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BACCALAURÉAT GÉNÉRAL Session 2005 Série S Sciences de l’ingénieur Composition é

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL Session 2005 Série S Sciences de l’ingénieur Composition écrite de Sciences de l'ingénieur Durée 4 heures, coefficient 4 Étude d'un système pluritechnique. Sont autorisés les calculatrices électroniques et le matériel nécessaire à la représentation graphique. Aucun document n’est autorisé. Le phare de l’île noire Photo : Philip Plisson Sommaire Dossier Texte du sujet (13 pages) comportant : durée conseillée La présentation du support de l’étude pour la lecture du sujet 15 minutes La partie 1 : Analyse fonctionnelle 10 minutes La partie 2 : Vérification de l’autonomie du feu 20 minutes La partie 3 : Recharge de la batterie par le panneau solaire seul 20 minutes La partie 4 : Recharge de la batterie par l’aérogénérateur seul 70 minutes La partie 5 : Etude de la régulation mécanique 70 minutes La partie 6 : Régulation de la charge de la batterie d’accumulateurs 35 minutes Dossier Documents Techniques (5 pages) numérotées DT1 à DT4 Dossier Documents Réponses (4 pages) numérotées DR1 à DR4 Les réponses seront rédigées sur feuille de copie ou sur les documents réponses lorsque l’indication en est donnée. PRESENTATION 1/13 1. Principe de fonctionnement Le support de l’étude est le phare de l’Ile Noire situé dans la baie de Morlaix (Finistère). Ce phare est équipé à son sommet d’un système d’éclairage qui sert à guider les bateaux dans la nuit. Il constitue une aide à la navigation dans ces parages à la fois fréquentés et dangereux. Le signal lumineux émis par ce phare est intermittent et possède un rythme propre qui permet de l’identifier. Le rythme du phare est donné par la répartition des temps de lumière (L) et d’obscurité (O) : 2. Constitution du phare Etat du phare (L) (O) t(s) PHOTOELECTRIQUE T = 6s 1 2 2/13 3. DESCRIPTION DES CONSTITUANTS 3.1. La source lumineuse La source lumineuse est une lampe halogène d’une puissance de 90 W. Elle est alimentée sous une tension continue de 24 V. Un système optique est mis en place, ce qui permet d’augmenter l’intensité lumineuse de la lampe et la visibilité du phare. Ce système optique s’appelle « lentilles de Fresnel » du nom de son inventeur. Il est réalisé en polycarbonate. 3.2. La carte électronique de commande et de contrôle La commande du phare est électronique, le coffret et la carte de commande assurent plusieurs fonctions : Détection de la luminosité minimale : grâce à une détection par cellule photoélectrique de la lumière ambiante, le phare va s'allumer automatiquement, dès que la luminosité ne permet plus une visibilité suffisante (nuit, brouillard). Définition du rythme du signal lumineux : une mémoire programmée contient tous les rythmes normalisés. Le choix du rythme du signal lumineux se fait grâce à une roue codeuse. Contrôle de l’état de la batterie : le phare s’éteint en cas de décharge excessive de la batterie pour éviter de la détériorer. Elle interrompt également la charge de la batterie lorsque celle-ci est complètement chargée. Contrôle de l’état de la lampe : la détection de fonctionnement de la lampe permet de mettre en route le changeur de lampe si le filament est rompu. Télésurveillance du fonctionnement général : les informations de sécurité relatives à l’état du phare sont transmises vers un poste de surveillance à terre. 3.3. Le changeur de lampes Le changeur de lampe est doté de six lampes au total, il est à commutation mécanique. Si le courant s‘interrompt dans la lampe, une nouvelle lampe est amenée au foyer de l’optique par la rotation du barillet. 3.4. La batterie d’accumulateurs La batterie d’accumulateurs au plomb étanche réalise l’alimentation électrique autonome de la lampe. Elle permet de stocker l’énergie électrique produite par l’aérogénérateur et par le panneau 3/13 solaire. Elle restitue en partie cette énergie la nuit pour l’alimentation de la lampe et du circuit électronique de commande et de contrôle du phare. Caractéristiques : Tension nominale : 24 V continu Capacité nominale : 250 Ah 3.5. L’aérogénérateur L’aérogénérateur est une machine qui a pour fonction de prélever une partie de l’énergie éolienne disponible pour la transformer en énergie électrique. L’hélice : L’organe de prélèvement de l’énergie éolienne est une hélice à calage (angle d’incidence des pales…) variable. La variation de ce calage est commandée par l’action de la force centrifuge. L’efficacité de fonctionnement du calage variable est telle que la vitesse de rotation ne varie