L`EAU COOL - Olympiades de Physique France

Olympiades de physique 2009-2010
L'EAU COOL
Résumé de notre projet
La protection de l’environnement est un sujet récurrent dans notre société actuelle.
Nous avons donc voulu proposer un système contribuant à l’entretien de notre planète.
Pour cela nous nous sommes intéressés aux énergies propres pouvant être utilisées
par les particuliers, comme par exemple des panneaux photovoltaïques, des éoliennes…
Nous avons constaté que de l’énergie produite et non utilisée instantanément est
perdue. C’est le cas des systèmes reliés à des batteries lorsqu'elles sont pleines. Il
existe cependant des systèmes où EDF rachète cette énergie perdue.
Nous avons voulu proposer une autre alternative permettant de stocker cette énergie
perdue : le stockage sous forme d’eau. Le principe est très simple : se servir de
l’énergie perdue pour faire monter de l’eau dans un réservoir où on la stocke. Lors
d’une demande d’énergie par le ménage, l’eau stockée provoquera la rotation d’une
turbine qui produira l’énergie souhaitée.
Olympiades de physique 2009-2010
L'EAU COOL
Problématique : En quoi stocker de l’énergie sous forme d’eau peut être
intéressant au niveau écologique ?
Élèves :
MOUFFAK Bahia
PASQUALE Joris
MOUFFAK Amelle
RUIZ Nicolas
Professeurs : M MASSOU et M CHAFFARD
Lycée Jean Monnet à Annemasse
• Sommaire:
I-
Présentation du projet
II- Partie mécanique :
1. Les composants du système
2. Optimisation du système
3. Le montage
III- Partie électronique :
1. Fonctionnement des composants
2. Les capteurs
3. La logique
Introduction
Aujourd’hui, la protection de l’environnement est un problème récurent dans l’avenir
de notre planète c’est donc pour cela que l’Homme doit se tourner vers des énergies
renouvelables. Il en existe plusieurs sortes ; les plus courantes sont les énergies
solaire, éolienne, hydraulique et géothermique. Il y a trois facteurs qui incitent à
l’utilisation de ces énergies : elles sauvegardent l'environnement, elles sont illimitées.
Cela nous a donc poussés à nous intéresser à l’hydroélectricité car c’est, après le
nucléaire, le deuxième secteur de production d’électricité. De plus l'hydroélectricité
est considérée comme une énergie propre et inépuisable ; son utilisation est donc
globalement positive pour l’environnement.
I-
Présentation du projet
L'électricité est une énergie secondaire car elle résulte de la transformation d’une
énergie primaire. Le seul moyen de « stocker » ce type d'énergie est en fait celui de
la produire rapidement sur des systèmes autonomes comme une pile. Le problème est
que ces systèmes sont basés sur des réactions chimiques et certains de leur
composants présentent un aspect polluant (acides, plomb). C’est pour cette raison que
nous voulons essayer de stocker une énergie qui puisse être restituée en électricité à
tout moment: l’énergie potentielle de pesanteur.
Il arrive que l’énergie produite ne soit pas utilisée ; elle est donc perdue. Pour éviter
que cette perte soit totale, nous avons imaginé le système suivant :
Pompe
Panneaux
Photovoltaïques
Turbine
Les panneaux
photovoltaïques
alimentent la
pompe qui fait
monter de l’eau
dans le niveau 1.
L’eau retombe
ensuite dans le
niveau 0 en faisant
tourner la turbine.
Ce cycle
hydraulique est
fermé : l’eau qui
tourne est toujours
la même.
Le but de ce système est de donner une énergie potentielle de pesanteur à l’eau en la
faisant monter à une certaine hauteur. On place deux bassins séparés par une
hauteur h puis on installe une pompe qui servira à faire passer l’eau du bassin inférieur
(niveau 0) au supérieur (niveau 1). Cela nous permet d’apporter une énergie potentielle
à l’eau de part la gravité. Ensuite, l’eau chute du bassin 1 au bassin 0 et provoque la
rotation d’un rotor (par système de pâles…) couplé à un stator. Le tout appelé
alternateur produit ensuite de l’énergie électrique.
