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Pourquoi stocker de l’énergie ?
Le stockage de l’énergie est utilisé pour répondre à trois besoins principaux :
-Le besoin de se déplacer avec sa propre source d’énergie, c’est le besoin d’autonomie.
-Le besoin de compenser le décalage temporel entre la demande en énergie et la possibilité de production.
-Le besoin de compenser les fluctuations d’intensité du courant délivré sur le réseau électrique, par exemple dans le cas des éoliennes.
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Le stockage électrochimique d’énergie électrique
L’électricité ne peut pas être stockée directement. Il est donc indispensable de
convertir l’énergie sous d’autres formes afin de la stocker. L’utilisation de batteries permet de stocker l’énergie électrique sous forme électrochimique.
Les 3 grandeurs principales qui caractérisent les batteries sont :
-La tension ou différence de potentiel aux bornes de la batterie. Elle s’exprime en volts (V).
-La capacité de la batterie représente la quantité de charges électriques qu’elle peut stocker. Elle s’exprime en Coulombs (C) ou en Ampère-heure (Ah). *
1Ah = 3600C.
La capacité est souvent rapportée à la masse (capacité massique) ou au volume (capacité volumique).
-La densité énergétique de la batterie est la quantité d’énergie stockée par unité
de masse ou de volume. Elle s’exprime en Wh/kg ou en Wh/L. stocker l'énergie
Comparaison des différentes technologies utilisées dans les batteries.
Type de batterie Densité (Wh/kg)
Plage de
puissance Rendement Utilisations
Plomb 50 100W à 10MW 70 à 85% Véhicules routiers, véhicules électriques, site isolé non raccordé au
réseau.
NiCd
Nickel-Cadmium 50 Quelques Watts 70 à 80% Outillage portatif, rasoirs électriques
NiMH
Nickel Métal Hydrure 75 Quelques Watts 70 à 80% Téléphones portables, appareils photo, rasoirs électriques
Li-ion
Lithium-ion 300 100W à 10MW 85 à 90% Téléphones portables, véhicules électriques, appareils photo, ordinateurs portables
Li-Pol
Lithium-Polymère 120 100W à 10MW 85 à 90% Véhicules électriques légers, téléphones portables
Na-S
Sodium-Soufre 100 à 120 50kW à 10MW 85 à 90% Stockage d’énergie intégré à un système de production d’électricité
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D’après vous quel type de batterie est utilisé sur les systèmes suivants
Capacité d’une association de batteries
• La capacité représente la quantité de charges électriques stockées dans la batterie,
mais pas la quantité d'énergie. Pour connaître cette quantité d'énergie (qui s'exprime en Watt-heure (Wh)), il faut multiplier la capacité par la tension de la batterie : Ah x V = Wh.
Il est important de ne pas confondre quantité de courant et quantité d'énergie. Par
exemple, si on branche deux batteries 12V 100Ah en série on obtient l'équivalent d'une batterie de ... 100Ah, alors que la quantité d'énergie a doublé.
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Synthèse
La capacité Q (ou quantité d’électricité) est le produit de l'intensité I du courant (en ampère) par le temps t.
Si t est en secondes, Q est en Coulombs (C) Si t est en heures, Q est en ampère-heure (Ah) 1 Ah = 3600 C
Q = I x t
La puissance consommée P (en W) est égale au produit de la tension U
(en V) de la batterie par le courant I (en A) qu’elle délivre P = U * I
L’énergie E est égale au produit de la puissance P (en W) absorbée par le temps de fonctionnement t.
Si t est en secondes, E est en Joules (J) Si t est en heures, E est en Watt-heure (Wh)
E = P * t E = U * Q
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Condensateur
Le condensateur est un composant électronique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») séparées par un isolant (« diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F).
Le condensateur est utilisé principalement pour :
• stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ;
• traiter des signaux périodiques (filtrage…) ;
• séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur ;
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Supercondensateur
• Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière permettant d'obtenir une densité de puissance et une densité d'énergie intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques.
