Rapport Concours ATMA | PDF 12,3 Mo

Rapport Yacht Pop 2013 Concours ATMA: Pleasure Crafts of the Future Projet réalisé par Gaël BLANQUART et Thibaut SIMON Résumé Le manque d’espace sur un voilier est un problème récurrent auquel tous les navigateurs ont déjà été confrontés. En effet, dès lors qu’il y a du monde à l’intérieur du bateau, celui-­‐ci parait vite très étroit. Notre idée est d’offrir aux futurs voyageurs la possibilité de « pousser » les bords de leur monocoque afin de gagner de l’espace intérieur. Nous avons pour cela adapté pour la première fois sur un voilier le concept de “pop out” que nous pouvons retrouver sur les camions ou les vans, permettant de déplacer latéralement les bords du bateau. Un autre aspect de notre projet est de réaliser un navire autonome en énergie. Selon plusieurs études, la place du pétrole dans le mix énergétique mondial aura tendance à diminuer rapidement. Notre objectif est donc de faire un bateau consommant le moins d’énergie fossile possible. Nous allons pour cela produire de l’électricité par différents moyens incluant les panneaux solaires et des hydro générateurs directement implantés. Une attention particulière sera portée sur l’aspect écologique du projet. Nous allons pour cela utiliser des fibres bio-­‐composites pour réaliser la structure de notre bateau. Abstract The lack of space on a sailboat is a recurring issue that all sailors have already experienced. Indeed, a boat starts to be very small when a lot of people are inside. Our idea was to offer future travelers to'' push'' the walls of their monohull to save space. We have adapted for the first time on a sailboat the concept of pop-­‐out we can see on trucks and horse trailers. This allows you to shift laterally vehicle wall to enlarge the space. Another aspect of our project is to make a self-­‐powered ship. According to several studies, the place of oil in the global energy mix will tend to decline quickly. Our purpose is to make the boat usable with little fossil energy. We will therefore develop several means of production of electricity including solar panels and hydro generators implanted directly. Particular attention will be paid on developing this project with bio composites fibers to make the structure of the boat. It has the great advantage to be eco protective and to be compostable at the end of its life. 2 Sommaire Introduction Générale ............................................................................................................................. 6 Le Yacht Pop, un voilier innovant ............................................................................................................ 7 Présentation générale du Yacht Pop ....................................................................................................... 9 La structure du navire ........................................................................................................................... 10 Introduction à la structure ................................................................................................................ 10 Choix et présentations des matériaux retenus ................................................................................. 11 Détermination de la fibre .............................................................................................................. 11 Dimensionnement de la coque ......................................................................................................... 12 Dimensionnement des raidisseurs .................................................................................................... 15 Conclusion sur la structure ................................................................................................................ 15 Détermination de la masse de la structure ....................................................................................... 16 Masse coque et cloisons transversales ......................................................................................... 16 Masse des lisses et varangues ....................................................................................................... 17 Masse du pont, du roof et du cockpit ........................................................................................... 18 Le système Pop Out ............................................................................................................................... 19 Principe ............................................................................................................................................. 20 Rails Télescopiques ........................................................................................................................... 20 Les vérins ........................................................................................................................................... 21 Etanchéité ......................................................................................................................................... 22 Visualisation du système ................................................................................................................... 22 Dimensionnement du gréement ........................................................................................................... 25 Gréement dormant ........................................................................................................................... 25 Devis de Masse ...................................................................................................................................... 26 00. RECA ...................................................................................................................................... 26 01. CM. Coque et Structures associées ....................................................................................... 27 02. CB. Peinture et Revêtements Extérieurs ............................................................................... 27 03. AC. Equipements de Pont et accessoires de coque (ext.) ..................................................... 27 04. MG. Mature et Gréement dormant ...................................................................................... 27 05. EM. Emménagements intérieurs ........................................................................................... 27 06. ET. Equipements Techniques, Capacités et Tuyautages ........................................................ 27 07. EL. Electricité ......................................................................................................................... 28 08. M. Machine ........................................................................................................................... 28 3 09. AM. Armement Mobile ......................................................................................................... 28 10. Q. Lest .................................................................................................................................... 29 Stabilité ................................................................................................................................................. 29 Résistance à l’avancement .................................................................................................................... 31 VPP ........................................................................................................................................................ 32 Choix du moteur .................................................................................................................................... 35 Résistance à l’avancement ................................................................................................................ 35 Détermination de la puissance à la sortie du moteur ....................................................................... 35 Choix du moteur ................................................................................................................................ 35 Principe ............................................................................................................................................. 36 Autonomie ......................................................................................................................................... 37 Bilan Electrique ..................................................................................................................................... 37 Eclairage ............................................................................................................................................ 37 Electronique ...................................................................................................................................... 37 Energies alternatives ......................................................................................................................... 39 Panneaux Photovoltaïques ............................................................................................................ 39 Hydro-­‐générateur .......................................................................................................................... 