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ÉDUCATION À LA TECHNOLOGIE Les technologies de lénergie Conception et construction dune éolienne Bernard Blanchard École Terre des Jeunes Paquetville,

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1 ÉDUCATION À LA TECHNOLOGIE Les technologies de lénergie Conception et construction dune éolienne Bernard Blanchard École Terre des Jeunes Paquetville, NB Mars 2007

2 PARTIE 4 LES ÉOLIENNES

3 Lénergie éolienne Lénergie éolienne est lénergie du vent. Cest une énergie plus respectueuse de lenvironnement que les énergies classiques telles que les combustibles fossiles ou lénergie nucléaire, car elle cause moins de pollution. Quoique le vent soit une source dénergie gratuite, sa puissance varie considérablement en fonction du lieu et du moment, selon le climat et les saisons. Le vent ne peut assurer un apport énergétique régulier et il est difficile à contrôler. Toutefois, il est possible de prévoir la vitesse moyenne du vent, sa direction et son intensité dans certains lieux.

4 Lénergie éolienne Les humains utilisent le vent depuis des milliers dannées. À lAntiquité, ils l'utilisaient en tant que source dénergie mécanique pour les bateaux à voiles vers le VII siècle. La première machine à avoir utilisé le vent en tant que source dénergie fut le moulin à vent. Le moulin à vent fut inventé au VII siècle en Iran et en Afghanistan. De là, il sest développé au Moyen-Orient, en Inde et a fini par être utilisé en Chine. Les premiers moulins servirent à moudre le grain pour obtenir de la farine. Ils furent aussi utilisés pour pomper leau des rivières afin dirriguer les terres. Le moulin à vent est apparu en Europe au XII siècle. Un nouveau type de moulin à axe horizontal en forme de tour fut inventé: la structure tournait autour dun pivot à la base et les pales étaient face au vent. Par la suite, une tour fixe fut adoptée; seule la partie supérieure, à laquelle étaient fixées les pales, tournait sous leffet du vent. Au XVIII siècle, un gouvernail a été inventé pour que la partie supérieure du moulin tourne automatiquement et sarrête lorsque les pales font face au vent.

5 Les éoliennes Il existe deux types déoliennes, les unes avec un axe horizontal, parallèle au sol, et les autres avec un axe vertical, perpendiculaire au sol. Les plus vieux modèles déoliennes du XIX siècle étaient munis de nombreuses pales. Les éoliennes modernes comptent en général trois pales. Léolienne à axe horizontal doit être face au vent pour être efficace.

6 Les éoliennes Léolienne à axe vertical a été inventée en 1925 par lingénieur français George Darrieus. Ce type déolienne na pas besoin dêtre face au vent, car il est efficace quelle que soit la direction du vent. Une sorte déolienne à axe vertical appelée rotor de Savonius est facile à construire et peu coûteuse.

7 Les éoliennes Les éoliennes modernes sont en acier et en matériaux composites. Elles sont dotées de pales comparables aux hélices des avions. Le vent fait tourner ces pales à grande vitesse. Cette rotation rapide sert à produire de lélectricité. Les éoliennes sont installées à lunité et couplées à dautres moyens de faire de lélectricité pour fournir du courant à des communautés isolées, ou destinées à la production en masse. Dans ce cas, elles sont regroupées en plus grand nombre dans des endroits favorables à leur implantation, cest-à-dire suffisamment venteux.

8 Les éoliennes Lénergie éolienne noccupe aujourdhui quune petite place comparativement aux principales sources dénergie, mais puisque les principaux combustibles sépuisent et coûtent de plus en plus cher, lénergie éolienne sera de plus en plus utilisée dans les décennies à venir.

9 Partie 4 – Activité 1 Nom: ____________________ Date: ______ Classe: _____ Questions 1. Quest-ce que lénergie éolienne? 2. Donne des utilisations de lénergie du vent. 3. Quels sont les deux types déolienne? 4. Que faut-il à léolienne à axe horizontal pour quelle soit efficace?

10 Partie 4 - Activité 1 (suite) 5. Combien de pales a généralement une éolienne moderne à axe horizontal? 6. Nomme trois avantages de léolienne à axe vertical. 7. Où retrouve-t-on généralement des regroupements déolienne?

11 PARTIE 5 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES

12 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Le vent Le vent est le mouvement de lair. Il est causé par les différences de pression entre deux lieux et le réchauffement inégal de la surface de la Terre par le Soleil. Lair au-dessus des surfaces chaudes se réchauffe et monte, créant ainsi une zone de basse pression. Lair des zones de haute pression environnantes se déplace vers la zone de basse pression et produit alors du vent. La vitesse du vent est normalement plus grande durant les mois dhiver. Des variations quotidiennes de la vitesse du vent ont souvent lieu près de la mer et des Grands Lacs. En milieu de matinée, le Soleil réchauffe la Terre plus vite que leau, et le vent souffle vers la Terre. En début de soirée, la Terre refroidit plus vite que leau, et le vent souffle depuis la Terre. Les vents varient en fonction de laltitude et aussi du relief, par exemple, les collines. Le vent près du sol est ralenti par le frottement avec la surface du sol. Les vents sont donc plus forts à mesure quon séloigne du sol. Lorsquil y a des collines, le vent près du sol accélère pour gravir la colline, puis ralentit de lautre côté de la colline. Cest pourquoi les éoliennes sont souvent placées près du sommet dune colline ou sur la crête.

