Alimentation autonome d’un voilier (<12m) Exploitation pédagogique pour l’étude de système

POSSIBILITES DE PRODUCTION D’ELECTRICITE

Les contraintes d’exploitation - Vitesse moyenne et limite de vent pour la sortie en mer - Les différents récepteurs nécessaires pour la navigation - L’autonomie demandée - La tension minimale aux bornes des batteries SUITE

Echelle de Beaufort FORCE DU VENT TERMES DESCRIPTIFS   Echelle de Beaufort FORCE DU VENT TERMES DESCRIPTIFS   En degrés Beaufort En nœuds En Km/h Français OBSERVATION < 1 Calme la fumée s'élève verticalement - la mer est comme un miroir 1 1 à 3 1 à 5 Très légère brise il se forme des rides, mais il n'y a pas d'écume 2 4 à 6 6 à 11 Légère brise vaguelettes courtes - leurs crêtes ne déferlent pas 3 7 à 10 12 à 19 Petite brise très petites vagues - écume d'aspect vitreux 4 11 à 16 20 à 28 Jolie brise petites vagues devenant plus longues - moutons nombreux 5 17 à 21 29 à 38 Bonne brise vagues modérées, allongées - moutons nombreux 6 22 à 27 39 à 49 Vent frais des lames se forment - crêtes d'écume blanche plus étendues

Les différents récepteurs du voilier 1/3 Loch-speedomètre ST 40 N42960 Raymarine I =70 mA Utilisation 4h / 24h 239 Euros Girouette anémomètre ST 40 N26960 Raymarine I =70 mA Utilisation 4h / 24h 387 Euros VHF FIXE RT 160 NAVICOM I = 2A U 11-14V Utilisation 4h / 24h 150 Euros Sondeur ST 40 N31096 Raymarine I =70 mA Utilisation 4h / 24h 549 Euros Pilote automatique ST 4000 W Plus Raymarine I =70 mA Utilisation 24h / 24h 1199 Euros

Les différents récepteurs du voilier 2/3 Feux de navigation Aquasignal L41024 Vert – tribord L41026 Rouge -bâbord L41027 blanc - Poupe L41024 bicolore I =2A Utilisation 8h / 24h 100 Euros GPS FIXE GARMIN 152 I = 0,16 A U 10-40V Utilisation 4h / 24h 349 Euros Guindeaux GOIOT P = 1000W I =84 A Utilisation 0,1h / 24h 978 Euros Réfrigérateur L60515 U = 12V w = 19,5wh Utilisation 12h / 24h 699 Euros

Les différents récepteurs du voilier 3/3 Dessalinisateur LIVOL Q = 8Ah U = 12V Utilisation 5h / 24h 4799 Euros Eclairage ( 6 points ) I =10A Utilisation 4 h / 24 h 111 Euros Pompe Groupe Aquajet I =3,5 A Utilisation 1 h / 24h 99 Euros

Bilan de puissance

L’AUTONOMIE DEMANDEE Sans recharge 1/ 2 jours avec une consommation normale. 2/ 10 jours avec une consommation minimum afin de rejoindre la terre pour accéder à l‘électricité.

Tension minimale de la batterie Les éléments prioritaire ne peuvent fonctionner qu’avec une tension minimum de 11 V

Choix du matériel 1/ Choix de la batterie 2/ Choix de l’éolienne 3/ Proposition de support pédagogique

Détermination de la capacité Pour tenir deux jours sans recharger avec une décharge maximum de 80%, il faudra: (137 ah . 2)/0,8 = 343 Ah Pour tenir 10 jours avec la consommation minimum prioritaire, il faudra: 25 Ah . 10 = 250 Ah Le choix portera sur deux batteries en parallèle de 170Ah / 12V

