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SOMMAIRE

Introduction…………………………………………………………………………………………………...3

I_ A partir de quelles solutions techniques peut-on créer de l’énergie électrique à partir de l’air chaud ?

1_ Comment chauffer l’air ?.................................................................................4

2_ Comment créer un flux d’air ?.........................................................................6

3_ Comment transformer une vitesse en énergie mécanique ?..........................9

4_ Comment transformer l’énergie mécanique en énergie électrique ?...........10

II_ Une étude globale de la Tour solaire

1_ Principe général………………………………………………………………………………………...14

2_ Les solutions techniques…………………………………………………………………………...15

3_ Applications calculatoires………………………………………………………………………….16

4_ Réalisation de la Tour………………………………………………………………………………..17

III_ Réalisation du projet personnel

1_ Présentation……………………………………………………………………………………………...19

2_ Réalisation………………………………………………………………………………………..……….21

3_ Extrapolation des résultats………………………………………………………………………..23

Conclusion………………………………………………………………………………………………………25

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Introduction   :

Cette année, nous avons choisi d’être en accord avec le thème principal de l’année : L’Homme et la Nature. Ainsi, nous étudierons une nouvelle façon de créer de l’électricité à partir de l’énergie solaire, énergie renouvelable et illimitée dans la nature. Nous chercherons à comprendre si chauffer l’air grâce à l’énergie solaire peut produire de l’électricité.

En provoquant un flux d’air chaud, peut-on générer un courant électrique ?

Nous nous attacherons à comprendre, dans un premier temps, si l’on peut théoriquement provoquer un flux d’air chaud capable de créer de l’électricité et avec quels éléments cela demeure possible. Dans un second temps, nous étudierons un projet s’appuyant sur ce phénomène : la tour solaire. Enfin, nous présenterons notre réalisation personnelle sensée pouvoir montrer que ce phénomène est reproductible dans la réalité.

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Partie I   : A partir de quelles solutions peut-on créer de l’énergie électrique à partir d’un flux d’air chaud   ?

Il existe différentes façon de produire de l'électricité. L'une d'entre elles est d'engendrer un flux d'air en le chauffant et de le transformer par l’intermédiaire de plusieurs étapes en électricité.

1. Comment chauffer l’air ?

Il apparaît logique que la meilleure façon de chauffer l’air demeure l’énergie solaire. En effet, celle-ci est renouvelable et donc inépuisable contrairement aux solutions fossiles comme le pétrole. De plus, cette énergie n’est pas très difficile à capter.

a) L’énergie solaire

Le spectre solaire

L’énergie solaire naît, à la base, de la fusion entre des noyaux d’atomes d’hydrogène (H) à l’intérieur du Soleil. L’énergie dégagée par cette réaction se propage jusqu’à la Terre sous la forme de lumière dont le comportement peut être ondulatoire ou corpusculaire.

La majeure partie des radiations électromagnétiques émises par le soleil ne sont pas visibles à l’œil nu. L’image suivante présente un spectre des radiations électromagnétiques émises par le soleil en incluant les ondes lumineuses visibles. L’œil nu ne perçoit que les rayons dont la longueur d’onde est comprise entre 400 et 700 nanomètres, qui correspondent aux rayons cosmiques. Les radiations de longueur d’onde inférieure sont appelées ondes décamétriques, ou plus couramment ultraviolets, et les radiations de longueur d’onde supérieure sont appelées rayons infrarouges. Ce sont ces derniers qui sont responsables du réchauffement de l’air.

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L’effet de serre

Le terme «effet de serre» est couramment employé pour parler de la pollution de l'atmosphère par des gaz dits «à effet de serre» tels que le dioxyde de carbone ou le méthane. Cependant, plus généralement, l'effet de serre est un principe utilisé dans de nombreux cas pour emprisonner de la chaleur afin de conserver ou entretenir des éléments tels que les végétaux.

Le principe de l'effet de serre utilise le plus généralement du verre. En effet, le soleil émet, tout d'abord des rayons qui traversent une surface de verre et parviennent jusqu'à la terre. Ces rayons sont ensuite réfléchis sur la terre qui les renvoie après avoir augmenté leur longueur d'onde. Ainsi les rayons sont alors situés dans l'infrarouge lointain. Or l'une des caractéristiques du verre est de laisser passer les rayons solaires mais très peu de rayons infrarouges. Même les vitrages clairs, sont pratiquement opaques aux radiations de longueur d’onde se trouvant dans l'infrarouge. Ainsi, en augmentant la longueur d'onde des rayons,

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ceux-ci sont emprisonnés entre la terre et le verre, ce qui provoque une rapide hausse de la température et permet également d'emmagasiner de la chaleur.

b) La solution

Afin de réchauffer l'air ambiant, la solution est donc d'installer une serre en verre afin de profiter au mieux du principe d'effet de serre pour stocker une quantité suffisante d'air chaud.

2. Comment créer un flux d’air ?

a) Le phénomène de convection

Dans une première approche des phénomènes physiques mis en jeu nous allons étudier un cas simplifié du phénomène de convection que l’on peut rencontrer dans la nature. Ainsi nous allons considérer le cas d’une bulle d’air de rayon 1cm qui possède une différence de température de 50°C avec l’air ambiant. Cette bulle d’air chaude dans un milieu froid est donc soumis a la poussée d’Archimède qui va la soumettre à une force proportionnel au poids du volume d’air qu’elle occupe. Ce phénomène, aussi appelé phénomène, de convection va permettre a la bulle d’air plus légère que l’air ambiant, car plus chaude, de monter en altitude toute en se refroidissant au fur et a mesure jusqu'à atteindre une hauteur maximale.

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Pour calculer la force ascensionnelle, Pa, à laquelle sont soumises la bulle et donc indirectement sa vitesse, nous allons utiliser la loi des gaz parfaits qui met en relation le volume, la température et la masse du gaz considéré. La relation des gaz parfaits est la suivante:

p est la pression

V le volume du gaz

n la quantité de matière

R la constante universelle des gaz parfaits

Et T la température absolue

La bulle d’air est également soumise à son propre poids P qui est une force verticale vers le bas.

