Rapport du projet de groupe EOLIENNE VERTICALE

Rapport du projet de groupe
EOLIENNE VERTICALE
Membres:
CABY Berenger
CHARBONNEL Romain
CHERIF Maya
CUAZ Fabien
SKOCIC Milan
Tuteurs:
DESPORTES Jacques
KALMAN Rudolph
PETITCLAIR Patrice
Rapport final
Sommaire
1 Introduction:
1.1 Contexte du projet: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Objectif: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Point de départ: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2 Points techniques:
2.1 Partie supérieure: . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Poulie: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Système supérieur de translation/rotation:
2.2 Partie intermédiaire: . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Transmission de la rotation: . . . . . . . .
2.2.2 Système démultiplicateur de vitesse: . . .
2.3 Partie inférieure: . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Voilure: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Résultats obtenus: . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3 Gestion de Projet:
3.1 Organisation générale . . . . . . . .
3.2 Feuille de compte: . . . . . . . . . .
3.3 Analyse du diagramme de GANTT:
3.4 Retour d’expérience: . . . . . . . . .
3.5 Apport personnel du projet: . . . . .
3.6 Évaluation latérale: . . . . . . . . . .
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4 Conclusion générale:
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4.1 Remerciements: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
A Schéma technique: Capuchon supérieur
16
B Schéma technique: Système de translation/rotation supérieur 17
C Schéma technique: Système de translation/rotation inférieur
18
D Schéma technique: Trépied (vue globale
19
E Schéma technique: Plaque support et cylindre de guidage
20
F Schéma technique: Capuchon inférieur
21
G Description du prototype de l’éolienne
22
H Les EPL
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Rapport final
1
Introduction:
1.1
Contexte du projet:
Suite à un brevet déposé sur la réalisation d’une éolienne verticale, à bas coût et
modulable, Monsieur KALMAN ( géologue de formation) souhaitait s’entourer
d’élèves ingénieurs pour mener à bien son projet. Il a donc contacté PHELMA
qui a soumis l’idée en tant que projet aux élèves de première année.
Devant l’ampleur du coût du projet, Monsieur KALMAN a cherché des
partenaires pour financer la réalisation de l’éolienne verticale. Des établissements
publics locaux ont accepté de subventionner le projet avec un apport financier
de 5000€. En contrepartie, l’éolienne doit être exposée au public le 17 mai 2010
dans le cadre de la semaine nationale des entreprises locales.
1.2
Objectif:
L’objectif est de construire une éolienne verticale à l’échelle 1/2 répondant aux
critères suivants:
• l’éolienne doit être à voiles rabattables en cas de vents forts.
• elle doit développer une puissance entre 1 et 2 kW .
• elle doit être facilement transportable et implantable en milieu rural.
• elle doit être présentée à l’exposition des EPL la semaine du 17 mai 2010.
Il s’agit d’une première étape de développement d’un prototype en vue d’une
future commercialisation.
1.3
Point de départ:
Au début du projet, Monsieur KALMAN nous a fourni les schémas de principe,
ébauches des points techniques qui seront développés par la suite. Les voici:
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Rapport final
2
Points techniques:
2.1
2.1.1
Partie supérieure:
Poulie:
Figure 1: Modélisation en 3D du capuchon supérieur
Pour permettre le mouvement de translation des voiles, il est nécessaire d’utiliser
un système de poulie relié à la structure. Pour cela, la solution qui a été retenue
est un système de capuchon. Son rôle est de:
• porter l’axe de la poulie afin de ne pas percer le mât et le fragiliser.
• guider le câble à l’intérieur du mât pour éviter qu’il sorte de la gorge de
la poulie.
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Rapport final
• protéger l’intérieur du mât de la pluie ou de toute autre intrusion néfaste.
Celui-ci illustré sur la figure 1.
Le câble, qui est porté par la poulie, est attaché à une extrémité du système
supérieur de rotation.
