Une éolienne, comment ça marche ?

Nous les voyons se dresser dans les champs, au bord des grands axes routiers, ou en pleine mer, les éoliennes font aujourd’hui parti de notre paysage. L’énergie éolienne, générée à partir de la force du vent appartient aux énergies renouvelables, vers lesquelles il nous faut nous tourner pour tenter de réduire les émissions de gaz à effet de serre, qui participent au réchauffement climatique, et pour préserver les ressources de notre planète, qui s’amenuisent de plus en plus.

Mais au fait, une éolienne, comment ça marche ? Afin de mieux comprendre le fonctionnement de ces  moulins géants, nous avons choisi de fabriquer une éolienne miniature. Vous ne pourrez pas éclairer toute l’école avec, mais vous pourrez comprendre comment un mouvement, crée par le vent, se transforme en électricité !

Présentation de notre objet

L’objet technique que nous avons réalisé est une éolienne miniature, reliée à une ampoule, provenant d’un vélo. Le mouvement des pales (ou hélices) de l’éolienne, entrainées par le vent, va créer de l’énergie, énergie qui sera transformée en courant électrique grâce à une dynamo de vélo.

Pour fabriquer cette éolienne, nous avons utilisé des matériaux que nous avions à disposition  :

• une planche en bois pour faire le socle
• un tuyau en PVC (type tuyau de plomberie), avec un coude, pour le corps de l’éolienne
• une dynamo de vélo
• des pales en métal, provenant de la ventilation d’un ancien chauffage
• du plastique provenant d’un vieux bidon, qui a servi à agrandir les pales
• des fils électriques
• une ampoule provenant d’un vélo

Voici en images les schémas de fabrication, puis notre éolienne :

et maintenant notre éolienne en fonctionnement :

Ici l’ampoule n’éclaire pas intensément car le vent ne souffle pas fort et les pâles ne tournent donc pas assez vite pour illuminer complétement l’ampoule.

Concepts scientifiques

L’intérêt de la construction d’une telle maquette est de faire comprendre aux élèves comment on peut produire de l’électricité à partir d’une énergie renouvelable qui ne produit donc pas de gaz à effet de serre.

Les concepts scientifiques étudiés dans le cadre de ce projet sont :

*La notion de mouvement, et d’énergie cinétique : L’éolienne est équipée de pales, qui effectuent un mouvement de rotation, impulsé par le vent, autour d’un axe, appelé rotor, semblable à l’hélice d’un avion. Ce mouvement de rotation des pales se fait grâce à l’énergie cinétique du vent, autrement dit l’énergie produite par le mouvement et la vitesse du vent. C’est cette énergie qui va être transformée en énergie mécanique, puis électrique.

La notion relative au mouvement est ici la transmission du mouvement, puisque l’ensemble du mécanisme de l’éolienne effectue un mouvement de rotation, identique à l’entrée et  la sortie, seule la vitesse de ce mouvement est modifiée.

*La transformation de l’énergie cinétique en énergie mécanique :  Le mouvement de rotation des pales, grâce à l’énergie du vent, est reproduit sur un axe situé dans la nacelle de l’éolienne , produisant une énergie mécanique (le vent fait tourner les pales et l’axe). Cet axe est lui-même relié à un démultiplicateur de vitesse, qui va, comme son nom l’indique, multiplier la vitesse de rotation de l’axe,  et ainsi permettre au générateur de produire plus d’électricité, plus rapidement.

*La transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique :  cette transformation est observée au moyen de l’étude du fonctionnement d’une dynamo, dont le mécanisme est semblable au générateur d’une éolienne. L’énergie mécanique engendrée par la rotation des pales va activer un aimant situé à l’intérieur d’une bobine de fils de cuivre. En tournant dans cette bobine, l’aimant va générer de l’électricité. C’est ce même principe qui sera appliqué, à plus grande échelle, sur l’éolienne.

Dans le mât descendent les fils électriques qui relient le générateur au transformateur situé au pied du mât. Ce transformateur va décupler la tension du courant électrique jusqu’à 20000 volts pour qu’il circule plus facilement dans le réseau de distribution, contrôlé par les grands fournisseurs d’énergie, comme EDF.

*Les outils de mesure et de sécurité de l’éolienne : Entre le démultiplicateur de vitesse et le générateur se trouve un frein qui permet d’arrêter les pales de tourner si le vent souffle trop fort. La force et la vitesse du vent sont mesurées par un anémomètre, capteur de vitesse, situé à l’extérieur de la nacelle.  En cas de vents trop forts, et grâce à la présence de ce capteur, le frein se mettra en marche. Cet anémomètre permet également de calculer la direction du vent pour que, lorsque le vent tourne, la nacelle pivote pour faire face au vent. En effet, le rotor ne fonctionne que losqu’il est face au vent.

Bien que le fonctionnement d’une éolienne, telles celles que l’on voit au bord des routes, soit plus complexe,  sa modélisation permet de simplifier la compréhension du mécanisme de production d’énergie.

Transposition en classe

Nous nous plaçons dans le domaine de la matière, du mouvement et de l’énergie. Le but est de faire découvrir aux élèves le fonctionnement d’une éolienne, à travers la conception d’un objet technique reproduisant son fonctionnement. Au sein des programmes, cette séquence d’apprentissage entre dans les domaines suivants : observer et décrire différents types de mouvements, identifier des formes d’énergie et des ressources d’énergie, reconnaître des situations où l’énergie est stockée, transformée, utilisée, et fabriquer un objet technique nécessitant de l’électricité, parmi lesquels figure l’éolienne.

Cette séquence s’inscrit également dans l’éducation au développement durable, et dans la construction d’une attitude éthique et responsable, puisqu’il sera question d’énergies renouvelables, et de l’importance croissante du recours à ce type d’énergies  dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique, et pour la préservation de notre environnement et de nos ressources.

Comme il est indiqué dans les programmes, ces notions relèvent du cycle 3, et peuvent être abordées en CM1-CM2, nous avons donc choisi de placer notre séquence en CM1.

Trucs et astuces

• les pales de l’éolienne doivent être suffisamment larges pour permettre à l’éolienne de tourner, même s’il y a peu de vent. N’hésitez donc pas à les prévoir assez grandes, ou à les agrandir si besoin (c’est ce que nous avons fait).
• pour le générateur d’électricité, nous avons commencé par utiliser le moteur d’une voiture télécommandée. Les pales tournaient mais le moteur ne se mettait pas en route, ce qui ne générait donc pas d’électricité. Après avoir essayé sans succès avec une autre ampoule, nous avons remplacé le moteur par une dynamo de vélo, et cela a fonctionné !

Lien vers notre dossier « Faire des sciences » (S8) : Eolienne FAIRE DES SCIENCES S8 Rolland-Chevrel-Esselin