Concours Général Si 2014

7/24/2019 Concours Gnral Si 2014

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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 programmablesalphanumriques 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 dolepour produire lnerg ie lectr ique

Constitution du dossier

texte(mise en situation et questionnement) ........................... pages 2 18

documents techniques DT1 DT12 ....................................pages 19 30

documents rponses DR1 DR5........................................ pages 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 dusujet. Il est fortement conseill de consacrer au moins 30 minutes cette phase indispensable dedcouverte.

Les documents rponses DR1 DR5 (pages 31 35) sont rendre agrafs avec la copie

(mme sils nont pas t complts).


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Partie 0 - prsentation de ltude

Introduction

Contribution lmergence de la filire

La France doit atteindre en 2020 lobjectif de 23% dnergie renouvelable dans laproduction 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 lademande 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 etadministrative dun tel parc de dmonstration pr-industriel, pour favoriser ledveloppement dune filire nergtique franaise et ainsi atteindre un cot du kWhcomptitif 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 galementune piste pour diminuer la dpendance nergtique de la Bretagne. Le parc hydrolien EDFde 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 tinstalle en 2013. En 2014, trois autres hydroliennes de 500 kW la rejoindront.

Le dveloppement de la plupart de ces nergies renouvelables connat plusieurs difficultsdordre conomique et technologique, dues essentiellement au nombre rduit de zonesconomiquement 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 etles industriels au regard de la grandesimilarit avec les technologies utilisespour les oliennes. Les systmeshydroliens se dveloppent ainsi plusrapidement car on peut dsormaissappuyer sur des techniques fiables etprouves. En outre, le potentielnergtique mondial de l'hydrolien estestim une puissance de 100 GW, cequi reprsente un gisement nergtique

non ngligeable et trs prometteur. Avecune ressource hydro-cintique avoisinantles 6 GW rpartie entre le Raz-Blanchard (3 GW), Fromveur (2 GW) et Raz-de-Sein(1 GW), la France est lun des pays les plus prometteurs en Europe occidentale aprs leRoyaume Uni (10 GW).

Le parc hydrolien EDF de Paimpol-Brhat, au large de Ploubazlanec en Bretagne, est unepremire mondiale. EDF a dcid, en juillet 2008, de tester une technologie innovante deproduction dlectricit partir de lnergie prdictibledes courants de mare. Dans laforte comptitivit entre les groupes industriels pouvant se positionner sur cette nouvellefilire nergtique porteuse, le groupe DCNS a t retenu pour sa capacit rpondre

aux problmatiques lies au milieu marin et aux installations offshores.


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tapes du projetPour matriser les risques financiers du projet, ERDF a dcid de le raliser en deuxphases.

Une machine test en 2011

Une premire phase est destine tester une machine en conditions relles. Cettepremire hydrolienne a t installe durant lt 2011 sur le site de la Horaine, pour treteste quelques mois sans raccordement au rseau. Elle a t ensuite sortie de leau etstocke sur une barge1, le temps de raliser des modifications, voire de la maintenance, etdans lattente de la seconde phase. Lobjet a t de vrifier la pertinence des choixtechnologiques et ventuellement damliorer les performances et les conditionsdinstallation, pour limiter ainsi les risques industriels et environnementaux lors de la miseen place du parc de quatre machines. Les rsultats obtenus permettent de valider enparticulier les lments suivants : conception, fabrication, installation, maintenance etimpact environnemental.

Un parc connect au rseau en 2013 et 2014

La seconde phase consiste en linstallation, terme, des quatre hydroliennes et en leurconnexion 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 duprojet. Cette tape permet donc la validation dun parc hydrolien compos de quatremachines de 500 kW associes un convertisseur immerg. Le raccordement au rseauERDF se fera sur un poste terre, une distance de 15 km du parc hydrolien, par uncble immerg. Le passage la phase dindustrialisation est conditionn par les rsultatsdes essais en conditions relles, en tenant compte des impratifs de rentabilit sur lecycle 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 flot2 et du jusant3 pour produire de lnergie

mcanique ; 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 uneparfaite connaissance des fonds marins et des courants.

La maintenance doit tre limite. Les hydroliennes seront installes dans des zones defort courant. Le temps d'intervention est donc contraint par les mares. Le tempsdisponible entre le flot et le jusant est d'environ deux heures. Les mares de faiblesamplitudes (mortes eaux) sont rparties et limitent galement l'organisation des oprationssur des priodes longues. C'est la raison pour laquelle le projet OpenhydroDCNS doit treconstruit autour d'une solution robuste et la plus simple possible.

