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L’ENERGIE :• cours
• proposition d’évaluation
• TP de physique appliquée Géneratrice asynchrone• Application en essais de système : Panneau solaire de la couveuse
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référentiel BTS Electrotechnique
} 2 semaines de cours (2 x 3h) + 1TP / élève
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I. LES DIFFERENTES FORMES D’ENERGIE:
1°/ Introduction : Qu’est ce que l’énergie ?
2°/ Transformation d’énergie :
3°/ Conservation de l’énergie :
II. ENERGIES RENOUVELABLES ?
1°/ Energie solaire :
2°/ Energie hydraulique :
3°/ Energie éolienne :
4°/ Energie de la biomasse :
5°/ Energie géothermique :
III. PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE :
1°/ Energie électrique produite en France
2°/ Centrales électriques : thermique hydraulique nucléaire
3°/ Energie éolienne :
4°/ Energie photovoltaïque et centrales photovoltaïques :
5°/ Cogénération :
6°/ Sources d’énergie autonomes :
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1°/ Introduction : Qu’est ce que l’énergie ?
L'énergie est difficile à définir simplement autrement qu'à
travers ses effets et ses variations : pour le transport, pour le
chauffage des habitations, pour l'industrie, pour l'éclairage et
autres appareils électriques... Un système possède donc de
l'énergie s'il est capable de fournir du travail mécanique ou son
équivalent...
I. LES DIFFERENTES FORMES D’ENERGIE:
Rem : L'unité du SI pour l’énergie est le joule (J). Mais en
électricité on utilise aussi le wattheure (Wh), les économistes
utilisent plutôt la tonne d'équivalent pétrole (tep avec
1tep=42GJ), les médecins nutritionnistes la calorie (cal avec
1cal=4,18J)
thermique
mécanique
électrique
lumineuse
chimique
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Radiateur électrique
Lampe électrique
Moteur électrique
Accumulateur en charge
Transformateur
ÉNERGIE ELECTRIQUE
Énergie utile fournieÉnergie consommée
ELECTRIQUE
THERMIQUE (chaleur)
RAYONNANTE (lumière)
MECANIQUE (travail)
CHIMIQUE
2°/ Transformation d’énergie :
Exemple :
6
ÉNERGIE ELECTRIQUE ABSORBEE
EN
ER
GIE
M
EC
AN
IQU
E
(frotte
men
ts)
ENERGIE MECANIQUE
UTILE
3°/ Conservation de l’énergie :a) Enoncé du principe : l’énergie totale d’un système isolé reste constante.
b) Exemple d’application : moteur électrique
Wa Wmu
EN
ER
GIE
TH
ER
MIQ
UE
(eff
et jo
ule
)
EN
ER
GIE
DU
E
AU
X P
ER
TES
FER
Moteur électriq
ue
WfWferWj
Wa = Wj +Wfer + Wf +
Wum
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c) Rendement : c’est le rapport entre l’énergie utile en sortie du convertisseur et l’énergie reçue par celui-ci.
Rem : Cette grandeur est sans unité, et peut s’exprimer en %.Exemple : 38% pour une centrale électrique thermique
40% pour un moteur à essence 5% pour une ampoule classique
= Wutile / Wabsorbée
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II.ENERGIES RENOUVELABLES ?
Une énergie renouvelable est une source d’énergie qui se
renouvelle assez rapidement pour être considérée comme
inépuisable à l’échelle de l’homme. Les énergies
renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers
ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil
(rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (énergie
géothermique).
Aujourd'hui, on assimile souvent par abus de langage les
énergies renouvelables aux énergies propres.
