Questions aux experts

Bonjour,
Je vais tenter de répondre du mieux possible même si je ne connais pas votre niveau d'études, ni dans quel cadre vous posez cette question. Je ne parlerai que des éoliennes classiques à axe horizontal que nous avons l'habitude de voir le plus couramment.

Premier rappel : 

Le rendement théorique maximal d'une éolienne à axe horizontal est fixé par le nombre de BETZ et vaut : 59%.
Pourquoi ? Tout simplement parce que si on emprunte trop d'énergie à l'écoulement incident, on stoppe l'écoulement et on arrête ainsi le phénomène. Je pourrais rentrer plus loin dans l'explication si vous le souhaitez.

Nombre de pales :
En théorie, le nombre de pales n'influe pas directement sur le rendement. Le rendement est fonction de la puissance motrice recueillie et dépend principalement de la vitesse de rotation en bout de pale appelée Vitesse Spécifique. 
Concrètement, des pales très grandes et tournant très vite, peuvent permettre de se rapprocher des 59%. Qu'il y en ait 2 ou 50 n'influe pas forcément. Par contre pour des raisons aérodynamiques mais aussi de contraintes technologiques et de prix, afin d'avoir des éoliennes dites "rapides", il est plus facile d'avoir des éoliennes bipales ou tripales. L'augmentation du nombre de pales entraînant nécessairement une baisse de la vitesse de rotation par perturbation aérodynamique, une augmentation inutile de la complexité et du prix de l'ensemble.

Autres considérations que le rendement :
Mais attention : Ne concluons pas qu'il ne faut construire que des éoliennes à 2 (entrainant d'autres problèmes par ailleurs) ou 3 pales. Une éolienne peut avoir de très bonnes vitesses spécifiques et un très bon rendement mais du coup, posséder un faible couple et être moins efficace dans les faibles vents. Il peut être judicieux de choisir  volontairement des éoliennes à vitesse spécifique faible et des rendements de l'ordre de 30% (moulins américains ou hollandais), pour bénéficier de valeurs de couples élevés, surtout au démarrage, ce qui donnera de très bons résultats dans des vents faibles. (quelques m/s).

Par analogie avec l'automobile, on peut avoir des moteurs à forte puissance et faible couple (voitures de course) ou des moteurs à faible puissance et très forts couples, permettant le transport de charges lourdes, par exemple (tracteurs, moteurs diesels en général).

Etat de l'art
Aujourd'hui, dans les éoliennes à axe horizontal, nous atteignons quasiment les 59% de rendement. (plus proche des 50%). Les recherches se font principalement sur l'augmentation de la taille des pales (difficulté de résistance des matériaux) et baisse des coûts en général. En effet, ce qui freine aujourd'hui le développement de l'éolien, n'est pas forcément la recherche du rendement maximal qui est déjà presque atteint, mais le développement des meilleurs compromis Efficacité/Prix de revient. A titre de comparaison, un panneau solaire utilisant les technologies actuellement disponibles dans le commerce possède un rendement théorique maximal d'environ 15%.

J'espère que j'ai pu répondre à votre question. J'ai simplifié au maximum ne sachant par quel niveau de complexité vous désirez atteindre. Si vous souhaitez que j'approfondisse certains passages ou que j'en réexplique d'autres, n'hésitez pas à me le demander.

Stéphane PERROT
26 Rue des Jardins du Sauzat
31750 Escalquens

0662510837
perrot-stephane@orange.fr

Réponse d'Alain Chomat :

Il faudrait savoir s'il s'agit de construire une maquette d'éolienne ou une vraie éolienne.
Sur Google, en tapant "construire une éolienne" il y a des tas de sites possibles.
En ce qui concerne la question, je ferais remarquer que la notion de rendement n'est pas au programme de l'école et celle de proportionnalité à la limite.
Pour être quand même plus constructif, je proposerais bien une étude expérimentale à partir d'un petit moteur de jouet utilisé en alternateur et d'une turbine réalisée en aluminium (à partir d'une canette on peut récupérer une feuille d'aluminium facile à découper et à plier).
Faire d'abord 2 ailettes puis 4 puis 8, avec toujours la même source de vent (un sèche cheveux) et, aux bornes de l'alternateur, une ampoule 3,5 V.
Le plus difficile à réaliser est la liaison turbine - arbre du moteur qui doit être fixe.
Il y a un peu de bricolage en perspective mais ça peut être intéressant, à condition que les élèves soient actifs.