BACCALAURAT SCIENTIFIQUE
CONCOURS GNRAL DES LYCES
Session 2014
Sciences de l'ingnieur
Dure 5 heures
Aucun document autoris.
Le matriel autoris comprend toutes les calculatrices de poche, y
compris les calculatrices programmables alphanumriques ou cran
graphique, condition que leur fonctionnement soit autonome et qu'il
ne soit pas fait usage d'imprimante, conformment la circulaire n
99-181 du 16 novembre 1999.
Posidon au secours dole pour produire lnergie lectrique
Constitution du dossier
texte(mise en situation et questionnement)pages 2 18
documents techniques DT1 DT12pages 19 30
documents rponses DR1 DR5pages 31 35
Conseils au candidat
Vrifier que tous les documents dfinis ci-dessus sont
prsents.
La phase d'appropriation d'un systme pluri-technologique passe
par la lecture attentive de l'ensemble du sujet. Il est fortement
conseill de consacrer au moins 30 minutes cette phase indispensable
de dcouverte.
Les documents rponses DR1 DR5 (pages 31 35) sont rendre agrafs
avec la copie (mme sils nont pas t complts).
Partie 0 - prsentation de ltudeIntroduction
Contribution lmergence de la filire
La France doit atteindre en 2020 lobjectif de 23% dnergie
renouvelable dans la production dlectricit. Ce chiffre est trs
ambitieux. Le Grenelle de lenvironnement a structur la rflexion sur
le dveloppement des nergies renouvelables et identifi limportance
des dmonstrateurs comme tape cl du processus dinnovation avec la
demande dune exprimentation grande chelle dun parc dhydroliennes
.
Le projet de parc hydrolien de Paimpol-Brhat, qui constitue une
premire dans le monde, a pour enjeu de tester la faisabilit
technique, conomique, environnementale et administrative dun tel
parc de dmonstration pr-industriel, pour favoriser le dveloppement
dune filire nergtique franaise et ainsi atteindre un cot du kWh
comptitif lhorizon 2020.
Lobjet principal du projet est la production dnergie lectrique
renouvelable qui entre dans les objectifs de la politique nergtique
de la France. Le projet constitue galement une piste pour diminuer
la dpendance nergtique de la Bretagne. Le parc hydrolien EDF de
Paimpol-Brhat comprendra quatre hydroliennes dune puissance
unitaire de 500 kW, soit une puissance totale du parc de 2 MW. La
premire hydrolienne Openhydro a t installe en 2013. En 2014, trois
autres hydroliennes de 500 kW la rejoindront.
Le dveloppement de la plupart de ces nergies renouvelables
connat plusieurs difficults dordre conomique et technologique, dues
essentiellement au nombre rduit de zones conomiquement exploitables
et aux cots levs des techniques proposes. Cependant, lnergie
hydro-cintique des courants de mare, que lon peut rcuprer grce des
machines appeles hydroliennes, connat un intrt considrable pour les
chercheurs et les industriels au regard de la grande similarit avec
les technologies utilises pour les oliennes. Les systmes hydroliens
se dveloppent ainsi plus rapidement car on peut dsormais sappuyer
sur des techniques fiables et prouves. En outre, le potentiel
nergtique mondial de l'hydrolien est estim une puissance de 100 GW,
ce qui reprsente un gisement nergtique non ngligeable et trs
prometteur. Avec une ressource hydro-cintique avoisinant les 6 GW
rpartie entre le Raz-Blanchard (3 GW), Fromveur (2 GW) et
Raz-de-Sein (1GW), la France est lun des pays les plus prometteurs
en Europe occidentale aprs le Royaume Uni (10 GW).
Le parc hydrolien EDF de Paimpol-Brhat, au large de Ploubazlanec
en Bretagne, est une premire mondiale. EDF a dcid, en juillet 2008,
de tester une technologie innovante de production dlectricit partir
de lnergie prdictible des courants de mare. Dans la forte
comptitivit entre les groupes industriels pouvant se positionner
sur cette nouvelle filire nergtique porteuse, le groupe DCNS a t
retenu pour sa capacit rpondre aux problmatiques lies au milieu
marin et aux installations offshores.
tapes du projet
Pour matriser les risques financiers du projet, ERDF a dcid de
le raliser en deux phases.
Une machine test en 2011
Une premire phase est destine tester une machine en conditions
relles. Cette premire hydrolienne a t installe durant lt 2011 sur
le site de la Horaine, pour tre teste quelques mois sans
raccordement au rseau. Elle a t ensuite sortie de leau et stocke
sur une barge[footnoteRef:1], le temps de raliser des
modifications, voire de la maintenance, et dans lattente de la
seconde phase. Lobjet a t de vrifier la pertinence des choix
technologiques et ventuellement damliorer les performances et les
conditions dinstallation, pour limiter ainsi les risques
industriels et environnementaux lors de la mise en place du parc de
quatre machines. Les rsultats obtenus permettent de valider en
particulier les lments suivants : conception, fabrication,
installation, maintenance et impact environnemental. [1: Barge:
bateau fond plat.]
Un parc connect au rseau en 2013 et 2014
La seconde phase consiste en linstallation, terme, des quatre
hydroliennes et en leur connexion un convertisseur sous-marin, sur
le site de la Horaine. Le passage dun prototype de laboratoire un
dmonstrateur commercial est le point cl de la russite du projet.
Cette tape permet donc la validation dun parc hydrolien compos de
quatre machines de 500 kW associes un convertisseur immerg. Le
raccordement au rseau ERDF se fera sur un poste terre, une distance
de 15 km du parc hydrolien, par un cble immerg. Le passage la phase
dindustrialisation est conditionn par les rsultats des essais en
conditions relles, en tenant compte des impratifs de rentabilit sur
le cycle de vie des installations (ralisation, installation en mer,
maintenance).