1Barge : bateau fond plat.2

Flot : priode pendant laquelle la mare est montante.3Jusant : priode pendant laquelle la mare est descendante.


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La conception du dmonstrateur de Paimpol-Brhat a ncessit une alternance de phasesde modlisation et de validation par des tests. Ltude qui suit porte sur les diffrentslments mis en uvre depuis le dmarrage du projet.

Partie 1 - analyse du besoin

Lobjectif de cette partie estdapprhender la solution propose pour rpondre au besoinexprim par EDF de lancer la filire hydrolienne.

Les ressources nergtiques des courants marins sont estimes 10 TWh par an pour laFrance (source : LNHE, laboratoire national hydraulique et environnement). Lexploitation,mme partielle, de ces ressources peut contribuer de faon non ngligeable au march delnergie et la rduction des missions de CO2.

Q 1. laide du diagramme FAST reprsent sur le document technique DT3,complter, sur le document rponse DR1, la chane fonctionnelle en prcisant lesnoms des constituants des diffrentes parties. Indiquer les grandeurs deffort (au-dessus de la demi-flche) et de flux (au-dessous de la demi-flche).

Q 2. Sur le schma de principe reprsent dans le document rponse DR1, tracer lafrontire du convertisseur. Indiquer les lments suivants sur le schma : machinesynchrone, redresseur, bus continu, onduleur, et transformateur.

Q 3. Justifier, partir de lintroductionet des informations fournies dans les documentstechniques DT1 et DT2, le choix de la technologie retenue par Openhydro et DCNS, enrelevant les atouts cologiques d'intgration dans le milieu marin.

Matriels immergs par des fondsde -35 -38 m


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Partie 2 - estimation des courants marins

Lobjectif de cette partie est dedterminer la mesure de la vitesse des courants marins endfinissant lautonomie nergtique du capteur avec les batteries utilises par leconstructeur, 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 vitessedu courant diffrentes hauteurs d'eau, et ainsi de valider le potentiel du site retenu pourle projet.

Le point dimmersion est gographiquement dfini et un socle de lestage y est coul etfix. Le capteur ADCP est immerg et fix sur ce socle aprs planification dufonctionnement laide dun logiciel ddi, Plan ADCP application de Teledyne RDInstruments.

Les donnes saisies et les paramtres thoriques qui en rsultent sont les suivants :

Q 4. Indiquerla dure de la campagne de mesures, lintervalle entre deux mesures et letaux de dcharge de la batterie aprs une campagne de mesures.

Q 5. Sur la figure ci-dessus, relever la plage maximale de mesure du capteur et la

comparer avec les principales caractristiques de lhydrolienne (voir documenttechnique DT1). Concluresur la compatibilit de ces grandeurs.

Q 6. Donner la quantit dnergie consomme par le capteur sur la campagne demesures dfinie ci-dessus. Calculer lnergie consomme pendant 24 heures.Endduirelautonomie maximale du capteur ADCP dans ce mode de fonctionnement.


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Le tableau ci-dessous prcise les caractristiques de la mmoire interne du capteur etde son protocole de communication.

Q 7. Indiquerla technologie de sauvegarde et le protocole de transfert des informationsvers le micro-ordinateur de rcupration des donnes. Dfinir lespace de stockagencessaire pour raliser une campagne de mesures complte, telle que prvue ci-avant. Choisirla carte PCMCIA qui convient pour cette application.

Exploitation des rsultats de mesure

Q 8. Sur le document rponse DR2, laide du relev de vitesse fourni, esquisser lacourbe dvolution de la vitesse du courant en fonction de la distance par rapport aufond marin.

Q 9. Faire apparatre, sur le graphe, la profondeur optimale laquelle on pourrapositionner le disque de captage de lhydrolienne. La hauteur restante est-ellecompatible avec la navigation ctire sur la zone ?


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Partie 3 - tude du productible

Lobjectif de cette partie consiste dterminer lnergie lectrique productible par ledmonstrateur sur le site de Paimpol-Brhat avec les quatre hydroliennes prototypesOpenhydro.

Cette tude est base sur la thorie de Froude, relative aux hlices de captage. La turbinede lhydrolienneva prlever lnergie des courants marins pour la transformer en nergiemcanique. La machine synchrone intgre directement dans la structure de la turbine vaproduire 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-3 avec

= 1 025 kgm-3pour l'eau de mer

Le cahier des charges impose une puissance de 0,5 MW pour un courant dune vitesse de2,5 ms-1. Le coefficient de production est li aux performances de la turbine, et traduit sonaptitude extraire de lnergie au courant.

