie solaire (on appellera W_J cette énergie).
Energie consommée par les 4 moteurs : 6,9*4*14/4 =96,6 kWh.
Energie consommée par les autres appareils : (250+50) *14 =4200 Wh = 4,20 kWh.
W_J ~101 kWh.
Accumulateurs.
Le défi majeur à relever est le stockage de l’énergie solaire sous forme électrique dans les batteries d’accumulateurs pour que l’avion puisse voler de nuit. De jour, l’avion capte l’énergie solaire nécessaire à son vol, mais doit aussi en stocker suffisamment dans ses batteries pour son vol de nuit.
Les batteries lithium-polymère embarquées au côté de chaque moteur proviennent de la société Kokam. Elles possèdent une densité énergétique w = 200 Wh.kg^-1 et peuvent produire chacune une tension nominale U = 4,35 V.
Les 400 kg d’accumulateurs, embarqués dans le Solar Impulse, sont montés en série. Source :ttp://www.solarimpulse.com/fr/.
Déterminer l’énergie totale W_Li-po disponible grâce aux accumulateurs embarqués.
W_Li-po = 400 w =400*200= 8,0 10⁴ Wh = 80 kWh.
Comparer la valeur de cette énergie à celle de l’énergie totale W_N calculée précédemment.
W_Li-po est bien supérieure à W_N.
Quelle est l’utilité d’une telle différence ? Calculer alors la durée de vol autonome Dt_A du Solar Impulse privé de son énergie solaire. Combien de vols de nuit cette quantité représente-t-elle ?
A la tombée de la nuit, on n'est pas certain que les batteries soient complètement chargées. Le lendemain, il peut y avoir une couverture nuageuse.
80/33= 2,42 vols de nuits ; Dt_A =2,42*10 ~ 24 h.
Quelle est lors de chaque utilisation, la profondeur de décharge P_d des batteries embarquées, c’est-à-dire le rapport exprimé en pourcentage de l’énergie consommée W_N sur l’énergie stockée W_Li-po .
33/80 *100 ~ 41 %.