Partie A - Résistance des matériaux et dimensionn… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole remplacement - ITEC 2024

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.

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

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 $150\text{ km}\cdot\text{h}^{-1}$ 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 ($m_{\text{panneau}} = 18\text{ kg}$) et les solides sont considérés indéformables pour les questions A.1 à A.4. L'étude sera réalisée dans le plan du schéma ci-après.

Schéma de principe simplifié de la structure (les articulations en A, B et C sont parfaites)

A.2

Le panneau photovoltaïque est en équilibre, il est isolé, les actions mécaniques extérieures sont modélisées par des forces.

A.3

Une seule force est nommée sur DRS1: $\vec{F}_{D\text{ vent}\to\text{panneau}}$.

A.4

La force du vent sur le panneau induit au point C un effort de $604\text{ N}$ qui se répartit sur deux biellettes. À l'extrémité d'une seule biellette une force $\vec{F}_{C1\text{ panneau}\to\text{biellette1}}$ de $302\text{ N}$ est donc présente. Tracer et nommer les deux forces en $B_1$ et en $C_1$ exercées sur la biellette 1 sur le document DRS2 (utiliser l'échelle $1\text{ mm} = 1{,}5\text{ daN}$).

A.5

A.6

À l'aide du document technique DTS3:

Document technique DTS3: modélisation mécanique et contraintes de von Mises

A.7

Le cahier des charges exige un coefficient de sécurité minimal de 2 pour la structure. Conclure sur le dimensionnement de la biellette.