Ce système permet donc de stocker une partie de l’énergie des panneaux
photovoltaïques sous forme d’énergie potentielle de l’eau.
Nous sommes conscients qu’un tel système n’est pas rentable mais nous vous rappelons
que l’énergie qui monte l’eau est à la base « perdue ».
L’avantage est que cette énergie pourra être utilisée lorsque que l’utilisateur en a
besoin car c’est seulement sur sa demande, que l’eau du niveau 1 se déversera dans le
niveau 0 en faisant tourner la turbine.
Notre travail consiste donc à créer un système analogue à celui ci, c'est à dire qu'il
doit remplir les mêmes fonctions.
La batterie de la maison sera donc substituée par une pile rechargeable de 9V. La
pompe sera une pompe à fuel fonctionnent en 6-12V. Pour finir la turbine sera celle
d’un anémomètre et l'énergie mécanique qu'elle fournira sera transformée en énergie
électrique à l'aide d'un système comprenant un alternateur, un pont de diode et un
condensateur pris sur une lampe de poche rechargeable.
Nous avons partagé le travail en deux grosses parties : une électrique qui gérera tout
le fonctionnement du système et une autre mécanique qui s'occupera principalement
de la construction matérielle du système.
II-
Partie mécanique
Nous avons cherché dans cette partie à réaliser la «maquette» de notre projet afin
de mieux nous rendre compte des différents problèmes et inconvénients d’une telle
installation et de mettre en pratique un système du même genre.
1. Les composants du système
• La pompe :
C’est un dispositif permettant de refouler et d’aspirer un fluide à partir d’une énergie
électrique par exemple. Expérimentalement, nous allons utiliser une pompe à fuel
fonctionnent en 6-12V.
• L’alternateur :
Pour comprendre son principe de fonctionnement nous avons étudié une lampe de
poche à « dynamo », car elle fonctionne en fait avec un alternateur (et non une
dynamo).
L’actionnement de la manivelle par un mouvement circulaire transforme de l’énergie
mécanique en énergie électrique permettant l’alimentation des diodes. Nous avons
ouvert la lampe pour comprendre les différentes étapes qui permettent cette
transformation.
Observation expérimentale :
L’action de la manivelle entraîne un système d’engrenage dont le dernier pignon va
entraîner en rotation un axe métallique à l’intérieur de l’alternateur, qui est relié à un
aimant.
Nous avons observé à la sortie de l’alternateur une tension alternative.
Dans notre projet nous avons besoin d’une tension continue. Nous devons donc
redresser la tension alternative obtenue précédemment par le biais d’un pont de
diodes. Nous avons choisi un redressement à double alternance car la tension circule
deux fois plus de temps et il est donc deux fois plus efficace. Le courant de sortie
sera toujours la valeur absolue du courant d'entrée.
Le courant circule de la manière suivante :
V est la tension à l’entrée
du pont de diodes.
Vr est la tension
redressée à la sortie du
pont de diodes.
Maintenant que nous avons une tension redressée double alternance, il nous faut la
lisser. Pour ce faire nous avons placé en dérivation un condensateur en sortie du pont
de diodes.
Un condensateur est un réservoir à charges électriques.
Il est constitué de 2 armatures (surfaces conductrices) séparées par un isolant
(diélectrique), il peut être l’air.
Symbole du condensateur :
Lorsque la tension augmente, le condensateur
se charge.
Lorsque la tension à la sortie tend à diminuer,
le condensateur se décharge petit à petit ce
qui réduit fortement la chute de la tension.
La tension obtenue peut donc être stockée dans un accumulateur et donc la batterie
de la maison.