2.1.2
Système supérieur de translation/rotation:
Figure 2: Modélisation en 3D du système supérieur de translation/rotation
Ce sytème est composé de 3 éléments:
• Un cylindre intérieur qui a pour rôle d’assurer la translation des voiles
supérieures. Sachant que φext
mat = 80mm et qu’il est nécessaire d’avoir 1
mm de jeu pour permettre la translation sans arc-boutement, φint
cylint =
82mm.
• Un roulement conique de diamètre intérieur 85, 675mm et de diamètre
extérieur 146, 05mm, assure la rotation de l’arceau supérieur par l’inter
médiaire d’un cylindre extérieur. Celui-ci est ”posé” à mi-hauteur sur le
cylindre intérieur.
• Un cylindre extérieur, de diamètre intérieur 146mm et d’épaisseur 2mm,
posé sur le roulement, permet d’accrocher et de soutenir l’arceau supérieur.
Des trous sont percés au bas de ce cylindre pour faire passer les cordes
reliées à l’arceau supérieur. Des noeuds bloquants assureront la fixation.
Remarque: Pour emboiter le roulement sur le cylindre intérieur, sachant que
le diamètre du cylindre est plus faible que celui du roulement, deux manières
sont envisageables:
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Rapport final
• plonger le cylindre dans l’azote liquide afin qu’il se ”contracte”.
• poncer le cylindre jusqu’à mi-hauteur, afin de faire passer le roulement et
qu’il repose dessus.
Finalement, on a opté pour une solution encore plus simple: Un cylindre de
double épaisseur a été usiné: une première épaisseur de 2 mm et une deuxième
de 5 mm qui va jusqu’à mi-hauteur de manière à ce que le cylindre repose dessus.
Le roulement n’est donc pas vraiment solidaire du cylindre mais cela n’a aucune
importance car une fois le système tendu, la tension est suffisante pour que le
cylindre et le roulement tournent ensemble.
2.2
2.2.1
Partie intermédiaire:
Transmission de la rotation:
Figure 3: Modélisation en 3D de la transmission de la rotation
La plaque d’entrainement (plaque carrée en acier d’épaisseur 2mm illustrée sur
la figure 3) est reliée à l’arceau inférieur par l’intermédiaire de cordes. Elle est
solidaire du système de rotation inférieur auquel elle transmet le mouvement
des arceaux.
Le système de rotation inférieur est calqué sur celui du système supérieur: il
est composé d’un cylindre intérieur de diamètre légèrement supérieur à celui du
mât(1 mm de jeu) sur lequel vient se poser un roulement conique à mi-hauteur.
La plaque d’entrainement est vissée sur un cylindre extérieur similaire à celui
du système supérieur.
La translation du cylindre intérieur est bloquée grâce à un collier fixé directement sur le mât. Ce système de bloquage présente l’avantage de pouvoir
régler la hauteur des voiles ainsi que la tension du cordage.
Sur cette plaque en rotation est fixée une poulie, laquelle va entraı̂ner un
système de démultiplication de vitesse.
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Rapport final
2.2.2
Système démultiplicateur de vitesse:
Figure 4: Modélisation en 3D du système de démultiplication
Le but est démultiplier par 40 la vitesse de rotation de la première poulie (vissée
elle aussi au cylindre extérieur) afin d’obtenir un rendement du moteur optimal.
La solution qui a été retenue est celle d’un système poulies-courroies plutôt
qu’un système à engrenages. Le système à engrenages est une technologie plus
performante pour la transmission. Cependant, elle exige une précision de montage plus pointue.
