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6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille.

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2 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille

3 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille PLAN: Introduction Les sources dénergie électrique Le transport de lénergie électrique Lutilisation de lénergie électrique Annexes Bibliographie

4 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille INTRODUCTION Quappelle – t – on électrotechnique ? Quelle est son importance économique ? Lélectrotechnique étudie les lois de la physique en vue de la production, du transport, de la transformation et de lutilisation de lénergie électrique ( Jack ROBERT: « encyclopaedia UNIVERSALIS »(1992 )) Elle est considérable car lénergie électrique est lénergie la plus consommée dans le monde

5 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LA PRODUCTION DENERGIE ELECTRIQUE Quels sont les mécanismes de production de lénergie électrique ? La génération par entraînement mécanique Les sources photovoltaïques Autres : Les convertisseurs thermoélectriques Les convertisseurs thermoioniques La pile à combustible Les génératrices magnétohydrodynamiques Machines tournante s (généra- trices) Source dénergie primaire Turbine dentraîne -ment Rayonne- ment lumineux solaire Cellules photovoltaïques Energie électrique (continue) Energie électrique (alternatif)

6 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LA PRODUCTION D ENERGIE ELECTRIQUE Quelle est la part de ces mécanismes dans la production délectricité ? La quasi totalité de lénergie électrique est fournie par entraînement mécanique ( dans les centrales thermiques et les centrales hydrauliques) Source MULTON

7 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: A)La production thermo-mécanique: Procédé le plus utilisé en France (et dans le monde) Principe eau Source de chaleur Turbin e Génératri- ce à courant alternatif Vapeur deau entraînement Energie électrique Sources utilisées ? Chauffage (chaudière) Nucléaires ( réactions de fusion et de fission datomes radioactifs) Centrale nucléaire Principe de fonctionnement dune centrale nucléiare Uranium, plutonium

8 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: La géothermie : Le solaire - thermique: Soleil chauffage eau turbine Sous sol eau chaude turbine Usine géothermique à Bouillante (Guadeloupe) (haute et moyenne énergies) Combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) (centrale classique) 90 °C – 350 °C Centrale thermique de la Maxe Principe dune centrale thermique Miroirs Centrale solaire expérimentale Thémis (Pyrénées)

9 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: B)La production hydroélectrique: (barrages, centrales au fil de leau, usine marémotrice…) Principe: Energie électrique Force motric e de leau Turbin e Génératri- ce à courant alternatif entraînement Barrage de Serre - Ponçon Barrage de Roselend Localisation: Montagnes Cours deau Avantages: Stockable, rapidement mobilisable (régulateur de la production délectricité) Principe dune centrale haute chute

10 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: C)Lénergie éolienne: Principe: Energie électrique Force motric e du vent Turbin e Éolien- ne Aérogéné -rateurs entraînementEntraînement par pâles Localisation: Sites isolés (raccordement difficile ou onéreux au réseau,…) Sites insulaires (contraintes climatiques ou daccessibilité) Installation off – shore (en cours…) Avantages: énergie dappoint Alternateurs, génératrices asynchrones Ferme éoliennes à Dunkerque Installation off – shore (Danemark)

11 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille GENERATION PAR ENTRAINEMENT MECANIQUE: D)La Biomasse: Principe: Energie électrique Matièr e organi- que Inciné- ration turbine entraînement Alternateurs, génératrices asynchrones Plantes, arbres, déchets (animaux, agricoles, urbains) Centrale du Gol (Réunion) (combustion de la bagasse )

12 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LES SOURCES PHOTOVOLTAÏQUES: Principe: Energie électrique continue Module photovoltaïque (PV) Chaque module photovoltaïque est composé dun assemblage en série et en parallèle de cellules PV réalisées en matériaux semi-conducteurs (silicium, GaAs…) dopés Sites isolés (montagne, bergerie, balises maritimes…) Systèmes embarqués (contraintes climatiques ou daccessibilité) Espace (satellites) Utilisation Refuge alpin bergerie Radiation lumineuse Cellules photovoltaïques Principe de fonctionnement dune cellule PV

13 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LES SOURCES THERMOELECTRIQUES: Principe: Ce sont des générateurs autonomes de faible puissance ( 1 W à 1 kW). Ils permettent de convertir de la chaleur en électricité stations météorologiques satellites matériels militaires Utilisation: La chaleur apportée au système (pour maintenir les jonctions à Tc et Tf ) est convertie en énergie électrique. Le rendement de conversion est faible Source de chaleu r Conve r- tisseur chauffage Energie électrique (continue) Conventionnelle (gaz, hydrocarbures) nucléaire Jonction chaude Jonction froide Source chaude Tc Source froide Tf < Tc Résistance de charge Barreau semiconducteur dopé p Barreau semiconducteur dopé n Pont métallique Structure:

