Par Diane Alvarado Sandoval

École La Dauversière, Montréal, Juin 2001

Validation du contenu et révision linguistique: Ahmed Bensaada

Science animée, 2001

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Introduction

Historique

Structure d’une éolienne

Différents types d’éoliennes

Les utilisations de l’énergie éolienne

Les avantages et les inconvénients

Conclusion

Bibliographie

Table des matières

Depuis l’antiquité, on a été considéré que Depuis l’antiquité, on a été considéré que la la matièrematière était était constituée deconstituée de 4 éléments fondamentaux 4 éléments fondamentaux:: lla terre, le feu, l’eau et le a terre, le feu, l’eau et le vent. vent. Ainsi, lAinsi, le vente vent, longtemps vénéré,, longtemps vénéré, est une source est une source d’énergie d’énergie renouvelable. On appelle énergie “renouvelable” celle qui renouvelable. On appelle énergie “renouvelable” celle qui contrairement aux énergie fossiles ( par exemple, le charbon et le contrairement aux énergie fossiles ( par exemple, le charbon et le pétrole ), pétrole ), estest pratiquement inépuisable. Comme nous le savons pratiquement inépuisable. Comme nous le savons l’énergie éolienne provient du vent. Mais d’où vient l’énergie éolienne provient du vent. Mais d’où vient lele vent ? vent ? C’est une question que bien des gens se posent. Tout d’abord, le C’est une question que bien des gens se posent. Tout d’abord, le vent est causé par le soleil. vent est causé par le soleil. En effet, lEn effet, la différence de température a différence de température est provoquée par est provoquée par les les différentedifférentess p preressionssionss atmosphérique atmosphériquess. .

Introduction

Le vent est causé par le mouvement de l’airLe vent est causé par le mouvement de l’air..

Ainsi,Ainsi, lorsque l’air se réchauffe, il se dilate et sa pression lorsque l’air se réchauffe, il se dilate et sa pression diminue. diminue. Inversement,Inversement, lorsque la température baisse, l’air lorsque la température baisse, l’air augmente augmente dede densité et augmente sa pression. Tout ceci, est dû à densité et augmente sa pression. Tout ceci, est dû à une chaîne de variations de pressionune chaîne de variations de pression. Enfin, lorsque . Enfin, lorsque l’air se l’air se déplace, il y a formation du vent.déplace, il y a formation du vent.

Effet des températures sur la direction des vents ( jour/nuit)Effet des températures sur la direction des vents ( jour/nuit)

Il y a bien longtemps que les hommes ont imaginé des moyens Il y a bien longtemps que les hommes ont imaginé des moyens pour exploiter les vents. On a trouvé, chez les Perses, des roues à pour exploiter les vents. On a trouvé, chez les Perses, des roues à aubes que le vent faisait tourner. Mais c’est vers le XIIe siècle, aubes que le vent faisait tourner. Mais c’est vers le XIIe siècle,

qu’apparaissentqu’apparaissent,, en Europe, les premiers en Europe, les premiers moulins à vent, dmoulins à vent, d’’étranges machines étranges machines tournantes qui servaient à moudre le grain. tournantes qui servaient à moudre le grain.

Les premiers aérogénérateurLes premiers aérogénérateurss ont vu le ont vu le jour en 1850, mais l’idée de jour en 1850, mais l’idée de cet appareilcet appareildate de 1802date de 1802. C’est en cette année que . C’est en cette année que LordLord Kelvin, unKelvin, un physicien anglaisphysicien anglais associa associa uneune génératrice d’électricité à un moteurgénératrice d’électricité à un moteur éolien. éolien.

3600 avant J.C3600 avant J.C

Au XIV siècleAu XIV siècle

1890189019201920

Vers 1845, c’est un inventeur français, qui mit au point une aile Vers 1845, c’est un inventeur français, qui mit au point une aile constituée de planches mobileconstituée de planches mobiless rétractables. Nos hélices modernes rétractables. Nos hélices modernes ne constituent qu’une modeste amélioration ne constituent qu’une modeste amélioration dede ces ces mécanismes.La mécanismes.La production d’électricité d’origine éolienne ne date que de 1891.production d’électricité d’origine éolienne ne date que de 1891.

