E2 ACT4 Stockage Energie CORRIGE [PDF]

Zitiervorschau

I

Première STI2D

M

ETT

E

CORRIGE

Lampadaire autonome Luméa

Référence : E2-ACT4

Stockage de l’énergie électrique CENTRE D'INTÉRÊT D'INTÉRÊT

CI6 - Solutions constructives relatives à la chaîne d'énergie

Compétences visées

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. CO4.4 - Identifier et caractériser des solutions techniques relatives aux matériaux, à la structure, à l'énergie et aux informations (acquisition, traitement, transmission) d'un système.

Connaissances associées

3.2 Constituants d'un système 3.2.2 Stockage d'énergie

Prérequis

Les grandeurs électriques de base : tension, courant, puissance, énergie.

Conditions de réalisation

Nature de l'activité

Organisation de l'activité

2 heures

Travail en binôme

TD Ressources

Étude de cas

TP

Poste informatique avec internet

Fiches ressources

C3-2 Stockage de l'énergie

Cahier des charges Notice d’utilisation du Luméa Documentations techniques de la batterie Documentation sur les batteries solaires

I. CHOIX D’UN ACCUMULATEUR

Dans le Luméa, le stockage de l'énergie est obtenu au moyen d'un accumulateur étanche au plomb à recombinaison de gaz régulé par soupape (VRLA). Il s'agit dans cette activité de se familiariser aux différentes technologies (les plus courantes) des accumulateurs, de s’informer sur les caractéristiques essentielles de chacune d'elles (avantages/inconvénients), et enfin d'apprécier le ou les critères qui ont pu conduire au choix de l'accumulateur au plomb dans le contexte du Luméa. Q1. Retrouver dans la fiche technique de la batterie, les caractéristiques principales de l'accumulateur utilisé (capacité de stockage, tension nominale, tension et courant de charge maximum, courant de décharge maximum en pointe, durée de vie, poids).

Réponse :

- capacité de stockage : 24 Ah - Tension nominale : 12 V - tension de charge maximum : 14,5 V - courant de charge maximum : 6 A - courant de décharge maximum en pointe : 500 A en 1 seconde - durée de vie : >10 ans - poids : 9 Kg

Document élève / E2-ACT4 - corrigé

Page 1/6

10/07/2012

Première STI2D

M

I

ETT

E

CORRIGE

Q2. Faire des recherches internet pour compléter sur le document réponse 1, les différentes cases vides identifiées par un cadre plus épais. Q3. Parmi les quatre technologies d’accumulateurs, donner les critères qui justifient le choix de la batterie au plomb pour le Luméa. Commenter votre réponse.

Réponse :

Les batteries au plomb sont robustes, facile à mettre en œuvre et sans effet mémoire. Elles ont de plus un excellent rapport prix/durée de vie et elles ne polluent pas si le recyclage est bien fait. Leurs inconvénients principaux, le poids et l’encombrement ne sont pas une contrainte pour le Luméa.

II. CARACTÉRISTIQUES ET CHOIX D’UNE BATTERIE AU PLOMB Q1. Comment est exprimée la quantité d’énergie contenue dans une batterie ? De quels paramètres dépend cette grandeur ? Que signifie C20, C10 ?

Réponse : La quantité d’énergie ou la capacité d'une batterie se mesure en ampères heure (Ah). Elle représente le "débit" potentiel de la batterie. Mais il faut ajouter à cela la vitesse de décharge de la batterie qui a un impact sur la capacité : plus la décharge est rapide, plus la capacité réelle de la batterie sera faible. Ainsi une batterie présentant la capacité de 24 Ah en C20 aura réellement une capacité de 24 Ah si la décharge prend 20 heures. La même batterie aura une capacité inférieure en C10 pour une décharge en 10 heures.

Q2. Pour la batterie YUASA NPL24-12I, Quel sont les courants de décharge pour les régimes C20 et C10 ?

Réponse : Intensité de décharge = capacité / temps I=Q/T En C20 : I = 24 / 20 = 1,2 A (noté 0,05C sur les caractéristiques de décharge) En C10 : I = 21,12 / 10 = 2,11 A (0,1C)

Q3. Commenter l’évolution de la tension aux bornes de la batterie en fonction du temps pendant la décharge (comment évolue la tension au début, au milieu et en fin de décharge). Relever les tensions limites par éléments accumulateurs pour le régime C20. Ramener ces valeurs pour une batterie de 12 V. (Rappel : une batterie de 12 V est composée de 6 éléments de 2V).

Réponse : Sur les caractéristiques de décharge, la tension aux bornes de la batterie reste pratiquement constante et chute rapidement en fin de décharge. Tension max = 2,1 V par élément, 12,6 V pour 6 éléments Tension mini = 1,75 V par élément, 10,5 V pour 6 éléments

Document élève / E2-ACT4 - corrigé

Page 2/6

10/07/2012

Première STI2D

M

I

ETT

E

CORRIGE

Q4. Quels sont les risques encourus par la batterie à la charge ? À la décharge ?

Réponse : Afin d’optimiser la durée de vie des batteries, il faut éviter toute surcharge à température élevée (risque d’emballement thermique) ou sous-charge à basse température. Il est conseillé de compenser la tension de charge en fonction de la température. A partir de 45°C, il est préférable de stopper la charge. Sur les caractéristiques de décharge, la ligne en pointillé indique la tension minimale recommandée en décharge. Pour éviter toute décharge profonde et dégradation des batteries par sulfatation des plaques, il ne faut pas descendre en dessous de cette tension d’arrêt.

