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Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 11 Thème Habitat Quelle approche de lélectricité dans la filière STI-2D rénovée ?

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Présentation au sujet: "Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 11 Thème Habitat Quelle approche de lélectricité dans la filière STI-2D rénovée ?"— Transcription de la présentation:

1 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 11 Thème Habitat Quelle approche de lélectricité dans la filière STI-2D rénovée ?

2 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 22 Habitat

3 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 3 Trois sous-parties au sein du thème habitat : Gestion de lénergie dans lhabitat Léclairage* Le confort acoustique * la notion defficacité énergétique permet daborder une partie de léclairage à travers la gestion de lénergie

4 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 4

5 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 5 Cerner les enjeux économiques nationaux Pourquoi sintéresser à lénergie dans lhabitat ?

6 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 6 Lire et analyser un graphique Part absolue et relative de lhabitat dans le bilan énergétique en 2008 Évolution de lénergie consommée dans lhabitat entre 1980 et 2008 Analyse des inversions de tendance au niveau de la courbe (1975, 1980)

7 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 7

8 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 8 Analyser la place particulière du gaz naturel dans le bilan énergétique national

9 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 9 Analyser la place particulière de lélectricité dans le bilan énergétique national

10 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 10 Cerner les enjeux économiques pour les particuliers Quels sont les modes de consommation de lénergie dans lhabitat ?

11 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 11 La comparaison de la part de chaque énergie consommée par les secteurs résidentiel et tertiaire, entre 1973 et Source :

12 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA Consommation totale dénergie des secteurs résidentiel et tertiaire, par usage, de 1990 à 2008 Données mises à jour en septembre 2010 Données corrigées des variations climatiques Unité : million de tep Résidentiel Chauffage30,030,631,531,330,830,430,330,0 Eau chaude sanitaire3,94,04,44,34,24,14,2 Cuisson2,12,42,62,4 Electricité spécifique3,64,15,05,86,06,26,46,6 Total39,641,143,543,943,543,143,3 Tertiaire Chauffage8,58,79,59,7 9,69,8 Eau chaude sanitaire et cuisson3,13,33,4 3,5 3,63,7 Electricité spécifique5,05,76,47,07,17,27,67,7 Total16,617,719,320,120,320,421,021,2 Résidentiel-Tertiaire Chauffage38,539,341,141,040,540,040,139,8 Eau chaude sanitaire et cuisson9,19,710,310,210,110,010,3 Electricité spécifique8,69,911,412,813,113,413,914,3 Total56,258,962,864,063,863,564,364,4 Source :

13 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 13 Le chauffage Le chauffage (bâtiment, eau, cuisson) représente 85% de lénergie consommée dans lhabitat Le chauffage (bâtiment et eau) fait appel à des sources dénergie très diversifiées

14 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 14 Source : 20 ans de chauffage dans les résidences principales en France de 1982 à Observatoire de l'énergie. Octobre 2004

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16 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 16 Analyser la baisse de la consommation de fuel et la part croissante de lélectricité pour le chauffage domestique

17 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 17 Lélectricité spécifique Lélectricité spécifique (hors chauffage) représente 15% de lénergie consommée dans lhabitat

18 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 18

19 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 19 Répartition des consommations délectricité moyennes par usage ( hors chauffage et production deau chaude sanitaire ) Consommation moyenne délectricité dun ménage français ( hors chauffage et production deau chaude sanitaire ) 2700 kWh/an

20 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 20 Vérifier les ordres de grandeur des consommations des appareils électriques mentionnés.

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22 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 22 Le chauffage

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26 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 26 Système matériel (eau, air, matériaux de construction) Système matériel (eau, air, matériaux de construction) Apport dénergie W sous forme de chaleur (origine chimique ou électrique) Une première approche du chauffage en système fermé parfait

27 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 27 Aborder le sujet de façon concrète et pratique en prenant appui sur des système techniques (chauffe-eau électrique ou solaire, chaudière à gaz, radiateurs…) Caractériser le système pour relier W et Δ ? Identifier le type dénergie mise en œuvre et la quantifier (effet Joule, énergie chimique).

28 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 28

29 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 29 Système matériel (eau, air, matériaux de construction) Système matériel (eau, air, matériaux de construction) Apport dénergie Q sous forme de chaleur (origine chimique ou électrique) Dans un second temps, analyser les phénomènes liés aux pertes thermiques Pertes

30 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 30

31 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 31 Mesurer une tension électrique, une intensité électrique dans un circuit en régime sinusoïdal. Visualiser une représentation temporelle de ces grandeurs et en analyser les caractéristiques. Mesurer et calculer la puissance et lénergie électrique reçue par un récepteur. Capacités délectricité mobilisées dans létude des systèmes de chauffage Mots clefs et formules Effet Joule, valeur efficace, valeur maximale, résistance, puissance, énergie. Relation entre V max et V eff Relation entre P,R, U eff ou I eff Relation entre P et W

32 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 32 Les appareils et les circuits électriques

33 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 33

34 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 34

35 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 35

36 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 36 Aborder les lois de lélectrocinétique dans des situations pratiques et concrètes Aborder les dipôles dans leur dimension énergétique globale

37 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 37 Loi des nœuds et loi des mailles en continu Étude dune lampe dambiance à DEL RGB

38 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 38

39 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 39 Une alimentation DC 15V/500mA Led HL rouge 2,0V / 20mA Led HL Verte 3,6V / 20mA Led HL bleue 3,6V / 20mA Trois générateurs de tension variable (NE555 ou montages plus simples) Trois ensembles de diodes électroluminescentes haute luminosité RGB Le matériel

