I. Le Solar Impulse, un mécanisme complexe
Le Solar Impulse est doté d’un mécanisme très complexe, c'est pourquoi il est intéressant d’en comprendre le fonctionnement. Ce mécanisme se base sur une chaîne énergétique, dont le soleil, premier élément de cette chaîne, permet de faire fonctionner l’ensemble du système.
1. L’énergie solaire, « carburant » du Solar Impulse
Dans le cadre de ce projet, l’énergie solaire est celle qu’il faut mettre en évidence puisqu’elle est indispensable au fonctionnement de celui-ci. Le Soleil, étoile la plus proche de notre planète dans notre système solaire, est une énorme boule chaude de gaz.
L’énergie solaire résulte d’une combustion des deux éléments principaux le composant qui sont l'hydrogène (75 % environ) et l'hélium (25 % environ). Ce phénomène se produisant au cœur du Soleil va transformer l'hydrogène en hélium, afin qu’il puisse libérer de la chaleur ainsi que différents rayons électromagnétiques (UV, lumière visible, infrarouge, …).
L’énergie du soleil provient de réactions nucléaires, entrainant la fusion des atomes d’hydrogène pour former un atome d’hélium plus lourd. Ces fusions se produiront, lorsque les atomes d’hydrogène auront atteint des vitesses importantes, afin d’entrer en collision entre eux. Une partie de l’atome est donc transformée en énergie, qui elle, est reçue par la Terre.
Néanmoins, le flux énergétique arrivant à la surface de la Terre n’est pas le même partout comme nous pouvons le voir sur cette carte :
L’énergie solaire résulte d’une combustion des deux éléments principaux le composant qui sont l'hydrogène (75 % environ) et l'hélium (25 % environ). Ce phénomène se produisant au cœur du Soleil va transformer l'hydrogène en hélium, afin qu’il puisse libérer de la chaleur ainsi que différents rayons électromagnétiques (UV, lumière visible, infrarouge, …).
L’énergie du soleil provient de réactions nucléaires, entrainant la fusion des atomes d’hydrogène pour former un atome d’hélium plus lourd. Ces fusions se produiront, lorsque les atomes d’hydrogène auront atteint des vitesses importantes, afin d’entrer en collision entre eux. Une partie de l’atome est donc transformée en énergie, qui elle, est reçue par la Terre.
Néanmoins, le flux énergétique arrivant à la surface de la Terre n’est pas le même partout comme nous pouvons le voir sur cette carte :
Rayonnement solaire à la surface de la Terre (Watt/m²)
On remarque que le rayonnement solaire arrivant à la surface de la Terre est supérieur autour de l’équateur. Ce dernier reçoit plus d’énergie que les autres parties du globe car les rayons arrivent perpendiculairement du Soleil, alors qu'ailleurs leur trajectoire est oblique et doivent de ce fait couvrir une plus grande surface au sol avec la même énergie. L’équateur se situe en outre légèrement plus proche du Soleil que les autres régions du monde.
Ainsi, il est favorable au Solar Impulse de voler dans les environs de l’équateur afin qu’il puisse capter le maximum d’énergie solaire. De plus, l’énergie solaire reçue par l’avion sera d’autant plus importante selon l'horaire de vol et la saison. En effet, près de l'équateur, l’énergie reçue par 1m² de surface terrestre en hiver est de 300 W, alors qu'elle est de 1100 W en été. Cette énergie solaire, captée par des cellules photovoltaïques, sera utilisée pour faire fonctionner le Solar Impulse.
Ainsi, il est favorable au Solar Impulse de voler dans les environs de l’équateur afin qu’il puisse capter le maximum d’énergie solaire. De plus, l’énergie solaire reçue par l’avion sera d’autant plus importante selon l'horaire de vol et la saison. En effet, près de l'équateur, l’énergie reçue par 1m² de surface terrestre en hiver est de 300 W, alors qu'elle est de 1100 W en été. Cette énergie solaire, captée par des cellules photovoltaïques, sera utilisée pour faire fonctionner le Solar Impulse.
2. Les cellules photovoltaïques
Le Solar Impulse est équipé de cellules photovoltaïques, qui sont à la base de son fonctionnement. Il en possède près de 12 000 soit 200 m², réparties pour la plupart sur l’aile et pour les autres au niveau du stabilisateur horizontal. Il existe trois types de cellules photovoltaïques : celles en silicium amorphe, en silicium monocristallin et en silicium multicristallin. Dans le cadre du Solar Impulse, celles en silicium monocristallin, qui est un matériau semi-conducteur, sont utilisées. Ce matériau permet un bon rendement (14 à 16 %) et un bon ratio Wc /m² afin d’optimiser la place disponible pour ces cellules pour avoir un bon gain de place.