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Composés de plusieurs cellules montées en série-parallèle, ils permettent une tension et un courant de sortie élevés (densité de puissance de l'ordre de plusieurs kW/kg) et stockent une quantité d'énergie intermédiaire entre les deux modes de stockage cités ci-dessus, et peuvent la restituer plus rapidement qu'une batterie. Ils sont donc souvent utilisés comme élément de stockage d’appoint d'énergie, en complément à des batteries ou à une pile à combustible. Ils présentent notamment l'intérêt d'être efficaces par très faible température
Le stockage électrostatique d’énergie électrique
• L’utilisation de condensateurs ou de supercondensateurs permettent de stocker l’énergie électrique sous forme électrostatique.
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La capacité électrique d’un condensateur ou d’un supercondensateur est déterminée essentiellement par la géométrie des armatures et la nature du, ou des, isolant(s).
La formule simplifiée suivante est souvent utilisée :
C = (Ɛ.S)/e
avec : C : capacité en farads (F) S : surface des armatures (m2)
Ɛ : permittivité du diélectrique (F/m) e : distance entre les armatures (m)
Le stockage cinétique de l’énergie
Les volants d’inertie stockent l’énergie sous forme cinétique. Ils sont constitués d’une masse en rotation autour d’un axe.
Les volants d’inertie sont des dispositifs qui se chargent et se déchargent sur quelques
secondes à une minute. Ils sont donc réservés à des applications où les cycles de stockage sont de courte durée.
Tapis de course :
D’après vous qu’est ce qui justifie l’utilisation d’un volant d’inertie sur le tapis de course ?
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Le stockage d’énergie sous forme hydraulique
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Le stockage d’énergie sous forme d’air comprimé
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Le stockage d’énergie sous forme de chaleur
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Le stockage d’énergie sous forme d’hydrogène
Le stockage d’hydrogène sous forme solide (hydrures métalliques) améliore radicalement la sécurité liée au stockage de l’hydrogène
Avantages du stockage d'hydrogène solide :
•Réduction drastique des risques par rapport à des solutions haute pression ou cryogénique
• Un système complètement réversible (stockage/déstockage)
•Sans effet mémoire, déchargeable à 100 % où puissance et énergie sont découplées
•Souple d’utilisation (absorbe les variations de production d’hydrogène de l’électrolyseur, idéal lorsqu’il s’agit de stockage d’énergie
renouvelable intermittente) et réactif stocker l'énergie
Présentation des accumulateurs
électriques
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Présentation des accumulateurs électriques
Les batteries (ou accumulateurs) et les piles sont des systèmes
électrochimiques, qui stockent de l'énergie sous forme chimique et la restituent sous forme électrique.
Les batteries sont basées sur un système électrochimique réversible, contrairement aux piles
On les retrouve dans les appareils autonomes ou embarqués qui sont de plus en plus nombreux au quotidien :
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Rappel sur le courant
• L'intensité (ou courant) est proportionnelle à la quantité d'électrons déplacée par seconde.
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Principe de fonctionnement d’une batterie
Le courant est produit par la circulation d'électrons entre 2 plaques ou électrodes:
une électrode positive capable de céder ou de capter les électrons
une électrode négative capable de céder ou de capter les électrons
Une batterie ou une pile se caractérise par un couple «oxydant-réducteur», (par exemple Plomb/Oxyde de plomb, Nickel/Cadmium...) échangeant des électrons.
Les deux plaques baignent dans une solution électrolytique (ou
électrolyte), liquide ou sous forme de gel. C'est la réaction entre la solution et les électrodes qui est à l'origine du déplacement des électrons et des
ions dans la solution. stocker l'énergie
Principe de fonctionnement d’une batterie
• Un isolant poreux (ou séparateur) permet de séparer les deux plaques tout en autorisant le passage des ions.