Je Je suissuis un physicien un physicien britanbritannnique très ique très

renommé. Je suis né à renommé. Je suis né à Belfast en 1824 et mort Belfast en 1824 et mort

en 1907 à Netherhallen 1907 à Netherhall

William Thomson KelvinWilliam Thomson Kelvin

J’ai associé une génératrice J’ai associé une génératrice d’électricité à un moteur éolien. d’électricité à un moteur éolien. Donc c’est grâce à moi, que les Donc c’est grâce à moi, que les éoliennes modernes peuvent produire éoliennes modernes peuvent produire de l’électricité. J’ai aussi imaginé le de l’électricité. J’ai aussi imaginé le gagallvanomètre à aimant mobile et des vanomètre à aimant mobile et des câbles électriques améliorés. câbles électriques améliorés. J’ai J’ai mis mis au point un dispositif mécanique au point un dispositif mécanique d’intégration des équationd’intégration des équationss différentielles et l’échelle de différentielles et l’échelle de température absolue. J’ai travaillé température absolue. J’ai travaillé avec Joule et également étudié les avec Joule et également étudié les marées terrestres. marées terrestres.

Tour/MâtLa tour supporte l’éolienne et fait donc partie intégrante du système La tour supporte l’éolienne et fait donc partie intégrante du système éolien. Elle doit être conçue pour supporter le système et il faut éolien. Elle doit être conçue pour supporter le système et il faut

s’assurer qu’elle est capable de le faire. Elle s’assurer qu’elle est capable de le faire. Elle doit résister aux coups de foudre, aux vents doit résister aux coups de foudre, aux vents violents, à la grêle et à la formation de glace. violents, à la grêle et à la formation de glace. Il existe différents types de tours. Une petite Il existe différents types de tours. Une petite éolienne va être installée à 18 mètres de éolienne va être installée à 18 mètres de hauteur tandis qu’une grande éolienne hauteur tandis qu’une grande éolienne s’élèvera à plus de 30 mètres.s’élèvera à plus de 30 mètres.

Les pales

Les pales ( hélices ) sont une partie très importante Les pales ( hélices ) sont une partie très importante des éoliennes. Plusieurs éléments caractérisent ces des éoliennes. Plusieurs éléments caractérisent ces pales: la longueur, la largeur, le profil, etc. pales: la longueur, la largeur, le profil, etc. EllesElles doivent être légèresdoivent être légères,, solides et durables solides et durables pour résister pour résister à l’action des éléments ( forts vents, pluie, neige, à l’action des éléments ( forts vents, pluie, neige, etc.) . On les contruit habituellement en matériaux etc.) . On les contruit habituellement en matériaux composites à base de fibre de verre, en plastique composites à base de fibre de verre, en plastique renforcé ou en bois. C’est le diamètre des pales qui renforcé ou en bois. C’est le diamètre des pales qui détermine la quantité d’électricité produite par le détermine la quantité d’électricité produite par le système. L’éolienne compte habituellement deux système. L’éolienne compte habituellement deux ou trois pales. ou trois pales.

RotorLe rotor est une des parties les plus visibleLe rotor est une des parties les plus visibless du système éolien. Il du système éolien. Il est formé de plusieurs pales qui ont une forme particulière. est formé de plusieurs pales qui ont une forme particulière. Lorsque le vent fait tourner les pales, celles-ci font tourner le rotor Lorsque le vent fait tourner les pales, celles-ci font tourner le rotor qui faitqui fait, à son tour, , à son tour, tourner le mécanisme d’entraînement et le tourner le mécanisme d’entraînement et le générateur. générateur.

Pale

Rotor

mât

NacelleNacelle

GénératriceGénératrice Frein

Multiplicateur

C’est la surface balayée pas les hélices qui compte. Ainsi deux grandes C’est la surface balayée pas les hélices qui compte. Ainsi deux grandes pales feront tout à fait aussi bien que trois palespales feront tout à fait aussi bien que trois pales. . Il faut tout d’abord Il faut tout d’abord lever bien haut l’éolienne pour qu’elle puisse profiter au maximum des lever bien haut l’éolienne pour qu’elle puisse profiter au maximum des vents. Ceci nécessite une tour toujours élevée par rapport à la taille de vents. Ceci nécessite une tour toujours élevée par rapport à la taille de l’éolienne.l’éolienne.

Le système à pales tournantes convertiLe système à pales tournantes convertitt l’énergie cinétique du vent ( sa l’énergie cinétique du vent ( sa vitesse) en énergie mécanique disponible sur un axe. La rotation de cet vitesse) en énergie mécanique disponible sur un axe. La rotation de cet axe anime une génératrice qui produit de l’électricité à son tour. Le axe anime une génératrice qui produit de l’électricité à son tour. Le principe de l’éolienne se résume donc en un système ( un rotor-principe de l’éolienne se résume donc en un système ( un rotor-génératrice) qui, à partir d’une énergie extrêmement variable ( le vent), génératrice) qui, à partir d’une énergie extrêmement variable ( le vent), devra produire une énergie électrique présentant des caractérisques devra produire une énergie électrique présentant des caractérisques constantes.constantes.