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Centrales électriques thermiques solaires (miroirs paraboliques ou cylindroparaboliques)
Déjà dans l’antiquité, les Grecs allumaient la flamme des Jeux olympiques à l’aide d’un miroir parabolique (skafia)
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Fours solaires (ici four d’Odeillo dans les Pyrénées-Orientales)
Température qui peut atteindre 3800°C traitement thermique de certains matériaux – puissance 1000kW
Puissance qui peut atteindre 150MW (californie « solar two »)
Centrales électriques thermiques solaires (miroirs plans)
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2°/ Energie hydraulique :
L'énergie hydraulique est l’énergie mise en jeu lors du
déplacement ou de l'accumulation d'un fluide incompressible
telle que l'eau douce ou l'eau de mer. Ce déplacement va
produire un travail mécanique qui est utilisé directement ou
converti sous forme d'électricité.
Applications : Celle-ci est donc utilisée dans les barrages pour
permettrent de produire de l’électricité, mais aussi dans la
mer avec l’énergie marémotrice, l’énergie des vagues et
l’énergie hydrolienne qui utilisent la puissance due aux
déplacements de l'eau de mer pour faire tourner des turbines
et entraîner ainsi des alternateurs.
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Usine marémotrice (de la Rance en Bretagne) : qui utilise l’énergie due aux maréesHydroliennes : qui utilisent la force des courants marins
Barrage hydraulique
Puissance 240MW
La + grande au monde
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3°/ Energie éolienne :
Elle utilise la force du vent. Celui-ci
est dû à des différences de pressions
atmosphériques locales qui
proviennent de différences
d'échauffement de l'air par le soleil.
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4°/ Energie de la biomasse :
La biomasse (ensemble de la matière végétale) est une
véritable réserve d’énergie, captée à partir du soleil grâce
à la photosynthèse. (processus biologique au cours duquel les
végétaux utilisent, grâce à l'énergie lumineuse, le gaz
carbonique et l'eau pour produire des sucres (amidons
notamment) et rejeter de l'oxygène).
Production d’énergie par
Combustion de résidus forestiers dans chaudière
Fermentation (méthanisation) : production de biogaz ou biocarburants
2 grandes tours de biométhanisation, production du biogaz à partir de la partie organique des déchets
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5°/ Energie géothermique :
Centrale géothermique en Islande
La géothermie consiste à capter la chaleur contenue dans la croûte terrestre pour produire du chauffage ou de l’électricité.
Applications suivant la profondeur : • Production d’électricité (en France centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe qui permet l’alimentation de 9% de besoins de l’île)• Réseaux de chauffage urbain• Chauffage et climatisation individuelle
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III. PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE :
énergie électrique produite en France en 2006
Calculer la part de production en % pour les différents modes de production dans le tableau.
1°/ Energie électrique produite en France :
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a) Centrale thermique :
Une centrale thermique classique produit de l'énergie électrique à partir de l'énergie thermique de combustion de plusieurs milliers de tonnes par jour d'un fossile (charbon, pétrole, gaz), préalablement convertie en énergie mécanique par une turbine à vapeur.
2°/ Centrales électriques : thermique, hydraulique nucléaireElles transforment des sources d’énergie naturelle en énergie électrique.
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b) Centrale hydraulique :
Une centrale hydraulique produit de l'énergie électrique en
utilisant l’énergie hydraulique de l’eau accumulée dans les
barrages. Cette énergie entraîne les turbines d’un
alternateur.
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c) Centrale nucléaire :Une centrale nucléaire produit de l'énergie électrique en
utilisant la fission nucléaire pour produire la chaleur nécessaire à
la production de l’électricité. Elle utilise pour cela la chaleur libérée
par l'uranium qui constitue le "combustible nucléaire". L'objectif
est de faire chauffer de l'eau afin d'obtenir de la vapeur. La pression
de la vapeur permet de faire tourner à grande vitesse une turbine,
laquelle entraîne un alternateur qui produit de l'électricité.
(principe similaire à celui d’une centrale thermique)
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Exemple 1 : Centrale nucléaire de ST Alban du Rhône (Isère - 50km de Lyon)
2 réacteurs de 1300MW
Mise en service : 1985
Produit en moyenne par an 16 milliard de kWh soit par an l’énergie consommée par 11 villes comme Lyon.
