Description de l'éolienne

Une éolienne est divisée en trois partie distinctes.

le mat: le mat est l'axe horizontal de l'éolienne qui permet de placer le rotor à une certaine distance du sol variant entre 80 et 100 mètres pour les plus hautes mais cela varie surtout selon la configuration du terrain et des vents de ce lieu en effet le vent ne sera pas perturbé par des obstacles naturels ou architecturaux. Cette hauteur ne doit pas être négligée car le vent souffle plus fort à quelques mètres du sol. Cela permet alors le bon fonctionnement de rotation des pales.

Le rotor: le rotor composé de plusieurs pales (=elice) et du nez de l'éolienne. Entraîné par l'énergie du vent celui-ci capte l'énergie produite et la transforme en énergie mécanique de rotation permise par les pales. Le rotor est directement relié à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu. Un frein permet de faire fonctionner l'éolienne en cas de vents importants où l'éolienne pourrait être endommagée.

Les pales ne peuvent pas dépasser~ les 90km/h soit 30 tours/min

La nacelle:la nacelle est comme le rotor, montée au sommet du mat de l'éolienne. La nacelle abrite tous les composants électriques, électroniques et pneumatiques nécessaires au bon fonctionnement de l'éolienne qui produisent l'électricité à partir de la rotation de l'axe du rotor. Un système d'orientation permet de placer la nacelle et donc les pales face au vent afin de maximiser la récupération d'énergie. Une génératrice transforme l'énergie mécanique de la rotation des pales et donc du rotor en une énergie électrique. On pourrait prendre la dynamo d'un vélo pour un exemple à une échelle plus petite.

Introduction

Le mot éolien vient du nom Eole, dieu des vents chez les grecs et les romains. A l’image des dieux, les éoliennes sont d’immenses appareils qui transforment l’énergie du vent en énergie électrique ou mécanique. C'est l'une des plus anciennes énergies utilisées par l'homme : aux siècles passés, cette forme d'énergie a rendu possible la découverte du monde par les navigateurs, mais elle a servi aussi pour activer les moulins à blé et pour remonter l'eau des puits. De nos jours, il existe différents types d’éoliennes. L’énergie du vent est de plus en plus exploitée, parce qu’elle ne produit aucun déchets toxiques elle est gratuite sans rejets de gaz a effet de serre (GES), l’énergie du vent et inépuisable, et ne manque pas d’atouts. Aujourd’hui il y a en France 2500 éoliennes en France. Le ministère de l’écologie dirige par Jean-Louis BORLOO souhaite que 10% de la production d’électricité en France soient produits par l’éolien d’ici 2020.La filière compte 7000 salaries et pourrait en employer 60000 d’ici 2020. Ce blog aura pour but d’expliquer pourquoi la plus part des éoliennes ont-elles trois pales.




Afin de débuter ce TPE sur de bonnes bases, nous nous sommes rendus nous même au parc éolien de Rochereau près de Vouillé. Cela nous servis à avoir un avis sur plusieures hypothèses comme le bruit.

Voici quelques photos de notre sortie en plein-air:






Notre TPE doit répondre à la question:
"Pourquoi la plupart des éoliennes ont-elles trois pâles ?"
C'est pour cela que l'on a établis six hypothèses qui devraient répondre à notre problématique. Ces hypothèses que l'on va essayer de démontrer expérimentalement tout au long de ce blog sont:
-l'équilibre de l'éolienne
-le coût de l'éolienne
-l'impact sur la faune
-le rendement
-l'esthétisme de l'éolienne
-le bruit de l'éolienne.

Le cout d'une eolienne

-Une éolienne moderne est conçue pour fonctionner pendant environ 120.000 heures durant ses 20 années de durée de vie - donc sensiblement plus longtemps qu'une voiture dont la durée de vie, à titre de comparaison, n'est que de quelque 4.000 à 6.000 heures.

Outre les économies d'échelle en fonction de la taille de l'éolienne, il est souvent possible d'en faire en exploitant un parc éolien entier au lieu d'une éolienne individuelle. Ces dernières économies d'échelle portent sur les visites d'entretien tous les six mois, la surveillance, l'administration, etc.
-Réinvestissement dans l'éolienne (rénovation majeure)
Certains composants sont plus sujets à l'usure que d'autres - surtout les pales du rotor et le multiplicateur.

