Comment créent-elle de l'énergie ?

Introduction

La puissance, en physique, permet d'indiquer la vitesse à laquelle un travail est fourni. Cela correspond alors à la quantité d'énergie par unité de temps fournie par un système à un autre système. On peut donc conclure que la puissance correspond à une grandeur scalaire et à un débit d'énergie. Ainsi, si deux systèmes de puissances différentes fournissent le même travail, et donc la même énergie, ce sera le plus puissant des deux systèmes qui sera donc le plus rapide. On peut exprimer la capacité d'un système à fournir un travail en un temps donné à l'aide du rapport suivant :

    \[ P = \frac { W } { t } \]

On peut déduire de cette formule, que l'intégrale de la puissance fournie par rapport au temps représente alors le travail fourni par le système. En ce qui concerne la notation et les unités, dans le SIU, le système international d'unité, une puissance s'exprime en watts, en joules par seconde ou encore en kg.m2.s-3. Autrefois, on utilisait encore le cheval-vapeur. Cette unité comparait alors la traction d'une machine à vapeur à celle d'un cheval de trait.

Superprof

L'éolienne et son fonctionnement

Généralités

Qu'est qu'une éolienne ?

Les éoliennes sont, pour la plupart des personnes, des sortes de moulins modernes capables de changer le vent en électricité.

L'éolienne est capable de changer l'énergie cinétique (déplacement de masse d'air) du vent en énergie mécanique.

Elles sont composées d'hélices, tournant autour d'un rotor, et fonctionne grâce au vent. L'éolienne rentre dans la catégorie des énergies renouvelables comme l'énergie solaire, l'énergie géothermique, etc.…

Il existe de nos jours, deux types d'éoliennes.

La catégorie la plus courante est celles à axe horizontal.

L'autre catégorie comprend évidemment celles à axe vertical.

Ces éoliennes sont conçues pour produire un maximum d'électricité.

Comment fonctionnent les éoliennes ? Dans nos campagnes, nous voyons de plus en plus d'éoliennes sortir de Terre. Ces dernières sont en vogue puisqu'elles permettent de créer de l'énergie à partir d'un élément naturel, le vent.

Elles atteignent leur puissance maximale pour des vents de 50 km/h, au-delà de cette limite elles sont freinées grâce à un système de régulation électronique (car la machine présenterait quelques contraintes).

Au delà de 90 km/h, la machine est immédiatement stoppée.

Le fonctionnement d'une éolienne

L'énergie éolienne est de forme solaire, en effet les rayons solaires arrivant sur les océans et sur les continents créent des courants d'air ascendants.

L'air qui est plus froid, monte dans l'espace laissé libre par l'air montant ce qui provoque des vents de surface.

Les éoliennes captent le vent,  interceptent l'énergie du vent en utilisant de grandes pales montées sur de grands  pylônes d'environ 50 mètres.

Le vent fait tourner les pales et les pales actionnent un générateur qui produit l'électricité.

La puissance électrique, très souvent notée P, possède pour unité le watt, de symbole W. Elle correspond au produit de la tension électrique, donc en volts, aux bornes de laquelle on branche l'appareil avec l'intensité du courant électrique, donc en ampères, qui va donc traverser l'appareil. Notez que ceci est vrai pour les appareils qui sont purement résistifs.

Le travail de l'électricité

Un dipôle parcouru par un courant d'intensité I échange de l'énergie avec le reste du circuit. Le mode de transfert est le travail des forces électriques.

Pendant la durée t, les forces électriques s'exerçant sur les charges qui traversent un dipôle AB, parcouru par un courant d'intensité I circulant de A vers B effectuent le travail :

    \[ W _ { AB } = U _ { AB } \times I \times t \]

De par la définition de la puissance , il est possible de savoir que la puissance des forces électriques correspond à :

    \[ P _ { AB } = U _ { AB } \times I \]

Ainsi, on sait que :

  • Si la puissance est positive, alors le dipôle AB a reçu cette puissance.
  • Si la puissance est négative, alors le dipôle AB a cédé cette puissance.