40 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 40

41 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 41 Pré requis : la synthèse additive des couleurs (programme de quatrième)

42 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 42 Le choix du nombre de LEDs pour un éclairement donné Les caractéristiques spectrales des trois types de rayonnement et de leur synthèse additive (usage dun spectromètre fibré si disponible) Ce qui relève des attendus du programme

43 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 43

44 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 44 Lorganisation en montage série - parrallèle des LEDs pour tenir compte des caractéristiques électriques du générateur et des récepteurs La réalisation dune partie du circuit électrique (LEDs + résistances de protection) Ce qui relève des attendus du programme La mesure des grandeurs électriques dalimentation des LEDs caractérisant lobtention de différentes couleurs (tension, intensité, bilan énergétique) Lapplication de la loi des mailles et de la loi des nœuds : chaque LED pourra être modélisée par une source de tension parfaite ou par une charge (E,r) La détermination expérimentale et la modélisation de la caractéristique courant-tension dune LED

45 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 45 Le mode dobtention des tensions variables alimentant chaque groupement de LEDs Ce qui ne relève pas des attendus du programme On attend uniquement des élèves quils agissent sur une commande de réglage Le montage à NE555 peut être avantageusement remplacé par des solutions plus simples techniquement

46 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 46 Autre étude possible : la structure dun panneau photovoltaïque (approche documentaire)

47 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 47 Analyser un document Modéliser une fonction sous Excel

48 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 48

49 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 49

50 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 50 Loi des nœuds et loi des mailles en sinusoïdal Étude dune installation domestique

51 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 51 La sécurité électrique

52 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 52 Les attendus du programme en électrocinétique

53 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 53 Ce qui ne relève pas des attendus du programme La notion dimpédance Les relations mathématiques entre le courant i(t) et la tension v(t) pour une bobine ou un condensateur Les vecteurs de Fresnel ou les complexes

54 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 54 Une première approche possible : analyser des chronogrammes courant tension pour les récepteurs utilisés dans lhabitat

55 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 55 Dégager des typologies de chronogrammes Des dipôles ayant un comportement purement résistif (u et i sinusoïdaux et en phase)

56 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 56 Dégager des typologies de chronogrammes Des dipôles ayant une réponse en courant sinusoïdale mais déformée (présence dun moteur universel)

57 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 57 Dégager des typologies de chronogrammes Des dipôles ayant une réponse en courant non sinusoïdale (présence dun convertisseur AC-DC) ?

58 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 58 Respect de la norme EN (elle détermine pour les réseaux 230V et les appareils de puissance supérieure à 75 W les valeurs efficaces à ne pas dépasser pour les courants harmoniques jusquau rang 40) Qui est concerné par EN ? La prescription EN est valable pour tous les appareils qui sont branchés au réseau standard basse tension, dont le courant d'entrée est inférieur de 16 A par phase et qui sont soumis aux normes pour les protections électro-magnétiques ou celle qui est notée dans- la prescription EN La norme concerne non seulement les appareils à régulation électronique, mais aussi les moteurs et luminaires.

59 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 59 Les classes et les exceptions Les appareils pour la norme EN sont actuellement divisés en quatre classes, qui ont tous des valeurs limites indiquées différentes : -Classe A : appareils triphasés avec charge symétrique, appareils ménagers (sont exclus les appareils qui tombent dans la classe D), outillages électriques (sans les outillages électriques transportables), régulation d'ampoules électriques (dimmer), installations audio, appareils qui ne sont pas dans les trois autres catégories. -Classe B : outillages électriques transportables. - Classe C : équipements pour luminaires. -Classe D : PC et écran, TV avec une puissance d'entrée inférieur à 600 W. Pour les appareils suivants, il n'y a aucune limitation: -Appareils avec une puissance d'entrée inférieure ou égale à 75 W et qui ne sont pas des installations luminaires -Appareils professionnels avec une puissance totale supérieure à 1 kW. -Eléments de chauffage réglés symétriquement avec une puissance d'entrée inférieure ou égale à 200 W. -Régulateurs indépendants d'ampoules électriques (dimmer) avec une puissance inférieure ou égale à 1 kW.

60 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 60 Courant absorbé par un ordinateur avec alimentation à absorption sinusoïdale (PFC : power factor correction)

61 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 61 Convertisseur à absorption sinusoïdale de courant à structure fly-back

62 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 62 Convertisseur à absorption sinusoïdale de courant à structure fly-back P = 600 W k = 0,67 = 104,6% k = 0,99 = 5,5%

63 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 63 Nous pouvons donc en première approximation considérer que tous les récepteurs dans lhabitat ont une réponse sinusoïdale en courant et pour la grande majorité dentre eux un facteur de puissance unitaire. On pourra donc dans un premier temps valider expérimentalement ou par le calcul les lois des mailles et des nœuds en faisant appel à des outils mathématiques simples.

64 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 64 Sensibilisation à la notion de déphasage courant tension La lecture de la plaque signalétique dun moteur (pompe à chaleur) est un moyen dintroduire la variable cos.

65 Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 65 Approche expérimentale des circuits RL et RC série Ce qui relève des attendus du programme Réaliser le circuit Relever les oscillogrammes des tensions et des courants. Observer et mesurer le déphasage courant/tension. Mettre en évidence qualitativement linfluence des variables. Valider la loi des mailles à laide des fonctions calculatoires de loscilloscope (ou usage de tableur). Mesurer les valeurs efficaces et la puissance consommée. Valider par le calcul le résultat mesuré (P =U.I. cos ) Étudier qualitativement des régimes transitoires mettant en évidence le stockage dénergie dans L ou C.


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