Partie C - Cinématique et vitesses de frottement · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - ITEC 2024

Partie C: la liaison entre les flotteurs d'accès est-elle adaptée aux conditions de houle ?

Innovation technologique et éco-conception — Parc photovoltaïque flottant

Mise en situation

Le projet concerne une centrale solaire flottante. La structure accueillant la couverture photovoltaïque est composée de flotteurs de deux types:

les flotteurs principaux sont conçus pour supporter les panneaux photovoltaïques;

les flotteurs secondaires (longs ou courts), plus petits, servent d'allées de maintenance et conservent l'écartement entre les flotteurs principaux, et les flotteurs d'accès des berges à la station (non étudiés dans la partie commune).

Plan d'eau avec chemin d'accès et panneaux photovoltaïques

L'assemblage de ces flotteurs forme un îlot. La centrale est composée de deux îlots. Les flotteurs sont assemblés par des clés de connexion sauf les flotteurs du chemin d'accès à la station qui sont articulés entre eux.

Flotteur secondaire long, flotteur secondaire court, flotteur principal, biellettes, système de fixation et clé de connexion

Plusieurs modèles de panneaux peuvent être installés sur les flotteurs en adaptant le cadre qui les supporte, dans notre cas l'étude sera réalisée avec des panneaux de 1,7 m de long par 1 m de large.

Panneau photovoltaïque fixé sur un flotteur principal

Le point haut des modules photovoltaïques se situe à moins de 80 cm au-dessus de la surface de l'eau. Cette faible hauteur permet de minimiser l'impact visuel de la centrale photovoltaïque.

La structure flottante est sollicitée par divers éléments de son environnement (aléas climatiques par exemple), l'étude qui suit permettra:

de valider si le système de fixation permet une bonne stabilité des panneaux sur la structure flottante (PARTIE A);

de valider le choix du matériau des flotteurs qui sont en contact avec l'eau (PARTIE B);

de vérifier la bonne tenue aux frottements des articulations entre les flotteurs du chemin d'accès à la station (PARTIE C).

Partie A: comment s'assurer que le système de fixation des panneaux sur la structure flottante est bien adapté ?

Vue de profil du flotteur avec le système de fixation entouré

L'étude va être réalisée pour un des panneaux du parc flottant. Il s'agit d'étudier le comportement de la structure quand le vent souffle à une vitesse extrême de 150 km·h⁻¹ et particulièrement la résistance des biellettes, éléments importants de l'architecture.

L'ensemble est à l'équilibre, la masse des éléments est négligée sauf celle du panneau ($m_{panneau}$ = 18 kg) et les solides sont considérés indéformables pour les questions A1 à A4. L'étude sera réalisée dans le plan du schéma ci-dessus.

Pour accéder à la station flottante, afin de réaliser des opérations de maintenance, un ensemble de flotteurs est à l'étude. Ils sont liés les uns aux autres par une articulation.

Lorsqu'une houle importante due aux vents agite la structure, les flotteurs sont en mouvement les uns par rapport aux autres. L'étude qui va être réalisée doit permettre de vérifier que la vitesse de frottement entre deux flotteurs à l'intérieur de l'articulation ne dépasse pas 1 m·s⁻¹. Une vitesse trop importante pourrait provoquer des dégradations néfastes au système (usure prématurée par exemple).

Le début de l'étude porte sur l'analyse du mouvement du flotteur 2.

C.1

Calculer l'angle β en degré pour la position 1.

Entraxe entre deux liaisons pivot pour un flotteur: 1 m. Temps mis pour passer de la position 1 à la position 2: 0,5 s.

C.2

Calculer l'angle θ, angle de débattement du flotteur entre ses positions 1 et 2.

C.3

Pour calculer la vitesse relative entre le flotteur 1 et le flotteur 2, il faut connaître la vitesse maximale des flotteurs lors de leur mouvement d'oscillation. Le DRS5 donne les courbes qui montrent l'évolution de l'angle β et de la vitesse de rotation ω flotteur2/sol pour le flotteur 2.

C.4

Le schéma de la liaison pivot entre les deux flotteurs est donné ci-dessous, il permet de comprendre comment les matériaux de chaque flotteur sont en contact et en mouvement l'un par rapport à l'autre.

Calculer la vitesse de frottement entre les deux flotteurs avec ω flotteur1/flotteur2 = 8 rd·s⁻¹.

C.5

Conclure sur la capacité de la liaison entre les flotteurs à résister aux phénomènes de houle.