I. L'avion de Solar Impulse est une alternative technologique

  Le premier vol motorisé a été réalisé par les frères Wright en 1903. Cent ans plus tard, arrive l'avion solaire de Solar Impulse. Cet avion fonctionne avec de l'électricité, qui est produite par plus de 11 000 cellules photovoltaïques situées sur les ailes et sur le stabilisateur horizontal. Cette électricité est utilisée par les quatre moteurs à hélices de 10 CV chacun. Mais elle peut aussi être stockée dans des batteries lithium polymère, ce qui permet à l'avion de voler de nuit. Sur le plan technologique, l'avion de Solar Impulse est donc futuriste. 

1. Le fonctionnement d'un panneau solaire

  Il existe deux types de panneaux solaires : _le thermique qui produit de la chaleur  

                                                                 _le photovoltaïque qui produit de l'électricité

Ici, nous nous intéresserons au deuxième type : le panneau solaire photovoltaïque puisque les moteurs de l'avion de Solar Impulse ont besoin d'électricité pour fonctionner.

Une cellule photovoltaïque est composée de cinq couches superposées qui en tout mesurent 0,2 à 0,3mm (cependant sur l'avion de Solar Impulse, les capteurs font 145 microns, permettant aux ailes d'être souples et légères) : une couche anti-reflet (1), une cathode (2), deux couches de silicium n (3) puis p (4), et une anode (5).

La couche n est dopée au phosphore tandis que la p est dopée au bore , c'est-à-dire qu'on a ajouté aux atomes de silicium, d'autres atomes (ici de phosphore et de bore) afin d'augmenter la conductivité des couches. Étant donné que l'atome de bore possède un électron de moins que celui de silicium tandis que l'atome de phosphore en possède un de plus, la couche n est excédentaire en électrons par rapport à la couche p, ce qui crée à l'assemblage des deux couches, un champ électrique imposant aux électrons de se déplacer de la couche n vers la p.

Lors d'une exposition à la lumière, les photons transmettent leur énergie aux électrons, ce qui leur permet de bouger (par effet photoélectrique   cf. expériences) : les électrons se déplacent donc dans tous les sens jusqu'à ce qu'ils rencontrent le champ électrique qui les oblige à aller vers la couche p. En reliant l'anode à la cathode, les électrons vont ensuite retourner à la couche n. Ce déplacement d'électrons forment un courant électrique. Plus il y a de lumière, donc de photons, plus les cellules photovoltaïques produisent de l'électricité.

Pour produire encore plus d'électricité, on branche plusieurs cellules ensemble pour former un capteur (aussi appelé module). Cependant cette électricité n'est pas produite de manière constante, on utilise donc un régulateur qui stocke dans une batterie l'électricité produite en trop et en déstocke lorsqu'il n'y en a pas assez. De plus l'électricité produite est en courant continu. Si on veut du courant alternatif, il faut brancher un onduleur.

Il existe plusieurs types de cellules photovoltaïques qualifiées en fonction de la qualité (ou pureté) du silicium qui les compose (rangées ici, par ordre décroissant) : silicium monocristallin, polycrystalin et silicium amorphe. Plus la qualité du silicium contenu dans une cellule est importante, plus celle-ci aura de rendement.

En général, avec 1m² de cellules photovoltaïques, on obtient une puissance de 100 watts crête (Wc). Avec le climat européen, une cellule photovoltaïque fourni en moyenne, chaque jour l'équivalent de trois heures à sa puissance crête. C'est pourquoi, avec un puissance de 100 Wc, on peut en moyenne produire 110 kilowattheure (kWh) par an (3h*100Wc*365 jours)

En ce qui concerne l'avion de Solar Impulse, ses modules photovoltaïques sont composés de silicium monocrisatillin, et ont un rendement de 22%. On peut alors calculer grâce à la formule suivante la quantité d'électricité qui peut être produite en fonction de l'ensoleillement :

     E=Hi*S*n

E : énergie électique produite en un an (kWh/an)

Hi : irradiation globale des modules (kWh/m²/an). Elle vaut en moyenne 1200 kWh/m²/an en Suisse (voir la carte)

S : surface du module (m²). L'avion de Solar Impulse possède 200m² de cellules photovoltaïques

n : rendement du système

     E=1200*200*22%

     E=52800 kWh/an

soit une production de 6 kW en une heure.