13 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Le vent La vitesse du vent est mesurée par un instrument appelé anémomètre qui tourne dautant plus vite que le vent est fort et qui est muni dune girouette indiquant la direction du vent. Anémomètres avec girouette

14 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne Léolienne est un système qui convertit lénergie de lair en mouvement (énergie cinétique) en énergie mécanique disponible pour entraîner une génératrice électrique. Dans une génératrice, un bobinage de fil de cuivre, entraîné par léolienne, tourne entre les pôles dun électroaimant, ce qui produit de lélectricité. Les éoliennes respectent beaucoup plus lenvironnement que les autres sources dénergie

15 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne Il est possible de classer les éoliennes selon le type daxe utilisé : les éoliennes à axe horizontal et les éoliennes à axe vertical. Les pales des éoliennes à axe horizontal tournent dans un plan vertical et sont inefficaces si elles ne sont pas face au vent. Les pales des éoliennes à axe vertical tournent dans un plan horizontal et d'après toutes les directions du vent. Du point de vue de la construction, les éoliennes à axe vertical sont un peu plus simples. Toutefois, en raison de leur meilleur rendement, les éoliennes à axe horizontal sont de loin les plus utilisées et ont fait lobjet de la plus grande avancée technologique.

16 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne multiplicateur de vitesse génératrice rotor pales tour unité de refroidissement girouette et anémomètre refroidissement arbre principal système de contrôle système dorientation nacelle frein

17 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne Les éoliennes modernes fonctionnent automatiquement. La plupart des systèmes de commande des éoliennes comprennent un anémomètre qui mesure continuellement la vitesse du vent. La puissance produite augmente rapidement à mesure que la vitesse du vent augmente. La vitesse du vent à laquelle il est possible de produire de lénergie avec une éolienne correspond normalement à un vent de 6.5 m/s et plus. *Une éolienne atteint son maximum defficacité avec un vent de 7 m/s. Avec un vent de 25 m/s une éolienne sarrête car il y a des risques de bris causé par les vibrations.

18 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne Les éoliennes présentent néanmoins des inconvénients : il faut trouver le moyen de stocker de lélectricité pour les jours sans vent, le bruit causé par la rotation des pales peut être assourdissant, les signaux de télévision rebondissent sur les pales qui peuvent diminuer la diffusion, les pales des éoliennes doivent pouvoir sadapter à la vitesse du vent, sinon les vents violents les endommageraient, des oiseaux risquent dêtre tués dans les parcs éoliens où il y a plusieurs éoliennes, lesthétique de la région environnante est touchée.

19 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne Au lieu de construire une seule grande éolienne, il est souvent moins dispendieux dériger une série de petites éoliennes. Un grand parc à éoliennes peut produire lélectricité nécessaire à une ville. Des câbles électriques transportent lélectricité vers les villes. Leur emplacement est étudié de sorte quelles soient suffisamment proches pour un captage optimal du vent, mais assez distantes pour éviter quelles ne se gênent.

20 Partie 5 - Activité 1 Nom: ______________________ Date: _______ Classe: _____ Questions 1. Quest-ce qui cause le vent? 2. À quelle saison la vitesse du vent est-elle normalement plus grande? 3. Quel instrument est utilisé pour mesurer la vitesses du vent? 4. Quelle est la vitesse du vent qui est favorable à une éolienne afin quelle produise de lénergie électrique?

21 Partie 5 - Activité 1 (suite) 5. Nomme les six (6) inconvénients des éoliennes.

22 Partie 5 - Activité 1 (suite) Identifie les composantes. A: B: C: D: E: F: G: H:

23 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne à axe horizontal Une éolienne à axe horizontal est dotée de pales. Des pales en forme de voile de bateau étaient couramment utilisées pour faire tourner les moulins à vent. La forme incurvée de la voile accélère la vitesse du vent et diminue la pression de lair devant la voile. Cette baisse de pression à comme effet de faire tourner le rotor du moulin. Ce système a lavantage dêtre efficace et simple à fabriquer. Écoulement de lair autour dune voile