Cahier des charges
Une hydrolienne est une machine qui doit rpondre aux critres
suivants :
se maintenir en place et rsister aux forces hydrodynamiques du
courant;
turbiner au mieux le flux deau du flot[footnoteRef:2] et du
jusant[footnoteRef:3] pour produire de lnergie mcanique; [2: Flot :
priode pendant laquelle la mare est montante.] [3: Jusant : priode
pendant laquelle la mare est descendante.]
transformer lnergie mcanique en nergie lectrique;
exporter la production lectrique vers le rseau terre;
produire une nergie lectrique un cot acceptable;
ncessiter un minimum de maintenance;
gner au minimum la navigation et avoir un impact minimal sur la
faune et la flore.
Pour ces diffrentes raisons, une bonne implantation est
indispensable et implique une parfaite connaissance des fonds
marins et des courants.
La maintenance doit tre limite. Les hydroliennes seront
installes dans des zones de fort courant. Le temps d'intervention
est donc contraint par les mares. Le temps disponible entre le flot
et le jusant est d'environ deux heures. Les mares de faibles
amplitudes (mortes eaux) sont rparties et limitent galement
l'organisation des oprations sur des priodes longues. C'est la
raison pour laquelle le projet Openhydro DCNS doit tre construit
autour d'une solution robuste et la plus simple possible.
Matriels immergs par des fonds de -35 -38 m
La conception du dmonstrateur de Paimpol-Brhat a ncessit une
alternance de phases de modlisation et de validation par des tests.
Ltude qui suit porte sur les diffrents lments mis en uvre depuis le
dmarrage du projet.
Partie 1 - analyse du besoinLobjectif de cette partie est
dapprhender la solution propose pour rpondre au besoin exprim par
EDF de lancer la filire hydrolienne.
Les ressources nergtiques des courants marins sont estimes 10
TWh par an pour la France (source: LNHE, laboratoire national
hydraulique et environnement). Lexploitation, mme partielle, de ces
ressources peut contribuer de faon non ngligeable au march de
lnergie et la rduction des missions de CO2.
laide du diagramme FAST reprsent sur le document technique DT3,
complter, sur le document rponse DR1, la chane fonctionnelle en
prcisant les noms des constituants des diffrentes parties. Indiquer
les grandeurs deffort (au-dessus de la demi-flche) et de flux
(au-dessous de la demi-flche).
Sur le schma de principe reprsent dans le document rponse DR1,
tracer la frontire du convertisseur. Indiquer les lments suivants
sur le schma: machine synchrone, redresseur, bus continu, onduleur,
et transformateur.
Justifier, partir de lintroduction et des informations fournies
dans les documents techniques DT1 et DT2, le choix de la
technologie retenue par Openhydro et DCNS, en relevant les atouts
cologiques d'intgration dans le milieu marin.
Partie 2 - estimation des courants marinsLobjectif de cette
partie est de dterminer la mesure de la vitesse des courants marins
en dfinissant lautonomie nergtique du capteur avec les batteries
utilises par le constructeur, pour une campagne de mesures sur
site.
L'implantation des hydroliennes ncessite une parfaite
connaissance des courants marins. Une mesure des courants a donc t
confie l'Ifremer. L'utilisation dun capteur de profil de courant de
type ADCP (voir document technique DT4) permet de connatre la
vitesse du courant diffrentes hauteurs d'eau, et ainsi de valider
le potentiel du site retenu pour le projet.
Le point dimmersion est gographiquement dfini et un socle de
lestage y est coul et fix. Le capteur ADCP est immerg et fix sur ce
socle aprs planification du fonctionnement laide dun logiciel ddi,
Plan ADCPapplication de Teledyne RD Instruments.
Les donnes saisies et les paramtres thoriques qui en rsultent
sont les suivants :
Indiquer la dure de la campagne de mesures, lintervalle entre
deux mesures et le taux de dcharge de la batterie aprs une campagne
de mesures.
Sur la figure ci-dessus, relever la plage maximale de mesure du
capteur et la comparer avec les principales caractristiques de
lhydrolienne (voir document technique DT1). Conclure sur la
compatibilit de ces grandeurs.
Donner la quantit dnergie consomme par le capteur sur la
campagne de mesures dfinie ci-dessus. Calculer lnergie consomme
pendant 24 heures.En dduire lautonomie maximale du capteur ADCP
dans ce mode de fonctionnement.
Le tableau ci-dessous prcise les caractristiques de la mmoire
interne du capteur et de son protocole de communication.
Indiquer la technologie de sauvegarde et le protocole de
transfert des informations vers le micro-ordinateur de rcupration
des donnes. Dfinir lespace de stockage ncessaire pour raliser une
campagne de mesures complte, telle que prvue ci-avant. Choisir la
carte PCMCIA qui convient pour cette application.
Exploitation des rsultats de mesure
Sur le document rponse DR2, laide du relev de vitesse fourni,
esquisser la courbe dvolution de la vitesse du courant en fonction
de la distance par rapport au fond marin.
Faire apparatre, sur le graphe, la profondeur optimale laquelle
on pourra positionner le disque de captage de lhydrolienne. La
hauteur restante est-elle compatible avec la navigation ctire sur
la zone?
Partie 3- tude du productibleLobjectif de cette partie consiste
dterminer lnergie lectrique productible par le dmonstrateur sur le
site de Paimpol-Brhat avec les quatre hydroliennes prototypes
Openhydro.
Cette tude est base sur la thorie de Froude, relative aux hlices
de captage. La turbine de lhydrolienne va prlever lnergie des
courants marins pour la transformer en nergie mcanique. La machine
synchrone intgre directement dans la structure de la turbine va
produire de lnergie lectrique.