• L’électrovanne :
C’est un dispositif commandé électriquement permettant d'autoriser ou
d'interrompre par une action mécanique la circulation du fluide dans un circuit. Ici,
nous utilisons une électrovanne « tout ou rien » c'est-à-dire qu’elle ne peut s'ouvrir
qu'en entier ou pas du tout. Lorsqu elle est alimentée, elle s’ouvre sinon elle reste
fermée. Normalement, il faudrait donc dans nos calculs compter qu’une partie de
l’énergie sera utilisée dans l’alimentation de l’électrovanne. Cependant, l’électrovanne
n’étant pas adaptée à notre système (problème d’alimentation), nous ne pouvons nous
permettre de l’y intégrer totalement. C'est-à-dire qu’elle ne sera pas alimentée par la
même batterie que la pompe.
2. Optimisation du système
Notre souci premier était de réunir toutes les conditions possibles pour faire tourner
notre dynamo et ainsi produire de l’énergie. Nous avons donc fixé le rotor de
l’alternateur à un « ventilateur d’ordinateur ». Nous avons tout de suite vu la
difficulté de faire tourner ce ventilateur avec la simple force d’une chute d’eau. C’est
pour cela que nous nous sommes intéressés à la dynamique des fluides et plus
particulièrement au théorème de Torricelli.
•
Le réservoir
Forme du réservoir :
Nous avons pris pour réservoir un tuyau cylindrique en PVC pour faciliter l’écoulement
de l’eau (évite les angles). De plus, nous avons pris un diamètre assez fin (Ø 100 mm)
car ainsi le volume d’eau introduit est réparti sur une plus grande hauteur, ce qui
permet d’avoir une plus forte pression et donc une vitesse d’écoulement plus grande.
Dynamique des flux :
-
Utilisation du théorème de Torricelli
On considère un récipient cylindrique de rayon R1 et de section S1 percé par un petit
trou de rayon R2 et de section S2 contenant un liquide non visqueux. Soit z la hauteur
verticale entre le trou B et la surface du liquide A.
D’après le théorème de Torricelli, Si R2 est beaucoup plus petit que R1, la vitesse du
fluide en A est négligeable devant V, vitesse du fluide en B.
Il faut donc, pour augmenter la vitesse de l’eau en sortie, que le tuyau de sortie ait un
diamètre beaucoup petit que le diamètre de notre réservoir. Nous avons donc appliqué
cela à notre système cependant, plus le trou en sortie est petit, moins la surface
d’hélice poussée par l’eau est grande. Il faut donc trouver un juste milieu entre la
vitesse de l’eau en sortie et la taille de la surface sur laquelle elle va exercer une
pression.
-
Utilisation de la formule de Torricelli
« Dans un vase contenant un fluide parfait, d’un trou pratiqué à la hauteur h en
dessous de la surface horizontale, le liquide s’écoule avec une vitesse
avec g l’accélération de la pesanteur »
Une conséquence immédiate est que la vitesse est indépendante de la masse volumique
du liquide considéré. Une autre conséquence de cette formule est que plus la hauteur
de liquide est importante, plus la vitesse d'éjection est élevée.
On considère que l’eau est un fluide parfait donc on peut appliquer cette formule à
notre montage.
La hauteur :
Nous avons fait une première expérience pour trouver à quelle hauteur il était le plus
judicieux de mettre le réservoir.
On pose une tension U= 5,0V. En gardant cette valeur fixe, nous allons
regarder combien de temps met la pompe pour monter 0,5L d’eau à une hauteur
que nous ferons varier (de 0,65 m à 1,15 m).
Résultats :
Tension (v) Intensité (A) Puissance (w) temps (s) E fournie (J) hauteur
5
0,5
2,5
65
162,5
5
0,52
2,6
67
174,2
5
0,52
2,6
71
184,6
5
0,52
2,6
73
189,8
5
0,52
2,6
78
202,8
5
0,53
2,65
78
206,7
(m) E potentiel (J) Rendement (%)
0,65
3,185
1,96
0,75
3,675
2,10964409
0,85
4,165
2,25622969
0,95
4,655
2,45258166
1,05
5,145
2,53698225
1,15
5,635
2,7261732
A partir de ce tableau de valeurs, nous avons réalisé un graphique pour avoir le
rendement en fonction de la hauteur :
Rendement de l'expérience 1
rendement en %
2,9
2,7
2,5
2,3
2,1
1,9
1,7
1,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
hauteur en m
Il faut donc pour améliorer la rentabilité que le réservoir soit le plus haut possible.