40 Les Vélos Bicyclénergie : ................................................................................................................ 41 Eoliennes : ..................................................................................................................................... 41 Bilan ................................................................................................................................................... 41 Stockage de l’énergie ........................................................................................................................ 42 Système de gestion de l’eau à bord du voilier ...................................................................................... 42 Circuit d’assèchement ....................................................................................................................... 42 Circuit d’eau douce ........................................................................................................................... 43 Gestion des eaux noires ................................................................................................................ 43 Système général ............................................................................................................................ 43 Conclusion ............................................................................................................................................. 44 Bibliographie ......................................................................................................................................... 45 ANNEXES ............................................................................................................................................... 46 Annexe 1 : Pan des Formes ............................................................................................................... 46 Annexe 2 : Plan de Voilure ................................................................................................................ 47 Annexe 3 : General Arrangement ...................................................................................................... 48 Annexe 4 : Plan de Structure ............................................................................................................. 49 Annexe 5 : Plan des drisses et des écoutes ....................................................................................... 50 4 Annexe 6 : Plan du réseau hydraulique ............................................................................................. 51 Annexe 7 : Propulseur d’étrave ......................................................................................................... 52 Annexe 8 : Hydro Générateur ........................................................................................................... 53 Annexe 9 : Pompe à pression pour eau douce .................................................................................. 54 Annexe 10 : Radeau de survie ........................................................................................................... 55 Annexe 11 : Zodiac ............................................................................................................................ 56 Annexe 12 : Dessalinisateur .............................................................................................................. 57 Annexe 13 : Rails téléscopiques ........................................................................................................ 58 Annexe 14 : Vérins électriques .......................................................................................................... 59 5 Introduction Générale L’Association Technique Maritime et Aéronautique lance le concours Pleasure Crafts of The Future dans le but d’imaginer comment sera la future embarcation pour la plaisance. Etudiants ingénieurs à l’ENSTA Bretagne, c’est donc tout naturellement que nous avons choisis de travailler autour d’un voilier du futur et de réfléchir aux attentes des plaisanciers et à tout ce qui pourrait rendre leur quotidien plus agréable. Nous avons pour cela imaginé un voilier aux géométries variables, où l’espace à bord serait modulable permettant d’offrir à un monocoque, les qualités d’intérieur d’un multicoque. En effet, de plus en plus de marins se tournent vers les catamarans pour pouvoir profiter d’un certain confort à bord avec de grands volumes. Notre idée est donc d’offrir aux inconditionnels du monocoque la possibilité d’agrandir leur espace vie en s’inspirant des camions à chevaux et leur système de pop-­‐out. De plus, devant la hausse des prix du carburant nous ferons en sorte que notre voilier soit le moins dépendant possible des énergies fossiles. Nous tâcherons donc d’étudier l’éventualité d’installer des énergies renouvelables à bord pour avoir la possibilité de disposer d’un moteur hybride sur le navire. L’éco-­‐conception sera également au cœur de notre projet. Nous ferons en sorte de rendre la conception du navire la plus écologique en pensant également à son démantèlement. Pendant ce mois de projet, nous nous sommes plus que jamais investis dans un travail de bureau d’études, en nous efforçant de créer un voilier le plus innovant possible. Il nous aura fallu mener à bien les nombreuses boucles à itérer, sans faire d’impasses, pour finalement apporter à notre voilier tout ce qui aura été dans nos capacités, afin de mettre à l’épreuve nos connaissances théoriques dans un contexte concret et dans un temps imparti. 6 Le Yacht Pop, un voilier innovant Une longue réflexion a été menée autours de ce projet pour imaginer ce que pourrait être un voilier de plaisance dans le futur. Nous souhaitions principalement réaliser un projet concret et cohérent en terme technique. Ne pas inventer un système fantaisiste issu de notre seule imagination, pour rendre cette idée réalisable. En tant qu’élèves d’école d’ingénieur, nous nous devions de concevoir un voilier dont le coût de fabrication reste raisonnable et dont les solutions techniques imaginées puissent être envisageables à moyen terme. Ainsi nous avons souhaité travailler sur l’avant-­‐projet d’un monocoque. De plus en plus de personnes font le pas et vivent sur leur bateau qui est le choix d’un style de vie particulier mais qui a sans doute l’avantage de coûter moins chers qu’une vie en ville. En effet, c’est un choix d’évasion, de liberté et d’autonomie. Mais pour nous, le principal inconvénient de la vie sur un monocoque est clairement le manque d’espace intérieur. Nous avons donc souhaité intégrer sur notre voilier les systèmes de pop-­‐out mis en place sur les camions de chevaux et les motor-­‐homes de courses automobiles. Ces systèmes permettent d’agrandir l’espace vie à l’intérieur des camions en déplaçant les parois de façon transversale comme illustré sur l’image ci-­‐dessous : Figure 1: Les Pop Out sur les camions C’est un moyen ingénieux qui permet d’agrandir de 4 à 5 m2 l’intérieur du camion. Ce système offrira donc aux plaisanciers un espace vie confortable lors des différents mouillages. Cependant nous voulions que les marins puissent vivre confortablement dans leur navire même avec les pop-­‐out 7 rentrés. Nous avons baptisé notre voilier Yacht Pop. Les détails techniques de la mise en place des pop-­‐out seront traités dans ce rapport. La seconde contrainte de notre voilier est son autonomie en énergie. A l’heure actuelle, beaucoup prédisent le début d’un monde sans pétrole comme l’explique le rapport de Bentley (2002), dans Global Oil & Gas Depletion: An Overview. De plus, la gestion de l’électricité à bord est souvent un problème majeur sur un voilier et il faut régulièrement surveiller la consommation des instruments qui composent le parc électrique du voilier. Nous nous sommes principalement intéressés aux panneaux solaires de nouvelle génération capables de convertir plus de 80% de l’énergie qu’apporte le soleil. Le bilan électrique de notre voilier sera développé plus loin dans le rapport. Notre voilier aura le programme de navigation suivant : 60% de son temps sera passé au port. Grâce au fait que le bateau est vivable avec les pop-­‐out rentrés, cela ne posera donc pas de problème pour ses occupants de vivre dans le voilier lorsqu’il est au port. 30% de son temps sera passé au mouillage. En effet, vu le confort apporté par notre système et son autonomie en énergie, nous pensons que les plaisanciers seront poussés à passer de nombreux jours au mouillage. Et 10% de son temps sera passé en navigation. Notre bateau est très marin et il est clairement dessiné pour être capable de faire un tour du monde. 