Les turbulences et la façon de les éviter Aperçu de la leçon Les éoliennes fonctionnent mieux lorsqu elles sont exposées à des vents réguliers qui se déplacent à une vitesse et dans une direction constantes. Les turbulences («vents tourbillonnants») occasionnent des problèmes. Au cours de cette leçon, les élèves étudient les turbulences produites par les obstacles, tels que les écoles ou les arbres. La notion de turbulence est illustrée par une analyse simplifiée du phénomène, assortie de calculs qui indiquent comment l éviter en choisissant l emplacement d une éolienne. Niveau ciblé De la 9 e à la 12 e année (secondaire) Durée Une période (à l intérieur) pour discuter des notions; une période (à l extérieur) pour recueillir des données (le cas échéant) Liens avec le programme d études (cours et province ou territoire) Objectifs du Programme général des sciences humaines de la Fondation de l éducation des provinces atlantiques : Nouvelle-Écosse Peuples, lieux et environnement Les élèves doivent pouvoir démontrer qu ils comprennent les interactions entre les peuples, les lieux et l environnement. Les élèves utilisent des cartes, des globes, des images, des modèles et des moyens technologiques pour représenter et décrire les systèmes humains et physiques. Les élèves utilisent les concepts de situation géographique, de distance, d échelle, de direction et de taille pour décrire l emplacement et la distribution de certains lieux. Interdépendance Les élèves doivent pouvoir démontrer qu ils comprennent les relations interdépendantes des individus, des sociétés et de l environnement aux échelles locale, nationale et internationale ainsi que les conséquences de l interdépendance pour le développement durable. Les élèves trouvent et citent des exemples d interactions positives et négatives entre les peuples, la technologie et l environnement. Liens avec l Atlas canadien en ligne (ACEL) http://canadiangeographic.ca/atlas http://canadiangeographic.ca/wind Ressources supplémentaires, matériel et équipement Ordinateurs Projecteur ACL Accès à Internet Rubans de différentes couleurs (plusieurs mètres)
Association canadienne de l énergie éolienne : www.canwea.ca Guided Tour of Wind Energy, Danish Wind Energy Association www.aut.ac.ir/departments/elec/downloads/wind/en/tour/index.htm (en anglais seulement) Énergie éolienne - Lien utile : www.windatlas.ca/fr/links.php Objectif général Reconnaître l effet des obstacles dans la production des turbulences causées par le vent. Résultats de la leçon À la fin de la leçon, les élèves seront en mesure de reconnaître l effet des obstacles (édifices, bosquets) dans la production des turbulences. Enseignant Leçon Élève Introduction 1. Dire aux élèves de se préparer à la leçon en réunissant des renseignements sur le contexte dans le site suivant : Après avoir choisi la langue appropriée, amener le curseur dans la barre verticale qui se trouve à gauche de l écran et cliquer sur Exploration par thème, puis sur Systèmes énergétiques et enfin sur Température. Amener le curseur sur L énergie, dans la barre horizontale située sous le titre, et cliquer sur Énergie éolienne dans le menu déroulant. Les éoliennes fonctionnent mieux lorsqu elles sont exposées à des vents réguliers qui se déplacent à une vitesse et dans une direction constantes. Les turbulences (vents tourbillonnants) occasionnent des problèmes. 2. Poser les questions suivantes : - Quelqu un parmi vous s est-il déjà trouvé dans un avion qui traversait une zone de turbulences? - Pouvez-vous définir le terme turbulence? - Qu est-ce qui provoque les turbulences? Comment peut-on reconnaître et évaluer les turbulences? - Pourquoi faut-il tenir compte des turbulences lorsqu on choisit l emplacement d une éolienne et la hauteur de son mât? 1. Réunir des renseignements sur le contexte dans le site suivant : www.canadiangeographic.ca/atlas 2. En petits groupes, discuter ou présenter des réponses possibles avant de procéder à une étude plus approfondie. Ces propositions de réponses seront examinées au cours de la leçon.