Formule de Froude
V1: vitesse initiale du courant
S1: surface lentre du tube de courant
V2: vitesse du courant laval du rotor
S2: surface laval du rotor
S: surface du rotor (venturi extrieur inclus)
V: vitesse du courant dans la turbine
Cp: coefficient de production
A: aire du disque de captage en m2
V: vitesse dcoulement du fluide en ms-1
Pmca: puissance extraite du fluide en W
: masse volumique du fluide en kgm-3avec
=1 025 kgm-3 pour l'eau de mer
Le cahier des charges impose une puissance de 0,5 MW pour un
courant dune vitesse de 2,5 ms-1. Le coefficient de production est
li aux performances de la turbine, et traduit son aptitude extraire
de lnergie au courant.
Rechercher le diamtre de captage de la turbine. Calculer le
coefficient de production que doit avoir la turbine pour rpondre
cette contrainte du cahier des charges. Le maximum dnergie
extractible d'un fluide est limit par le coefficient de production
Cp dont la valeur optimale est de 0,56. Les coefficients Cp
couramment utiliss sont de lordre de 0,3 0,4. Le calcul est-il
acceptable?
Pour la suite de l'tude, le coefficient de production Cp sera
considr gal 0,4.
Calculer les puissances mcaniques extractibles pour les valeurs
de vitesse de courant de 0,5 ms-1, 1 ms-1, 1,5 ms-1, 2 ms-1, 2,5
ms-1, et 3 ms-1. Identifier le paramtre le plus important dans la
relation de Froude et conclure.
Lexploitation des rsultats danalyse des courants sur le site de
Paimpol-Brhat nous donne une valeur moyenne de vitesse des courants
de 1 ms-1. Calculer lnergie mcanique moyenne extractible des
courants par an en MWh.
En considrant que le rendement de la machine synchrone gal 95 %
et celui du convertisseur gal 100 %, calculer lnergie produite par
une hydrolienne sur une anne, en MWh. Lobjectif de produire 1GWh
par an est-il envisageable?
Pour affiner le productible et utiliser une meilleure
modlisation de la vitesse des courants marins, le modle suivant
intgre les paramtres de la relation de Froude et le rendement dune
machine avec le convertisseur. Le dmarrage de la turbine intervient
pour un courant de 0,5 ms-1. Lnergie lectrique productible est
obtenue en intgrant la puissance par rapport au temps.
Modlisation du productible sur un mois pour une hydrolienne du
dmonstrateur de Paimpol-Brhat
Paramtres du modle de mare:
vitesse maximale du courant, 2,5 ms-1;
coefficient de mare moyen variant de 95 45 sur un mois.
valuer, partir des graphes ci-dessus, la quantit d'nergie
lectrique produite sur un mois (30 jours), puis sur une anne.
Commenter ce modle par rapport au calcul du modle prcdent bas sur
la valeur moyenne de la vitesse des courants.
Dterminer la production annuelle du dmonstrateur compos des
quatre hydroliennes, en considrant que les courants sont identiques
dans les zones dimplantation des machines. Conclure sur la ncessit
dutiliser une modlisation fine de lnergie productible.
Partie 4- tude de la stabilit de la structureLobjectif de cette
partie est de vrifier que la structure reste en position stable
sous les actions des courants marins. Cette tude valide les choix
de dimensions de la structure et les densits de matriaux retenus
pour obtenir des fondations gravitaires[footnoteRef:4].
Loptimisation du productible dpend de leur hauteur par rapport au
fond marin. Loptimisation de cette hauteur sera dtermine en
fonction de la condition de non basculement de la structure
porteuse. [4: Fondation gravitaire: large base conue pour rester
stable dans des conditions de mer extrmement violentes]
Dtermination de l'action du courant sur l'hydrolienne
Le courant de fond marin est moins important car ce dernier
freine l'coulement de l'eau. Le profil de la vitesse est prsent
ci-contre. De la mme faon, le courant est perturb en surface par
les effets de houle et de vague. Pour optimiser lnergie produite
par la machine, il est donc important de placer le disque de
captage de la turbine dans la veine de courant la plus forte.
La valeur maximale des courants marins, releve par capteur ADCP,
est de 3ms-1.
Laction mcanique exerce axialement sur la turbine est calcule
partir de l'nergie prleve par la machine.
L'extrmit des pieds de la structure est une pointe appele
pntrateur. Laction des pointes sur le sol entrane lcrasement des
microreliefs granitiques situs sous chaque pied. La structure ne
doit pas glisser sur le fond.
Pour dterminer la condition de non basculement de la structure,
les appuis au sol sont modliss par:
une liaison sphrique de centre B;
une liaison sphre/cylindre de centre Cet de direction ;
une liaison sphre/plan de contact A et de normale .
A
B
C
E
y
x
z
Le poids des fondations gravitaires doit empcher la rotation de
la structure autour de la droite (BC).
Hypothses de ltude
les dimensions du tripode sont fournies dans le document rponse
DR3;
lacclration de la pesanteur vaut g = 10 ms-2;
la masse de lensemble compos du tripode et de lhydrolienne est
de 820 tonnes;
laction de leau sur la turbine est modlise par un glisseur
appliqu au centre du rotor
avec
coordonnes du centre de masse de la structure(en m) ;
laction du courant marin sur le tripode ne sera pas prise en
compte dans cette tude davant-projet (action mcanique suppose
ngligeable devant laction de leau sur la turbine).
Le problme sera trait dans le plan de symtrie de lhydrolienne
(chargement et gomtrie symtriques).
Reprsenter, sur le document rponse DR3, les actions mcaniques
appliques sur lensemble hydrolienne et tripode.
