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L Le es s é éo ol li ie en nn ne es s Dossier thématique n°1 C CC CF F m ma at th hé ém ma at ti iq qu ue es s e en n C CA AP P. . T TP P B BA AC C P PR RO O. . D De er rn ni iè èr re e m mi in nu ut te e. . A Au ut te eu ur r : : S St té ép ph ha an ne e C CH HO OP PI IN N M Mo od de e d de e f fo on nc ct ti io on nn ne em me en nt t. . H Hi is st to or ri iq qu ue e. . Dossier thématique n°1 – Les éoliennes Page 2 Dossier thématique S So om mm ma ai ir re e N N° °1 1 Les prochains changements de programme sont l’occasion de repenser notre enseignement. Souhaitons que les dossiers thématiques deviennent un vecteur de communication supplémentaire entre PLP Math- Sciences. Ils viennent compléter sous une nouvelle forme les propositions de documents de notre site. Il va de soit que vos remarques et contributions seront les bienvenues pour étoffer l’offre de thèmes. Historique p 3 Fonctionnement p 4 Eolien dans la Somme p 7 CCF de mathématiques p 9 Niveau CAP TP acoustique p 13 Niveau Bac Pro Dernière minute p 20 Dossier thématique n°1 – Les éoliennes Page 3 Historique Depuis l'Antiquité, les moulins à vent convertissent l'énergie éolienne en énergie mécanique (généralement utilisé pour moudre du grain). De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour irriguer des zones sèches, assécher des zones humides, ou abreuver le bétail. En 1888, Charles F. Brush construit une petite éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batterie d'accumulateurs La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est développée par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il crée l'éolienne Lykkegard, dont il vend 72 exemplaires en 1908. Une éolienne expérimentale de 800 kVA fonctionne de 1955 à 1963 en France, à Nogent-le-Roi dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'Études Scientifiques et Techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF. Simultanément, deux éoliennes Neyrpic de 130 et 1 000 kW furent testées par EDF à Saint-Rémy-des- Landes (Manche). Il y eut également une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957. Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre les années 1970 et le premier choc pétrolier, pour que le Danemark reprenne les développements d'éoliennes. L Le es s é éo ol li ie en nn ne es s Dossier thématique n°1 – Les éoliennes Page 4 Mode de fonctionnement Explication de l’origine des vents : Le vent résulte d’une différence de pression entre deux points, l’air se déplace des lieux de haute pression aux lieux de basse pression. Ce sont ces déplacements d’air qui produisent le vent qui peut être plus ou moins fort selon les régions. Fonctionnement de l’éolienne : Le but d’une éolienne ou d’un aérogénérateur est très simple, il s’agit de transformer l’énergie cinétique produite par le vent en énergie mécanique de translation dans le but de produire de l’électricité. On trouve deux types d’éoliennes, les éoliennes à axe horizontal et les éoliennes à axe vertical mais ces dernières étant beaucoup plus courantes, nous nous intéresserons uniquement à elles. Schéma d’une éolienne à axe vertical : Composition de l’éolienne : La nacelle supporte : -Les pales, le moyeu et le rotor : captent l’énergie produite par le vent et la transforme en énergie mécanique de rotation. -Le frein : Permet à l’éolienne de fonctionner en cas de vitesses des vents trop importante (maximum de 90 KM/H soit environ 30 tours/minute) qui pourrait l’endommager ou la rendre incontrôlable en réduisant la vitesse de rotation du premier rotor. -Le multiplicateur : Augmente la vitesse de rotation d’un second rotor (30 tours/minute maximum) avec un système d’engrenages au delà de 1000 tours/minute pour la génératrice électrique. -La génératrice : Transforme l’énergie mécanique de rotation du second rotor en énergie électrique à la manière d’une dynamo de vélo. -Le système de régulation électrique : Ralenti le rotor du générateur en cas de surrégime. Dossier thématique n°1 – Les éoliennes Page 5 Le système d’orientation : Place la nacelle et donc les pales face au vent. Le mat : Place l’éolienne a une certaine distance du sol, selon la configuration du terrain et les vents de ce lieux. Armoire de couplage au réseau électrique : Rend compatible l’énergie produite avec celle du réseau ce qui consiste à transformer la tension qui est aux alentours de 690 V à une