Activités d'Investigation
Chaîne énergétique d'éolienne, rendement photovoltaïque sur toiture agricole et énergie cinétique de levage.
Chaîne Énergétique & Rendement d'une Éolienne
Situation Professionnelle
Une éolienne industrielle de 2 MW capte l'énergie cinétique du vent ($E_{\text{absorbée}} = 5000\text{ kJ}$). Ses pales entraînent un alternateur qui produit une énergie électrique utile $E_{\text{utile}} = 2200\text{ kJ}$. Le reste est dissipé sous forme d'énergie thermique par frottements mécaniques dans la nacelle.
Travail à réaliser
1. Schéma de la Chaîne Énergétique (Compétence S'approprier) : Compléter les éléments de la chaîne : Réservoir initial $\to$ Convertisseur $\to$ Énergie utile & Énergie dissipée.
2. Calcul du Rendement (Compétence Réaliser) : Calculer le rendement énergétique $\eta$ de l'éolienne ($\eta = \frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{absorbée}}}$) et l'exprimer en pourcentage.
3. Pertes Énergétiques (Compétence Analyser) : Calculer l'énergie thermique $E_{\text{perdue}}$ dissipée lors du fonctionnement.
Voir le corrigé de l'Activité 1
1. **Vent (Énergie cinétique)** $\longrightarrow$ **[Éolienne + Alternateur]** $\longrightarrow$ **Énergie électrique (utile)** + **Énergie thermique (pertes)**.
2. $\eta = \frac{2200}{5000} = 0{,}44 = \mathbf{44\,\%}$.
3. $E_{\text{perdue}} = 5000 - 2200 = \mathbf{2800\text{ kJ}}$ (chaleur due aux frottements et résistance des bobinages).
Centrale Photovoltaïque sur Hangar Agricole
Situation Professionnelle
Un exploitant agricole installe $100\text{ m}^2$ de panneaux photovoltaïques sur le toit de son hangar. À midi en été, le Soleil fournit une puissance lumineuse incidente de $1000\text{ W/m}^2$ (soit $P_{\text{absorbée}} = 100\text{ kW}$). L'onduleur délivre une puissance électrique de $P_{\text{utile}} = 21\text{ kW}$. L'électricité est revendue au tarif de $0{,}13\text{ €/kWh}$.
Travail à réaliser
1. Rendement Photovoltaïque (Compétence Réaliser) : Calculer le rendement $\eta$ des panneaux solaires ($\eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}}$).
2. Énergie Journalière Produite (Compétence Réaliser) : Pour une journée comptant 6 heures d'ensoleillement moyen équivalent, calculer l'énergie $E$ produite en $\text{kWh}$ ($E = P_{\text{utile}} \times t$).
3. Revenu de Revente (Compétence Valider) : Calculer le revenu financier journalier généré par cette production.
Voir le corrigé de l'Activité 2
1. $\eta = \frac{21}{100} = 0{,}21 = \mathbf{21\,\%}$.
2. $E = 21\text{ kW} \times 6\text{ h} = \mathbf{126\text{ kWh / jour}}$.
3. Revenu = $126 \times 0{,}13 = \mathbf{16{,}38\text{ € / jour}}$ (soit environ $6000\text{ € / an}$).
Énergie Cinétique & Freinage d'une Benne à Béton
Situation Professionnelle
Une grue descend une benne à béton de masse totale $m = 800\text{ kg}$ depuis une hauteur $h = 15\text{ m}$ à la vitesse stabilisée $v = 1{,}5\text{ m/s}$. On prend $g = 9{,}8\text{ N/kg}$.
Questions & Sécurité Mécanique
1. Énergie Potentielle Initiale (Compétence Réaliser) : Calculer l'énergie potentielle $E_p$ stockée au sommet ($E_p = m \times g \times h$) en Joules.
2. Énergie Cinétique en Mouvement (Compétence Réaliser) : Calculer l'énergie cinétique $E_c$ de la benne en descente ($E_c = \frac{1}{2} m v^2$).
3. Freinage & Dissipation (Compétence Analyser) : Lors de l'arrêt complet au sol, sous quelle forme d'énergie s'est transformée l'énergie mécanique de la charge ?
Voir le corrigé de l'Activité 3
1. $E_p = 800 \times 9{,}8 \times 15 = \mathbf{117\,600\text{ Joules}} = \mathbf{117{,}6\text{ kJ}}$.
2. $E_c = \frac{1}{2} \times 800 \times 1{,}5^2 = 400 \times 2{,}25 = \mathbf{900\text{ Joules}}$.
3. L'énergie mécanique est intégralement dissipée sous forme d'**énergie thermique (chaleur)** dans les garnitures du treuil et des freins mécaniques.