Traitons le cas d'une habitation isolée. Examen EL 53 (Durée 2h) Documents non autorisés

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1 Exercice 1Â : Cas d'une habitation isolée. (10 points) Examen EL 53 (Durée 2h) Documents non autorisés Soit un chalet situé à 1500m, Sa façade sud jouit d'une bonne exposition avec un ensoleillement nominal 1000 W/m 2. C'est une famille de 4 personnes qui occupe cette maison régulièrement mais seulement le week end. La synthèse des consommations électriquesâ pendant le week end (2 jours): La famille dispose d'un système de 3 modules photovoltaïques et d'une batterie solaire au plomb ouvert Pour l'exposition Sud, le rayonnement reçu est de 3 kwh/mâ² jour en hiver et de 4 kwh/mâ² jour en été. 1. Quelle est la consommation moyenne par jour sur la semaine en été et en hiverâ? 2. Quelle est la production énergétique par jour en hiver? 3. Quelle est la production énergétique par jour en étéâ? 4. Comparez avec la consommationâ prévue. 5. Calculez les coefficients de pertes en hiver et en été La figure ci contre représente le générateur photovoltaïque débitant sur un bus continu sur lequel est connecté un accumulateur électrochimique. La caractéristique de sortie du générateur PV dépend de la puissance rayonnée sur le panneau et de la température des cellulesâ : 1

2 1 Débit sur source de tension indépendante du courant On suppose la puissance incidente égale à 1 kw/mâ². 1.1 Déterminer la valeur de la puissance débitée sur une source de tension égale à 20 V, 30 V puis 40 V, pour une température du générateur respectivement de 25Â C puis de 50Â C. Présenter les résultats dans un tableau. 1.2 Identifier les coordonnées du point où la puissance débitée est maximale, pour une température de 25 et 50Â C et préciser les valeurs correspondantes. 1.3 Commenter l'ensemble de ces résultats. 2 Débit sur source de tension variable avec consommateur externe La batterie d'accumulateur est modélisée par une force électromotrice E en série avec une résistance Rb. On note, Ich le courant consommé par l'utilisateur. 2.1 Exprimer la caractéristique Ipv = f(upv) en fonction des seuls paramètres de la batterie et du courant Ich. 2.2 En effectuant les constructions graphiques adéquates, avec E = 30 V, Rb = 2 â, déterminer le point de fonctionnement (Ipv, Upv) correspondant, d'une part à Ich = 0 et d'autre part à Ich = 2 A, à 1 kw/mâ², pour des températures de 25 et 50Â C. Calculer les valeurs correspondantes de la puissance photovoltaïque générée. 2.3 Commenter ces résultats relativement à la puissance maximale disponible. 3 Convertisseur d'adaptation 2

3 On propose d'intercaler un convertisseur à découpage entre le générateur PV et le bus continu comprenant l'accumulateur et le consommateur. Convertisseur continu continu pour un fonctionnement avec une tension de bus continu (VO) comprise entre 25 V et 50 V. La structure du convertisseur est présentée à la figure ci après, l'interrupteur K est commandé à la fermeture et à l'ouverture, à fréquence fixe et temps de conduction variable. Le rapport cyclique de conduction est noté α (rapport du temps de conduction sur la période de découpage). Le composant magnétique est une inductance à deux enroulements (primaire : n1 spires et secondaire : n2 spires) parfaitement couplés. Tous les éléments sont idéaux. Décrire qualitativement le fonctionnement de ce convertisseur dans ses deux phases de fonctionnement (lorsque K est fermé et lorsqu'il est ouvert) sur une période en régime permanent. Puis donner, en régime continu les allures formes d'onde des courants i1 et i2 et de la tension v1. Déterminer l'expression théorique (on ne considère aucunes pertes énergétiques) de la tension de sortie VO en fonction du rapport cyclique α et de la tension d'entrée VI. Exercice 2 : (2 points) Un aérogénérateur fournit annuellement une énergie de 1 millions de kwh. Une centrale nucléaire produit 10 milliards de kwh par an. 1. Quelle est la puissance fournie par la centrale nucléaire en supposant qu'elle fonctionne 320 jours par anâ? 2. Combien une ferme éolienne devrait contenir d'aérogénérateurs pour produire la même énergie que la centrale nucléaireâ? 3. Le diamètre du rotor de chaque aérogénérateur est de 45 m. Quelle surface occupe une éolienne. 4. Pour prendre en compte les perturbations aérodynamiques, on suppose qu'une éolienne occupe 2000 m2. Quelle sera la surface d'une ferme éolienne capable de fournir la même énergie que la centrale nucléaire. Questions du cours (6 points) 1. Expliquer le fonctionnement d'une éolienne en détaillant les principaux composants ainsi que leurs rôles. 2. Donner le modèle d'une cellule photovoltaïque et expliquer l'origine de ce modèle. 3. Quelles sont les énergies renouvelables? Expliquer le terme "renouvelable". A votre avis quelles sont les sources d'énergie du futur, commenter. 3

4 QCM (2 points) La production d'électricité par des sources hydrauliques représente en France : a) 15 % de la production totale b) 60 % de la production totale c) 80 % de la production totale d) 99 % de la production totale La connexion d'une éolienne sur le réseau peut provoquer des perturbations sur la distribution d'électricité. La vitesse de rotation des pã les d'une éolienne est contrôlable par : l'inclinaison de ses pã les le couple électromagnétique du convertisseur électromécanique Pourquoi veut on commander la vitesse de la turbine? Pour limiter les nuisances sonores. Pour augmenter la durée de vie de l'éolienne. Pour obtenir un maximum de puissance possible. Pour contrôler les pertes magnétiques de la MADA. Quelle est la production journalière moyenne de 10 mâ² de capteurs solaires photovoltaïques? 2 kwh 20 kwh 200 kwh 4

5 Parmi les secteurs d'activité énumérés ci après, quel est celui qui, en France, consomme le plus d'énergie (hors usages en matières premières tels que la fabrication des plastiques)? industrie habitat transports agriculture tertiaire Quel est le type d'énergie fossile qui émet le plus de CO2 par unité d'énergie contenue? charbon gaz pétrole Traitons le cas d'une habitation isolée 5