Bibliographie 13. Lexique





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titreBibliographie 13. Lexique
date de publication23.10.2017
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Les éoliennes
Quels caractéristiques influents sur le rendements, la tension d'une éolienne?
Crée par:

Lesourd Ophélie

Prince Morgane
Professeurs

nous encadrant :

Mr Gros, Mr Lemoing

T STL Lycée vauban Brest 2012/2013
Sommaire :

  • Introduction




  • Définition, principe et fonctionnement d’une éolienne




  • Composition


A. Composition générale

B. Composition de la nacelle


  • Différents types d’éoliennes


A. Éolienne horizontale



  • Avantages et Inconvénients de l'éolienne tripales



  • Influences du lieu d’implantation




  • Expériences:




  • Logiciel mécaflux héliciel


B. Maquette et démonstration

10. Interprétation des résultats
11. Conclusion
12. Bibliographie
13. Lexique
1.Introduction
Nous cherchons a savoir quel paramètres fonts varier le rendement d'une éolienne . Nous nous intéresserons aux paramètres suivant: le lieu d’implantation, le nombre de pales , les matériaux de construction des pales. On a choisis ce sujet car c'est un sujet d'actualités, qui est important pour l'économie d'énergie et c'est une énergie propre . Nous allons tout d'abord nous intéresser a l'éolienne en général afin d'en comprendre sont fonctionnement. Mais aussi les caractéristiques principales,les lieux propice a son l'implantation. Nous verrons aussi si le nombre de pales ou les matériaux change le rendements , la tension grâce à l'utilisation du logiciel Mécaflux Héliciel ainsi que notre maquette.
2. Définition , principe et fonctionnement d’une éolienne

Une éolienne est un dispositif qui transforme l'énergie cinétique d'un vent en une énergie mécanique. L'énergie éolienne vient du mot grec Éole, le Dieu du vent c'est donc l'énergie produite par le vent. Le vent fait tourner les pales qui entraînent le générateur de l'éolienne. Celui-ci transforme alors l’énergie mécanique du vent en énergie électrique (type éolienne). L’électricité éolienne est dirigée vers le réseau électrique ou vers des batteries de stockage d'électricité éolienne.

3.Composition

A. Composition générale
Le mât permet d'élever l'hélice à une altitude adéquate, où la vitesse du vent et plus élevée et ne rencontre pas autant d'obstacles qu'au niveau du sol. Il sert à protéger les immenses câbles électriques qui passent à l’intérieur, ainsi l'électricité produite est acheminée peu à peu vers le réseau principal d’EDF. Dans le mât se trouve un passage permettant l’accès des agents d’entretien à la nacelle. Il existe 4 types de mât

Illustration : Mât en béton

Illustration : Mât en métal

Illustration : Mât haubané

Illustration : Mât en treillis


B. Composition de la nacelle

La nacelle contient tous les éléments mécaniques qui permettent de transformer l'énergie mécanique produite par les pales en énergie électrique : les pales, l'anémomètre et le rotor sont fixés sur la nacelle. A l'intérieur, se trouvent la boîte de vitesse, la génératrice,l es systèmes de contrôles,le capteur de température, le capteur de vibration et le capteur de vitesse La nacelle se situe à environ 60 mètres au-dessus du sol et les pales mesurent (sur une éolienne de 100 mètres) environ 32 mètres.
Une cabine qui est située au pied de l'éolienne et qui permet de se connecter au réseau EDF ou domestique pour une utilisation individuelle.

Le rotor qui est constitué des pales et du moyeu ainsi que les nombreux dispositifs de commande situés dans le nez.

Anémomètre qui mesure en permanence la vitesse du vent, il va transmettre au système de contrôle de façon à démarrer ou arrêter l’éolienne.

Le dispositif d’orientation de l’éolienne est situé sous la nacelle, il permet d’orienter les pales face au vent d’après les données recueillies par la girouette et l’anémomètre.

Le système de freinage est utilisé lorsque les vents sont trop forts et dépassent les 90km/h, en effet il permet d’empêcher le rotor de tourner. Car les vent trop violent risque d'avoir un impact sur le générateur qui peut «s’emballe» et donc détruire des composants de la nacelle. Mais le système de freinage sert a stopper l'éolienne pour effectuer des réparations.
L’arbre principal (ou axe principal) est directement entraîné par le rotor (principalement par les pales), il tourne à basse vitesse mais avec beaucoup de force (couple fort). Il est relié aussi à un multiplicateur.