Cellule photovoltaïque en monocristallin :
Cellule photovoltaïque en monocristallin :
Une cellule photovoltaïque, en présence de lumière et en présence d’énergie solaire, produit de l’énergie électrique. L’effet photovoltaïque (voir ci-dessous) est à l’origine de ce phénomène. En considérant que la lumière est une onde, et qu’en augmentant la fréquence de cette onde, on peut fournir assez d’énergie à un matériau pour qu’il libère des électrons, un photon d'énergie qui est issu du rayonnement électromagnétique va donc arracher un électron de la cellule afin de créer un « trou ». L’émission d’électrons par le matériau aura ainsi lieu, et l’énergie apportée par le photon se dissipe : après l’absorption du photon par l’atome, ce « photoélectron » émet une énergie.
Représentation de l’effet photovoltaïque :
Comme le montre ce schéma, les électrons (charges négatives) sont arrachés par les photons (représentés ici par les flèches sinusoïdales), ce qui crée des "trous".
Afin de créer une différence de potentiel et donc une tension, la cellule aura pour but et devra s’assurer que les électrons et les trous formés se dirigent dans une direction opposée l’une à l’autre, à la surface de la cellule. Pour cela, un champ électrique est créé. Plus la cellule est en contact avec de la lumière, donc des photons, plus les cellules photovoltaïques produisent de l'électricité. Il est difficile de capter toute l’énergie d’un matériau, cela dépendra du rayonnement solaire, c’est pour cela qu’il est important de maîtriser cet aspect.
Représentation du fonctionnement d’une cellule photovoltaïque :
Un rayon lumineux va, après avoir frappé le dispositif, pénétrer dans le cristal et permettre l’apparition d’une tension entre la cathode (pôle positif du dispositif) et l’anode (pôle négatif du dispositif) (voir schéma ci-dessus).
Description :
P : un cristal semi-conducteur
N : zone très mince recouvrant le cristal P
e : épaisseur de la zone N (de quelques millièmes de mm)
J : jonction située entre les deux zones
k : grille métallique qui sert de cathode (électrode de sortie des électrons responsable d’un courant électrique)
a : plaque métallique, joue le rôle d’anode
L’épaisseur totale du cristal est de l’ordre du mm.
3. Batteries lithium-polymère
Les batteries, qui se chargent et se déchargent, sont des constituants indispensables pour le projet ; elles permettent de stocker l’énergie, et donc au Solar Impulse de rester en vol plus longtemps. Ces batteries sont constituées de lithium-polymère ; le choix de ce matériel s’explique par le rapport masse/puissance. Lorsque l'on compare ces batteries à d'autres batteries du type Ni-Cd (Cadmium-Nickel), elles possèdent la même puissance pour le tiers du poids. C’est une chose importante car la masse est la difficulté la plus compliquée à gérer. Les batteries ont une densité de stockage d'énergie de 240 Wh/kg. Elles sont au nombre de 4 et pèsent chacune 100 kilos, soit au total le quart de la masse de l’avion, ce qui n’est pas négligeable.
Les batteries sont des accumulateurs, elles alimentent de nombreux appareils électroniques. Ce sont des générateurs électrochimiques, et comportent deux conducteurs, l’électrolyte et les électrodes. Il existe plusieurs types de piles, les piles classiques, salines ou alcalines qui ont une durée d’utilisation limitée, les piles à combustible qui sont alimentées en réactifs, et enfin celles de l’avion qui sont des piles dites « rechargeables » ou « accumulateurs ».
Les batteries du Solar Impulse ont deux fonctions : le jour, les batteries stockent l’énergie reçue par les panneaux photovoltaïques, sous forme d’énergie chimique. La nuit, elles jouent le rôle de générateur, et fournissent au moteur l’énergie électrique nécessaire pour le maintien en vol. Pour comprendre le fonctionnement, il faut s’imaginer le schéma simplifié d’une pile.
EXPERIENCE REALISEE :
Nous allons faire le montage d’une pile électrochimique afin de comprendre le fonctionnement des batteries lithium-polymère, à l’aide d’une électrode de fer plongée dans une solution de sulfate de fer (II) (Fe²+ (aq) + SO42- (aq)) et d'une électrode de cuivre plongée dans une solution de sulfate de cuivre (II) (Cu²+ (aq) + SO42- (aq)).