8 Présentation générale du Yacht Pop Nous avons voulu faire un voilier de croisière capable de faire un tour du monde avec une famille à son bord. Nous l’avons voulu simple à utiliser et très marin. Ainsi, Yacht Pop est un voilier de croisière de 18m avec 3 cabines doubles capable d’accueillir une famille de 4 enfants sans problème. Il possède en plus une cuisine, un carré, 2 douches, 2wc et de très grands volumes de rangement (cf Annexe 3). Voici les caractéristiques principales de Yacht Pop : LOA = 18,36m Lwl = 16.496m BOA = 4,95m Bwl = 3,808m Tirant d’eau = 2,56m LDR = 6,21 Cp = 0,603 Cb = 0,3917 Déplacement = 19,868 t Surface de voilure = 178m² Poids du lest = 6,810 tonnes Etude bibliographique de voiliers existants : Bateaux Amel 64 Océanis 58 Jeanneau 57 LOA (m) 19.6 18.24 17.78 BOA (m) 5.6 4.99 5 Déplacement (t) 34 21.6 21.4 Tirant D’eau (m) 2.4 2.6 2.5 Voilure (m2) 155 190 146 Informations obtenues sur les sites des constructeurs. Le plan des formes est disponible en Annexe 1. Pour dessiner le plan de voilure de notre voilier, nous nous sommes inspirés de voiliers déjà existants en tachant de prendre une surface de voilure équivalente. Ainsi nous avons une surface de voilure de 178m² au près. Un spinnaker de 258m² est optionnel sur notre voilier, permettant de satisfaire les plaisanciers les plus aguerris, ou ceux désirant utiliser le voilier de manière plus sportive. Le plan de voilure et le plan de pont sont disponibles en Annexes 2 et 5. 9 Afin d’avoir un bateau qui soit performant au près, c'est-­‐à-­‐dire qui ne dérive pas trop, la surface du plan de dérive (quille et safran) doit être comprise entre 3 et 4% de la surface de voilure (d'Armancourt, 2011). Pour notre voilier, nous avons finalement une surface de dérive de 4,2m² et une surface de safran de 2,4m². La structure du navire Introduction à la structure Dans cette partie nous détaillerons toute la partie Structure de notre voilier. Nous aborderons les différents calculs et les raisonnements faits pour parvenir à dimensionner les bordés, les raidisseurs et tout ce qui touche de près ou de loin à la structure de notre voilier. Le plan de structure est disponible en Annexe 4. Dans les objectifs du concours, il nous est demandé de créer un navire dont l’impact sur l’environnement est minimal. Nous avons donc cherché à étudier de nouveaux matériaux pour construire la coque de Yacht Pop et c’est ainsi que nous nous sommes directement tournés vers les Bio Composites. Ce sont des composites utilisant des renforts et des résines d’origine animale ou végétale. Ces marchés sont en forte croissance, principalement du fait de l'augmentation des prix du pétrole, des obligations de recyclage et du respect de l'environnement. Les fibres naturelles présentent des caractéristiques très satisfaisantes en comparaison aux fibres plus classiques comme le verre ou le carbone. Elles commencent même à être utilisées dans la confection de planches de surf et dans un futur très proche sur un catamaran de 30m chargé du transport de scientifiques en Australie. De plus, selon Christophe BALEY dans le Dossier Technique de L’ingénieur n°2220 « Fibre Naturelle de Renfort pour Matériaux Composites » (BALEY, Fibre Naturelle de Renfort pour Matériaux Composites, 2005) il explique que ces matériaux sont très intéressants d’un point de vue écologique : ‘’Ces fibres sont considérées comme neutres vis-­‐à-­‐vis des émissions de CO2 dans l’atmosphère puisque leur combustion ou leur biodégradation ne produit qu’une quantité de dioxyde de carbone égale à celle que la plante a absorbé pendant sa croissance. Les objets en composites à fibres naturelles sont donc plus faciles à recycler et, si leur matrice est biodégradable (bio polymères), après broyage ils sont compostables. Il faut considérer que les matériaux composites renforcés par des fibres naturelles sont en cours de développement, leurs applications sont encore limitées mais ils sont amenés à jouer un rôle dans l’industrie future, notamment dans le domaine de la construction’’. Nous présenterons donc dans cette partie les matériaux utilisés ainsi que les différents calculs effectués pour dimensionner les bordés ainsi que les raidisseurs. 10 Choix et présentations des matériaux retenus Détermination de la fibre Pour déterminer les bios matériaux de notre navire, nous avons effectué une revue technologique des différents bio-­‐composites existants et avons étudié chacun d’entre eux. Nous nous sommes servis de l’article de Christophe BALEY (BALEY, Fibre Naturelle de Renfort pour Matériaux Composites, 2005) dans lequel il présente les différentes caractéristiques de chacune des fibres naturelles en comparaison avec la fibre de verre. Voici les tableaux qui nous ont servis à choisir notre fibre végétale : Figure 1: Exemple de propriétés mécaniques entre Verre et Lin Figure 2: Exemple de propriétés mécaniques de composites polypropylène/fibres végétales 11 Figure 3: Essai de traction sur fibre unitaire Il nous est donc apparu évident de choisir la fibre de lin pour notre voilier. Cependant, la fibre de lin est composée de plusieurs éléments avec des propriétés mécaniques différentes. En effet, selon Christophe BALEY dans son article (BALEY, Analysis of the flax fibres tensile behaviour and analysis of the tensile, 2002) l’auteur nous explique qu’une fibre de lin est composée de la manière suivante : Composition du Lin
%
El (Mpa)
Et (Mpa)
Glt (Mpa)
Nu_f
Cellulose
74%
130000
27200
4400
0,1
Hemi-cellulose Lignin
24%
2%
8000
4000
4000
4000
2000
1500
0,2
0,33
Bilan sur le
Lin
1
98200
21168
3766
0,1286
Ainsi nous avons utilisé les caractéristiques suivantes pour la fibre de Lin : Fibres de Lin:
Module d'Young
Module de cisaillement
Nu_f
densité
Module d'Young transversal des fibres
Module d'Young longi des fibres
98200
3766
0,1286
1540
21168
21168
Mpa
Mpa
kg/m3
Mpa
Mpa
Dimensionnement de la coque Notre coque sera faite principalement en sandwich. Certaines parties seront toutefois en monolithique, à l’implantation de la quille et du moteur car il offre une plus grande résistance au perçage pour la mise en place des boulons de fixation. Pour la dimensionner, nous avons étudié les panneaux les plus dimensionnant (ceux soumis à la plus grande pression) afin de trouver une 12 épaisseur minimale pour qu’ils résistent à la pression de l’eau. Selon le cours de Mr Neuman (NEUMAN, 2006) (Architecte naval et professeur à l’ENSTA Bretagne): ‘’La carène du voilier posée sur l’eau est soumise, en statique à la pression hydrostatique directement proportionnelle à sa profondeur d’immersion. La pression d’échantillonnage du voilier dépendra donc en premier lieu du tirant d’eau de carène (T). Cette donnée sera ensuite corrigée d’un facteur dynamique, directement lié à la vitesse maximale supposée du voilier, de la zone ou se situe la plaque considérée, et du type de forme de carène. ‘’ A titre d’exemple, correction de la pression en fonction du degré de vitesse du voilier : Figure 4: Coefficient de charge dynamique maximale Ncg Pour cela, nous avons rentré dans un tableau Excel la position et la dimension des panneaux dimensionnant. Nous en déduisons ainsi une pression retenue. C’est cette pression qui va nous permettre de déterminer la taille, l’épaisseur de peau et le grammage à mettre. Pour du monolithique, le moment de flexion induit par la pression est : !" = 83.3 ∗ !"#$#%&# ∗ ! ! On trouve alors la contrainte dans la peau : !"#$% = 6 ∗
!"
(!"#$ ∗ !"#$%)^2
Nous considérons que le pli est correctement dimensionné si nous avons : !"#$# <
!"#$!%&'()%*
!"#$$%#&'
Ici notre coefficient de sécurité est de 3 et limElastPeau=200 MPa Nous pouvons ainsi en déduire une masse de monolithique pour le fond du bateau donnée par la formule suivante : ! = !"#$%&' ∗ !ℎ!!"!!"#$ ∗ !"!!"# ∗ !!!"# Pour le calcul sur le sandwich, il faut cette fois prendre en considération les efforts dans la peau mais aussi dans l’âme. 13 Les formules d’obtention de ces contraintes sont données dans le cours de structure de Mr Neuman : Le roof, le cockpit et le pont sont également faits en sandwich. Les techniques de dimensionnement sont les mêmes que vues précédemment. 14 Dimensionnement des raidisseurs Nous avons de même recensé tous les raidisseurs, longitudinaux et transverses, avec leur position et leur dimension. Nous avons suivi la méthode tirée du cours de Mr Neuman pour dimensionner ensuite les raidisseurs. Les résultats de ces calculs sont donnés dans le fichier Excel. Ce qui nous permet de déterminer la masse des raidisseurs. Conclusion sur la structure En conclusion, voici les différentes compositions de notre voilier avec le détail pour le bordé, le pont, le roof, le tableau arrière et les raidisseurs : Peaux:
grammage
taux volumique
Limite élastique de traction
Coefficient de sécurité
Nombre plis muraille
Nombre plis pont
Nombre pli tableau arriere
Nombre plis roof
800 g/m2
0,4
200 Mpa
3
3
2
4
2
15 Fibres de Lin:
Module d'Young
Module de cisaillement
Nu_f
densité
Module d'Young transversal des fibres
Module d'Young longi des fibres
98200
3766
0,1286
1540
21168
21168
Résine: (matrice)
Module d'Young
Module de cisaillement
Nu_m
densité
Mpa
Mpa
kg/m3
Mpa
Mpa
3400 Mpa
1463 Mpa
0,163
1250 kg/m3
Caractéristiques du pli : Lin+Resine
Epaisseur du pli h
Teneur en masse de fibre Mf
Masse volumique du pli
1,2987 mm
0,4510
1366 kg/m3
Caractéristiques de l'UD:
Module d'élasticité dans le sens des fibres
Module d'élasticité dans le sens travers des fibres
Coefficient de Poisson
Module de glissement
41320 Mpa
5119 Mpa
0,14924
1937
Nombre de plis monolythiques
Nombre de plis monolythiques Meche Safran
Ame:
Module d'Young
Nua
Coefficient de sécurité en cisaillement
Limite élastique de cisaillement
Epaisseur âme fond
Densité âme
Epaisseur âme muraille
Epaisseur âme pont
Epaisseur âme tableau arrière
Epaisseur âme roof