grande tension et la réinjecte dans celui-ci. La production d’énergie est due au vent, en cas d’inactivité de celui-ci les éoliennes ne peuvent fonctionner. A partir de 50 km/h, les aérogénérateurs atteignent leur rendement maximum et au dessus de 90 km/h ils sont arrêtés car ils peuvent devenir incontrôlables. Une distance de 200 à 400 mètres est impérative entre deux éoliennes. Les aérogénérateurs sont autonomes, le fonctionnement est supervisé par un système qui permet de gérer la vitesse du rotor, l’arrêt de l’éolienne en cas de vents trop importants… Les différentes catégories d'éoliennes. Il existe trois catégories d'éoliennes à axe horizontal (les éoliennes lentes, les éoliennes rapides et les grandes éoliennes) et trois types d'éoliennes à axe vertical (rotor de Darrieus, rotor de Savonius et statoéolienne). Eoliennes a axe horizontal Les éoliennes lentes Les éoliennes lentes sont caractérisées par une multitude de pales qui couvrent toute la surface de la roue. Elles sont adaptées aux vents de faible vitesse. Le diamètre des plus grandes éoliennes de ce genre que l'on construit actuellement est de l'ordre de 5 à 8 mètres. Le couple de l'éolienne est élevé et permet de fournir un effort appréciable dès le démarrage, ce qui prédestine ces éoliennes au pompage des nappes aquifères. On les rencontre beaucoup dans nos campagnes Les éoliennes rapides Les éoliennes rapides ont un nombre de pales beaucoup plus restreint puisqu'il varie entre 2 et 4. L'intérêt des éoliennes rapides est qu'elles sont à puissance égale beaucoup plus légères et donc moins chère que les éoliennes lentes. Elles présentent, par contre, l'inconvénient de démarrer difficilement. Il faut un vent de 18 km/h au moins pour qu'elles se mettent à tourner. Des progrès ont été faits cependant en couplant une génératrice de faible puissance avec des pales de grandes dimensions. Davantage d'énergie est alors produite tout au long de l'année et ces petites éoliennes de faible puissance démarrent avec des vents de 6 km/h. Les grandes éoliennes Les grandes éoliennes ont généralement trois pales installées au sommet d'un mât d'au moins 50 mètres, ceci leur assure un bon rapport puissance/poids et économise les matériaux de construction. Dossier thématique n°1 – Les éoliennes Page 6 Bien que ce petit nombre de pales soit une caractéristique des éoliennes rapides, ces grandes hélices tournent plutôt lentement. Elles entraînent un générateur par l'intermédiaire d'un multiplicateur de vitesse. Celui-ci fait passer la fréquence de rotation de 19-30 révolutions par minute à environ 1500 révolutions par minute. En cas de vent violent, un frein à disque limite la fréquence de rotation pour ne pas forcer le générateur. Les grandes éoliennes démarrent lorsque le vent atteint environ 20 km/h. La puissance optimale est obtenue avec un vent de 50 km/h et aux environs de 90 km/h, l'éolienne se met en veille pour éviter tous problèmes mécaniques. Eoliennes à axe vertical Les éoliennes de type panémone de Darrieus Il existe aussi des éoliennes à axe vertical comme les éoliennes Darrieus. Il existe quatre sortes de rotors de Darrieus: le rotor cylindrique, le rotor tronconique , le rotor à variation cyclique et le rotor parabolique. Toutes ces machines ont besoin d’être haubanées, c’est-à-dire soutenues par des câbles ou des cordages. Ces éoliennes disposent d'un très bon rendement et semblent prédestinées pour équiper les futurs bateaux de commerce. Cependant, leur géométrie ne leur permet pas de démarrer seule. Les éoliennes de type rotor de Savonius Le rotor de Savonius est constitué de deux demi-cylindres dont les axes sont décalés l’un par rapport à l’autre. Le rotor de Savonius est caractérisé par un grand couple de démarrage. Des machines de plusieurs kilowatts ont été réalisées pour assurer le pompage de l’eau dans les pays du Sahel; elles démarrent à des vitesses de vent faible, voisines de 2 à 3 m/s. Ces systèmes présentent cependant beaucoup plus d’inconvénients que d’avantages dans les réalisations actuelles, en particulier ils nécessitent un dispositif d’orientation. La récupération de l’énergie produite est en général beaucoup plus compliquée et se traduit souvent par une perte sensible du rendement global. Dossier thématique n°1 – Les éoliennes Page 7 La statoéolienne Il s'agit d'éoliennes compactes qualifiées de statoéoliennes. Le rotor se uploads/s1/ eolienne-dossier-thematique.pdf