Avec :

  • La tension U qui s'exprime en volt (V) ;
  • L'intensité I qui s'exprime en ampère (A) ;
  • Le temps t qui s'exprime en seconde (s) ;
  • Le travail W qui s'exprime en joule (J) ;
  • Et la puissance P qui s'exprime en watt (W).

On sait que, lorsqu'un dipôle est traversé par un courant, il y a transfert d'énergie entre le dipôle et le milieu ambiant.

Qu'est-ce qu'un dipôle ? Un dipôle est un appareil électrique qui dispose de deux bornes. C'est le cas par exemple des appareils qui fonctionnent sur piles ou que l'on branchent dans les prises.

De ce fait, lorsque le circuit est traversé par un courant d'intensité I, alors peu importe le dipôle présent au sein de ce circuit, celui-ci va s'échauffer. On appelle cela l'effet Joule. De ce fait, le dipôle qui sera ainsi échauffé va céder de l'énergie par chaleur au milieu ambiant.

On sait également que lorsqu'il le dipôle est traversé par un courant, alors celui-ci est capable d'effectuer un travail (on le considère alors comme un moteur électrique). Il cède alors de l'énergie au milieu ambiant par travail.

Par la même façon, lorsque le dipôle est traversé par un courant, alors celui-ci est capable d'émettre de la lumière (on le considère alors comme lampe électrique). Il cède alors de l'énergie au milieu ambiant.

La loi d'ohm s'écrit, pour un courant traversant le conducteur ohmique de A vers B :

    \[ U _ { AB } = R \times I \]

où R est la résistance du conducteur ohmique.

Tandis que la loi de Joule s'exprime ainsi :

    \[ P _ { AB } = R \times I ^ 2 \]

Cette puissance est toujours positive. Un conducteur ohmique reçoit de l'énergie du reste du circuit. Le dipôle s'échauffe. Puis sa température reste constante : à chaque instant, l'énergie reçue du reste du circuit par travail des forces électriques est cédée au milieu ambiant par chaleur. La puissance

    \[ P _ { AB } = R \times I ^ 2 \]

correspond à l'effet Joule.

La puissance

En général, on considère la puissance comme étant le produit d'une variable d'effort qui peut correspondre à une force, un couple, une pression ou encore à une tension et qui est alors nécessaire à la mise en mouvement contre la résistance exercé par le système, par une variable de flux qui peut correspondre à une vitesse, une vitesse angulaire, un débit ou encore à l'intensité du courant qui sera entretenue malgré l'existence de cette résistance. Afin d'illustrer ce propos, on peut prendre l'exemple de la puissance nécessaire afin d'imposer un déplacement à un véhicule. En effet, cette puissance correspond alors au produit de la force de traction exercée par la vitesse de déplacement. De ce fait, la puissance d'un moteur rotatif correspond au produit du couple qu'il transmet au travers de la vitesse de rotation qu'il est capable d'entretenir malgré la résistance. Autre exemple, l'ampoule électrique est capable de convertir l'énergie électrique en lumière et en chaleur.

La puissance au sein d'un régime continu

Lorsque la tension et le courant sont continu, on définit la puissance avec la formule suivante :

    \[ P = U \times I \]

Avec U et I des valeurs constantes de la tension aux bornes du dipôle et de l'intensité du courant à travers le dipôle. Notons que si l'on considère R comme étant la résistance du dipôle, on a :

    \[ U = R \times I \]

On obtient donc en définitive la formule de calcul de la puissance suivante :

    \[ P = R \times I ^ 2 = \frac { U ^ 2 } { R } \]

