Modèle de concours de recrutement des ingénieurs d'État — Ministère de l'Énergie, des Mines, de l'Eau et de l'Environnement — 2013 — épreuve de spécialité Énergie

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Royaume du Maroc ‏المغربية‎ 4 ١
5135 الطاقة والمعادن وأقماء ‎ils‏
Ministère de Trengie, des Mines, de TEnu et dé FEninannement
f
| N° d'E
| Nom : xamen
| | Prénom : CIN |
1 NOTE
| Cadre réservé à
l'administration
SPECIALITE ENERGIE
(Durée 4 heures)
EPREUVE D'HYDRAULIQUE (32 PTS)
Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il le signale dans sa feuille et poursuit
sa composition en précisant les initiatives qu ‘il prend pour la rédaction de sa solution.
Pour le QCM répondre sur les feuilles de l'énoncé
Remettre l'énoncé avec la copie
PROJET D'ADDUCTION EN EAU POTABLE DE DEUX VILLES
d'alimentation en eau potable de 2 villes Viet Vi par un barrage
e propose de faire l'étude suivante :On fait un
e réservoir de la ville V,.La conduite AB a une de
Dans un avant-projet
commun (voir Figure-l ci-dessous), on 5
prélèvement en B de 150 ‏و/ا‎ pour alimenter |
longueur de 5,2 Km. |
La ville Vaétant plus difficilement accessible, on installe ainsi une conduite gravitaire avec un
bassin tampon jusqu’au point le plus bas et une station de pompage de reprise pour refouler
l’eau jusqu’au réservoir de la ville V2.Pour ne pas perdre toute l'énergie de chute de l’eau
dans la conduite gravitaire on décide d'installer avant le bassin de tampon un groupe turbine
alternateur tournant à 1500 trs/mn.et d’un rendement globaln,, = 80 %.
Le niveau d’eau dans Je bassin tampon doit être constant à 990 m. On peut utiliser pour la
station de pompage une électropompe de rendement global 1 ‏مي‎ = 75% et tournant à 500
trs/mn. On néglige les pertes de charge au niveau des rétrécissements, au niveau des
élargissements et au niveau des raccordements ainsi qu’au niveau de DE. On ouvre au
maximum la vanne V alimentant le réservoir Vi.
On désigne par j (en m/m ou en m/Km) la perte de charge (régulière +
Remarque : ‏ل‎ 1 ُ
ton prend ‏جع‎ 10 ms” et p — 10"Kg/m.
singulière) par unité de longueur, €

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|
DN=600 m
Lic=13200 m
‏قدا‎ 4 m/Km
DN=800 m
Lom=4660 m
=5, 42 m/Km
Bassin {tampon 990 m
Figure 1
Quel type de turbine faut-il installer à l’amont du bassin tampon ? (6 pts)
Calculer la puissance électrique fournie par le groupe turboalternateur (6 pts)
Déterminer le type de pompe à utiliser pour le refoulement de l’eau. (6 pts)
Calculer la puissance électrique absorbée par le groupe-électropompe. (6 pts)
on remonter l’eau si on alimentait directement le groupe
trique fournie par le groupe turboalternateur ?
A quelle cote Z4 pourrait-
électropompe par la puissance élec
(8 pts)
+
np
ني
&
un

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| الكت
او |
1 11110550 500511506 Gi }
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20 10 5 2 1 0,50 0.20 0.10 8ب
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‎Tés grands 4 bis]‏ نت
‎i
‏ا‎
‏ا‎
‏ل‎
‏ا‎
‎1
‏ا‎
‎!
‎|
‎Type de turbopompes en fonction de la vitesse spécifique ‏وه‎
‎85 en fonction de la vitesse spécifique ‏وه‎
‎Type de turbin
‎Pompes ahernatives
‏الات ييه‎
‎88
‎| Pompas muticellulaires
‏ا‎ 10 ages n maximum) _

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EPREUVE D’'ENERGIE EOLIENNE
(36 pts)
Pour chaque question, marquez par la lettre ‘x’ la ou les bonnes réponses dans la case correspondante
Signification de la forme des symboles suivants :
‎Sans faire de calcul © faire un caleul préalable‏ ل
‎Réponse juste : 2 pts Réponse fausse = 0 sans réponse =0 .5
‎Question 1 : Pour installer un pare éolien nous devons respecter une distance minimale par rapport
aux zones d’habitation Cette condition est appelée un potentiel technique, sous contrainte ou
économique de l’énergie éolienne ?
‎votre choix de Réponse
‎[=] Technique
‏.ا‎ Contrainte
‏ل‎ Économique
‎ivolution des coûts moyens de l’énergie fossile en tenant
‎Question 2 : Faire des prévisions de lé
compte de la protection de l'environnement font partie du potentiel technique, sous contrainte ou
‎économique de l’énergie éolienne ?
‎votre choix de Réponse
‎Technique‏ ل
‎Contrainte‏ ل
‎Économique‏ 2
‎Question 3 :
‎a) Le vent peut varier :
‎Votrechoix de Réponse
‎En altitude‏ ل
‎O‏
‏.
‎En module et en direction
‎En altitude en module et en direction