Nous pouvons donc établir un bilan des forces : F=Pa-P

F est la résultante de la somme des forces et indique la direction du mouvement du système considéré. Dans ce cas F est verticale et dans le sens de Pa car Pa > P, la bulle d’air possède donc un mouvement ascensionnelle.

Or la bulle d’air atteint une vitesse maximale au bout d’un instant t lors de son ascension, nous pouvons donc considérer qu’a partir de l’instant t la vitesse est constante et le mouvement est donc rectiligne uniforme. Or d'après les lois de Newton, cela implique que les forces se compensent : il existe a fortiori une force de frottement f telle que :

Où Cx est le coefficient de pénétration dans l’air

Ainsi nous obtenons une approximation de la vitesse v en fonction de la

variation de température et donc indirectement de la variation d'altitude.

Lorsqu’une bulle d’air est chauffée, celle-ci devient plus légère que l’air et monte

donc à une certaine vitesse que nous pouvons calculer.

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b) La solution

Ainsi, une haute cheminée serait le moyen d'engendrer à partir de l'air chaud un flux d'air selon le principe que l'air chaud étant plus léger que l'air froid, il s'élève proportionnellement à cette différence. D'où, une hauteur assez importante de la cheminée accélérerait la vitesse du vent grâce à la différence de température entre sa base et son sommet. De plus cela permettrait également de créer un phénomène de dépression qui amplifierait le phénomène de convection.

c) Le théorème de Bernoulli

Le choix d’une tour pour guider l’air possède son influence sur le flux d’air engendré. En effet, la vitesse de l’air varie en fonction de son altitude. C’est ce que nous allons vérifier à l’aide de la loi de Bernoulli.

La loi de Bernoulli énonce : la somme des énergies exercées sur un système est constante. Ainsi, la somme formée par l’énergie cinétique et les énergies potentielles de l’air est constante, lorsque l’on considère le système {air de la tour ; tour} :

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Poids (P)Poussée d’Archimède (Pa)Force motrice (F=Pa - P)Frottements (f)

Bulle d’air chaud (1cm de rayon)

Température extérieure = 30°C

Température intérieure = 70°C

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Ek : énergie cinétique Ek = ½ µVv2

Ep : énergie potentielle Ep = µVgz

Eelas : énergie élastique de l’air Eelas = PV

Dans ces formules, V représente le volume de l’air et v la vitesse de l’air. De même, z est l’altitude de l’air et µ la masse volumique. Nous avons tout de suite intégré µ dans les calculs car le produit de la masse volumique et d’un volume est égal à une masse.

Ek + Ep + Eelas = cste½ µVv2 + µVgz + PV = cste

En factorisant par V le volume, on obtient,

½ µv2 + µgz + P = cste’

En faisant la différence de cette somme d’énergie entre le haut et le bas de la tour, on obtient une expression de la différence des vitesses au carré.

½ µ (vi2 – vf

2) + µg∆z = 0

Vf2-Vi

2 = 2 g∆z

Vi et Vf étant respectivement les vitesses en bas et en haut de la tour.

Grâce à la loi de Bernoulli nous avons pu obtenir une différence de vitesses au carré entre le haut et le bas de la tour. Cela montre que la vitesse n’est pas constante tout au long d’une cheminée d’un kilomètre mais dépend de la pression (µg∆z est l’expression d’une pression) donc de l’altitude du point considéré.

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3. Comment transformer une vitesse en énergie mécanique?

a) Le théorème des flux constants

Dans un système ouvert, la quantité de matière entrante est égale à la quantité de matière sortante : c’est le théorème des flux constants ou des débits constants.

Ainsi, dans notre tour la masse d’air entrante et la masse d’air sortante sont égales car l’air qui entre en bas de la cheminée ressort en haut.

Le débit est tel que Q = S.v avec S la surface considérée et v la vitesse de l’air.

En incorporant la masse dans l’équation précédente avec m = µV µ étant la masse volumique et V le volume, on arrive à l’expression d’un débit massique en g.s-1,

On obtient donc l’expression de la vitesse en fonction de la surface et de la masse volumique :

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Energie potentielle de pesanteur Energie cinétiqueEnergie potentielle élastique

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Ainsi, on peut voir que lorsque la surface de coupe augmente, la vitesse de l’air diminue. De même, lorsque la masse volumique de l’air diminue, la vitesse augmente. En conclusion, si l’on veut obtenir une vitesse importante dans notre tour, il faut diminuer la surface de coupe et donc diminuer le rayon de la tour le long de la tour, comme le montre le schéma ci-dessous.

Dans une seconde approche, nous pouvons nous intéresser à l’effet de profilage d’une tour dont la structure n’est pas tubulaire : ainsi lorsque qu’une tour possède une structure qu’on dit « profilée », l’air qui circule le long du profil intérieur de la tour va être accéléré. Ce phénomène est dû au fait que la distance à parcourir par l’air le long d’un « profil à courbure » est plus grande que celle le long d’un « profil rectiligne », cela va donc

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Volume constant du fluide

Base de la tour

Sommet de la tour

Vitesse du fluide

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créer une dépression qui accélérera l’air jusqu’a une vitesse suffisamment grande pour qu’elle atteigne au même moment le bord de fuite que l’air passé le long du profil extérieur. Le profil incurvé de la tour permet donc d’obtenir une zone de dépression qui va aspirer l’air de la serre et l’accélérer, on peut tout de même noter que son impact sur la vitesse de l’air n’est pas aussi important que la diminution du diamètre de la tour.

