Physique chimie, station électrique mobile ADES, Bac Sti2d, stl Métropole 2018

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La station électrique mobile ADES est une unité de production électrique combinant différentes sources d'énergie renouvelables : panneaux solaires et éoliennes comportant des dispositifs d'auto-orientation ainsi qu'un groupe électrogène entrainé par un moteur diésel et un ensemble d'accumulateurs.
Partie A La station électrique mobile est-elle adaptée à la mission à Haïti ?
Cette station électrique mobile a été utilisée en Haïti, suite à un tremblement de terre, pour la fourniture d’électricité à un village isolé de 35 maisons.
A.1. Intérêt de la station mobile
A.1.1 Citer trois sources d’énergie qu'il est possible d'utiliser lors du fonctionnement de cette station mobile.
Le soleil, le vent, les énergies fossiles ( pétrole).
A.1.2 Donner deux avantages de cette station de production électrique par rapport à un groupe électrogène thermique classique.
Utilisation d'énergies renouvelables, donc économie de combustibles fossiles et limitation de la production de CO2 gaz à effet de serre.
A.2. Expérience menée à Haïti.
Durant l’expérience menée à Haïti, on considère que l’ensoleillement moyen sur l’année est équivalent à 600 W/m².
A.2.1 Déterminer pour un panneau photovoltaïque l’intensité nominale du courant IN pour une tension nominale d’utilisation UN = 25 V.

A.2.2 Montrer que la puissance électrique nominale d’un panneau photovoltaïque Pélect vaut 125 W.
Pélect = IN UN = 5 x25 = 125 W = 0,125 kW..
A.2.3 Calculer S, la surface d’un panneau photovoltaïque. l argeur = 1 m ; longueur = 1,65 m.
S = 1,65 m2.
A.2.4 Sachant que l’on souhaite disposer d’une puissance électrique d’origine solaire moyenne pour ce village de 8,4 kW, calculer le nombre de panneaux photovoltaïques nécessaires, en déduire la surface totale.
8,4 / 0,125 = 67,2 soit 68 panneaux.
Surface totale : 68 x1,65 ~ 112 m2.

Partie B Conditions d’utilisation des éoliennes
B.1. Étude de l’anémomètre
Pour utiliser une éolienne de manière efficace sans l’endommager, il est nécessaire de connaître la valeur de la vitesse du vent.
B.1.1 Compléter le document suivant en précisant quelles sont les grandeurs d’entrée et de sortie du capteur.

B.1.2 Déterminer en km/h les valeurs extrêmes que l’on peut mesurer avec cet anémomètre.
0,25 m /s  soit 0,25 x3,6 = 0,9 km / h.
50 m /s soit 50 x3,6 = 180 km / h.
B.1.3 Déterminer un encadrement de la vitesse du vent lorsque l’anémomètre affiche une valeur de 20,0 m/s.
Précision ± 3 % soit ± 20,0 x0,03 = ±0,6 m /s.
19,4 m /s ; 20,6 m /s.
B.2. Calculer la fréquence f (en Hz) du rayonnement électromagnétique émis par la DEL de l’optocoupleur présent dans l’anémomètre. En déduire, à l’aide du spectre électromagnétique la nature du rayonnement émis par la DEL.
l = 940 nm ; f = c / l = 3,00 108 /(940 10-9) =3,19 1014 Hz, domaine infrarouge.
Donnée : vitesse de la lumière dans le vide c0 = 3,00·108 m/s
B.3. Indiquer la valeur de la tension Vph en sortie de l'optocoupleur quand :
- Le disque ne laisse pas passer la lumière émise par la DEL sur le phototransistor. VPh = 12 V.
- Le disque laisse passer la lumière émise par la DEL sur le phototransistor. VPh = 0 V.
B.4. Une série de mesures a permis de tracer la vitesse linéaire v (en m/s) du vent en fonction de la fréquence f (en Hz) de la tension de sortie us(t).

