Essais et expérimentations autour de la production d énergie éolienne

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1 DBEMINIEOLA Novembre 009 Essais et expérimentations autour la production d énergie éolienne TECHNOLOGIE AU COLLEGE

2 Présentation Le produit Eolienne miniature équipée d un alternateur et d une carte électronique régulation du courant. Associée à différents modules externes, ce matériel permet reproduire en miniature un système éolien production d électricité. Avec ce matériel, on pourra réaliser s tests et mesures pour comprendre les problèmes posés et les solutions techniques actuelles production et stockage d énergie électrique à partir l énergie du vent. Intérêts du produit La similitu avec le réel Dans sa forme (nacelle pivotante avec empennage) et son principe fonctionnement (alternateur couplé à un régulateur électronique), ce matériel laboratoire reproduit fidèlement le fonctionnement s éoliennes moyennes tailles que l on utilise pour la production domestique ou à bord s voiliers. La simplicité pour l investigation Montage et démontage faciles et rapis. Connections électriques sur borniers rapis. Un simple ventilateur d intérieur suffit à entraîner l hélice l éolienne. Le socle lourd et stable évite d avoir à maintenir l éolienne par un support. Le potentiel pédagogique Possibilité réaliser et tester s pales d hélice différentes en polypropylène ; on peut monter ou 6 pales. Possibilité réaliser et tester une dérive différente en polypropylène. Les modules externes qui permettent d effectuer s tests et mesures et reproduire un champ éolien. Les modules externes Module couplage Il permet coupler en parallèle ou en série jusqu à éoliennes pour constituer un champ éolien miniature. Module Voltmètre Il permet d effectuer s mesures avec un appareil dédié et directement compatible avec la connectique s miniéoliennes. Module son et lumière Il permet consommer et mettre en évince l énergie produite et comparer la puissance produite selon la vitesse rotation du rotor ou la force du vent. Module stockage l énergie Il permet mettre en évince le problème majeur l énergie électrique : la nécessité et la difficulté la stocker. L éolien n est pas une source fiable d énergie car imprévisible ; d où la nécessité pouvoir stocker l énergie produite. 0

3 Document xxxxxx Vis (blocage du mât) Acier zingué, tête cylindrique Ø x mm. 6 0 Vis (assemblages du cône d hélice) Acier zingué, tête cylindrique Ø,5 x 8 mm. 5 0 Tenon (blocage du mât) PS injecté Ø x longueur 0 mm. 0 Vis (assemblages du socle) Acier zingué, tête fraisée Ø,5 x 0 mm. 06 Ecrous Acier zingué, Ø,5 mm. 0 Vis (assemblages s flancs) Acier zingué, tête cylindrique Ø,5 x 0 mm. 0 Poids Métal, Ø 0 mm. 0 0 Socle PS injecté Ø 0 mm Mât Tube aluminium, Ø,7 x 00 mm Module régulateur Redresseur Tension sortie non stabilisée Alternateur Mini alternateur phases pour mini éolienne, axe Ø mm Empennage Polypropylène Ø 80 mm Flan gauche PS injecté 00 x 50 x Flan droit PS injecté 00 x 50 x Support s pales PS injecté Ø 50 mm Pales Polypropylène, 7 x 5 x épaisseur 0, Cône d hélice PS injecté Ø 50 mm. REPERE NOMBRE DESIGNATI CARACTERISTIQUES Nom TECHNOLOGIE Collège Date Classe A PROJET TITRE DU DOCUMENT PARTIE Eclaté et nomenclature Mini éolienne 05

4 (Suite) Désignation s pièces Quantité Repère Dessin Vis (assemblages s flancs) Acier zingué, tête cylindrique Ø,5 x 0 mm. 0 Vis (assemblages du cône d hélice) Acier zingué, tête cylindrique Ø,5 x 8 mm. 0 6 Ecrous, acier zingué, Ø,5 mm. 06 Vis (assemblages du socle) Acier zingué, tête fraisée Ø,5 x 0 mm. 0 Vis (blocage du mât) Acier zingué, tête cylindrique Ø x mm. 0 7 Les modules externes Ils sont livrés montés et prêts à l emploi Module couplage Réf. : BEMINIEOLCOUP Module Voltmètre Réf. : BEMINIEOLVOLT Module Son et lumière Réf. : BEMINIEOLBUZ Module Chargeur* Réf. : BEMINIEOLBAT * Attention les batteries ne sont pas comprises. Utiliser piles rechargeables taille R6 AA. 07