Q 10. Rechercher le diamtre de captage de la turbine. Calculer le coefficient deproduction que doit avoir la turbine pour rpondre cette contrainte du cahier descharges. Le maximum dnergie extractible d'un fluide est limit par le coefficient deproduction Cp dont la valeur optimale est de 0,56. Les coefficients Cp courammentutiliss sont de lordre de 0,3 0,4. Le calcul est-il acceptable ?


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Pour la suite de l'tude, le coefficient de production Cpsera considr gal 0,4.

Q 11. Calculer les puissances mcaniques extractibles pour les valeurs de vitesse decourant de 0,5 ms-1, 1 ms-1, 1,5 ms-1, 2 ms-1, 2,5 ms-1, et 3 ms-1. Identifier leparamtre le plus important dans la relation de Froude et conclure.

Q 12. Lexploitation des rsultats danalyse des courants sur le site de Paimpol-Brhatnous donne une valeur moyenne de vitesse des courants de 1 ms-1. Calculerlnergiemcanique moyenne extractible des courants par an en MWh.

Q 13. En considrant que le rendement de la machine synchrone gal 95 % et celui duconvertisseur gal 100 %, calculer lnergie produite par une hydrolienne sur uneanne, en MWh. Lobjectif de produire 1 GWh par an est-il envisageable ?

Pour affiner le productible et utiliser une meilleure modlisation de la vitesse des courantsmarins, le modle suivant intgre les paramtres de la relation de Froude et le rendementdune machine avec le convertisseur. Le dmarrage de la turbine intervient pour uncourant de 0,5 ms-1. Lnergie lectrique productible est obtenue en intgrant lapuissance par rapport au temps.


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Modlisation du productible sur un mois pour une hydrolienne du dmonstrateur dePaimpol-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.

Q 14. valuer, partir des graphes ci-dessus, la quantit d'nergie lectrique produitesur un mois (30 jours), puis sur une anne. Commenter ce modle par rapport aucalcul du modle prcdent bas sur la valeur moyenne de la vitesse des courants.

Q 15. Dterminer la production annuelle du dmonstrateur compos des quatrehydroliennes, en considrant que les courants sont identiques dans les zonesdimplantation des machines.Concluresur la ncessit dutiliser une modlisation finede lnergie productible.

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

1

2

3Vitesse du courant

Temps (heures)

Vitesseenm.s-1

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

1

2

3

4x 10

5 Puissance lectrique

Temps (heures)

PuissanceenW

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 10

7 nergie lectrique produite

Temps (heures)

nergieenWH

Vitesse Moyenne=1.025m.s-1


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Partie 4 - tude de la stabilit de la structure

Lobjectif de cette partie estde vrifier que la structure reste en position stable sous lesactions des courants marins. Cette tude valide les choix de dimensions de la structure etles densits de matriaux retenus pour obtenir des fondations gravitaires4. Loptimisationdu productible dpend de leur hauteur par rapport au fond marin. Loptimisation de cettehauteur sera dtermine en fonction de la condition de non basculement de la structureporteuse.

Dtermination de l'action du courant sur l'hydrolienne

Le courant de fond marin est moins important car cedernier freine l'coulement de l'eau. Le profil de la vitesseest prsent ci-contre. De la mme faon, le courant estperturb en surface par les effets de houle et de vague.Pour optimiser lnergie produite par la machine, il estdonc important de placer le disque de captage de laturbine dans la veine de courant la plus forte.

La valeur maximale des courants marins, releve par capteur ADCP, est de 3 ms-1.

Laction mcanique exerce axialement sur la turbine est calcule partir de l'nergieprleve par la machine.

L'extrmit des pieds de la structure est une pointe appele pntrateur. Laction despointes sur le sol entrane lcrasement des microreliefs granitiques situs sous chaquepied. 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 contactAet de normale .

Le poids des fondations gravitaires doit empcher la rotation de la structure autour de ladroite (BC).

4Fondation gravitaire : large base conue pour rester stable dans des conditions de mer extrmement violentes

A

B

C

E

yx

z


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Hypothses de ltude

les dimensions du tripode sont fournies dans le document rponse DR3 ;

lacclration de la pesanteur vautg= 10 ms-2 ;

la masse de lensemble compos du tripode et de lhydrolienne est de 820 tonnes ;

lactionde leausur la turbine est modlise par un glisseur appliqu au centre durotor

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 cettetude davant-projet (action mcanique suppose ngligeable devant laction deleausur la turbine).

Le problme sera trait dans le plan de symtrie de lhydrolienne (chargement etgomtrie symtriques).

