Brevet 2023 Sciences : sujet et corrigé

Système photovoltaïque d’un collège

L’énergie électrique consommée provient en grande partie de ressources fossiles : charbon, gaz, pétrole... Ces ressources sont épuisables, leur usage pollue et contribue à l’effet de serre.
Il existe d’autres solutions, plus respectueuses de l’environnement, comme les systèmes photovoltaïques. Certains de ces systèmes, installés en toiture et destinés à l’autoconsommation, permettent aux collectivités ou aux entreprises de produire leur propre électricité, à partir de l’énergie solaire. L’énergie électrique produite par le système est pour partie consommée sur place (c’est l’autoconsommation), et pour l’autre partie injectée (c’est l’excédent de production) dans le réseau public.

Principe du fonctionnement énergétique du collège

Figure 1 : Éléments d’un système photovoltaïque destiné à l’autoconsommation du collège.
(Le schéma montre des panneaux photovoltaïques, des optimiseurs, un onduleur, des compteurs de production/consommation, les appareils électriques du collège et le réseau public).

• Les panneaux photovoltaïques transforment l’énergie solaire en énergie électrique continue.
• Les panneaux étant connectés en série, si l’un s’arrête ou subit une zone d’ombre, l’installation ne produit plus de courant. Afin d’éviter cette situation, chaque panneau est équipé d’un boitier « optimiseur » régulant la tension de sortie.
• Le courant électrique continu est transformé en courant électrique alternatif par un onduleur, afin d’alimenter les appareils électriques du collège ou le réseau public.
• En bout de chaîne de production, deux compteurs mesurent :
  • pour l’un, l’énergie produite par le système photovoltaïque,
  • pour l’autre, l’énergie consommée par les appareils électriques du collège.
    Ainsi la différence des deux mesures permet de connaitre l’excédent de production ou de consommation d’énergie électrique.

Question 1 (sur 3 points) : Analyse du système photovoltaïque
Tracer dans le tableau ci-dessous 3 traits, reliant chaque fonction technique du système étudié à sa solution technique associée (Exemple déjà fourni : la fonction technique « Optimiser le fonctionnement de chacun des panneaux » est reliée à sa solution technique « Optimiseurs »).

Question 2 (sur 4 points) : Étude de la chaîne d’énergie du système photovoltaïque
Compléter les 4 zones réponses du schéma ci-dessous en utilisant des termes techniques de la liste suivante (tous les termes ne seront pas nécessairement utilisés) :
Énergie électrique - Réseau public - Optimiseurs - Appareils électriques – (Onduleur + câbles électriques) - Panneaux photovoltaïques - Énergie solaire.

(Schéma de la chaîne d'énergie à compléter comprenant les blocs : Convertir, Distribuer, Transmettre. Des flux d'énergie entrent et sortent de ces blocs).

Principe de l’injection de l’excédent ou du prélèvement au réseau public

L’autoconsommation avec injection de l’excédent, consiste à consommer localement l’énergie produite par les panneaux photovoltaïques en priorité, et à injecter à chaque instant l’excédent non consommé localement dans le réseau public. En revanche, lorsque la consommation électrique est supérieure à ce qui peut être fourni par les panneaux photovoltaïques, l’énergie complémentaire est prélevée au réseau public.

Figure 2 : Courbes de consommation, de production solaire (panneaux photovoltaïques) et d’autoconsommation d’un collège, relevées le 04/03/2020.

Encart N°1 : Aperçu de la puissance 04/03/2020 08:00:00

• Consommation : $37,164\text{ kW}$
• Production solaire : $24,772\text{ kW}$
• Autoconsommation : $24,772\text{ kW}$
• Fourniture réseau public : $12,392\text{ kW}$
• Excédent : $0\text{ kW}$

Encart N°2 : Aperçu de la puissance 04/03/2020 12:00:00

• Consommation : $13,949\text{ kW}$
• Production solaire : $52,186\text{ kW}$
• Autoconsommation : $13,949\text{ kW}$
• Fourniture réseau public : $0\text{ kW}$
• Excédent : $38,237\text{ kW}$