L’idée d’une transmission à un étage a été abandonnée car les différences
de diamètres entre les 2 poulies étaient trop importantes. On envisageait en
effet de travailler avec des grandes poulies (de diamètre de l’ordre du mètre)
en utilisant des jantes de vélo ou des poulies présentes dans les anciennes machines à laver. Mais l’encombrement et la résistance en traction normale de ces
solutions n’étaient pas suffisants pour ce genre d’application. Finalement une
démultiplication à trois étages (voir figure 4) avec des dimensions de poulies
plus faibles a été retenue. Les dimensions des différentes poulies retenues sont
récapitulées dans le tableau suivant:
Figure 5: Dimensions des poulies
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Rapport final
Pour des raisons pratiques, on a aussi placé des tendeurs afin de corriger
le jeu dans les courroies. Ces derniers sont placés sur des supports usinés sur
mesure qui leur autorisent une translation de 6cm.
Dans cette configuration, la génératrice est placée sous la plaque (fixe) qui
supporte les poulies de manière à aligner son axe avec celui du dernier étage de
transmission à l’aide d’un ”collier de jonction”.
2.3
Partie inférieure:
Figure 6: Modélisation en 3D du trépied
Afin de tenir le mât, un système de trépied (6), inspiré du modèle d’un pied de
parasol, a été mis en place. Celui-ci comporte un cylindre de guidage du mât
situé à 80cm de hauteur et un cylindre de support au bas(cf figure 7), lequel
comporte une fente avec une poulie qui permet le renvoie du câble vers le treuil.
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Figure 7: Modélisation en 3D du capuchon inférieur
Pour la fixation et le maintien du trépied, 4 tubes en U, d’une longueur de
1m20 chacun, sont reliés au cylindre de support. Ils sont chacuns fixés sur une
dalle de béton au moyen de 2 vis. Le treuil permet de hisser ou rabattre les
voiles manuellement. Il est rehaussé par un support en bois fixé à la dalle de
béton avec des tiges filetées.
2.4
Voilure:
L’éolienne est à axe vertical ce qui permet d’exploiter l’effet Savonius illustré
sur la figure 8.
Figure 8: Effet Savonius
Cette disposition verticale des voiles permet d’obtenir leur rotation quelque
soit la direction du vent et ce même par vent faible.
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Rapport final
Les voiles choisies sont en toile de parapente et ne supportent donc pas
des contraintes en tension trop importantes. C’est la raison pour laquelle des
câbles en acier relient les deux arceaux et supportent la tension. Les cordes
de tressage assurent le maintien sur les arceaux et celles de maintien latéral
assurent la tension latérale pour optimiser la prise au vent.
2.5
Résultats obtenus:
Le premier objectif était de construire une éolienne qui serait exposée lors
de la semaine des EPL. Il a été rempli malgré certains obstacles que nous
détaillerons par la suite.
Lors de cette présentation, on a pu mettre à l’épreuve le dimensionnement
des pièces dont les schémas techniques sont donnés en annexe. Celui-ci était
adapté dans la mesure où le montage s’est déroulé sans problème majeur et que
l’éolienne tournait sans gêne par la suite.
L’objectif de modularité du support a lui aussi été respecté grâce au travail
de Monsieur NICOLLET.
Cependant, à l’heure du rendu du rapport, nous ne sommes pas en mesure
d’affirmer que l’éolienne produit un courant de l’ordre de 1kW , ce qui est tout
de même l’objectif principal de ce projet. Avant la présentation à Polygone, il
reste donc à vérifier que la vitesse de l’axe de la dernière poulie du système de
démultiplication est environ quarante fois supérieure à celle des voiles.
De plus, les résultats concrets et chiffrés seront fournis par l’autre groupe
lors de la mise en commun du bloc électrique et du bloc mécanique.