L’arbre rapide (ou axe secondaire) est relié en sortie du multiplicateur, il fait la connexion entre le multiplicateur et la génératrice. Sa rotation est beaucoup plus rapide (environ 1500tr/min), mais sa force est bien plus faible.

Le multiplicateur est entraîné par l'arbre principal; qui par un système complexe d’engrenages va transformer le mouvement lent et puissant de l’axe principal en un mouvement très rapide mais de force plus faible.

La génératrice permet la transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique. Elle est soit directement sur l'axe de l'aéromoteur, soit entraînée par un multiplicateur. Il existe 2 types de génératrice ,la dynamo (permet de fournir un courant continu directement utilisable) et (l’alternateur qui permet de fournir une fréquence variable en fonction de la vitesse de rotation).

L'alternateur crée un courant en faisant tourner des bobines ou des aimants, placés sur le rotor et qui créent ainsi un champ magnétique. Il nécessite donc un convertisseur et est utilisé plus particulièrement par les éoliennes domestiques

Les pales sont une surface importante en rotation autour d'un axe. Il y a plusieurs pales au nombres de trois en général, qui sont fixées à un moyeu central pour former un rotor. Ici c'est un dispositif aérodynamique destiné à créer un déplacements de molécules du fluide dans lequel il se déplace afin d'en exploiter les différences de pression qui en résultent.
4. Les différents types d'éoliennes:

Il existe deux grands types d’éoliennes , les éoliennes à axe vertical et celle à axe horizontal. Nous allons nous intéresser aux éoliennes à axe horizontal afin d'effectuer nos expériences.

A. Les éoliennes à axe horizontal:

Il existe deux catégories d’éoliennes : Les éoliennes on-shore (sur les continents), et les éoliennes off-shore (sur la mer). Les éoliennes off-shore présentent moins de contraintes sonores , et profites des vents marins plus nombreux et plus forts que les vents continentaux. En revanche elles sont beaucoup plus difficiles à installer et donc beaucoup plus coûteuses.

5 .Avantages et inconvénients de l'éolienne :


Avantages

Inconvénients

Énergiepropre et inépuisable et renouvelable (ne polluent ni les sols ni les nappes phréatiques). Une éolienne émetseulement 50 décibels

Contraintes financières obligent à installer les éoliennes le plus près possible des villes qu’elles desserviront

Ne nécessite aucun carburant, ne crée pas de gaz à effet de serre , ne produisent pas de déchetstoxiques ou radioactifs

Destructiondes paysages (l'esthétique)

Lors de l'installation de grands parcs éolien sur des terres agricoles: 2% du sol requis pour leur implantation.

Les éoliennes produisentune énergie intermittente

La production éolienne d'électricité suit notre consommation d'énergie (e vent souffle plus souvent en hiver, et cette saison est celle où la demande d'électricité est la plus forte)

L'énergie éolienne est dépendante de la topographie, de la météo et de l'environnement

Offre la possibilité de réduire ces factures d'électricités

Les éoliennes mettent en danger les espèces animales, elles sont très mortelles pour les oiseaux

Rapide à construire et son démantèlement garantit la remise en état du site original.

Ils y a des problèmes d'interférences électromagnétiques

Le crédit d'impôt imposé en 2012 de 32 %.

Lors de la mise en place d’un projet de construction d’éolienne, il faut tenir compte des différents couloirs de migration, en contactant différentes associations

Énergie permettant de parvenir à la réalisation des objectifs de l'Union Européenne pour 2020 (20% d'énergies renouvelables )

Les éoliennes restent surtout très meurtrières pour les chauves-souris attirées par les ondes sonores


Nous cherchons a présent a savoir quel est l'influence du lieu d'implantation et sont influences sur le rendements.
6. Influences du lieu d’implantation:
Certains sols ne permettent pas l’installation de telles fondations ou alors ne résistent pas aux forces auxquelles ils sont soumis dans de tels cas.Les forces appliquées au mât d’une éolienne sont très puissantes, celui-ci doit être encré au sol par des fondations très résistantes.
La présence de forêt était très peu propice aux éoliennes, en France c'est une contrainte majeure .

