Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Page 1 sur 25 (partie commune) BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE Sciences et technolog

Page 1 sur 25 (partie commune) BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE Sciences et technologies de l’industrie et du développement durable (STI2D) Ingénierie, innovation et développement durable Sujet zéro Coefficient 16 – Durée 4 heures Aucun document autorisé – Calculatrice autorisée Constitution du sujet : o PARTIE COMMUNE (2h30) .................................. 12 points o PARTIE SPÉCIFIQUE (1h30) ............................... 8 points Le dossier sujet comporte deux parties indépendantes qui peuvent être traitées dans un ordre indifférent. Ces deux parties seront traitées sur des feuilles indépendantes. Les documents réponses sont à rendre agrafés avec vos copies. Page 2 sur 25 (partie commune) PARTIE COMMUNE (2h30) ...................................................... 12 points SOLAR IMPULSE 2 o Présentation de l’étude et questionnement .................... pages 3 à 10 o Documents techniques..................................................... pages 12 à 21 o Documents réponses ....................................................... pages 22 à 25 Tous les documents réponses, DR 1 à DR 4, sont à rendre agrafés avec votre copie. Page 3 sur 25 (partie commune) Mise en situation Entre mars 2015 et juin 2016, les pilotes Bertrand Piccard et André Broschberg ont réussi un tour du monde historique en avion à énergie solaire, le Solar Impulse 2, un appareil autonome en énergie et silencieux. Volant de jour comme de nuit (grâce aux batteries) et sans carburant, l’avion a parcouru plus de 43 000 km en 600 heures de vols effectifs, répartis sur 17 étapes en solitaire (au lieu de 13, prévues initialement). Ce sujet propose d’étudier certaines solutions techniques qui ont permis cet exploit. Le Solar Impulse 2 est basé sur des technologies récentes, comme les cellules photovoltaïques, les batteries au lithium-polymère et les matériaux ultralégers en fibre de carbone. Afin que le projet aboutisse, chaque élément de l'avion a été conçu et optimisé pour réduire la masse de l'avion, augmenter son aérodynamisme, réduire sa consommation d'énergie et maximiser le rendement des cellules photovoltaïques. Page 4 sur 25 (partie commune) Travail demandé Partie 1 : l’énergie électrique est-elle une solution pertinente pour l’avenir du transport aérien ? Question 1.1 À partir de la répartition mondiale des émissions du dioxyde de carbone (CO2) du document technique DT 1, calculer la somme de ces émissions en milliard de tonnes et le pourcentage dû au transport. Conclure sur l’impact du transport dans les émissions mondiales de dioxyde de carbone. DT 1 Question 1.2 Le document technique DT 2 présente la comparaison des émissions de dioxyde de carbone en fonction du type de transport (train, car/bus, voiture, avion). Ces émissions sont données avec 3 unités différentes. Compléter le document réponse DR 1 et expliquer pourquoi un trajet en avion a plus d’impact en matière d’émission de CO2 qu’un trajet moyen en voiture ou en bus,-car. DT 2 DR 1 Question 1.3 Après la lecture des différents extraits d'article du document technique DT 3, expliquer pourquoi l'avenir de la propulsion aérienne pourrait être électrique. DT 3 Partie 2 : comment valider la solution « Solar Impulse 2 » ? L’avion électrique est encore loin de pouvoir transporter de nombreux passagers, mais l’idée progresse. Le but de Solar Impulse 2, c’est de prôner et de développer l’utilisation des technologies propres. Il n’est pas le seul avion à se présenter de cette façon. De nombreux projets mettent en avant leur respect de l’environnement, on peut citer : - Le Diamond DA42 – VI, un avion diesel qui met en avant sa faible consommation en gazole. - Le X-57 de la Nasa, un avion électrique expérimental. - L’aéronef Ehang 184, un drone capable de transporter un passager. Ces trois avions ont des objectifs assez différents du Solar Impulse 2 ; les questions suivantes vont permettre de bien comprendre en quoi ils diffèrent. Question 2.1 Après lecture du diagramme des exigences DT 4, compléter dans la première colonne du DR 2, les exigences attendues des lignes 1, 4 et 5. DT 4 DR 2 Page 5 sur 25 (partie commune) Question 2.2 Dans le DR 2 et en vous servant du DT 5, pour chaque avion, vérifier si les critères sont respectés ou pas (mettre +1 si le critère est respecté, sinon -1). Faire le total des points. DT 4, DT 5 DR 2 Question 2.3 En bas du DR 2, conclure sur le seul avion qui respecte tous les critères. DT 4, DT 5 DR 2 Partie 3 : comment est structuré l’avion « Solar