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La chaîne énergétique

Qu'est-ce que la chaîne énergétique ?

 

 

Par définition la chaîne énergétique désigne l'ensemble des conversions d'énergie qui ont lieu dans un dispositif.

 

Le Solar Impulse dispose d’une chaîne énergétique qui lui permet de voler grâce à l’énergie solaire : Elle commence bien entendu par le soleil dont l’énergie lumineuse est captée par les cellules photovoltaïques, ensuite les batteries stockent l’électricité pour alimenter les moteurs électriques qui entraînent chacun une hélice par l’intermédiaire d’un réducteur.

I. Le soleil

Le soleil est l’étoile la plus proche de la Terre, environ 149,6 millions de km, il à un diamètre de 1 392 000 km ce qui est équivalent à 108 fois celui de la Terre. Contrairement aux idées reçues le soleil n’est pas une boule de magma mais une boule de gaz, notamment composé d’hydrogène et d’hélium. A cause de la gravité la matière du soleil est tellement comprimée que les gaz s'échauffent et que la température au cœur du soleil atteint 15 millions de degré °C et 6 000 °C à la surface. A cette température l'hydrogène va se transformer, 4 noyaux d'hydrogène vont se rapprocher pour ne former qu'un seul noyau d'hélium et c'est ce qu'on appelle la fusion nucléaire. Cependant pendant la fusion une partie de la masse à été perdu parce que la masse d'un atome d'hélium est moins élevé que celle de 4 atomes d'hydrogène. Cette masse à été transformé en énergie selon la célèbre formule d'Albert Einstein E=m*c², l'énergie c'est de la masse multiplié par la vitesse de la lumière au carré. Et c’est cette énergie qui permet de faire voler le HB-SIA.

L’énergie reçue par la Terre sur une journée est en moyenne de 250 W/m2 mais cette énergie peut varier suivant plusieurs facteurs :

- L’inclinaison des rayons par rapport à la surface qui les reçoit ; ils doivent être perpendiculaire pour pouvoir donner un maximum d’énergie.

- La latitude, en effet, l’équateur est plus proche du soleil et reçoit ses rayons perpendiculairement et donc plus d’énergie du soleil.

- L’heure de la journée (l’énergie reçue à midi s’élève à 1 000 W/m2). Pour que l’avion reçoive un maximum d’énergie il doit prendre en compte ces facteurs : Voler proche de l’équateur et voler avec le soleil dans le dos pour que ses rayons arrive perpendiculairement sur les ailes (car les ailes sont inclinées sur l’arrière). Pour transformer cette énergie lumineuse en énergie électrique on utilise des cellules photovoltaïques.

II. Les cellules photovoltaïques

Un panneau photovoltaïque permet de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique. Il est constitué de silicium (Si). C'est l'élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l'oxygène mais il n'existe pas dans la nature à l'état de corps pur, mais sous forme de composé : le dioxyde de silicium (SiO2), la silice. Elle représente 60,6 % de la masse de la croûte terrestre continentale, elle est contenue dans le sable ou le quartz.

Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?

 

Le silicium est un semi conducteur cela veut dire que lorsque les atomes du silicium sont exposés aux rayons du soleil leurs électrons s’agitent dans tous les sens et passent d’un atome à l’autre. Mais pourtant cela ne donne pas un courant électrique. Pour obtenir un courant électrique les électrons doivent circuler dans un sens bien précis.

Pour obtenir ce courant on "dope" le silicium, on va chercher à avoir d’un coté un surplus d’électrons (dit dopé de type n) et de l’autre un déficit d’électrons (dit dopé de type p), on crée alors une tension électrique. Les électrons circulerons de la borne – (où il y a un surplus d’électrons) à la borne + (où elle présente un déficit d’électrons).

 

C’est le même principe qu’une pile et c’est ce qu’on cherche à reproduire.

 

Une cellule photovoltaïque est constituée de deux couches :

- Dans la couche supérieure (celle qui reçoit les rayons du soleil) on ajoute du phosphore (P) dont les atomes possèdent 15 électrons alors que ceux du silicium en possèdent 14.

- Ensuite dans la couche inférieure on ajoute du Bore (B) dont les atomes cette fois possèdent 5 électrons donc moins que ceux du silicium.

Lorsque les photons des rayons du soleil viennent frapper les panneaux, les électrons du silicium se mettent à circuler de la zone n à la zone p et créer un courant électrique. L’avantage est dès que le soleil brille les panneaux photovoltaïques produisent de l’électricité.

Donc on ne cherche pas la chaleur du soleil mais sont rayonnement, la couverture nuageuse va diminuer leur rendement mais les cellules photovoltaïques vont continuer à produire un courant électrique.

Ce sont 11 628 cellules qui recouvrent l'extrados de l’aile et le stabilisateur horizontal du Solar Impulse.

Elles sont en silicium monocristallin (constitué d’un seul cristal de silicium).

Elles ont une très faible épaisseur (145 microns), elles sont souple et donc s’adaptent parfaitement au profil de l'aile.

Leur rendement est élevé (22%), le rendement d’une cellule photovoltaïque est le rapport entre l’énergie électrique produite par cette cellule et l’énergie lumineuse reçue sur sa surface. Mais cependant elles présentent des inconvénients :

Leur coût est élevé, le rendement est moins élevé sous un faible éclairement et quand la température augmente.

III. Les batteries

Une partie de l'énergie électrique est utilisée pour alimenter les moteurs, l'autre est stockée dans les batteries pour permettre a l'avion de voler la nuit. Les batteries (ou accumulateurs) et les piles sont des systèmes qui stockent de l'énergie sous forme chimique et la restituent sous forme électrique.