Lorsqu’il se met à Lorsqu’il se met à souffler, le vent souffler, le vent exerce un système de exerce un système de forces sur leforces sur less hélices hélices qui , qui ,

alors, se metalors, se mettenttent à tou à tourrner. ner.

Les éoliennes peuvent êtres installées soit individuellement Les éoliennes peuvent êtres installées soit individuellement ou en grand nombre. Situées dans un endroit très bien ou en grand nombre. Situées dans un endroit très bien exposé aux vents, près d’une ligne à haute tension, elles exposé aux vents, près d’une ligne à haute tension, elles deviennent alors une véritable centrale éolienne électrique. deviennent alors une véritable centrale éolienne électrique. C’est ce qu’on appelle un parc d’éoliennes.C’est ce qu’on appelle un parc d’éoliennes.

En mer En mer

Sur la terre fermeSur la terre ferme

Générateur/alternateur

Les générateurLes générateursset les alternateurset les alternateursproduisent de produisent de l’électricité grâce àl’électricité grâce àla rotation des palesla rotation des palesde l’éolienne.de l’éolienne. Les générateuLes générateursrs produi produisensent du courant continut du courant continu ( ( c.c )) et et l’alternateur, du courant alternatif ( l’alternateur, du courant alternatif ( c.a ). La plupart des éoliennes ). La plupart des éoliennes utilisées pour alimenter des chargeurs de batteries utilisent des utilisées pour alimenter des chargeurs de batteries utilisent des alternateurs, et le courant alternatif qu’ils produisent alternateurs, et le courant alternatif qu’ils produisent estest converti en converti en courantcourant continu pour charger lescontinu pour charger les batteries. batteries.

Batteries

Voici la batterieVoici la batterie

Le courant continu ( c.c ) Le courant continu ( c.c ) se déplacese déplace dans une dans une seule seule direction. Le direction. Le courant alternatif ( c.a )courant alternatif ( c.a ), quant à lui, suit, quant à lui, suit une direction, puis une direction, puis change change plusieurs dizaines de fois par secondeplusieurs dizaines de fois par seconde..On utilise le courant alternatif dans les applicatOn utilise le courant alternatif dans les applicatiions domestiques ons domestiques parce qu’on peut l’acheminer sur de longues distances sans pertes parce qu’on peut l’acheminer sur de longues distances sans pertes importantes, contrairement à ce qui se passe avec le c.c. Une batterie importantes, contrairement à ce qui se passe avec le c.c. Une batterie génère du courant continu alors qu’une prise murale génère du c.a. génère du courant continu alors qu’une prise murale génère du c.a.

c.cc.c c.ac.a

La boîte d’engrenage

De nombreuse éoliennes, en particulier celles De nombreuse éoliennes, en particulier celles d’une puissance supérieurd’une puissance supérieuree à 10 Kilowatt à 10 Kilowatts (s (KWKW)), , sont munies d’une boîte d’engrenages qui permet sont munies d’une boîte d’engrenages qui permet d’adapter la vitesse de rotation du rotor à celle du d’adapter la vitesse de rotation du rotor à celle du générateur. Mais dans la plupart des mini-générateur. Mais dans la plupart des mini-systèmes, le générateur/alternateur tourne à la systèmes, le générateur/alternateur tourne à la même vitesse que le rotor, et l’utilisation d’une même vitesse que le rotor, et l’utilisation d’une boîte d’engrenages n’est pas essentiel.boîte d’engrenages n’est pas essentiel.

Freinage

C’est un élément essentiel de la survie d’une C’est un élément essentiel de la survie d’une éolienne. éolienne. Le système de freinage sert à arrêter Le système de freinage sert à arrêter l’éolienne lorsque les vents sont trop forts, de l’éolienne lorsque les vents sont trop forts, de sorte qu’elle ne puisse s’abîmer.sorte qu’elle ne puisse s’abîmer.

La fondation

Avec ses 400 tonnes de ciment et de fer Avec ses 400 tonnes de ciment et de fer d’armature, c’est un élément important d’une d’armature, c’est un élément important d’une grande éolienne. La forme est ronde ou grande éolienne. La forme est ronde ou carrée mais peut aussi être en étoile pour carrée mais peut aussi être en étoile pour réduire l’usage du ciment.réduire l’usage du ciment.