Ainsi ces deux phénomènes nous amènent à nous intéresser à la variation de

pression à la base de la tour : l’air dans la tour étant accéléré cela provoque une dépression

qui va aspirer l’air dans la serre, cette dernière possède alors une pression plus élève a cause

de la poussée d’Archimède qui la pousse vers le haut. Cette zone entre la serre est le flux

d’air ascendant dans la tour est donc propice à l’utilisation de turbines qui vont être mises

en mouvement par le passage de l’air de la zone de forte pression à celle de basse pression,

nous pouvons tout de même remarquer que l’endroit le plus propice reste le sommet de la

tour mais la mise en place de turbine à cette endroit reste techniquement très dure.

b) La solution

Transformer l’énergie cinétique en énergie mécanique nécessite donc deux solution : la première est de créer une tour possédant un profil à courbure afin de permettre un écoulement laminaire de l’air ; la seconde solution est d’utiliser des turbines à la base de la tour qui vont être mises en mouvement par la pression de l’air.

4. Comment transformer l’énergie mécanique en énergie électrique ?

a) Le principe de l’alternateur

Un générateur électrique est un dispositif capable de produire de l’énergie électrique à partir d’une autre source d’énergie. Un alternateur est une machine rotative qui convertit l’énergie mécanique fournie par un moteur en énergie électrique à courant alternatif.

Il existe plusieurs types de générateurs : les générateurs de courant qui fournissent un courant constant quelque soit la tension demandée, et les générateurs de tension qui, de même, fournissent une tension constante quelque soit l’intensité demandée. Il faut noter que ces deux modèles sont théoriques : en effet, un générateur de tension court-circuité devrait fournir une intensité infinie et donc une puissance infinie (on rappellera la loi de la

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puissance : P=U.I) ; un générateur de courant non nul ouvert conduirait aussi à une puissance infinie.

On trouve aussi les générateurs à courant continu, généralement appelés dynamo et les alternateurs à courant alternatif. Ces alternateurs sont, dans la plupart des utilisations, synchrones : ces machines sont moins couteuses et possèdent un meilleur rendement que les dynamos. Les alternateurs asynchrones demeurent, pour leur part, peu employés mais leur utilisation progresse grâce à l’amélioration de l’électronique de puissance.

b) Le principe de l’alternateur synchrone

Composition

Un alternateur synchrone est un composant électrotechnique qui produit un courant électrique dont la fréquence varie en fonction de sa vitesse de rotation. Cette machine est composée d’un rotor (partie tournante) et d’un stator (partie fixe).

Le rotor est l’inducteur : il a pour fonction de produire un champ électromagnétique dans un induit. Il peut être constitué d’un aimant permanant auquel cas la tension fournie n’est pas réglable et la fréquence varie en fonction de sa vitesse de rotation, ou d’un électroaimant alimenté en courant continu, ce dernier possédant l’avantage de pouvoir régler la tension et la phase du courant produit par l’intermédiaire d’un système de régulation. Dans un générateur, le mouvement du rotor est amorcé par un autre élément (comme une turbine) qui va entraîner sa rotation.

Le stator est l’induit : il reçoit l’induction de l’inducteur et la convertie en énergie électrique. Il est constitué d’enroulements où va circuler le courant induit par la variation du champ magnétique due à la rotation du rotor par rapport au stator. Pour faire simple, il transforme le champ électromagnétique amené par la rotation du rotor en courant électrique.

Principe de fonctionnement

Le rotor et le stator possède chacun 2 pôles magnétiques (ou plusieurs paires de pôles) :

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Les deux éléments, le rotor et le stator, sont d’abord alignés : le système est à l’équilibre. Une force extérieure fait tourner le rotor qui amène son aimant en position 2. Les pôles magnétiques du stator sont alignés avec ceux du rotor, ce qui crée une force de répulsion et engendre le courant électrique dans le stator. Lorsque la force qui provoque la rotation du rotor est plus importante que celle de répulsion, le rotor tourne continuellement et de l’électricité est générée de façon continuelle.

c) La solution

Vous l’aurez sans doute remarqué mais la solution la plus à même de transformer cette énergie mécanique transmise par les pales en énergie électrique est l’alternateur, et plus particulièrement l’alternateur synchrone qui fonctionne comme expliqué ci-dessus.

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STATOR

Création d’un champ magnétique

Rotation continue du rotor et retour en position initiale

Pole positifPole négatifRotation due à une force extérieureForce électromagnétique crée transformée en courant électrique

ROTOR

Sens de rotation du rotor

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Ainsi, la production d'énergie électrique passe par différentes étapes et repose sur différents phénomènes physiques. Tout d'abord, le phénomène de convection permet de transformer de l'énergie thermique en énergie cinétique. Une fois transformée, l'énergie cinétique va être convertie en énergie mécanique par l’intermédiaire des turbines. Cette énergie mécanique est transformée enfin en énergie électrique grâce aux alternateurs liés aux turbines.

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CHALEUR

ENERGIE

CINETIQUE

ENERGIEMECANI

QUE

ENERGIEELECTRIQ

UE

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Partie II   : Une étude globale de la tour solaire

Toutes les solutions techniques que nous avons énoncées font partie d'un projet réel, la Tour Solaire, fonctionnant avec des énergies renouvelables et produisant de l'électricité à partir des principes exposés précédemment.

1. Principe général

a) Présentation de la tour

Historique

Le concept même de la Tour Solaire remonte au début du XXème siècle. En effet, de nombreux chercheurs dans le monde ont présenté différents projets de tour solaire:

Le premier est un militaire espagnol, le Colonel Isidoro Cabanyes. En 1903, il proposa un modèle de tour solaire dans une revue espagnole nommée «La Energia electrica». Puis l'une des premières représentations d'une tour solaire a été rédigée en 1931 par un auteur Allemand : Hanns Günth.

En France, le militaire Edgard Nazare , après qu'il ait mesuré scientifiquement les tourbillons de sables du Sahara, déposa à Alger en 1956 un premier brevet sur ce qu'il appelait «la tour à dépression». Ce brevet fut redéposé à Paris le 3 août 1964, il s'agissait de générer artificiellement une montée atmosphérique tourbillonnaire dans une sorte de tour en forme de tuyère de Laval. Cependant Nazare est mort à Paris en septembre 1998, sans avoir pu construire la tour de 300 m qui lui tenait à cœur. En 1975 l'ingénieur canadien Louis Michaud publia un projet nommé Vortex Power Station : le projet

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est très comparable au projet Nazare. Cependant Michaud proposait d'amorcer le phénomène tourbillonnaire avec des brûleurs situés au bas de la tour; alors que Nazare pensait que le phénomène pouvait s'amorcer par le simple effet de cheminée.