Question 3 (sur 4 points) : Analyse de l’autoconsommation
D’après les valeurs indiquées dans les encarts 1 et 2 de la figure 2 :

• Compléter les espaces en pointillé du texte ci-après
  Le 04/03/2020 à 8h00, le système photovoltaïque du collège produit ..................... kW d’électricité. Comme le collège a consommé ..................... kW, le complément d’énergie a été prélevé au réseau public.
• Cocher en justifiant la bonne réponse correspondant à la situation suivante
  Le 04/03/2020 à 12h00, le système photovoltaïque a produit $52,186\text{ kW}$ d’électricité. Comme le collège n’a consommé que $13,949\text{ kW}$, de l’énergie a été :
  $\square$ Prélevé au réseau public, car ...................................................................................
  $\square$ Injecté dans le réseau public, car ...................................................................................

Principe d’allumage des LED du tableau de bord

En journée, si la production photovoltaïque PV est :

• Supérieure ou égale à la consommation, seule la LED verte est allumée au tableau ;
• Inférieure à la consommation, seule la LED rouge clignote ;
• Inexistante, seule la LED rouge est allumée.
  La nuit, la production photovoltaïque est nulle et la LED verte clignote seule au tableau.
  L’algorigramme ci-après traduit ce fonctionnement des voyants (LED) d’état de la production.

Question 4 (sur 4 points) : Programmation de l’affichage des LED
Relier par un trait chacune des 4 actions attendues à son programme.
(L'exercice présente un algorigramme avec des tests : "Détection journée", "Production $\ge$ Consommation", "Production nulle". Il faut relier les sorties "Allumer LED verte", "Allumer LED rouge", "Faire clignoter LED rouge" et "Faire clignoter LED verte" à 4 blocs de code type Scratch).

Installation des panneaux photovoltaïques sur le toit-terrasse

Pour une production maximale d’énergie, les panneaux photovoltaïques doivent être orientés vers le Nord selon une inclinaison de $15^{\circ }$ à $30^{\circ }$. Cette inclinaison a pour conséquence de soumettre les panneaux aux efforts du vent.

Figure 3 : Représentation des pressions exercées par les écoulements de vent autour d’un panneau photovoltaïque, en fonction de son inclinaison ($100\text{ KPa}=1\text{ bar}$ de pression).
(Le schéma montre les pressions en kPa pour une inclinaison à $15^{\circ }$ et à $30^{\circ }$).

Question 5 (sur 6 points) : Étude de l’inclinaison
5-a Rayer la mauvaise réponse parmi les deux propositions entre parenthèses, et justifier ce choix en s’aidant des représentations de la figure 3
La force globale exercée par le vent est (moins importante) (plus importante) sur un panneau incliné à $30^{\circ }$ que sur un panneau incliné à $15^{\circ }$, car ..........................................................................

Figure 4 : Présentation de la structure métallique fixant les panneaux photovoltaïques sur le toit-terrasse du collège.
(Le schéma montre : Panneau photovoltaïque, Triangle de soutien, Barres de fixation, Borne de serrage, Fixation intermédiaire, Panne).

5-b Indiquer la valeur de l’inclinaison en degrés des panneaux photovoltaïques, par rapport au toit-terrasse, représentée figure 4.
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5-c Nommer la ou les pièces présentées figure 4 qui protègent du vent les panneaux photovoltaïques.
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Question 6 (sur 4 points) : Impact environnemental
Expliquer en quoi un système photovoltaïque en autoconsommation respecte l’environnement.
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Surpêche et comportement responsable

Marie adore les salades de poisson et voudrait en manger tous les jours. Elle a vu aujourd’hui à la cantine une affiche qui montre qu’une partie importante des poissons va disparaître, et que la consommation excessive de certains poissons peut être dangereuse pour la santé.

Document 1 : Graphique de la quantité de thons jaunes pêchés dans le Pacifique et des réserves estimées.
(Le graphique montre deux courbes de 1960 à 2020 : la quantité de thons jaunes pêchés par an et l'estimation des réserves, toutes deux en tonnes).