Nous allons nous centrer sur les pales des éoliennes. Par rapport au coût et au possibilités de capter l’énergie du vent, on conclus qu'une éolienne a quatre pales serait plus chère qu'une éolienne a trois mais ces deux éoliennes auraient la même capacité de produire de l’énergie (vitesse du rotor a environ 12 a 15 tours minutes puis passe dans le multiplicateur pour arriver à 1500 tours minute). Dans ce cas une éolienne à deux pales serait contrainte à pouvoir produire moins d’énergie. Donc par conséquent, le coût joue un rôle dans le choix du nombre de pales d’une éolienne, la gamme des éolienne allant de 10 000 à 90 000 EUR.

L'impact sur la faune

Le jour avec une bonne visibilité, les risques de collision directe avec les pales de l’éolienne et les oiseaux sont négligeables. Cependant, il n’est pas rare de retrouver au pied du mat de l’éolienne quelques cadavres d’oiseaux le lendemain matin .mais la collision des oiseaux avec les fermes d’éoliennes n’est pas le seul problème, en effet avant d’être passé dans l’aérogénérateur le vent est précipité vers le bas ce qui provoque un assèchement dans le sillage de l’éolienne. De nombreuses études ont étés menés à travers le monde autour des parcs éoliens pour analyser leur impacte sur les oiseaux. Tous les suivis démontrent que la mortalité des oiseaux est faible voir très faible. Ces suivis démontrent également que plus de précautions sont prise dans le choix des sites et dans l’agencement des éoliennes, plus cette mortalité est faible. Il peut en effet arriver que par mauvais temps ou par distraction des oiseaux ne contournent pas les hélices des éoliennes en rotation. Le comportement peut aussi être différent d'une espèce à l'autre. Il est donc indispensable que l'implantation des éoliennes tienne compte des routes suivies par les oiseaux migrateurs. La LPO est d’ailleurs particulièrement attentive au développement de l’éolien en France afin qu’il se fasse dans le respect de la bio-diversité .On prend par exemple pour 10 000 morts d’oiseaux moins d’un oiseaux est tué par une éolienne alors que la chasse tue plusieurs millions d’oiseaux par an.


Après avoir recherché de nombreuses informations pour savoir si les éoliennes à trois pales avaient une relation avec les collisions entre oiseaux et éoliennes nous en avons conclus que le nombre de pales d’une éolienne n’est pas le seul facteur des collisions. Il y en a deux autre qui sont sûrement les plus importantes d’après nos sources d’information. Plus la vitesse du vent qui entraîne les pales est importante plus il y a de probabilités de collision. Le facteur le plus important de tous est l’emplacement de l’éolienne. En effet si l’on implante un parc éolien sur le chemin des oiseaux migrateurs, il y est forcement plus probable que la collision est lieue.

L'équilibre d'une eolienne

Une éolienne avec 3 pâles a plus d'équilibre qu'avec 2 pâles ou 4 ?

Nous avons poser cette hypothèse car d'après nous, avec le « mouvement de balancier » une éolienne possédant 3 pâles a bien un meilleure équilibre.

Nous vérifions cette hypothèse grâce au Barycentre.

Nous savons que chaque pâles sont affectées de la même masse (environ 6,5 tonnes pour une éolienne de 80m) et sont chacune à équidistance l'une de l'autre.

On pose:

Soit ABC, un triangle équilatéral, avec le point A affecté de 6,5 le point B affecté de 6,5 et le point C affecté de 6,5. On cherche d'abords le barycentre de [AB] que l'on note I, et comme A et B sont affectés de la même masse alors I se trouve au centre de [AB]. On cherche maintenant J

barycentre de [BC] et de même que pour I, J est l'isobarycentre de [BC] et donc J est le milieu de [BC]

On cherche K le barycentre de [AC], et de même encore que I et J, K est l'isobarycentre de [AC] et il est donc le milieu du segment [AC]

Dans son sens le plus courant, une médiane désigne, dans un triangle, une droite joignant un des sommets du triangle au milieu du côté opposé. Donc ici les médianes passent toutes par les isobarycentre et se coupent au centre de gravité du triangle soit dans le cas des éoliennes au centre du rotor.

Avec cette loi de l'isobarycentre nous pouvons donc dire que le fait qu'il y a ait un nombre x de pâles ne jouent pas sur l'équilibre puisque les pâles seront toujours afféctées du même poids.

