   
Pour l'ensemble du groupe :
Pour chaque équipe de 4 élèves :
Une éolienne est une machine complexe capable de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Elle est généralement constituée d'une tour, d'un rotor et d'une nacelle. Le rotor est la partie de l'éolienne qui tourne sous la force du vent. Il ressemble à une hélice et est généralement constitué de 2 ou 3 pales. La tour sert à soutenir ce rotor haut dans les airs, là où le vent est plus intense. Elle est bien ancrée dans le sol à l'aide d'une fondation. La nacelle, quant à elle, contient les éléments importants pour transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. On y retrouve entre autre une boîte d'engrenages ainsi qu'une génératrice (Hladik, 1984).
Le fonctionnement de l'éolienne est relativement simple. Le vent fait d'abord tourner les pales du rotor. Ces pales entraînent dans leur rotation un arbre lent qui est une pièce cylindrique située dans la nacelle de l'éolienne. Cette pièce cylindrique fait environ 20 à 30 tours par minute. Elle fait à son tour tourner un multiplicateur qui est une combinaison d'engrenages. Si, à l'entrée du système d'engrenages la rotation était de 20 à 30 tours par minute, à la sortie du système d'engrenages, elle est d'environ 1800 tours par minute. Le système d’engrenages a donc comme rôle d’accélérer la vitesse de rotation. C'est une autre pièce cylindrique, plus petite que l’arbre lent, qui transmet ce mouvement accéléré. On l’appelle l’arbre rapide. Cet arbre rapide transmet le mouvement à une génératrice. La génératrice a pour fonction de transformer l'énergie mécanique (créée, au départ, par le mouvement des pales qui dépend de la force du vent) en énergie électrique. Elle est constituée d'un rotor et d'un stator. Le rotor est aussi une pièce cylindrique formée d'un enroulement de fils de cuivre qui tourne à l'intérieur du stator. Le stator est, quand à lui, une pièce fixe constituée d'aimants. Comme tout aimant, les aimants du stator produisent un champ magnétique. La rotation d'un enroulement de fils de cuivre à l'intérieur de ce champ magnétique produit de l'électricité. Cette électricité est acheminée vers les habitations à l'aide de fils conducteurs. Pour être efficace, l'éolienne doit être face au vent. Puisque le vent n'a pas toujours la même direction, le rotor et la nacelle de l'éolienne sont mobiles et peuvent pivoter en fonction de la direction du vent à l’aide d’un moteur. C'est une girouette, située sur la nacelle, derrière les pales, qui guide le mouvement de la nacelle et du rotor (http://www.hydroquebec.com/comprendre/eolienne/index.html). Le moteur et les différents éléments qui contrôlent l’éolienne sont alimentés par une partie de l’énergie produite par celle-ci. Les éoliennes sont de plus en plus présentes dans le paysage québécois. Elles sont surtout situées dans le Bas St-Laurent et en Gaspésie. Hydro-Québec désire poursuivre le développement de divers parcs éoliens dans cette région en raison des vents forts et réguliers qu'on y retrouve. Malgré ces projets, le Québec est loin d'être un leader dans ce domaine. Le Danemark est le pays où l'on retrouve le plus grand nombre d'éoliennes par habitant. Il produit près de 20% de son énergie électrique grâce à l'énergie éolienne. Le Danemark demeure néanmoins le plus grand producteur de gaz carbonique de l'Europe en raison de sa source d'énergie principale qui est la centrale thermique (http://www.planete-eolienne.fr/danemark.html). Il existe plusieurs types d'éoliennes. La plus commune, celle que l'on retrouve en quelques exemplaires en Gaspésie, est l'éolienne à axe horizontal. Elle est montée au bout d'une tour et doit être dirigée en fonction de la direction du vent. Elle possède habituellement 2 ou 3 pales qui font une rotation autour d'un axe horizontal.