Il est possible de modéliser un dipôle actif linéaire, donc un électromoteur, avec un modèle équivalent de Thévenin même si ce modèle, très sommaire, ne permet pas de rendre compte des éventuelles chutes de tension en charge ou encore des puissances électriques mises en jeu dans un domaine de validité qu'il faut nécessairement préciser. Ainsi, convention générateur, la puissance fournie par le dipôle à l'extérieur peut s'exprimer de la façon suivante :

    \[ P _ \text{ fournie } = U \times I = \left( E - R \times I \right) \times I \]

    \[ P _ \text{ fournie } = E \times I - R \times I ^2 \]

La puissance fournie par le dipôle actif correspond alors à la puissance fournie par un générateur idéal de tension, noté E, qui va donc délivrer un courant, noté I, dont une partie est dissipée par effet Joule, représenté par -RxI2 . Si on se concentre sur le cas des moteurs électriques, ExI est un terme représentant la puissance électromécanique que l'on note Pem.

La puissance au sein d'un régime alternatif
Le régime alternatif

Si la tension et le courant varient, on considère que la puissance instantanée consommée par un dipôle est représentée par le produit des valeurs instantanées du courant qui le traverse et de la tension à ses bornes. On obtient alors la formule suivante :

    \[ p \left(t \right) = u \left( t \right) \times i \left( t \right) \]

Si on se considère en régime sinusoïdal, on peut exprimer la tension et l'intensité de la façon suivante :

    \[ \begin{cases} i \left( t \right) = i _ 0 \times \cos \left( \omega t \right) = I \sqrt { 2 } \times \cos \left( \omega t \right) \\ u \left( t \right) = u _ 0 \times \cos \left( \omega t + \phi \right) = U \sqrt { 2 } \times \cos \left( \omega t + \phi \right) \end{cases} \]

Avec :

  • U et I sont les valeurs efficaces de la tension et du courant
  • Et Φ est le déphasage de la tension par rapport au courant.

On obtient alors l'expression de la puissance suivante :

    \[p \left( t \right) = U \times I \times \cos \left( \phi \right) + U \times I \times \cos \left( 2 \times \omega t + \phi \right) \]

Il peut alors être intéressant de noter que le premier terme de la somme ci-dessus correspond à la puissance active alors que le second terme correspond à la puissance sinusoïdale de fréquence qui est double de celle du courant et de la tension. La position moyenne de cette puissance sinusoïdale est d'ailleurs égale à la puissance active. De plus, la valeur de cos(Φ) correspond quant à lui au facteur de puissance en régime sinusoïdal. On appelle ainsi puissance fluctuante une puissance sinusoïdale de fréquence double de celle du courant et de la tension. Cette puissance n'a, pour les convertisseurs électrothermique, aucun effet puisque l'inertie thermique du système permet de lisser et ce de façon totale les variations de puissance. Cependant, cela n'est pas vrai pour les conversion électromécanique puisque la machine électrique, qu'elle soit moteur ou génératrice, tourne avec une vitesse presque constante grâce à son inertie. De ce fait, à chaque instant elle consomme ou fournir, modulo des pertes, une puissance mécanique identique. Ainsi, la puissance fluctuante est responsable d'oscillations de couples qui sont, pour la majeure partie, absorbée par l'élasticité de l'arbre de transmission. C'est pour cela que, pour une machine de forte puissance, ces oscillations sont à éviter puisqu'elles risque de provoquer la destruction de cette machine. Ceci étant la raison par laquelle les alternateurs de centrales électrique ou encore les très gros moteurs se doivent d'être polyphasés. Dans les fait, ils sont généralement triphasés.

