TPE : Les éolien : Les éoliennes es éoliennes

Lefebvre Nicolas
Hellouin Florent
Couly Dorian
1ère S1
TPE : Les éoliennes
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Introduction
De nos jours, en France, l’énergie hydraulique
est la plus utilisée dans le domaine des énergies
renouvelables. L’énergie éolienne arrivant en seconde
position, elle atteint un taux de rendement nettement
inferieur.
Le mot éolienne vient du Grec Αολος (Éole) qui est le
dieu des vents. L’éolienne produit une énergie dite
« propre », elle possède ses propres avantages et
inconvénient. Nous allons tenter de les exploiter, et
voir quelles est la limite de cette énergie par rapport
aux autres. On pourra alors se
s demander si cette
source d’énergie est l’une des solutions écologiques du
futur.
L’éolienne en 1888 ne produisait pas de l’énergie électrique mais mécanique. Ce fut
entre les années 1955 et 1963 que les premières éoliennes furent fabriquées, elles servaient
principalement à pomper l’eau. Vint ensuite les moulins à vent qui
eux, convertissaient l'énergie éolienne en énergie mécanique de
façon à créer une force qui permettait par exemple de moudre du
grain. Mais le problème dans les deux cas
était que l'énergie devait être utilisée
immédiatement.
Il a fallu attendre 1970 pour que les éoliennes
se modernisent.
Pompe à eau
Source : www.demain-la-terre.net
Pour répondre à notre problématique, nous présenterons
présenterons dans un premier temps la
structure de l’éolienne et son fonctionnement ainsi que les chiffres clé qui la caractérisent.
En seconde partie, nous verrons quels avantages et inconvénients elles peuvent offrir. Enfin,
nous expérimenterons les différentes lois
lois et limites qui interviennent sur ces structures.
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I – Le fonctionnement des éoliennes
1 – Généralités sur les éoliennes
Les éoliennes sont des appareils permettant de transformer l’énergie créée par le
vent, en électricité. Des pales sont disposées autour d’un rotor (appelé aussi « moyeu »), et
lorsque le vent est suffisamment fort (environ 20km/h), elles se mettent à tourner en
entrainant le rotor avec elles. Le rotor est fixé sur un axe qui se met lui aussi à tourner. Un
multiplicateur permet de multiplier l’énergie mécanique créée par l’éolienne. L’énergie est
alors « envoyée » vers un générateur, qui la transforme en électricité.
Par vent fort (environ 50km/h), un frein est actionné afin d’empêcher l’éolienne de
tourner trop vite, elle est stabilisée. Lorsque les vents dépassent 90km/h, l’éolienne est
stoppée immédiatement.
L’éolienne est constituée de trois
parties : la nacelle, le mat et les fondations. La
nacelle contient tout le matériel nécessaire pour
convertir l’énergie mécanique en électricité,
ainsi que plusieurs appareils de mesure comme
un anémomètre qui permet de connaître la
direction du vent, des compteurs de tours qui
contrôlent la vitesse de rotation de l’éolienne. La
nacelle supporte également les pales. Un
système d’orientation comportant un moteur
est installé sous la nacelle pour pouvoir
l’orienter dans la direction du vent. Le mat
contient une échelle permettant d’accéder à la
nacelle et des câbles électriques reliés à un
transformateur au bas de l’éolienne. Celui-ci
augmente la tension du courant électrique de
690 à 20000 Volts. Les fondations sont en béton
armé, et descendent jusqu’à 6m sous terre afin
de supporter le poids de l’éolienne.
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Source : www.domsweb.org
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2 – Quelques chiffres
Caractéristiques de l’éolienne :
Les éoliennes sont généralement équipées d’un mât d’environ 85 à 110 mètres de haut. Elles
sont surmontées de pales mesurant entre 40 et 120 mètres. Celles-ci tournent à une vitesse
d’environ 10 à 25 tours minute.
Ces engins atteignent 120 à 145 mètres en bout de rotor. Leur durée de vie est d’environ 20
à 30 ans. Une éolienne peut fournir au maximum 43800 MWh par an alors qu’une centrale
nucléaire produit entre 900 et 1450 MW.
Les éoliennes dans le monde :
La France est le deuxième pays en Europe contenant le plus grand nombre de parcs éoliens.
En France on compte environ 2500 éoliennes réparties dans environ 320 parcs éoliens. On
en dénombre notamment 52 dans la région Rhône-Alpes.
Carte de la répartition des éoliennes en France
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II – Avantages et inconvénients des éoliennes
1 – Pollution sonore et visuelle
Pollution sonore :
Lorsque les pales de l’éolienne frottent l’air, elles produisent du bruit, tout comme le
mécanisme de la nacelle. Ces bruits sont audibles jusqu’à environ 300m de l’éolienne et sont
de l’ordre de 45dB, soit autant que l’atmosphère sonore d’une forêt ou bien l’équivalence
d’un chuchotement.
