b) L'énergie éolienne.


Qu'est ce que l'énergie éolienne? :
Le vent peut être défni comme étant un déplacement de différentes masses d’air. En effet, on observe que le soleil chauffe de maniére plus intense au niveau de l'équateur. Cet air chaud est beaucoup plus léger et va, donc, s'élever et se diriger vers les régions les plus froides du globes, les pôles. Cet air, devenu frais, va se rediriger vers l'équateur.
De plus, on remarque des montées et descentes d'air entre les pôles et l'équateur ainsi que des déplacaments d'air latéraux à cause de la rotation de la Terre. Tous ces déplacements font partis de l'énergie cinétique, c'est à dire l'énergie du vent, et sont appelés énergie éolienne.

Enfin, on sait que l'homme à toujours et aura toujours besoint d'énergie dans sa vie quotidienne: le bois, le pétrole, le charbon, le soleil...
A l'origine, l'énergie éolienne est une énergie utilisée pour faire tourner un ensemble de pâles appelées moulin à vent, afin de pomper l'eau ou de faire tourner une meule.
Aujourd'hui, on utilise cette énergie pour produire de l'électricité.

 

Schéma représentant le déplacement du vent. 

 

Qu'est ce qu'une éolienne?:
Une éolienne est un dispositif qui utilise la force du vent pour produire de l'électricité. Le mot éolienne vient du nom Eole, le dieu des vents dans la mythologie grecque.
Cette force peut être utilisée mécaniquement, grâce à une éolienne de pompage par exemple, ou pour produire de l'électricité dans le cas d'un aérogénérateur.
Pour décrire un groupe d'éolienne, on parle de parc éolien.

Elle est composée de pales en rotation autour d'un rotor et actionnée par le vent. Elles sont généralement utilisées pour produire de l'électricité.
Le rotor, entrainé par le vent va faire tourner l'arbre, qui lui même entrainera le mécanisme d’une génératrice qui elle produira de l’électricité. C’est un aérogénérateur.

 

 

 

 Schéma détaillé du fonctionnement d'une éolienne.

 

Quels sont les différents types d'éoliennes? :

- Les éoliennes à axe horizontal:
Les éoliennes à axe horizontal souvent appelées "éolienne à hélices" sont basées sur le principe des moulins à vent. Elles s'orientent suivant la direction du vent et sont souvent constituées de trois pâles.
Les éoliennes à axe horizontal sont les plus employées car leur rendement est supérieur à celui des éoliennes à axe vertical, elles sont moins exposées aux contraintes mécaniques et sont moins couteuses.

 

 

Eolienne à axes horizontal.



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 Les éoliennes à axe vertical:
L’axe du rotor est perpendiculaire au sol. Ces éoliennes n'ont pas besoin de systèmes pour les orienter dans la direction du vent, mais leur efficacité est médiocre par rapport au type horizontal, car elle capte deux fois moins d'énergie dans le vent.

 

 Eolienne à axe vertical.

 

Comment fonctionne une éolienne? :
L'explication qui suit concerne les éoliennes les plus utilisées : celles à axe horizontal.

L’énergie cinétique contenu dans le vent est captée par les pales aérodynamiques de l’éolienne qui freine le vent. 
En effet, en freinant le vent, les pâles de l'éolienne sont soumises au dessus et en dessous à un système de pressions qui génère la rotation du rotor.  Le vent fait alors tourner le rotor à environ 13tours par minutes. De plus, pour augmenter sa vitesse, l'éolienne doit avoir un multiplicateur de vitesse qui multiplie la vitesse du rotor à environ 1500 tours par minutes.  Cette rotation créer une énergie mécanique qui est transmise à l’arbre de la génératrice afin de produire une électricité utilisable.

 

Composition de l'intérieur d'une éolienne.

 

Quels sont les composants d'une éolienne? :


 

 

 Schéma d'une éolienne.

 

 

- Le mat : il est généralement en métal et il supporte la nacelle et le rotor c'est à dire l'ensemble des éléments capable de fournir l'électricité. Il est fixé à une fondation en béton, elle même plantée dans le sol. Le mat des éoliennes atteint aujourd'hui 80m de haut pour les plus puissantes. A quoi sert le mat? D'une part, il sert a surélever les pâles car le vent souffle plus fort à quelques dizaines de métre de hauteur. En effet, la puissance fournie par une éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse. D'autre part, il n'est pas perturbé par les obstacles tels que les reliefs.

- Les pâles : elles sont réalisées dans un mélange de fibres de verre et de matériaux composites. Elles ont pour rôle de capter l’énergie cinétique du vent et de la transfèrer au rotor.

Voici le diamétre des pâles en fonction de la puissance désirée:

 

- Moyeu du rotor : il  transmet le mouvement de rotation à l’arbre principal.

- Arbre de transmission : aussi appelé "arbre primaire",  il reçoit le mouvement de rotation du moyeu afin d’entraîner la génératrice électrique. Il est dit arbre lent car il tourner à des vitesses comprises entre 20 et 40 tours par minute. De plus, on remarque qu'il est relié à l'arbre secondraire grâce au multiplicateur.

- Le multiplicateur: (aussi appelé "transmission") il permet de transformer un vitesse lente en une vitesse rapide. En effet, la rotation des pâles, qui est trop lente, ne peut être utilisée par la génératrice.

- Frein : il sert à arrêter l’éolienne en cas d’urgence, ou pour effectuer des réparations.

- Génératrice : elle peut être un générateur à courant continu ou un alternateur; dans tous les cas elle transforme l'énergie mécanique que lui transmet le rotor, en énergie électrique.

- Nacelle : elle sert principalement à abriter les éléments qui produisent l'électricité; c'est le coffret qui se trouve en haut de la tour. Le transport de l'électricité produit dans la nacelle jusqu'au sol est assuré par des câbles électriques descendant à l'interieur du mat.

 

- Le systéme de rotation: Il est équipé d'un moteur et permet d'orienter l'éolienne dans l'axe du vent grâce à une frein. 

Quelle quantité d'énergie peut produire une éolienne? :
La quantité d'énergie électrique que peut produire une éolienne est calculée en fonction de la quantité d'énergie cinétique qu’elle peut récupérer du vent.
Cependant, un principe physique énoncé par l’allemand Albert Betz indique que toute éolienne avec un rotor en forme de disque ne pourra jamais convertir plus de 59 % de l’énergie cinétique contenue dans le vent en énergie mécanique.


P = 1/2 Dm V²

Dm est le débit massique exprimé en Kg/s et se calcule comme suit :

Dm =ρ S V

ρ est la densité de l’air exprimée en kg/m3= 1.225 kg/m3, à 15°C, à pression atmosphérique normale.

S est la surface d’un disque = π r2  exprimée en m2.

V est la vitesse du vent traversant la surface du disque, exprimée en m/s.

De plus, si l'on remplace Dm de la premiére équation, par m de la deuxiéme équation on obtient:

P = 1/2 ρ V3

 


Donc:  P = 0.5 × 1.225 S V3

              P = 0.6125 S V3 exprimée en Watts


En outre, selon la loi de Betz, on sait que seulement 59% de l'énergie extraite du vent peut être transformée. Voici donc la puissance que peut récupérer une éolienne:

Précupérable du vent = 59 % de la puissance du vent = 0,59 × 0,6125 S V3

 

Ce résultat exprime la puissance maximale récupérée par m2 de surface en forme de disque lorsqu'un vent la traverse de façon perpendiculaire. Cependant, il faut que les conduitions suivantes soient remplies: la température est de 15°C, la densité de l'air est de 1.225Kg/m3 et la pression de l'atmosphére est normale.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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