Aloxe, GNU (GFDL) On retrouve également l'éolienne à axe vertical. Une éolienne de ce genre a longtemps été en fonction à Cap-Chat en Gaspésie. Cette éolienne pouvait être mue par un vent venant de n'importe quelle direction. Elle n'est désormais plus en fonction en raison d'un bris occasionné par de forts vents.
Guillaume Paumier, CC. Paternité, partage des conditions initiales à l'identique Pour aller un peu plus loin : Le principal défaut de l'énergie produite par l'éolienne est qu'elle n'est pas régulière. Puisqu'elle dépend des vents, cette énergie ne peut être disponible à tout moment. Si nous pouvions emmagasiner une bonne proportion de cette énergie lorsqu'elle est disponible (lorsqu'il y a beaucoup de vent), cela ne serait pas un problème, mais l'emmagasinage est limité. Seulement pour subvenir aux besoins d'une maison, il faudrait des tonnes de piles dans lesquelles on emmagasinerait de l’énergie lorsqu’il y a du vent et à partir desquelles on utiliserait l’énergie lorsqu’il n’y a pas de vent. C'est pourquoi cette source d'énergie doit être combinée à une autre source. Au Québec, c'est l'énergie hydroélectrique qui prend le relais lorsque l'énergie éolienne ne suffit plus. Malgré cela, l'énergie éolienne demeure une énergie très intéressante, pour certains pays, en raison de sa propreté et de son aspect renouvelable. Par exemple, lorsque qu'elle est combinée à un réseau hydroélectrique, comme c’est le cas au Québec, l'énergie éolienne peut servir à faire réduire la quantité d’eau que l’on fait passer au travers des turbines des barrages hydroélectriques. En effet, lorsque l’énergie éolienne est utilisée et que la demande reste la même, moins d’énergie hydroélectrique est nécessaire. Ceci veut dire qu’une portion de l’eau qui se serait écoulée par les barrages pour produire de l’électricité peut être emmagasinée dans les réservoirs qui alimentent les turbines hydroélectriques. En d’autres mots, lorsque l'énergie éolienne est utilisée, moins d'eau coule dans les barrages. L'eau économisée continue donc de s'accumuler dans les bassins de rétention et peut être utilisée plus tard. Par contre, dans d’autres pays, cette énergie ne s’avère pas efficace, ni au plan économique, ni au plan écologique. Par exemple, en France, une controverse est née à la suite du financement, par l’État, de grands projets éoliens. Il faut d’abord comprendre que la source d’énergie principale de ce pays n’est pas l’hydroélectricité, mais le nucléaire. Pour être rentable écologiquement, un des arguments forts est de considérer que l’énergie éolienne doit remplacer une source d’énergie qui dégage du gaz carbonique. Bien que très controversé également, le nucléaire ne dégage pas de gaz carbonique. L’énergie éolienne ne viendrait donc pas réduire la production de gaz carbonique en France. Au Québec, la construction d’éoliennes peut permettre, dans une certaine mesure, d’éviter de couper des milliers d’arbres et de détruire des écosystèmes à cause de l’implantation de barrages hydroélectriques. Aussi, sur le plan économique, il ne faut pas oublier que la construction d’une éolienne coûte cher. Pour être rentable, elle doit donc pouvoir compléter efficacement une autre source d’énergie, comme dans le cas de l’hydroélectricité en permettant à l’eau de s’accumuler derrière les barrages lorsque les éoliennes fonctionnent. De plus en plus de foyers québécois se munissent d'une éolienne pour alimenter en électricité quelques appareils dans leur maison, mais les investissements reliés à l'achat d'une éolienne demeurent élevés. Afin de connaître les conceptions initiales d'élèves en lien avec le thème de l'éolienne, deux élèves du 3e cycle du primaire ont été questionnés. Voici leurs idées sur l'utilité, le fonctionnement et les endroits où l'on retrouve des éoliennes.