Q 16. Reprsenter, sur le document rponse DR3, les actions mcaniques appliquessur lensemble hydrolienne et tripode.

Q 17. 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 surlaxe dirig par .

Q 18. Appliquer le principe fondamental de la dynamique sur lensemble compos delhydrolienne et de la structure porteuse, pour exprimer les conditions dquilibre de lastructure.

Q 19. Expliciter la condition de non-basculement de lhydrolienne, puis calculer leffortde leau sur la turbine que peut supporter lhydrolienne avant que la structure gravitaire

ne remplisse plus son rle de stabilisateur.

Q 20. Vrifier que cette valeur nest pas dpasse quand la vitesse du courant est de6 ms-1, condition maximale de fonctionnement attendue pour les hydroliennes duprojet du raz Blanchard. Laction du courant sur lhydrolienne est alors de1 500 kN.Conclureen calculant le coefficient de scurit retenu pour les fondations gravitairesdans ce cas.

G1


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Partie 5 - guidage en rotation de la turbine sur palier hydrodynamique

Lobjectif de cette partie est de vrifier si le guidage en rotation de la turbine delhydrolienne est adapt pour les conditions de fonctionnement.

Les ingnieurs dOpenhydro ont retenu une solution de guidage en rotation par palierhydrodynamique. Ce dispositif remplace les roulements que lon trouve sur les machinesconventionnelles. Le palier est constitu du rotor qui tourne lintrieur du stator, sparpar un film de fluide. Lhydrolienne immerge utilise leau de mer comme fluide pouralimenter le palier. Celui-ci doit fonctionner dans les deux sens de rotation, dans le flot etle jusant des mares. Des rainures dalimentation permettent lcoulement de leau de merdans le palier. Ltude mene dans cette partie se limite au fonctionnement en rgimetabli. Il est suppos que lcoulement est laminaire5 et isotherme6, leau de merpermettant de dissiper la chaleur. Le processus de calcul permet de quantifier lesperformances du guidage.

Le guidage de la turbine dans son alsage doit supporter les efforts axiaux sur les palesainsi 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 butehydrodynamique 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 de7,2 trmin-1. Une dmarche de calcul des paliers hydrodynamiques est dcrite dans ledocument technique DT6. une vitesse donne, le fluide permet de sopposer unecharge, note W, en crant une pression dans la zone amont du blochet7. Lesperformances du guidage sont lies aux

paramtres gomtriques du blochet.Dans les conditions de ltude, leffort axial notWdu courant sur la turbine est estim 150 kN.

5coulement laminaire : coulement rgulier sans variation spatiale ou temporelle.6

Isotherme : temprature constante.7Blochet : patin inclin dans un guidage hydrodynamique (voir document technique DT6).

Rotor

Stator

Stator

W

Turbine


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Pour calculer leffort axial admissible surun lment de la bute, il faut connatreles dimensions de celle-ci. La gomtriede la turbine est dcrite dans ledocument technique DT5. La couronneassurant le guidage est divise en 72secteurs de 5. Chaque secteur formeun blochet de la bute hydrodynamiqueavec une zone de contact occupant 3et deux zones dalimentation en fluide.Pour pouvoir fonctionner dans les deuxsens de rotation, le blochet estsymtrique.

Ltude du palier sera mene au niveaudu diamtre moyen (voir dtail B dudocument technique DT5) de la surfacedappui entre la turbine et le bti delhydrolienne. Le calcul sera ralis en

rgime tabli 7,2 tours par minute.

Chaque paramtre est calcul pouraboutir lestimation du rendement dece guidage. La dmarche de calcul estdcrite dans les documents techniquesDT6 et DT7.

Q 21. Linclinaison du blochet permet de crer une pression dans le fluide. laide dudocument technique DT7, relever, sur le document rponse DR5, la valeur de

p maximaleet la valeur du rapport correspondant.

Q 22. En analysant la reprsentation dtaille du palier hydrodynamique de lhydroliennedans le document technique DT5, calculerle rayon moyen de la surface de la buteaxiale et la longueur B de larc de cercle dun blochet sur la ligne moyenne de lasurface de guidage de la turbine. Calculerla largeur Lde la surface de guidage sur laturbine.

Q 23. Calculerleffort Wsur un blochet de la bute sachant que leffort axial de la turbinesur le bti est rparti uniformment sur la priphrie de lhydrolienne.

Remarque importante : pour une bute rversible tournant dans les deux sens, leblochet est symtrique. La dpression provoque par la sortie du fluide engendre unediminution des performances. Pour ce type de patin et surface gale, la capacit decharge 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, Wsera gale

3 200 N.