Développement (Voir le diagramme cijoint.) 2. Expliquer aux élèves que les turbulences sont pratiquement nulles juste au-dessus du sol. Elles augmentent en fonction de la hauteur d un objet (p. ex., un édifice ou un bosquet), tant du côté au vent (le côté où souffle le vent) que du côté sous le vent (le côté à l abri du vent) Les observations indiquent qu un obstacle produit, du côté au vent, une enveloppe de turbulences qui s étend au sol sur une distance d environ deux fois la hauteur de cet obstacle. Du côté sous le vent, la zone de turbulences atteint deux fois la hauteur de l obstacle et l enveloppe de turbulences s étend à la surface sur une distance d environ 20 fois la hauteur de l obstacle. 3. Demander : - Quelle est la hauteur de notre école? - À combien s étend l enveloppe de turbulences produite par l école? - Pourquoi l aile des avions va-t-elle en s amincissant du bord d attaque (avant) au bord de fuite (arrière)? 2. Faire une recherche pour trouver ce qui suit : a.) la hauteur de l école; b.) l enveloppe de turbulences produite par l école. 3. Répondre aux questions. (La turbulence au bord d attaque produit la portance; l amincissement réduit la traînée le long du bord de fuite).
Démonstrations et calculs La fabrication d un anémomètre à rapporteur est décrite dans la section «Enrichissement» 4. Faire savoir qu on peut démontrer la présence de turbulences de l une ou l autre des façons suivantes : a) S il y a un mât à votre école : attacher à la corde servant à hisser le drapeau des rubans de couleur distants les uns des autres d au moins 1 m. Hisser le drapeau et observer les rubans. L écoulement est laminaire (non turbulent) lorsque les rubans flottent à l horizontale et turbulent lorsque les rubans s agitent dans tous les sens (plus ils s agitent, plus fortes sont les turbulences). b) On peut répéter l expérience dans un endroit où il est possible de faire voler un cerf-volant en toute sécurité. Attacher à la corde de celui-ci des rubans plus éloignés les uns des autres qu ils ne l étaient sur le mât (5 m, p. ex.) et assez légers pour permettre à l objet de voler. Lorsque le cerfvolant atteint une hauteur deux fois supérieure à celle des obstacles environnants (arbres, édifices), l écoulement est généralement laminaire et les rubans au sommet flottent à l horizontale. c) Si vous disposez d un anémomètre acheté ou fabriqué en classe (p. ex. un anémomètre à rapporteur), vous pouvez mesurer la vitesse du vent, ou simplement en déterminer la direction, à divers endroits autour de l école. Les variations de direction ou de vitesse indiquent la présence de turbulences. En général, l enveloppe de l écoulement turbulent s étend autour d un édifice bas (tel qu une école), comme l illustre le diagramme.* *Valable pour les obstacles essentiellement verticaux (bosquets et petits édifices), mais non pour les pentes et les collines, les arbres ou les poteaux isolés. 4. Préparer des rubans d une longueur d au moins 1 m et assez larges pour être bien visibles depuis le sol. Choisir différentes couleurs (pour les différentes hauteurs). a) Consigner la hauteur des rubans soumis aux turbulences sur le mât. b) Consigner la hauteur des rubans soumis aux turbulences sur la corde du cerf-volant. c) Consigner la vitesse ou la direction du vent aux différents endroits et indiquer ceux-ci sur une carte du terrain de l école. La vitesse et la direction du vent sontelles les mêmes partout? Si ce n est pas le cas, il y a des turbulences.
Conclusion : Conséquences pour les éoliennes 5. Faire un remue-méninges et inscrire les réponses aux questions suivantes : - Si on voulait installer une mini-éolienne pour l école, quelle hauteur devrait-elle avoir pour se trouver au-dessus de la zone de turbulences? - Quel serait le meilleur emplacement sur le terrain de l école? - Quelle hauteur atteignent les plus grands arbres dans la région? - Quel est l espace minimal qu il faut laisser autour d une éolienne? Dresser une liste, p. ex. : a) Les éoliennes ne doivent jamais être installées dans une zone de turbulences excessives. b) Une légère turbulence provoque une diminution de rendement, car les éoliennes sont incapables de réagir à des changements brusques de la direction du vent. c) Une extrême turbulence exerce une pression sur les rotors et les pales des éoliennes et peut provoquer des pannes. d) Les éoliennes doivent être au moins deux fois plus hautes que les plus grands arbres des environs. Idéalement, il ne devrait pas y avoir de grands arbres sur une distance d environ 10 fois la hauteur de l éolienne. En installant une éolienne dans un espace dégagé, on évite les problèmes de turbulences. Les éoliennes commerciales mesurent en général de 50 à 80 m de hauteur. 5. Discuter, observer et dresser une liste de critères.
