donnÉes de dÉpart
La première chose que nous avons remarqué en faisant nos recherches sur les sources d'énergie alternatives au kérosène était les differences considérables d'efficience entre moteurs électriques et à combustion, ainsi que les differences de densité énergetique entre sources d'énergie.
Les avions traditionnels sont propulsés grâce a la combustion de kérosène, qui produit 46 MegaJoules/Kg soit environ 12 777 Wh/Kg; énergie qui diminue en fonction de l'efficience du moteur.
Densité d'énergie pour les batteries:
Les batteries électriques (Lithium-Ion) ont en moyenne une densité énergétique de 243 Wh/Kg (Batterie Panasonic = 243 Wh/Kg), ce qui donne 0.8748 MegaJoules/Kg.
Sans prendre en compte l'efficience des moteurs à combustion et électrique et en s'appuyant seulement sur la densité énergétique pure, nous pouvons observer que les batteries électriques les plus performantes sur le marché sont près de 80 fois moins denses en terme d'énergie.
Densité d'énergie hydrogène:
L'hydrogène comprime en bonbonnes a en moyenne une densité énergétique de 33 300 Wh/Kg, ce qui donne 120 MegaJoules/Kg.
De la même manière, sans prendre en compte l'efficience des moteurs à combustion et électrique nous pouvons observer que l'hydrogène est près de 137 fois plus denses en terme d'énergie que les batteries lithium-ion et environ 2.6 fois plus dense que le kérosène.
Efficience des moteurs:
Nous avons également remarqué qu'il y avait une difference d'efficience conséquente entre les deux types de moteurs. En négligeant la partie du décollage et de l'atterrissage, un moteur turbofan ne dépasse pas les 37% en terme de rendement, ce qui veut dire que au mieux, on a que 53% de pertes d'énergie. Cela donne donc une énergie massique de:
12777*0.37 = 4727.49 Wh/Kg
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Pour un avion électrique, il y a d'autres facteurs qui entrent en jeu:
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Tout d'abord le rendement du moteur électrique
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L'efficacité de décharge de 93%
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Le rendement propulsif des soufflantes (equivalent du turbofan en électrique)
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Les moteurs électriques atteignent environ 94% de rendement (donc seulement 6% perdus), le taux de décharge des batteries que nous allons utiliser pour cette experience est de 99%.
Et enfin, le rendement électrique des nouveaux turbofan électriques est d'environ 80%.
Nous aurons donc une énergie massique finale de:
243*0.94*0.99*0.80 = 180.9 Wh/Kg
On réalise que l'énergie au kilo produite par un moteur d'avion (turbofan) n'est plus qu'environ 26 fois plus grande que l'énergie produite au kilo par un moteur électrique.
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Spécification du Boeing 737 MAX 7:
Pour notre projet, nous avons choisi de voir si c'était possible de faire voler un avion de ligne relativement petit: Le Boeing 737 MAX 7
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Caractéristiques techniques de l'avion:
Capacité de kérosène: 258000 litres
Vitesse de croisière: 839 km/h
Envergure: 35.92 metres
Longueur: 35.66 metres
Hauteur: 12.3 metres
Poids avion a vide: 45070 Kg
Poids maximal au décollage: 82191 Kg
Poids maximal a l'atterrissage: 69309 Kg
Poids maximal sans kérosène: 65952 Kg
Autonomie avec kérosène: 6570 Km
Surface ailère: 125m^2
Caractéristiques techniques d'un moteur:
Il faut noter qu'un avion Boeing 737 MAX 7 a 2 moteurs
Nom: LEAP 1-B
Poids: 2780 kg
Poussée maximale au décollage: 130.41 kN (KiloNewton)
Hauteur maximale au sol: 2.256 metres
Largeur maximale: 2.421 metres
Longueur: 3.147 metres
Diamètre hélice: 176 cm
Calcul de la masse théorique d'un moteur électrique équivalent au LEAP 1-B:
Masse de moteurs selon leur puissance:
Tesla model S (voiture électrique): 362 Hp (chevaux) pour 31.751 kg
Cessna: 115 Hp pour 112 kg
Un moteur thermique est donc environ 11 fois
plus lourd qu'un moteur électrique pour une
puissance équivalente
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Nous pouvons donc en déduire qu'un moteur
électrique équivalent au LEAP 1-B aurait
une masse de environ 252.7 Kg
Calcul de la masse d'un Boeing 737 MAX 7 électrique:
Masse Boeing 737 MAX 7 sans moteurs LEAP 1-B: 45070-2*2780 = 39510 kg
Masse Boeing 737 MAX 7 "électrique": 39510+2*252.7 = 40015.4 Kg
Donc pour nos calculs de conversion du Boeing en avion "électrique", nous utiliserons une masse de l'avion à vide (sans batteries) de 40 015.4 Kg.
Différents vecteurs qui s'appliquent à un avion en vol:
Meilleur batterie Lithium-ion sur le marché:
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Voici la pile que nous allons utiliser pour notre projet, nous allons donc utiliser les caractéristiques techniques de celle-ci. Nous les avons choisies car ce sont les meilleurs dans le marché; elles sont même utilisées par un des géants de l'automobile électrique comme Tesla.
Panneaux solaires:
Nous avons choisi d'utiliser le panneau solaire de 365W
Informations importantes:
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Rendement électrique: 21.1%
Masse en fonction des dimensions pour panneau solaire de:
Dimensions: 1700mm x 1016mm x 40mm
Masse: 18.5 Kg
Source: https://www.lg.com/us/business/download/resources/BT00002151/LGxxxQ1C-A5_350-365W_ck_FRD_V5.pdf
Masse maximale des batteries pour décollage:
Nous allons ici calculer la masse maximale des batteries que l'on pourrait ajouter dans le 737 MAX 7 pour que celui-ci puisse encore décoller. Nous pourrons donc aussi utiliser cette valeur pour la masse d'hydrogène que l'on pourra ajouter à cet avion.
Kg
Informations sur notre avion télécommandé:
Nom de la compagnie: WLtoys
Mode: F949
Envergure: 500mm
Longueur du fuselage: 393mm
Hauteur: 132mm
Durée de vol: autour de 25 minutes
Temps de charge: de 40 à 60minutes
Fréquence: 2.4GHz
Émetteur des batteries: 6 * AA Battery (not included)
Batterie de l'avion: 3.7V 500mah Li-Po Battery
Nombre de moteurs: combinaison de 3 moteurs
Distance maximale de contrôle: 200m
Masse: 58g
Dimensions: 500 * 393 * 192mm(W*L*H)
Spécifications:
Surface des panneaux solaires:
Ici, nous allons commencer par chercher la surface maximale de l'avion sur laquelle nous pourrions y implementer des panneaux solaires. Ensuite, nous allons calculer la surface qu'un panneau solaire occupe afin d'en déduire la production finale énergétique.
Nous pouvons donc en déduire que en ayant recouvert toute la surface possible de cet avion avec des panneaux solaires, ceux-ci n'auront qu'une production relativement faible de 54 676.03 W/h.
Densité de l'air :