Comme on peut le voir par ces résultats, la façon de comprendre le fonctionnement de l'éolienne peut être très différente d'un élève à un autre et est partielle. Il vaut donc la peine de sonder les conceptions des élèves avant de débuter les activités à proprement parler. Les thèmes sur lesquels nous nous attarderons lors de cette SAÉ sont le vent comme source d'énergie, le fonctionnement de l'éolienne (en nous attardant à la transformation de cette source d'énergie, qu'est le vent, en électricité pour les habitations) et l’aspect controversé de cette source d’énergie. Nous nous attendons à ce que, à la fin de cette SAÉ, les élèves soient capables d'expliquer le fonctionnement général de l'éolienne. Ainsi, ils seront capables de dire que l'éolienne transforme l'énergie du vent en énergie électrique. Ils seront également capables de dire que lorsque les pales de l'éolienne tournent, cela fait tourner plusieurs pièces qui se trouvent dans la nacelle dont des engrenages et un rotor. Finalement, ils seront capables de comprendre que ce rotor est généralement composé d’un enroulement de fils de cuivre et, qu’en tournant dans un stator, il produit de l'énergie électrique. La rotation d'un enroulement de fils de cuivre à l'intérieur de ce champ magnétique produit de l'électricité qui est par la suite acheminée dans les habitations par les fils électriques du réseau. Finalement, nous nous attendons à ce que les élèves puissent comprendre que le contexte dans lequel s’inscrit le développement de projets éoliens doit être pris en compte afin de juger de l’efficacité et de la pertinence, tout comme de l’acceptabilité sociale, de ces projets. Lors d'une autre SAÉ, il serait possible de comparer cette façon de produire de l'électricité à d'autres façons d'en produire, que ce soit par les barrages, les centrales thermiques, les centrales nucléaires, les panneaux solaires, etc. Il serait également possible de construire une éolienne à partir de plans disponibles sur divers sites Internet (voir entre autres les activités sur l'éolienne prévues pour le secondaire sur le site PISTES : SAÉ concevoir une mini-éolienne). Préparation des apprentissages Activité de préparation: Le vent Intention: Faire comprendre aux élèves de quelle manière le vent peut être une source d'énergie pour les éoliennes. Durée: 1 période de 50 minutes Avant de réfléchir au fonctionnement de l'éolienne avec les élèves, il peut être intéressant de leur faire comprendre de quelle manière le vent peut être une source d'énergie pour les éoliennes. Afin de mieux le faire comprendre aux enfants, vous pourrez construire une manche à air. Elle vous servira à faire observer aux enfants que le vent a une direction et une vitesse. Voici une description des étapes ainsi qu’un schéma qui vous aidera à construire votre manche à air :
PISTES, 2009. Lorsque vous aurez fabriqué votre manche à air, vous pourrez sortir avec vos élèves par une journée de vent. Il s'agira alors de hisser votre manche à air dans les airs et de demander aux élèves ce qu'ils remarquent. Vous pourrez vous déplacer dans la cour d'école afin d'observer si le comportement du vent est le même partout. Il s'agit alors de faire observer aux élèves que la manche à air vous donne des informations concernant la direction et la vitesse du vent. Ainsi, la manche à air se placera parallèlement à la direction du vent. Vous n’avez qu’à utiliser une boussole pour déterminer la direction du vent. Pour ce faire, il suffit de trouver le Nord en superposant l’aiguille de la boussole et le Nord indiqué sur la boussole et, par la suite, d’identifier la direction que prennent les franges de la manche à air. Celles-ci doivent s’orienter dans la direction du vent. Si, par exemple, les franges s’orientent vers le sud-est, c’est que le vent vient du nord-ouest et se dirige vers le sud-est. La manche à air vous indiquera également la vitesse du vent. En fait, elle sera de plus en plus parallèle au sol plus