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Q 24. Calculer la vitesse tangentielle en mtre par seconde du centre du blochet auniveau de la ligne moyenne de celui-ci.

Q 25. Relever sur le document rponse DR5, W', la charge sans dimension supporteavec le rapport a optimal dtermin prcdemment. partir de lexpression de Wen fonction de W fournie dans ledocument technique DT7, calculerlpaisseur du film

deau hentre le stator et le rotor. La viscosit de leau de mer est de 10-3 Pas-1.

Q 26. Sur le document rponse DR5, avec les donnes des questions prcdentes, relever le coefficient F (effort tangentiel sans dimension de frottement exerc par lefluide sur le blochet). CalculerF(effort tangentiel) laide de la relation fournie dans ledocument technique DT7.

Q 27. Calculer le couple exerc par leffort tangentiel sur la turbine par un blochet puispar les 72 blochets.

Q 28. Calculerla puissance dissipe par frottement, par les blochets en rgime nominal.

Q 29. Calculerle rendement mcanique de la bute axiale de lhydrolienne, en partant dela puissance thorique disponible de 0,5 MW en rgime tabli avec un courant marinde 2,5 ms-1.

tude du guidage en rotation

Le guidage radial de la turbine est galement ralis sur palier hydrodynamique. Leseffets lectromagntiques de la machine participent au centrage du rotor dans le stator etle poids de la turbine est compens par la pousse dArchimde. Les venturis centrauxcontribuent la flottaison de lensemb le. Le choix de matriaux composites pour les palespermet galement de rduire le chargement sur le palier et de faciliter le dmarrage de lamachine en dbut de mare.

Q 30. l'aide des donnes fournies dans le document technique DT8, calculerle volumeimmerg de la turbine compose du rotor et des venturis. Vrifier que la poussedArchimde sur lensemble compense le poids. Concluresur le guidage radial de la

turbine dans le stator.

Q 31. Au regard de ltude mene dans toute cette partie sur le guidage par palierhydrodynamique, conclure sur lefficacit de cette solution pour rpondre au besoinattendu, en rdigeant une synthse sur le fonctionnement et sur les performances.


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Partie 6 - raccordement au rseau RTE

Lobjectif de cette partie est ltude du raccordement au rseau de distribution dellectricit. Lnergie produite par les hydroliennes doit pouvoir tre injecte sur le rseausans 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 cblesous-marin. Pour la phase industrielle sur le raz Blanchard, le choix gographique duraccordement sur le rseau sera primordia l. Linjection sur le rseau peut se faireseulement sur des postes suffisamment importants. Il est donc ncessaire didentifier lespossibilits de raccordement.

Les fonctions convertiret adapter le signal lectrique sont assures par le convertisseurdvelopp par la socit Converteam (voir modle sur le document technique DT9,figure 3). Son rle est dadapter lnergie lectrique produite pour permettre leraccordement sur le rseau une frquence de 50 Hz, et une tension adapte pour letransport de llectricit.

Les quatre hydroliennes ne vont pas parfaitement tourner la mme vitesse angulaire.

Q 32. Prciserle rle des composants L1 et C (voir document DT9).La diffrence de potentiel aux bornes de C, appele Uc, peut tre assimile un signalcontinu.

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 designaux sinusodaux, appels fondamental et harmoniques. La valeur instantane dufondamental 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 alternatifsinusodal de frquence 50 Hz. La commande de la partie puissance par IGBT 8 estobtenue par comparaison dun signal triangulaire avec un signal sinusodal. La largeur desimpulsions du signal de sortie varie alors au rythme de lamplitude du signalsinusodal selon lalgorithme suivant:

Si signaltriangle> signalsinus

Alors sortie = 0

Sinon sortie = 1

Fin Si

8IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor


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Q 33. Complterle chronogramme de sortie sur le document rponse DR4 (tat logiquehaut : 2 V, tat logique bas : 0).

Q 34. Releverla priode du signal sinusodal qui pilote la MLI. Calculersa frquence etvrifiersa conformit avec le cahier des charges.

La cellule PWM IGBT Inverter est dcrite par les schma quivalent suivant :

Tableau de commande de la MLI

Q 35. 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. Lestats des interrupteurs pour les sorties VAB et VBA sont dj reports. Complter letableau pour les autres sorties.

