Exercice 2 - Énergie chimique et oxydo-réduction · Bac STI2D Physique-Chimie et Mathématiques Métropole remplacement 2023

EXERCICE 2 (physique-chimie)

Alimentation d'un moteur par un panneau photovoltaïque

On désire alimenter une pompe de piscine à l'aide d'un panneau photovoltaïque. On réalise pour cela une maquette miniaturisée constituée d'un panneau photovoltaïque, d'un moteur et d'une batterie.

Choix d'un moteur

On souhaite alimenter un moteur avec le panneau photovoltaïque étudié précédemment. Pour choisir le moteur adéquat, on réalise le montage suivant permettant de tracer la courbe représentant l'intensité en fonction de la tension d'un moteur.

Le document 2 ci-dessous montre les caractéristiques courant-tension de deux moteurs différents (notés A et B), ainsi que celle du panneau photovoltaïque:

Étude de l'accumulateur

On souhaite brancher le panneau photovoltaïque à un accumulateur permettant d'utiliser le moteur même en l'absence de soleil.

Document 3 – Caractéristiques de l'accumulateur Ni-MH choisi

Tension

$6{,}0\text{ V}$

Capacité

$3000\text{ mA}\cdot\text{h}$

Énergie massique

$50\text{ W}\cdot\text{h}\cdot\text{kg}^{-1}$

Q5.

Le panneau photovoltaïque charge l'accumulateur avec une intensité $I_{\text{charge}} = 480\text{ mA}$ et un rendement de conversion d'énergie électrique en énergie chimique $\eta = 80\,\%$.

Calculer le temps de charge de l'accumulateur.

Durant sa décharge, un accumulateur Ni-MH est le siège de demi-équations d'oxydoréduction mettant en jeu les couples suivants:

- À la borne positive: $\text{NiO(OH)} / \text{Ni(OH)}_2$

- À la borne négative: $\text{M} / \text{MH}$ où M désigne un métal non spécifié et MH un hydrure de ce métal

Q6.

Parmi les propositions suivantes, indiquer celle qui correspond à la demi-équation de réduction ayant lieu à la borne positive pendant la décharge:

Q7.

Parmi les valeurs d'énergies suivantes, indiquer celle qui correspond à l'énergie disponible dans l'accumulateur en s'appuyant sur le document 3:

Rappel: $1\text{ W}\cdot\text{h} = 3600\text{ J}$

Q8.

L'énergie massique est l'énergie que peut stocker l'accumulateur par unité de masse d'accumulateur.

À partir du document 3, calculer la masse de la batterie.

Q9.

On désire faire fonctionner le moteur B, dont la caractéristique courant-tension est donnée sur le document 2, de nuit, en le connectant à l'accumulateur considéré.

Calculer la durée maximale de fonctionnement avec un rendement de conversion de $75\,\%$.

On supposera que l'accumulateur est un générateur de tension idéal qui fournit une tension de $6{,}0\text{ V}$ quelle que soit l'intensité débitée.

Remarque: toute prise d'initiative sera valorisée.