Exprimer littralement les moments du poids de la structure, de
laction de leau sur la turbine et de la raction du fond gravitaire,
par rapport au point E, en projection sur laxe dirig par .
Appliquer le principe fondamental de la dynamique sur lensemble
compos de lhydrolienne et de la structure porteuse, pour exprimer
les conditions dquilibre de la structure.
Expliciter la condition de non-basculement de lhydrolienne, puis
calculer leffort de leau sur la turbine que peut supporter
lhydrolienne avant que la structure gravitaire ne remplisse plus
son rle de stabilisateur.
Vrifier que cette valeur nest pas dpasse quand la vitesse du
courant est de 6ms-1, condition maximale de fonctionnement attendue
pour les hydroliennes du projet du raz Blanchard. Laction du
courant sur lhydrolienne est alors de1500kN. Conclure en calculant
le coefficient de scurit retenu pour les fondations gravitaires
dans ce cas.
Partie 5 - guidage en rotation de la turbine sur palier
hydrodynamiqueLobjectif de cette partie est de vrifier si le
guidage en rotation de la turbine de lhydrolienne est adapt pour
les conditions de fonctionnement.
Les ingnieurs dOpenhydro ont retenu une solution de guidage en
rotation par palier hydrodynamique. Ce dispositif remplace les
roulements que lon trouve sur les machines conventionnelles. Le
palier est constitu du rotor qui tourne lintrieur du stator, spar
par un film de fluide. Lhydrolienne immerge utilise leau de mer
comme fluide pour alimenter le palier. Celui-ci doit fonctionner
dans les deux sens de rotation, dans le flot et le jusant des
mares. Des rainures dalimentation permettent lcoulement de leau de
mer dans le palier. Ltude mene dans cette partie se limite au
fonctionnement en rgime tabli. Il est suppos que lcoulement est
laminaire[footnoteRef:5] et isotherme[footnoteRef:6], leau de mer
permettant de dissiper la chaleur. Le processus de calcul permet de
quantifier les performances du guidage. [5: coulement laminaire:
coulement rgulier sans variation spatiale ou temporelle.] [6:
Isotherme: temprature constante.]
Rotor
Stator
Le guidage de la turbine dans son alsage doit supporter les
efforts axiaux sur les pales ainsi que les efforts radiaux dus au
poids du rotor.
Ltude du palier hydrodynamique est dcompose en deux parties:
tude axiale;
tude radiale.
tude de la bute axiale
Pour les caractristiques donnes, il faut quantifier les
performances du guidage sur bute hydrodynamique en calculant la
puissance dissipe par frottement pour cette solution.
En rgime tabli, dans un courant marin de 2,5 ms-1, la turbine
tourne une frquence de 7,2trmin-1. Une dmarche de calcul des
paliers hydrodynamiques est dcrite dans le document technique DT6.
une vitesse donne, le fluide permet de sopposer une charge, note W,
en crant une pression dans la zone amont du blochet[footnoteRef:7].
Les performances du guidage sont lies aux paramtres gomtriques du
blochet. [7: Blochet: patin inclin dans un guidage hydrodynamique
(voir document technique DT6).]
Stator
W
Turbine
Dans les conditions de ltude, leffort axial not W du courant sur
la turbine est estim 150kN.
Pour calculer leffort axial admissible sur un lment de la bute,
il faut connatre les dimensions de celle-ci. La gomtrie de la
turbine est dcrite dans le document technique DT5. La couronne
assurant le guidage est divise en 72 secteurs de 5. Chaque secteur
forme un blochet de la bute hydrodynamique avec une zone de contact
occupant 3 et deux zones dalimentation en fluide. Pour pouvoir
fonctionner dans les deux sens de rotation, le blochet est
symtrique.
Ltude du palier sera mene au niveau du diamtre moyen (voir dtail
B du document technique DT5) de la surface dappui entre la turbine
et le bti de lhydrolienne. Le calcul sera ralis en rgime tabli 7,2
tours par minute.
Chaque paramtre est calcul pour aboutir lestimation du rendement
de ce guidage. La dmarche de calcul est dcrite dans les documents
techniques DT6 et DT7.
Linclinaison du blochet permet de crer une pression dans le
fluide. laide du document technique DT7, relever, sur le document
rponse DR5, la valeur dep maximale et la valeur du rapport
correspondant.
En analysant la reprsentation dtaille du palier hydrodynamique
de lhydrolienne dans le document technique DT5, calculer le rayon
moyen de la surface de la bute axiale et la longueur B de larc de
cercle dun blochet sur la ligne moyenne de la surface de guidage de
la turbine. Calculer la largeur L de la surface de guidage sur la
turbine.
Calculer leffort W sur un blochet de la bute sachant que leffort
axial de la turbine sur le bti est rparti uniformment sur la
priphrie de lhydrolienne.
Remarque importante: pour une bute rversible tournant dans les
deux sens, le blochet est symtrique. La dpression provoque par la
sortie du fluide engendre une diminution des performances. Pour ce
type de patin et surface gale, la capacit de charge est environ 65%
de celle obtenue pour un patin form dun seul plan inclin.
La charge utilise pour le calcul vaut . Pour la suite de ltude,
W sera gale 3 200N.
Calculer la vitesse tangentielle en mtre par seconde du centre
du blochet au niveau de la ligne moyenne de celui-ci.
Relever sur le document rponse DR5, W', la charge sans dimension
supporte avec le rapport a optimal dtermin prcdemment. partir de
lexpression de W en fonction de W fournie dans le document
technique DT7, calculer lpaisseur du film deau entre le stator et
le rotor. La viscosit de leau de mer est de 10-3 Pas-1.
Sur le document rponse DR5, avec les donnes des questions
prcdentes, relever le coefficient F (effort tangentiel sans
dimension de frottement exerc par le fluide sur le blochet).