Schéma de la propagation des ondes sonores émises par une éolienne
Source : www.windpower.org
Pollution visuelle :
Les éoliennes atteignent des hauteurs importantes allants jusqu’à 120m au niveau de
la nacelle, avec des pales de 40m.
40m. Elles sont souvent placées sur les basses montagnes et les
côtes maritimes, ce qui les rend imposantes dans les paysages. Cela suscite la
désapprobation des particuliers qui habitent près des éoliennes, ainsi que des associations
de défense de l’environnement.
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Des efforts esthétiques sont mis
en place par les constructeurs d’éolienne
afin d’optimiser leur apparence et les
rendre plus « discrètes ». D’autre part,
certains parcs éoliens sont aménagés de
façon à ce que les éoliennes soient mieux
intégrées dans le paysage, comme on
peut le voir sur la photographie cici
contre : les éoliennes sont disposées le
long de la côte, en file indienne.
Source : www.windpower.org
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2 – Les éoliennes domestiques
Installer une éolienne chez-soi est un acte éco-citoyen de moins en moins rare. Parmi
les énergies renouvelables, le solaire est très largement la plus répandue mais depuis
quelques années, le vent commence à prendre une place de plus en plus importante.
Jusque-là réservée à une utilisation industrielle, ce type d’équipement est désormais
proposé aux particuliers. Il leur permet de récupérer l’énergie cinétique du vent pour
produire de l’électricité qui servira à alimenter leur foyer en électricité. Le surplus pourra,
selon les cas être revendu, en parti ou en totalité à un réseau de distribution. Pour s’adapter
à ce nouvel usage, la taille des éoliennes à du être revue à la baisse. Elle oscille désormais
entre 3 et 11 mètres pour les modèles traditionnels.
Selon les estimations d’un professionnel, entre 300 et 400 éoliennes de ce type auraient déjà
installé en France en 2007. Si la hauteur de mât est inférieure ou égale à 12 mètres, aucune
autorisation n’est requise. D’un point de vue légal, une éolienne domestique peut donc être
installée n’importe où. Pour les
habitations isolées, c’est la possibilité
d’avoir de l’électricité sans avoir à
être raccordée à un réseau de
distribution.
Il existe deux types distincts
d’installations d’éolienne domestique
selon
les
besoins
des
consommateurs :
- Le premier est destiné aux
habitations isolées qui ne peuvent
pas être raccordées à un réseau de
distribution. Dans ce cas, la totalité de la production d’électricité de l’éolienne est dédiée à la
consommation en électricité de la maison. La production est stockée dans une batterie et
pourra servir à des moments différents.
- Dans le deuxième cas, l’installation éolienne est uniquement dédiée à la production
d’électricité pour le réseau de distribution. Le surplus doit être racheté et la maison est
alimentée uniquement par le réseau de distribution. On utilise un compteur spécifique,
installé par le réseau de distribution à la sortie de l’installation éolienne pour que la
production revendue soit comptabilisée. Le coût de rachat est fixé par la compagnie qui
accepte de racheter ce surplus.
Le prix d’une éolienne domestique est fixé aux alentours de 15000€ selon les modèles. On
remarquera que la durée de vie moyenne d’une éolienne domestique est d’environ 15 ans
alors qu’il faut au moins 30 ans pour la rentabiliser !
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III – Limites
imites de l’éolienne
1 – Loi de Betz
Cette
ette loi a été trouvée par l’allemand Albert Betz en
1919 et formulée dans son livre « Wind Energie » (énergie
éolienne) publié en 1926. Elle démontre que les éoliennes,
possédant un rotor circulaire, ne peuvent convertir que
16/27 (ou 59%) de l’énergie mécanique produit en énergie
électrique. Cette loi est énoncée grâce à la formule
suivante :
π ² Avec P (en watts par metre²),
r le rayon = longueur des pales
v la vitesse du vent (en m/s)
d la densité de l’air (en kg/m3)
Cette loi est basée sur les formules suivantes :
- la surface balayée :
π - le volume d'air traversant l'éolienne :
π ² - la masse d'air de vitesse v qui passe dans l'éolienne par seconde :
π - l'énergie cinétique Ec (en joule) :
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π ² 2
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2 – L’inductance
Définition : La surface circonscrite par un circuit électrique parcouru par un courant I est
traversée par le flux du champ magnétique (appelé autrefois flux d’induction) φ.
L’inductance L du circuit électrique est alors définie comme le rapport entre le flux embrassé
par le circuit et le courant.