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4 réacteurs de 925MW
Mise en service : 1972
Produit en moyenne par an 25 milliard de kWh soit 40% de la consommation de la région Rhône-alpes.
Exemple 2 : Centrale nucléaire du Bugey à Saint-Vulbas (Ain –30km de Lyon)
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3°/ Energie éolienne :
Elle peut être utilisée de 2 manières :
• conservation de l’énergie mécanique : navire à voile, pour pomper l’eau, pour faire tourner la meule d’un moulin. • transformation en énergie électrique : l’éolienne ou aérogénérateur directement relié au réseau ou de manière indépendante
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Eolienne à vitesse variable connectée au réseau
Voir TP physique appliquée : génératrice asynchrone
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Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
contact sur zone P
contact sur zone N
zone dopée P
zone dopée N
absorption des photons
génération des porteurs
semi-conducteur
collecte des porteurs
I
4°/ Energie photovoltaïque et centrale photovoltaïque:
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Panneau solaire : Fabrication des modules
Il est fondu (temp : 1430°C) en lingot
Le lingot est découpé en
briques
Les briques sont découpées en plaques
Les plaques sont transformées en cellules (dopage bore +
phosphore,couche antireflets, contact métalliques)
Les cellules sont assemblées pour constituer un module et
encapsulées dans du plastique
L’énergie nécessaire à la fabrication d’un module représente10% de l’énergie que ce module produira pendant sa vie
Le silicium est placé dans un creuset
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Applications :
1 m² de cellules photovoltaïques délivre une puissance d'environ 100
à 200 W.
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En Allemagne, on trouvait la plus grande centrale solaire photovoltaïque au monde (production de 10 MW (un réacteur nucléaire standard produit environ 1500 MW). Sa superficie est équivalente à 56 terrains de football. En mars 2007, au Portugal, une autre centrale a été inaugurée encore plus grande et pourra produire 11MW (consommation de 8000 foyers), avec 52000 panneaux solaires. Mais d’autres projet sont en cours d’ici 2010 au Portugal à « Moura » (62MW) mais aussi en Allemagne (40MW).
Centrales électriques photovoltaïques
En France à la Réunion :10 000 m² / 1,35MW
En Allemagne : « la bavaria solar
park » Au Portugal à Serpa
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Évolution :
Le marché du photovoltaïque est en plein essor avec +de 30% de croissance par an au niveau mondial.
Le Japon n°1 mondial et l ’Allemagne pour l ’Europe qui est très dynamique.
(90% des installations actuelles sont implantées au Japon, en Allemagne et aux États-unis).
La production de Silicium destiné au photovoltaïque n ’étant pas suffisante par rapport à la demande
développement de nouvelles cellules à base de Cuivre Indium Sélénium (CIS) (couche déposée + fine et possibilité d ’utiliser des supports flexibles).
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5°/ Cogénération :La cogénération consiste à produire en même temps et dans la même installation de l’énergie thermique (chaleur) et de l’énergie mécanique. • énergie thermique : chauffage
production d’eau chaude par échangeur. • L’énergie mécanique transformée en énergie électrique (alternateur). Elle est ensuite revendue à EDF ou consommée par l’installation.énergie de départ utilisée : gaz naturel, fioul ou toute forme d’énergie locale (géothermie, biomasse) ou liée à la valorisation des déchets (incinération des ordures ménagères…).
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Exemple de centrale de cogénération (installation Rosen en Italie) : Cette centrale est implantée dans une usine chimique (production de chlore, soude caustique, eau oxygénée). En 1997 la centrale de cogénération a été implantée sur le même site. Elle apporte à l’usine :* Une puissance électrique de 356MW pour permettre la continuité de la fourniture électrique en cas de problème sur le réseau électrique national* Une puissance thermique grâce à la production de vapeur surchauffée. Avantages : rendement très bon (>90%)
30% à 40% de l’énergie primaire sont transformés en énergie électrique, tandis que 50 à 60% se retrouvent sous forme de chaleur
moins d’émission de polluants dans l’atmosphère et limitation d’émission de gaz à effet de serre. Les limites : problème de proximité entre la centrale de cogénération et les différents lieux où on veut récupérer l’énergie thermique.