Calculer F (effort tangentiel) laide de la relation fournie dans le
document technique DT7.
Calculer le couple exerc par leffort tangentiel sur la turbine
par un blochet puis par les 72 blochets.
Calculer la puissance dissipe par frottement, par les blochets
en rgime nominal.
Calculer le rendement mcanique de la bute axiale de
lhydrolienne, en partant de la puissance thorique disponible de 0,5
MW en rgime tabli avec un courant marin de 2,5ms-1.
tude du guidage en rotation
Le guidage radial de la turbine est galement ralis sur palier
hydrodynamique. Les effets lectromagntiques de la machine
participent au centrage du rotor dans le stator et le poids de la
turbine est compens par la pousse dArchimde. Les venturis centraux
contribuent la flottaison de lensemble. Le choix de matriaux
composites pour les pales permet galement de rduire le chargement
sur le palier et de faciliter le dmarrage de la machine en dbut de
mare.
l'aide des donnes fournies dans le document technique DT8,
calculer le volume immerg de la turbine compose du rotor et des
venturis. Vrifier que la pousse dArchimde sur lensemble compense le
poids. Conclure sur le guidage radial de la turbine dans le
stator.
Au regard de ltude mene dans toute cette partie sur le guidage
par palier hydrodynamique, conclure sur lefficacit de cette
solution pour rpondre au besoin attendu, en rdigeant une synthse
sur le fonctionnement et sur les performances.
Partie 6 - raccordement au rseau RTE
Lobjectif de cette partie est ltude du raccordement au rseau de
distribution de llectricit. Lnergie produite par les hydroliennes
doit pouvoir tre injecte sur le rseau sans le perturber. Il faut
aussi matriser les pertes dnergie pendant le transport.
Le dmonstrateur de Paimpol-Brhat doit tre raccord un poste terre
par un cble sous-marin. Pour la phase industrielle sur le raz
Blanchard, le choix gographique du raccordement sur le rseau sera
primordial. Linjection sur le rseau peut se faire seulement sur des
postes suffisamment importants. Il est donc ncessaire didentifier
les possibilits de raccordement.
Les fonctions convertir et adapter le signal lectrique sont
assures par le convertisseur dvelopp par la socit Converteam (voir
modle sur le document technique DT9, figure3). Son rle est dadapter
lnergie lectrique produite pour permettre le raccordement sur le
rseau une frquence de 50 Hz, et une tension adapte pour le
transport de llectricit.
Les quatre hydroliennes ne vont pas parfaitement tourner la mme
vitesse angulaire.
Prciser le rle des composants L1 et C (voir document DT9).
La diffrence de potentiel aux bornes de C, appele Uc, peut tre
assimile un signal continu.
tude de la sortie du convertisseur continu/alternatif sinusodal
command en MLI (modulation de largeur dimpulsion)
Le signal en sortie, ures de cet tage est priodique, dcomposable
en une somme de signaux sinusodaux, appels fondamental et
harmoniques. La valeur instantane du fondamental s'exprime par
:
avec f = 50 Hz.
tude de la modulation de largeur dimpulsion
La tension continue rcupre aux bornes de C est transforme en
signal alternatif sinusodal de frquence 50 Hz. La commande de la
partie puissance par IGBT[footnoteRef:8] est obtenue par
comparaison dun signal triangulaire avec un signal sinusodal. La
largeur des impulsions du signal de sortie varie alors au rythme de
lamplitude du signal sinusodalselon lalgorithme suivant: [8: IGBT =
Insulated Gate Bipolar Transistor]
Si signaltriangle > signalsinus
Alors sortie = 0
Sinon sortie = 1
Fin Si
Complter le chronogramme de sortie sur le document rponse DR4
(tat logique haut: 2 V, tat logique bas: 0).
Relever la priode du signal sinusodal qui pilote la MLI.
Calculer sa frquence et vrifier sa conformit avec le cahier des
charges.
La cellule PWM IGBT Inverter est dcrite par les schma quivalent
suivant:
A
Q2
Q4
Q6
Q1
Q3
Q5
B
C
A
Q1
Q3
Q5
B
C
Q2
Q4
Q6
-
+
-
+
Tableau de commande de la MLI
Le tableau du document rponse DR4 reprsente les tats des
interrupteurs (1=ferm, 0 = ouvert) correspondant aux niveaux de
tension attendus en A, B, C. Les tats des interrupteurs pour les
sorties VAB et VBA sont dj reports. Complter le tableau pour les
autres sorties.
Le dimensionnement du convertisseur MLI a t ralis en laboratoire
avec des outils de modlisation. Un premier rsultat (document
technique DT11, figures5 et 6) donne le graphe de la tension de
sortie de la cellule de filtrage aprs le convertisseur pour deux
rglages diffrents du filtre. Celui de la figure 5 prsente des
caractristiques (tension frquence) fortement perturbes: le taux de
distorsion harmonique[footnoteRef:9] (THD) est suprieur 50 %. La
cellule LC filter est dcrite la figure 7 dans le document technique
DT11. Proposer une modification des paramtres pour rduire le niveau
du signal harmonique celui de la figure 6 du document technique
DT11(THD = 1,84). [9: Taux de distorsion harmonique: rapport de la
valeur efficace globale des harmoniques (appele aussi somme
quadratique des valeurs efficace) sur la valeur efficace de la
composante fondamentale. ]
Bilan des puissances
Le calcul de la puissance en sortie du convertisseur triphas est
donn par lexpression , avec :
V valeur efficace de la tension v(t) entre phase et neutre ;
I valeur efficace du courant i(t) par phase ;
retard du courant i(t) par rapport la tension v(t).
