Le complexe de Toco

Enseignement scientifique Terminale

Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »

Sujet n°ENSSCI3190 et n°ENSSCI3189

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Le complexe de stockage Toco, situé en Guyane, est le plus grand complexe de stockage par batteries lithium-ion en France. Il rassemble la centrale solaire de Savane des Pères couplée à une installation de stockage par batteries.

À partir des connaissances et des informations fournies, répondre aux questions suivantes.

À la suite de mesures, on trace à l’aide d’un tableur la courbe présentant les variations de l’intensité du courant électrique produit par une cellule photovoltaïque en fonction de la tension à ses bornes (I = f(U) en trait plein) et la courbe montrant les variations de la puissance électrique délivrée en fonction de cette même tension (P = f(U) en pointillés).

1- Noter sur votre copie le numéro de la série de propositions (I, II…) et la lettre correspondant à la proposition exacte :

I. Une cellule photovoltaïque convertit l’énergie …
a. électrique qu’elle reçoit en énergie radiative ;
b. radiative qu’elle reçoit en énergie thermique ;
c. radiative qu’elle reçoit en énergie électrique ;
d. thermique qu’elle reçoit en énergie électrique.

c. radiative qu’elle reçoit en énergie électrique ; Elle reçoit de la lumière qu’elle convertie en électricité.

II. La puissance délivrée par une cellule photovoltaïque peut se calculer à l’aide de la relation :
a. P = U× I ;
b. P = R²× I ;
c. P = U× I² ;
d. P = R× I.

a. P = U× I ;

III. La cellule photovoltaïque étudiée est parcourue par un courant d’intensité …
a. 80 mA lorsque la tension à ses bornes vaut 0,29 V ;
b. 4 mA lorsque la tension à ses bornes vaut 0,14 V ;
c. 8 mA lorsque la tension à ses bornes vaut 0,29 V ;
d. 7 mA lorsque la tension à ses bornes vaut 0,39 V.

IV. La puissance électrique maximale produite par la cellule est de …
a. 8,6 mW ;
b. 2,6 W ;
c. 2,6 mW ;
d. 2,5 kW.

La centrale solaire de Savane des Pères est constituée de modules photovoltaïques au tellurure de cadmium (CdTe).

2- En utilisant le document 1 page suivante, indiquer pourquoi il est possible d’utiliser le matériau semi-conducteur tellurure de cadmium (CdTe) en remplacement du silicium (Si) que l’on trouve communément dans les modules photovoltaïques.

Document 1 – Coefficient d’absorption des matériaux semi-conducteurs en fonction de la longueur d’onde de la lumière

GaAs : arséniure de gallium ; Si : silicium ; InP : phosphure d’indium ; CdTe : tellurure de cadmium ; CdS : sulfure de Cadmium.

Source : d’après https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01529748/document

3- Calculer le rendement énergétique de la centrale solaire de Savane des Pères, constituée d’une surface de panneaux photovoltaïques de 22 200 m², recevant annuellement une énergie solaire de 1,875 MWh/m² pour une production électrique de 5 400 MWh.

Calculons l’énergie solaire reçue annuellement :

1,875 MWh	1 m²
$\operatorname{E}_{Solaire}$	22 200 m²

$$\operatorname{E}{Solaire}=\frac{22\ 200 \times 1,875}{1}$$
$$\operatorname{E}{Solaire}=41\ 625\ MWh$$

Calculons le rendement énergétique de la centrale solaire :
$$\eta=\frac{\operatorname{E}{electrique\ produite}}{\operatorname{E}{Solaire}}$$
$$\eta=\frac{5\ 400}{41\ 625}$$
$$\eta=0,130=13,0\ %$$

Le rendement énergétique de la centrale solaire a pour valeur 13%.

Les batteries couplées à la centrale solaire de Savane des Pères ont une capacité de stockage de 2,9 MWh et une puissance de 2,6 MW.

4- Calculer la durée d’autonomie électrique de ces batteries, sachant qu’1 kWh est l’énergie associée à une puissance de 1 kW transférée ou stockée pendant une heure.

$$E=P \times \Delta t$$
$$P \times \Delta t=E$$
$$\Delta t=\frac{E}{P}$$
$$\Delta t=\frac{2,9}{2,6}$$
$$\Delta t=1,1\ h$$
$$\Delta t=1,1 \times 60=66\ min$$
Ces batteries ont une durée d’autonomie électrique de 66 min.

Une solution innovante est expérimentée au sein du complexe de Toco, il s’agit d’un Volant de Stockage Solaire (VOSS) qui pourrait constituer une alternative écologique à l’utilisation de batteries nécessitant des matériaux en quantité limitée sur Terre (cf. document 2 page suivante).

6- Nommer et décrire brièvement le phénomène physique exploité par un alternateur.

Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d’induction électromagnétique.
L’énergie mécanique est à l’origine de la mise en rotation de l’aimant ou de l’électroaimant ; cette partie en rotation est nommée rotor.
Ces sources de champ magnétique sont alors en mouvement à l’intérieur d’un ou plusieurs circuits électriques fixes (le stator) de l’alternateur.
Ces circuits électriques sont alors le siège d’un phénomène d’induction, et peuvent être parcourus par un courant électrique lorsqu’ils sont reliés à une charge électrique. L’énergie électrique correspondante est la grandeur de sortie du convertisseur.

Document 2 – Le volant de stockage solaire (VOSS), une innovation au service d’un stockage écologique

Une solution innovante est expérimentée au sein du complexe de Toco, il s’agit d’un Volant de Stockage Solaire (VOSS) : « Pour une masse de 4-5 tonnes incluant l’équipement autour, le volant aura une capacité de stockage énergétique de 10 kWh, et l’ensemble moteur/alternateur une puissance nominale de 10 kW. Ainsi, le système disposera d’une autonomie d’une heure en utilisation maximum ».

Un VOSS est constitué d’une masse en béton entraînée par un moteur électrique. L’apport d’énergie électrique permet de faire tourner la masse à des vitesses très élevées et une fois lancée, elle continue à tourner, même si plus aucun courant ne l’alimente. L’énergie électrique est alors stockée dans le volant sous forme d’énergie cinétique, elle pourra ensuite être restituée instantanément en utilisant l’alternateur, entraînant la baisse de la vitesse de rotation de la masse.

Source : d’après www.energiestro.fr

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