Mais ce n'est qu'en 1982 qu'un premier prototype de cheminée solaire fut effectivement construit à Manzanares, en Espagne, sous la direction de l'ingénieur allemand Jörg Schlaich. Cette cheminée mesurait 194 mètres de haut et 10 mètres de diamètre et délivrait une puissance de 50 kilowatt. Sa serre avait une superficie de 6ooo m². Elle a produit pendant 7 ans avait d'être arrêtée en raison de sa faible production (environ de quoi mettre en marche un immeuble!).

Le projet de Buronga

Le projet de tour solaire, actuellement développé en Australie par la société Enviromission est appelé le projet Buronga. Il s'agit d'une centrale à énergie renouvelable, avec comme principale source, les rayons du soleil. Elaboré en 2002 et prévu pour 2010, ce projet est sous la direction de l'ingénieur Jörg Schlaich. Cette tour fournirait 200 mégawatt, c'est-à-dire de quoi alimenter environ 200 000 logements, et diminuerait de 900 000 tonnes par an la production de gaz à effet de serre. L'énergie produite reste cependant inférieure à celle d'un réacteur nucléaire moderne, en effet les centrales nucléaires fournissent en moyenne 7 fois plus d'électricité que la production théorique de la tour solaire. De plus, son investissement de départ serait de 400 millions d'euros et elle devrait produire une électricité encore trop chère par rapport au prix de l’électricité issue des énergies fossiles en Australie (qui représente 95% de la production d’énergie en Australie).

b) Principe de fonctionnement

La tour solaire est une centrale électrique utilisant l'énergie solaire comme source d'énergie, c'est donc une centrale de nouvelle génération reposant sur les énergies renouvelables. Composée d’une serre chauffant l’air, par l’intermédiaire des rayons solaires, et d’une cheminée de près d’un kilomètre de haut elle fonctionne sur les principes de convection et d’aspiration : l’air chauffée dans la serre, plus léger que l’air à température ambiante monte vers le haut de la tour et entraîne sur son passage des turbines produisant l’électricité de la centrale. Nous étudierons, dans la seconde sous-partie, les solutions techniques du projet afin d’optimiser le rendement de la tour.

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2. Les solutions techniques

a) La serre

La serre de verre ouverte s’étend sur 7km de diamètre. Elle est divisé en plusieurs secteurs limités par des structures en acier afin de faciliter la maintenance de l’ensemble et d’en prévenir les dégâts. Ouverte et transparente, la serre permet de conserver l'air, jusqu'à ce que celui-ci, une fois réchauffé par les rayons solaires, remonte le long de la tour grâce à la forme conique de la serre, qui facilite le passage de l'air. De plus, elle est tapissée de panneaux solaires héliothermiques au niveau du sol qui emmagasinent la chaleur durant la journée et qui la restituent la nuit, permettant ainsi une circulation continuelle de l'air (Dans d'autres systèmes, on peut trouver des bacs d'eau fermés qui jouent le même rôle que les panneaux solaires).

b) La cheminée

Il s’agit d’une cheminée de 1000 m de haut pour 130 m de large. Composée d’acier renforcé et de béton armé (matériau peu réactif aux variations de température comparé à l’acier, solide mais très réactif), d’1 m d’épaisseur à la base pour 25 cm au sommet. Elle possède un rôle crucial dans le fonctionnement de la centrale : elle permet de créer une différence potentielle de température qui va accélérer la vitesse du vent. En effet l’air chaud étant plus léger que l'air froid, il s'élève proportionnellement à cette différence. Cependant, sa taille impose également une contrainte qui est d'être pourvu de 6 barres de maintien en acier inoxydable tout son long pour éviter l’ovalisation (en raison de sa taille, la tour peut se déformer dangereusement et passer d’une forme globalement cylindrique à ovale) et l’effondrement de celle-ci sur elle-même.

c) Les alternateurs et les turbines

Les turbines sont placées à la base de la tour pour limiter les pertes de vitesse du vent. En effet, la mise en place de turbines tout le long de la tour provoquerait une perte importante de vitesse. Elles fonctionnent grâce au mouvement de l'air chaud de la serre, qui les traverse et provoque ainsi leur mise en rotation, avant de s'élever dans la tour. Les hélices étant de forme concave (ce qui permet d'augmenter la surface de contact avec l'air), les turbines ont un plus grand rendement. A l'origine, les concepteurs de la tour voulaient créer une turbine géante de 90 mètres de diamètre, composée de douze pales en matériaux légers. Mais sa construction s'est avérée très difficile à réaliser. Ils ont donc choisi une

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solution moins risquée qui est l'utilisation de plusieurs petites turbines, soit 32. Chaque turbine est reliée à un alternateur. Ces alternateurs synchrones reposent sur le principe d'une bobine tripolaire qui, lorsqu'elle est mise en rotation autour d'un aimant, crée de l'énergie. Ils transforment alors l'énergie mécanique fournie par les turbines en énergie électrique et sont donc responsables de la production d'électricité de la tour qui sera redistribuée à 200 000 foyers.

3. Simulation à propos de la vitesse de l’air dans la tour

L’étude théorique de que nous avons mené sur la tour nous a permis de tirer des équations suffisamment explicites pour pouvoir faire une simulation par ordinateur du comportement de l’air, et d’en tirer des approximations suffisamment proche de la réalité. Nous nous sommes donc fixés sur la vitesse du flux d’air dans la tour, cela nous permettait de pouvoir mettre nos résultats en relation avec les vitesses théoriques avancées par le groupe « Enviromission » qui est en charge du projet Buronga.