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Rapport final
3
Gestion de Projet:
3.1
Organisation générale
• La partie mécanique est assurée par notre groupe et la partie électrique
est assurée par le deuxième groupe travaillant sur le projet. Les rôles plus
spécifiques des membres du groupe sont les suivants:
– CABY Berenger: Trésorier
– CHARBONNEL Romain: Responsable modélisation 3D
– CHERIF Maya: Coordinatrice entre les deux groupes
– CUAZ Fabien: Responsable communication
– SKOCIC Milan: Responsable site internet
• Travail de groupe tous les vendredi matin sur les différents problèmes
techniques
• Travail individuel après la mise au point lors du travail en groupe
• Compte-rendu écrit toutes les deux semaines disponible sur Dokeos
• Contact par mails avec les tuteurs au travers des référents des deux groupes
• Réunions avec le deuxième groupe pour un état des lieux de l’avancement
général dans les deux groupes
• Réunion avec les tuteurs pour une restitution des travaux réalisés
• Rapport écrit et présentation orale
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Rapport final
3.2
Feuille de compte:
Figure 9: Feuille de compte
Pour ce projet nous avions un budget conséquent grâce à la subvention offerte
par les Entreprises Publiques Locales et les différents apports de Phelma.
Cependant, un bon suivi des commandes et des achats a été nécessaire car le
budget était à diviser entre les deux groupes du projet. Cette gestion a été utile
puisqu’il n’y a aucun gâchis et tous les éléments reçus ont été utilisés durant le
projet.
Nous avons donc dépensé un peu plus de 5000 € en matière première mais
pour une future industrialisation, il faut aussi compter les autres facteurs comme
la main d’oeuvre des techniciens qui nous a été indispensable pour la réalisation
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Rapport final
de certaines pièces. On pourrait aussi compter la location d’un camion pour
transporter toutes les pièces aux différents lieux d’exposition qui gonflerait encore un peu la facture finale.
3.3
Analyse du diagramme de GANTT:
Figure 10: Diagramme de GANTT
Globalement le diagramme de GANTT n’a pas été respecté mis à part les
réunions avec les tuteurs. Ceci est principalement dû à la gestion de notre temps
de travail. En effet, nous avons mal évalué la durée inhérente à certaines tâches.
Beaucoup trop de temps a été consacré aux aspects techniques et à la réflexion
sur le dimensionnement des différentes pièces de l’éolienne.
D’autre part, nous étions obligés d’attendre les réunions avec les tuteurs pour
obtenir leur accord quant au lancement des commandes et nous n’avons pas osé
prendre des décisions seuls compte tenu des montants des devis, ce qui nous a
considérablement retardé. À cela s’ajoute les impondérables de l’administration
qui concernent notamment les commandes: nous avons en particulier fait appel
à des entreprises qui n’étaient pas référencées et cela a pris un temps conséquent.
Du fait de tous ces retards sur la réception des pièces, le montage n’a commencé qu’à la semaine 18 alors que nous avions prévu de le commencer un mois
plus tôt. C’est la raison pour laquelle nous avons été contraints de travailler sur
le projet pendant le week-end de Pentecôte afin d’être prêts pour l’exposition
qui débutait le lundi suivant. Nous devions en effet finir d’usiner certaines pièces
indispensables au montage de l’éolienne avec Monsieur Déportes.
Conclusion: Malgré tous les problèmes rencontrés, nous avons réussi à respecter les délais. En effet, l’éolienne était prête pour l’exposition qui commençait le mercredi 19 mai.
En ce qui concerne la présentation au public, des permanences ont été assurées tout au long de la semaine par les différents membres des deux groupes
du projet. Pour cette exposition, seule l’éolienne a été montée et nous n’avions
pas toute la partie qui gère la conversion de l’énergie mécanique en énergie
électrique.
Cependant, l’éolienne sera montée dans son intégralité lors de la soutenance
des projets de groupe à Polygone.
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3.4
Retour d’expérience:
Thèmes
Gestion de l’équipe projet
Gestion des aspects techniques et scientifiques
Succès
Chacun a eu des responsabilités en accord
avec ses spécialités et ses envies
On a su s’adapter aux contraintes techniques
qui sont apparues tout au long du développement
et le montage s’est parfaitement déroulé.