•
La pompe
La tension :
Nous avons fait une deuxième expérience pour choisir la tension afin que notre
système soit le plus rentable possible.
On pose une hauteur h= 0,70m. En gardant cette valeur fixe, nous regarderons
combien de temps met la pompe pour monter 0,5L d’eau avec une tension variable.
Résultats :
hauteur
Tension (v) Intensité (A) Puissance (w) temps (s) E fourni (J) (m)
E potentiel (J) Rendement (%)
4
0,45
1,8
89
160,2
0,7
3,43
2,14107366
5
0,48
2,4
66
158,4
0,7
3,43 2,16540404
6
0,57
3,42
55
188,1
0,7
3,43
1,82349814
3,43
1,5898767
7
0,67
4,69
46
215,74
0,7
8
0,77
6,16
40
246,4
0,7
3,43 1,39204545
Rendement de l'expérience 2
rendement en %
2,4
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
3
4
5
6
7
8
9
tension en Volt
A partir de ce tableau de valeurs, nous avons réalisé le graphique ci dessus avoir le
rendement en fonction de la tension.
On en conclut donc que pour avoir le meilleur rendement possible, il faut que la pompe
fonctionne avec la tension la plus faible possible. Cela est logique car en imaginant que
l’eau arrive avec une grande vitesse, l’énergie cinétique qu’elle possèderait serait
perdue.
3. Le montage
Voici la maquette que nous avons construit pour tester notre système.
Réservoir du haut
(niveau 1)
Électrovanne
Pompe
Turbine
Dynamo
Réservoir du bas
(niveau 0)
Électrovanne
Pompe
Turbine
Dynamo
Calculs théoriques :
Pour calculer l’énergie potentiel de pesanteur, on utilise la formule epp= m.g.h , avec m
qui est la masse de l’objet, g la valeur de la constante gravitationnelle et h la hauteur
du système étudié.
Nous faisons monter 4L d’eau dans un tuyau d’environ 0.080 m de diamètre :
V = π.r2h h= V / ( π.r2)= (4.0.10-3) / (π.4.010-4)= 0.80m
Dans notre cas il était donc difficile de faire ce calcul car l’eau que nous montons est
répartie sur une hauteur de 0.80m.
Pour contourner ce problème, nous avons réalisé une approximation pour nous donner
une idée de la valeur de l’epp : nous avons considéré que la hauteur serait de 0.40 m (la
moitié du niveau de l’eau dans notre tube), car il y a autant d’eau au dessus qu’en
dessous. Nous avons donc fait le calcul avec un objet de la masse correspondante à la
masse de la quantité d’eau montée (ici 4 l, donc 4 kg) possédant une hauteur de 0.40 m.
.
Donc E.p.p= 9.8 x 0.40 x 4.0 = 1.57 J
Cette valeur représente l’énergie qu nous pourrions récupérer dans le cas d’un
rendement de 100%, et donc impossible car il y a trop de pertes.
Comparons maintenant cette valeur avec l’énergie qu’il faudrait pour recharger la
batterie.
On peut lire sur la batterie la quantité d’énergie Q=250 mAh
Q =250.10-3 x 3600
Q =900 C
P = U x I = U x Q/t P x t = u xQ Eb= 9.0 x 900 = 8100 J
Comparaisons : Eb / E.p.p = 8100/1.57 =5159.
Donc si la batterie est complètement vide, nous devons faire chuter 4 L plus de 5159
fois pour arriver à la recharger.
Calculs expérimentaux :
Nous avons quand même essayé de voir si on arrivait à charger la batterie en faisant
tomber 4 litre d’eau.
Pour connaître la tension et l’intensité d’une batterie de ce type, il faut que cette
dernière soit en fonctionnement. On appelle ceci la tension à vide.
Le problème est le suivant : en fonctionnement la batterie utilise ce qu’elle a stocké.