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b) Vous devez installer une éolienne sur le site caractérisé par la rose énergétique ‏بده‎
‎Pour récupérer le maximum d'énergie à quelle position angulaire devez-vous placer rip 9
, éolienne
D (IAA (4SA0) ‏قوم‎ Tai
33 2
| | 0
8 360
320
2 38 )0 | ا
اكد | : | »| ‎EC‏ "©
| كه ‎n‏ ته | ‎AN 72 wa‏
7 8 7 0 280
: :أ 5 حمس 1 جة
- د 7 20
Groupes de vitesses (m/s)
z ‏جب مجه‎ DURE ERRER
Fasi î +: C3 ‏ين‎
votre choix de Réponse
1008 8
° 220 ب
° 240 0
Question 4 : Dans un site particulier, la vitesse du vent augmente de 25% et passe de 10 m /s à 12,5
m/s. Que vaut alors l’augmentation de la densité de puissance éolienne ?
votre choix de Réponse
0 36%
0 46%
0 56% : Are
Question 5 : Rappeler ‏وا‎ définition du coefficient de puissance du rotor Cppour une éolienne.
Quelle est sa valeur pour une éolienne parfaite 9 ‏تت تت تت‎ 0 date
Que représente physiquement ce coefficient Cp ? ss.
NASA AAC PERTE REMISES PEER a CARTE AA RE US

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Question 6 : Soit une éolienne parfaite d'une surface du rotor de 20 m° Quelle puissance male
| uns éoil 1 Puissance max [
t-on récupérer à la sortie du rotor pour un ven une vitesse de se = /m
d d tesse de 5 Is P=125 ٠
, CAL
votre choix de Réponse
0 908 W
0 508 W
0 1008 W
Question 7: En désignant par C la vitesse uniforme du vent en amont d’une éolienne par 0 iv
du rotor de l’éolienne et par Cen aval de cette éolienne. On considère le tube de courant intere té par
le rotor d’aire Sd’une éolienne à écoulement axial, et on se place dans le cadre de la théorie ‏ب‎
‎monodimensionnelle avec vitesse axiale seulement (suivant la direction x de l’axe du rotor). Si l’on
souhaite, récupérer la puissance maximale au niveau du rotor, on peut considérer le rapport de vitesse
Le: CG
défini par : 2 = g avec ci = Constante
‎Surface S 7‏ ؟
‎Surface S Surfaces
1
‎1) Pour quelle valeur de 2 la puissance récupérée par le rotor est elle maximale +
‎2) Donner les valeurs correspondantes de C et de C
‎Question 8 : BETZ a défini la puissance maximale théorique qui peut être extraite du vent par une
éolienne, ainsi que les vitesses du vent en amont et en aval de celle-ci. Sachant qu'on a 2 éoliennes
‎montées en série l’une proche de l’autre.
a vitesse du vent en amont de la première éolienne, donner la valeur de la
‎1) En désignant par ci | € e é
fonction de C;) en aval (après) la seconde éolienne.
‎vitesse du vent C(en
‎CG
‎(e]
‎i série donner en fonction de Ci,l’expression de cette
2) Dans le cas de “n° éoliennes placées en ,
‎ième ‏بدي‎
‎vitesse V, située en aval de lan éolienne

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جا بوجي ا جد م بباح .جب ررس لذج ب
جر
|:
Question 9 : Pour éviter les effets du sillage à quelle distance minimale ‘d” d°
HR à : une éoli
diamètre etde hauteur du mât h=30m doit placer une deuxième éolienne de m enne de 20 m de
êmes caractéristiques ?
votre choix de Réponse
O 100 m
0 150 m
0 200 m
Question 10:
La variation du vent en altitude (cisaillement) peut être formuleé par l'expression suivante :
FH ‏أ‎
‏جاح‎ )
\ Ho
Que désigne le paramètre &
Question 11: Pour évaluer le potentiel d’un parc éoliren et pour établir une corrélation statistique
valable à long terme, on doit mesurer la vitesse du vent à 30, 40 et 60 m pendant au moins :
votre choix de Réponse
‎mois‏ 6 نب
‎une année‏ ل
‎ans ie‏ 2 ا
‎Question 12 :
Intensité de turbulence est le rapport entre l’écart type de la vitesse du vent et sa vitesse moyenne sur
un intervalle de temps donné. Il existe ainsi
‎votre choix de Réponse
‎classes de turbulence‏ 3 ا
‎classes de turbulence‏ 2 ب
‎classe de turbulence‏ 1 اا
‎Question 13 :
‎7
‎(vrillage) dans le but de:
‎PAPE CL
‎1 ruction
Pour certaines éoliennes les pales sont tor dues par constr
‎votre choix de Réponse
‎|
‎]
‎|
‎|
‎|