Question 1 : (sur 5 points)
À partir du document 1, compléter le tableau ci-dessous avec les valeurs correspondantes, afin de montrer la surexploitation d’une ressource alimentaire par l’Homme.

Document 2 : La quantité de méthylmercure dans les poissons consommés en Nouvelle-Calédonie.*

• POISSONS DU LAGON (loche, perroquet, mulet, dawa, tazar du lagon) : Faible quantité en méthylmercure. Consommation sans restriction.
• POISSONS DU LARGE (thon jaune et blanc, saumon des dieux, mahi mahi, vivaneau, bonite, tazar du large) : Présence de méthylmercure mais respectant les limites fixées (moins de $1\text{ mg/kg}$). Limiter à 1 repas / semaine pour la population sensible.
• GROS POISSONS DU LARGE (marlin, espadon, thon bachi) : Forte quantité en méthylmercure (plus de $1\text{ mg/kg}$). À éviter pour la population sensible, limiter à 1 repas / semaine pour la population générale.

*Méthylmercure : forme la plus toxique du mercure.

Question 2 : (sur 5 points)
À partir du document 2, identifier la catégorie de poissons la plus dangereuse pour la santé. Justifier la réponse.
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Document 3 : Les effets du méthylmercure sur l’organisme humain.
La consommation de poisson constitue la principale source d'exposition alimentaire de l'Homme au méthylmercure. Le méthylmercure est considéré par l’OMS comme l’un des dix produits chimiques les plus dangereux pour la santé publique.
Les fœtus et les enfants sont particulièrement sensibles aux effets du méthylmercure qui perturbe leur développement neurologique (mémoire, attention, langage, motricité fine et vision).
Les personnes qui consomment régulièrement des poissons du large ou qui pratiquent la pêche de subsistance (consommation personnelle), peuvent être exposées à des niveaux élevés. On observe des cas de lésions cérébrales, de paralysie, de discours incohérent et de délire.

Question 3 : (sur 5 points)
À partir du document 3, utiliser trois arguments pour expliquer pourquoi la consommation excessive de poissons du large peut avoir des conséquences graves pour la santé.
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Document 4 : L’origine et la circulation du méthylmercure dans l’environnement.
Le méthylmercure s’accumule naturellement dans les milieux aquatiques, puis au travers de la chaîne alimentaire, dans la chair des poissons de tous les océans. Le niveau de contamination varie selon les espèces.
(Le schéma montre le rejet de mercure par les usines, volcans, mines dans l'océan. Le mercure est assimilé par le phytoplancton, puis mangé par le zooplancton, puis les poissons du lagon, les poissons du large, et enfin les gros poissons du large consommés par l'Homme).

Question 4 : (sur 5 points)
À partir du document 4, expliquer sous la forme d’un texte, comment le méthylmercure se retrouve dans le marlin ou le thon que nous mangeons.
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Document 5 : La pêche à la palangre et le respect de notre patrimoine marin calédonien.
Certifiée « Pêche Responsable » depuis 2013, la seule technique de pêche hauturière* mise en œuvre par la filière thonière calédonienne est la pêche à la palangre horizontale dérivante.
Elle consiste à poser en mer une ligne principale de plusieurs dizaines de km, sur laquelle sont accrochées des lignes secondaires avec des hameçons (+/- 2000 hameçons par ligne).
Cette pratique sélective permet de capturer les espèces recherchées en faible quantité (un poisson par hameçon) et d’éviter la capture accidentelle d’autres espèces.
Par comparaison, un chalutier étranger qui pêche dans la région ramène autant de poissons que tous les palangriers calédoniens réunis.

• 16 Palangriers locaux = $2800\text{ tonnes / an}$
• 1 Chalutier étranger = $3000\text{ tonnes / an}$
  *hauturière = en pleine mer

Question 5 : (sur 5 points)
À partir du document 5, donner 2 arguments pour montrer que la pêche à la palangre est respectueuse de l’environnement.
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