1 - le système à étudier

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1 1 - le système à étudier Comment fonctionne de manière globale le système? Comment décrire ses différents comportements ainsi que les différentes acquisitions possibles? 1.2 l exploitation d énergie électrique à bord du véhicule Durée conseillée : 1h + Complément 1h Etude complète Equipement et ressources nécessaires : Matériel «CREA Technologie» : Voiture Tamiya TT-01 H-Cell Voiture H-cell et une voiture avec batterie seule dans acquisition Mode opératoire global : Dans cette étude, nous allons identifier les énergies en entrée et en sortie du véhicule. Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 1

2 L'énergie c'est quoi exactement? où se cache-t-elle dans notre voiture? dans le moteur? les fils? les tuyaux? L énergie est la capacité d'un système à modifier un état, à produire un travail provoquant un mouvement, de la lumière ou de la chaleur. L énergie est un concept ancien. Après avoir exploité sa propre force et celle des animaux, l homme a appris à exploiter les énergies contenues dans la nature (d abord les vents, énergie éolienne et les chutes d eau, énergie hydraulique) et capables de lui fournir une quantité croissante de travail mécanique par l emploi de machines : machines-outils, chaudières et moteurs. L énergie est alors fournie par un carburant (liquide ou gazeux, énergie fossile ou non). Comme l énergie est nécessaire à toute entreprise humaine, l approvisionnement en sources d'énergie utilisable est devenu une des préoccupations majeures des sociétés humaines. À noter qu'au sens de la physique, il n'y a pas de sources d'énergie, ni d'énergies renouvelables, ni de pertes d'énergie car : L'énergie ne peut ni se créer ni disparaître. L'énergie ne se crée pas, ne se perd pas, elle se transforme. Les questions du stockage et du transport de l'énergie sont importantes pour l'activité humaine. Notre voiture va donc exploiter une «énergie source» pour fournir des forces mécaniques s opposant à des phénomènes résistants au mouvement dans le but d assurer au véhicule un déplacement. Cette «énergie d'entrée» du système ne se perd pas, mais se transforme. Il y a donc aussi une énergie en sortie. Nous allons les identifier. Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 2

3 1.2.1 Durée conseillée : 5 min 0 : 05 A propos d énergie dite «d'entrée» : notre cas est un peu particulier car ce véhicule hybride comporte en fait deux sources d'énergie. Identifier alors ci-dessous les éléments dans lesquelles est stockée cette énergie d'entrée. Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 3

4 1.2.2 Durée conseillée : 5 min 0 : 10 A propos de stockage d énergie : Nous avons ici deux éléments de stockage d'énergie. Associer ci-dessous à chacun des éléments «Pack Accumulateur» et «Cartouches Hydrostick», la forme d'énergie stockée, en cochant la ou les cases correspondantes. Pack Accumulateur Cartouches Hydrostick Energie Electrique Energie Thermique Energie Cinétique Energie Chimique Durée conseillée : 10 min 0 : 20 Autres formes d'énergie En vous appuyant sur d autres recherches documentaires, sur Internet par exemple, citez d'autres formes d'énergies. Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 4

5 Les éléments de stockage d énergie Batterie, ou «pack d accumulateurs» L'énergie électrique est stockée dans des accumulateurs (électrochimiques). Selon leur technologie, la quantité d'énergie dans un même volume peut alors varier. Ici nous avons par exemple un accumulateur nickel-hydrure métallique ou NiMH (de l'anglais nickel-metal) hydride, une technologie très répandue. Notre «Pack d accumulateurs» est en fait constitué de 6 accumulateurs associés en série. Dans notre système hybride, la batterie peut se charger ou se décharger selon le mode de fonctionnement de la voiture. Au repos du véhicule, la pile à combustible charge la batterie. A la fin du parcours, la batterie peut donc être autant chargée qu'au début. Cartouches Hydrostick La source d énergie chimique est stockée sous forme d'hydrogène, dans l'hydrostik. L'hydrogène étant ici stocké dans un hydrure métallique à basse pression. L'hydrure métallique absorbe les atomes d'hydrogène, un peu comme une éponge. Pendant l'utilisation du véhicule, la pile à combustible produit en permanence de l'énergie à partir des réserves d hydrogène. Cette énergie est alors utilisée pour déplacer le véhicule ou pour charger la batterie. Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 5