Nous avons donc dans un premier temps effectué la simulation du phénomène de convection observé dans la nature afin d’obtenir une vitesse de référence. La simulation prend en compte la formule de vitesse obtenue avec l’étude de la poussée d’Archimède où nous faisons varier l’altitude « z » et la température de l’air ambiant, aussi le fait de ne pas faire varier la température de la bulle qui dans la pratique se refroidit au fur et a mesure de son ascension, nous permet d’obtenir une approximation de la vitesse maximale qu’une bulle de 50µm et de 70°C pour atteindre dans l’air ambiant.

METTRE GRAPHE 1

Ainsi nous obtenons une droite affine représentant la vitesse de l’air en m/s et variant de 13,75m/s, pour une bulle au niveau du sol, à 15,68m/s, pour une bulle à 1km de hauteur.

Nous avons ensuite cherché à incorporer dans nos calculs l’effet de dépression qui intervient dans la tour, nous avons de même minimisé la différence de température, puisque l’air étant confiné dans la tour, il n’est plus au contact de l’air ambiant, plus froid. Cela nous à donc permit de mettre en évidence que le phénomène de convection permet principalement d’initier le mouvement de l’air mais c’est le phénomène de dépression qui assure la continuité du mouvement de l’air dans la tour.

METTRE GRAPHE 2

Cette deuxième simulation permet donc d’obtenir un graphe nous donnant la vitesse maximale de l’air en fonction de la hauteur de la tour. Cette vitesse varie de 10,27m/s à 11,7m/s ce qui met en évidence l’accélération de l’air a l’intérieur de la tour, mais aussi montre l’utilité de construire une tour d’un km de hauteur pour obtenir une vitesse suffisamment grande du flux d’air.

Enfin nous pouvons mettre en relation ce dernier résultat avec le résultat de la première simulation, en effet les vitesses de l’air dans la tour sont inferieur d’environ 3,5m/s de moyenne par

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rapport à la vitesse maximale que nous avons calculé : cela reste donc cohérente. De même nos résultats restent en accord avec la vitesse de 14m/s avancé par Enviromisson.

4. Réalisation de la tour

a) Construction

La cheminée est le composant le plus complexe du système en ce qui concerne la construction, notamment à cause de ses importantes dimensions. En effet, les architectes allemands de la centrale solaire de Buronga ont dû travailler pendant des années pour trouver les solutions techniques aux problèmes posés par cette structure colossale. D'un diamètre de 130 m, elle sera construite en béton armé d'une épaisseur de 1 m à sa base et de 25 cm à son sommet. Les 400 000 m3 de béton qui seront utilisés dans cette tour géante seront pompés à partir de plates-formes. Celles- ci seront construites sur chaque mètre au fur et à mesure de l'élèvement de la cheminée. La tour sera donc montée de façon compartimentée. Quant aux fondations, elles ne devraient pas dépasser quatre mètres de profondeur.

De plus, pour échapper au phénomène d'ovalisation, qui touche toutes les grandes tours creuses, tout en évitant d'adopter la forme concave des cheminées de refroidissement des centrales thermiques, les ingénieurs ont eu l'idée d'installer, sur six niveaux différents (280 m, 460 m, 600 m, 730 m, 860 m et 990 m), des câbles de métal horizontaux qui supporteront les parois intérieures de la tour, une technique semblable à celle des rayons de roue de bicyclette. L'impact de la présence de ces câbles sur le courant d'air montant dans la cheminée ne devrait pas dépasser 2 % de perte de vitesse.

Concernant les panneaux solaires, ils couvriront une superficie de 5 km2 et seront installés sur des structures d'acier construites à 6 m d'intervalle. Sous les milliers de carreaux de verre qui seront posés de 2 à 20 m au-dessus du sol, la température devrait être maintenue de façon constante à trente degrés. Afin de garder en réserve de la chaleur pour les nuits fraîches, des bacs d'eau seront installés sous les panneaux solaires. En effet, l'eau conserve la chaleur six fois mieux que la terre.

b) Environnement et culture

La construction d'une telle tour de 1 kilomètre est très critiquée par les écologistes. En effet, selon leurs points de vue, on peut y voir une défiguration du paysage australien, notamment à cause du fait qu'elle devrait être visible à 80 km. De plus ses grandes dimensions demandant un écoulement de 400 000m3 de béton armé, représentent une énorme quantité de dégagement de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

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La construction de la serre, étendue sur 38,5km2 présente le plus grand espace utilisé par la tour. C’est pourquoi, afin de réduire le coût du KWh, la culture de tomates est envisagée sous la plaque de verre. En plus de cela, les ingénieurs d’Enviromission prévoient d'aménager des canaux dans lesquels pourront circuler des navettes touristiques à travers les cultures sous la serre, mais aussi en altitude le long de la tour.

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Partie III   : Réalisation du projet personnel

Après avoir fait ces démonstrations théoriques et pris par la suite le projet de tour solaire Buronga comme support, nous allons tenter de démontrer que le phénomène s'exerçant dans le système de la tour solaire est réalisable de façon pratique en réalisant notre projet personnel, une maquette de la tour.

1. Présentation

a) Introduction

Le projet personnel consiste en une maquette de la tour solaire que nous avons réalisée afin de mettre en évidence les phénomènes physiques étudiés sur le système réel et notamment le phénomène de convection. Ainsi la maquette réalisée à l’échelle 1/700 permet de simuler la mise en mouvement d’un flux d’air chaud dans la serre et la production d’énergie électrique, cette dernière sera mise en évidence par l’allumage d’une DEL à cause des faibles rendements qu’une maquette et ces dimensions apportent.

b) Les diagrammes

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PRODUIRE DE Transformer l’énergie éolienne Créer un flux

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Ce schéma est un diagramme fast qui nous permet de voir facilement les différentes fonctions techniques de la fonction principale de la tour qui est donc de Produire de l'électricité. On peut notamment voir que la fonction Convertir l'énergie éolienne en énergie électrique est composée de trois fonctions de service qui sont, dans l'ordre de leur réalisation, Créer un flux d'air chaud, Permettre l'ascension de l'air et Convertir l'énergie mécanique en électricité. Les fonctions venant à la suite permettent de savoir comment les réaliser, pour cela une solution technique est associée à chacune d'entre elles.

