DUCATION LA TECHNOLOGIE Les technologies de l nergie Conception et construction d une olienne

1. ÉDUCATION À LA TECHNOLOGIELes technologies de l’énergieConception et construction d’une éolienne Bernard Blanchard École Terre des Jeunes Paquetville, NB Mars 2007

2. PARTIE 4 LES ÉOLIENNES

3. L’énergie éolienne L’énergie éolienne est l’énergie du vent. C’est une énergie plus respectueuse de l’environnement que les énergies classiques telles que les combustibles fossiles ou l’énergie nucléaire, car elle cause moins de pollution. Quoique le vent soit une source d’énergie 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. L’énergie éolienne Les humains utilisent le vent depuis des milliers d’années. À l’Antiquité, ils l'utilisaient en tant que source d’énergie mécanique pour les bateaux à voiles vers le VII siècle. La première machine à avoir utilisé le vent en tant que source d’énergie fut le moulin à vent. Le moulin à vent fut inventé au VII siècle en Iran et en Afghanistan. De là, il s’est 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 l’eau des rivières afin d’irriguer 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 d’un 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 l’effet du vent. Au XVIII siècle, un gouvernail a été inventé pour que la partie supérieure du moulin tourne automatiquement et s’arrête lorsque les pales font face au vent.

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

6. Les éoliennes L’éolienne à axe vertical a été inventée en 1925 par l’ingénieur français George Darrieus. Ce type d’éolienne n’a pas besoin d’être face au vent, car il est efficace quelle que soit la direction du vent. Une sorte d’éolienne 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 l’électricité. Les éoliennes sont installées à l’unité et couplées à d’autres moyens de faire de l’électricité 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, c’est-à-dire suffisamment venteux.

8. Les éoliennes L’énergie éolienne n’occupe aujourd’hui qu’une petite place comparativement aux principales sources d’énergie, mais puisque les principaux combustibles s’épuisent et coûtent de plus en plus cher, l’énergie éolienne sera de plus en plus utilisée dans les décennies à venir.

9. Partie 4 – Activité 1Nom: ____________________ Date: ______ Classe: _____ Questions 1. Qu’est-ce que l’énergie éolienne? 2. Donne des utilisations de l’énergie du vent. 3. Quels sont les deux types d’éolienne? 4. Que faut-il à l’éolienne à axe horizontal pour qu’elle 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 l’éolienne à axe vertical. 7. Où retrouve-t-on généralement des regroupements d’éolienne?

11. PARTIE 5 CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUES

12. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESLe vent Le vent est le mouvement de l’air. Il est causé par les différences de pression entre deux lieux et le réchauffement inégal de la surface de la Terre par le Soleil. L’air au-dessus des surfaces chaudes se réchauffe et monte, créant ainsi une zone de basse pression. L’air 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 d’hiver. 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 l’eau, et le vent souffle vers la Terre. En début de soirée, la Terre refroidit plus vite que l’eau, et le vent souffle depuis la Terre. Les vents varient en fonction de l’altitude 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 qu’on s’éloigne du sol. Lorsqu’il y a des collines, le vent près du sol accélère pour gravir la colline, puis ralentit de l’autre côté de la colline. C’est pourquoi les éoliennes sont souvent placées près du sommet d’une colline ou sur la crête.

13. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESLe vent La vitesse du vent est mesurée par un instrument appelé anémomètre qui tourne d’autant plus vite que le vent est fort et qui est muni d’une girouette indiquant la direction du vent.

14. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne L’éolienne est un système qui convertit l’énergie de l’air en mouvement (énergie cinétique) en énergie mécanique disponible pour entraîner une génératrice électrique. Dans une génératrice, un bobinage de fil de cuivre, entraîné par l’éolienne, tourne entre les pôles d’un électroaimant, ce qui produit de l’électricité. Les éoliennes respectent beaucoup plus l’environnement que les autres sources d’énergie

15. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne Il est possible de classer les éoliennes selon le type d’axe 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 l’objet de la plus grande avancée technologique.

16. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne

17. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne 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 l’énergie avec une éolienne correspond normalement à un vent de 6.5 m/s et plus. *Une éolienne atteint son maximum d’efficacité avec un vent de 7 m/s. Avec un vent de 25 m/s une éolienne s’arrête car il y a des risques de bris causé par les vibrations.

18. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne Les éoliennes présentent néanmoins des inconvénients : il faut trouver le moyen de stocker de l’électricité 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 s’adapter à la vitesse du vent, sinon les vents violents les endommageraient, des oiseaux risquent d’être tués dans les parcs éoliens où il y a plusieurs éoliennes, l’esthétique de la région environnante est touchée.

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

20. Partie 5 - Activité 1Nom: ______________________ Date: _______ Classe: _____ Questions 1. Qu’est-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 qu’elle produise de l’énergie 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 SCIENTIFIQUESL’éolienne 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 l’air devant la voile. Cette baisse de pression à comme effet de faire tourner le rotor du moulin. Ce système a l’avantage d’être efficace et simple à fabriquer.

24. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne à axe horizontal Aujourd’hui, la forme des pales modernes est comparable à la forme des hélices d’avion. Ces pales sont planes sur un côté et profilées sur l’autre afin de tirer le maximum de profit de l’écoulement de l’air tout comme les ailes d’un avion. La courbure spéciale des surfaces des pales provoque un écoulement de l’air plus rapide sur un côté de la pale (côté courbé). Il en résulte que la pression de l’air est moindre sur le côté courbé que sur le côté plat, et cette différence de pression fait tourner les pales. 

25. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne 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 d’engrenages (augmentant ainsi la vitesse de rotation) qui actionne un arbre relié à une génératrice, l'appareil qui convertit cette rotation en électricité. 

26. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne à axe horizontal Les éléments qui permettent la production d’électricité sont contenus dans la nacelle. Celle-ci pivote sur la tour qui lui sert de base. L’éolienne à axe horizontal doit être face au vent pour être efficace, il faut donc qu’elle soit équipée d’un système permettant de l’orienter. 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. L’angle des pales et la direction prise par l’éolienne sont ajustés constamment pour s’adapter le plus possible aux conditions du vent. Il faut savoir qu’il y a une vitesse de vent maximale à laquelle l’éolienne cessera de fonctionner. En effet, au-delà d’une certaine vitesse de vent, les forces que doit subir l’éolienne seraient trop grandes et pour des raisons de sécurité il faut arrêter l’éolienne. 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 SCIENTIFIQUESL’éolienne à axe horizontal L’inconvénient principal de l’éolienne 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, l’équipement est difficilement accessible, ce qui complique les travaux d’entretien et de réparation.

28. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne 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 1925. Il comporte essentiellement deux demi-cylindres dont les axes sont décalés l’un par rapport à l’autre. C’est une sorte d’éolienne fabriquée à partir de matériaux peu coûteux tels qu’un baril d’essence 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 d’axe de rotation. Quelle que soit sa direction, le vent s’engouffre dans la moitié creuse du baril et la fait tourner. Une génératrice actionnée par la rotation de l’axe produit de l’électricité. L’éolienne à axe vertical n’a pas besoin d’être face au vent, elle est efficace quelle que soit la direction du vent.

29. CONNAISSANCES TECHNOLOGIQUES ET SCIENTIFIQUESL’éolienne à axe vertical Un autre type d’éolienne à axe vertical est l’éolienne de Darrieus. Cette éolienne a été conçue par l’ingénieur français Georges Darrieus en 1925. Le rotor est constitué de plusieurs pales, en général deux ou trois, de profil symétriques, liées entre elles et qui tournent autour d’un axe vertical. Les formes adoptées pour les surfaces des pales sont cylindriques, coniques ou paraboliques. Comme l’éolienne de type Savonius, elle a l’avantage de ne pas devoir être orientée d’après la direction du vent.

30. Partie 5 - Activité 2Nom: ______________________ 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 l’avantage d’être __________ et __________ à fabriquer. 3- Aujourd’hui, la ________ des pales modernes est comparable à la _______ des ________ d’avions. 4- Ces pales sont ________ sur un côté et _____________ sur l’autre afin de tirer le ____________ de profit de l’ _____________ de l’air tout comme sur les ___________ d’un 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 _____________. L’angle de __________ et la direction prise par l’______________ sont ________________ constamment pour s’adapter le plus possible aux conditions du ________.

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

32. Éducation à la technologieLes technologies de l’énergie Conception et construction d’une éolienne Bernard Blanchard École Terre des Jeunes Paquetville Mars 2007