L'électricité produite par les modules est sous forme de courant continu tandis que les moteurs fonctionnent avec du courant alternatif. C'est pour cela que des onduleurs situés dans les gondoles avec les moteurs et les batteries, sont branchés de la manière suivante :

   2. Le fonctionnement d'une batterie lithium polymère

   On distingue facilement les batteries des piles classiques, car les batteries ont pour principe de se charger et de se décharger. C'est ce que l'on appelle un cycle, alors que les piles classiques se déchargent vite. Il existe plusieurs types de batteries, les batteries au nickel cadmium, au nickel hydrure, au plomb, au lithium polymère, au lithium ion. Elles se différencient par leurs formes (structure) et par leurs compositions.

 Pour comprendre le principe de fonctionnement d'une batterie pendant le déchargement il suffit de connaître le principe chimique d'une oxydoréduction, selon lequel l'association d'un oxydant et d'un réducteur implique l'échange d'un ou plusieurs électrons.

   Un petit exemple: Cu²⁺ +Zn =Zn²⁺ +Cu.

Une batterie est composée de deux métaux reliés par un pont électrolytique. (cf. expériences). Lorsque la batterie se décharge, une électrode libère des électrons par oxydation tandis que l'autre électrode les absorbe par réduction. Chaque matériau a un potentiel électrique et la différence de potentiel constitue une tension électrique entre ces deux électrodes. Par conséquent, plus la différence de potentiel est élevée, plus la tension de la batterie est importante.

Dans ce cas, nous nous intéressons aux batteries au lithium polymère car l'avion de Solar Impulse utilise ces batteries pesant 400 kg. Une batterie est caractérisée par sa tension (U) exprimée en volt (V) et par sa capacité (C) exprimée en ampère mutiplié par des heures (Ah). Elle a une densité d'énergie spécifique et volumique élevée. De plus, elle est caractérisée par l'absence d'effet de mémoire. Le lithium est le métal le plus léger et ayant la plus faible masse molaire avec une densité égale à celle de l'eau.

                                                                                                                                         

                         1. Borne

                         2. Orifice de remplissage

                         3. Rampe de bouchons

                         4. Barrette de connexion

                         5. Element

                         6. Séparateur

                         7. Plaque

                         8. Bac en prolypropylène

 image : http://www.321auto.com/Entretien/Mecanique_auto/Batterie/Schema.asp

La batterie lithium polymère utilise une chimie semblable à la batterie lithium ion et a des caractéristiques proches. Mais elles possèdent tout de même quelques différences. Le choix des matériaux composant les électrodes n'est évidemment pas choisi au hasard, ce sont généralement des matériaux d'insertion dont la caractéristique principale est de pouvoir insérer ou désinsérer des ions lithium dans l'électrolyte de manière réversible.

A l'intérieur d'une batterie, on trouve deux éléctrodes en métal, une électrode positive et une électrode négative plongées dans un électrolyte gélifié qui joue le rôle de conducteur ionique. Les électrons transitent quant à eux par le circuit électrique externe de la batterie pour garantir la neutralité des électrodes.

Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium retenus dans l'électrode négative en graphite, circulent vers l'électrode positive constituée d'un oxyde métallique ce qui conduit à une oxydation de l'électrode négative (anode) et à une réduction de l'électrode positive (cathode) qui entraine la production d'un courant électrique. Ce courant électrique atteint 4,2V pour une batterie lithium polymère alors qu'elle est de 3,7V pour une batterie lithium ions et de 1,5V pour une pile classique. En revanche, lorsque la batterie se charge c'est le processus inverse qui se produit c'est à dire que les ions lithium circulent en traversant l'électrolyte grâce au courant électrique qui surcharge les électrons et les conduit vers l'électrode positive pour laquelle ils ont plus d'affinité.  Pour assurer ces échanges, la force électromotrice doit être non nulle. Dans ce cas l'électrode positive et l'électrode négative deviennent respectivement la cathode et l'anode.   

3. Le fonctionnement d'un avion à hélice

    Pour qu'un avion soit en équilibre il faut avoir des forces qui se compensent. Un avion est soumis à quatre forces : le poids P, la traînée Rx, la portance Rz et la traction T. Le poids est compensé par la portance Rz et la traction est compensée par la traînée Rx. L'unité de ces forces est le Newton (N).

La force P est due à la force d'attraction gravitationnelle, la portance due au profil des ailes, la traînée due aux frottements de l'air, pour finir la traction est effectuée grâce au(x) moteur(s).