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Aléger les pales
Augmenter leurs performances sérodynamiques
Augmenter leurs révitances
. RE ‏ا سي ارجا ل يا ال و ل تا 277 م لات الحا ال‎ mafia
000

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Epreuve Photovoltaïque
(32 pts)
1- Dans un panneau photovoltaïque composé de 36 cellules montées en série, quel est l'effet
‏ل‎ 07007107386١ une seule cellule ? (1 pt)
Qi
1 2- Dans quel cas l'énergie électrique photovoltaïqueest plus compétitive par rapport aux sources
1 d'énergie conventionnelles ? (1 pt)
N
3- Soit les caractéristiques /-V des deux cellules solaires suivantes de la figure suivante (Fig. 1)
a) Expliquer à partir du graphique, pourquoi la cellule No 2 donne moins de puissance crête que la
cellule No 1 ? (1 pt)
/ (A)
2:4
Fig. 1
b) Dessiner la caractéristique des deux cellules montées en série. Justifier. (1 pt)
4- Tracer la caractéristique /-V d’un générateur photovoltaïque. (1 pt)
a) Tracer la droite qui correspond à la résistance de charge passant par le point optimum. (1 pt)
b) Tracer la droite d’une résistance plus élevée (1 pt)
5- Soit une caractéristique /-V d'une cellule solaire de surface 100 cm2, avec Voc=0.56 V,Isc=2Aet
le facteur de forme ff = 75%. Si l'éclairement est de 1 kKW/m?2, calculer son rendement. (1 pt)
6- Tracer la courbe de charge d’un élément de batterie acide plomb (tension de charge en fonction
de la durée de charge, échelle linéaire), (1 pt)
7- Un panneau photovoltaïque est formé de 12 cellules identiques connectées de la manière suivante
(Fig 2 a).

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01 Fig 2 à Fig. 2 b
a/ Dessiner la caractéristique courant-tension (I-V) d'un tel générateur sachant que la caractéristique
d'une cellule d'entre elles est donnée ci-dessus (Fig. 2 b). (1 pt)
b/ Quel est le courant de court-circuit du panneau ? (1 pt)
c/ Quelle est la tension de circuit ouvert du panneau ? (1 pt) ‏ا‎
‏م‎
|
d/ Quel est le facteur de forme (Fill Factor) ? (1 pt) ١
e/ Quelle est la puissance crête délivrée en watt ? ( 1 pt)
8- Dessiner la caractéristique I-V de 12 cellules identiques (Isc = 2A, Voc = 0,6V,Rs=0 Q,
Rsh = © ) montées de la manière suivante (Fig. 3)
سه
Figure 3
Na/ Ecrire sur la figure 4 la valeur du courant et de la tension aux points remarquables.(1pt)
b/ Hachurer sur la caractéristique que vous avez dessinée la surface d'énergie maximum et porter
dessus /m et Vm. (1pt)
c/ Donner l'équation courant-tension d'une cellule idéale. (1pt)
d/ Ecrire la même équation en tenant compte d'une résistance série Rs non nulle. (1 pt)
e/ Décrire qualitativement l'effet de cette résistance série. (1 pt)
9- On désire installer une centrale PV/Batterie autonome qui compte tenu du climat, garantie 3 jours
d'autonomie et une recharge complète en 8 jours. La consommation journalière est de 1 kWh.
1. Calculer la capacité (C) nécessaire de la batterie ayant une tension V = 12Volts (on prend DODmax =
60%). (1 pt)
10

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2. On admet que le rendement de la batterie est nga = 70%. Calculer l'énergie minimale qu'il faut |
stocker par jour dans la batterie pour garantir un fonctionnement des cas où : (1 pt)
* L'utilisation est permanente
٠ L'utilisation et la recharge sont différenciées
3. Si on admet que :
٠ le rendement du PV est de nnv=13%
+ le panneau fonctionne au point de puissance maximum (rendement ncon =20%).
+ le rendement du régulateur est de nreg=90%,
٠ le rendement dans les lignes nuy=95%,
a- Calculer la surface PV nécessaire pour couvrir les mois de l’année dans le deux cas : (1 pt)
+ L'utilisation est permanente
٠ L'utilisation et la recharge sont différenciées
b- Comment peut-on diviser par deux la surface obtenue en jouant sur le nombre de jours
d'autonomie. (1 pt)
5
c- Comment peut-on diviser par deux la surface obtenue en jouant sur la capacité totale de la
batterie. (1 pt)
10- Soit un champ de PV de 10000m? du type « Si monocristallin » installé dans un site ayant les
caractéristiques suivantes :
H est la moyenne mensuelle journalière de l’ensoleillement reçu selon les saisons.
Saison
ب
H (KWh/m?)
وجي جيم ...
iè ١ ‏أ‎ n les saisons.
Ho est la moyenne mensuelle journalière de l’ensoleillement extraterrestre selon les
anneaux du champ de PVP sont:
Les caractéristiques des p
11
LL