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6°/ Sources d’énergie autonomes :a) Piles électriques :
Elles transforment l’énergie chimique en énergie électrique et ceci grâce à des réactions d’oxydoréduction.La pile électrique a été inventé en 1800 par Alessandro Volta.
● Principe de fonctionnement de la pile Daniel :A l’électrode négative on observe une oxydation du zinc :Zn (métal) Zn2+ (solution) + 2 e- du zinc passe en solution, transformé en ions Zn2+ et des électrons sont libérés vont pouvoir quitter l’électrode et traverser le circuit extérieur. A l’électrode positive on observe une réduction des ions cuivre : Cu2+(solution) + 2 e- Cu (métal) Les ions Cu2+ de la solution se déposent à l'état de cuivre sur l’électrode en cuivre. Les électrons nécessaires à cette réduction arrivent à l’électrode positive par le circuit extérieur, en provenance de la lame de zinc. Au bilan on a la réaction d’oxydo réduction suivante : Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu
Rem : le pont salin (KCl) rétablit la neutralité électrique des solutions)
Solution de sulfate de zinc (Zn2+ + SO4
2-)
Solution de sulfate de cuivre (Cu2+ + SO4
2-)
Anode cathode
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● Grandeurs caractéristiques :- fém E, résistance interne r :Sa caractéristique tension-courant est UPN=E-rI- Quantité d’électricité débitée : Q = I.t avec Q en Coulomb (C)On appelle capacité d’une pile la quantité maximale d’électricité fournie par la pile.
● piles électrochimiques usuelles : La pile zinc/carbone ou pile Leclanché (pile saline) (bâton) :capacité de stockage limitée /ne peut être utilisée que dans des appareils qui ne consomment pas beaucoup d’énergie (radio, calculette, télécommande, réveil,...) /il arrive qu’elle coule / deux fois moins cher que les piles alcalines / durent deux à trois fois moins longtemps.La pile alcaline (bâton, bouton):très performante /grande capacité de stockage /longue durée de vie / type de pile très répandu. La pile à oxyde d’argent (bouton) :Pour : montres, calculettes, gadgets La pile au lithium (bouton) grande pile bouton / très plate /utilisée dans les montres, les calculettes /mais beaucoup + cher
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b) Accumulateur :
Il transforme aussi l’énergie chimique en énergie électrique et ceci grâce à des réactions d’oxydoréduction mais est réversible. Il est rechargeable par opposition à une pile qui ne l'est pas. (Le terme batterie est alors utilisé pour caractériser un assemblage de cellules élémentaires, en général rechargeables mais attention en anglais on ne fait pas la distinction).● Principe de fonctionnement de l’accumulateur au plomb : (inventé en 1860 par Planté)
Il est constitué de deux plaques de plomb (électrodes) plongée dans une solution d'acide sulfurique (2H+ ; SO4
2-). Lorsqu'il a été chargé au préalable par un générateur entre ces deux électrodes il existe comme pour une pile une fém.
Pendant la décharge : on a une oxydation du plomb à l'anode libérant ainsi des électrons (l'électrode diminue de volume). Ceux-ci arrivent à la cathode où il y a une réduction de l'oxyde de plomb qui se transforme en ions Pb2+ (diminution de la couche d'oxyde de Plomb).Pendant la charge :Un générateur est branché aux bornes de l'accumulateur. On observe là aussi une oxydation à l'anode (qui permet de reformer une couche d'oxyde de plomb, et une réduction à la cathode qui permet de reformer l'électrode de plomb.