5 Module Voltmètre Notice d utilisation Placer s piles : piles,5 V, type AAA. Branchement : brancher le fil rouge et le fil noir sur la mini éolienne (respecter les couleurs le bornier la mini éolienne à un coté rouge et un coté noir), puis raccorr les ux fils au bornier d entrée du module. Sélecteur d échelle : 5 ou 0 V. Respecter la polarité : rouge () et noir () VOLTMETRE BE MINIEOL VOLT Fil rouge () Fil noir () Marche 0 V 5 V Arrêt 9.50 D marche D polarité inversée 0 5 5

6 Bornier sortie utilisation bornier sortie charge batterie Bouton poussoir test tension Bouton poussoir test charge batterie Bornier Entrée éolienne Sélecteur mos Bornier Entrée aux. cellule solaire Attention : les batteries doivent être installées avant connecter une source d énergie. charge batterie Charge uniquement Entrée Aux. (photovoltaique) Utilisation Entrée Eolienne présence tension STOCKAGE DE L ENERGIE BE MINIEOL BAT Echelle : Nom TECHNOLOGIE Collège Classe A PROJET PARTIE TITRE DU DOCUMENT Date Stockage l énergie Modules externes 8

7 Module Stockage l énergie Notice d utilisation Permet charger une batterie (piles rechargeables) et restituer l énergie électrique stockée. Est conçu pour la mini éolienne et peutêtre utilisé aussi avec une cellule photovoltaïque. Branchement : brancher le fil rouge et le fil noir sur la mini éolienne (respecter les couleurs, le bornier la mini éolienne à un côté rouge et un côté noir), puis raccorr les ux fils au bornier (Entrée Eolienne) du module Stockage l énergie. Brancher les piles rechargeables sur la sortie (). Sur le bornier (), vous pouvez brancher le module Voltmètre, Son et Lumière ou les ux. Module Voltmètre D Respecter la polarité, rouge () et noir () VOLTMETRE BE MINIEOL VOLT Marche marche V 5 V Arrêt D polarité inversée DZ SW Buz DEL DEL fixe cligno Q S ET LUMIERE BE MINIEOL BUZ D BUZZER DEL DEL clignotante fixe Module Son et Lumière Q D R R Cellule photovoltaïque Attention : les batteries doivent être installées avant connecter une source d énergie. charge batterie Charge uniquement Entrée Aux. (photovoltaique) Utilisation Entrée Eolienne présence tension STOCKAGE DE L ENERGIE BE MINIEOL BAT Eolienne Module Stockage l énergie Sélecteur : Position charge uniquement : toute l énergie s ux entrées, éolienne et cellule photovoltaïque est dédiée à la charge la batterie. On ne peut pas utiliser le courant sur la sortie. Position utilisation : on peut utiliser l énergie. On consommera donc l énergie stockée dans la batterie et l énergie produite par l éolienne ou la cellule photovoltaïque. Si l éolienne (ou la cellule) ne produit pas assez d énergie, on consomme la batterie. 9

8 Bornier sortie Inter série Bornier entrée Eolienne N Bornier entrée Eolienne N Inter parallèle Bornier entrée Eolienne N DE COUPLAGE BE MINIEOL COUP En parallèle C Parallèle / Série Pour que les entrées soient câblées en série, il faut que les interrupteurs du bloc En série soient sur et que les interrupteurs du bloc En parallèle soient sur OFF. Pour que les entrées soient câblées en parallèle, il faut que les interrupteurs du bloc En parallèle soient sur et que les interrupteurs du bloc En série soient sur OFF. (Sur le ssin cicontre, on est en mo parallèle ). DZ DZ Entrée Echelle : En série DZ DZ Entrée Entrée NOTA : ce module couplage peut servir pour différentes applications (éolien, solaire, etc). Pour l utilisation avec les miniéoliennes on se rend compte que le mo En série n est pas pertinent. En effet l éolien est très aléatoire et plusieurs éoliennes pourtant proches ne tournent pas forcément à la même vitesse, occasionnant s variations tension importantes si elles sont montées en série. Au contraire si elles sont montées en parallèles, les variations tension tennt à se lisser. Nom TECHNOLOGIE Collège Date Classe A PROJET TITRE DU DOCUMENT PARTIE Couplage Modules externes 0