Ainsi le nombre de pâles ne jouent pas sur l'équilibre de l'éolienne et cette hypothèse est fausse.

Rendement

Tout d'abord nous avons recherché sur Internet une formule permettant de vérifier cette hypothèse et nous l'avons trouvée. C'est la formule de Betz:

Ou
p: masse volumique de l'air (air atmosphérique sec, environ : 1,23 kg/m3 à 15 °C et à pression atmosphérique 1,0132 bar)
V: vitesse du vent en m/s

Mais nous ne savons pas ce que represente avec notre niveau d'étude S.
Nous avons donc choisi de répondre à nos hypothèse par nos propres moyens.
Nous avons alors élaborés trois maquettes d’éoliennes, une a deux pales, une a trois pales et une éolienne a quatre pales. Bien sur ces maquettes sont a échelle réduite de 1centimètre pour 10mètres. C’est à a l’aide d’un sèche cheveux qui va simuler le vent que l’on va distinguer l’éolienne dont les pales font le plus de tours.


-Cette expérience a été réalisée avec trois maquettes d’éoliennes qui restent modestes, de simples allumettes et morceaux de cartons découpés à l’échelle désirée. Le vent à été simulé grâce à un sèche cheveux et la distance entre chaque éoliennes et le sèche cheveux reste la même pendant toute l’expérience : 1mètre50. C’est à l’aide d’un ralentis que l’on a distinguer que les éoliennes qui ont quatre et deux pales tournent moins vite que l’éolienne qui à en haut de son mat trois pales. On peu en déduire que le nombre de pales d’une éolienne à été choisi en fonction de la réception de l’énergie du vent sur les pales.

voici les trois vidéos:
1.l'éolienne à deux pales


2.l'éolienne à trois pales


3.l'éolienne à quatre pales

Esthetisme

Une de nos hypothèses qui se détache fortement des autres est l'esthétisme. En effet nous avons pensé que l'éolienne qui aurait trois pales, serai conçue par son impact visuel. C'est pour cela que nous avons envoyé un message à monsieur Barritault, un responsable de l'équipe qui concerne l'énergie à l'ADEME à Poitiers. Voici l'émail que ce chercheur nous a envoyé après lui avoir exposé notre hypothèse:

« le deuxième argument c'est le côté esthétique (eh oui !!). Dans le cadre d'études sur l'implantation d'éoliennes il est avéré qu'au niveau de l'œil, il est préférable d'avoir trois pales que 2 !! »

Cependant ce témoignage nous a confirmé un argument que nous ne pouvons pas démonter en raison du manque de connaissance dans ce domaine.

Nous avons donc exploré une autre piste toujours autour de l'esthétisme d'une éolienne. Nous avons appris qu'un designer français Philippe Stark a créer une éolienne. Forcement cette éolienne aura pour but d'attirer l'œil des clients car elle va être commercialisée autour de 300 à 400 EURO.


Ceci est une très bonne initiative cependant nous nous demandons quand même si cela va marcher. Le designer était déjà porteur d'initiatives écologiques avec des aliments biologiques. L'éolienne sera discrète car se fondant dans l'environnement. Avec ces éoliennes,on pourra atténuer de 10% à 60% de ses consommations personnelles en électricité.


voici un dessin de cette éolienne.



Bien sur on remarque que cette éolienne ne possède pas de pales mais un carré. C'est pour cela que l'on ne peu pas une fois de plus démontrer si le nombre de pales a un rapport avec l'esthétisme.

De même il existe une autre éolienne assez esthétique et qui possèdes des particularités multiples(silencieuse).Cette éolienne a été conçue en Angleterre et mesure environ 5metres de hauteur. Cette éolienne s'appelle Quietrevolution(revolution silencieuse) et génère environ 10.000 KWH soit l'énergie potentielle qui pourrait être utilisée par un foyer.