— صفحة 12 —
1 1, Déterminer le rendement du champ de PV selon les saisons. (2 pt)
2. Tracer l’énergie produite par le champ de PV en fonction des saisons. (1 pt}
جوت جاع
3. Le champ de PV est connecté à un onduleur ayant un rendement de 96%, si l’onduleur débite sur
un réseau de coefficient d'absorption de 0.98, quelle est l'énergie annuelle (1 pt)
res:
11- Une organisation gouvernementale au Maroc vous a engagé pour évaluer la viabilitéfinancière
d'installer un système photovoltaïque (PV) pour pomper l'eau potable nécessaire aux besoins des
villageois et du bétail d'une communauté rurale éloignée située dans la province de Marrakech.
Le site envisagé est le village de Oulad Haj Mbarek près de Marrakech. Les coûts pour prolonger une
ligne électrique du réseau de Marrakech jusqu'à ce village seraient prohibitifs, surtout lorsqu'on
prend en compte les faibles besoins d'électricité de ce village. Dans de tels cas, la solution
généralement adoptée ailleurs au Maroc, est d'installer une pompe à eau à moteur Diesel.
La population du village devrait atteindre 487 habitants en 2013. Il faut y ajouter un cheptel de 166
têtes de bétail, constitué principalement de vaches. La source d'eau est un puits à ciel ouvert. La
Hauteur manométrique totale du puits est de 30 m. L'utilisation de modules photovoltaïques
monocristallins d'une capacité de 70 We chacun est proposé pour le projet.
Option 3
refoutement vers le réservoir
cäble d'alimentation
tuyau de la pompe —— |? de la pompe
forage
‏.سس‎ pompe
‎moteur électrique‏ سسا
‎a- Calculer les besoins journalier en eau du village Oulad Haj Mbarek en utilisant la
‎norme 3. (1 pt)
‎12

— صفحة 13 —
b- Calculer les besoins en énergie pour fonctionner une pompe capahie de répondre aux
besoins en esu du village sachant que la pompe solaire utilisée à un rendement de
e Dimensionner lechamp photovoltalque pour fonchonner cetis pompe solaire sachant
qu'un module photovolutique monocristallin d'une capacité de 70 We produit
annuellement 0,13 MWh )1 pt)
d- Calculer le réduction produite par ‏عه‎ projet en hectare absorbant ‏ما‎ carhone (1 pt}
e- Discuter le rentabilité de ce proget )١ pt)

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ل
ا
ANNEXE
Énergie requise pour la pompe :
Es = Constante hydraulique x le débit journalier x la HMT
Rendement du groupe MOtopompe
Cu: ‏يح‎ : HMT (im)
Eee =
R;
où
Ex est habituellement exprimé en kWh
- 10% (kg/m*) = 2,725 kg-s-h
Cy = ‏قمع‎ = 9,81 (ms?)
im?
3 600 (s/h)
constante de la gravité (9,81 m/s?)
&
= Ja densité de l'eau (1000 kg/m*)
ral le rendement des groupes motopompes est de 30% à
8
ل
= en géné
45%, selon le type de pompe et de moteur.
7
|
Normes pour le calcul des besoins en eau :
urvie : 101 /jour/ personne;
financement : 20|/jour/personne;
> Norme 1: la quantité minimal pour las
développement économique de
> Norme 2: l'objectif actuel des organismes de
> Norme 3: la quantité minimale nécessaire au
50l/jour/personne, incluant :
- 20//jour /personne : pour les besoins personnels;
- 201 /jour /personne : 0.5 tête de bétail par personne;
-10 1 /jour /personne : 2 ‏ثم‎ de maraîchage par personne.
1 MWh produit par combustion diesel émet 0,26 TCO:
1 hectare de forêt absorbe 10 TCO
La durée de vie d’une installation pompage solaire est de 20 ans
olaire estde 25 dirhams /We
Le coût d’une installation pompage 5
Le coût d’un mètre cube d’eau en utilisant une pompe à eau à moteur Diesel est de 2
dirhams
14
1
1
À
nn |