9 Buz DEL cligno DEL fixe Module Couplage Notice d utilisation Permet coupler jusqu à éoliennes (soit en série, soit en parallèle) et restituer l énergie produite vers une seule sortie. en connectant les éoliennes en série, on va augmenter la tension ; en connectant les éoliennes en parallèle, on va augmenter l intensité. Nota : pour le montage en série, il est nécessaire connecter les trois éoliennes ou à défaut remplacer une éolienne par un cavalier sur le bornier d entrée du module couplage. Pour le montage en parallèle, si une éolienne manque, le circuit quandmême opérationnel. Dans la réalité les éoliennes sont acouplées en parallèle. Ce module permet mettre en évince l avantage du montage en parallèle. En effet le montage en série suppose que toutes les éoliennes soient connectées sans quoi le circuit est interrompu. Branchement : connecter chacune s trois miniéoliennes à un s borniers du module couplage. Utiliser fils (rouge et noir) pour chaque miniéolienne. Respecter les polarités : rouge () et noir (). Utiliser la sortie pour connecter tout montage (exemple sur le schéma cissous). Module Voltmètre D marche.5.5 VOLTMETRE BE MINIEOL VOLT 0 V 5 V Marche Arrêt D polarité inversée 9.50 DZ SW Q Q R R S ET LUMIERE BE MINIEOL BUZ D D BUZZER DEL DEL clignotante fixe Module Son et Lumière Cellule photovoltaïque Attention : les batteries doivent être installées avant connecter une source d énergie. charge batterie Charge uniquement Entrée Aux. (photovoltaique) Utilisation Entrée Eolienne présence tension STOCKAGE DE L ENERGIE BE MINIEOL BAT Module Stockage l énergie DE COUPLAGE BE MINIEOL COUP En parallèle C DZ DZ DZ DZ En série Entrée Entrée Entrée Respecter la polarité, rouge () et noir (). Sélection s mos parallèle ou série Parallèle Mo parallèle Position s interrupteurs pour le branchement en parallèle. Parallèle Mo série Position s interrupteurs pour le branchement en série. S il manque une éolienne, la remplacer par un cavalier pour ne pas ouvrir le circuit. Série Série Pour que les éoliennes soient en parallèle, il faut que les interrupteurs série soient sur arrêt. Pour que les éoliennes soient en série, il faut que les interrupteurs parallèle soient sur arrêt. Eolienne Eolienne Cavalier

10 CORRIGÉ POUR LE PROFESSEUR Intifier les pièces l éolienne Compléter les repères sur le ssin. Compléter la nomenclature (colonne matériau Fonction) Vis (blocage du mât) Acier zingué Maintien du mât 6 0 Vis (assemblages du cône d hélice) Acier zingué Maintien l assemblage du cône d hélice 5 0 Tenon (blocage du mât) Plastique (PS) injecté Maintien du mat sur le socle 0 Vis (assemblages du socle) Acier zingué Maintien l assemblage du socle 06 Ecrous Acier zingué Maintien l assemblage s flancs 0 Vis (assemblages s flancs) Acier zingué Maintien l assemblage s flancs 0 Poids Acier Permet la stabilité du socle 0 0 Socle Plastique (PS) injecté Maintien l éolienne 09 0 Mât Tube aluminium Maintien l éolienne 08 0 Module régulateur Circuit électronique Régule le courant électrique 07 0 Alternateur Métal Produit le courant électrique 06 0 Empennage Plastique (polypropylène) Oriente l éolienne dans le vent 05 0 Flan gauche Plastique (PS) injecté Maintien l alternateur et le module 0 0 Flan droit Plastique (PS) injecté Maintient l alternateur et le module 0 0 Support s pales Plastique (PS) injecté Maintien les pales d hélice 0 06 Pales Plastique (polypropylène) Capte le vent 0 0 Cône d hélice Plastique (PS) injecté Maintien les pales d hélice REPERE NOMBRE DESIGNATI MATERIAU FCTI Nom TECHNOLOGIE Collège Date Classe A PROJET TITRE DU DOCUMENT PARTIE Eclaté et nomenclature Mini éolienne 5

11 Quelles sont les fonctions l alternateur et du régulateur? FICHE ELEVE Matériel nécessaire L alternateur seul la miniéolienne, une DEL quelconque, La carte régulateur Travail à faire er l alternateur Les fils qui sortent l alternateur sont reliés à une fiche dans laquelle on peut enficher les broches la DEL. Cela permet vérifier qu un courant est produit lorsque l on fait tourner l axe l alternateur à la main. Représenter en schéma ou ssin les différentes possibités connection la DEL. Combien y atil possibilités? La DEL s éclaire telle dans tous les cas? Que peuton en conclure? La DEL s éclaire telle façon continue? Que peuton en conclure? Quelle est la fonction l alternateur? GS c a DEL Exemple schéma er le module régulateur Connecter l alternateur sur le module régulateur (la connectique est prévue pour cela). Représenter en schéma ou ssin les différentes possibités connection la DEL. Combien y atil possibilités? La DEL s éclaire telle dans tous les cas? Que peuton en conclure? La DEL s éclaire telle façon continue? Que peuton en conclure? Quelle est la fonction du régulateur? GS c DEL a Exemple schéma Composant Dessin Symbole Ai pour vos ssins Dessins et schémas s pièces utilisées DEL (LED) Catho Ano c a Alternateur GS Redresseur régulateur 8

