Manuel d`utilisation de la maquette CENTRALE
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1. CRDP Limousin Manuel d utilisation de la maquette CENTRALE HYDROELECTRIQUE Enseignement au coll ge et au lyc e Code Centrale hydro lectrique 870M0004 Document non contractuel L nergie hydraulique L nergie hydro lectrique est obtenue en transformant l nergie m canique des flux d eau courant des rivi res et courants marins houle chutes en nergie lectrique Elle est aussi appel e houille blanche On distinguera donc plusieurs types de centrales les centrales au fil de l eau utilise le d bit des fleuves et rivi res les centrales de chute avec r servoir lac artificiel et barrage et conduite forc e les usines mar motrices au stade exp rimental les oliennes sous marines ou hydroliennes utilisant les courants marins et des caissons immerg s pour capter l nergie des vagues DBEB Toutes ces installations ont en commun l utilisation de turbines et d alternateurs En France la puissance potentielle des 399 barrages est de 25 gigawatts soit 22 de la puissance totale des centrales lectriques Mais la production r elle d lectricit par houille blanche n est que de 15 un instant donn L hydro lectricit est utilis e comme variable d ajustement l nergie lectrique obtenue par d autres moyens cette chelle ne se stockant pas Les progr s r alis s sur l laboration des alternateurs et surtout des turbines permettent d sormais aux particuli2. ers de s quiper de micro ou pico centrales soit sur chute inf rieure cinq m tres soit au fil de l eau Principe d une centrale hydro lectrique L nergie hydraulique est depuis longtemps une solution mise en uvre dans la production d lectricit car elle utilise une nergie renouvelable Il existe galement des centrales hydro lectriques de pompage turbinage qui permettent d accumuler l nergie venant d autres types de productions peu maniables comme les centrales nucl aires lorsque la consommation est basse et de la restituer lorsque n cessaire Les centrales les plus courantes utilisent l nergie potentielle de l eau ou la gravit L ensemble est compos de deux parties le r servoir et ses conduites et la centrale proprement dite Le r servoir est un lac artificiel cr par barrage sur un cours d eau de montagne De ce plan d eau partent des conduites forc es qui actionnent des turbines elles m mes alimentant des alternateurs Barrage de Kemps Obstacles d fauts ou inconv nients Outre que les sites potentiels se situent g n ralement en montagne entra nant des surco ts importants de construction le nombre de ces sites est limit De plus ce syst me implique parfois de noyer des vall es enti res de terres cultivables o les hommes vivent bien souvent depuis des g n rations Il existe diff rents types de centrales hydro lectriques notamment les micro centrales install es sur des r
3. ivi res en t te de bassin certaines avec un fort impact cologique 2 7 Descriptif et pr sentation de la maquette R servoir d eau Turbine Syst me d indexation au cm DEL Afficheur Interrupteur Remise z ro 3 7 La maquette centrale hydro lectrique a pour principal objectif de sensibiliser les l ves la probl matique des nergies renouvelables Elle peut galement tre utilis e afin de mettre en vidence la notion de conversion d nergie conversion d nergie m canique et plus particuli rement nergie potentielle de pesanteur en nergie lectrique Cette maquette permet galement de v rifier exp rimentalement l expression de l nergie potentielle de pesanteur une constante pr s en faisant varier deux param tres hauteur de la chute d eau quantit d eau La maquette est compos e d un r cipient R dans lequel de l eau est stock e capacit de 2 L d une g n ratrice G assurant la conversion de l nergie m canique en nergie lectrique de pales qui en contact avec l eau entra nent la g n ratrice d une diode lectroluminescente D E L blanche permettant d illustrer l utilisation directe de l nergie lectrique sans stockage d un condensateur C permettant de stocker l nergie lectrique sous forme continue d un voltm tre aff permettant de mesurer une tension afin de calculer l nergie stock e dans le condensateur d un interru