6 1.2.4 Durée conseillée : 5 min 0 : 25 Avant de disposer d'énergie dans les réservoirs, il faut la produire. L'hydrogène est produit à partir de l'eau. En brisant l eau H2O avec de l énergie, on obtient deux atomes d hydrogène et un atome d oxygène. En recombinant l hydrogène avec de l oxygène on obtient à nouveau de l eau et de l énergie. Préciser ci-dessous où sont prélevées les énergies stockées dans la batterie et dans les cartouches Hydrostick. Préciser la forme d énergie ainsi stockée. Batterie Cartouche Où est prélevée l énergie stockée? Sous quelle forme est-elle stockée? Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 6

7 1.2.5 Durée conseillée : 5 min 0 : 30 Observons la voiture, des réservoirs et batteries, jusqu aux organes à alimenter nous parlerons alors ici de «transport d énergie» au sein même de la voiture. Préciser ci-dessous par quels moyens techniques les différentes sources d énergies stockées sont alors «transportées» à partir des réservoirs et de la batterie. Repérer sur le dessin les zones «A» et «B» concernées A En sortie de la batterie B En sortie d une cartouche Moyen de transport Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 7

8 1.2.6 Durée conseillée : 5 min 0 : 35 Nous avons maintenant bien identifié les énergies d'entrée de notre système. Nous savons que cette énergie va se transformer en une autre forme énergie avec les organes du véhicule. Questions : A - Quelle sera la nature de cette nouvelle forme d énergie, et sur quel élément du véhicule peuton la mesurer? B - Au début du parcours, notre voiture est posée sur le sol, à l arrêt. A la fin, elle est toujours posée sur le sol, toujours à l arrêt. Où est passée alors l'énergie? A : B : Durée conseillée : 20 min 0 : 40 Vous allez maintenant tenter de quantifier cette énergie et lui mettre des unités et des grandeurs numériques, en vous aidant de relevés de consommation effectués sur un parcours avec la voiture ( voir le mode opératoire tableau de bord en annexe). Relevez en fin de parcours les différentes grandeurs physiques citées dans le tableau cidessous. Vérifier alors d après formules la cohérence entre certaines de ces valeurs. Energie utile consommée «E consommée» (J) Puissance moyenne «P moyenne» absorbée par le moteur (W) Courant «I» moyen (A) Tension «U» moyenne (V) (à calculer) Durée «t» de parcours (s) E consommée = P moyenne x t E consommée = x = J P moyenne = U x I P moyenne = x = W Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 8