Vitesse de transformation

Puisque la puissance est une grandeur physique, celle-ci reflète alors la notion de changement matériel dans l'univers mais également le temps nécessaire afin que ce changement s'effectue. Ainsi, la puissance est différent du travail puisque celui-ci prend uniquement en compte le changement et non pas la durée nécessaire à ce changement. De ce fait, pour un même travail effectué lorsqu'une charge pesante est transportée en haut d'un escalier, la puissance sera différente selon si le porteur de la charge effectue cette tâche en courant ou en marchant. En effet, dans le cas où le porteur transporte sa charge en courant, la puissance nécessaire à l'exécution de cette action est beaucoup plus grande. Ceci est encore plus vrai lorsque le délai d'accomplissement de ce travail est plus faible. On peut également illustrer cela en se basant sur l'exemple de la combustion complète d'un kilogramme de charbon. En effet, celle-ci libère plus d'énergie que l'explosion d'un kilogramme de TNT : l'explosion de TNT produit environ 4,7 mégaJoules par kilogramme alors que la combustion du charbon produit entre 15 et 30 mégaJoules par kilogramme. La principale différence entre ces deux réaction est la différence de puissance : puisque l'explosion est un phénomène beaucoup plus rapide que la combustion, la puissance de la première réaction est beaucoup plus supérieure que celle de la deuxième pour un même poids de réactif même si l'énergie intrinsèque du charbon est supérieure à celle de la TNT.

Rôle des composants principaux d'une éolienne

Le rotor

C'est le support sur lequel sont fixées les pales.

 Il est souvent constitué de trois pales.

 Les pales tour à une vitesse maximum de 30 tour minutes.

La génératrice d'électricité

Les génératrices des éoliennes diffèrent un peu des autres types de génératrices raccordées au réseau électrique.

Une des raisons de cette différence est que la génératrice d'une éolienne doit pouvoir fonctionner avec une source de puissance (c'est à dire le rotor de l'éolienne) qui fournit une puissance mécanique (un couple) très fluctuante.

Elle se compose de deux éléments : l'inducteur et l'induit.

L'inducteur, constitué d'un électro-aimant et de son bobinage, produit le champ magnétique.

L'induit représente la structure qui porte les conducteurs traversant le champ.

C'est en général un noyau en fer doux laminé, autour duquel sont enroulés des fils conducteurs. Ces fils véhiculent le courant induit dans le générateur.

Un alternateur délivre un courant qui atteint une crête, tombe à zéro, chute à une pointe négative, revient à zéro et ainsi de suite.

 Ce phénomène se répète périodiquement selon la fréquence pour laquelle l'alternateur a été conçu. Un tel courant est appelé courant alternatif monophasé.

Si l'induit comporte trois enroulements placés à 120° les uns des autres, le courant sera fourni sous la forme d'une onde triple, nommée courant alternatif triphasé.

On peut ainsi obtenir un grand nombre de phases en augmentant le nombre d'enroulements de l'induit. La tension générée par l'éolienne est très souvent un courant alternatif triphasé de 690 V.

Les 3 enroulements statoriques créent donc un champ magnétique tournant, sa fréquence de rotation est nommée fréquence de synchronisme. Si on place une boussole au centre, elle va tourner à cette vitesse de synchronisme.

D'où viennent les moulins ? Cela fait longtemps que l'Homme a su dompteur la puissance du vent avec les moulins à vent. Ces moulins servaient à moudre le grain nécessaire à la fabrication de la farine.

Le générateur

Un générateur simple sans commutateur produit un courant électrique qui change de sens, lorsque l'induit tourne.

On a donc un courant alternatif intéressant pour transmettre une puissance électrique.

Les générateurs à courant alternatif à faible vitesse sont dotés d'une centaine de pôles, tant pour améliorer leur efficacité que pour atteindre plus facilement la fréquence souhaitée.

En revanche, les alternateurs entraînés par des turbines à grande vitesse sont souvent des machines bipolaires.

La fréquence du courant produit par un générateur à courant alternatif est égale à la moitié du produit du nombre de pôles magnétiques par le nombre de tours par seconde de l'induit :

F = ½ P.v f : fréquence du courant produit P : nombre de pôles magnétiques v : vitesse en tours/seconde

L'éolienne est totalement dirigée par informatique.

Un moteur électrique commandé par une girouette déplace l'éolienne pour être face au vent. Un transformateur installé au pied de l'éolienne permet de passer d'un courant de 690 à 20000 volts.