Impulse 2 » ? En fonctionnement de jour, l’énergie solaire récoltée par les cellules photovoltaïques est transmise aux batteries par l’intermédiaire d’un module de gestion MPPT (dont le rôle sera étudié dans la suite du sujet). Cette énergie permet d’alimenter les moteurs ; elle est ensuite adaptée grâce aux réducteurs, pour permettre aux hélices de tracter l’avion. Question 3.1 Après lecture du texte précédent décrivant le principe de fonctionnement et à l’aide du DT 6, compléter le diagramme IBD sur le DR 3 de la façon suivante : Indiquer les noms des blocs suivants : « cellules photovoltaïques », « batteries », « moteur », « réducteur » et « hélices ». Indiquer les flux suivants : « énergie solaire », « énergie électrique », « énergie mécanique de rotation », « énergie mécanique de translation » (responsable de la traction de l’avion). Surligner le flux d’énergie, du soleil à l’énergie mécanique de translation responsable du mouvement d’avancement de l’avion. DT 6 DR 3 Le pilote doit également, durant cette phase de jour, effectuer une montée progressive en altitude 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. Question 3.2 Compléter le diagramme IBD sur le DR 3 de la façon suivante : Surligner sur l’IBD le flux d’information relatif au niveau de charge de la batterie (de la batterie à l’afficheur de niveau batterie). DT 6 DR 3 Page 6 sur 25 (partie commune) Partie 4 : pourquoi optimiser l’efficacité énergétique du « Solar Impulse 2 » ? Le document DT 6 présente l’évolution sur 24 heures d’un vol en conditions normales (météorologie favorable) sans les phases de décollage et d’atterrissage. Les moteurs sont au nombre de 4, chacun possède une puissance : P méca moteur = 17,5 ch (1 ch = 735,5 W) et un rendement : ηmoteur = 94 %. Les moteurs doivent fonctionner à : - Au moins 65 % de leur capacité pour permettre à l’avion de prendre de l’altitude ; - Au moins 30 % de leur capacité pour conserver l’altitude de croisière de l’appareil ; - Au moins 10 % de leur capacité pour permettre le pilotage et la stabilité ; - Quasiment 100 % durant les phases d’accélérations et de décélérations rapides qui ont lieu au décollage et à l’atterrissage. Analyse de la phase de vol de jour P2 : On souhaite dans un premier temps vérifier que les apports solaires vont permettre aux moteurs de faire prendre de l’altitude à l’avion et aux batteries de se recharger à 100 % durant la phase de jour (phase 2 du DT 6). Le jour, l’avion est soumis à une puissance solaire surfacique moyenne P solaire = 1000 W ∙m−2. Les panneaux photovoltaïques ont une surface : Sphotovoltaïque = 269,5 m² avec un rendement : ηphotovoltaique = 22,7 %. Question 4.1 Déterminer les apports solaires en calculant la puissance électrique en sortie des panneaux photovoltaïques : P élec photovoltaique. Rappel : P élec photovoltaique = Sphotovoltaique × P solaire × ηphotovoltaique Question 4.2 Déterminer la puissance mécanique totale maximum délivrable par les 4 moteurs : P méca moteur. En déduire la puissance électrique P élec moteur nécessaire à leur fonctionnement à 100 % : Rappel : ηmoteur = P méca moteur P élec moteur ⁄ Les 4 batteries ont une masse totale de : mbatteries = 633 kg, une densité énergétique : dbatteries = 260 Wh ∙kg−1 avec un rendement : ηbatteries = 96 %. Page 7 sur 25 (partie commune) Question 4.3 Déterminer l’énergie à fournir aux batteries pour les charger à 100 % : Wbatteries entrée puis l’énergie délivrable en sortie des batteries : Wbatteries sortie. Question 4.4 Déterminer la puissance électrique nécessaire à la recharge des batteries : P batteries durant le temps imparti à celle-ci. DT 6 Question 4.5 Déterminer la puissance de fonctionnement des moteurs durant cette phase de prise d’altitude. Comparer la puissance fournie par les cellules photovoltaïques à celle nécessaire pour charger les batteries ainsi que pour faire fonctionner les moteurs conformément à la demande lors de cette phase (on considère que l’intégralité de l’énergie fournie est consommée ou perdue lors de cette phase). Conclure. Analyse de la phase de vol de jour P3 : On souhaite connaître la quantité d’énergie excédentaire dans le cas où tout se passe normalement. On considère désormais que les moteurs fonctionnent à la puissance minimale requise permettant pilotage et conservation d’altitude. Question 4.6 Déterminer la puissance électrique nécessaire au fonctionnement des moteurs durant cette phase P élec moteur P3 En déduire la quantité d’énergie nécessaire au fonctionnement des moteurs durant cette phase Wélec moteur P3. DT 6 Question 4.7 Déterminer uploads/Voyage/ sti2d-spe-ingenierie-innov-dev-durable-2021-zero-1-sujet-officiel.pdf