La formule de l’induction est la suivante :
Avec :
L : résumé des propriétés du fil de cuivre (Elle est proportionnelle au carré du nombre
de spires N et à la section moyenne S (surface du fil) de la bobine et inversement
proportionnelle à sa longueur Lg. Un noyau magnétique augmente nettement l'inductance
d'une bobine par sa perméabilité µr généralement très supérieure à 1.
0 y ² ∗
I : L’intensité.
Φ : Le flux de l’induction
Il est impossible de mesurer avec un multimètre, ce qui est un des inconvénients de cette
formule.
On peut donc dire que l’intensité produit par l’éolienne varie selon les propriétés du fil de
cuivre ainsi que de la puissance de l’aimant et de sa vitesse de rotation.
L’énergie fournie par l’éolienne varie selon son aspect extérieur (pales, hauteur, vitesse du
vent…) mais aussi par rapport a ce qu’il y a dedans (taille de la bobine de cuivre, nombres de
tours, puissance de l’aimant) que l’on peut voir avec cette dernière expérience.
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Conclusion
Les éoliennes sont des structures imposantes dans l’environnement et leur
implantation fait l’objet de débats entre les écologistes : certains pensent que l’énergie
éolienne est une « énergie propre », d’autre pensent que les éoliennes sont une source de
pollution visuelle. En comparant les éoliennes aux centrales nucléaires, par exemple, on
remarque que ces dernières sont beaucoup plus imposantes, bien que moins nombreuses
(58 en France). L’éolienne quant à elle, produit 5mW par heure, alors qu’une centrale
nucléaire produit 1450 mW par heure. Il faudrait approximativement plus de 16800
éoliennes en France pour remplacer les centrales nucléaires. Cette solution est donc peu
envisageable du fait du prix élevé de fabrication des éoliennes.
Nous avons également vu que les éoliennes domestiques ne sont rentables qu’à long
terme pour une utilisation personnelle, leur prix étant également élevé. Toutefois, certains
modèles se vendent à prix relativement bas (aux alentours de 600€),
600
mais avec un
rendement moins important. Cette solution reste donc envisageable.
Comme nous l’avons montré précédemment grâce aux formules de Betz et à notre
maquette, l’énergie éolienne ne peut convertir que 59% de l’énergie mécanique en énergie
électrique. Ce rendement est très faible compte tenu des pertes potentielles d’énergie
d’énerg
électrique.
Cela nous montre donc que l’énergie éolienne ne sera probablement pas une énergie
du futur du fait de son prix particulièrement élevé par rapport à son rendement très bas. On
privilégiera certainement beaucoup plus les centrales nucléaires
nucléaires pour leur efficacité bien
qu’elles soient plus dangereuses (utilisation de produits radioactifs).
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Lexique
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Bibliographie
Dagorn, C., & Bonal, C. (2006, Fevrier). Vent de révolte contre les éoliennes. Ca m'interesse .
D'où vient l'énergie éolienne ? (s.d.). Récupéré sur Wind Power:
http://www.windpower.org/fr/tour/wres/index.htm
Eoliennes : une source d’énergie pour l’avenir ? (s.d.). Récupéré sur Demain la Terre:
http://www.demain-la-terre.net/Eoliennes-une-source-d-energie
Eoliennes, comment ça marche ? (s.d.). Récupéré sur Demain la Terre: http://www.demainla-terre.net
L’énergie éolienne, une énergie cinétique. (s.d.). Récupéré sur Les Compagnons d'Eole:
http://users.swing.be/compagnons-eole/eolienne/articles/art5.htm
L'énergie éolienne. (s.d.). Récupéré sur Domsweb:
http://www.domsweb.org/ecolo/eolien.php
Les éoliennes. (s.d.). Récupéré sur Wikipédia: http://www.wikipedia.fr
Solar deal compagny. (s.d.). Eolienne domestique. Récupéré sur ebay: http://www.ebay.fr
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Sommaire
TPE : Les éoliennes .................................................................................................................................. 1
Introduction............................................................................................................................................. 2
I – Le fonctionnement des éoliennes ...................................................................................................... 3
1 – Généralités sur les éoliennes ......................................................................................................... 3
2 – Quelques chiffres ........................................................................................................................... 4
II – Avantages et inconvénients des éoliennes ....................................................................................... 5
1 – Pollution sonore et visuelle ........................................................................................................... 5
2 – Les éoliennes domestiques ........................................................................................................... 7
III – Limites de l’éolienne......................................................................................................................... 8
1 – Loi de Betz ..................................................................................................................................... 8
2 – L’inductance................................................................................................................................... 9
Conclusion ............................................................................................................................................. 10
Lexique .................................................................................................................................................. 11
Bibliographie.......................................................................................................................................... 12
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