Une énergie d'avenir

Une énergie renouvelable, propre et prometteuse

Une énergie renouvelable

Contrairement au pétrole, le vent est infini. D'ici 2040, les hydrocarbures vont disparaître et laisseront place aux énergies renouvelables telles que les éoliennes, les panneaux solaires, les centrales hydrauliques...

Ce sera un impact favorable sur l'environnement grâce à une forte réduction des émissions de CO2.

Une énergie propre

L'énergie éolienne est une forme indirecte de l'énergie solaire, puisque ce sont les différences de températures et de pressions induites dans l'atmosphère par l'absorption du rayonnement solaire qui mettent les vents en mouvement.

De plus, les pales sont en composite thermoplastique et produites à partir d'une résine (CBT resin) de cyclics, ce qui permettra la production de quelque 19 tonnes de matériaux de pales recyclables par turbine d'éolienne.

Une énergie prometteuse

L'Union européenne, qui reste la véritable locomotive du marché éolien en détenant 75% de la puissance mondiale, a quadruplé la sienne en l'espace de 4 ans, totalisant 23000 MW à fin 2002. En 1997, l'European Wind Energy Association (EWEA) fixait pour le continent les objectifs de puissance installée suivants:

En 2000 : 8000 MW En 2010 : 40000 MW En 2020 100000 MW

En septembre 2000, l'EWEA a augmenté ses objectifs, conformément à l'évolution des années précédentes (le cap des 8000 MW a été largement dépassé en 1999):

En 2010 : 60000 MW En 2020 : 150000 MW

Où trouver suffisamment d'électricité ? Avec l'arrivée des véhicules électriques, les besoins en électricité vont considérablement augmenter dans les prochaines années. Les éoliennes seront donc nécessaires, ainsi que d'autres productions, afin d'augmenter les mégawatts produits.

L'énergie récupérable

Les éoliennes, utilisées pour fournir de l'électricité aux réseaux, peuvent maintenant atteindre des puissances importantes, de l'ordre de 2 MW à l'intérieur des terres et de 5 MW en mer.

L'énergie cinétique du vent est la force fournie par celui-ci. Cette force se calcule selon l'équation:

Pcinétique = ½.p.v².S avec Pcinétique: force cinétique du vent en joules (J) p: masse volumique de l'air en Kg/m3 (environ 1,23 Kg/m3) v: vitesse instantanée du vent en m/s. S: cylindre de section S en m3

L'énergie récupérable est celle qui peut être prise de l'énergie cinétique du vent.

 Le scientifique Betz a su démontrer que pour les éoliennes à axe horizontal (les plus courantes), la récupération de cette énergie a une limite maximum inférieure à la puissance du vent car l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que l'énergie récupérable était maximale lorsque:

Vsortie = 1/3.Vincidente

Ceci a pour conséquence que la puissance maximale récupérable est:

Pmax = 16/27.Pcinétique = 8/27p.S.V3 avec 16/27: rendement maximal théorique d'une éolienne horizontale S : surface balayée par les pales en m3.

Controverses

Malgré leur intérêt grâce à leur production propre d'électricité, les éoliennes sont aussi controversées. Accusées de dégrader le milieu de vies des animaux à proximité, notamment par leur bruit, elles prennent également beaucoup de place dans le paysage de nos campagnes. Dans certaines régions, leur déploiement a été limité. C'est le cas par exemple sur la côte d'Azur où l'on voyait des éoliennes pousser dans la mer. Dans les Hauts de France, le président de la région a même stoppé le déploiement des éoliennes car c'est la région française qui en compte le plus.

Vous avez aimé l’article ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) (5,00/ 5 pour 1 votes)
Loading...

Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

Vous avez aimé
cette ressource ?

Bravo !

Téléchargez-là au format pdf en ajoutant simplement votre e-mail !

{{ downloadEmailSaved }}

Votre email est invalide
avatar
idsc
idsc
Invité
24 Jan.

Bonjour,
Serait-il possible d’avoir les illustrations. Elles n’ont pas été chargées sur la page du site.
Merci