8
2
140
0,3
3
2,2
0
80
25
10
15
10
Mpa
Mpa
mm
kg/m3
mm
mm
mm
mm
Détermination de la masse de la structure Masse coque et cloisons transversales Pour déterminer la masse de la structure totale de notre voilier, nous avons choisi d’utiliser les matériaux suivants : •
•
Sandwich avec une âme de 25mm et 3 plis de tri radial pour la peau pour la muraille et le fond. Monolithique pour toutes les parties où il y a des appendices (quille et moteur) ainsi qu’à l’avant du voilier où de nombreux chocs sont à prévoir en raison du slamming. 16 Figure 5: Partie de la coque en Sandwich/Monolythique Sur les parties vertes nous mettrons du sandwich et sur les parties bleues nous mettrons du monolithique. •
Sandwich identique à la coque pour les cloisons transversales. Le poids au m2 du sandwich pour la coque et les cloisons est donné par la formule suivante : !!"#$%&'! = !"##$%&'()*+(!!"# ∗ !"#$%!!"# ∗ !"#$%%&'!!"# + !"##$%&'()!"#!!"#
∗ !"#$%%&'!!"# + !"##!!é!"#$%&$ + !"##!!"#$%&' Sachant que Masse_RésineAme = 2Kg/m2 et que Masse_GelCoat = 1Kg/m2 Nous avons une surface de Sandwich de 109m2 de coque + 43.9m2 de cloisons ce qui nous donne une masse de Sandwich de 2,4 tonnes de Sandwich De même, la masse au m2 du monolithique est donnée par la formule suivante : !!"#"$%&!!"#$ = !"##$%&'()*+(!!"# ∗ !"#$%!!"# ∗ !"#$%%&'()*$ + !"##!!"#$%&' Nous avons 10m2 de monolithique ce qui nous donne une masse de 150kg de monolithique. Masse du tableau arrière : 102kg Masse des lisses et varangues La masse au mètre des lisses et des varangues est donnée par la formule suivante : !!"##$ = !"##$%&'!"#$!!!"#$ ∗ !"#$$%&!!"#"$$" ∗ !"#$%&!!"#"$$" + !"##!!"# + !"##!!"#$$%
+ !"##$%$#&'!!"#$$% Ce qui nous donne une valeur d’environ 6kg/m. Sur notre voilier nous avons 143m de lisses et 15m de varangues ce qui nous donne un total de 948kg. 17 Masse du pont, du roof et du cockpit Le pont, le roof et le cockpit sont fait dans la même matière : Sandwich 2 plis tri radial et âme de 10mm ce qui nous donne une masse au m² de 10.8kg Notre pont a donc une masse totale de 259kg Cockpit : une masse totale de 281kg Roof : 338kg Une marge de 15% est prise sur toutes ces valeurs pour intégrer le fait que nous placerons des renforts (ajout de plis à certains endroits) pour compenser des excès de contraintes (cadène de haubans, d’étais, pataras mais aussi au niveau des rails du Pop Out). 18 Le système Pop Out La principale innovation de notre voilier se base sur un mécanisme permettant d’élargir le carré du bateau de 60cm de chaque côté, soit de 1.2m en tout ce qui nous fait gagner un espace de 1,2*2.67 = 3.2m². Nous l’avons nommé « Pop out ». Nous avons conçu ce système pour permettre aux plaisanciers d’agrandir leur intérieur lorsqu’ils sont au mouillage, mais nous voulions absolument que notre bateau puissent être vivable même lorsque les pop out sont fermés. Figure 6: Vue globale du Pop Out Figure 7: Vue Pop Out rentrés (gauche) et sortis (droite) 19 Principe Le principe de ce système est de permettre la translation latérale des bords du bateau. Pour se faire, la zone à déplacer est mise sur des rails, et elle est déplacée par l’intermédiaire de vérins électriques. Pour des raisons de faisabilité, d’étanchéité et pour simplifier le système global, nous avons choisi de placer le bloc mobile au-­‐dessus de la ligne de flottaison. De ce fait, lors de l’ouverture du pop-­‐out, le bloc se retrouve juste au-­‐dessus de l’eau, et ne subit comme effort que son propre poids qui est repris par les rails. Figure 8: Schéma du Pop Out en vue de face La course de notre système est de 60cm. Cela correspond à la largeur du pont au niveau du pop-­‐out. Cette valeur de 60cm nous permet ainsi de pouvoir vivre à l’intérieur du bateau même quand les Pop Out sont rentrés. Dans les paragraphes suivants, nous expliquons comment nous avons dimensionné et sélectionné les rails, les vérins et les joints d’étanchéité du système. Rails Télescopiques Nous avons choisi d’utiliser des rails télescopiques Rollon de type ASM 28 ayant une longueur de 1170mm et une course de 601mm (cf Annexe 13). La capacité de charge P du pop-­‐out est : ! = 2 ∗ C!"#$ avec C!"#$ = 7868 ! (!"##é! !"#$%&'!%('&) Le facteur 2 correspond au fait que le bloc est soutenu par 2 rails. La structure du Pop Out sera faite en sandwich ayant les mêmes caractéristiques que le sandwich de la coque. Nous avons une surface de 26m² de sandwich sur le pop out ce qui nous donne une masse de 416kg. Si on se place dans le pire des cas où 7 passagers se placent sur la banquette sortie du pop-­‐out, et que nous ajoutons le poids du bloc, nous obtenons : !!"# = !!"#$%&'! + 7 ∗ !!"##"$%& + !!"#$% = 1044!" Avec Psand=416kg, P_passager=75kg et P_salon=100kg 20 Cette valeur est donc largement inférieure à la valeur critique de chargement des rails. La partie fixe des rails (représentée en grise sur la fig 9 ci-­‐dessous) est fixée sur une poutre (en jaune) elle-­‐même fixée à une cloison structurelle du navire (en rouge), la partie mobile (en bleu) est quant à elle fixée à la paroi du carré mobile. Ces cloisons structurelles, de 40mm d’épaisseur sont très robustes et résistent aisément aux efforts imposés par le pop-­‐out. Figure 9: Schéma de fixation du rail télescopique sur la cloison structurelle du bateau Les vérins Nous avons choisi des vérins linéaires de type LA 36 d’une capacité maximale de traction ou compression de 4500 N chacun (cf Annexe 14). Il y a un vérin sur chacune des deux cloisons qui borde le carré. Ils permettent de pousser ou tirer les rebords de parois prévus à cet effet, ce qui anime le carré en translation (cf fig 10). Figure 10: Schéma de fixation du vérin et du rail sur la partie mobile Ces rebords ont une double fonctionnalité car ils contribuent également à l’étanchéité du système. 21 Etanchéité L’étanchéité du système est assurée par des joints bordant intégralement le bloc. Ils subissent une pression max lorsque le pop-­‐out est fermé et que le bateau gîte de 30° (car le pop-­‐out n’est jamais ouvert en navigation). Cette pression, située sur le joint inférieur, vaut : ! = P!"# + ρ. g. h avec h = 0.65m ð P = 1.065 bar Nous avons donc choisi d’utiliser des joints statiques, de type joint tubulaire bi-­‐dureté en caoutchouc que nous compressons sur les parois d’un côté ou de l’autre, comme indiqué sur le schéma ci-­‐dessous : Figure 11: Visualisation des joints d'étanchéité du Pop Out Visualisation du système Voici les rendus 3D du système où l’on peut voir ce qu’apportent en termes d’espace nos Pop Out : 22 Figure12: Vue du carré avec les Pop Out rentrés Figure13: Vue du carré avec les Pop Out sortis 23 Figure14: Vue 3/4 arrière Pop Out rentrés Figure15: Vue 3/4 arrière Pop Sortis 24 Dimensionnement du gréement Dans cette partie, nous allons vous présenter le dimensionnement du gréement et le choix des différents matériaux que nous avons fait. Gréement dormant Nous sommes partis sur un gréement à deux étages de barres de flèche, afin d’avoir une bonne tenue du mât mais en restant tout de même dans une configuration assez simple. Nous avons choisi un haubanage en PBO pour alléger au maximum le bateau dans les hauts et ainsi gagner en stabilité. De plus, nous avons placé les cadènes le plus à l’extérieur possible, sur le bordé, afin d’avoir la meilleure tenue du mât et moins de compression en pied de mat. Ceci est en effet possible, car la voile d’avant est un génois sans recouvrement et n’est donc pas gênée par la présence des barres de flèches. Une fois ces conditions misent en place, nous avons cherché à déterminer les différentes tensions qui règnent dans les haubans. Pour cela, nous avons appliqué des formules simples comme indiqué sur la figure 16 ci-­‐dessous : Figure16: Schéma Haubans Avec ! = ∆ ∗ !" Où ∆ est le déplacement en kg et Mr est le moment de redressement avec !" = !!!"# ∗ ℎ H : hauteur du mat Découle ensuite : !1 =
!
sin !"#ℎ!1
25 !1 =
!
tan !"#ℎ!1
Nous faisons de même pour les autres valeurs, en prenant soin de considérer que les valeurs de F1, F2 et F3 peuvent être jusqu’à 3 fois supérieures aux valeurs trouvées, et ce en raison des impacts du navire dans les vagues par exemple. Au final nous obtenons : H1=4.56 tonnes D1=3.97 tonnes D2=4.18 tonnes Et une compression en pieds de mat de 36 tonnes. Une valeur si élevée de compression nous a obligé à placer le mat sur une cloison structurelle du navire pour soutenir cet effort en compression induit par le gréement et les voiles. Nous avons également opté pour des haubans à plat pour permettre de les fixer sur la cloison structurelle du mat et ainsi permettre une ouverture des voiles optimale. Nous avons adopté un système composé de 2 pataras pour soutenir le mat en longitudinal. Le haubanage sera composé de hauban en PBO de 13.1mm de diamètre. Les détails de nos calculs sont dans le fichier Excel Calculs gréement.xlsx. Devis de Masse Dans cette partie, nous détaillerons point par point le devis de masse de notre voilier, qui se trouve dans le fichier Excel DM-­‐Yacht-­‐Pop.xlsx. Le devis de masse est un tableau Excel dans lequel nous recensons tous les éléments qui composent notre voilier. Nous y mettons le poids et la position des objets afin d’approcher au maximum le déplacement de notre navire ainsi que la position du centre de gravité. 00.