La valeur efficace dun signal sinusodal est donne par
lexpression:
Analyse des signaux produits par le dmonstrateur (figure 4 du
document technique DT10)
partir de l'analyse des chronogrammes fournis dans le document
technique DT10, calculer la puissance lectrique fournie au poste
datterrage.
Une rsistance de charge triphase est mise en place en sortie de
londuleur. Elle est raccorde via un contacteur de puissance pilot
par la tension rseau. En cas dabsence de tension du rseau, le
contacteur se ferme. Quel est le rle de cette rsistance dite de
ballast?
Lacheminement de lnergie vers le poste terre est assur par un
cble triphas prsentant une section de 240mm par phase. Ce cble est
dimensionn pour une puissance de 8 MW en vue de futures
exprimentations dautres technologies sur le site.
La rsistance dun conducteur est caractrise par les relations
suivantes:
R rsistance en
L longueur du cble en m
S section du cble en m
rsistivit du matriau en m (cuivre 1710-9 m)
Calculer les pertes par effet Joule dans le cble triphas dune
longueur de 15kilomtres pour le dmonstrateur de Paimpol-Brhat
compos des quatre hydroliennes. Quel pourcentage de la production
cela reprsente-t-il?
tude du raccordement au rseau
Sur le raz Blanchard, la puissance plus importante (de 50 100 MW
dans un premier temps) rendra le raccordement plus complexe. Il
faut que le rseau puisse accepter cet apport dlectricit.
partir de la carte du rseau RTE de louest de la France fournie
dans le document technique DT12, analyser la zone permettant le
raccordement du parc hydrolien. Lnergie produite tant prdictible,
quelles mesures devront tre prises pour respecter lquilibre du
rseau ?
Partie 7: conclusion
Le raz Blanchard appartenant au domaine public maritime, situ
entre lle anglo-normande dAurigny et la presqule du Cotentin,
prsente un excellent potentiel avec des courants de plus de 2 ms-1
et pouvant atteindre 5 ms-1. La profondeur varie entre 30 et 50m.
Si lon considre que le site utilisable stend sur 12 km de long et
7km de large, on obtient une puissance moyenne rcuprable de 840 MW
avec une puissance produite de 10 MW par km en rpartissant un champ
dhydroliennes sur la zone. Ceci reprsente une puissance optimale
estime 845 MW. Les investisseurs sont nombreux et les grands
groupes industriels sont en concurrence sur cette nouvelle filire
naissante.
Le projet dEDF Paimpol-Brhat est vu comme une tape
dapprentissage et non une tape de rentabilit. Son cot est estim 20
millions deuros pour une puissance de 2MW, soit 10 M/MW. EDF estime
que lapprentissage devrait tre plus rapide avec les hydroliennes
quavec les oliennes et que ces machines pourraient devenir
comptitives moyen terme.
Les aspects conomiques peuvent freiner le lancement dune
nouvelle technologie. Analyser le potentiel conomique de lhydrolien
long terme, quand la technologie encore exprimentale passera la
phase industrielle.
Source DGEC et EDF
olien terrestre
olien offshore
Hydrolien
Cot de lnergie
Entre 63 et 77 /MWh
Selon lge des installations
104 /MWh
78 /MWh
(phase industrielle en 2020)
Dure de fonctionnement
2400 heures
2800 heures
3000 heures
Disponibilit
Alatoire
Alatoire
Prdictible
Tarif de rachat par EDF
82 /MWh sur 10 ans
130 /MWh sur 10 ans
150 /MWh sur 20 ans
La cration dune nouvelle filire de production dnergie comporte
des risques pour les investisseurs. Au vu des diffrentes parties
traites, conclure quant la faisabilit dune production dnergie
hydrolienne en tenant compte des enjeux go-technico-conomiques lis
la rentabilit et des aspects environnementaux spcifiques aux
hydroliennes.
Document technique DT1: solutions innovantes du dmonstrateur
Les principales caractristiques techniques retenues pour le
dmonstrateur sont :
4 hydroliennes (rotor de 12 mtres de diamtre,
venturi[footnoteRef:10] de 16 mtres de diamtre, puissance de 500
kW, fondation gravitaire de 700 tonnes); [10: Venturi : en mcanique
des fluides, tube qui prsente un rtrcissement employ pour mesurer
les fluides. ]
une implantation dans la zone de plus fort courant une
profondeur denviron 35mtres ;
une installation au moyen dune barge-catamaran construite
spcialement pour ces machines(voir photographie ci-dessous) ;
un poste de conversion immerg proximit des machines;
un cble sous-marin de raccordement la terre (15 kilomtres) au
droit de lanse de Launay;
une vacuation de lnergie via un poste de livraison terre.
Linstallation dune hydrolienne est effectue par une barge
spcifique assurant le transport du chantier de fabrication la ferme
hydrolienne. La dpose sur les fonds est entirement ralise depuis la
barge sans intervention sous-marine.
Gnratrice Openhydro
C'est une machine synchrone aimants permanents. Les aimants sont
intgrs dans le rotor. Les bobinages sont dans le bti de
l'hydrolienne.
La principale innovation de l'Openhydro est sa turbine. Le
guidage en rotation est obtenu par palier hydrodynamique
directement dans l'eau de mer. La frquence de rotation relativement
faible ne perturbe pas la faune sous-marine et le centre vid permet
le passage des plus grandes espces. Le carnage effet Venturi permet
d'augmenter le prlvement de l'nergie des courants. Le choix des
matriaux est adapt aux agressions du milieu sous-marin. Les pales
ralises par DCNS Lorient sont en matriaux composites. Le profil des
pales est optimis pour fonctionner dans les deux sens du courant,
le flux et le jusant. La turbine ne s'oriente pas en fonction du
courant. Sa position est dfinitive l'installation. Le minimum de
pices mobiles permet de limiter les risques de dysfonctionnement et
ainsi de gagner en fiabilit.