R
RéductionPbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O
OxydationPb = Pb2+ + 2 e-
CATHODE ANODE2e-
Pb2+
PbO2
2e-
Pb2+ Pb
RéductionPb2+ + 2 e- = Pb
OxydationPb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e-
CATHODEANODE2e-
Pb2+
PbO2
2e-
Pb2
+Pb
e-+
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● Grandeurs caractéristiques :
Suivant la technologie utilisée on aura des tensions plus ou moins grandes. Mais un accumulateur est pour l'essentiel défini par trois grandeurs :
•Sa densité d'énergie massique (ou volumique), en watt-heure par kilogramme, Wh/kg (ou en watt-heure par litre, Wh/l), correspond à la quantité d'énergie stockée par unité de masse (ou de volume) d'accumulateur.
•Sa densité de puissance massique, en watt par kilogramme (W/kg), représente la puissance (énergie électrique fournie par unité de temps) que peut délivrer l'unité de masse d'accumulateur.
* Sa cyclabilité, exprimée en nombre de cycles, caractérise la durée de vie de l'accumulateur, c'est-à-dire le nombre de fois où il peut restituer le même niveau d'énergie après chaque nouvelle recharge.
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Jusqu'à la fin des années 80, les deux principales technologies répandues sur le marché étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage de véhicules, l'alimentation de secours de centraux téléphoniques...) et les accumulateurs nickel-cadmium (outillage portable, jouets, éclairage de secours...). Les inconvénients relevés sur la technologie au plomb (poids, fragilité, utilisation d'un liquide corrosif) ont conduit au développement d‘accumulateur alcalins, de plus grande capacité (quantité d'électricité restituée à la décharge) mais développant une fém plus faible. Les technologies au plomb, comme les accumulateurs alcalins, se caractérisent par une grande fiabilité, mais leurs densités d'énergie massiques restent relativement faibles (30 Wh/kg pour le plomb, 50 Wh/kg pour le nickel-cadmium).Au début des années 90, avec la croissance du marché des équipements portables, deux filières technologiques nouvelles ont émergées : les accumulateurs nickel-métal hydrure et les accumulateurs au lithium.
● Différents types d'accumulateurs – Evolution :
Type Énergie massiqueTension d'un
élément
Durée de vie(nombre de recharges)
Temps de charg
e
auto-déchargepar mois
Plomb 30-50 Wh/kg 2 V 200-300 8-16 h 5 %
Ni-Cd 48-80 Wh/kg 1,25 V 1 500 1 h 20 %
Ni-Mh 60-120 Wh/kg 1,25 V 300-500 2-4 h 30 %
Li-ion 110-160 Wh/kg 3,7 V 500-1 000 2-4 h 10 %
Li-Po 100-130 Wh/kg 3,7 V 300-500 2-4 h 10 %
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c) Pile à combustible :
Elles transforment aussi l’énergie chimique en énergie électrique et ceci grâce à des réactions d’oxydoréduction.
● Principe de fonctionnement d’une pile à hydrogène :Elle possède une cathode et une anode séparées par un électrolyte qui assure entre autre le passage du courant par transfert ionique des charges. Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici l'oxygène O2) et son réducteur (ici l'hydrogène H2). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et oxygène. Le réducteur peut aussi être du méthanol ou du gaz naturel. À l'anode : H2 → 2H+ + 2e– (oxydation) production de 2 électrons par molécule de dihydrogène. L'ion H+ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique. À la cathode : O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O (réduction)Les réactions sont rendues possibles par la présence d'un catalyseur de dissociation de la molécule de dihydrogène qui peut être une fine couche de platine divisé sur un support poreux qui constitue l'électrode à hydrogène.
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● Intérêts :Fonctionnement propre car elle ne produit que de l’eau et consomme uniquement des gaz.● Difficultés :Une des difficultés majeure réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogène. Dans la nature, l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène (H2O), au soufre (H2S) et au carbone (combustibles fossiles de types gaz ou pétroles). La production de dihydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique ou électrochimique.Ensuite, le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou 700 bar), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol ou de méthane qui seront ensuite transformés pour libérer du dihydrogène. Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction, sont généralement assez faibles. ● Applications et perspectives :Dans le domaine spatial tout d’abord (années 1960) puis grâce à la baisse des prix, son utilisation croît dans de nouveaux domaines (notamment pour alimenter des prototypes d'ordinateurs portables, de téléphone portable ou d'appareil photos ou encore de véhicules propres).