Type de batterie Batteries acide-plomb à plaques minces Les batteries industrielles ayant 2 VCC par cellule, avec des plaques de 5mm d 'épaisseur conviennent aux systèmes d'alimentation électrique à énergie renouvelable. Batteries acide-plomb à plaques tubulaires Les plaques tubulaires sont plus performantes que les plaques minces. Leur décharge à vide est faible. Elles contiennent plus d'électrolyte. Ce type de batterie est utilisé dans les systèmes d’alimentation à énergie renouvelable de puissance. L’entretien des batteries et les températures froides ne constituent pas une préoccupation majeure. Piles à combustible Polytel commercialise la première pile à combustible adaptée aux Voiliers. Prix de la pile à combustible: 3.560 € ttc Puissance…..50w Tension de sortie 11-14,4 V Durée de vie plus courte 3-4 ans moins coûteuses au départ Durée de vie plus longue 8-12 ans, mais coûteuses au départ Durée de vie très longue Mais coût très élevé

Choix de l’éolienne 1/3 La vitesse du vent maximum sera de force 5 soit de 21 nœuds ( 10,5 m/s) La vitesse de vent moyenne sera de force 4 soit 15 nœuds ( 7,7 m/s) Il faut que l’éolienne fournisse 137 Ah pendant les 24h de la journée afin de maintenir les batteries chargées. Il faudra donc que l’éolienne puisse délivrer un courant de 137/24 = 5.7A.

Choix de l’éolienne 2/3 6 A 0,8 A

Choix de l’éolienne 3/3 Eolienne Aerogen 6 LVM Prix : 1310 euros Avec Un régulateur 6 TB LVM Prix : 271 euros

Proposition de support pédagogique Vent Régulateur de charge + - Coût des équipements: 3200 euros 12V DC

Exploitations pédagogiques proposées 1 Etude de l’installation électrique du voilier 2 Etude de l’éolienne 3 Etude du régulateur de charge Partie 1:Etude énergétique 4 Etude d’une batterie acide plomb Partie 2: Identification des convertisseurs Synthèse pédagogique 5 Etude et choix des différentes sources d’éclairement + - Conclusion 6 Etude de la distribution et de la motorisation

1 Choix du matériel et établissement d’un devis - Dimensionnement de l’équipement électrique d’un voilier de taille < 12m (Eolienne, batterie, régulateur de charge, récepteurs…) - Etablissement du devis Document pédagogique

Choix de matériels et devis  Taches professionnelles correspondantes :  T 1.5 Élaborer une offre adaptée (chiffrage6 et devis) au cahier des charges C11 : Estimer les coûts prévisionnels  Savoirs technologiques et professionnel correspondants : Génie électrique : 2.1.1.2                       Principe et matériel mis en œuvre dans les sources d’énergie renouvelable. 2.1.3.7                       Sources de remplacement. Physique appliquée : A.2.2 Production d’énergie électrique (les éoliennes,sources d’énergie autonome). Contenu du travail dirigé: - Sélection de l’appareillage sur catalogue . - Etablissement d’un bilan de puissance. Choix de la batterie. Choix de l’éolienne et du régulateur de charge - Offre chiffrée

2 Etude de l’éolienne (part1) Définir expérimentalement les performances du système de conversion de l’énergie 1 Etablir l’expression de P méca = 1/2 air V³ 2 On relève P élec pour différentes vitesses V 3 Utiliser un tableur afin de tracer : P élec=f(V)  = f(V) 4 Justifier le point de fonctionnement à utiliser pour le choix de l’éolienne. Document pédagogique

Performance énergétique d’une éolienne  Taches professionnelles correspondantes :  T 5.3 Réaliser les essais et mesures nécessaires à la qualification d’un ouvrage, d’un équipement, d’un produit ou d’un moyen de production. C06- C07  T3.7 Fournir un appui technique aux opérateurs de fabrication. C04   Savoirs technologiques et professionnel correspondants : Génie électrique : 2.1.1.2                       Principe et matériel mis en œuvre dans les sources d’énergie renouvelable. 2.1.3.7                       Sources de remplacement. 6.4.4       Comportement dynamique et énergétique des transmetteurs de mouvements. Physique appliquée : A2.1 Les énergies renouvelables (pertes et rendement). A.2.2 Production d’énergie électrique (les éoliennes,sources d’énergie autonome). A.3.2 Aspect énergétique. Contenu du travail pratique: * Mesures de puissance et de vitesse sur le système. * Expression de Pméca du vent * Domaines d’utilisation de l’éolienne. * Précision sur le point de fonctionnement à considérer pour le choix d’une éolienne.