FondationFondation

Nacelle

La nacelle est l’enveloppe qui protège le générateur La nacelle est l’enveloppe qui protège le générateur et les autres composantes contre l’action des et les autres composantes contre l’action des éléments. Elle est amovible afin de permettre éléments. Elle est amovible afin de permettre l’entretl’entretiien de l’éolienne.en de l’éolienne.

Il existe plusieurs types d’éoliennes qui sont Il existe plusieurs types d’éoliennes qui sont regroupées en 2 catégories: regroupées en 2 catégories: EAV: éolienne à axe verticalEAV: éolienne à axe verticalEAH: éolienne à axe verticalEAH: éolienne à axe verticalDans tous les cas, Dans tous les cas, les éoliennes capturent l’énergie les éoliennes capturent l’énergie du vent et la transforme du vent et la transforme soit soit en énergie électrique en énergie électrique (aérogénérateur) ou (aérogénérateur) ou en énergie en énergie mécanique (éolienne mécanique (éolienne de pompagede pompage,, de sciage, etc). de sciage, etc). Nous allons, dans ce qui suit, voir quelques Nous allons, dans ce qui suit, voir quelques exemples concrets d’éoliennes.exemples concrets d’éoliennes.

En premier lieu, En premier lieu, les éoliennes sont utilisées dans les éoliennes sont utilisées dans l’irrigation l’irrigation depuis l’antiquitédepuis l’antiquité car car elleselles permettent permettent de déplacer de l’eau à peu de frais. L’irrigation de déplacer de l’eau à peu de frais. L’irrigation permet le déplacement de l’eau à partir d’un lac permet le déplacement de l’eau à partir d’un lac ou d’une rivière afin de la répandre de façon ou d’une rivière afin de la répandre de façon égale sur une étégale sur une éteendue de terre à cultiver.ndue de terre à cultiver.

Une éolienne à petiteUne éolienne à petitess ailes multiples capte ailes multiples capte mieux les vents faibles. On y adapte une mieux les vents faibles. On y adapte une pompe à eau.pompe à eau. Des engrenages relient l’axe de Des engrenages relient l’axe de l’éolienne à une tige verticale l’éolienne à une tige verticale quiqui actionne la actionne la pompe à eau. Celle-ci comporte une longue pompe à eau. Celle-ci comporte une longue spirale qui pénètre dans le sol et quispirale qui pénètre dans le sol et qui fait monter fait monter de l’eau de la nappe souterraine. de l’eau de la nappe souterraine.

EElle fut inventlle fut inventéeée par un ingénieur français par un ingénieur français nommé nommé Georges Darrieus . La forme Georges Darrieus . La forme s’apparente a celle d’un batteur a oeuf à s’apparente a celle d’un batteur a oeuf à l’envers. Cel’envers. Ce type d’éolienne est type d’éolienne est moins moins exploitexploitéé pour plusieurs raison pour plusieurs raisonss. Tout . Tout d’abord, elle nécessite un système de d’abord, elle nécessite un système de démarage (le système de démarrage est démarage (le système de démarrage est fait à partir fait à partir d’un moteur dd’un moteur diesel) car elle iesel) car elle ne peut ne peut démarrerdémarrer le système toute seule le système toute seule..

La forme des palesLa forme des pales a l’avantage de capter les vents d’o a l’avantage de capter les vents d’oùù qu’ils qu’ils viennent, sans nécessiter de mécanisme d’orientation. viennent, sans nécessiter de mécanisme d’orientation.

Une fois le dispositif de commande (6) réglé, la Une fois le dispositif de commande (6) réglé, la génératrice (7), alimentée par le réseau par génératrice (7), alimentée par le réseau par l’entremise du transformateur de démarrage l’entremise du transformateur de démarrage

(8) , (8) , fait tourner l’axe central qui, à son tour, fait tourner l’axe central qui, à son tour, comporte un engrenage (9). Lorsque les pales comporte un engrenage (9). Lorsque les pales atteignentatteignent une certaine vitesse, l’énergie qui une certaine vitesse, l’énergie qui leur est fournie ne provient plus de la leur est fournie ne provient plus de la génératrice mais bien de la force du ventgénératrice mais bien de la force du vent..