Q 36. Le dimensionnement du convertisseur MLI a t ralis en laboratoire avec desoutils de modlisation. Un premier rsultat (document technique DT11, figures 5 et 6)donne le graphe de la tension de sortie de la cellule de filtrage aprs le convertisseurpour deux rglages diffrents du filtre. Celui de la figure 5 prsente descaractristiques (tension frquence) fortement perturbes : le taux de distorsionharmonique9(THD) est suprieur 50 %. La cellule LC filter est dcrite la figure 7dans le document technique DT11. Proposerune modification des paramtres pourrduire le niveau du signal harmonique celui de la figure 6 du document techniqueDT11 (THD = 1,84).

9 Taux de distorsion harmonique : rapport de la valeur efficace globale des harmoniques (appele aussi sommequadratique des valeurs efficace) sur la valeur efficace de la composante fondamentale.

A

Q2 Q4 Q6

Q1 Q3 Q5

B

C

A

Q1 Q3 Q5

B

C

Q2 Q4 Q6

-

+

-

+


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Bilan des puissances

Le calcul de la puissance en sortie du convertisseur triphas est donn parlexpression , 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 documenttechnique DT10)

Q 37. partir de l'analyse des chronogrammes fournis dans le document techniqueDT10, calculer la puissance lectrique fournie au poste datterrage.

Q 38. 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 casdabsence de tension du rseau, le contacteur se ferme. Quel est le rle de cettersistance dite de ballast ?

Lacheminement de lnergie vers le poste terre est assur par un cble triphasprsentant une section de 240 mm par phase. Ce cble est dimensionn pour unepuissance 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 1710-9m)

Q 39. Calculer les pertes par effet Joule dans le cble triphas dune longueur de15 kilomtres pour le dmonstrateur de Paimpol-Brhat compos des quatrehydroliennes. 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 premiertemps) rendra le raccordement plus complexe. Il faut que le rseau puisse accepter cetapport dlectricit.

Q 40. partir de la carte du rseau RTE de louest de la Francefournie dans le documenttechnique DT12, analyser la zone permettant le raccordement du parc hydrolien.Lnergie produite tant prdictible, quelles mesures devront tre prises pour respecterlquilibre du rseau?


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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 descourants de plus de 2 ms-1et pouvant atteindre 5 ms-1. La profondeur varie entre 30 et50 m. Si lon considre que le site utilisable stend sur 12 km de long et 7 km de large, onobtient une puissance moyenne rcuprable de 840 MW avec une puissance produite de10 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 grandsgroupes industriels sont en concurrence sur cette nouvelle filire naissante.

Le projet dEDF Paimpol-Brhat est vu comme une tape dapprentissage et non unetape de rentabilit. Son cot est estim 20 millions deuros pour une puissance de2 MW, soit 10 M/MW. EDF estime que lapprentissage devrait tre plus rapide avec leshydroliennes quavec les oliennes et que ces machines pourraient devenir comptitives moyen terme.

Q 41. 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 /MWh78 /MWh

(phase industrielle

en 2020)Dure de

fonctionnement2400 heures 2800 heures 3000 heures

Disponibilit Alatoire Alatoire Prdictible

Tarif de rachat parEDF

82 /MWh sur 10ans

130 /MWh sur 10ans

150 /MWh sur 20ans

Q 42. La cration dune nouvelle filire de production dnergie comporte des risques pourles investisseurs. Au vu des diffrentes parties traites, conclurequant la faisabilitdune production dnergie hydrolienne en tenant compte des enjeux go-technico-conomiques lis la rentabilit et des aspects environnementaux spcifiques auxhydroliennes.


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Document technique DT1 : solutions innovantes du dmonstrateur

Les principales caractristiques techniques retenues pour le dmonstrateur sont :

4 hydroliennes (rotor de 12 mtres dediamtre, venturi10 de 16 mtres de diamtre,puissance de 500 kW, fondation gravitaire de700 tonnes) ;

une implantation dans la zone de plus fortcourant une profondeur denviron 35mtres ;

une installation au moyen dune barge-catamaran construite spcialement pour cesmachines (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 lansede Launay ;

une vacuation de lnergie via un poste de livraison terre.

Linstallation dune hydrolienne est effectue parune barge spcifique assurant le transport duchantier de fabrication la ferme hydrolienne.La dpose sur les fonds est entirementralise depuis la barge sans intervention sous-

marine.

Gnratrice Openhydro

C'est une machine synchrone aimants permanents. Les aimants sont intgrs dans lerotor. Les bobinages sont dans le bti de l'hydrolienne.