Tableau 1: Tableau des succès
Thèmes
Gestion du temps
Erreurs à éviter
Prendre des décisions plus rapidement
Suivi des opérations
Assurer le suivi des pièces auprès des techniciens
Causes identifiées
Peur de prendre des risques
compte tenu des montants
mis en jeu
Sentiment de gêne vis à vis
des techniciens
Tableau 2: Tableaux des erreurs
3.5
Apport personnel du projet:
Milan SKOCIC Ce projet m’a permis de me confronter à des objectifs concrets avec une échéance à respecter ce qui fût très enrichissant et stimulant. La
dimension du projet impliquait qu’un site internet soit crée pour vulgariser le
sujet et je me suis chargé de la mise en réseau du site internet car j’ai quelques
connaissances en informatique. Ce projet m’a vraiment tenu à coeur et j’ai fait
de mon mieux pour qu’il aboutisse.
Fabien CUAZ La dimension professionnelle du projet m’a séduit. J’aime
relever des défis et ce projet s’y prettait bien dans la mesure où il était vraiment
prenant et nécessitait une véritable implication. Je ne regrette pas tous les moments de stress et de doutes qui m’ont accompagnés lors de ce projet en voyant le
résultat final. J’ai apprécié la partie manuelle lors du montage car c’est un aspect
peu abordé dans notre formation ce qui est regrettable. La dimension humaine
fût aussi un élement déterminant: malgré quelques mésententes inhérentes à un
projet de groupe, je garde d’excellents souvenirs de cette expérience et j’espère
pouvoir la valoriser par la suite.
Bérenger CABY J’ai voulu réaliser ce projet car je voulais avoir l’opportunité
de construire quelque chose, et ainsi comprendre le rôle général d’un ingénieur
dans les différentes étapes de la conception. M’étant davantage intéressé à la
partie administrative, j’ai pu apprendre à tenir un budget conséquent, gérer des
commandes, gérer un planning qui s’est avéré être serré mais aussi prendre conscience des nombreux intermédiaires dont le rôle au sein même des projets n’est
pas à négliger. Grâce à la définition claire des rôles de chacun dès le début du
projet, nous avons eu une bonne gestion d’équipe ainsi qu’une bonne communication ce qui est important quand on travaille sur un projet de cette ampleur. Je
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Rapport final
suis satisfait de notre réalisation finale car elle est le résultat d’investissements
personnels importants mais aussi car elle m’a permis d’entrevoir notre futur
métier d’ingénieur.
Maya CHERIF Ce projet a été constructif pour ma formation d’ingénieur
dans la mesure où il m’a permis de me familiariser avec le travail en équipe.
En effet dans un groupe, les opinions ne sont pas toujours convergentes,
ainsi il faut faire des compromis pour pallier aux différends et faire avancer
le projet. D’autre part, l’ampleur du projet nécessitait d’adopter une certaine
organisation et d’instaurer une confiance entre les membres pour le travail que
chacun fournit. Ainsi ce fut une expérience humainement enrichissante.
La mise en pratique de la conception théorique était une expérience nouvelle
pour moi. Cela m’a permis de découvrir tout le cheminement qu’il y a entre
une conception sur papier et l’application sur le terrain. Enfin, j’ai ressenti un
grand enthousiasme et une satisfaction personnelle à voir un accomplissement
de 4 mois de travail aboutir petit à petit.
Romain CHARBONNEL Travailler sur le projet -éolienne- a été très intéressant.
Il a constitué une première expérience en tant que futur ingénieur. En effet, nous
avons du réfléchir sur des problèmes plus ou moins complexes et proposer des
solutions technologiques adaptées. Toutes ces solutions ont été modélisées puis
soumises à nos tuteurs. De là, nous avons du défendre nos idées ou s’adapter
en fonction de nouvelles contraintes.
C’est cette réflexion entre les besoins, le budget et le timing qui m’a beaucoup
plu. De plus, sortir des équations et réfléchir davantage aux aspects pratiques
et ergonomiques du produit a été une expérience nouvelle. Enfin, travailler sur
des problèmes mécaniques permet un échange d’idée très rapide : un dessin
sur une feuille de papier suffit à exprimer une idée. Par conséquent, la phase
de recherche dans le projet a été très interactive et on obtenait des résultats
concrets chaque semaine. Cela a été très motivant.