C’est pourquoi on a utilisé dans notre montage une résistance de 10kΩ ce qui permet
à la batterie de ne pas trop se décharger.
Nous avons déchargé la batterie et nous avons relevé les valeurs suivantes :
U1= 6.2 V et I1 = 0.64mA
Après la chute de 4 L d’eau on relève les valeurs suivantes :
U2= 7.2 V et I2 = 0.73mA
U2>u U1 et I2> I1. Donc nous avons bien réussi à recharger notre batterie.
III-
Partie électronique
1. Fonctionnement des composants
• Panneau solaire :
Un panneau solaire est un système qui récupère une
partie du rayonnement solaire et qui le convertit
ensuite en énergie utilisable par l'homme.
Dans un système normalisé, le panneau solaire s’utilise
de la façon suivante:
Dans notre projet nous considérons que
le panneau n'est pas relié au réseau EDF
mais qu'il est branché directement sur la
maison.
Caractéristiques :
Dimensions : 35 x 37 (x 2,5)
Tension max : 18 V
Puissance : 13,5 w
Intensité : 750 mA
• L’amplificateur opérationnel ou AOP :
-Lorsque l’on utilise deux sources de tension pour
faire fonctionner un AOP, on en utilise une comme
tension de référence (VR). C’est une tension
constante à la quelle sera comparée une autre
tension, VF fournie par la seconde source. Si VR est
supérieur à VF alors l’interrupteur du relais placé
après
la
sortie
de
l’AOP
sera
ouvert.
Si au contraire VF est supérieur à VR alors l’interrupteur se fermera.
Dans ce cas la troisième source de tension pourra alimenter l’appareil désiré.
Schématisations :
• Le régulateur de tension intégré ou RIT :
C’est un organe électrotechnique qui maintient, dans certaines
limites, une tension constante à sa sortie. Il est indépendant de la
tension d’entrée, cependant il est impératif que la tension d’entrée
soit plus élevée que la tension que l’on souhaite à la sortie.
Important : les régulateurs de tensions chauffent. La dissipation thermique du
composant est proportionnelle à la différence de tension qui règne entre son entrée,
sa sortie et du courant qui le parcourt.
• Le pont diviseur de tension :
Le pont diviseur de tension est un montage électronique permettant d’obtenir
une tension proportionnelle à une autre.
• La DEL :
Pour repérer facilement les niveaux logiques nous avons placé des DEL en
sortie de nos AOP.
AOP
+ (LM324)
-
U = RI R = U/I RP = (3 – 1.5) / (20 x 10-3)
= (1.5 / 2) x 10-2
= 75 Ω
VS
3V
RP
Nous avons donc choisi RP = 100 Ω
1.5 V
20 mA
• Le relais :
Un relais est un appareil dans lequel un phénomène
électrique (courant ou tension) contrôle la
commutation « On / Off » d'un élément mécanique ou
électronique.
Il se compose d’une bobine et de contacts de
commutation. La bobine est le plus souvent prévue
pour 6, 12, ou 24 volts.
Alimentation
Diode de roue libre :
protège le relais
d’éventuelles sur-tensions.
Relais
Porte
logique
2. Les capteurs
Pour le fonctionnement de notre projet, nous avons dû fabriquer plusieurs capteurs.
C'est grâce aux informations qu'ils nous fourniront que nous pourrons contrôler tout
le système.
Pour tous nos capteurs nous avons fabriqué des comparateurs de tension, et pour cela
nous avons utilisé des AOP (amplificateur opérationnel) de référence LM324. Tous les
AOP sont alimentés en asymétrique (0V-4V). Pour obtenir une telle alimentation nous
avons régulé la tension donnée par la batterie à 4V grâce à un RIT (régulateur de
tension) de référence LM317.
• Capteur solaire:
Pour détecter la présence de soleil nous avons fabriqué un capteur de lumière avec
une photo résistance (LDR). Une photo résistance est un composant électronique dont
la résistivité varie en fonction de la lumière.
