Partie 3 - Données géométriques et flottaison · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - ITEC 2024

Mise en situation

Le parc photovoltaïque flottant désigne les installations de panneaux solaires posées sur des étendues d'eau. L'intérêt majeur de cette technologie est d'éviter les conflits dans l'usage des sols.

L'étude proposée doit permettre de mettre en évidence la valorisation d'un plan d'eau d'un point de vue du développement durable par l'implantation d'une centrale photovoltaïque flottante.

Présentation du parc flottant étudié

Le parc photovoltaïque de Saint-Élix le Château est situé dans le département de la Haute Garonne. Il est constitué de deux îlots flottants installés sur un plan d'eau de 27,6 ha, le lac du « Vignoble ».

Ces deux îlots sont installés à 20 mètres du rivage du plan d'eau. Ils sont constitués de flotteurs qui soutiennent les panneaux photovoltaïques. La hauteur maximale du parc n'excède pas 44 cm pour préserver l'aspect visuel.

Quelques caractéristiques techniques du parc flottant:

puissance de l'installation: 13 MWc;

production: $15\,450\text{ MWh}\cdot\text{an}^{-1}$;

ancrage des îlots en berge et au sol au fond du lac;

34 000 panneaux photovoltaïques soit 6,8 ha de panneaux inclinés à 11°;

surface totale des deux îlots (panneaux + flotteurs): 12 ha;

puissance par panneau: 425 Wc;

dimension d'un panneau: 1 812 mm x 1 046 mm;

câblage: les câbles flottent à la surface du plan d'eau du parc vers le poste de transformation;

il existe différents câbles au sein d'un projet photovoltaïque;

les câbles DC transportent l'énergie produite par les panneaux vers les onduleurs;

les câbles AC transportent l'énergie des onduleurs aux transformateurs, puis vers le poste de livraison;

postes de transformation: 7 postes de transformation pour le parc.

En amont de chaque poste de transformation, les panneaux sont connectés entre eux en série.

Chaque série de panneaux est appelée chaîne. Les chaînes convergent jusqu'aux boîtes de jonction. Généralement une boîte de jonction comporte 16 chaînes. Celles-ci permettent de réduire le nombre de câbles allant des panneaux vers les onduleurs (DC). Les onduleurs permettent de convertir le courant continu en courant alternatif.

Afin de réduire les pertes lors du transport d'électricité, la tension du système est élevée à la tension du réseau via un transformateur. Cette tension est de 20 kV dans le cas du projet de parc photovoltaïque de Saint-Élix-le-Château.

Les postes de transformation sont des locaux spécifiques comprenant les onduleurs, les transformateurs BT (basse tension) et HTA (haute tension de domaine A), et les cellules de protection.

La surface au sol des postes de transformation est d'environ $15\text{ m}^2$.

Poste de livraison: un seul poste de livraison pour le parc.

L'électricité produite, après avoir été éventuellement rehaussée en tension, est comptée puis injectée dans le réseau électrique français au niveau du poste de livraison qui se trouve au Nord-Ouest du projet.

Structures flottantes

Les panneaux photovoltaïques, d'une inclinaison de 11°, sont assemblés par rangées sur une structure flottante formant ainsi un îlot. Le lac de Saint-Élix-le-Château sera composé de modules sur deux îlots.

La structure portante est constituée de plusieurs flotteurs préfabriqués. Ils sont livrés puis assemblés directement sur site.

Le module SPR-Max3-425 repose sur un flotteur dont la forme est précisée ci-dessous:

Question 3.4

Calculer la surface $S_a$ [m²] d'appui du flotteur sur l'eau (surface grisée).

L'ensemble constitué du flotteur, d'un panneau et de la structure d'accrochage a une masse totale de 34,4 kg.

L'ensemble est en équilibre sur l'eau, ce qui signifie que son poids est compensé par la poussée de l'eau.

Cela se traduit par:

$$F_{\text{eau/flotteur}} = \text{Poids} = \rho \times S_a \times h_i \times g \quad \text{en unité S.I.}$$

$\rho$: masse volumique de l'eau, $1\,000\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$

$h_i$: hauteur d'immersion du flotteur

$g$: accélération de la pesanteur: $9{,}81\text{ m}\cdot\text{s}^{-2}$

Question 3.5

Calculer la hauteur d'immersion $h_i$ (mm) de l'ensemble avec $S_a = 1{,}60\text{ m}^2$.

Question 3.6

La structure reste-elle en surface du plan d'eau ? Justifier.