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Principe de fonctionnement d’une batterie
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Principe de fonctionnement d’une batterie
• Phase de décharge
Une batterie chargée possède un excès d'électrons au niveau de sa plaque négative et un manque d'électrons au niveau de sa partie positive. La réaction électrochimique engendre le déplacement des électrons au travers du récepteur, créant ainsi le courant. Lorsque les deux plaques possèdent le même nombre d'électrons, la batterie ne débite plus de courant.
• Phase de charge
Le procédé est l'inverse de la décharge : pendant la charge, la batterie est
réceptrice du courant fourni par le secteur. Un générateur est placé aux bornes de la batterie et débite en sens inverse dans le système. À l'intérieur de la batterie, l'énergie chimique se manifeste par un transfert de matière grâce à une
circulation des ions. À l'extérieur de la batterie, l'énergie électrique se manifeste
par un déplacement d'électrons. stocker l'énergie
Essai à vide d’un accumulateur électrique initialement chargé
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Essai à vide d’un accumulateur électrique initialement chargé
En plaçant une résistance variable aux bornes de la pile neuve nous pouvons faire varier le courant débité par celle-ci.
• Plus on diminue la résistance plus on augmente le courant délivré par la batterie.
On dit que l’on augmente la charge.
• Plus on augmente la résistance plus on diminue le courant délivré par la batterie.
On dit que l’on diminue la charge.
On fait varier la charge et, à l’aide d’un voltmètre et d’un ampèremètre, on mesure le courant délivré par la pile et la tension à ses bornes.
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Cas du générateur réel
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Cas du générateur réel
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Cas du générateur réel
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Conclusion : L’essai en charge, pile chargée, permet de déterminer la résistance interne du modèle équivalent. Il faut obligatoirement avoir fait l’essai à vide au préalable de
façon à déterminer E
Prise en compte du comportement non linéaire des constituants de l’accumulateur
Le modèle que l’on vient de voir est déjà suffisant pour beaucoup de simulations. Toutefois, si l’on veut simuler le fonctionnement d’une pile dans le temps, ce modèle ne suffit plus.
Une pile peut stoker une certaine quantité d’énergie, c’est ce que l’on appelle sa capacité. Elle s’exprime en A.h.
Application : Sur notre pile il est écrit 1.5V - 1000mA.h. Cela signifie qu’elle peut fournir 1000mA pendant une heure.
Déterminer l’énergie stockée dans note pile en joule (on considère la tension constante et égale à 1.5V).
Nous avons mesuré l’allure de la tension pour différentes valeurs de courant en fonction du temps:
On appelle « It » le courant de décharge nominal correspondant à une heure de
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Prise en compte du comportement non linéaire des constituants de l’accumulateur
• Pour les trois tracés ci-dessous, le courant de décharge a été de :
·Idécharge = 0,2×It=0,2×1000mA=200mA
·Idécharge = 1×It=1000mA=1A
·Idécharge = 3×It=3A
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La modélisation de ces phénomènes fait appel à des outils mathématiques que vous ne maîtrisez pas encore. Nous limiterons donc ce cours au 2ème modèle
Modélisation Matlab
• Le logiciel Scilab modélise ce phénomène
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Modélisation sous forme d’un diagramme fonctionnel.
Lorsque l’on connait les équations qui régissent le comportement d’un système, on peut, grâce à ces équations, construire le diagramme
fonctionnel du système. Les logiciels multi-physiques (exemple Matlab) peuvent exécuter des simulations à partir de ces modèles.
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Modélisation sous forme d’un diagramme fonctionnel.
Lorsque l’on connait les équations qui régissent le comportement d’un système, on peut, grâce à ces équations, construire le diagramme
fonctionnel du système. Les logiciels multi-physiques (exemple Matlab) peuvent exécuter des simulations à partir de ces modèles.
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Modélisation sous forme d’un diagramme fonctionnel.
Lorsque l’on connait les équations qui régissent le comportement d’un système, on peut, grâce à ces équations, construire le diagramme fonctionnel du système. Les logiciels multi-
physiques (exemple Matlab) peuvent exécuter des simulations à partir de ces modèles.