24 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne à axe horizontal Aujourdhui, la forme des pales modernes est comparable à la forme des hélices davion. Ces pales sont planes sur un côté et profilées sur lautre afin de tirer le maximum de profit de lécoulement de lair tout comme les ailes dun avion. La courbure spéciale des surfaces des pales provoque un écoulement de lair plus rapide sur un côté de la pale (côté courbé). Il en résulte que la pression de lair est moindre sur le côté courbé que sur le côté plat, et cette différence de pression fait tourner les pales. Écoulement de lair autour dune pale

25 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne à axe horizontal Généralement, les éoliennes modernes ont trois pales longues et effilées qui sont contrôlées par un ordinateur. Le vent fait tourner ces pales à grande vitesse. Les pales tournantes entraînent un système dengrenages (augmentant ainsi la vitesse de rotation) qui actionne un arbre relié à une génératrice, l'appareil qui convertit cette rotation en électricité. Éolienne à pales multiples Éolienne à deux pales multiples Éolienne à trois pales multiples

26 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne à axe horizontal Les éléments qui permettent la production délectricité sont contenus dans la nacelle. Celle-ci pivote sur la tour qui lui sert de base. Léolienne à axe horizontal doit être face au vent pour être efficace, il faut donc quelle soit équipée dun système permettant de lorienter. Pour placer les pales face au vent, des instruments de commande sont incorporés dans la nacelle ou encore à la base de la tour. Les grandes éoliennes ont un système de contrôle électronique qui mesure la vitesse du vent et sa direction. Langle des pales et la direction prise par léolienne sont ajustés constamment pour sadapter le plus possible aux conditions du vent. Il faut savoir quil y a une vitesse de vent maximale à laquelle léolienne cessera de fonctionner. En effet, au-delà dune certaine vitesse de vent, les forces que doit subir léolienne seraient trop grandes et pour des raisons de sécurité il faut arrêter léolienne. Pour ce faire, les éoliennes sont équipées de freins à disques. Certaines éoliennes changent aussi de direction pour minimiser leurs efforts.

27 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne à axe horizontal Linconvénient principal de léolienne à axe horizontal vient du fait que les engrenages mécaniques et la génératrice sont dans la nacelle en haut de la tour, qui doit être très solide. De plus, léquipement est difficilement accessible, ce qui complique les travaux dentretien et de réparation.

28 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne à axe vertical Les éoliennes à axe vertical ont probablement été les premières utilisées. Une éolienne peu dispendieuse et facile à fabriquer est le rotor de Savonius. Ce rotor a été inventé par le Finlandais Sigurd Savonius en Il comporte essentiellement deux demi-cylindres dont les axes sont décalés lun par rapport à lautre. Cest une sorte déolienne fabriquée à partir de matériaux peu coûteux tels quun baril dessence coupé verticalement en deux et quelques pièces de bois pour former la structure. Les deux moitiés du baril sont glissées dans une tige qui sert daxe de rotation. Quelle que soit sa direction, le vent sengouffre dans la moitié creuse du baril et la fait tourner. Une génératrice actionnée par la rotation de laxe produit de lélectricité. Léolienne à axe vertical na pas besoin dêtre face au vent, elle est efficace quelle que soit la direction du vent.

29 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES Léolienne à axe vertical Un autre type déolienne à axe vertical est léolienne de Darrieus. Cette éolienne a été conçue par lingénieur français Georges Darrieus en Le rotor est constitué de plusieurs pales, en général deux ou trois, de profil symétriques, liées entre elles et qui tournent autour dun axe vertical. Les formes adoptées pour les surfaces des pales sont cylindriques, coniques ou paraboliques. Comme léolienne de type Savonius, elle a lavantage de ne pas devoir être orientée daprès la direction du vent. Éolienne de Savonius Éolienne de Darrieus Éolienne de Musgrove

30 Partie 5 - Activité 2 Nom: ______________________ Date: _______ Classe: ______ Complète les phrases. 1- Des pales en forme de voile de ____________ étaient couramment utilisées pour faire tourner les __________ à ________. 2- Ce système a lavantage dêtre __________ et __________ à fabriquer. 3- Aujourdhui, la ________ des pales modernes est comparable à la _______ des ________ davions. 4- Ces pales sont ________ sur un côté et _____________ sur lautre afin de tirer le ____________ de profit de l _____________ de lair tout comme sur les ___________ dun avion. 5- Les _____________ qui permettent la production d__________ sont contenus dans la ______________. Celle-ci ________ sur la tour qui lui sert de _______. 6- Les grandes éoliennes ont un système de ____________ électronique qui mesure la ___________ du vent et sa _____________. Langle de __________ et la direction prise par l______________ sont ________________ constamment pour sadapter le plus possible aux conditions du ________.

31 PARTIE 6 CONCEPTION, ESSAIES ET ÉVALUATION DE LA SOLUTION TECHNOLOGIQUE

32 Éducation à la technologie Les technologies de lénergie Conception et construction dune éolienne Bernard Blanchard École Terre des Jeunes Paquetville Mars 2007


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