RECA C’est dans cet onglet que nous avons une vue d’ensemble du devis de masse. Nous y trouvons la masse et le centre de gravité de chaque sous ensemble, permettant de calculer la masse totale du voilier armé lège, et son centre de gravité. En y ajoutant le poids de l’équipage, des vivres et des différents réservoirs, on obtient la masse et le cdg du navire chargé. 26 01.
CM. Coque et Structures associées Dans cet onglet, nous avons détaillé le poids des différentes composantes de la coque et de la structure du voilier. Le détail des différentes masses obtenues est situé dans le chapitre structure. Pour déterminer le centre de gravité de chacun des composants, nous avons utilisé l’outil Centroide de l’aire de Rhinocéros v4. Nous avons ainsi reporté ces coordonnées dans le tableau. Pour le poids du gouvernail, nous avons considéré que celui-­‐ci était fait en sandwich renforcé, il a donc une masse au m² supérieure au sandwich qui compose la coque (nous passons de 16 à 20kg/m²). La surface de note safran est elle de 4.8m². 02.
CB. Peinture et Revêtements Extérieurs Dans cet onglet, nous avons considéré que nous appliquions de la peinture sur tout le navire (coque, roof, pont et cockpit. La peinture étant bien moins dense que le GelCoat, nous avons appliqué une masse de 0.2kg/m² à la peinture. Valeur communément admise par les architectes navals. 03.
AC. Equipements de Pont et accessoires de coque (ext.) Cette partie fait référence à toutes les pièces qui composent l’accastillage de notre navire ainsi que les éléments divers qui composent le pont. Les masses de ces éléments sont très largement approximées. Nous avons pu nous permettre de telles approximations étant donné qu’elles représentent qu’une faible partie de la masse du navire. 04.
MG. Mature et Gréement dormant C’est ici que l’on vient reporter le poids du mat, de la bôme et du gréement dormant. Le poids du mat est donné dans le fichier Excel Calcul Gréement. Celui-­‐ci pèse 6,9kg/m. De même, nous avons considéré que la bôme avait les mêmes caractéristiques massiques que le mat. Pour le gréement dormant, nous utilisons du PBO ayant une masse de 133gr/m capable de résister à 16 tonnes de traction. 05.
EM. Emménagements intérieurs Cette partie comprend le plancher ainsi que tous les éléments d’aménagement. Le plancher est en contreplaqué de 20mm d’épaisseur, ce qui correspond à une masse de 10 kg/m². Chaque élément a été placé conformément au plan d’aménagement, et a donc une position définie que nous avons reporté dans le devis de masse. Nous avons fait une étude biblio de chaque élément afin approximer leur masse au mieux possible. 06.
ET. Equipements Techniques, Capacités et Tuyautages Dans cet onglet, nous y comptons les différents réservoirs de Yacht Pop (700L d’eau douce, 100L de gasoil, les réservoirs en eaux noires et grises), tous les tuyaux hydrauliques qui composent notre voilier. Nous avons considéré que les tuyaux étaient plein d’eau et avaient un diamètre de 20mm. 27 Le dessalinisateur a une masse de 35kg (cf Annexe 12), le groupe d’eau sous pression 3kg et le réfrigérateur une masse 15kg comme nous avons pu le trouver sur des documentations diverses. 07.
EL. Electricité Comme expliqué dans la partie sur le bilan électrique, nous placerons à bord 8 batteries 12V-­‐750Ah de 80kg chacune. Les autres composants de cet onglet sont des approximations qu’il est difficile de quantifier de part leur complexité. 08.
M. Machine Les différents poids de ces composants ont été trouvés sur les brochures des constructeurs. On peut noter que nous avons choisi d’installer un propulseur d’étrave (cf Annexe 7). Ce système est effectivement régulièrement utilisé pour les bateaux de plaisance de plus de 15m, pour faciliter les manœuvres au port. 09.
AM. Armement Mobile Viennent ici se répertorier les différents éléments tels que les voiles, le mouillage, le matériel de sécurité etc. Pour les voiles, nous utiliserons une valeur admise de 250gr/m². Nous considérerons également que nous avons plus ou moins la même surface de voile dans les soutes (spi, trinquette, tourmentin etc…). Le poids de l’ancre est donné dans la brochure du constructeur. Pour la chaine, nous plaçons 80m de chaine de 12mm ainsi qu’une deuxième ancre et une deuxième chaine de même longueur. Le poids de l’armement de sécurité est une approximation sauf pour le radeau de survie qui est une embarcation gonflable pour 10 personnes et dont les caractéristiques sont données dans la brochure du constructeur (cf Annexe 10). Nous avons équipé notre navire d’une annexe Zodiac de type Cadet Rib 340 Neo (cf Annexe 11). Nous avons aménagé une plage arrière, rétractable en navigation, où nous logeons l’annexe, comme indiqué sur la figure ci-­‐dessous. De cette manière, il est très facile de mettre l’annexe à l’eau. Figure17: Installation de l'annexe 28 10.
Q. Lest Notre voilier à un lest de 6,810 t, ce qui représente 37,2% de la masse totale du navire lège. Cela rentre dans la fourchette de ce qui se fait communément pour les navires. Nous avons testé d’autres lests, plus légers, mais le navire était beaucoup moins stable et gîtait rapidement, ce qui est dommage pour un voilier de croisière. Le lest est en plomb, entièrement moulé. Stabilité La stabilité d’un bateau est l’expression d’un décalage du centre de carène par rapport au centre de gravité. Le couple de redressement engendré va évoluer avec la gîte en fonction de l’écart horizontal, appelé « GZ », compris entre ces deux centres. La courbe de stabilité va permettre de suivre l’évolution GZ, où l’on observera les phases du voilier stable à l’endroit et à l’envers. Pour établir notre courbe de stabilité, nous nous sommes servis du logiciel Orca3D. Nous avons inséré en donnée d’entrée le déplacement et le centre de gravité de notre voilier, issus du devis de masse. Déplacement: 19.868t XCG: 9.303m YCG: -­‐0.022m ZCG: -­‐0.131m Bras de redressement GZ (m) 1,500 1,000 0,500 0,000 0,000 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 -­‐0,500 -­‐1,000 angle de gîte (deg) Figure 18: Courbe de stabilité du Yacht-­‐Pop La norme de stabilité à respecter est basée sur un indice de stabilité baptisé STIX (stability index), selon lequel on attribue une catégorie de conception au bateau. 29 Figure 19: Catégories du STIX Notre objectif de stabilité était d’atteindre la catégorie A, car notre voilier de plaisance doit pouvoir faire de la navigation hauturière. La formulation de l'index prend en considération plusieurs facteurs qui contribuent au comportement marin d'un bateau : Le plus important est la longueur du bateau. Les effets des vagues seront plus importants sur un bateau plus petit. Ensuite, comme la stabilité augmente avec la puissance quatre de la longueur, un bateau plus long sera relativement plus stable qu'un bateau plus court. Rapport déplacement/longueur: la règle considère que un bateau excessivement léger est plus difficilement contrôlable, donc moins marin, et qu'un bateau excessivement lourd offre beaucoup de résistance aux éléments, donc moins marin. Rapport déplacement/largeur: on considère qu’une grande largeur avec un déplacement léger augmente le risque de chavirage. Retournement: un facteur mesure la capacité autonome du bateau de se redresser d'une position de chavirage à 180 degrés. Redressement: un facteur mesure la capacité du bateau de se redresser d'une position couchée le mat dans l'eau, les voiles pleines d'eau. Stabilité dynamique: ce facteur dépend du travail nécessaire au vent et aux vagues pour faire giter le bateau jusqu'à l'angle de retournement (intégral de la partie positive de la courbe de stabilité); la présence d'ouvertures dans la coque qui permettraient de laisser rentrer de l'eau à l'intérieur est également considérée comme pénalisante. Le risque de remplissage d'eau est considéré par un autre facteur qui mesure la possibilité de l'eau de rentrer à cause d'une action du vent causant une gite au maxi de 90 degrés. Ce qui est significatif est que tous les facteurs rentrent dans un calcul de moyenne, donc leur importance individuelle est réduite au profit d'une appréciation générale, moyenne des caractéristiques du bateau. Voici les résultats de calcul du STIX qui place notre bateau en catégorie A de navigation : 30 Figure 20: STIX Yatch-­‐Pop Résistance à l’avancement Pour la partie résistance à l’avancement, nous nous sommes servis du logiciel NavCad. C’est un logiciel comprenant une très large base de données, et permettant d’approximer la résistance à l’avancement d’un navire en fonction de ses données géométriques. Plusieurs méthodes sont disponibles en fonction du type de navire, de sa vitesse et de son utilisation. Concernant les voiliers, il existe plusieurs universités ayant produit des séries, les plus connues et répandues étant les séries systématiques de l’université de Delft en Hollande de Gerritsma et Keuning. Ces séries sont implémentées dans la base de données de NavCad. Nous avons donc choisi pour notre cas d’utiliser la méthode Delft 2/3. C’est une méthode empirique se basant sur les données d’essais en bassin de carène d’un grand nombre de modèles, incluant les appendices. 