Ce diagramme est appelé sadt. Il permet de voir l'évolution de la matière d'œuvre après avoir été transformée par le produit qui est donc notre maquette de la tour solaire. Ainsi, la matière d'œuvre entrante dans le système est l'air ambiant, qui une fois chaud passera dans le ventilateur, et il en ressortira de l'électricité. Ce diagramme présente également les informations et configurations entrants dans le système comme le décapeur thermique qui fournit l'alimentation. De plus, on peut également voir en sortie, des éléments autres que la matière d'œuvre en sortie tels que l'air sortant du haut de la tour ou le bruit du ventilateur.

2. Réalisation

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PRODUIRE DE L’ENERGIE

ELECTRIQUE

Air ambiant

Electricité

LA TOUR SOLAIRE

Air chaud

Multimètre

Alimentation électrique 220 V

Utilisation automatique

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a) Les solutions techniques

Le rayonnement solaire

La lumière du Soleil n’étant pas une source de chaleur suffisante pour notre maquette, dû à ses petites dimensions, nous avons utilisé un décapeur thermique. Sa grande puissance nous permet de représenter au mieux le chauffage de l’air par le Soleil sur le système réel. Afin de ne pas fausser le système en provoquant nous même le mouvement de l’air, nous avons placé le décapeur thermique assez loin de la tour pour limiter au maximum ce phénomène.

La serre

Sur le système réel, la serre s’étend sur plus de 38 km de superficie, soit un diamètre 7 fois supérieur à la hauteur de la cheminée. Nous avons négligé ce rapport (tout en conservant les rapports de volume entre la serre et la cheminée), étant donné que nous nous passons de l’aspect collecteur de chaleur de la serre, et que nous considérons plus l’hermétisme de l’air lors de son réchauffement. De ce fait, une serre en verre

nous était peu utile. Nous avons donc préféré une planche en bois à une plaque de verre. Pour favoriser l’action du décapeur, nous avons formé une boîte avec six planches en bois (une planche de 850x850x10 mm, une de 800x800x10 mm, deux de 250x850x10 mm et deux de 250x800x10 mm) que nous avons trouées de part et d’autre.

Les turbines

Placer 32 turbines sur notre maquette étant impossible, nous avons préféré nous restreindre à une seule turbine, que nous avons placée au sommet de la tour pour favoriser au maximum le déplacement de l’air à l’intérieur de la cheminée. Pour simuler cette turbine, nous avons utilisé un ventilateur d’ordinateur qui présente les mêmes fonctions que les turbines du système réel. Ensuite, nous avons relié à

un multimètre le port de sortie du ventilateur.

La cheminée

Pour représenter la tour de 1000 m de hauteur, nous avons utilisé un tube de PVC de 149 cm de longueur. Cependant, pour des raisons d’échelle, nous avons diminué

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légèrement le diamètre extérieur de la tour. (110 mm au lieu de 193 théoriquement) Le volume d’air à chauffer aurait été trop important et nous n’aurions pas pu observer de résultat. On rappellera la présence de barres de maintien le long du système réel ; les dimensions de notre tour nous ont permis de négliger la présence de ces « roues de vélo » dans notre projet.

b) Le montage

Notre maquette est constituée de deux parties. La première est la serre, elle est construite à partir de six planches de bois que nous avons vissées entre elles afin d'obtenir un parallélépipède. Sur la planche supérieure, nous avons percé un trou de diamètre égal à celui intérieur du tube de PVC. De plus, nous avons percé chaque planche latérale de plusieurs trous de 3,5 cm de diamètre afin de simuler l'ouverture de la serre, et nous avons ajouté un autre trou de 6,5 cm de diamètre sur l'une des planches pour pouvoir y installer le décapeur thermique.

La deuxième partie de notre maquette est la tour. Elle est maintenue par une petite planche percée en son centre d'un diamètre égal au diamètre extérieur du tube. Nous avons vissé cette planche à quatre barres en bois de maintien de 55 cm de longueur. Ces barres sont elles-mêmes vissées, à l'aide d'encoches métalliques, sur la grande planche sur laquelle la tour est posée. Afin d'optimiser nos chances de réussite, nous avons décidé de positionner le ventilateur au sommet de la tour que nous avons maintenu à l'aide de scotch. Enfin, afin d'assurer l'herméticité du système, nous avons utilisé du joint et un pistolet à colle au niveau de la base de la tour et entre les planches.

3. Extrapolation des résultats

a) Les résultats

Etant donné que nous avions fini la construction de notre maquette, il ne nous restait plus qu’à effectuer des essais et en tirer les résultats.

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A la fin de la construction, notre projet se présentait ainsi : une serre de 160 000 cm3, dans laquelle nous avons effectués 18 alésages de diamètre 34 mm. Nous avons tout d’abord négligé les légères fentes dues à des erreurs de montage ainsi que l’hermétisme extrême du raccord entre le ventilateur et la cheminée.

Nous avons alors effectué un essai. En laissant fonctionner le décapeur thermique à puissance minimale, nous n’obtenions rien de concluant : nous ressentions uniquement un flux d’air tiède s’échappant des perçages latéraux de la serre. Puis nous avons augmenté la puissance du décapeur. En puissance maximale, nous commençâmes à ressentir un léger flux d’air tiède après vingt minutes de fonctionnement. Cependant ce flux n’était pas assez important pour être l’agent de la rotation du ventilateur.

Cependant, nous ressentions quelque peu de l’air tiède s’échapper des fentes que nous avons négligé à tort. Nous avons alors effectué quelques corrections sur notre système en vue d’un second essai.