Document technique DT2: informations complmentaires sur le
projet
Les fondations gravitaires
La structure des fondations est un tripode en acier lest par du
bton. Sa masse immerge est de 700 tonnes. Ce choix de gomtrie
permet de dfinir le plan d'assiette de la machine dfini sur trois
points. L'installation sur les fonds granitiques se fera par dpose
sur ces points de la structure porteuse. Aucun rglage n'est
ncessaire de faon limiter les oprations sous-marines. Le triangle
de sustentation est dfini par ces trois points de la structure.
Convertisseur
Un convertisseur offshore, fourni par la socit franaise
Converteam, est install proximit des hydroliennes. Son rle est
dlever la tension produite par les machines 10 kV afin de pouvoir
la transporter. Le convertisseur a une forme cylindrique (diamtre
de 3 m et longueur de 8 m). D'une hauteur totale de 5 mtres, il est
immerg et galement fix sur une structure porteuse gravitaire de
type tripode, de dimensions extrieures 12,5m10,5m, dont les pieds
ont un diamtre unitaire de 1,5m. Il contient un liquide rfrigrant
non toxique et biodgradable.
Cble
Dune longueur de 15 kilomtres, il permet le transport dune
puissance lectrique jusqu 8MW. Le cble est dpos sur les fonds
granitiques sur la majorit du parcours reliant le convertisseur au
poste terre. Sur les derniers kilomtres de lestran[footnoteRef:11],
le cble est ensouill[footnoteRef:12] une profondeur de 1 2 mtres.
[11: L'estran est la partie du littoral situe entre les limites
extrmes des plus hautes et des plus basses mares.] [12: Ensouiller:
enterrer une canalisation, une conduite.]
Le poste de raccordement terre fait lobjet dun traitement
architectural et dune intgration paysagre (vgtalisation
priphrique). Il sera galement dot de protections antibruit pour
faciliter lacceptation par le grand public.
Document technique DT3: diagramme FAST
Document technique DT4: capteur de courant ADCP
Principe de lADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)
Ces appareils mettent des trains dondes sonores (ping) qui se
rflchissent sur les particules (figure 1) en suspension dans leau,
supposes sans mouvement propre, et se dplaant avec les courants. La
diffrence entre les frquences mises et rflchies (effet Doppler) est
proportionnelle la composante de la vitesse des particules suivant
laxe de propagation de londe. Pour obtenir les trois composantes de
la vitesse, quatre faisceaux sont utiliss, inclins 30 de la
verticale.
Pour chaque cycle de mesures, les capteurs ADCP valuent les
composantes horizontales et verticales du courant, corriges du
roulis et du tangage. Chaque profil mesur est dcoup en segments
uniformes, appels cellules (bins) ; la vitesse associe chaque
cellule est une moyenne des vitesses mesures sur lpaisseur de la
cellule. Les capteurs ADCP enregistrent : lindice du cycle de
mesures, le nombre de cellules, lheure de lacquisition, la
temprature, le cap, le tangage et le roulis, mesurs par capteurs
internes, la vitesse du son utilise.
En outre, les trois composantes de la vitesse sont galement
enregistres : lerreur de vitesse, lintensit dcho des ondes sonores,
lamplitude de corrlation et le pourcentage de donnes correctes.
Pendant lacquisition, les mesures de vitesse sont transformes et
enregistres en coordonnes terrestres.
Lorsque la bathysonde se dplace verticalement, les mesures
individuelles des ADCP sont entaches dun bruit trs lev cause du
mouvement propre du systme. Mais chaque cellule de mesure est value
un grand nombre de fois successivement par lappareil regardant vers
le bas et celui regardant vers le haut. Cest cette superposition
des profils qui permet dobtenir un profil continu de la surface au
fond tout en diminuant le bruit alatoire de chaque ping.
Figure 1 : typical ocan scatterers
Figure 2: back scatered sound
(A) transmited pulse (B) a small amount of the sound energy is
reflected back (and doppler shifted) most of the energy goes
forward.
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Dveloppement Durable STI2D
Session 20XX
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20
Document technique DT5 guidage hydrodynamique de la turbine
Dtail du palier hydrodynamique de lhydrolienne
Surface plane du palier supportant les efforts axiaux
Surface cylindrique du palier supportant les efforts radiaux
Schma dun lment de guidage Dtail B
Localisation dun blochet
La priphrie de la turbine est dcoupe en lments de guidage appel
blochet. Chaque lment occupe un secteur angulaire de 5 soit 72
zones de guidage.
L
longueurs en mm.
Document technique DT6: guide de calcul du palier
hydrodynamique
Guide de calcul pour palier hydrodynamique[footnoteRef:13] [13:
Source document: Aublin et co-auteurs, systmes mcaniques - thorie
et dimensionnement.]
Le systme hydrodynamique le plus simple, et la base de beaucoup
de ralisations complexes, est le patin inclin ou blochet. Il est
constitu de deux faces planes non parallles.La face infrieure est
anime dune vitesse de translation V; La face suprieure est incline
dun angle . Langle est petit, de mme que lpaisseur moyenne entre
les faces infrieures et suprieures.
Par son mouvement de translation, et compte tenu de ladhrence du
fluide aux parois, la plaque suprieure (la turbine dans notre tude)
entrane le fluide dans lespace convergent ainsi constitu; ce
mouvement cre un champ de pression qui permet de supporter la
charge W applique sur le solide support de la face incline, le
rotor dans notre tude.
La dmarche propose ci-dessous permet de calculer les paramtres
caractristiques de fonctionnement du blochet:
charge supporte W;
force de frottement horizontale F sur la partie mobile et le
facteur de frottement associ f*.
