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Enseignement scientifique Terminale - 2024


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Améliorer ses compétences
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Annexes
Ch. 4
Exercices

Le repaire des initiés

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20
Centrale solaire thermique

Discuter des avantages et des inconvénients d'une installation photovoltaïque
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La production d'énergie électrique à partir d'énergie solaire ne se résume pas aux centrales photovoltaïques. En effet, il existe également des centrales solaires thermiques, principalement réparties dans les zones les plus arides du globe. La centrale Solar Tres, appelée aussi Gemasolar, située en Espagne, est composée de 2 493 héliostats (miroirs suivant la course du Soleil) qui concentrent les rayons du Soleil vers une tour dans laquelle circule un fluide caloporteur. Une fois ce fluide chauffé, il est envoyé dans un générateur de vapeur pour mettre en rotation une turbine et un alternateur.

La centrale espagnole a une puissance électrique nominale de 19,9 MW. Elle fournit sur l'année 80 GW·h pour un facteur de charge (rapport de l'énergie fournie en un an sur l'énergie théoriquement fournie si la centrale fonctionnait à puissance nominale en permanence) de 45,9 %.
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Doc.
Solar Tres

Placeholder pour Photo aérienne d'une centrale solaire à concentration : miroirs circulaires réfléchissant la lumière vers une tour centrale. Énergie solaire, technologie durable.Photo aérienne d'une centrale solaire à concentration : miroirs circulaires réfléchissant la lumière vers une tour centrale. Énergie solaire, technologie durable.
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Questions
1. Schématiser la centrale solaire thermique en y indiquant les éléments suivants : miroir, tour, alternateur, fluide caloporteur, générateur de vapeur.
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2. Vérifier par un calcul la valeur du facteur de charge de la centrale.
3. Oral Comparer les avantages et les inconvénients des centrales solaires thermiques et photovoltaïques.
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Data centers alimentés par la Terre

Évaluer le rendement d'un alternateur ou d'une installation
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L'entreprise américaine Fervo Energy, spécialisée dans la géothermie, s'est associée à Google pour la construction d'une centrale géothermique. Ainsi, depuis novembre 2023, deux data centers du géant du Web situés dans le Nevada sont alimentés de manière renouvelable.

Dans une telle centrale, l'eau située dans les roches souterraines chauffée à haute température remonte à la surface et se transforme en vapeur permettant d'actionner une turbine et un alternateur. Le rendement est de 10 % pour une production de 3,5 MW de puissance électrique.
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Placeholder pour Photographie aérienne d'une centrale géothermique dans un paysage désertique. Vue panoramique de l'installation industrielle avec ses équipements et cheminées produisant de la vapeur.Photographie aérienne d'une centrale géothermique dans un paysage désertique. Vue panoramique de l'installation industrielle avec ses équipements et cheminées produisant de la vapeur.
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Questions
1. Préciser la forme sous laquelle l'énergie est stockée dans les roches souterraines. Préciser si celle-ci est renouvelable.
2. Calculer la puissance Pf disponible sous la centrale.
3. Aux États-Unis, la fréquence du courant électrique est de 60 Hz. En déduire la vitesse de rotation \omega de l'alternateur sachant qu'il possède N = 8 aimants
4. Malgré un rendement plus faible, expliquer l'avantage d'une centrale géothermique par rapport à une éolienne ou à des panneaux photovoltaïques.
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Recharge par pédalage

Évaluer le rendement d'un alternateur ou d'une installation
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Certains vélos à assistance électrique permettent de recharger un téléphone portable en pédalant. L'énergie nécessaire à cette recharge vient de celle délivrée par le cycliste qui appuie sur les pédales. En effet, un cycliste produit en moyenne une puissance mécanique de 310 W qui est proportionnelle à la force qu'il exerce sur les pédales et à la cadence de pédalage. Le vélo est doté d'un alternateur moyeu (type d'alternateur placé directement dans l'axe de rotation de la roue de vélo) qui possède un rendement de 80 %. On estime que le cycliste a une vitesse de 25 km·h-1 .
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Placeholder pour Graphique montrant la puissance mécanique (W) de deux alternateurs en fonction de la vitesse (km/h).Graphique montrant la puissance mécanique (W) de deux alternateurs en fonction de la vitesse (km/h).
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Placeholder pour Gros plan moyeu vélo, rayons métalliques, détails mécaniques.Gros plan moyeu vélo, rayons métalliques, détails mécaniques.
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Placeholder pour Photo : mains utilisant smartphone fixé guidon vélo électrique.  Écran vélo visible.Photo : mains utilisant smartphone fixé guidon vélo électrique.  Écran vélo visible.
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Questions
1. Évaluer graphiquement la puissance mécanique transmise à la roue et permettant de mettre en rotation l'alternateur.
2. En déduire la puissance électrique produite par l'alternateur.
3. En utilisant la relation entre l'énergie, la puissance et la durée, déterminer la durée de pédalage nécessaire pour recharger entièrement la batterie d'un smartphone de 10 W·h.
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Alternateur d'éolienne

Relier la vitesse de rotation, le nombre d'aimants et la fréquence du courant électrique
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Une éolienne possède un alternateur à huit aimants. La plupart des éoliennes actuelles font entre 15 et 25 tours par minute, en fonction de la vitesse du vent.
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Donnée

Fréquence du courant électrique français : f = 50 Hz
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Placeholder pour Gros plan d'une éolienne blanche sur fond de ciel bleu. Énergie renouvelable.Gros plan d'une éolienne blanche sur fond de ciel bleu. Énergie renouvelable.
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Questions
1. Expliquer pourquoi la fréquence f du courant obtenu grâce à l'alternateur n'est pas constante.
2. . Déterminer la plage de fréquence f pour le courant électrique produit par l'éolienne.
3. Préciser si ce courant peut être directement injecté dans le réseau électrique français ou non, en justifiant.
4. Déterminer la vitesse de rotation des pales de l'éolienne nécessaire pour que le courant produit puisse être directement injecté dans le réseau électrique.
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Exercice numérique
Nouvelle génération de centrale nucléaire

Citer et reconnaître les principaux éléments d'un alternateur.
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Retrouvez de cet exercice.

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La France produit principalement son électricité dans des centrales nucléaires. Face à leur vieillissement, le président de la République Emmanuel Macron a annoncé en novembre 2021 la relance du programme nucléaire français. Ainsi, au moins six réacteurs de type EPR2 (Evolutionary Power Reactor 2) rejoindront l'EPR de Flamanville, qui devrait commencer à produire de l'électricité en 2024.
Dans une telle centrale, on estime à 4 590 MW la puissance thermique produite par la fission nucléaire et à 1 670 MW la production électrique. Une première conversion a lieu lorsque le circuit hydraulique, sous l'effet de la chaleur, met en mouvement de l'eau. Un ensemble turbine-alternateur assure ensuite la conversion en énergie électrique.
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Placeholder pour Photo aérienne centrale nucléaire Flammanville : bâtiments réacteurs côtiers, route sinueuse.Photo aérienne centrale nucléaire Flammanville : bâtiments réacteurs côtiers, route sinueuse.
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Questions
1. Évaluer l'énergie dissipée sous forme thermique et qui n'a pas été convertie en électricité.
2. Expliquer le rôle du circuit de refroidissement impliquant l'eau d'un fleuve, d'une mer ou d'un océan à proximité de la centrale.
3. Sachant qu'un foyer français consomme une puissance électrique moyenne de 570 W, déterminer le nombre de foyers qui pourront être alimentés par ces six nouveaux EPR2
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