Ainsi nous avons bouché toutes les fentes, entre les plaques de la serre, entre la serre et la cheminée, et surtout entre la cheminée et le ventilateur qui réduisaient énormément le flux d’air. Nous avons donc procédé à un deuxième essai. Nous avons mis le décapeur en fonction à puissance maximale. Cette fois-ci nous n’avons, en conséquence, senti aucune échappée d’air autre que par la cheminée. Au bout d’une quinzaine de minutes, nous ressentîmes un léger flux d’air chaud s’échapper du sommet de la tour, flux d’air qui accélérait peu à peu. Cinq minutes plus tard, l’hélice du ventilateur commençait à tourner, puis atteint une vitesse de rotation plus ou moins constante :

Le système fonctionne

b) Les analyses

Ainsi lors du deuxième essai plusieurs changement ont été effectue sur la maquette dans le but de mettre en évidence le phénomène.

Le premier changement et surement le plus important a été de modifier les ouvertures de la serre, nous avons donc réduit le rayon des ouvertures ainsi que leur nombre en effet lors du premier essai le courant d’air froid qui passait par les ouvertures était trop important et nous empêchait d’atteindre une température de l’air dans la serre suffisamment haute pour observer le phénomène de manière visible. Nous avons ensuite utilisé du joint pour combler des ouvertures qui s’étaient formées à cause de la chaleur qui avait fait jouer le bois lors de la première tentative. Enfin nous avons laissé le décapeur tourner pendant un laps de temps relativement plus élevé pour s’assurer que la serre atteigne une température suffisante.

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Ces changements nous ont permis d’observer le phénomène de convection après une demi-heure d’utilisation du décapeur ainsi un flux d’air chaud ascendant faisait tourner le ventilateur qui fournissait 500mV.

Ce chiffre est à mettre en relation avec la tension maximale que peut délivrer le ventilateur que nous avons utilisé et qui est de 2V. Ce faible rendement peux s’expliquer par plusieurs raisons : d’abord nous pouvons observer que le rendement de la tour en fonction de sa hauteur est largement exponentiel ainsi le prototype déjà existant de 150m fournit 50 fois moins de puissance que la puissance théorique d’une tour d’un kilomètre, soit moins de dix fois sa hauteur. Ensuite nous pouvons considérer que le rapport du volume de la serre par rapport au volume de la tour est plus élève pour notre maquette que pour le projet réel ce qui est handicapant pour chauffer convenablement la serre. Enfin nous avons remarqué que la tour s’était décalée à cause du jeu du bois d’un angle d’environ 5° ce qui provoquait un déséquilibre au niveau du flux d’air qui arrivait dans le ventilateur avec un angle inferieur à 90° et ne permettait donc pas de faire tourner le ventilateur de façon optimal.

Cependant, nous avons mis en évidence, par l’intermédiaire de notre maquette, que le phénomène de la convection fonctionne aussi pratiquement.

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Conclusion

En conclusion, après avoir mis en évidence, théoriquement, qu’en créant un flux d’air chaud, on peut arriver à générer un courant électrique, nous avons montré comment ce phénomène se produit. De plus, ce phénomène est aussi réalisable pratiquement comme nous l’avons observé par l’intermédiaire de notre maquette. Cependant, il s’agit de noter que le rendement de notre maquette demeure très faible et donc que créer de l’électricité à partir d’un flux d’air reste compliqué à réussir.

Ensuite, nous avons illustré notre recherche grâce à l’étude d’un projet qui utilise un flux d’air chaud pour engendrer de l’électricité. Cependant, ce projet australien a été abandonné pour cause de crise financière par le gouvernement de l’île. Il est compréhensible que la tour solaire possède un rendement faible pour un coût de construction et d’entretien élevé. C’est pour cette raison qu’elle a été abandonnée. La tour solaire est-elle vraiment rentable par rapport aux autres centrales électriques existantes?

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Annexes

1. Carnet de bord

12 septembre:Pendant cette première séance de TPE, nous avons formé notre groupe avec Quentin DESLOT, Benjamin FORTASSIN, Minh-Duy NGUYEN et Diem-Tu OCCELLI. Nous avons alors commencé à réfléchir sur le sujet à choisir mais nous n'avons cependant encore idée à la fin de la séance et nous avons prévu de trouver des pistes de sujets pour la prochaine séance

19 septembre:Après avoir réfléchi ensemble pendant une heure de temps libre, nous sommes arrivés avec quatre idées de sujet avec l'intention de demander des conseils à nos encadrants. Nous avions les idées suivantes : l'évolution des ponts, les drones lunaires, la tour solaire et les GPS. Nos professeurs nous ont alors suggéré que les ponts risquerait de trop se présenter sous forme de catalogue et que les drones et les GPS sont trop compliqués à approfondir à notre niveau. Ils ont également ajoutés que la tour solaire serait également très difficile à réaliser au niveau du projet personnel mais que si cela fonctionnait, il en résulterait un bon travail. Nous avons alors décidé de nous pencher sur la tour solaire.

26 septembre:Après nous être mis d'accord sur le sujet, nous avons définitivement choisi la tour solaire comme sujet de notre TPE. Nous avons ensuite commencé les premières recherches sur internet via le site wikipédia mais aussi celui d'enviromission qui réalise un projet de tour solaire. Et nous avons alors pris connaissance su principe général de fonctionnement d'une tour solaire.

3 octobre:Le projet australien Buronga étant le plus récent car il n'est pas encore construit, nous avons décidé de nous spécialiser dans ce projet de tour solaire particulier parmi d'autre. Pendant que 2 s'occupait d'élaborer un début de plan, les 2 autres réfléchissait sur le fonctionnement plus précis et plus physique de la tour solaire. Nous avons également décidé de réalisé une maquette d'une tour solaire pour le projet personnel bien que nous n'avons encore aucune idée des matériaux que nous allons utiliser.

10 octobre

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Nous avons étoffé et ajouté quelques améliorations au plan et avons approfondi les recherche sur la partie fonctionnement du système. Nous avons également fait des recherches un peu plus précises sur l'histoire du projet et les autres projets déjà réalisé auparavant.

17 octobreNous avons, par groupe, commencé à rédiger la partie sur l'historique des différents projets et la partie sur le fonctionnement du système.