Vbatt
Vout = 4v
RIT
LDR
Vcomp
AOP
+ (LM324)
R3
R1
R2
Vréf
-
VS
RP
Nous avons choisi une résistance R3 de 5,6kΩ et avons obtenu les résultats suivants :
dans une pièce éclairée Vcomp = 2,3V.
En cachant la photo résistance Vcomp = 0,7V.
Nous avons donc fixé Vréf à 1V (car 0,7V < 1< 2,3V). On divise donc la tension fournie
par le RIT par 4, d'où R1 = 2,7kΩ et R2 = 1kΩ.
La pompe sera alimentée si Vs = 1, c'est à dire s'il y a du soleil.
L’électrovanne s’ouvrira s’il n’y a plus de soleil.
En effet, si on décharge la batterie alors qu'il n'y a pas de soleil et si elle n'est pas
rechargée en l'absence du propriétaire alors nous aurons perdu de l'énergie car le
rendement de notre système est sûrement très inférieur à 1.
• Capteur de niveau d'eau :
Pour surveiller l’état du bassin haut nous avons conçu un capteur permettant de
déterminer l’état du bassin (plein, vide, en train de se vider, en train de se remplir).
Ce capteur a trois raisons d’être. D’abord il faut stopper la pompe lorsque le niveau
« haut » est atteint pour ne pas que le bassin déborde. Ensuite nous ne voulons pas
vider complètement le bassin car plus le niveau d’eau baisse plus la pression diminue. Il
arrive un moment où il y a tellement peu d’eau dans le bassin que la faire descendre ne
servirait plus à rien. Pour finir il nous faut différencier les états « en train de se
vider » et « en train de se remplir ».
Pour détecter ces seuils nous avons fabriqué deux capteurs de niveau d'eau à
partir d'électrodes ; l’un déterminant le niveau haut (NH) du bassin et l’autre le
niveau bas (NB).
Bassin 1
Vout = 4v
Vbatt
RIT
NH
AOP
eau
+ (LM324)
Vcomp
R1
VNH
-
R3
Vout = 4v
Vbatt
NB
R2
RP
Vréf
RIT
AOP
eau
+ (LM324)
Vcomp
R1
-
R3
R2
Vréf
VNB
RP
Nous avons divisé Vout par 2 pour obtenir Vréf =2V (car 0V < 2< 2,7V).
R1 = R2= 4,7kΩ.
R3 = 10 kΩ. C'est une résistance reliée à la masse qui assure Vcomp = 0 si les sondes ne
sont pas dans l’eau.
Lorsque le niveau « haut » est atteint, les deux électrodes tremperont dans l'eau
et une tension circulera entre les deux : Vs = 1 (niveau logique). Dans ce cas Vcomp
=2 ,7V, sinon Vcomp = 0V et donc Vs = 0 (niveau logique).
Lorsque le niveau « bas » est atteint, les deux électrodes ne tremperont plus dans
l'eau et la tension qui circulera entre les électrodes sera nulle : Vs = 0 (niveau
logique). Dans ce cas Vcomp =0, sinon Vcomp = 2,7V et donc Vs = 1 (niveau logique).
Logique :
Capteur
NB
Capteur
NH
Sortie
Vs
0
0
0
Le bassin est vide.
0
1
I
Impossible, l’eau ne peut atteindre NH sans atteindre NB.
1
0
?
Nous ne savons pas si le bassin est en train de se
remplir ou de se vider.
1
1
1
Le bassin est plein.
Pour pouvoir différencier les états « en train de se vider » et en train de se
remplir » nous avons utilisé une bascule. Ce circuit logique permet de garder l’état
logique d’une sortie en mémoire jusqu’à ce qu’une information ordonne un
changement de l’état logique mémorisé. C’est un système de remise à zéro
(set/reset).
NH
NB
Si le bassin est plein S=1 (niveau logique), en effet NB et NH sont au niveau logique 1.
Lorsqu’il va commencer à se vider NH va passer au niveau logique 0. La bascule permet
de mémoriser l’état de S. Lorsque le bassin sera vide c'est-à-dire que NB passera au
niveau logique 0, S passera aussi à l’état 0.