Les autoroutes et les voies express, sont des zones où des éoliennes ne peuvent être implantées. De plus, d’après certaines lois les éoliennes doivent être situées à plus de deux fois leur hauteur d’une route, ce qui signifie qu’une éolienne de 100m de haut ne peut se trouver à moins de 200m d’une route.
Illustration : Carte des vents de France

Les vents ont un influences considérable sur le rendement d'une éolienne. On note que une éolienne peut commencer à produire une quantité d’énergie exploitable pour des vents dépassants les 19km/h (5.5m/s) et inférieurs à 90km/h (25m/s). Les zones idéales en France selon la carte,(illustration 5) sont les zones en rouge, les zones en orange foncé et claire. Les autres zones peuvent accueillir des éoliennes mais celles-ci seront moins rentables.

Les reliefs les plus contraignants sont les montagnes jeunes, alors que les plaines, plateaux et montagnes anciennes sont les lieux les plus propices à l’installation d’éoliennes. En effet, une éolienne a besoin d’un vent constant, afin de fonctionner correctement et donc avoir un rendements maximum. On constate alors que les zones les plus adaptées à l'exploitation des éoliennes en France sont la Bretagne, les Pays de la Loire, le Limousin, le Poitou Charente, le Nord-Pas-de-Calais, les contours de la Méditerranée et les zones en bordure du Rhône de la région Rhône Alpes.
8. Expériences:



Quand nous avons commencé nos recherches sur ce projet, nous voulions travailler sur différentes maquettes, le travail était donc considérable.

On a eu l’idée de chercher sur internet si il existait un logiciel permettant de calculer le rendement en fonction du nombre de pales d’une éolienne et nous en avons trouvé plusieurs mais celui qui correspondait le plus au profil de notre projet fût Héliciel Mécaflux. Nous avons donc pris l’initiative de contacter les administrateurs du site afin de savoir s’il était possible d’obtenir le logiciel gratuitement pour notre projet. Nous avons rapidement obtenu une réponse positive. Ils nous ont demandé des informations sur le lycée (Nom, adresse, numéro), les professeurs nous encadrant et sur le but d’acquisition de ce logiciel, afin de vérifier la fiabilité de sa future obtention. Après de brefs échanges, nous avons reçu 3 clés permettant d’utiliser le logiciel. Les administrateurs nous ont fait part de leur désir d’obtenir une copie des résultats de nos recherches.

Nous avons fait différents tests afin de vérifier si l'utilisation d'éolienne a trois pales est justifier par un meilleur rendements propulsif.

2 pales en aluminium :

Graphique 1

On constate que le rendements propulsif (courbe noir) varie beaucoup sous forme de pic , il passe de 0,18 à 0,20 pour une vitesse de vent d'environ 8 m/s. Ce que peut être du à des problèmes d'équilibrage et de vibrations, lié au faite que l'inertie de rotation est maximum lorsque les pales sont horizontales, et devient nul lorsque les pales sont verticales . La puissance utile qui est constatée en terme de déplacement, celle qui nous est utile (P.Utile=vitesse avant l'hélice X Poussée) passe de 313W pour 8 m/s à 446W pour une vitesse de fluide de 9 m/s.Le coefficient de puissance quant-a lui varie par exemple il passe de 0,15 pour 8,0m/s à 0,20 pour 8,1m/s.

3 pales en aluminium:
Graphique 2

On remarque que le rendement propulsif pour une éolienne tripales est croissant, il passe par exemple de 0,37 pour une vitesse de fluide de 8m/s à 0,44 pour 9m/s.. La puissance utile passe de 313W pour 8 m/s à 446W pour une vitesse de fluide de 9 m/s. Et le coefficient de puissance quant a lui augmente par exemple il passe de 0,37 pour 8,0m/s à 0,44pour 8,1m/s.

4 pales en aluminium,:

Graphique 3

On remarque que le rendement propulsif pour une éolienne a quatre pales à un pic décroissant puis est croissant, il passe de -0,3 pour une vitesse de fluide de 8m/s à -0,1 pour 9m/s.. La puissance utile passe de 313W pour 8 m/s à 446W pour une vitesse de fluide de 9 m/s. Et le coefficient de puissance quant a lui augmente par exemple il passe de 0,3 pour 8,0m/s à 0,1 pour 8,1m/s.