24 octobreNous avons ramené un ventilateur d'ordinateur pour réaliser des tests avec un voltmètre. Nous avons soufflé dedans et nous obtenons environ 50mV, et c'est en faisant tourner le ventilateur avec la main que nous arrivons à seulement 0, 8 V. Nous avons conclus que ce ventilateur ne fournissait pas beaucoup d'énergie. M. Debernardi nous a alors conseillé d'utiliser un multiplicateur de tension.

14 novembrePendant les vacances, nous avions fini la rédaction de la partie historique du projet, continué la rédaction de la partie fonctionnement et commencé l'écriture d'un plan power point en vue de préparer l'oral. Nous avons également pu récupérer un tube de PVC pour la maquette et fait des tests de la maquette avec une plaque chauffante qui n'ont pas fonctionné. Ce jour, nous avons alors réfléchi sur la partie convexe de notre maquette. Nous pensions à trouver une sorte d'abajour que l'on disposerait à la base de la tour, nous nous sommes mis d'accord pour rechercher chacun chez soi ce qui pourrait convenir.

18 novembreNous avons finalisé le plan et rédigé la sous partie Etude Globale du système dans la partie Fonctionnement de la Tour solaire. Nous nous sommes réunis tous les quatre la 2eme demi-heure afin de récapituler l'avancement de la rédaction et de vérifier la cohérence de notre projet.

25 novembreComme la plaque électrique ne fournissait pas assez de chaleur après les tests pendant les vacances, nous avons pensé à utiliser un barbecue mais après quelques discussions, nous avons réalisé que les flammes seraient impossibles à contrôler et donc que l'utilisation du barbecue serait trop dangereuse. M.Garreau nous a alors fortement conseillé d'utilisé un décapeur thermique faute de l'efficacité de la plaque chauffante.

28 novembreNous avons commencé à travailler sur la partie calculatoire. Cependant, il nous manquait des formules et des éléments pour calculer la vitesse du mouvement de l'air dans la tour. Nous

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avons alors décidé de demander un peu d'aide au professeur de physique, M.Creusot. Nous nous sommes aussi rendu compte qu'un abajour pour la base de la tour de notre maquette serait sans doute inutile à cause de la petite taille de notre tour par rapport au système réel.

12 décembreAprès avoir demandé de l'aide au professeur de physique pour calculer la vitesse de la monté de l'air dans la tour, nous avons revu les calculs en assimilant l'ascension de l'air dans la tour à une bulle et en utilisant la loi des gaz parfaits. Cependant nous avons eu un désaccord concernant la différence de pression à l'intérieur et à l'extérieur ainsi qu'à la base et au sommet de la tour. Ce qui nous a bloqués dans notre raisonnement.

9 janvierPendant ces dernières vacances, nous avons rédigé la partie construction de la tour, la partie environnement. Nous avons également terminé la rédaction de la partie fonctionnement après avoir modifier le plan qui «faisait trop catalogue» car les dimensions, matériaux de chaque composant étaient dans une partie différente de celle du fonctionnement de ces mêmes composants. Lors de cette séance, nous avons rassemblé tout ce que l'on avait fait pendant les vacances.

16 janvierPendant cette séance, nous avons rédigé la partie effet de serre et spectre solaire qui sont dans la partie théorique. Nous avons également retravaillé sur les calculs de la vitesse après avoir revu M. Creusot. Celui-ci nous a expliqué d'autres méthode afin de calculer la vitesse de la monté de l'air qui sont le théorème des flux constants et la loi de Bernoulli.

30 janvierNous avons rédigé la sous partie sur les alternateurs qui se trouve dans la partie théorique. Nous nous sommes aussi mis d'accord pour la construction de notre maquette qui se fera pendant les vacances d'hiver et avons fait le point sur ce que nous devions nous procurer. Il nous manquait encore des matériaux pour la serre; nous avons décidé d'utiliser des planches de bois afin de monter une boite qui ferait 1m sur 1m sur 0,5m; et de positionner le décapeur sur la planche du dessus.

3fevrierNotre problématique de base portait sur la rentabilité du système. Cependant nous n'avions pas assez d'éléments et d'information pour pouvoir correctement y répondre. De ce fait, nous avons entièrement retravaillé la problématique pour que celle-ci se présente sous la forme d'une expérimentation. Nous avions également pensé à rédiger une sous partie sur les bacs d'eau associée à la serre mais par manque d'informations et comme il n'y en a pas dans le système que nous étudions, nous avons abandonné l'idée.

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10fevNous avons retravaillé entièrement le plan afin qu'il coïncide avec notre problématique en partant non pas de la présentation de la tour solaire dès le début mais du cheminement de l'air afin de créer de l'électricité. De ce fait, la tour solaire arrive comme une solution technologique de la recherche de création de l'électricité. De plus, nous avons décidé d'emprunter le décapeur thermique de M.Garreau, cependant nous avons oublié de le prendre.

13fevNous avons pris le décapeur en décidant de la manière la plus sûre de l'utiliser. Nous avons également convenu du jour pendant lesquels nous monterons la maquette pendant la première semaine des vacances. Nous avons également changé d'avis sur les dimensions de la boîte qui formera la serre et décidé d'en faire une de 80cm sur 80cm sur 25cm avec quelques centimètres en plus sur la planche du dessus et deux planches latérales pour assurer une marge.

Pendant les vacances d'hiverNous avons continué le power-point et réordonné tout notre dossier à cause du changement de plan fait avant les vacances. Nous avons également monté notre maquette les deux premiers jours des vacances et avons fait une première approche de tests, mais elle n'a pas fonctionné.

3 marsNous n'avons pas eu le temps de présenter entièrement notre TPE à l'oral. Mais il y a déjà de nombreux éléments à corriger dans le power point, notamment notre petit manque d'images pour illustrer nos explications.

4 marsNous nous sommes vus pour tester à nouveau la maquette de façon plus approfondie. Nous avons mis le décapeur en marche pendant une durée plus longue et au bout d'un moment, nous pouvions sentir un flux d'air chaud en mettant la main en haut de la tour. Et un peu de temps après, le ventilateur a réussi à tourner même s'il ne va pas très vite.

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