La pompe sera alimentée si Vs = 0, c'est à dire si le niveau haut n'est pas atteint.
Le propriétaire de la maison ne pourra faire couler l'eau que si le niveau logique de
Vs est 1.
• Capteur de la charge de la batterie:
Pour que la batterie puisse alimenter la pompe nous avons dû définir une « plage » de
fonctionnement. Comme la pompe peut fonctionner de 6 à 12Vet que la batterie est
une pile de 9V, nous avons choisi de faire fonctionner la pompe de 6 à 8 V.
Le capteur que nous avons fait s'appelle un « Trigger de Schmitt » ou plus simplement
un comparateur à double seuil ou bascule à seuil. En effet nous avons besoin de définir
un seuil haut qui captera la position chargée de la batterie (Vh =8V) et un seuil bas qui
captera la position déchargée (Vb = 6V).
Notre Trigger de Schmitt est un comparateur noninverseur alimenté en asymétrique (0V-4V)
•
Vh = VT+ = 8V
• Vb = VT- = 6V
Formules :
• Vh =
R2
X E + R1
X Vsat
R1+R2
R1+R2
(Vsat =3)
• Vb =
R2
X E _ R1
X Vsat
R1+R2
R1+R2
(Vsat =0)
Si VT= 6V
D'où Vb =
E = Vréf
Vsat = Vs
alors VT= Vb et donc Vsat = 0V
R2
X E
R1+R2
• Hystérésis : h = Vh -Vb = 8-6 = 2V
Calculs de R1 et R2 :
Si VT= 8V alors VT= Vh et donc Vsat = 3V (à peu près la valeur d'alimentation moins 1)
8=
R2
X E + R1
X 3 = Vb + R1
X 3
R1+R2
R1+R2
R1+R2
8=
6 +
R1
X 3
R1+R2
3 R1 = 2 R1 + 2 R2
R1
= 2
R1+R2
3
R1 = 2 R2
Calculs de E :
R2
Vb = R1+R2
X E
6 = R2 X E
3 R2
E = 18V
Cette valeur de E est beaucoup trop élevée, il faut qu'elle soit inférieure à 4V.
Nous allons donc diviser les tensions « basse » et « haute » par 6 pour obtenir une
valeur de E plus basse. Il nous faut donc refaire les calculs précédents avec
Vh =8/6 = 1,33 et Vb =6/6 = 1.
Calculs de R1 et R2 :
Vh = Vb +
R1
R1+R2
X 3
R1 + 0,11 R1 + 0,11 R2
1,33 = 1 + R1 X 3
R1+R2
R1
R1+R2
0,89 R1 = 0,11 R2 = 0,33 = 0,11
3
R1 = 0,11 R2
0,89
8 R1 = R2
Calculs de E :
R2
Vb = R1+R2
X E
6 = R2 X E
3 R2
E = 9 8
E = 1,1V
Vout = 4v
Vbatt
RIT
R2
R3
+ (LM324)
R4
R6
AOP
Vréf
R5
R1
Vcomp
-
VS
RP
Nous avons choisi :
R1 =1kΩ, R2 =8kΩ, R3 =2,6kΩ, R4 =1kΩ, R5 =1kΩ et R6 =200Ω
La pompe sera alimentée par la batterie à partir du moment où le niveau de la
batterie aura atteint 8V (jusqu’à 6V).
L’électrovanne s’ouvrira si le niveau de charge de la batterie est inférieur à 6V.
• Capteur de demande en énergie:
La pompe sera alimentée par la batterie uniquement si l’utilisateur ne fait aucune
demande d’énergie. Nous allons simuler cette demande à l’aide d’un commutateur. Si
l’utilisateur émet une demande d’énergie Vcomp = 0 et donc Vs = 0 (niveau logique).
Sinon Vs = 1 (niveau logique) et dans ce cas Vcomp = 2,7V.