4. pteur K permettant de choisir entre les deux modes de fonctionnement utilisation directe de l nergie ou stockage puis utilisation de l nergie lectrique d une sortie g n ratrice sur le c t droit permettant l analyse du courant O BBB B Es B Suggestions pour la classe Au coll ge Classe de 5 Transformation de l nergie m canique en nergie lectrique laborer un cycle des transformations nerg tiques en relation avec le cycle de l eau Classe de 3 Deux diff rentes formes d nergie peuvent tre mise en avant l nergie m canique et l nergie lectrique On pourra aborder l aide de cette maquette les notions de conversion d nergie et de stockage d nergie amp stockage de l nergie sous forme m canique nergie potentielle de pesanteur amp conversion de l nergie m canique en nergie lectrique l aide de la g n ratrice amp stockage de l nergie sous forme lectrique nergie lectrique stock e dans le condensateur amp utilisation de l nergie lectrique conversion de cette nergie en nergie lumineuse Mais aussi des sujets purement lectriques amp analyse d une tension alternative l oscilloscope amp la g n ratrice et l alternateur Au lyc e Classe de 1 S L expression de l nergie potentielle de pesanteur Ep m g z Epo peut tre d duite exp rimentalement assez simplement en utilisant le stockage de l nergie lec
5. s et on remarque que la grandeur U est une fonction affine de la hauteur h de la chute d eau On peut donc d duire que l nergie potentielle est galement une fonction affine de la hauteur h soit Ep a1 h E 5 7 2 5 1 5 0 5 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 hauteur en m Remarque des mesures pour des hauteurs de chute allant de 15 cm 20 cm confirment galement ces r sultats h U U m V V 0 15 1 46 2 132 0 16 1 48 2 19 0 17 1 49 2 22 0 18 1 51 2 28 0 19 1 52 2 31 0 2 1 55 2 403 2 32 2 3 2 28 2 26 2 24 2 22 2 2 2 18 2 16 2 14 2 12 0 0 05 0 1 0 15 0 2 hauteur en m Conclusion En faisant varier les deux param tres h et V nous avons montr que E a h E et Ep a3 Mm E On peut donc en d duire que E a m h E A l aide d une analyse dimensionnelle d duisons l unit du coefficient a Une nergie s exprime en 6 7 joule J de m me que le travail d une force On peut donc dire que des joules J sont quivalents a des newtons multipli s par des m tres N m a s exprime donc en newton par kilogramme N kg il s agit de l unit de l intensit d un champ de pesanteur g on peut donc dire finalement que E m g h E Utilisation de la maquette Avant de commencer les mesures de la charge du condensateur s assurer que les deux commutateurs soient bien sur la position mesure Faire les mesures de charge du condensa
6. teur en fonction de la hauteur du bassin ou du volume d eau dans le bassin Remarques Les mesures lectriques cit es en r f rence dans cette documentation peuvent ne pas tre tout fait identiques celles de votre maquette En effet les caract ristiques des g n rateurs diff rent en fonction des approvisionnements Un syst me de mise hauteur du bac gradu en cm a t am nag au dos de la centrale un levier et une chelle crant e permettent la mise la hauteur souhait e du bac La manipulation du bac doit se faire vide Il faut ajuster la hauteur souhait e avant d ajouter de l eau L ouverture de la vanne doit se faire assez rapidement pour viter la formation d une colonne d air dans le tube ce qui emp che la rotation de la turbine cause d un d bit d eau insuffisant 117
7. trique dans le condensateur et en observant l afficheur amp Volume d eau stock e variable 4 7 Il est possible de mettre un volume d eau inf rieur la capacit maximale du r cipient Il est par exemple possible d en mettre la moiti On observera alors sur l afficheur la moiti de la valeur lue pr c demment On en d duit donc que l nergie stock e est proportionnelle au volume d eau stock e et plus particuli rement sa masse Oon peut tracer U en fonction de V Si on obtient une fonction affine on peut d duire que soit aussi comme V m p E a2 0 m E soit encore Ep a3 Mm E amp Hauteur de la chute d eau Il est galement possible de faire varier la hauteur de la chute d eau en translatant le r cipient verticalement Ainsi on montrera que l nergie potentielle est proportionnelle la hauteur de la chute d eau une constante pr s Epo La tension visualis e sur l afficheur est la tension mesur e aux bornes du condensateur servant au stockage de l nergie lectrique sous forme de tension continue L nergie lectrique stock e dans un condensateur a l expression suivante We 72 CU Le condensateur interne poss de une capacit C de 4700 u F et une r sistance de charge de 1 k Q Nous avons donc calcul le carr de la tension Uc h U U m V V 0 1 06 1 124 0 05 1 19 1 416 0 1 1 29 1 664 0 15 1 44 2 074 0 2 1 57 2 465 On trace alor
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