31 30000 25000 Rtot (N) 20000 15000 10000 5000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Vitesse (noeuds) Figure 21: Résistance à l'avancement du yatch-­‐pop Nous n’avons pas trouvé nécessaire de rentrer dans une étude plus approfondie de la résistance à l’avancement via des logiciels CFD par exemple d’une part parce que ça nous aurait pris beaucoup trop de temps et d’autre part parce que ce n’est pas le sujet principal de notre étude. VPP Afin de prévoir les performances de notre bateau, nous avons utilisé un programme fonctionnant sur Excel, constitué de macros, appelé VPP (Velocity Prediction Program). Nous avons repris ce programme que nous avions élaboré en UV 5.8-­‐Voiliers en compagnie de Yannick d’Armancourt, et nous l’avons adapté à notre voilier et amélioré. Il est important de bien renseigner toutes les données nécessaires au bon fonctionnement du VPP ; les principales données d’entrée du VPP sont : -­‐
-­‐
-­‐
-­‐
-­‐
-­‐
-­‐
Force du vent et allure du bateau Angle de barre Polaires des plans porteurs et leur application sur le bateau L’aplatissement et la prise de ris des voiles Courbe de stabilité du voilier Courbe de résistance de la carène Données géométriques du voilier (pour calcul du fardage) L’ensemble des forces et leurs points d’applications alors déterminés, le VPP va tenter de déterminer la position du voilier à l’équilibre en régime permanent, par le biais de méthode itérative et de boucles comparatives. 32 Les principales données en sortie sont alors : -­‐
-­‐
-­‐
-­‐
La vitesse du voilier L’angle de dérive L’angle de gîte Les sensations à la barre et la réaction du voilier Le schéma ci-­‐dessous résume les paramètres d’entrées-­‐sortie du VPP : Figure 22: Entrées-­‐sorties du VPP Il est à noter que la composante antidérive de la carène n’est pas comptée dans le VPP. En effet, il est compliqué d'estimer cette composante de manière intuitive; le mieux est de disposer de données en bassin ou de calculs CFD fiables dans ce domaine. Cette composante va en réalité permettre au voilier de moins dériver, ainsi que d'être plus ardent. Nous avons choisi de représenter les coefficients de trainée et portance des voiles par la méthode de Hazen. L’avantage de cette méthode, par rapport a l’extrapolation 3D par formule de Helmbold, est de présenter des coefficients de portance et trainée variant en fonction de l’angle de vent apparent du voilier (et non par rapport a l’incidence des voiles). Ceci veut dire que pour n’importe quel cap du voilier, les coefficients de portance et trainée s’adapteront sans à avoir à modifier le réglage des voiles. L’inconvénient est que la méthode est un peu rustre et ne prend pas en compte par exemple l’influence de l’allongement des voiles sur les coefficients de portance. Le VPP nous donne finalement la vitesse du bateau pour chaque allure, et pour différentes forces de vent ce qui nous permet d’établir les polaires de vitesse de notre bateau. L’aplatissement des voiles et la prise de ris sont pris en compte pour les polaires. 33 Polaires 340 350 10 330 8 320 310 6 300 4 290 0 10 20 30 40 50 60 70 28nds-­‐2ris 280 2 80 22nds-­‐1ris 270 0 90 16nds 100 10nds 260 250 110 240 230 220 210 200 190 180 120 130 140 150 170 160 4nds Figure 23: Polaires de vitesse Nous n’avons pas pris en compte l’influence d’un spinnaker dans les polaires de vitesse, car celui-­‐ci est optionnel sur notre voilier. On se rend compte qu’une prise de ris est de rigueur à partir de 22 nœuds, 2 ris à partir de 28 nœuds. 34 Choix du moteur Résistance à l’avancement Les résultats de NavCad donnent comme résistance à l’avancement: -­‐
pour une vitesse de 6 nœuds (vitesse en régime de croisière) Ra = 1668 N -­‐
pour une vitesse de 8 nœuds (vitesse maximale à moteur) : Ra = 4281 N Détermination de la puissance à la sortie du moteur On part donc de la résistance à l’avancement maximale. On compte environ 2% de fardage, créé par le vent vitesse. On ajoute une réserve de poussée de 25% pour tenir compte du vent et des vagues ; on a alors une résistance de Res = 5.4 kN. D’où, pour une vitesse de 8 nœuds : Puissance à l’hélice : Phélice = Res x V = 22.2 kW Rendement de l’hélice d’un voilier : 50% d’où, puissance sur l’arbre Parbre = 44.4 kW Il y a encore 5% de perte entre l’arbre et la sortie moteur, liés à la ligne d’arbre et à l’inverseur réducteur. Il faudrait donc une puissance nécessaire à la sortie du moteur du moteur de 46.6 kW. Pour une vitesse de 6 nœuds, nous obtenons par les mêmes calculs une puissance de 13.6 kW. Choix du moteur Un critère déterminant pour le choix du moteur fût la notion écologique de celui-­‐ci. En effet, pour respecter au maximum le cahier des charges demandé pour le concours, nous avons décidé de réduire au maximum l’utilisation d’énergie fossile telle que le gazole. Cependant, l’utilisation d’un moteur 100% électrique s’est vite avérée compliquée de part la puissance nécessaire pour le faire fonctionner et les ressources énergétiques dont nous disposons. Nous avons donc opté pour un moteur hybride, à la fois moins polluant qu’un moteur diesel et plus sécuritaire en terme de fonctionnement. En effet, il est primordial pour un bateau de cette classe d’avoir un moteur opérationnel à tout instant, pour des raisons de sécurité. Or un moteur 100% électrique ne nous aurait pas permis cette sécurité car le navire est autonome en électricité, et sa production dépend de l’environnement extérieur tel que le vent, le soleil etc… Le moteur hybride que nous avons choisi est composé d’un moteur électrique d’une puissance de 20 kW, permettant d’effectuer toute les manœuvres au port et de naviguer à une vitesse de croisière de 6 nœuds. Il est aussi composé d’un moteur diesel d’une puissance de 50 kW, permettant de 35 recharger les batteries lorsqu’il y en a besoin et/ou d’atteindre une vitesse plus importante (8 nœuds). Figure 24: Une vue d'un moteur hydride
Principe Le moteur diesel principal du système fonctionne à une vitesse constante et fait tourner un générateur électrique qui alimente un moteur à propulsion grâce à un tableau de bord et des convertisseurs. Le système peut être opéré avec 4 modes différents: •
•
•
•
Mode diesel Mode batterie Mode électro Mode hybride
Figure 25: Motorisation de Yacht Pop