la vitesse du vent sera élevée. Si vous n'avez pu observer suffisamment les effets du vent sur la manche à air, vous pouvez utiliser un ventilateur et en faire varier l'intensité devant la manche à air pour mieux en comprendre l’utilité. À votre retour en classe vous pouvez demandez aux élèves s'ils sont déjà allés à un endroit où il ventait beaucoup plus que dans la cour d'école. Vous pouvez également leur demander s'il existe des endroits où il vente pratiquement toujours. Finalement, vous pouvez demander aux élèves s'ils croient que le vent peut nous être utile et si oui, à quoi il peut nous servir. Vous pouvez alors leur mentionner que le vent peut être une source d'énergie intéressante, entre autres pour les éoliennes. À ce moment, vous pouvez recueillir les conceptions des élèves sur les éoliennes en leur posant les questions suivantes:
Réalisation des apprentissages Activité 1 : L'éolienne, un premier aperçu Intention : Que les élèves fassent une première exploration de la manière dont l'éolienne transforme l'énergie fournie par le vent en énergie électrique. Durée : 1 période de 50 minutes Vous pouvez débuter la deuxième période de cette SAÉ en écrivant au tableau les principales idées sur le fonctionnement de l'éolienne qui sont ressorties des conceptions des enfants lors de la période précédente. Ensuite, les élèves ont à consulter une page du site d’Hydro-Québec qui concerne l’énergie éolienne : http://www.hydroquebec.com/comprendre/eolienne/index.html. Cette page sert principalement à illustrer aux élèves les différentes composantes de l’éolienne. Les élèves pourront observer plus particulièrement le schéma explicatif des différentes parties que contient la nacelle de l’éolienne. À la suite de leur lecture attentive de la page du site d’Hydro-Québec, vous proposez aux élèves de réaliser une courte activité sur le fonctionnement de l'éolienne que voici : (CourtTexte Eolienne). Les élèves devront d’abord lire le texte seuls. Ensuite, en équipe de 4, ils auront à replacer au bon endroit les différentes pièces de l’éolienne en réalisant un collage. Les noms de chacune des parties étant inscrites sous celles-ci, les élèves auront à relire le texte et à placer à l’endroit approprié, les unes à la suite des autres, les parties principales de l’éolienne (tour, rotor et nacelle) ainsi que les parties constituantes de la nacelle (arbre lent, arbre rapide, multiplicateur, génératrice et girouette). Le schéma du site d’Hydro-Québec consulté plus tôt (http://www.hydroquebec.com/comprendre/eolienne/index.html) pourra également leur être utile à ce moment afin de vérifier leur collage. À la suite de la réalisation du collage, vous faites un retour en grand groupe afin de vérifier les montages des élèves. Vous pouvez demander à quelques élèves de vous expliquer sommairement les différentes parties et leur rôle dans le fonctionnement de l’éolienne. Puisqu’il ne s’agit que d’une première exploration, nous ne nous attendons pas ici à ce que les élèves puissent nommer toutes les parties en indiquant leur rôle, mais plutôt qu’ils puissent en nommer quelques unes et qu’ils fassent des hypothèses quand à leur rôle.
Activité 2 : Le multiplicateur Intention : Que les élèves approfondissent leurs connaissances sur le fonctionnement du multiplicateur, une des parties principales de l’éolienne. Durée : 1 période de 50 minutes Vous faites ensuite réaliser cette courte expérience aux élèves, regroupés en équipe de 4. Elle leur permettra de comprendre l'utilité du multiplicateur dans le fonctionnement de l'éolienne. Elle vise plus particulièrement à illustrer comment la vitesse de rotation des pales qui est de 20 à 30 tours par minute peut passer, à la sortie du multiplicateur, à 1800 tours par minute. L'expérience consiste donc à faire réaliser aux élèves le montage suivant à l’aide de carton rigide, de deux bobines de fils de diamètres différents, de deux petits clous et d'un élastique de grandeur appropriée.