12 DZ DZ DZ DZ C D 5 D Comment augmenter la production d électricité? FICHE ELEVE Matériel nécessaire trois mini éoliennes un ventilateur, le module couplage, le module Voltmètre, le module son et lumière. Installation Disposer éoliennes vant le ventilateur ; les relier au module couplage et au Voltmètre comme indiqué sur la photo et le ssin. Attention : respecter les polarités. Ventilateur bureau Mini éoliennes Module couplage Entrée Entrée Entrée En série DE COUPLAGE BE MINIEOL COUP En parallèle Module Voltmètre marche VOLTMETRE BE MINIEOL VOLT 0 V 5 V Marche Arrêt polarité inversée 9.50 Disposer les éoliennes par rapport au ventilateur façon qu elles tournent toutes à peu près à la même vitesse. Manipulation. Montage série. Positionner les interrupteurs du module pour que les éoliennes soient cablées en série. Faire tourner les éoliennes dans le vent du ventilateur. Relever les différentes valeurs en Volt selon que l on laisse tourner à éoliennes Interrupteurs tous vers la gauche sur le module couplage DE COUPLAGE BE MINIEOL COUP DZ DZ Entrée Entrée En parallèle DZ En série C DZ Entrée Que peuton déduire s résultats obtenus? Schéma principe Eol. Eol. Eol. V Modèle tableau relevé mesures Eol. Eol. Eol. Valeur en Volt Libre Libre Libre Libre Libre bloquée Libre bloquée Libre Libre bloquée bloquée bloquée Libre Libre bloquée Libre bloquée bloquée bloquée Libre bloquée bloquée bloquée Manipulation. Montage parallèle. Positionner les interrupteurs du module pour que les éoliennes soient cablées en série. Faire tourner les éoliennes dans le vent du ventilateur. Relever les différentes valeurs en Volt selon que l on laisse tourner à éoliennes Interrupteurs tous vers la droite sur le module couplage DE COUPLAGE BE MINIEOL COUP DZ DZ Entrée Entrée En parallèle DZ En série C DZ Entrée Que peuton déduire s résultats obtenus? Schéma principe Eol. Eol. Eol. V Modèle tableau relevé mesures Eol. Eol. Eol. Valeur en Volt Libre Libre Libre Libre Libre bloquée Libre bloquée Libre Libre bloquée bloquée bloquée Libre Libre bloquée Libre bloquée bloquée bloquée Libre bloquée bloquée bloquée

13 Représenter la chaine énergétique d un système éolien FICHE ELEVE Matériel nécessaire une mini éolienne ventilateur Module stockage l énergie piles rechargeables. Module son et lumière Travail à faire Réaliser le montage représenté cicontre On parle ici d une éolienne qui permet l éclairage. Connecter le module son et lumière à l éolienne. Régler le commutateur pour une production continue lumière. Quelle est la fonction d une éolienne en général? Représentez la chaîne énergétique d une éolienne stinée à l éclairage : recopier et compléter le schéma fonctionnel : (Avant ce travail il faut avoir intifié les fonctions l hélice, du générateur et du régulateur). DZ Buz SW DEL cligno DEL fixe Q S ET LUMIERE BE MINIEOL BUZ D BUZZER DEL DEL clignotante fixe Q D R R Energie du vent (énergie cynéthique) Production d énergie lumineuse (DEL, ampoules, etc) (Module son et lumière) Quelle est la fonction précise du système éolien dont on a schématisé la chaîne énergétique? dans la réalité, ce système éolien stiné à l éclairage d une maison estil viable? Quel est le problème? Quelle solution pourraiton imaginer? Réaliser le montage suivant On rajoute ici le module stockage l énergie. A Positionner le sélecteur sur la position Charge uniquement et faire tourner l éolienne dans le vent du ventilateur pour charger la batterie (pack ux piles rechargeables). B Lorsque la batterie est un peu chargée ( à minutes), déplacer le sélecteur sur la position Utilisation. La DEL s allume sur le module son et lumière. C Eteindre un instant le ventilateur. N utiliser que s piles rechargeables Respecter la polarité, rouge () et noir (). DZ Buz SW DEL cligno DEL fixe Q S ET LUMIERE BE MINIEOL BUZ D BUZZER DEL DEL clignotante fixe Module Son et Lumière Q D R R La DEL s éteintelle quand il n y a plus vent? Refaire un schéma fonctionnel qui intègre le stockage l énergie. Expliquer le fonctionnement du système avec le module stockage l énergie. Attention : les batteries doivent être installées avant connecter une source d énergie. charge batterie Charge uniquement Module Stockage l énergie Entrée Aux. (photovoltaique) présence tension Utilisation Entrée Eolienne STOCKAGE DE L ENERGIE BE MINIEOL BAT Eolienne