 

  http://www.google.fr/imgres?imgurl=http://www.curiosphere.tv/mecanique-du-vol/images/telechargement/Fond-ecran-4-forces-1024x768.jpg&imgrefurl=http://www.curiosphere.tv/mecanique-du-vol/esp-enseignants/ressources-pedagogiques.cfm&usg=__WT_8IAw2lfTJLzNOtPk_n1WiQeM=&h=768&w=1024&sz=73&hl=fr&start=0&zoom=1&tbnid=HimSrehhzPCpFM:&tbnh=150&tbnw=201&ei=b5x6TdTQPMjWtAbU6oXoBg&prev=/images%3Fq%3Dles%2B4%2Bforces%2Bd%2527un%2Bavion%26um%3D1%26hl%3Dfr%26rlz%3D1R2SKPB_frFR365%26biw%3D1001%26bih%3D755%26tbs%3Disch:1&um=1&itbs=1&iact=hc&vpx=137&vpy=84&dur=3080&hovh=194&hovw=259&tx=166&ty=120&oei=b5x6TdTQPMjWtAbU6oXoBg&page=1&ndsp=17&ved=1t:429,r:0,s:0

Le poids : P=m*g

m : masse de l'avion en kg

g : accélération de la pesanteur en N/kg

Le poids varie au cours du vol, car la consommation de carburant allège l'avion. Quand on a une diminution du poids, il y a une rupture de l'équilibre donc l'avion reprend de l'altitude. L'avion remonte car la portance est devenue supérieure au poids.

La portance :  Rz= ½*ρ*Cz*V²*S

ρ : masse volumique d'air (kg/m3) varie selon la température et l'altitude

Cz : coefficient de portance dépend du profil de l'aile et de l'incidence

V : vitesse d'écoulement de l'air sur les surfaces de l'aile (en m/s)

S : surface de l'aile (en m²)

 Il existe diffèrents phénomènes qui peuvent modifier la portance : une variation de vitesse, une modification de la position et une action du pilote sur les gouvernes de l'avion.

La Traînée :  Rx = ½*ρ*Cx*V²*S

ρ : masse volumique d'air (kg/m3)

Cx : coefficient de traînée,dépend de la forme de l'avion et de l'incidence

V : vitesse d'écoulement de l'air

S : surface (en m²)

Plus le vent sera important, plus l'avion aura du mal à prendre de la vitesse ce qui cause une diminution de la vitesse et une perte d'altitude.

La modification de la traînée est due à une variation de la vitesse, une modification de la position ou alors  une action du pilote sur les gouvernes de l'avion. Quand le pilote sort les aérofreins, la résistance de l'air devient plus importante ce qui cause une augmentation de la traînée. Celle-ci est donc plus importante que la traction ce qui a pour effet une diminution de vitesse. Ce ralentissement réduit la portance, qui est alors plus faible que le poids : l'avion perd de l'altitude.

La traction T est fournie par le groupe motopropulseur (moteur/hélice). Plus la traction est importante plus l'avion va gagner en vitesse et en altitude. La traction dépend de la qualité de l'air c'est-à-dire, plus on est haut, plus l'air est rare et moins le moteur aura de rendement.

Condition :

Si on augmente le régime moteur, les forces sont déséquilibrées : la traînée devient inférieure à la traction donc l'avion accélère et la résultante aérodynamique augmente. Puisque la portance est reliée à la résultante aérodynamique alors elle augmente elle aussi, c'est pourquoi l'avion gagne de l'altitude. 

La résultante aérodynamique : R = ½*ρ*√Cz²+Cx²*V²*S

 

  http://mecanique.du.vol.free.fr/envol.html

Condition :

En cas de changement d'altitude, il y a modification de la masse volumique de l'air. La variation de la direction du vent relatif modifie le coefficient de portance ainsi, les forces ne se compensent plus. Il faut donc que le pilote fasse une action de gouverne pour que l'avion revienne en vol palier c'est-à-dire, quand les quatre forces se compensent.

On peut retenir que l'avion à hélice permet l'intervention de la première et la troisième loi de Newton.

Première loi de Newton : dans un référentiel galiléen, si un système est soumis à des forces qui se compensent, alors  son mouvement est rectiligne uniforme.

Troisième loi de Newton : " tout corps A (l'aile) exerçant une force sur un corps B (l'air) subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B ".  (voir expérience)