Les élèves ont donc à fixer, à l’aide de clous, les deux bobines de fils sur le carton rigide. Cette manipulation peut également être faite à l’avance, par vous, si vous le préférez. Une fois fixées, les bobines peuvent être rejointes par un élastique de dimension appropriée (il est préférable de mesurer la distance entre les deux bobines, avant de les fixer, en fonction de la dimension de l’élastique choisi). L’expérience consiste par la suite à comparer la rotation simultanée des deux bobines. Pour ce faire, les élèves peuvent compléter un tableau semblable à celui-ci. Nombre de tours de bobine
Les élèves devraient constater que la bobine la plus petite réalise toujours un plus grand nombre de tours que la bobine la plus grande. Il est important ici de faire prendre conscience aux élèves que même si les pales de l'éolienne ne font que 20 tours par minute, il est possible de faire faire 1800 tours par minute à l'arbre rapide. Il faut par contre faire noter aux élèves que, pour l'expérience en classe, nous nous sommes servis de bobines, mais que l’on retrouve plutôt des engrenages dans le multiplicateur. On peut également leur faire noter que pour l’expérience, nous n’utilisions que deux bobines, mais que l’on peut retrouver une dizaine d’engrenages dans un même multiplicateur (on retrouve des photos de ces multiplicateurs sur les deux sites Internet suivants : http://www.hydroquebec.com/comprendre/eolienne/index.html, http://www.talentfactory.dk/fr/kids/index.htm). À la suite de l’expérience, vous pouvez demander aux élèves s'ils connaissent des utilisations de l'engrenage (ex: bicyclette, horloge, mélangeur, etc.). Si vous le pouvez, il serait intéressant d'ouvrir le mécanisme d'une vieille horloge pour tenter d'en observer les engrenages. Chaque équipe de quatre peut également apporter un objet qui fonctionne avec un engrenage et décrire en classe la multiplication du mouvement.
Activité 3 : L'éolienne, approfondissement Intention : Que les élèves approfondissent leurs connaissances sur les différentes parties de l'éolienne. Durée : 1 période de 50 minutes Au début de cette période, vous pouvez faire un bref retour sur les activités précédentes. Pour ce faire, vous pouvez simplement demander aux élèves de nommer chaque partie de l’éolienne et son rôle. Vous pouvez par la suite inviter les élèves à répondre à quelques questions relatives au fonctionnement de l'éolienne en consultant deux sites Internet particulièrement intéressants. Le premier est le site d'Hydro-Québec qui possède une section sur l'énergie éolienne. En voici l'adresse: http://www.hydroquebec.com/comprendre/eolienne/index.html Le deuxième est le site de la Danish wind industry association. Il possède une très intéressante section en français pour les enfants. Il traite des éoliennes de manière très approfondie. En voici l'adresse : http://www.talentfactory.dk/fr/kids/index.htm Les élèves peuvent également faire une recherche sur d’autres sites Internet qui concernent les éoliennes pour approfondir leur compréhension. Voici également quelques questions qui pourraient être posées aux élèves lors de la visite des deux sites et que vous pourriez utiliser à titre d’évaluation(QuestionsEoliennes). À la fin de la période, pour vérifier sommairement la compréhension des élèves, vous pouvez faire un retour en grand groupe. Pour ce faire, revenez d’abord sur les questions auxquelles les enfants ont répondu. Ensuite, dessinez au tableau la tour de l'éolienne et invitez les élèves, un à la fois, à venir compléter le dessin en expliquant ce qu'il dessine et à quoi cela sert dans le fonctionnement de l'éolienne. Vous pouvez aussi imprimer certaines parties des éoliennes telles que représentées dans ces sites Internet et demander aux élèves de venir les placer sur la tour au tableau en en expliquant le fonctionnement. Par équipe de deux, les élèves peuvent être responsables d’apporter leur représentation d’une partie de l’éolienne et d’en expliquer le rôle au reste du groupe. Lorsqu'un élève dessinera la nacelle, vous pourrez en tracer un agrandissement à côté de l'éolienne et inviter les élèves à dessiner l'intérieur de la nacelle. Vous pouvez alors en profiter pour ajouter des éléments d'information sur le fonctionnement, mais également sur l'utilité, les avantages et les endroits où l'on retrouve les éoliennes tout au long de la mise en commun. Lors de cette séquence, les élèves devraient être capables de dire que l'éolienne transforme l'énergie du vent en énergie électrique. Ils devraient également être capables de dire que lorsque les pales de l'éolienne tournent, cela fait tourner plusieurs pièces qui se trouvent dans la nacelle dont des engrenages et un rotor. Il faudrait finalement revenir avec eux sur le concept de rotor et de stator qui sont des concepts plus difficiles à comprendre. En fait, nous nous attendons à ce que les élèves puissent dire que :
Si ce n’est pas le cas, il serait utile de retourner, en grand groupe, sur le site de la Danish wind industry association pour y visionner les différentes animations qui sont dans la section sur la génératrice (http://www.talentfactory.dk/fr/kids/choose/gen/index.htm).