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c
Modélisation sous forme d’un diagramme fonctionnel.
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Pneumatique
L’énergie Pneumatique et hydraulique
Choisir et dimensionner une pompe
• Caractéristiques des pompes
Le rôle de la pompe est de transformer une énergie mécanique de rotation (fournit par un moteur thermique ou électrique) en énergie hydraulique. La pompe aspire alors de l’huile dans le réservoir et la refoule. Elle est donc un générateur de débit.
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Q = débit, en litres / minute (L / mn) Vg = cylindrée, en cm3 / tr
N = vitesse de rotation de la pompe en tr / mn
Q = Vg x N / 1000
Rem n°1 : une pompe est caractérisé par : sa cylindrée, sa pression admissible, son prix, son rendement, sa vitesse de rotation.
Rem n°2 : Il existe trois grandes familles de pompes : à engrenages, à palettes, à pistons.
Les principaux types de pompes
Les pompes à palettes
Il existe plusieurs moyens pour produire un mouvement de rotation continu à l’aide d’un fluide sous pression. Le plus courant est le moteur à palettes qui est fréquemment utilisé dans les outillages pneumatiques (visseuses, meuleuses, perceuses, clefs à chocs, etc.).
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Fonctionnement :
Le stator 1 est fixe dans le corps de pompe .Le rotor 3 est muni de rainures dans lesquelles sont logées despalettes2.
Le rotor est entraîné en rotation dans le sens horaire par le moteur électrique. Les palettes sous action de la force centrifuge sont plaquées sur le stator. L'excentration eentre rotor 3et stator 2permet aux palettes d'effectuer des mouvements alternatifs dans les rainures exécutées dans le rotor.
Quand les palettes passent devant le lamage d'aspiration 5, le volume entre palettes augmente, c'est la phase aspiration de la pompe.
Les palettes continuant leur rotation, elles sont repoussées dans leur logement sous l'effet de l’excentration e. Le volume entre palettes est en diminution, c'est la phase de refoulement de la pompe.
Les principaux types de pompes
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Les principaux types de pompes
Les pompes à engrenages
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La partie mobile des pompes à engrenage est composé de deux pignons qui engrènent et qui sont logés dans un corps. Un de ces "arbres pignons" est menant, couplé par un système de liaison élastique à l'arbre moteur.
L'autre est mené par son engrènement dans le premier. Le fluide hydraulique remplit le volume entre-dents et il est transporté de l'aspiration vers le
refoulement en occupant le volume entre-dents.
La dépression nécessaire à l'aspiration est provoquée par l'augmentation de volume engendré par le désengrènement progressif de 2 dents d 1 et d2 en contact.
Coté refoulement, 2 dents d3 et d4 rengrènent progressivement, ce qui engendre une diminution de volume et de ce fait, un refoulement du fluide.
L'étanchéité radiale entre l'aspiration et le refoulement est assurée au centre par le contact entre deux dents, sur l'extérieur par un film d'huile entre les pignons et le corps de pompe.
L'étanchéité axiale est réalisée par une compensation avec un flasque mobile sur lequel on vient appliquer la pression de refoulement.
Les principaux types de pompes
Les pompes à pistons axiaux
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Principe de fonctionnement :
Dans cet exemple, le barillet solidaire de l'arbre de pompe porte généralement 9 pistons. Le mouvement alternatif des pistons est imposé par l'inclinaison du plateau. Cette inclinaison peut être fixe ou variable. En faisant varier
l’inclinaison du plateau il est donc possible de faire varier la cylindrée de la pompe.
Durant la phase d'aspiration, les pistons 4sortent du barillet 5 (augmentation de volume).
Durant la phase de refoulement, l'inclinaison du plateau chasse les pistons dans le barillet, c'est la diminution de volume.
Le frottement de glissement est assuré par des patins qui lient mécaniquement les pistons au plateau.
La pompe se compose pour l'essentiel :
- 1 : corps - 2 : plateau face ou inclinable
Les principaux types de pompes
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Les principaux types de pompes
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