La principale innovation de l'Openhydroest sa turbine. Le guidage en rotation est obtenu

par palier hydrodynamique directement dans l'eau de mer. La frquence de rotationrelativement faible ne perturbe pas la faune sous-marine et le centre vid permet lepassage des plus grandes espces. Le carnage effet Venturi permet d'augmenter leprlvement de l'nergie des courants. Le choix des matriaux est adapt aux agressionsdu milieu sous-marin. Les pales ralises par DCNS Lorient sont en matriauxcomposites. Le profil des pales est optimis pour fonctionner dans les deux sens ducourant, le flux et le jusant. La turbine ne s'oriente pas en fonction du courant. Sa positionest dfinitive l'installation. Le minimum de pices mobiles permet de limiter les risquesde dysfonctionnement et ainsi de gagner en fiabilit.

10Venturi : en mcanique des fluides, tube qui prsente un rtrcissement employ pour mesurer les fluides.


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Document technique DT2 : informations complmentaires sur le projet

Les fondations gravitaires

La structure des fondations est untripode en acier lest par du bton. Samasse immerge est de 700 tonnes.

Ce choix de gomtrie permet dedfinir le plan d'assiette de la machinedfini sur trois points. L'installation surles fonds granitiques se fera pardpose sur ces points de la structureporteuse. Aucun rglage n'estncessaire de faon limiter lesoprations sous-marines. Le trianglede sustentation est dfini par ces troispoints de la structure.

Convertisseur

Un convertisseur offshore, fourni par la socitfranaise Converteam, est install proximit deshydroliennes. Son rle est dlever la tensionproduitepar les machines 10 kV afin de pouvoir latransporter. Le convertisseur a une forme cylindrique(diamtre de 3 m et longueur de 8 m). D'une hauteurtotale de 5 mtres, il est immerg et galement fixsur une structure porteuse gravitaire de type tripode,de dimensions extrieures 12,5 m 10,5 m, dont les

pieds ont un diamtre unitaire de 1,5 m. Il contient unliquide rfrigrant non toxique et biodgradable.

Cble

Dune longueur de 15 kilomtres, il permet le transport dune puissance lectrique jusqu8 MW. Le cble est dpos sur les fonds granitiques sur la majorit du parcours reliant leconvertisseur au poste terre. Sur les derniers kilomtres de lestran11, le cble estensouill12 une profondeur de 1 2 mtres.

Le poste de raccordement terre fait lobjet dun traitement architectural et duneintgration paysagre (vgtalisation priphrique). Il sera galement dot de protectionsantibruit pour faciliter lacceptation par le grand public.

11L'estran est la partie dulittoral situe entre les limites extrmes des plus hautes et des plus bassesmares.12Ensouiller : enterrer une canalisation, une conduite.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Littoralhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Mar%C3%A9ehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Mar%C3%A9ehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Littoral


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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 suspensiondans leau, supposes sans mouvement propre, et se

dplaant avec les courants. La diffrence entre lesfrquences mises et rflchies (effet Doppler) estproportionnelle la composante de la vitesse des particulessuivant laxe de propagation de londe. Pour obtenir les troiscomposantes de la vitesse, quatre faisceaux sont utiliss,inclins 30 de la verticale.

Pour chaque cycle de mesures, les capteurs ADCP valuent les composanteshorizontales et verticales du courant, corriges du roulis et du tangage. Chaque profilmesur est dcoup en segments uniformes, appels cellules ( bins ) ; la vitesseassocie chaque cellule est une moyenne des vitesses mesures sur lpaisseur de lacellule. 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 parcapteurs internes, la vitesse du son utilise.

En outre, les trois composantes de la vitesse sont galement enregistres : lerreur devitesse, lintensit dcho des ondes sonores, lamplitude de corrlation et le pourcentagede donnes correctes. Pendant lacquisition, les mesures de vitesse sont transformes etenregistres en coordonnes terrestres.

Lorsque la bathysonde se dplace verticalement, les mesures individuelles des ADCPsont entaches dun bruit trs lev cause du mouvement propre du systme. Maischaque cellule de mesure est value un grand nombre de fois successivement parlappareil 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 lebruit 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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Document technique DT5 guidage hydrodynamique de la turbine

Dtail du palier hydrodynamique de lhydrolienne

Schma dunlment deguidage Dtail B

La priphrie de la turbine est dcoupe en lments de guidage appel blochet. Chaquelment occupe un secteur angulaire de 5 soit 72 zones de guidage.

longueurs en mm.

Surface plane dupalier supportant lesefforts axiaux

Surface cylindrique dupalier supportant lesefforts radiaux

Localisationdun blochet

L


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Document technique DT6 : guide de calcul du palier hydrodynamique

Guide de calcul pour palier hydrodynamique13

Le systme hydrodynamique le plus simple, et la base debeaucoup de ralisations complexes, est le patin inclin oublochet. Il est constitu de deux faces planes nonparallles.