Q5. La capacité des batteries évolue en fonction de la température. Donner les capacités corrigées pour des températures extrêmes de -10°C et 40°C. Qu’en concluez-vous ?

Réponse : Le coefficient de correction est de 0,73 pour une température de -10°C ce qui donne une capacité corrigée de : 24 x 0,73 = 17,5 Ah. Pour 40°C, Qcor = 24 x 1,09 = 26,16 Ah. Pendant l’hiver, la capacité de la batterie diminue alors que les apports énergétiques sont plus faibles et que les besoins en éclairage sont plus importants.

Q6. Les batteries NPL sont conçues pour fonctionner 10 ans dans des conditions de service normal. Quelles conditions de service peuvent affecter la durée de vie de la batterie ?

Réponse : La durée de vie de la batterie est directement affectée par : - la température ambiante - Le nombre de décharge - la profondeur de décharge et le non respect de la tension d’arrêt. - la mauvaise qualité du courant de charge

Q7. Dans la gamme NP de YUASA, la série NPL est-elle le meilleur choix pour le Luméa ? Pourquoi ?

Réponse : Dans la gamme NP, les batteries NPL ont la durée de vie la plus longue ce qui est primordial pour le Luméa surtout pendant la saison d’hiver.

Q8. Vous allez maintenant utiliser le calculateur de batteries industrielles du fabricant YUASA en calcul direct pour choisir la référence exacte de la batterie série NPL. Allez à l’adresse suivante http://www.yuasaeurope.com/fr/industrial/ et compléter le calculateur avec les données suivantes : - Valeur du courant de décharge batterie luméa allumé : Ibat = 0,58 A - Tension d’arrêt : Uar = 10,5 V - Autonomie de fonctionnement préconisée sans recharge environ 30 Heures Document élève / E2-ACT4 - corrigé

Page 3/6

10/07/2012

Première STI2D

M

I

ETT

E

CORRIGE

- Nombre de cellules batterie : 6 - Donner la référence batterie et l’autonomie obtenue pour des températures extrêmes de -10° et 40°C. Conclure sur la conformité de la batterie montée sur le système Luméa.

Réponse : La référence de la batterie obtenue par le calculateur est la NPL24-12I et c’est la même que celle utilisée sur le Luméa. L’autonomie obtenue à -10°c est de 30H59mn L’autonomie obtenue à 40°C est de 46H58mn Dans les deux cas l’autonomie est supérieure au 30 Heures préconisées. La batterie est conforme au Cahier des charges.

III. RÔLE DE LA CARTE ÉLECTRONIQUE DE GESTION Q1. Donner la fonction de la carte électronique de gestion dans le fonctionnement de la batterie.

Réponse : Elle contrôle la recharge et de la décharge de la batterie, afin d’optimiser sa durée de vie.

Q2. Préciser pour la carte électronique de gestion, les valeurs des paramètres suivants :

Réponse :

- Tension d’arrêt : 10,5 V- Tension de clignotement : 11 V- Tension de ré-enclenchement : 12,2 V - Fréquence de clignotement : 1 s pour 4 secondes éteint.

Q3. Compléter le chronogramme de l’état des leds sur le document réponse 2. Vous tracerez au préalable les trois tensions de seuil avec trois couleurs différentes (rouge pour arrêt, bleu pour clignotement et vert pour ré-enclenchement). Prenez soin de bien les tracer parallèles à l’axe des abscisses. Q4. Comment est réalisée la compensation de température afin d’optimiser la durée de vie de la batterie ? Sur quoi agit-elle ?

Réponse :

Cette compensation est réalisée via la carte électronique de gestion. Un capteur de température mesure en permanence la température. Elle agit sur la tension de charge qui évolue alors suivant cette température et stoppe la charge à partir de 45°C.

Document élève / E2-ACT4 - corrigé

Page 4/6

10/07/2012

I

Première STI2D

M

ETT

E

CORRIGE ACCUMULATEURS

DOC RÉPONSE 1

Technologie

Plomb

Nickel-Cadmium

Lithium_ion

Lithium-Polymère

Matériaux utilisés (principaux)

Plomb

Cadmium (Cd) Nickel (Ni)

Lithium (beaucoup de variantes)

Prix

Bas

Moyen

élevé

Recyclage

Ne pollue pas si bien recyclé

Recyclage compliqué à cause du cadmium

pas de polluant majeur

Unominale (V) d'un élément

2,1V

1,2 V

Capacité de stockage en Ah (élevée ? Faible ?)

élevée

faible

Énergie massique (ou densité massique)

20 à 40 Wh/kg

40 à 50 Wh/kg

Pointe de courant

élevé

faible

3,6 V

3,7 V large gamme

90 à 180 Wh/kg

100 à 130 Wh/kg

Charge (principe, complexité ? …)

relativement simple

relativement simple

Nb de cycles de charge

400 - 800

> 1000 (1500)

500 – 1000 (7 ans)

200 – 400 (2 à 4ans)

Rendement charge/décharge

50 à 60 %

70 à 90 %

> 90 %

> 90 %

Autodécharge

3 à 5 %/mois

10 à 20 %/mois

Effet mémoire

NON

Document élève / E2-ACT4 - corrigé

OUI

Page 5/6

complexe Contrôle température, niveau de tension de chaque élément individuellement

1 à 10 %/mois NON

1 à 10 %/mois NON

10/07/2012

Première STI2D

M

Document élève / E2-ACT4 - corrigé

I

ETT

E

CORRIGE

Page 6/6

10/07/2012