Partie 1

Partie commune à toutes les spécialités.

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1 - Comment optimiser la position des panneaux photovoltaïques ?

Compétences et savoirs évalués :

• CO1.1 - Justifier les choix des matériaux, des structures d’un système et les énergies mises en oeuvre dans une approche de développement durable.

 

Le système de tracking de la centrale de Porette de Nérone est constitué d'une structure fixe liée au sol et d'une structure mobile en liaison pivot avec la structure fixe. L’utilisation de trackers dans une centrale photovoltaïque permet un gain de production d'énergie d'environ 15 %.



Le système de tracking permet d’orienter tous les panneaux photovoltaïques de manière à les positionner le plus longtemps possible perpendiculairement aux rayons du soleil. La problématique est de trouver la meilleure orientation tout au long de la journée. Le mouvement est assuré par un motoréducteur Leroy Somer, qui entraîne en rotation l'arbre de commande, et par un système roue et vis sans fin qui provoque la rotation de la structure mobile.

Question 1.1 - Le document DR1 représente l’implantation de deux lignes successives de panneaux solaires. Tracer le rayon du soleil passant par le point A à 9 heures du matin.

Question 1.2 - Représenter la zone d’ombre produite sur le panneau 2 à 9 heures. Conclure sur l’impact de cette zone d’ombre en donnant le pourcentage de la surface éclairée par rapport à la surface totale.

Question 1.3 - Sur le schéma du DR1 représentant le panneau 2 incliné à 45°, déterminer l’heure à laquelle l’ombrage disparait de sa surface.

Sur le DR2, plusieurs inclinaisons des panneaux solaires sont proposées en pointillés (de -45° à -10°).

Question 1.4 - Déterminer, en traçant le rayon du soleil, l’inclinaison des panneaux photovoltaïques permettant de ne pas avoir d’ombrage à 9h du matin. Relever la valeur de l’angle d’inclinaison des panneaux correspondant.

Question 1.5 - Déterminer sur quelle période horaire de la matinée le système fonctionne en backtracking (annulation automatique de l’ombrage). Déterminer sur quelle période horaire de la matinée le système fonctionne en tracking (positionnement du panneau perpendiculaire au soleil).

2 - Comment assurer l’ancrage des portiques en cas de vent extrême ?

Compétences et savoirs évalués :

• S2-3.3 - Comportement mécanique des systèmes : Modélisation des actions mécaniques.
• CO2.2 - Justifier les solutions constructives d'un système au regard des impacts environnementaux et économiques engendrés tout au long de son cycle de vie.

Dans cette partie, on cherche à vérifier que les ancrages des portiques (éléments de structure supportant les panneaux) pourront supporter les conditions de vent extrême. Les panneaux solaires reposent par groupes de 13 sur un portique composé d’une poutre horizontale et de 3 poteaux en profil creux de 3 m de hauteur enfoncés de 1,5 m dans le sol.



Une étude menée à partir de l’Eurocode 1 (règlement européen pour le calcul des structures) montre que chaque panneau solaire peut être soumis à un vent extrême horizontal. Ce vent créé une action dite « aérodynamique » Fa perpendiculaire à chaque panneau, incliné à 45°, d’intensité Fa = 1 kN pour un panneau solaire.



Chaque panneau solaire reprend une action de 1 kN et chaque portique comporte 13 panneaux.

Question 2.1 - Calculer l’intensité de la charge totale Fp en kN, due au vent, reprise par un portique.

Chaque portique est supporté par 3 poteaux. Dans le cas extrême, le poteau intermédiaire reprend à lui seul la moitié de la charge totale calculée à la question précédente, notée Fam, d’intensité Fam, inclinée à 45° par rapport à l’horizontal.



Question 2.2 - Calculer Fam = Fp/2, puis Ft, l’intensité de la résultante horizontale Ft (projection de Fam sur l’axe x). En déduire l’intensité Fv de la résultante verticale Fv de Fam (projection de Fam sur l’axe y, voir schéma précédent).

Question 2.3 - Expliquer comment Fv agit sur le poteau lorsque le vent est face aux panneaux solaires. En déduire ce qui se passe si le vent souffle par l’arrière, sa composante aérodynamique restant toujours perpendiculaire aux panneaux solaires.

La hauteur du poteau au-dessus du sol entre les points O et E est égale à 1,5 m. Le signe du moment est positif s’il est dans le sens trigonométrique.

Question 2.4 - Calculer l’intensité M_E du moment M_Ft/E créé au point E (pied du poteau intermédiaire) par Ft. Indiquer comment ce moment agit sur l’ancrage du poteau.

Question 2.5 - À partir des questions précédentes, justifier le choix technologique d’ancrer les poteaux de 1,5 m dans le sol.

3 - Comment assembler la chaîne de production d’énergie électrique ?

Compétences et savoirs évalués :

• CO3.1 - Décoder le cahier des charges d’un système.
• S3-2.1 - Transformateurs et modulateurs d'énergie associé : Adaptateurs d'énergie : réducteurs mécaniques, transformateurs électriques parfaits et échangeurs thermiques.

 

Schéma de principe de la centrale de Porette de Nérone

L’énergie solaire est captée par plusieurs alignements de modules photovoltaïques (1) qui la convertissent en électricité. Cette énergie électrique est modulée grâce à des onduleurs (2). Puis des transformateurs (3) élèvent la tension pour l’injecter sur le réseau (4).

Question 3.1 - À partir de la présentation et du diagramme de définition des blocs de la centrale disponible en ressources, compléter le DR3 en indiquant :

• le nombre d’éléments constituants la centrale ;
• le type de courant électrique (AC ou DC) présent aux différents pointsde l’installation.

Question 3.2 - À l’aide de la documentation technique des modules, relever les dimensions du module solaire retenu et calculer sa surface.

Pour un ensoleillement de 1000 W.m^-2 et une température de cellule de 25°C, la puissance nominale du module solaire est de 320 W.

Question 3.3 - Calculer la puissance solaire reçue P_RP par un panneau dans ces conditions. Calculer le rendement de ce module photovoltaïque η_PV.

Les panneaux solaires peuvent être associés de façon élémentaire comme sur les figures 1 et 2 ci-dessous, la figure 3 représente les associations de panneaux solaires de la centrale étudiée :



En fonctionnement normal et pour un ensoleillement de 1000 Wm^-2 la tension d’un module est de 54,7 V et le courant de 5,86 A (voir la documentation technique des modules).

Question 3.4 - Pour les figures 1 et 2, indiquer le type d’association réalisé entre les panneaux photovoltaïques. Calculer V_S1, V_S2 et I_S1, I_S2.

Un bloc est composé de 9 chaînes en parallèle, chaque chaîne étant elle-même composée de 13 modules en série, voir figure 3.

Question 3.5 - En déduire la tension et le courant sortant du bloc de jonctions.

La centrale comporte 101 blocs de panneaux solaires reliés à 6 onduleurs.

Question 3.6 - En répartissant au mieux la charge sur chaque onduleur, déterminer le nombre de blocs à relier à chaque onduleur en complétant le DR4 (le nombre de blocs peut être différent sur chaque ligne d’onduleur).

Question 3.7 - Déterminer le courant d’entrée sur les onduleurs les plus chargés qu’impose cette répartition et conclure sur la puissance nominale d’un onduleur.