MATERIEL UTILISE :
- deux béchers de plus de 50 mL.
- une solution de sulfate de fer (II) (Fe²+ (aq) + SO42- (aq))
Les batteries sont des accumulateurs, elles alimentent de nombreux appareils électroniques. Ce sont des générateurs électrochimiques, et comportent deux conducteurs, l’électrolyte et les électrodes. Il existe plusieurs types de piles, les piles classiques, salines ou alcalines qui ont une durée d’utilisation limitée, les piles à combustible qui sont alimentées en réactifs, et enfin celles de l’avion qui sont des piles dites « rechargeables » ou « accumulateurs ».
Les batteries du Solar Impulse ont deux fonctions : le jour, les batteries stockent l’énergie reçue par les panneaux photovoltaïques, sous forme d’énergie chimique. La nuit, elles jouent le rôle de générateur, et fournissent au moteur l’énergie électrique nécessaire pour le maintien en vol. Pour comprendre le fonctionnement, il faut s’imaginer le schéma simplifié d’une pile.
EXPERIENCE REALISEE :
Nous allons faire le montage d’une pile électrochimique afin de comprendre le fonctionnement des batteries lithium-polymère, à l’aide d’une électrode de fer plongée dans une solution de sulfate de fer (II) (Fe²+ (aq) + SO42- (aq)) et d'une électrode de cuivre plongée dans une solution de sulfate de cuivre (II) (Cu²+ (aq) + SO42- (aq)).
MATERIEL UTILISE :
- deux béchers de plus de 50 mL.
- une solution de sulfate de fer (II) (Fe²+ (aq) + SO42- (aq))
- une solution de sulfate de cuivre (II) (Cu²+ (aq) + SO42- (aq))
- une lame de fer = électrode de fer
- une lame de cuivre = électrode de cuivre
- deux pinces "crocodiles"
- un pont salin en papier filtre
- une solution de nitrate de potassium
- un multimètre
- deux câbles électriques (fils)
- une lame de cuivre = électrode de cuivre
- deux pinces "crocodiles"
- un pont salin en papier filtre
- une solution de nitrate de potassium
- un multimètre
- deux câbles électriques (fils)
Liste et photo du matériel utilisé
PROTOCOLE (environ 5 mn) :
- Dans un premier bécher, introduire 50 mL d'une solution de sulfate de fer (II) et une lame de fer (électrode de fer) munie d'une pince "crocodile".
- Dans un second bécher, introduire 50 mL d'une solution de sulfate de cuivre (II) et une lame de cuivre (électrode de cuivre) munie d'une pince "crocodile".
- Réaliser un pont salin imbibé d'une solution de nitrate de potassium.
- Plonger chacune des extrémités du pont salin dans une des deux solutions des deux béchers.
- Relier les deux électrodes à un multimètre, à l'aide des deux pinces "crocodiles" et des deux cables fournis (ou fils).
- Mesurer l'intensité électrique au multimètre.
- Dans un second bécher, introduire 50 mL d'une solution de sulfate de cuivre (II) et une lame de cuivre (électrode de cuivre) munie d'une pince "crocodile".
- Réaliser un pont salin imbibé d'une solution de nitrate de potassium.
- Plonger chacune des extrémités du pont salin dans une des deux solutions des deux béchers.
- Relier les deux électrodes à un multimètre, à l'aide des deux pinces "crocodiles" et des deux cables fournis (ou fils).
- Mesurer l'intensité électrique au multimètre.
D’après nos hypothèses, un courant est généré grâce à des réactions produites au niveau des électrodes de fer et de cuivre. Des électrons sont transférés grâce au pont salin qui relie les deux solutions. Pour comprendre de façon plus approfondie les mécanismes qui ont lieu, il faut introduire la notion d’oxydants/réducteurs. Un oxydant est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons alors qu'un réducteur est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électrons. Chaque pile est constituée de deux demi-piles, reliées par une jonction (ici le pont salin), qui contiennent un couple oxydant/réducteur (cuivre/ions cuivres et fer/ions fer). Entre ces couples, des réactions d’oxydoréduction ont lieu, des électrons sont transférés entre les réactifs.
Schéma de l’expérience :
Comme nous pouvons le voir, d’après ce schéma, le sens du courant va de l'électrode de cuivre vers l'électrode de fer, soit du + vers le -. On peut aussi constater que les électrons responsables de la génération du courant circulent dans le sens inverse, soit vers l'électrode de cuivre.