2 Etude de l’éolienne (part2) Identification des convertisseurs utilisés dans l’éolienne 1 On donne la structure interne de l’éolienne et on fait rappeler les formes d’ondes en sortie de PD2 et PD3. 2 Relever les formes d’ondes et identifier le type de redresseur employé (dans notre cas PD3) 3 Déduire des relevés, le type de machine tournante utilisée. (dans notre cas, c’est une machine synchrone triphasée) 4 Relever la tension maximum que le régulateur de charge doit supporter. Document pédagogique

Etude des convertisseurs de l’éolienne  Taches professionnelles correspondantes : T2.3 Pour la partie électrique, régler les paramètres des procédés. (C18)   Savoirs technologiques et professionnel correspondants : Génie électrique : 2.1.1.2                  Principe et matériels mis en œuvre dans les sources d’énergie renouvelable. 2.1.3.7                  Sources de remplacement.   Physique appliquée : C2.2 Redresseur non commandé. E 1.2 Alternateur autonome. Contenu du travail pratique: - Caractéristiques des convertisseurs en vue de mettre en œuvre l’éolienne dans une installation de source de remplacement. - Identification des convertisseurs électriques par rapport aux mesures effectuées et au cours de physique appliquée. - Identification du type de machine tournante employée.

Etude du régulateur de charge Etudier les performances du régulateur de charge 1 Vérifier la compatibilité du matériel avec l’éolienne disponible (Domaine de tension, ampérage ) 2 Identifier le type de convertisseur ( Hacheur série) 3 Relever la courbe U éolienne = f( P charge) et calculer le rendement Document pédagogique

Etude des performances du régulateur de charge  Taches professionnelles correspondantes : T5.1 Contrôler la conformité d’un produit. (C17) (C18) Savoirs technologiques et professionnel correspondants :   Génie électrique : 2.1.3.7 Source de remplacement et équipement assurant la disponibilité de l’énergie électrique. Sciences appliquées : B2 Conversion continu continu. Hacheur conduction continue. Contenu du travail pratique: - Identifier le convertisseur - Relever de la courbe U éolienne = ( P charge) - Détermination du rendement - Vérification de la compatibilité du régulateur de charge et de l’éolienne

Etude d’une batterie acide plomb Modélisation et choix d’une batterie acide plomb 1 Modélisation d’une batterie Etude de la variation de la résistance interne en fonction de la charge 2 Etude énergétique Etude du rendement lors de la charge et choix de la valeur du courant de charge 3 Principe de fonctionnement d’une batterie acide plomb Recherche sur Internet du principe de fonctionnement et de la notion de capacité d’une batterie 4 Choix de la capacité de la batterie Document pédagogique

Modélisation et principe d’une batterie acide plomb   Taches professionnelles correspondantes :   T 5.3 Réaliser les essais et mesures nécessaires à la qualification d’un ouvrage, d’un équipement, d’un produit ou d’un moyen de production. C06- C07     Savoirs technologiques et professionnel correspondants : Génie électrique : 1.4.1 Connaître les différents procédés de conversion de l’énergie électrique en électrochimie 2.1.3.7 Mettre en œuvre les sources de remplacement. Physique appliquée : A2.1 Production d’énergie électrique (les piles et accumulateurs). A.3.2 Aspect énergétique. Contenu du travail pratique: *Modélisation d’une batterie. *Mesure de puissance P,Q,S. * Bilan de puissance et calcul du le rendement. * Principe de transformation électrochimique d’une batterie. *Dimensionnement d’une batterie.