Vent Laminar 2 x building 2 x la hauteur de l édifice 20 x Turbulence créée par un édifice Turbulent Flow Zone Laminar = Écoulement laminaire; Turbulent Flow Zone = Zone de turbulences; 2 X building height = 2 X la hauteur de l édifice
Enrichissement Activité n o 1 Estimation de la vitesse du vent sans l aide d un anémomètre Si vous n avez pas d anémomètre tout fait, vous pouvez estimer la vitesse du vent à l aide d un anémomètre à rapporteur. En prenant des mesures sur une période de 15 à 30 minutes, vous pourrez en outre mesurer les bourrasques et les variations du vent. Matériel Rapporteur de 15 à 30 cm de long (on peut le fabriquer en découpant un demi-cercle dans du bois) Ligne à pêche monofilament de 30 à 50 cm de long Balle de ping-pong 1. Fixez une extrémité du fil au centre (point zéro) du rapporteur. Attachez la balle de pingpong à l autre extrémité. Assurez-vous que le fil peut bouger librement et que la balle de ping-pong se trouve à au moins 15 cm sous le rapporteur (la longueur du fil est donc fonction de la taille du rapporteur). 2. Il faut deux personnes pour estimer la vitesse du vent. La première tient le rapporteur au bout de ses bras, en veillant à ce qu il demeure horizontal, et la seconde estime l angle du fil sur le rapporteur (elle aussi devrait vérifier que le rapporteur reste à l horizontal). Comptez au moins 30 secondes avant que le vent fasse bouger la balle. 3. Estimation de la vitesse du vent : Angle m/s km/h Échelle de Beaufort Description 90 0 0 0 Calme; la fumée s élève verticalement. 85 ~ 1 ~ 4 1 Très légère brise; on peut faire voler des avions en papier. 80 ~ 3 ~ 15 70 ~ 5 ~ 20 3 Petite brise; les feuilles sont frémissantes; on sent le vent sur le visage. 4 Jolie brise; le vent soulève la poussière et les feuilles de papier. 55 ~ 8 ~ 30 5 Bonne brise; les petits arbres feuillus se balancent. 40 ~ 11 ~ 40 30 ~ 14 ~ 50 6 Vents frais; les grosses branches s agitent, les fils électriques font entendre un sifflement. 7 Grands vents frais; les arbres tout entiers s agitent; on peine à marcher contre le vent. Pour des raisons de sécurité, n essayez pas de mesurer des vents plus forts! Enrichissement Activité n o 2 Faire une recherche plus approfondie sur la conception des ailes des aéronefs pour montrer de quelle façon les ingénieurs en aéronautique tirent parti des turbulences.
Enrichissement Activité n o 3 Voir Fabrication d un anémomètre dans le plan de leçon intitulé Vitesse et hauteur du vent : Pourquoi de si grandes éoliennes? (Terre-Neuve-et-Labrador, de la 9 e à la 12 e année). Évaluation Présentation des affiches sur les diagrammes et les éléments clés. Liens avec les Normes nationales canadiennes en géographie Élément essentiel n o 3 : Systèmes physiques Les composants du système physique de la Terre Systèmes océaniques et atmosphériques globaux Compétence géographique n o 2 : Recueillir l information géographique Trouver et recueillir systématiquement de l information géographique provenant de diverses sources. Compétence géographique n o 5 : Répondre à des questions sur la géographie Formuler des généralisations valables fondées sur les résultats de divers genres de recherche géographique.