Voici le résultat de notre expérience :
Pour notre expérience, l’équation qui accompagne la production de courant s’écrit ainsi :
Cu²+ (aq) + Fe(s) = Cu(s) + Fe²+ (aq)
Des réactions ont donc lieu au niveau des électrodes :
- Pour l'électrode de cuivre, qui est le pôle positif de la pile, les électrons sont captés par les ions cuivre (II) Cu²+ (aq) comme le montre l'équation suivante : Cu²+ (aq) + 2e- = Cu(s)
- Pour l'électrode de fer, pôle négatif de la pile, les électrons sont cédés comme le montre l'équation suivante : Fe(s) = Fe²+ (aq) + 2e-
Cu²+ (aq) + Fe(s) = Cu(s) + Fe²+ (aq)
Des réactions ont donc lieu au niveau des électrodes :
- Pour l'électrode de cuivre, qui est le pôle positif de la pile, les électrons sont captés par les ions cuivre (II) Cu²+ (aq) comme le montre l'équation suivante : Cu²+ (aq) + 2e- = Cu(s)
- Pour l'électrode de fer, pôle négatif de la pile, les électrons sont cédés comme le montre l'équation suivante : Fe(s) = Fe²+ (aq) + 2e-
Les électrons sont transférés : ils proviennent du fer Fe(s) et vont vers les ions cuivres Cu²+ . Ces transferts d’électrons sont le siège du courant électrique. Les ions Cu²+ et Fe²+ sont les oxydants tandis que les métaux cuivre et fer sont des réducteurs.
Ainsi, il apparaît immédiatement une intensité de 0,51 mA à l'écran du multimètre.
Nous avons par cette expérience réussi à faire fonctionner une pile électrochimique, modèle réduit et simplifié des batteries lithium-polymère du Solar Impulse. Cela permet de comprendre le fonctionnement de base des batteries et de voir que le courant circule de manière continue, ainsi l’énergie est accumulée.
Les batteries lithium-polymère sont donc extrêmement importantes pour le Solar Impulse et lui permettent, grâce à ses capacités d’accumulateurs et de générateurs, de le faire voler en permanence.
4. Le moteur «Brushless »
Le moteur du Solar Impulse est du type «Brushless», ce qui signifie sans balais, cela permet d’éviter les nombreux frottements, les parasites, et ainsi d’augmenter la durée de vie du moteur. Le rôle d’un moteur est de convertir une énergie, l’énergie électrique par exemple, en énergie mécanique. Dans notre cas, il est alimenté par les cellules photovoltaïques le jour, et par les batteries pendant la nuit.
L’avion possède 4 moteurs de ce type, dont chacun a une puissance de 7,5 kW. Un moteur Brushless est composé des mêmes élements qu’un moteur classique, mis à part le collecteur qui change (partie qui établit une connexion entre une partie fixe (stator) et une partie tournante (rotor)). A la différence du moteur à courant continu, le rotor est composé ici d’un ou plusieurs aimants, et le stator est équipé avec davantage de bobinage.
Pour le fonctionnement du moteur Brushless, un champ magnétique est créé grâce aux bobines alimentées de façon séquentielle (non continue). Le ou les aimants du rotor s’orientent vers le sens du champ, les tensions d’alimentation doivent être régulièrement adaptées pour que le champ magnétique ait une avance sur la position du rotor, ce qui crée ce que l’on appelle le couple moteur.
Schéma du fonctionnement d’un moteur brushless :
L’avion possède 4 moteurs de ce type, dont chacun a une puissance de 7,5 kW. Un moteur Brushless est composé des mêmes élements qu’un moteur classique, mis à part le collecteur qui change (partie qui établit une connexion entre une partie fixe (stator) et une partie tournante (rotor)). A la différence du moteur à courant continu, le rotor est composé ici d’un ou plusieurs aimants, et le stator est équipé avec davantage de bobinage.
Pour le fonctionnement du moteur Brushless, un champ magnétique est créé grâce aux bobines alimentées de façon séquentielle (non continue). Le ou les aimants du rotor s’orientent vers le sens du champ, les tensions d’alimentation doivent être régulièrement adaptées pour que le champ magnétique ait une avance sur la position du rotor, ce qui crée ce que l’on appelle le couple moteur.
Schéma du fonctionnement d’un moteur brushless :
Mécanisme du moteur de type "brushless"
5. L’avion en lui-même
Le Solar Impulse est avant tout un avion ; il est par conséquent important de savoir comment fonctionne un tel appareil. Le Solar Impulse a une envergure de 61,40 m dûe à la taille de son aile. Il nous a paru essentiel de traiter de l'effet du vent sur une aile d'avion. On ne peut parler de mécanique sans expliquer le principe de fonctionnement d’un avion. Celui-ci peut voler notamment grâce à la résistance de l'air présent et donc grâce au vent.