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Travail de recherche documentaire proposé aux
élèves :• Recherche en amont du cours du
principe de fonctionnement d’une pile, d’un accumulateur, d’une pile à combustible ….
• Recherche des dangers des métaux lourds utilisés dans les piles ou accumulateurs : cadmium, plomb ….
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Cours en lien avec :
• Proposition d’évaluation à partir d’un bilan
• 1 TP de physique appliquée • En essais de systèmes :
application au panneau solaire du système « couveuse »
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Propositions d’évaluations
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électrique GWh thermique ktep électrique GWh thermique ktepHydraulique 52 285 56 350Eolien 964 2 150Solaire 15 21 22 27Géothermie 130 130Pompes à chaleur 371 437Déchets urbains solides 1 593 339 1 530 322Bois énergie 1 412 8 874 1 433 8 670Biogaz 485 54 503 54Biocarburants 476Total 56 754 10 354 61 987 10 398
2005 2006
1.Evaluation à partir de la production électrique d’origine renouvelable en 2005 et en 2006.
Production électrique et thermique d’origine renouvelable
(source : Observatoire de l’énergie)
Exploitations :1°/ Que peut-on dire de l’évolution de la production globale d’électricité d’origine renouvelable sur les deux années ?2°/ Calculer en % la part de chacun des domaines dans la production électrique.3°/ Quel domaine est en plein essor ? Evaluer cette progression. 2.Evaluation sur le principe de fonctionnement des centrales :Questions :
1°/ Expliquer le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire. Faire un schéma pour illustrer.2°/ Expliquer pourquoi les centrales nucléaires sont construites au bord de l’eau.3°/ Que s’échappe-t-il des réacteur des centrales nucléaires ?4°/ Quelle(s) différence(s) y a-t-il avec une centrale thermique ?
43
3.Faire travailler les élèves à partir de bilans :
à poursuivre …..
44
1.Analyser un bilan : extraire des informations analyser ces informations retranscrire cette analyse à l’écrit …. (pourquoi pas à l’oral) calculer des pourcentages (moyen de vérifier)2.Expliquer le principe de fonctionnement d’un système: illustrer par un schéma simple restituer à l’écrit ou oral le principe
Compétences évaluées :
}
45
GENERATRICEASYNCHRONE
TP de physique appliquée
46
Enoncé du TP
47
TP génératrice asynchrone
Tableau de mesures :I MAS (A) 2,27 2,28 2,34 2,45 2,6 2,83 3,15 3,47P1 (W) 332 520 580 670 760 912 1100 1260P2 (W) -572 -419 -353 -292 -219 -129 -16 67P (W) 240 -101 -227 -378 -541 -783 -1084 -1327Q (var) 1564 1624 1614 1664 1694 1801 1931 2064n (tr/min) 1491 1518 1522 1530 1540 1550 1567 1580I induit MCC (A) 0 1,52 2 2,6 3,45 4,46 5,87 7,05
Caractéristiques : P=f(n) et Q=f(n)
P en fonction de n
-1600-1400-1200-1000-800-600-400-200
0200400
1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600
n(tr/min)
P (
W)
Q en fonction de n
0
500
1000
1500
2000
2500
1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600
n(tr/min)
Q(v
ar)
Mesures
Caractéristiques
48
Panneau solaire de la couveuse
Essais de systèmes
49
Enoncé
50
Difficultés rencontrées
• Définir l’énergie ….• Difficultés pour calculer le
rendement d’un panneau solaire …. Pour passer de grandeurs photométrique (éclairement) aux grandeurs énergétiques ….