B.4.1 Justifier le fait que l’équation de ce tracé est de la forme v = k  f avec k constant.
Le graphe est une droite passant par l'origine.
B.4.2 Montrer alors que la relation est : v = 0,07  f , v étant exprimé en m/s et f en Hz.
Pente de la droite : 50 / 720 ~0,07.
B.5. Une simulation du dispositif permet de visualiser les tensions us(t) en sortie du système électronique de mise en forme de l’anémomètre, à l’aide d’un oscilloscope, pour deux vitesses différentes du vent.
B.5.1 Mesurer la période T de la tension us(t) à partir de l’oscillogramme 1.
B.5.2 Vérifier que la valeur de la fréquence f est de 250 Hz.
B.5.3 En déduire alors la vitesse du vent v en m/s.
B.5.4 Déterminer pour chacun des cas correspondant à ces oscillogrammes si l’éolienne est mise en arrêt automatique ou si elle est en fonctionnement.

f = 1 /(4 10-3) = 250 Hz.
v = 0,07 x250 = 17,5 m /s, l'éolienne fonctionne.

T = 6 / 4 = 1,5 ms.
f = 1 /(1,5 10-3) ~667 Hz.
v = 0,07 x 667 ~47 m /s, valeur supérieure à 25 m/s, l'éolienne est à l'arrêt.


 

Partie C Fournir de l’énergie en l’absence de soleil et de vent.
C.1. Les accumulateurs
On donnele schéma de principe de la charge d’un accumulateur.
C.1.1 Compléter correctement le schéma  en barrant la mauvaise réponse pour :
- le sens positif du courant,
- le sens de circulation des électrons,
- le nom de la réaction (réduction ou oxydation) ayant lieu sur chacune des électrodes.

C.1.2 À l’aide des demi-équations aux électrodes de l’accumulateur, déterminer l’équation bilan de la réaction lors de la charge.
2 Pb2+ +2H2O = PbO2 + Pb +4H+.
 C.1.3 La station dispose d’accumulateurs au plomb 48 V - 3170 Ah.
C.1.3.1 Donner la signification de ces deux indications chiffrées.
48 V : tension aux bornes de l'accumulateur.
Quantité d'électricité disponible 3170 ampère heure.
C.1.3.2 Vérifier alors que l’énergie pouvant être stockée dans ces accumulateurs est de l’ordre de 150 kWh.
Energie disponible : 3170 x48 = 1,52 105 Wh ~ 1,5 102 kWh.
C.1.4 La puissance électrique fournie par le groupe électrogène thermique étant de 34 kW, pendant combien d’heures les accumulateurs peuvent-ils se substituer au groupe électrogène thermique avant d’être totalement déchargés ?
150 / 34 = 4,4 h ou 4 h 24 min.






C.2. Le moteur diesel du groupe thermique
Le gazole est un mélange de différents hydrocarbures de 12 à 23 atomes de carbone. Toutefois pour traiter cette partie, on assimilera le gazole à de l’hexadécane C16H34 pur.
C.2.1 Compléter l'équation de combustion complète de l’hexadécane C16H34 avec le dioxygène.
2C16H34 +49 O2 ---> 32 CO2 + 34H2O.
C.2.2.1 Calculer la masse de gazole correspondant au volume consommé annuellement par la station.
2000 L  ; masse volumique  0,770 kg /L ; masse 2000 x0,770 =1540 kg.
C.2.2.2 Déterminer la quantité de matière n de l’hexadécane consommée sur une année.
M(hexadécane) = 226 g/mol = 0,226 kg / mol.
n = 1540 / 0,226 = 6,81 103 mol.
C.2.2.3 En vous aidant de l’équation de combustion, montrer que, pour une combustion complète des n moles de l’hexadécane, la quantité de matière formée de CO2 est de 1,1·105 mol.
6,81 103 x16 ~ 1,1·105 mol.
C.2.2.4 En déduire la masse en dioxyde de carbone libérée dans l’atmosphère sur une année.
1,1·105 xM(CO2) = 1,1 105 x0,044 ~ 4,8 103 kg = 4,8 t.
C.2.2.5 Déterminer la valeur en tonne de la masse de CO2 économisée par cette station mobile sur une année par rapport à un groupe électrogène thermique qui fournirait 100 % de l’énergie.
La production d’électricité par le groupe thermique correspond à 9 % de la production totale annuelle de la station mobile en Haïti.
4,8 x 91 / 9 =48,5 t.
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