La génératrice transforme alors cette énergie mécanique en La génératrice transforme alors cette énergie mécanique en énergie électrique. Quand le vent tombe, le dispositif de énergie électrique. Quand le vent tombe, le dispositif de commande déconnecte la génératrice du réseau et le système de commande déconnecte la génératrice du réseau et le système de freins à disques à commande hydraulique (11) entre en action. freins à disques à commande hydraulique (11) entre en action. Les freins aérodynamiqueLes freins aérodynamiquess (12) installés sur les pales constituent (12) installés sur les pales constituent le système de freinage de secours.le système de freinage de secours.

On peut retrouver deux sorteOn peut retrouver deux sortess d’éoliennes à axe vertical. Celle de d’éoliennes à axe vertical. Celle de type Darrieus et de type Savonious. Elles ont touttype Darrieus et de type Savonious. Elles ont touteses les deux le les deux le même principemême principe

Autres types d’éoliennesElles sont toutesElles sont toutes à axe vertical à axe vertical ouou à axe horizontal à axe horizontal

HorizontalHorizontal VerticalVertical

Plusieurs sortes d’énergies sont Plusieurs sortes d’énergies sont utilisées dans le monde. utilisées dans le monde. Quelques-unes sont Quelques-unes sont moins moins dommageablesdommageables que d’autres. Par que d’autres. Par exemple, grâce à l’énergie exemple, grâce à l’énergie éolienne nous pouvons produire éolienne nous pouvons produire de l’électride l’électricité pour l’usage cité pour l’usage domestique.domestique. LL’énergie éolienne est ’énergie éolienne est très très intéressante lorsqu’elle est intéressante lorsqu’elle est utilisée dans les fermes ou dans utilisée dans les fermes ou dans les régions éloignées.les régions éloignées.

L’énergie éolienne est L’énergie éolienne est tellement “puissante” tellement “puissante” qu’elle peut qu’elle peut être utilisée être utilisée pour l’pour l’éclairage, la radio éclairage, la radio et même et même pour le pour le fonctionnement dfonctionnement des es appareils ménagers.appareils ménagers.

Avantages:Avantages:

LL’énergie éolienne ’énergie éolienne a beaucoup d’a beaucoup d’avantages. avantages. C’C’est une source est une source d’énergie d’énergie très très économiqueéconomique. Les dispositifs mécaniques ne. Les dispositifs mécaniques ne demandent pas trop d’entretiendemandent pas trop d’entretien et et sont très fiables. Depuis des sont très fiables. Depuis des siècles, l’énergie éolienne a siècles, l’énergie éolienne a été utilisée dans été utilisée dans de multiples de multiples appplicationsappplications comme le moulin à vent qui sert à moudre le grain. comme le moulin à vent qui sert à moudre le grain. En plus, elle ne pollue pas l’environnement,En plus, elle ne pollue pas l’environnement, et ne provoque pas et ne provoque pas l’effet de serre.l’effet de serre.

LesLesetet

Inconvénients:Inconvénients:

Même si l’énergie Même si l’énergie éolienne a plusieurs éolienne a plusieurs usages, elle peuusages, elle peutt avoir avoir des côtés négatifs. Par des côtés négatifs. Par exemple, le bruit et les exemple, le bruit et les vibrations dans les sols vibrations dans les sols peuvent devenir peuvent devenir désagréabledésagréabless pour le pour le voisinage.voisinage.

De plus, si les vents sont trop De plus, si les vents sont trop violents violents , ils, ils peu peuvenvent t endommager les pales ( dans les endommager les pales ( dans les éoliennes modernes, elles ont un éoliennes modernes, elles ont un système de freinage automatique). système de freinage automatique).

En outre, comme En outre, comme le vent ne le vent ne souffle pas toujours, souffle pas toujours, les les éolienneséoliennes peuvent peuvent ne pas ne pas produire produire assez d’électricité!assez d’électricité!

L’énergie éolienne a été et restera intimement liée L’énergie éolienne a été et restera intimement liée au développement de l’être humain. Elle procure au développement de l’être humain. Elle procure de l’énergie propre, renouvelablede l’énergie propre, renouvelable et non et non dommageable pour l’environnement. Beaucoup dommageable pour l’environnement. Beaucoup d’efforts sont mis actuellement par les chercheurs d’efforts sont mis actuellement par les chercheurs pour développer des éoliennes de plus en plus pour développer des éoliennes de plus en plus efficaces.efficaces.LL’énergie éolienne ’énergie éolienne est certainement une est certainement une source source d’énergie d’énergie prometteuse pour le prometteuse pour le XXI ième siècle.XXI ième siècle.

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