Activité de réinvestissement et de consolidation : L’importance du contexte dans le développement de projets éoliens Intention : Que les élèves comprennent que le contexte dans lequel s’inscrit le développement de projets éoliens doit être pris en compte afin de juger de l’efficacité de ces projets. Durée : 1 période de 50 minutes En équipe de quatre, les élèves auront, pour cette période, à lire trois cas différents de projets éoliens. Ces trois cas se déroulent à des endroits différents, ont des coûts différents, complètent une source d’énergie différente, transforment différents paysages et affectent les gens différemment. Voici donc ce que chacune des équipes aura à faire durant l’activité :
À la fin de l’activité, il serait intéressant de faire un retour avec les élèves afin d’énumérer au tableau les divers éléments à prendre en considération lorsque l’on juge de la pertinence d’un projet éolien. Nous nous attendons alors à ce que les élèves parlent de :
Évaluation À titre d'évaluation de cette séquence d'activités sur l'éolienne, voici proposé un exercice d'évaluation à réaliser seul par les élèves (EvaluationEolienne). La dernière question de cette évaluation pourrait vous servir à évaluer la compétence de l’élève qui est de « mettre à profit les outils, objets et procédés de la science et de la technologie ». Il vous suffit de voir si l’élève reconnaît l’importance de l’énergie éolienne en mentionnant deux impacts positifs et deux impacts négatifs de l’implantation d’une éolienne dans un village. Barma, S., Guilbert, L. et Lavoie. 2005. Outils didactique: Évaluation: Compétence disciplinaire 3: communiquer à l'aide des langages utilisés en science et technologie. En ligne. <http://www.pistes.org>. Consulté le 7 novembre 2008. Hladik, J. 1984. Énergétique éolienne. Québec : Presses de l’Université du Québec. 207 p. Hydro-Québec. 2009. Énergie éolienne et hydroélectricité : L’énergie éolienne, comment ça fonctionne. En ligne. <http://www.hydroquebec.com/comprendre/eolienne/index.html>. Consulté le 3 novembre 2009. Danish wind industry association. 2009. Les aventures de Moulinot. En ligne. <http://www.talentfactory.dk/fr/kids/index.htm>. Consulté le 3 novembre 2009. Le portail de l’environnement du Québec. 2008 (2 mai). Charlevoix se prononce contre un projet d’éoliennes. En ligne. ˂http://portailenvironnement.ca/?p=712˃ Consulté le 7 novembre 2009. Planète éolienne. 2005. Danemark : Planète éolienne, fédération des énergies du vent. En ligne. <http://www.planete-eolienne.fr/danemark.html>. Consulté le 12 février 2009. Ruelle, G. 2008. Dix questions à Gilbert Ruelle, L’éolien une énergie du XXIe siècle. En ligne. <http://www.sauvonsleclimat.org/new/spip/spip.php?article220>. Consulté le 30 septembre 2009. Thériault, C, 2009. « Kruger abandonne son projet éolien ». Le Soleil. 18 mars.
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