Etude et choix des différentes sources d’éclairement Vérifier expérimentalement les caractéristiques des sources lumineuses 1 On dispose de lampes à incandescence et de lampes Halogène Mesure d’éclairement et de puissance consommée 2 Comparaison des durées de vie et des coûts 3 Choix pointé sur les lampes halogènes en raison de leurs faibles consommations et de leur durée de vie plus longue Document pédagogique

Comparaison expérimentale de sources lumineuses Taches professionnelles correspondantes : T5.3 Réaliser les essais et les mesures nécessaires à l’étude des différentes sources lumineuses utilisables sur le bateau C6 - C7  Savoirs technologiques et professionnel correspondants : SCIENCES APPLIQUÉES : A-1.5. Ondes : - Description des principes physiques mis en jeu dans quelques sources lumineuses : sources à incandescence et sources à décharge ; - Grandeurs photométriques d’émission : flux énergétique, flux lumineux et éclairement. Contenu du travail pratique: Principe de fonctionnement de différentes sources lumineuses ;   Puissance absorbée et éclairement des différentes sources lumineuses ; Choix de la source lumineuse adaptée à une source d’énergie autonome de faible puissance ; Courant absorbé à l’allumage par ces différentes sources ; Dimensionnement des sources lumineuses choisies

Etude de la motorisation et de son alimentation 1/3 Longueur 10,5 m Déplacement 4500Kg masse de l’ancre 14Kg 1 Pour un bateau de 10 m, on choisira l’ancre et le guindeau adapté Déplacement maxi 12 tonnes masse de l’ancre 15Kg

Etude de la motorisation et de son alimentation 2/3 2 On dispose du guindeau alimenté par la batterie, On déterminera la vitesse de levage de l’ancre et la consommation On pourra déterminer le rendement du treuil. 3 On veut définir la section du câble pour avoir au pire une chute de tension de 5%

Etude de la motorisation et de son alimentation 3/3  Taches professionnelles correspondantes :  T5.3 Réaliser les essais et les mesures nécessaires à la vérification du câble du treuil de l’ancre C17 Mettre en oeuvre des moyens de mesurage C18 Interpréter les résultats de mesure et d'essais Savoirs technologiques et professionnel correspondants : GÉNIE ÉLECTRIQUE : 1.2.1 Actionneurs électromécaniques dédiés au déplacement de produit ; 2.1.3.4 Dimensionnement, par les calculs et les outils logiciels, des différents éléments qui composent une installation électrique 2.1.3.6 Normes NFC15-100 et UTE C15-105 ; 6.4.2 Approche structurelle d'une chaîne d'action : o Schématisation cinématique d’un mécanisme o Exemples de solutions constructives associées à des fonctions techniques : - Transformer un mouvement (engrenages, liens souples, bielle manivelle, cames) ; o Actionneurs : actionneurs pneumatiques, hydrauliques et électriques. SCIENCES APPLIQUÉES : A-4.3. Différents procédés de production de la chaleur : Étudier l’échauffement d’un câble Contenu du travail pratique: Choix du type de moto réducteur nécessaire au levage de l’ancre et au contrôle du bateau lors des manoeuvres ;  Étude de la transmission du mouvement ;  Rendement de la transmission ;  Mesure de la chute de tension dans le câble en régime établi ;  Calcul de la section minimum nécessaire

Synthèse pédagogique 1/3 L’ensemble des exploitations proposées correspondra à des travaux pratiques pour les premières années Chaque exploitation proposée aura une durée de 2 H Le professeur de physique appliquée et de génie électrique interviendront en même temps lors de la séance d’étude de système

Synthèse pédagogique 2/3 Exploitations Tache prof. 1 2 3 4 5 6 T 1.5 T 2.3 T 3.7 T 5.1 T 5.3

Synthèse pédagogique 3/3 Exploitations Capacités dév. 1 2 3 4 5 6 C4 C6 C7 C11 C17 C18

Conclusion Ce support permet : d’exploiter un des domaines des énergies renouvelables. de réaliser un support pour l’étude de système à l’échelle 1 de mobiliser les connaissances en électrotechnique, en physique appliquée et en mécanique sur le même système. Ressources

Ressources http://www.accastillage-diffusion.com Nouvelle réglementation 2005 L’électricité à bord De Victron Energy B.V. Les différents moyens d’éclairage Les piles à combustible documentation et site