 

Comment fonctionne une batterie ?

Une batterie a à peu près le même fonctionnement qu’une pile sauf qu’elle peut se recharger lorsqu’elle est déchargée.

Elle possède une anode qui à tendance à donner des électrons ; on la repère par le signe moins. Une cathode qui à tendance à attirer des électrons ; on la repère par le signe plus. Une solution (l’électrolyte) qui est une substance conductrice parce qu’elle contient des ions mobiles.

L’anode envoie les électrons vers la cathode. Pour conserver sa neutralité l’anode va envoyer un ion positif de l’autre coté, cela tombe bien car dans la cathode il y a déjà un électron. L’excès de charges négatives va être compensé par l’arrivée des charges positives. Et lorsqu’il n’y a plus d’ion lithium dans l’anode et bien l’accumulateur est déchargé.

Il faut donc le recharger, pour cela on branche un chargeur à une prise secteur, à ce moment-là les électrons arrivent dans l’anode. Pour qu’elle reste neutre les ions positifs quittent la cathode et viennent se combiner aux électrons via la solution.

Pour conserver la neutralité côté cathode, l’excès d’électrons repart dans le secteur et l’accumulateur est chargé.

Le HB-SIA possède quatre batteries, chacune situées dans les quatre nacelles sous les ailes.

Elles ont une masse de 100kg donc au total 400kg (1/4 du poids de l’avion).

Elles sont composées de 70 accumulateurs et sont dites "au lithium polymère", parce qu’elles utilisent comme électrolyte du lithium polymère.

 

Cela présente des avantages : 

Elles sont légères et offrent dans un volume faible une capacité importante.

Elles possèdent un taux d’autodécharge de 10% par mois seulement, ce qui permet d’avoir des batteries chargées toujours prêtes à l’emploi.

 

Mais par contre la température du lithium doit rester constante à environ 80°C. C’est pourquoi les nacelles possèdent une isolation thermique conçues pour conserver la chaleur dégagée par les batteries et leur permettre ainsi de fonctionner malgré les - 40 °C rencontrés à 8500 mètres d’altitude.

IV. Le moteur, le réducteur et l'hélice

Un moteur électrique permet de convertir l’énergie électrique en énergie mécanique. Le HB-SIA possède quatre moteurs de type «brushless sensorless » ou « sans balais » d’une puissance de 10 Chevaux chacun. Ils sont alimentés le jour directement par les cellules photovoltaïques et la nuit par les batteries. Comme les batteries ils sont situés dans les nacelles sous les ailes.

 

Les hélices bipales du HB-SIA ont un diamètre de 3,50 m. Elles sont en fibre de carbone et leur pas est fixe.

Chaque moteur est muni d’un réducteur limitant à 400 tours par minute la rotation des hélices bipale.

La raison de leur présence est qu’une hélice bipale de grande envergure atteint son maximum de puissance lorsque la rotation est lente or, pour le moteur c’est tout le contraire, plus il tourne vite plus il produit de l’énergie.

La présence de réducteur offre un meilleur rendement moteur/hélice mais une perte inévitable d’énergie.

L'experience

Dans cette expérience nous avons relié un panneau solaire photovoltaïque à un moteur électrique qui entraine une hélice. Nous avons également fais une autre expérience :

nous avons relié le panneau photovoltaïque à une batterie et laissé recharger pendant une heure.

Ensuite nous avons relié cette batterie au moteur mais malheureusement cela n’a pas fonctionné, le moteur n’a pas entrainé l’hélice.

Conclusion de l'expérience : elle nous a permis de mettre en valeur une partie de la chaine énergétique mais aussi de nous faire comprendre la difficulté de faire fonctionner celle-ci. Il aurait fallu laisser charger la batterie plus longtemps ou augmenter le nombre de panneaux solaires. D’où la grande envergure du HB-SIA pour avoir le maximum de cellules solaires.

Conclusion

L’énergie lumineuse venant du soleil est transformée en énergie électrique par les cellules photovoltaïques ensuite l’énergie électrique est stockée sous forme chimique dans les batteries puis les moteurs électriques transforment cette énergie électrique en énergie mécanique.

Cette chaine énergétique permet de faire voler le HB-SIA!

Elle a pu lui permettre d’aller à une altitude de 9235m et de voler durant 26 heures sans escale.

Les scientifiques qui travaillent sur celle-ci cherchent à optimiser sont rendement pour surpasser les capacités de l’avion. Il cherchent à trouver le rapport idéal entre la masse, la puissance des moteurs, la vitesse de l’appareil…

Mais pour augmenter significativement sont rendement il faudrait améliorer les éléments qui la compose (cellules solaire, moteur…).

Comment fonctionne un moteur brushless ?

Il est composé de deux parties :

- Le rotor, il est constitué d’aimants permanents collés sur un cylindre.

- Le stator, il est composé de bobines de cuivres conductrices.

 

Les bobines conductrices vont alors émettrent un champ magnétique alterné fourni par l’électricité tandis que les aimants vont chercher à suivre ce champ magnétique, ce qui va entraîner une rotation de la partie mouvante (on l’appelle le couple moteur) et ainsi offrir une action mécanique à l’hélice.

Cette version de moteur existe aussi sans capteur appelé «sensorless» ce qui est le cas chez le HB-SIA qui ne possède pas de capteur interne pour réguler le couple moteur. Même si la présence de capteur est susceptible d’améliorer la vitesse, il entraîne néanmoins une consommation supérieure en électricité que l’avion ne peut se le permettre.

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