Le moteur hybride répond à toutes les réglementations environnementales et améliore les performances globales du navire par un fonctionnement efficace avec le moteur diesel. Ce système offre plus de souplesse au navire. 36 Autonomie Théoriquement, notre moteur a une autonomie infinie en mode électrique, car nous avons des installations permettant de l’alimenter suffisamment en énergie. Pour ce qui est du moteur diesel, il tourne à une vitesse de 2800 trs/min lorsqu’il est à son régime maximum, avec une consommation de 273g/kW.h ce qui est équivalent à 13.65 L/h car notre moteur fonctionne alors à une puissance de 50 kW. Ainsi, avec un réservoir de 100L de gasoil, le moteur peut fonctionner pendant un peu plus de 7 heures à plein régime, donc beaucoup plus longtemps à bas régime. Bilan Electrique Le bilan électrique est la partie dans laquelle nous allons chercher à faire en sorte que notre bateau utilise le moins possible d’énergie électrique en vue d’une quasi autonomie en énergie fossile. Nous nous sommes donc penchés sur l’apport des énergies renouvelables et la consommation précise des différents éléments qui composent notre voilier. Eclairage Aux vus des progrès dans ce domaine, nous équiperons notre voilier de LED basse consommation dans toutes les cabines ainsi que dans le carré, la cuisine et la salle de bain. En effet, cela nous permet de passer d’une puissance de 15W pour les anciennes lampes à incandescence à seulement 5W pour les LEDs de nouvelle génération. Le gain est donc conséquent. De même pour l’éclairage extérieur, nous opterons pour des LED en éclairage de proue et poupe ainsi que pour les feux de mouillage. Electronique Des appareils de navigation électroniques classiques seront utilisés dans notre voilier. Les valeurs marquées dans le tableau sont donc des valeurs standards. Cependant, nous espérons bien que dans le futur, nous parviendrons à faire baisser la consommation de ces appareils. Sur la figure 25 ci-­‐dessous, vous pouvez voir le bilan global de la consommation électrique du bateau : 37 Consommateurs
Éclairage intérieur
Éclairage divers
Lum carré évier
Lum. table à carte
Lumière cabine 1
Lum. cabine 2
Lum. salle de bain
Lum. couloir penderie
Lum. cabine avant
Éclairage Extérieur
Feu de route proue
Feux de route poupe
Feu de mouillage
Lumière de pont
Feu de route (mât)
Puissance
Watts Ampères
0
5
2
4
4
4
4
4
2,5
2,5
2,5
0
2,5
Confort / Équipement
Pompe eau douce
200
Plaque Electrique
Cuisine
1200
Réfrigérateur
45
HiFi
30
Dessalinisateur
380
Pompe de calle
200
MOTEUR
20000
Électronique
Radar
8
PC
45
Compteur d'ampère/volt 0,008
Pilote
60
gps sans retro éclairage 2,88
VHF
4,8
Répéteurs
1,44
Girouette anémomètre
0,72
Sondeur
0,48
Tps
utilisation
sur 24h
0
4
2
2
2
0,5
0,2
2
Consommation
Wh
Ah
51
4,23
0
0,00
20
1,67
4
0,33
8
0,67
8
0,67
2
0,17
0,8
0,07
8
0,67
10
10
10
0
10
100
25
25
25
0
25
8,33
2,08
2,08
2,08
0,00
2,08
0,42%
0,10%
0,10%
0,10%
0,00%
0,10%
16,67
0,2
22570
40
1881
3,33
94,36%
0,17%
100,00
3,75
2,50
31,67
16,67
1667
1
10
2
2
0,3
1
0,67
3,75
0,00
5,00
0,24
0,40
0,12
0,06
0,04
24
5
24
10
1
24
24
24
24
1200
450
60
760
60
20000
1199
192
225
0,2016
600
2,88
115,2
34,56
17,28
11,52
100,00
37,50
5,00
63,33
5,00
1667
99,9
16,00
18,75
0,02
50,00
0,24
9,60
2,88
1,44
0,96
5,02%
1,88%
0,25%
3,18%
0,25%
83,61%
5,01%
0,80%
0,94%
0,00%
2,51%
0,01%
0,48%
0,14%
0,07%
0,05%
23919
1993
0,00
0,42
0,17
0,33
0,33
0,33
0,33
0,33
0,21
0,21
0,21
0,00
0,21
Consommation totale
Tableau 26: Bilan de la consommation d'électricité à bord du voilier 38 Part dans la
consommation (%)
0,21%
0,00%
0,08%
0,02%
0,03%
0,03%
0,01%
0,00%
0,03%
Nous pouvons observer que le moteur électrique est le principal consommateur d’énergie à bord lorsqu’il tourne en mode électrique. Energies alternatives En vu de rendre Yacht Pop le moins dépendant possible du gasoil, nous avons installé à bord plusieurs sources d’énergie renouvelables comme des panneaux solaires nouvelle génération, une éolienne et deux hydro-­‐générateurs. Nous faisons donc ci-­‐dessous une présentation de ces différentes énergies ainsi qu’un bilan de l’apport de telles énergies sur notre voilier. Panneaux Photovoltaïques L’utilisation de panneaux photovoltaïques s’est montrée comme une évidence pour notre voilier. En effet, de nombreux progrès ont été faits sur les panneaux et des chercheurs de l’Idaho Natonial Laboratory ont réussi à créer des panneaux aussi fins et souples que du papier comme en témoigne la photo ci-­‐dessous : Figure 27: Panneau Solaire fin comme du papier Ils affirment également que de tels panneaux sont maintenant capables de convertir pas moins de 80% de l’énergie solaire reçu ce qui est une vraie révolution quand on sait que les panneaux actuellement sont capables d’en convertir seulement 10 à 15%. Cette nouvelle technologie serait une grande avancée dans la recherche sur les panneaux solaires de part le fait qu’elle coûterait très peu d’argent pour être mise en œuvre mais aussi car les panneaux seraient encore efficaces après le 39 coucher du soleil. Ce groupe de chercheurs a notamment gagné un prix pour le meilleur papier photovoltaïque au American Society of Mechanical Engineers en 2008 lors de la 2nde International Conference on Energy Sustainability. Les détails de ces recherches sont donnés sur le lien hypertexte dans la partie Site Web Utilisés. Pour chiffrer l’apport de tels panneaux sur notre voilier, nous avons considéré que l’énergie fournie par le soleil sur 1m² était de 1000W. Avec un taux de conversion de 80% nous obtenons donc 800W/m². Nous comptons utiliser ces panneaux sur une surface de 20m², posés sur le roof du bateau. Ce qui nous donne une puissance totale de 20*800=16kW. Nous considérons dans notre bilan que les panneaux ne seront efficaces que 4h par jour (ce qui est potentiellement peu sachant que ce type de panneau est capable de capter de l’énergie une fois le soleil couché). Hydro-­‐générateur L’apport d’un hydro-­‐générateur à bord d’un voilier n’est plus à prouver quand on sait que quasiment tous les concurrents du Vendée Globe sont partis avec deux hydro générateurs à leur bord et Dominique Wavre avouait avoir consommé seulement 10L de gasoil après plus de 60 jours de mer principalement grâce à cette technologie. Figure 28: Hydro-­‐générateur Wattandsea Nous avons donc opté pour des hydro-­‐générateurs Wattandsea (cf Annexe 8) présentant les caractéristiques suivantes : Figure 29: Performance de production de l'hydro-­‐générateur WattandSea 40 Nous embarquerons donc 2 hydro-­‐générateurs escamotables pour avoir la possibilité de les ranger dans les soutes lors de mouillages forains ou de longue durée. Nous obtenons avec deux hydro-­‐générateurs une puissance de 1000W à une vitesse de 9 nœuds, vitesse facilement atteignable aux allures portante par notre voilier de 18m. Les Vélos Bicyclénergie : Le vélo bicyclénergie est un vélo d’intérieur qui permet de produire de l’électricité lorsque l’on pédale. Ce concept a notamment été lancé par le gouvernement français pour permettre aux citoyens de revendre l’énergie produite à EDF. Nous avons introduit ces vélo, pliable pour le rangement en navigation, à notre voilier, permettant de faire son sport tout en produisant de l’énergie électrique pour le bateau. Ce type de vélos à une capacité de 100W/h pour une personne ayant une condition physique normale. Il pourrait être intéressant d’avoir 2 vélos à bord avec des jauges de mesures pour faire des petites compétitions ludiques et savoir en temps réel celui qui recharge le plus les batteries. Eoliennes : Les éoliennes seraient aussi un bon moyen de récupérer de l’énergie dans noter voilier. En effet, à l’heure actuelle, beaucoup de voiliers en sont équipés, et on peut facilement imaginer que leur rendement va aller en s’améliorant avec le temps. Bilan Voici le bilan en termes de production d’énergie de notre voilier : Tps
Puissance
production
Watts Ampéres
sur 24h
Producteurs
Panneau solaire nouvelle
génération
Alternateur
Hydrogénérateur
Vélo Bicyclénergie
Production totale
16000 1333,33
480
40,00
1000
83,33
100
8,33
4
2
5
2
Production
Wh
Ah
64000 5333,33
960
80,00
5000 416,67
200
16,67
69960
5830
Part
production
%
91,48%
1,37%
7,15%
0,29%
Et voici le bilan électrique complet de Yacht Pop : Consommateurs
Energie
consommée
Energie produite
Bilan
Wh
Ah
23919
69960
46041
1993,29
5830
3837
Si le bilan est positif, il y a suffisamment de sources d'énergie
pour répondre au besoin quotidien en électricité. Si le bilan est
négatif, il faut y remédier soit en s'équipant d'appareils basse
consommation, de plus de source d'énergie ou en faisant tourner
le moteur plus longtemps.