pratiquement plus lorsque la vitesse du vent atteint puis dépasse la vitesse de vent nominale Vn, vitesse pour laquelle la machine fournit sa puissance nominale. L’alternateur : Le générateur électrique est constitué d’une machine synchrone triphasée à aimants permanents. Il est couplé directement à l’hélice. Caractéristiques : o Vitesse de rotation nominale : 525 tr/min. o Puissance nominale : 150W La régulation de la vitesse de rotation : Après que la machine ait atteint sa vitesse de rotation nominale, le calage variable règle en permanence les pales de sorte que leur angle d’incidence soit à la limite du décrochage aérodynamique. Cela signifie qu’à l’instant du décrochage, l’action du vent sur les pales est négligeable. Pour l’aérogénérateur, la vitesse nominale du vent est de 7 m/s Le gouvernail : L’extrémité arrière du bâti porte le gouvernail d’orientation de l’aérogénérateur. x y z 4/13 3.6. Le panneau solaire photovoltaïque Le panneau solaire est constitué de cellules photovoltaïques qui convertissent l’éclairement énergétique* du soleil en courant continu. L’assemblage des cellules en série permet d’obtenir une tension compatible avec la charge de la batterie. Le courant produit par le panneau est directement proportionnel à l’ensoleillement reçu : le panneau solaire fonctionne comme un générateur de courant. Les conditions d’installation du panneau solaire permettent la meilleure exposition au soleil tout au long de l’année : orientation sud, inclinaison égale à la latitude. * L’éclairement énergétique définit la puissance du rayonnement solaire reçue par unité de surface. Il s’exprime en W/m2. DT N°1 sur la batterie d’accumulateurs et le panneau solaire DT1 BATTERIE D’ACCUMULATEURS La batterie est constituée de 12 accumulateurs montés en série. La tension à ses bornes est de 24V. Elle varie entre 21 V et 29 V selon l'état de charge. Capacité La capacité C de la batterie s’exprime en ampères-heures (Ah). C’est la quantité d’électricité que la batterie chargée peut restituer au cours d’une décharge complète. La capacité nominale C10 est définie pour une décharge complète à courant constant pendant 10 heures. Le courant constant débité est noté I10. Si C10 = 250 Ah : la décharge durera 10 heures pour un courant de décharge I10 constant et égal à 25 A. La capacité réelle de la batterie dépend du courant de décharge : - Si le courant moyen de décharge est inférieur à I10, la capacité de la batterie est supérieure à C10. - Si le courant moyen de décharge est supérieur à I10, la capacité de la batterie est inférieure à C10. Le tableau suivant indique la capacité de la batterie en fonction du courant de décharge : Courant de décharge (A) 25 12,5 7 5 3,9 3,1 1,6 Capacité (Ah) 250 300 335 360 370 375 390 PANNEAU SOLAIRE Le panneau solaire est constitué de 72 cellules photovoltaïques montées en série qui lui permettent de charger des batteries de 24 V. Il produit un courant continu I proportionnel à l’éclairement énergétique reçu. Caractéristique Courant (I) en fonction de la tension (V) Le graphe I = f(V) donné ci-dessous indique les performances typiques du panneau solaire pour différentes valeurs de l’éclairement énergétique : Caractéristiques électriques Puissance typique Ptyp : 120 W Tension à la puissance typique Vtyp : 33,7 V Courant à la puissance typique Ityp : 3,56 A Puissance minimale garantie Pmin : 110 W Courant de court-circuit Isc : 3,8 A Tension à circuit ouvert Voc : 42,1 V Ces données caractérisent la performance des modules types mesurées dans les Conditions d'Essai Standard (STC) : - Éclairement énergétique de 1 kW/m2; - Température de la cellule : 25 °C Courant I (A) 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 1000 W/ 2 800 W/m2 600 W/m2 400 W/m2 200 W/m2 Tension (V) DT N°2 sur le dimensionnement des aérogénérateurs DT2 Des essais en soufflerie permettent de définir, pour un profil de pale donné, un coefficient de puissance Cp, caractéristique de l’éolienne. Ce coefficient Cp permet de déterminer la puissance disponible sur l'arbre de l'aérogénérateur par application de la relation suivante : Phel = 2 1 .ρ.Cp.S.V3 où : Phel = puissance mécanique fournie (disponible sur l’arbre de l’aérogénérateur) Cp = coefficient de puissance ρ = masse volumique de l'air en kg/m3 = 1,225 Kg/m3 S = surface du disque éolien en m² (surface circulaire générée par la rotation des pales) v = vitesse du vent en m/s 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Vent (m/s) Cp Coefficient de puissance Cp en fonction de la vitesse du vent (Cp = f(V)) DT N°3 sur uploads/Industriel/ bac-s-si-juin-2005-polyn-sie.pdf