Alimentation autonome d’un voilier (<12m)

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

2 POSSIBILITES DE PRODUCTION D’ELECTRICITE

3 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

4 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

5 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

6 Les différents récepteurs du voilier 2/3
Feux de navigation Aquasignal L41024 Vert – tribord L41026 Rouge -bâbord L41027 blanc - Poupe L 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

7 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

8 Bilan de puissance

9 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.

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

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

12 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

13 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: € 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

14 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.

15 Choix de l’éolienne 2/3 6 A 0,8 A

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

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

18 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

19 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

20 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 :                        Principe et matériel mis en œuvre dans les sources d’énergie renouvelable.                        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

21 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

22 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 :                        Principe et matériel mis en œuvre dans les sources d’énergie renouvelable.                        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.

23 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

24 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 :                   Principe et matériels mis en œuvre dans les sources d’énergie renouvelable.                   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.

25 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

26 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 : 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

27 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

28 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 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.

29 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

30 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

31 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

32 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%

33 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 : Actionneurs électromécaniques dédiés au déplacement de produit ; Dimensionnement, par les calculs et les outils logiciels, des différents éléments qui composent une installation électrique Normes NFC et UTE C ; 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

34 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

35 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

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

37 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

38 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