9 Compléments d étude (durée conseillée : 1h) Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 9

10 A propos d unités utiles à l expression ou au calcul de l énergie Le joule est l'unité de mesure d énergie du Système International, égale au travail produit par une force d un newton dont le point d application se déplace d un mètre dans la direction de la force, ou encore au travail fourni par un courant électrique d un ampère traversant une résistance d un ohm pendant une seconde. Son symbole est J. Une énergie peut aussi parfois être exprimée en kilowatt-heure, comme c est le cas dans le bâtiment : 1 kw.h = J Le Joule est aussi le produit de la puissance par le temps, mais cette fois en Watt et en seconde ( E = P.t ), avec E en Joule, P en W et t en seconde, ou E en kw.h, P en kw, et t en heure Dans la vie de tous les jours et approximativement : 1 joule : l'énergie requise pour élever une pomme (100 grammes) d'un mètre (au voisinage de la terre), l'énergie nécessaire pour élever la température d'un gramme (un litre) d'air sec de un degré Celsius joules : la quantité de chaleur dégagée en dix secondes par une personne au repos ; l'énergie nécessaire à un enfant (30 kg) pour monter un étage (un peu plus de trois mètres). 1 mégajoule (un million de joules): un quart d'heure de chauffage par un radiateur de W. Il est difficile de mesurer directement l'énergie. En général on mesure d'autres grandeurs physiques et on calcule l'énergie. Par exemple : En électricité dans un courant continu délivré par une batterie, le produit du courant en Ampère par la Tension en Volt donne la Puissance en Watt : P = U.I En mécanique dans un cas de déplacement linéaire, le produit de la Force en Newton par la Vitesse en mètres/seconde nous donne la Puissance en Watt : P = F.V En chimie Dans le cas de l'hydrostik l énergie se présente sous forme de quantité de carburant, l hydrogène, dont la densité énergétique exprimée par exemple en Joules/litre nous permet alors de calculer la quantité d'énergie disponible, la densité énergétique de l'hydrogène est de Joules/litre mais, attention, toute cette énergie ne sera pas convertie en énergie électrique par la pile mais seulement 40% sera utilisable soit 4000joules/l. Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 10

11 Durée conseillée : 25 min 0 : 20 Exploiter les données inscrites sur la batterie et les rappels ci-dessous dans le but de calculer les quantités d énergie stockées sur la voiture. Rappels : J = 1W. 1s en mécanique : 1W = 1N. 1 m/s, donc 1J = 1N. 1m en électricité : 1W = 1V. 1A, donc 1J = 1V. 1A. 1s Tension Capacité Valeur inscrite sur batterie Unité inscrite correspondante ( Unité utile pour calcul ) ( V ) ( A.s ) Quantité d énergie stockée dans la batterie (J) Quantité d énergie stockée dans une cartouche Hydrostick contenant 1 gramme, soit 10 litres d hydrogène (J) Commentaire : Commentaire : Calcul d énergie stockée : Calcul d énergie stockée : Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 11

12 1.2.9 Durée conseillée : 15 min 0 : 45 L énergie stockée sur la voiture va donc nous permettre de la déplacer sur une certaine distance. L'énergie nécessaire au déplacement va dépendre des efforts de roulement, du poids de la voiture, de la résistance aérodynamique, et de la pente de la piste. Questions : A - Si nous prenons l'hypothèse d'un effort de propulsion global de 8 Newtons avec une vitesse de 20 km/h soit 5,5 m/s, quelle est la puissance nécessaire au déplacement de la voiture? B - Connaissant l'énergie disponible dans une cartouche et dans l accumulateur, déterminer la valeur de la durée théorique du parcours possible, à convertir en minutes en retenant la partie entière, dans les cas cités dans le tableau ci-dessous. A - Puissance nécessaire au déplacement de la voiture B Autonomie en minutes Cas d un système supposé parfait : Aucune perte d énergie entre la source de stockage et la voiture Cas d un système réel : En considérant par exemple 40% de pertes d énergie entre la source de stockage et la voiture* Pour la batterie seule Pour deux cartouches * Cette valeur n est ici qu arbitraire et approximative, sachant qu elle découle en principe d études relativement complexes. Nous pourrons cependant par la suite déterminer avec plus de précision l ampleur de ces pertes au sein du système au moyen de simples mesures. Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 12

13 . Annexe Mesure des paramètres de fonctionnement avec le tableau de bord 1 - Mettre le véhicule sous tension (Bouton à coté de l'afficheur) 2 - Mettre la pile à hydrogène sous tension (Bouton sur boîtier de contrôle) 3 appuyer sur le bouton tableau de bord 4 Appuyer sur LANCER ACQUISITION pour commencer les mesures 5 déplacer le véhicule avec la télécommande 6 Appuyer sur STOP pour arrêter les mesures. 7 Relever les valeurs affichées Voiture TAMIYA H-CELL / Dossier d étude 13