Bruit

Le bruit :
-Les éoliennes sont-elles bruyantes ? C’est l’une des plaintes récurrentes de certains riverains. Le bruit dépend de plusieurs facteurs, de la vitesse du vent à celle de la rotation des pales en passant par la distance entre les machines et les habitations. Réglementairement, le bruit est limité à 3dB la nuit et 5 dB le jour et, en fait, tout est affaire de perception individuelle. Interrogée en 2008, l’agence française de sécurité sanitaire de l’environnement et du travail a constaté que les émissions sonores des éoliennes ne sont pas suffisantes pour générer des troubles de l’appareil auditif et préconise d’étudier au cas par cas. Les turbines des éoliennes émettent deux bruits différentiels, celui produit par le passage de l’air dans l’hélice et celui produit par les éléments mécaniques (les boites d’engrenage par exemple). Le premier se caractérise par un sifflement, le second par un grincement aigu plus gênant (cette source de bruit occasionne plus de plaintes que l’autre, bien que plus faible au niveau des décibels).la solution la plus évidente pour résoudre ce problème est de placer les éoliennes a plus de 300 mètres des habitations car a cette distance le bruit n’est pas exercice.
-Les émissions sonores des éoliennes
Le bruit est un problème secondaire
Il est intéressant de noter que le niveau sonore de tous les différents modèles d'éoliennes est à peu près le même. Ce fait indique que les constructeurs profitent des gains obtenus grâce à de nouvelles conceptions (p.ex. des extrémités de pales plus silencieuses) pour augmenter légèrement la vitesse tangentielle en extrémité des pales, et donc la production d'électricité des machines.

En fait, les émissions sonores ne constituent pas un problème majeur pour l'industrie éolienne à cause de la réglementation mise en place, fixant une distance minimale aux voisins les plus proches (celles-ci correspondant souvent à environ 7 diamètres de rotor ou à 300 à 500 mètres).
Ni le concept de la perception de sons, ni la façon de mesurer le niveau sonore sont bien connus par le public, mais les deux sont relativement faciles à comprendre si vous connaissez les principes fondamentaux.
-La perception humaine de sons et de bruits
La plupart d'entre nous aiment bien écouter les vagues venant se briser sur la côte, alors que nous nous sentons plutôt gênés par la radio de nos voisins - bien que le niveau sonore réel de celle-ci soit souvent bien inférieur à celui des vagues.
En dehors de la question du goût de vos voisins, il y a manifestement une différence à l'égard du contenu d'informations. Les vagues de la mer émettent du bruit blanc aléatoire, tandis que la radio de votre voisin a un contenu systématique que votre cerveau commence obligatoirement à discerner et à analyser. Si, de plus, vous n'aimez déjà pas trop votre voisin, vous vous sentirez sans doute encore plus gêné par le bruit fait par celui-ci. Faute d'une meilleure définition, les experts définissent donc le bruit comme "du son non désiré".
La classification de "bruits" et de "sons" étant une distinction fortement psychologique, il n'est pas facile d'élaborer un modèle simple et universellement satisfaisant de la perception sonore. En fait, une étude réalisée par l'institut danois de recherche DK Teknik semble indiquer que la perception des émissions sonores d'une éolienne dépend avant tout de la perception de l'aspect de celle-ci - le bruit réel émis par l'éolienne étant un facteur moins décisif. Nous nous sommes rendus nous même dans le parc éolien de Vouillé et le bruit de l’éolienne ne nous a pas vraiment surpris. Nous avons bien distingués les deux bruits, celui des pales qui se caractérise par un sifflement similaire au bruit du vent. Ce bruit qui est le plus audible est le bruit que l’on pourrait assimiler au bruit des vagues comme dans l’exemple ci-dessus. Le bruit le moins fort mais que l’on caractérise de non désirer est celui du rotor pris pour exemple avec les vagues. Il est fort possible qu'une éolienne a quatre pales fasse plus de bruit qu’une éolienne a trois pales et réciproquement une éolienne a deux pales devrait faire moins de bruit qu’une éolienne a deux pales. Mais le bruit des mécaniques reste le même.

Afin de se rendre nous même compte du bruit d'une éolienne nous avons écoutés et enregistrés le son d'une éolienne.

Conclusion

Tout au long du blog, nous avons essayé de démontrer "Pourquoi la plupart des éoliennes ont trois pâles?". Nous pensons avoir répondu à cette question par nos recherches et notre démarche scientifique. On peu affirmer qu'une éolienne a trois pales selon de nombreux facteurs plus ou moins important.
Le facteur le plus determinant que l'on a étudié avec des maquettes est le rendement. Cependant on ne peu pas non plus renier l'existence potentielle d'autres facteurs que l'on peu prendre en compte comme le bruit ou l'impact sur la faune par exemple.