Vout = 4v
Vbatt
RIT
AOP
1
+ (LM324)
Vcomp
R1
2
VS
-
R3
R2
Vréf
RP
Commutateur
Nous avons divisé Vout par 2 pour obtenir Vréf =2V (car 0V < 2< 2,7V).
R1 = R2= 4,7kΩ.
R3 = 10 kΩ.
C'est une résistance reliée à la masse qui assure Vcomp = 0 si le contacteur 2 est fermé.
La pompe sera alimentée par la batterie si le propriétaire ne fait aucune
demande en courant.
L’électrovanne s’ouvrira si le propriétaire ne fait aucune demande en
courant.
3. La logique
Nous allons étudier la partie logique de notre système c'est à dire celle qui va nous
permettre de programmer la marche ou l'arrêt de la pompe. Analysons dans un
premier temps les niveaux logiques fournis par nos capteurs :
•
Capteur solaire (A) : -Présence de soleil : niveau logique 1 en entrée A
-Obscurité : niveau logique 0 en entrée A
•
Capteur du niveau d’eau (B) : ce capteur est composé par deux capteurs, l’un
déterminant le niveau haut (NH) du bassin et l’autre le niveau bas (NB).
•
Capteur (NH) : -Bassin plein : niveau logique 1 en entrée B1
-Bassin non plein : niveau logique 0 en entrée B1
•
Capteur (NB) : -Bassin vide : niveau logique 0 en entrée B2
-Bassin non vide : niveau logique 1 en entrée B2
•
Capteur de demande (C) (indique si l’utilisateur émet une demande de courant) :
-Demande : niveau logique 0 en entrée C
-Absence de demande : niveau logique 1 en entrée C
•
Capteur du niveau de charge de la batterie (D) :
-Batterie chargée : niveau logique 0 en entrée D
-Batterie non chargée : niveau logique 1 en entrée D
Début
Non
Demande
Oui
Soleil
Fin
Non
Oui
Chargée
?
Non
Fin
Non
Pompe
Oui
Fin
Non
Oui
Plein
Chargée
?
Oui
Fin
Plein
Oui
Electrovanne
Non
Fin
Voici la table de vérité représentant toutes les combinaisons possibles pour les
différents capteurs :
Capteur : A Capteur : B
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
Capteur : C Capteur : D Sortie :
pompe (Sp)
électrovanne
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
(Se)
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
Sortie :
De ce tableau nous déduisons que : A . B . C . D = A . C . B+D = Sp
Et que A . B . C . D = Se
-
Il y aura donc un 1 logique en Sp si et seulement si : il y a du soleil, si le bassin
n’est pas plein, si l’utilisateur ne fait aucune demande de courant et si la
batterie est chargée.
-
Il y aura donc un 1 logique en Se si et seulement si : il n’y a pas de soleil, si le
bassin est plein, si l’utilisateur ne fait aucune demande de courant et si la
batterie est déchargée.
Le schéma ci-dessous représente l'organigramme qui va nous permettre de répondre
aux équations trouvées :
B+D
A . C . B+D = Sp
A.C
A
A.C
C
A. B. C. D = Se
B.D
Conclusion :
Il serait sûrement intéressant d’améliorer notre système jusqu’à en tirer le
rendement maximal. Dans notre système, toutes expériences auraient pu se
voir améliorer par différents moyens car si nous regardons chaque étape, nous
nous apercevons que les pertes énergétiques sont partout. Il est impossible de
les éliminer totalement mais les réduire serait déjà un grand progrès et un
grand gain écologique.
Ce projet nous a donc permis de voir quelles sont les difficultés, les intérêts et les
défauts de l’utilisation de l’eau pour stocker de l’énergie. Cette méthode est
d’ailleurs déjà exploitée dans le monde malgré les pertes d’énergies qu’elle
occasionne. Nous avons vu qu’elle pouvait quand même avoir un intérêt au niveau
écologique puisqu’elle permet de récupérer en partie une énergie qui sinon
serait perdue. La Terre nous offre toutes sortes d’énergies, exploitables pour
la plupart, et il ne peut être que bénéfique pour l’Homme de s’en servir.