BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES GÉNIE MÉCANIQUE SESSION 2009 SCIENCES PHYSIQUES ET PHYSIQUE APPLIQUÉE

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1 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES GÉNIE MÉCANIQUE SESSION 2009 SCIENCES PHYSIQUES ET PHYSIQUE APPLIQUÉE Polynésie Juin Durée : 2 heures Coefficient : 5 L'emploi de toutes les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique est autorisé à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu'il ne soit pas fait usage d'imprimante. (Circulaire n du 16/11/1999) Avant de composer, assurez-vous que l'exemplaire qui vous a été remis est bien complet. Ce sujet comporte 5 pages numérotées de 1/5 à 5/5. La page 5/5 où figurent les documents réponses est à rendre avec la copie. Page1/5

2 I1 est rappelé aux candidats que la qualité de la rédaction, la clarté et la précision de l'argumentation entreront pour une part importante dans l'appréciation des réponses. ÉTUDE D'UNE MAISON ECOLOGIQUE Le problème du changement climatique, dû à l'émission de dioxyde de carbone, et la raréfaction des énergies fossiles conduisent à utiliser au mieux les sources d'énergie telles que!'énergie solaire ou l'énergie éolienne dans le domaine de l'habitat. Le sujet suivant propose de réfléchir à quelques solutions allant dans ce sens. Les différentes parties A, B, C, D et E sont indépendantes et peuvent êtres traitées dans l'ordre qui conviendra au candidat (Par contre respecter clairement la numérotation des questions). Partie A : Étude des panneau solaires Aucune connaissance spécifique sur les panneaux solaires n'est requise. Afin d'utiliser l'énergie que nous envoie le soleil, le toit de la maison écologique est recouvert en partie de panneaux solaires qui convertissent l'énergie rayonnée par le soleil en énergie électrique continue : un panneau solaire PS (cellules photovoltaïques) peut être considéré comme un générateur de tension continue : I PS U Dans les conditions optimales d'ensoleillement, un panneau solaire débite sous une tension.u de 35 V une intensité de I de 4,3 A. A-1 Calculer-la puissance électrique fournie par un panneau solaire. A-2 Quelle énergie électrique fournit un panneau solaire en 10 heures d'ensoleillement? A-3 La puissance maximale d'un.panneau solaire est 150 W. Quel nombre n de panneaux solaires faut-il utiliser pour fournir une puissance de 600 W? A-4 On souhaite obtenir une tension de 70 V aux bornes de l'association des n panneaux solaires précédents. Comment faut-il les associer? Un schéma clairement annoté peut être un élément de la réponse. A-5 Quelle intensité est alors débitée par l'association des n panneaux solaires? Page2/5

3 Partie B : Étude du convertisseur continu continu L'énergie électrique fournie par les panneaux solaires est emmagasinée dans des batteries par l'intermédiaire d'un hacheur série (figure 1 du document à rendre page 5/5). K est un interrupteur électronique, supposé parfait, commandé périodiquement. Sur une période T de fonctionnement, K est fermé de 0 à αt et ouvert de αt à T (α est le rapport cyclique du hacheur). On visualise sur la voie 1 d'un oscilloscope la tension u c (figure 2 du document à rendre page 5/5). B-1 Compléter la figure 1 en y indiquant les connexions à l'oscilloscope pour observer u c. B-2 Déterminer la période et la fréquence de fonctionnement de ce convertisseur. B-3 Quelle valeur prend u c quand K est fermé? quand K est ouvert? A partir de la figure 2 représentant u c, donner la valeur de la tension aux bornes de l'association des panneaux solaires. B-4 Déterminer la valeur numérique du rapport cyclique α dont on rappellera l'expression. B-5 On veut mesurer la valeur moyenne de u c. B-5-1 Sur quel mode (DC, AC+DC ou AC) réglez-vous le voltmètre numérique utilisé? B-5-2 Quelle valeur numérique indique-t-il? Partie C: Étude du moteur à courant continu actionnant la pompe à eau Afin d'utiliser l'eau d'un puits ou d'une cuve de récupération des eaux pluviales, on actionne une pompe par un moteur à courant continu à aimants permanents dont la plaque signalétique indique les valeurs nominales suivantes : Tension nominale d'induit : U N = 48,0 V Intensité nominale d'induit : I N = 13,7 A Fréquence de rotation nominale n N = 3000 tr.min -1 Puissance utile (mécanique) nominale: P UN = 550 W C-1 Déterminer pour le fonctionnement nominal : C-1-1 le moment du couple utile ; C-1-2 la puissance électrique absorbée ; C-1-3 le rendement ; C-1-4 les pertes par effet Joule de l'induit sachant que l'on suppose les pertes fer et mécaniques de ce moteur négligeables. C-2 Représenter le modèle équivalent de Thévenin de l'induit du moteur en y fléchant toutes les tensions et l'intensité. C-3 Déduire de la question C-1-4 la valeur de la résistance R de l'induit. C-4 Quelle relation déduisez-vous du C-2 entre U, E (fem induite), I et R. U I MCC Pompe Page3/5

4 Partie D: Étude de l'alternateur triphasé associé à l'éolienne Afin de compléter ses besoins en énergie électrique, la maison écologique est dotée d'une éolienne qui entraîne en rotation un alternateur triphasé. D-1 Quel type de conversion énergétique réalise un alternateur? D-2 Cet alternateur comporte 20 pôles et fournit des tensions de période 20,0 ms. A quelle fréquence de rotation l'éolienne entraîne-t-elle l'alternateur? D-3 On a mesuré la valeur efficace V des tensions simples (entre phase et neutre) et l'on a trouvé 110 V. D-3-1 Sur quel mode (DC, AC+DC,AC) était réglé le voltmètre numérique? D-3-2 Qu'indiquerait le voltmètre précédent s'il était branché entre deux phases? D-4 Cet alternateur triphasé débite une intensité efficace en ligne de 5,20 A dans un récepteur triphasé équilibré de facteur de puissance 0,930. Déterminer la puissance active délivrée par l'alternateur. Partie E : Étude des batteries d'accumulateurs L'énergie électrique produite par des panneaux solaires ou par une éolienne est stockée sous forme d'énergie chimique dans des batteries d'accumulateurs. E-1 Quelle conversion énergétique est réalisée lorsqu'une batterie est utilisée en tant que générateur électrique? E-2 Le fonctionnement d'une batterie d'accumulateurs repose sur le phénomène chimique de l'oxydoréduction. En employant des mots parmi la liste suivante : électrons, perte ou perdre, gain ou gagner, échange, donner les définitions des mots suivants : Oxydant Réducteur Oxydation Réduction Oxydoréduction Page4/5

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