Dmarche de calcul
Les relations sont obtenues par intgration de lquation de
Reynolds en fonction de h, lpaisseur du film dans le blochet.
Pour une pression sans dimension, afin didentifier les paramtres
intervenant dans le phnomne de pression, on pose alors: et avec a
> 1 et
Il vient alors:
Document technique DT7: charge admissible
Charge admissible en fonction de a
La figure ci-contre montre les variations de pression sans
dimension p pour diffrents rapports de .
Calcul de la capacit de charge
La charge supporte est obtenue par intgration du champ de
pression. Pour une largeur L suivant z nous avons:
Dfinissons la charge sans dimension comme suit:
Il vient alors :
La charge sans dimension est fonction du rapport .
En variables dimensionnes,
Cette dernire relation fait apparatre le rle jou par la viscosit
et lpaisseur minimale h2 du film.
Force de frottement et coefficient de frottement sur la plaque
mobile
Cette action mcanique est obtenue par intgration de la
contrainte de cisaillement agissant sur la surface plane. On a
.
Cette intgrale nous amne la force F sans dimension:
avec ,
Le facteur de frottement se dfinit alors par le rapport: .
On dfinit par commodit le nombre de frottement f* tel que: .
Document technique DT8: gomtrie de la turbine
La turbine est compose :
du centre en acier inoxydable: cylindre creux permettant la
fixation des pales;
des pales en matriaux composites;
de la couronne en acier inoxydable contenant les aimants de la
gnratrice synchrone.
Masse de lensemble rotor compos de la turbine et des venturis
centraux: 120 tonnes
Volume de la turbine seule: 117 780 dm3
Dimensions du venturicentral
Volume du venturi = 785 dm3
Pousse dArchimde
La pousse d'Archimde est laction mcanique que subit un corps
plong en tout ou en partie dans un fluide (liquide ou gaz) soumis
un champ de gravit.
PA pousse dArchimde en N
densit de leau de mer = 1,025 kg/dm3
V volume immerg en dm3
g acclration de la pesanteur en ms-2
Document technique DT9: modle multiphysique
Figure 3: modle multiphysique du prototype dhydrolienne
Document technique DT10: chronogrammes de simulation
Figure 4: chronogrammes de simulation
Document technique DT11: allure du signal lectrique produit
Fig. 5: dfaut de filtrage
Fig. 6: filtrage correct
Fig. 7: cellule LC Filter
Document technique DT12: carte du rseau de transport dlectricit
(RTE)
Raz Blanchard
Dmonstrateur
Paimpol Brhat
Source: RTE (rseau de transport dlectricit 225 et 400 kV)
Extrait du rapport
"tude et prospective du RTE - Accueil de la production
hydrolienne" (fvrier 2013)
Le rseau terrestre existant prsente une capacit daccueil
importante, mais devra tre renforc au regard du gisement total
actuellement estim
Dans le Cotentin, grce la capacit de transit apporte par la
liaison Cotentin Maine, laccueil de la production hydrolienne jusqu
1500 MW ne ncessiterait que des adaptations lgres du rseau
existant. Au-del, des contraintes apparaissent progressivement dans
certaines configurations, mais ces contraintes doivent pouvoir tre
gres par des mesures dexploitation un cot raisonnable. En tout tat
de cause, au-del de 2500 MW, il sera indispensable de renforcer le
rseau 400 kV par de nouveaux ouvrages
Les zones propices latterrage des cbles de raccordement sont
rares et constituent le facteur dimensionnant de la stratgie de
raccordement du potentiel hydrolien
Compte tenu la fois de la topographie de la cte, des protections
juridiques dont bnficie le littoral et des contraintes techniques
dimplantation de cbles lectriques, RTE na identifi que quelques
zones restreintes propices latterrage. Au-del dun certain volume de
production, il devient ncessaire de disposer dquipements de
transformation en mer, qui doivent tre hbergs sur une plate-forme
merge
Document rponse DR1
Chane fonctionnelle
Schma de principe
Document rponse DR2
vitesse (cm/s)
distance (m)
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Document rponse DR3
Masse immerge de lhydrolienne compose du tripode lest et de la
machine Openhydro = 820 tonnes, en tenant compte de la pousse
dArchimde (poids appliqu sur la droite (G1,G2)).
y
z
z
x
Document rponse DR4
Complter le chronogramme de sortie (tat logique haut: 2 V, tat
logique bas: 0).
Relever la priode du signal sinusodal qui pilote la MLI.
Calculer sa frquence et vrifier sa conformit avec le cahier des
charges.
Signal de sortie du comparateur
t (s)
Tableau de commande de la MLI
Le tableau ci-dessous reprsente les tats des interrupteurs (1 =
ferm, 0 = ouvert) correspondant aux niveaux de tension attendus en
A, B, C. Les tats des interrupteurs pour la sortie VAB et VBA sont
reports sur le tableau. Complter le tableau pour les autres
sorties.
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
VAB
1
0
0
1
0
0
VBA
0
1
1
0
0
0
VBC
VCB
VAC
VCA
Document rponse DR5
a, rapport h1/h2
a, rapport h1/h2
Pmca =12CpAV
3
0100200300400500600700800
0
1
2
3
Vitesse du courant
Temps (heures)
Vitesse en m.s-1
0100200300400500600700800
0
1
2
3
4
x 10
5
Puissance lectrique
Temps (heures)
Puissance en W
0100200300400500600700800
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
x 10
7
nergie lectrique produite
Temps (heures)
nergie en WH
Vitesse Moyenne=1.025m.s-1
C,x( )
A,z( )
T eau turbine( )=D
R eau turbine( )
M D,eau turbine( )=
0
R eau turbine( )=YD
y
YD