On constates que le meilleur rendement propulsif est obtenu pour une éolienne ayant trois pales. La puissance utiles est quant -à elle en constante augmentation dans tout les cas que nous avons étudiés. Nous allons faire varier différents paramètres afin de vérifier si la tension varie en fonction de ces paramètres.

B. Maquette et démonstration

Nous avons crée une maquette d'éolienne. Nous avons construit des pales avec différents matériaux afin de montrer sont influence sur la tension. On a également fait varier le nombres de pales de 2 à 4 . Nous avons également fait le test de la mono pales mais comme nous le pensions ce n'est pas possible car le déséquilibre est trop important et la pales ne parvient pas a effectuer une rotation.

Expériences afin de déterminer combien de pales et quel matériaux faut-il pour avoir une meilleur tension possible.

Graphique 4

Pales en plastique (Graphique 4):

On peut noter que pour des pales en plastique la tension la plus forte est obtenu pour une éolienne tripales , 0,017mV pour une vitesse du vent de 7,3m/s alors que pour une éoliennes bipales on obtient un tension égales 0,014mV pour une vitesse de vent de 7,3m/s. L'éolienne à quatre pales a une tension égale à 0,016 pour une vitesse de vent de 7,0m/s.

Pales en carton (Graphique 5) :

Graphique 5

Pour une éolienne à trois pales on a 0,026mV pour une vitesse du vent de 6,0 m/s alors que pour une éoliennes bipales on obtient un tension égales 0,017mV pour une vitesse de vent de 6,0 m/s. Avec l'éolienne à quatre pales, on obtient une tension de 0,015mV pour une vitesse de vent de 6,0 m/s. Donc on remarque que pour des pales en carton, la tension la plus forte est obtenu pour une éolienne tripales.

Pales en papier bristol:

Graphique 6

Pour une éolienne a trois pales, on à une tension de 0,016mV pour une vitesse du vent de 6,4m/s alors que pour une éoliennes bipales on obtient un tension égales 0,011mV pour une vitesse de vent de 6,2 m/s. On observe que pour des pales en papier bristol la tension la plus forte est obtenu pour une éolienne tripales.

On constate que la meilleur tension est obtenu lorsque l'on utilise trois pales. Mais qu'elle est le meilleur matériel. Nous comparons les trois matériaux dans le graphique 7.

Graphique 7

Nous constatons que sur notre maquette d'éolienne la meilleur tension est obtenu pour le carton, puis le papier bristol et ensuite le plastique. Pour un vent de 6 m/s la tension est 0,024 mV lors de l'utilisation du carton alors que pour du papier , elle est de 0,017 mV.

Le plus mauvais matériaux est le plastique avec une tension minimal de 0,013mV et une tension maximum de 0,017mV.

On en conclus que la vitesse du vent ,les différents matériaux utilisés fonts variés la tension.
11.Conclusion
On cherchait à savoir qu'elles caractéristiques ont une influence sur le rendements, la tension d'une éolienne. Nous avons vu que le lieu d'implantation influe sur le rendements d'une éolienne car une éolienne a besoin d'un vent constant pour pouvoir fonctionner correctement. En effet elle commence a produire une quantité d’énergie exploitable pour des vents dépassants les 5.5m/s et inférieurs à 25m/s. Et elle ne peuvent pas être implantés partout. On a montré que la tension varie en fonction du nombre de pales et des matériaux de construction et de la vitesse du vent. En effet plus la vitesse du vent est élevé plus la tension est importante.

On peut dire que nombre de pales standard qui est de trois s'explique du faite que le vent étant freiné par les obstacles au sol, la vitesse du vent augmente avec l’altitude de ce fait, le vent en haut d’une éolienne soufflera plus fort qu’en bas du rotor. Dans le cas d’une éolienne à une ou deux pales, la variation de la force sur le moyeu est alors plus importante car lorsqu’une pale est au plus haut, l’autre pale est au plus bas, obligeant alors la mise en place de systèmes spécifiques. En revanche, l’installation de trois pales permet une compensation de ces différences et une moindre variation de puissance à chaque rotation du rotor. Il s’explique aussi comme nous l'avons vu dans nos expériences du faite qu'elle aient un meilleur résultats de tension , un meilleur rendement propulsif .