41 Nous observons donc que nous sommes bénéficiaires en énergie pour sur une journée de 24h. Toutefois, l’utilisation du moteur diesel et de son alternateur sera un bon moyen pour compléter les batteries dans le cas d’une journée sans soleil. Stockage de l’énergie Nous utiliserons des batteries solaires pour stocker l’énergie produite par les panneaux solaire, les éoliennes, les hydro-­‐générateurs, les bicyclénergies et le moteur hybride. Ces types de batterie n'ont pas les mêmes caractéristiques qu'une batterie de voiture par exemple, elles se déchargent plus progressivement et supportent mieux les décharges fréquentes peu profondes, ce qui correspond donc bien à notre utilisation. Nous avons imposé une autonomie globale de 3 jours. Or notre besoin d’énergie est de 22 720 Wh par jour. La capacité de stockage sera donc de 3 x 22720 = 68160 Wh. Soit en 12V, une capacité de 68120Wh/12V=5680 Ah. Les batteries classiques actuelles présentes dans le marché vont jusqu’à 220 Ah-­‐12V. Avec ces batteries, nous devrions en placer 26 en parallèle, ce qui est beaucoup trop. On peut trouver des batteries haut de gamme du type 500Ah-­‐12V, ce qui réduirait le nombre de batterie à 12. Notre projet utilisant les technologies des 5 à 10 prochaines années, nous admettrons que les batteries auront de meilleures performances, ce qui nous amène à utiliser 8 batteries 750Ah-­‐12V. Nous avons estimé leur poids et leur encombrement en fonction des batteries existante actuellement. Système de gestion de l’eau à bord du voilier Dans cette partie, nous vous présentons le système de la gestion de l’eau à bord de noter voilier avec les différentes pompes utilisées ainsi que leur positionnement à bord du voilier. Circuit d’assèchement Pour le circuit d’assèchement, nous placerons en parallèle 2 pompes, une manuelle et une électrique, avec des tuyaux d’évacuation de diamètre respectif 25mm et 20mm. Ces pompes seront placées à l’arrière du bateau sous le cockpit et les crépines seront placées au plus bas du voilier, au niveau de la quille. Figure30: Plan du réseau d'assèchement et des passes coques 42 Circuit d’eau douce Gestion des eaux noires La pollution des océans est un sujet qui va devenir de plus en plus présent ces prochaines années. Si nous voulons garder nos océans propres et les conserver d’une quelconque pollution, nous pensons que les politiques actuellement menées et visant à interdire le rejet des eaux noires dans certains ports vont continuer et tous les ports seront bientôt soumis à de telles règles. Ainsi, nous avons décidé d’installer à bord de notre navire une cuve à eaux noires visant à collecter ces eaux en étant équipée d’une vanne trois voies. Ainsi les plaisanciers auront la possibilité de stocker leurs eaux noires lorsqu’ils sont au port et de les rejeter en mer lors d’une navigation hauturière. Système général Voici le schéma général du plan hydraulique à bord de notre bateau : Figure 31: Plan du réseau hydraulique Nous avons un réservoir d’eau douce de 700L, auquel nous avons relié un dessalinisateur qui permet de transformer l’eau de mer en eau douce. Ainsi, le réservoir est rempli d’eau douce avant une traversée, et durant celle-­‐ci, l’utilisation habile du dessalinisateur est requise de façon à toujours avoir un niveau d’eau douce adéquat. Nous avons choisi un dessalinisateur d’une puissance de 380 Watt, permettant de transformer 80L/h, permettant ainsi une autonomie quasi-­‐totale en eau douce (cf Annexe 12). Une pompe à pression pour l’eau est installée également sous la banquette (cf Annexe 9) pour fournir de l’eau sous pression à tout le bateau qui est équipé de 2 douches et de 2 WC avec chacun un lavabo pour se rincer les mains. Une douchette arrière est également installée pour pouvoir se rincer après la baignade. 43 Conclusion Pour conclure sur ce projet, il a été pour nous deux très enrichissant. Il en ressort que la conception navale est complexe, complète et nécessite des itérations, des bouclages successifs. L’expérience dans ce domaine nous semble aujourd’hui être indispensable pour être efficace et prendre les bonnes décisions. Connaitre les ordres de grandeur, savoir comment réagir face à des problématiques classiques. Nous sommes donc satisfaits d’avoir pu nous bâtir une toute première expérience dans la conception d’un voilier. Nous vous présentons un produit fini qui nous semble complet et potentiellement prêt à être fabriqué. Nous sommes convaincus que les futurs plaisanciers sauront apprécier le système de Pop-­‐
Out qui leur permettra d’avoir une vie à l’intérieur confortable. Son côté autonome en énergie garanti une facilité d’emplois pour les propriétaires de Yacht Pop. Nous espérons que les principes de ce voilier seront repris un jour pour être commercialisés. 44 Bibliographie Baley, C. (2002). Analysis of the flax fibres tensile behaviour and analysis of the tensile stiffness increase. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 33(7), 939-­‐948.BALEY, C. (2005). Fibre Naturelle de Renfort pour Matériaux Composites. Bentley, R. W. (2002). Global oil & gas depletion: an overview. Energy policy, 30(3), 189-­‐205. d'Armancourt, Y. (2011). Mécanique du Voilier UV 4.8. Nouailhas, H., Saint-­‐Macary, L., Fulcrand, H., Bergeret, A., & Caillol, S. (2011). Développement de biocomposites en résine époxy biosourcée/fibres de lin par pultrusion pour la construction. Comptes-­‐
rendus des 17èmes Journées Nationales sur les Composites (JNC17). NEUMAN, F. (2006). La structure des voiliers composites. Panneaux Solaires de nouvelle génération : https://inlportal.inl.gov/portal/server.pt?open=514&objID=1269&mode=2&featurestory=DA_10104
7 45 ANNEXES Annexe 1 : Pan des Formes 46 Annexe 2 : Plan de Voilure 47 Annexe 3 : General Arrangement 48 Annexe 4 : Plan de Structure 49 Annexe 5 : Plan des drisses et des écoutes 50 Annexe 6 : Plan du réseau hydraulique 51 Annexe 7 : Propulseur d’étrave 52 Annexe 8 : Hydro Générateur 53 Annexe 9 : Pompe à pression pour eau douce 54 Annexe 10 : Radeau de survie 55 Annexe 11 : Zodiac 56 Annexe 12 : Dessalinisateur 57 Annexe 13 : Rails téléscopiques Site web : : http://www.rollon.com/francese/prodotti/telescopic.htm 58 Annexe 14 : Vérins électriques 59