Profil d’une aile d’avion :
Lorsque le vent passe de part et d’autre de l’aile, l’air qui passe au-dessus (extrados) va plus vite que celui qui passe en-dessous (intrados), et donc la pression sera plus forte en-dessous. La force engendrée par ce phénomène est appelée la portance. Ainsi, lorsque l’angle entre le vent et l’aile est plus grand, la résultante aérodynamique sera plus forte. Cette résultante elle-même se décomposera en deux forces, la portance et la trainée, qui elle est parallèle au vent, contrairement à la portance qui est perpendiculaire.
Lorsque l'on modifie l'équilibre de l'avion, les modifications des paramètres entraînent des changements de cet équilibre et l'effet du vent sur les ailes est modifié puisque la trajectoire n'est plus la même. Ainsi, par exemple, si les gaz sont réduits, la vitesse et la traction diminuent, tandis que la traînée devient dominante.
Quelques chiffres : Sachant que la masse de l’avion est de 1600 kg, quelle est la force gravitationnelle qui s’exerce entre la Terre et l’avion ?
On sait que FTERRE/SOLAR IMPULSE = FSOLAR IMPULSE/TERRE = (G* m1*m2)/d²
Où G est la constante de gravitation : 6,67.10-11
Et m1 = Masse de l’avion : 1600 kg
Et m2 = Masse de la Terre : 5,97 × 1024 kg
d= Distance Terre / Solar Impulse quand l’avion est à une altitude de 8000 m
Rayon de la terre : 6371 km
Donc : Fa/b=Fb/a = (6,67.10-11 * 1600 * 5,97.1024)/ (6371.103 + 8000)² = 15,6.103 Newton
On sait que FTERRE/SOLAR IMPULSE = FSOLAR IMPULSE/TERRE = (G* m1*m2)/d²
Où G est la constante de gravitation : 6,67.10-11
Et m1 = Masse de l’avion : 1600 kg
Et m2 = Masse de la Terre : 5,97 × 1024 kg
d= Distance Terre / Solar Impulse quand l’avion est à une altitude de 8000 m
Rayon de la terre : 6371 km
Donc : Fa/b=Fb/a = (6,67.10-11 * 1600 * 5,97.1024)/ (6371.103 + 8000)² = 15,6.103 Newton
La force gravitationnelle s'exerçant entre la Terre et le Solar Impulse est donc de 15,6.103 N.
6. La chaîne énergétique
Les nombreux mécanismes du Solar Impulse interagissent entre eux par le biais d’énergies, c’est ce qu’on appelle la chaîne énergétique. Cette chaîne énergétique applique le principe de conservation d’énergie, la somme des énergies qui rentrent sont égales à celles qui sortent. Dans le cas de l’avion solaire, l’énergie part tout d’abord du Soleil sous forme d'énergie solaire, puis elle est captée par les cellules photovoltaïques. Ensuite, cette énergie lumineuse sera transformée en énergie électrique par ces cellules ; et enfin, l'énergie électrique est transformée, grâce aux moteurs brushless, en énergie mécanique destinée pleinement au transport.
Ce schéma confirme que la chaîne énergétique transforme une énergie primaire (dans notre cas l'énergie solaire) en une énergie utile (énergie mécanique pour le Solar Impulse).
Remarque : On peut ajouter sur le schéma dans la catégorie "énergie primaire", l'énergie solaire utilisée dans notre cas.
Le rendement de conversion est noté P et reflète l’efficacité énergétique, c’est le rapport entre l’énergie exploitable et l’énergie rentrée.
P= (P exploitable/P entrée)
Il est donc important pour l’avion d’optimiser les rendements des mécanismes, et de limiter la perte d’énergie à chaque conversion afin qu'il puisse disposer d'une efficacité énergétique optimale.
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Le Solar Impulse, avion solaire de grande envergure, est doté d'un mécanisme très complexe qui permet d’assurer son fonctionnement et de rendre possible son existence. La chaîne énergétique illustre les interactions entre les différents mécanismes et montre bien qu’il est indispensable de les maîtriser pour limiter les pertes d’énergie, voire d'en améliorer les rendements. Les scientifiques devront optimiser le mécanisme le plus rapidement possible grâce aux avancées technologiques, afin que ce projet devienne de plus en plus solide.
Suivant : PARTIE II
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