TPE : Les éoliennes - Approfondissement

II - Fonctionnement

B - Approfondissement (effet Venturi, effet de portance, énérgie cinétique)

Le nombre de pâles peut varier entre 2 ,3 ou 4, mais elles sont généralement 3. En effet, avec seulement deux pâles, de fortes vibrations fragilisent le système entier alors qu'avec quatre pâles, l’éolienne a un plus faible rendement car la prise d’air d’une première pâle est perturbée par l'air déplacé de la pâle précédente.

L’action du vent sur les pales :

Mise en évidence de l’énergie cinétique du vent :

Pour que l’hélice de l’éolienne se mette en route il faut que le vent souffle sur ses pales, autrement dit capter l’énergie cinétique du vent. En effet on sait que toute particule possède une énergie cinétique plus ou moins importante et que cette énergie se transmet au contact d’un autre corps. L’énergie cinétique du vent est la somme de l’énergie cinétique de chacune des particules de l’air, pour mettre en évidence cette énergie prenons un exemple banal, quand le vent souffle et qu’il y a des arbres aux alentours, on remarque que les branches et les feuilles de l’arbre s’agitent, c’est juste que l’énergie cinétique du vent à était transmise au feuilles ou branches. Dans le cas des éoliennes, le vent souffle sur les pales, et crée une zone de surpression. C’est dans cette zone que l’énergie du vent est la plus puissante par rapport à la pale et c’est donc là que le vent va la transmettre ainsi que son sens et sa direction, et ainsi faire tourner l’hélice.

Effet venturi :

Si on imagine une plaque d’une longueur infinie (pour éviter les effets de portance), placée en travers du vent et formant avec ce dernier un angle d’incidence de 90° on remarque que l’action du vent sur cette plaque et nulle car les forces s’appliquant sur chaque cotés de la plaque se compensent, il y a une trop grande résistance au vent. Si on place cette fois-ci la même place mais de façon à ce qu’elle forme un angle d’incidence de 180° (ou 0°) avec le vent on se rend compte qu’il n’y a aucune force qui s’applique sur la plaque autrement dit, il n’y a aucune résistance au vent. Pour réussir à obtenir un mouvement de cette plaque, il faut donc la placer de telle façon que l’angle i qu’elle formera avec le vent soit 0°<i<90°. On appelle cela l’effet venturi.

Effet de portance :

Vous vous êtes peut-être déjà demandé pourquoi le vent est plus fort au sommet d’une montagne, d’un immeuble ? Un physicien et mathématicien du 1xème Daniel Bernoulli c’est intéressé à ce phénomène et a montré que le produit la vitesse d’un fluide (en l’occurrence le vent) par la pression de ce fluide était égal à une constante k, ce qui signifie qu’il cherche toujours à garder le même débit. Mais quel est le rapport avec la question du début et notre TPE vous demandez-vous ? Nous y arrivons. Reprenons, donc si le fluide cherche à maintenir le même débit, et qu’il a un obstacle devant lui (montagne ou immeuble), il doit augmenter sa vitesse et baisser sa pression. Voyons cela un peu plus en détail

Si on l’applique à une aile d’avion les flèches noires représentent le vent, au contact de l’aile, la flèche du milieu se divise en deux flèches la flèche rouge va légèrement plus vite que la bleue, qui reste a la même vitesse que les autres, car sa distance est plus longue, donc d’après Bernoulli la pression de l’extrados va baisser et celle de l’intrados sera supérieure donc l’aile va se soulever.

Si on applique cela à notre pale d’éolienne on obtient deux forces : la traînée (c’est la force de résistance qu’exerce le fluide sur le solide) et la portance. De ces deux forces en résulte une autre qui et perpendiculaire à la pale et qui nous indique le sens de rotation de la pale.

Limite de transformation :

Cependant il existe une limite de transformation de cette énergie. En effet un mathématicien et physicien allemand Albert Betz à démontrer que l’éolienne idéale ne pouvait pas convertir plus de 59% de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique et donc après en électricité.