14 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LES SOURCES THERMOIONIQUES: Effet Thermoionique: tout métal ou semiconducteur chauffé émet des électrons Laboratoire espace Utilisation Structure: Conventionnelle (gaz, hydrocarbures) nucléaire Principe: Source de chaleu r Conve r- tisseur Chauffage (1500 K) Energie électrique (continue) Métal semiconducteur Les électrons arrachés à lélectrode émettrice, sont collectés et génèrent un courant électrique I charge Emetteur (Tc) Collecteur (Tf < Tc) Vide, gaz e-e- (Tc # 1500 K)

15 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LA PILE A COMBUSTIBLE: Son principe de fonctionnement repose sur une réaction chimique inverse de lélectrolyse de leau applications portables (mobile, ordinateur…) (Chelles) Productions collective et individuelle (habitat) Transport: véhicules légers et poids lourds Utilisation Structure: Principe: Constitu- ants chmiques Réaction chimique Energie électrique (continue) hydrogène oxygène, eau Prototype de véhicule à pile à combustible Alimentation dun groupe de HLM à Chelles

16 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LA GENERATRICE MAGNETOHYDRODYNAMIQUE: rendement élevé Onéreux (matériau pour fonctionnement à très haute température) Caractéristiques La déviation en sens inverse des charges positives et négatives dun plasma (gaz ionisé) génère (dans un circuit extérieur) un courant électrique Principe: courant électrique gaz plasma Chambre de déviation magnéti- que Éjection à grande vitesse (tuyère) Déviation (et séparation) en sens inverse des ions et électrons Électrons + ions Chauffage à très haute température 3000 K (ionisation) Utilisation: à titre expérimental (centrale à Moscou, CEA,…)

17 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille REPARTITION DE LA PRODUCTION DENERGIE Elle seffectue en fonction des énergies primaire (hydrocarbures, charbon, produits radioactifs) et renouvelables (hydraulique, vent, soleil, biomasse, géothermie) utilisées. Monde: France: (Source ADEME)

18 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LE TRANSPORT DE LENERGIE ELECTRIQUE Lénergie électrique est acheminée de la centrale électrique jusquà lentrée des agglomérations: en courant alternatif par des lignes électriques triphasées Très Haute Tension (400 kV, 225 kV): encombrants (dimension, volume et masse de cuivre…) environnement Moins cher Transformateur 20 kV Transport 225 kV / 400 kV Distribution (20 kV, 400 V) Transformateur Production Utilisateurs Centrale électrique Particularités:

19 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille LE TRANSPORT DE LENERGIE ELECTRIQUE en courant continu (câbles enterrés, lignes aériennes) moins encombrants (moins de volume, de cuivre…) Pertes en ligne minimisables (câbles supraconducteurs…) Plus onéreux (5 à 6 fois plus cher que laérien pour 100 km parcourus) Réseau 1Réseau 2 Principe dune liaison à Courant Continu Haute Tension (C.C.H.T.) Utilisation: Particularités: Interconnexion entre réseaux (exemple : France / Angleterre) agglomérations (faible encombrement)

20 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Lutilisation DE LENERGIE ELECTRIQUE Consommation par secteurs dactivité : ( source MULTON ) Répartition de la consommation industrielle par processus : Lindustrie est le plus gros. consommateur délectricité la majeure partie de lénergie électrique consommée par lindustrie sert au travail mécanique. Cette conversion électrique mécanique est effectuée par des moteurs électriques

21 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Lutilisation DE LENERGIE ELECTRIQUE Répartition de la consommation industrielle des moteurs par usage : ( source MULTON ) les processus de compression de ventilation et de pompage consomment près de 2 / 3 de la consommation énergétique des moteurs industriels Pour réaliser ces actions mécaniques, le moteur électrique choisi devra être adapté à la charge à entraîner (compresseurs, ventilateurs, pompes….). Lutilisation des variateurs électroniques de vitesse permet: une meilleure adaptation des caractéristiques mécaniques ( moteur + charge). (voir présentation Powerpoint : la Variation de vitesse). de minimiser la consommation des processus

22 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Repartition des moteurs industriels La répartition en fonction du nombre, de la puissance installée et de la consommation électrique des 14 millions de moteurs industriels est donnée ci-dessous: ( source MULTON 1997 ) Les moteurs de moins de 10 kW représentent 93 % des moteurs industriels mais ne consomment que 21% de lénergie électrique à usage mécanique Les gros moteurs (> 130 kW ) représentent 0.3% du parc mais consomment plus de 40 % de cette énergie Au delà de 10 kW, 90 % des moteurs sont des moteurs asynchrones

23 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Annexe 1:

24 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Annexe 2:

25 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Annexe 3: Les Chaînes énergétiques ( source CEA )

26 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille Annexe 4: Les mécanismes de conversion (source CEA)

27 6 juin 2003 Abdoulaye Ndiaye Stage TS-IRIS Académie Aix-Marseille BIBLIOGRAPHIE Bernard MULTON: « lénergie sur la terre: analyse des ressources et de la consommation. La place de lénergie électrique »Serveur électrotechnique de lacadémie de Toulouse La revue 3 E.I. – Numéro du 20 Mars 2000 « Energies Renouvelables »


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