Nous constatons que les éoliennes produisent une quantité d'énergie non négligeable, que nous pouvons qualifier d'énergie "propre". En effet, une éolienne ne dégage pas de polluants lors de son fonctionnement et ne laisse aucune trace sur son lieu d’implantation après la durée de celui-ci. Mais il faut savoir que l’énergie nucléaire, par comparaison à l’énergie éolienne, est beaucoup plus productrice.

Les éoliennes ne produisent donc pas une quantité d’énergie suffisante pour alimenter des réseaux trop importants.

A ce jours,l’enjeu essentiel serait donc de penser à réduire nos consommations d’énergie individuel. Mais aussi de se demander comment les éoliennes pourrait-elles fournir une quantité d'énergie suffisante afin de pouvoir réduire au maximum l' énergie nucléaire . Et également comment faire pour supprimer au maximum les contraintes d'une éolienne.

12. Bibliographie

http://tpeeoliennefoucauld20092010.wifeo.com/2-conditions-dimplantation-des-eoliennes.php

http://tpeeoliennefoucauld20092010.wifeo.com/3-la-structure-externe-des-eoliennes.php

http://www.ecosources.info/dossiers/Eolienne_verticale_Darrieus

http://wiki.pistes.org/images/c/c9/Conception_mini_eolienne.pdf


13. Lexique
Tension:c'est la différence de potentiel électrique entre deux points d'un circuit électrique. L'unité de mesure en est le volt (unité SI) dont le symbole est V.
Une puissance:En physique, la puissance est la quantité d'énergie par unité de temps fournie par un système à un autre. Une puissance est mesurable à n’importe quel moment. La puissance électrique s’exprime en watts (W), kilowatts (kW) correspondants à 10^3 W, mégawatts (MW) correspondants à 10^6 W, gigawatts (GW) correspondants à 10^9 W.

Un watt correspond à un courant de un ampère sous une tension de 1volt. La puissance en Watts est égale à la tension en Volts multiplié par l’intensité en Ampères : W = U * I

Énergie:En physique, la notion d’énergie correspond à la quantité de travail qu’est susceptible d’effectuer un système. L’énergie peut être convertie, par exemple,l'énergie cinétique des molécules d'air en mouvement (vent) peut être transformée en énergie mécanique de rotation par le rotor d'une éolienne, On mesure l’énergie en joules (J), un joule correspond à 1 watt seconde (Ws) c’est à dire la puissance d’un joule délivrée pendant une seconde.
Puissance utile: C'est celle qui produit un travail utile suivant la fonction de l'appareil électrique. Elle se calcule en faisait U*I*cos(phi) en régime sinusoïdal, U étant la tension, I étant le courant (tous les 2 en valeurs efficaces) et phi est le déphasage entre tension et courant. C'est celle que l'on consomme réellement, ce qu'un wattmètre mesure en watts et c'est ce qu'on paye en tant que particulier grâce au compteur de la maison.
L'effet Magnus: L'éolienne Magnus est un nouveau type d'éolienne apparu récemment, on en trouve donc encore très peu sur le marché.Cette éolienne est différente des éoliennes classiques, qui sont de plus en plus présentes aujourd'hui, car en effet il n'y a plus de pales mais des cylindres en rotation qui permette la production d'électricité grâce a un phénomène physique appelé effet Magnus.Lorsqu'un objet se déplace, il créé un courant d'air, Ce courant d'air lorsque l'objet est circulaire et en rotation va être modifiée par les frottements, d'un coté l'air sera accéléré, la pression va augmenter. De l'autre coté à l'inverse, l'air sera moins présent et donc la pression sera plus faible. Le sens de rotation de l'objet joue également un rôle dans la position des flux d'air. Les 2 courants d'air crée une force perpendiculaire au vent orienté là où la pression est plus faible, c'est ce qui va entraîner l'éolienne.Sur le schéma on peut très bien voir ces deux courants d'air, en bas le courant avec une pression faible et une vitesse accéléré et en haut celui avec une pression plus élevée. Le schéma nous montre aussi que si le sens de rotation aurait été inversé, les flux l'auraient été aussi (flux avec un pression faible en dessous et l'autre flux au dessus) (illustration 6)
Illustration

Merci a Jean-François IGLESIAS pour nous avoir gentillement fourni le logiciel mecaflux Héliciel qui a contribué a la réussi de notre projet.

fin

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