En contre partie, certains retards dus à une mauvaise élaboration du diagramme de GANTT, et une mauvaise gestion des commandes nous ont pénalisés
à la fin du projet. On pense cependant que l’éolienne sera prête et répondra au
cahier des charges pour la soutenance. Globalement, c’est un bilan positif et
une expérience enrichissante.
3.6
Évaluation latérale:
Face à la réussite du projet, nous avons estimé que l’investissement personnel
de chacun était équivalent d’où une note identique pour tout le monde.
Nom de la personne évaluée
CABY Bérenger
CHARBONNEL Romain
CHERIF Maya
CUAZ Fabien
SKOCIC Milan
Évaluateur 1
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18
18
18
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Évaluateur 2
18
18
18
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Évaluateur 3
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18
18
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Évaluateur 4
18
18
18
18
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Moyenne
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18
18
18
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Rapport final
4
Conclusion générale:
L’échéance de l’exposition des EPL a été respectée mais nous n’avons pu
présenter que la partie mécanique, c’est à dire la simple rotation de l’éolienne
sans le système de transmission et de génératrice. Toutefois le prototype complet
sera exposé lors de la soutenance des projets de groupe à Polygone le jeudi 3
juin 2010.
D’une façon générale, l’organisation de notre groupe s’est révelée efficace et
chacun a su apporter sa contribution. Mais, malgré toute la bonne volonté que
chacun a mis dans ce projet (certains n’hésitant pas à venir travailler le week
end de l’Ascension), nous nous sommes heurtés à des problèmes techniques et
administratifs dont l’accumulation a engendré des retards.
En effet, ce projet nécessitait du matériel technique pointu qu’il a été difficile de se procurer comme par exemple une cisaille pour plaque métallique.
Les moyens que nous avions à notre disposition n’étaient peut-être donc pas
suffisants devant l’ampleur de ce projet ambitieux.
Pour ce qui est des solutions envisagées, nous avons su nous adapter aux
remarques et exigences de Monsieur KALMAN que nous rencontrions toutes les
semaines avec Monsieur DÉPORTES. Même si cela a ralenti notre avancement,
le temps qui a été perdu fût rattrapé lors du montage qui s’est déroulé dans
d’excellentes conditions.
Bien que ce projet ait abouti, certaines améliorations sont envisageables pour
les années à venir:
• Chaque arceau pourrait être remplacé par un système de 4 bras portants,
fabriqués dans une matière plus légère telle que l’aluminium, qui seraient
directement fixés sur le cylindre de rotation.
• Le système de tressage des voiles pourrait être remplacé par un système
d’anneau plus maillon rapide relié aux oeillets des voiles.
• Un système de freinage est aussi une solution envisageable à l’avenir. Il
permettrait de ralentir la vitesse de rotation des voiles en cas de vent fort
ce qui empêcherait l’emballement de l’éolienne.
4.1
Remerciements:
Nous tenons à remercier:
1. Nos tuteurs respectifs Monsieur KALMAN, Monsieur DÉPORTES et Monsieur PETITCLAIR pour leur aide et conseils tout au long de ce projet.
2. Les techniciens Monsieur NICOLLET et Monsieur LUCCIANI pour l’usinage
des différentes pièces.
3. Les EPL pour leurs subventions et l’intérêt qu’elles ont pu porter à notre
projet en nous permettant de l’exposer.
4. L’administration de l’école pour les différentes démarches effectuées.
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A
Schéma technique: Capuchon supérieur
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B
Schéma technique: Système de translation/rotation
supérieur
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C
Schéma technique: Système de translation/rotation
inférieur
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D
Schéma technique: Trépied (vue globale
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E
Schéma technique: Plaque support et cylindre de guidage
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Schéma technique: Capuchon inférieur
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G
Description du prototype de l’éolienne
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H
Les EPL
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