La face infrieure est anime dune vitesse de

translation V; La face suprieure est incline dun angle .Langle est petit, de mme que lpaisseur moyenneentre les faces infrieures et suprieures.

Par son mouvement de translation, et compte tenu deladhrence du fluide aux parois, la plaque suprieure (laturbine dans notre tude) entrane le fluide dans lespaceconvergent ainsi constitu ; ce mouvement cre un champ

de pression qui permet de supporter la charge W applique sur le solide support de la faceincline, 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 partiemobile 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 :

13Source document : Aublin et co-auteurs, systmes mcaniques - thorie et dimensionnement.


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Document technique DT7 : charge admissible

Charge admissible en fonction de a

La figure ci-contre montre les variations de pression sans

dimensionppour diffrents rapports de .

Calcul de la capacit de charge

La charge supporte est obtenue par intgration du champde pression. Pour une largeur Lsuivant znous avons :

Dfinissons la charge sans dimension comme suit :

Il vient alors :

(a-1)2 ln a -2 a-1

a1

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 h2dufilm.

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 : .


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Document technique DT8 : gomtrie de la turbine

La turbine est compose :

du centre en acier inoxydable :cylindre creux permettant la fixationdes pales ;

des pales en matriaux composites ;

de la couronne en acier inoxydablecontenant les aimants de lagnratrice synchrone.

Masse de lensemble rotor compos de laturbine et des venturis centraux :120 tonnes

Volume de la turbine seule : 117 780 dm3

Dimensions du venturi central

Volume du venturi = 785 dm3

Pousse dArchimde

La pousse d'Archimde est laction mcanique que subit un corps plong en tout ou en partiedans 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 dm

3

g acclration de la pesanteur en ms-2


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Document technique DT9 : modle multiphysique

Figure 3 : modle multiphysique du prototype dhydrolienne


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Document technique DT10 : chronogrammes de simulation

Figure 4 : chronogrammes de simulation


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Document technique DT11 : allure du signal lectrique produit

Fig. 5 : dfaut de filtrage Fig. 6 : filtrage correct

Fig. 7 : cellule LC Filter


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Document technique DT12 : carte du rseau de transport dlectricit (RTE)

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 trerenforc 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 adaptationslgres du rseau existant. Au-del, des contraintes apparaissent progressivement danscertaines configurations, mais ces contraintes doivent pouvoir tre gres par des mesuresdexploitation un cot raisonnable. En tout tat de cause, au -del de 2 500 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 lefacteur dimensionnant de la stratgie de raccordement du potentiel hydrolien

Compte tenu la fois de la topographie de la cte, des protections juridiques dont bnficiele littoral et des contraintes techniques dimplantation de cbles lectriques, RTE na identifique quelques zones restreintes propices latterrage. Au-del dun certain volume deproduction, il devient ncessaire de disposer dquipements de transformation en mer, quidoivent tre hbergs sur une plate-forme merge

Raz Blanchard

Dmonstrateur

Paimpol Brhat


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Document rponse DR1

Chane fonctionnelle

Schma de principe


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Document rponse DR2

vitesse (cm/s)

distance (m)

Distance (m)par rapport au

fondVitesse (cm/s)

Distance (m)par rapport au

fondVitesse (cm/s)

3 150,633 17 229,7454 165,86 18 225,3695 174,551 19 217,3446 184,985 20 213,5767 189,7 21 231,0788 191,6 22 236,0359 199,049 23 230,036

10 198,468 24 228,58511 196,123 25 234,98712 205,994 26 240,6913 220,76 27 241,59114 217,449 28 225,76915 225,779 29 234,33716 213,588 30 238,817

31 239,66


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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 poussedArchimde(poids appliqu sur la droite (G1,G2)).

x

z

y

z


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Document rponse DR4

Complterle chronogramme de sortie (tat logique haut : 2 V, tat logique bas : 0).

Releverla priode du signal sinusodal qui pilote la MLI. Calculersa frquence et vrifiersaconformit avec le cahier des charges.

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 lasortie VABet VBAsont reports sur le tableau. Complterle 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

Signal de sortie du comparateur

t (s)


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Document rponse DR5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

x'=x / B

p'pressionsansdime

nsion

volution de p' en fonction de a = h1/h2

a=2,4

a = 6

a = 1,2

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 60.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

a: rapport h1/h2

W'

W' effort admissible sans dimension

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 60.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

F'

F' effort tangentiel sans dimension

a, rapport h1/h2

a, rapport h1/h2

Documents

Concours Général Si 2014