Etude des gouttes de pluie

[Clarisse]

Bonjour,

 

Actuellement en 4ème année de licence d'architecture et en école d'ingénieur, je cherche à échanger avec un météorologue.

Je suis entrain de rédiger mon mémoire portant sur une alternative aux panneaux solaires en toitures (dans les régions où ils ne sont pas rentables), qui seraient des matériaux piézzoélectriques (c'est à dire qui peuvent transformer de l'énergie mécanique en énergie électrique).

L'idée serait de pouvoir récupérer l'énergie libérée par les gouttes de pluie pour pouvoir alimenter en électricité une partie du bâtiment possédant ce système. Ce que je sait c'est que plus l'impact est fort sur le matériaux, plus cela produit d'énergie. De même, plus il prend de la place (donc plus la goutte est grosse), plus cela produit d'énergie.
Je recherche donc des informations concernant les gouttes de pluie. Voila mes questions :

- Savez-vous où les précipitations sont les plus fortes en France ? (en termes de quantité, de fréquence, et d'intensité)

- Quel est l'impact du vent sur la pluie (en termes de vitesse et d'inclinaison)

- Existe-t-il des études sur la taille des gouttes de pluie en fonction des régions ? De quoi dépendent les tailles des gouttes de pluie ?

- Y a-t-il d'autre paramètres à prendre en considération ?

 

L'objectif de l'étude serait de concevoir des formes de toitures adaptées à cette invention, et dépendant des types de vent et pluie de chaque région. Je voudrais aussi savoir dans quelles régions cela serait "rentable" ou non, et si cela pourrait fonctionner toute l'année, ou seulement à certaines périodes...

 

J'espère avoir été assez claire dans mes question. Il me reste encore presque 2 ans pour finir ce travail.

J'espère que vous pourrez répondre à mes questions et ainsi m'aider dans mon travail.

Je vous remercie par avance.

 

Cordialement,

[Cotissois 31]

Bonjour,

 

Vous avez le site pluiesextremes qui à défaut de se consacrer à la bruine donne pas mal d'informations sur la pluie spécifique à la France.

 

Vous pouvez aussi chercher des études labellisées MAP (Alpes) ou  HyMeX (Méditerranée) qui ont étudié beaucoup de mécanismes de la pluie, ses gouttes, ses microgouttes, sur des régions qui incluent la France en partie.

 

Modifié 28 décembre 2016 par Cotissois 31

[M. Gagnard]

ouh la la beausseigne ! qui vous a refilé ce sujet de recherche ? 1 bédouin du Sahara ou bien ?

 

 

Je viens de faire un rapide calcul  :

Rayon d’une goutte de pluie : 2 mm (les plus grosses feraient 6 mm de diamètre, donc on est déjà dans la belle goutte)

Volume d’une goutte : environ 35 mm³ ou encore 35.10^-6 litre

Masse d’une goutte : 35.10^-6 kg

Prenons une pluie (très) forte, pluie qui débite 35 mm/h et ce pendant 1 heure.

Cette pluie va donc déposer 35 mm à savoir 35 litres d’eau sur une surface de 1m² ; il y aura donc eu, sur ce capteur de 1m², 1 million d’impacts dans ce laps de temps d’une heure.

Je prends 10m/s (36 km/h) pour la vitesse de la goutte juste avant son arrivée sur le capteur (il semble que ce soit à peu près la vitesse maxi de ces gouttes dans l’atmosphère terrestre).

L’énergie cinétique de la goutte juste avant son impact est alors de 0.5*35.10^-6*100 = 17.10^-4 J.

Durant l’heure de pluie, le capteur reçoit donc 1700 J d’énergie de la part de l’eau.

En admettant une conversion piezzo record de 100%, on gagnerait alors 1700 J = 1700 ws = (approx)  0.5 wh = 5.10^-4 kwh !

Sur une année complète, en faisant l’hypothèse que toutes les pluies se produisent avec un tel débit et que nous nous situons en un lieu qui reçoit (annuellement) 1000 mm d’eau, alors ce capteur de 1m² récolterait (30 heures de pluie à 35mm/h) 150.10^-4 = 0.015 kwh !

Il faudrait donc 60 m² de capteurs pour récupérer, en 1 an, 1 malheureux kwh !

 

EDIT :

On retrouve à peu près ce malheureux kwh annuel en conservant cette masse de 60 tonnes d'eau annuelle et en la faisant chuter de 5m (hauteur banale d'un toit). On admet ici aussi que la conversion hydraulique-électrique est complète (100 %).

Modifié 28 décembre 2016 par M. Gagnard

[Clarisse]

Bonjour,

 

Merci pour vos réponses, j'ai aussi trouvé des informations sur d'autres post de ce forum.
Cependant, je n'arrive pas à trouver d'information sur l'influence du vent sur les gouttes de pluie : est-ce-que plus le vent souffle plus la vitesse de chute augmente ? Plus l'angle de la trajectoire de la pluie augmente ? Le vent a-t-il un impact sur la taille des gouttes de pluie ?

 

Par rapport à mon sujet de mémoire (pour répondre à M. Gagnard), d'après mes recherches, les matériaux piézoélectriques convertissent de l'énergie Mécanique en énergie électrique. On ne peut donc pas (sauf erreur de ma part) faire le calcul en prenant comme donnée l'énergie cinétique de la goutte de pluie : plus le matériau est déformé, plus cela créera de l'énergie électrique (par exemple pour les fibres piézocomposites, une déformation de 2000ppm (équivalent à une force de 30MPa) produit environ 1500 V.

De plus, l'objectif n'est pas de faire des bâtiments autonomes en énergie, mais de réfléchir à une utilisation spécifique de cette énergie. D'autre part, ce système risque de se développer, et d'améliorer ses rendements dans les années à venir. Le but n'est pas de prouver que cela fonctionne, mais plutôt de détailler dans quelles conditions il pourrait fonctionner ou non, et pour quelles applications, etc.

Je vous met un début d'expérimentation en lien si cela vous intéresse (à petite échelle) : http://www.trenditude.fr/Un-parapluie-LED-ecologique.html

Cependant les données que vous fournissez dans vos calculs me sont très utiles. Est-ce des données moyennes, hautes, ou avez vous pris la référence d'une région donnée ?

[M. Gagnard]

Il y a 4 heures, Clarisse a dit :

Par rapport à mon sujet de mémoire (pour répondre à M. Gagnard), d'après mes recherches, les matériaux piézoélectriques convertissent de l'énergie Mécanique en énergie électrique. On ne peut donc pas (sauf erreur de ma part) faire le calcul en prenant comme donnée l'énergie cinétique de la goutte de pluie : plus le matériau est déformé, plus cela créera de l'énergie électrique (par exemple pour les fibres piézocomposites, une déformation de 2000ppm (équivalent à une force de 30MPa) produit environ 1500 V.

 

Pas prendre en compte l'énergie cinétique de la goutte ??? mais alors quelle énergie, capable de déformer votre capteur*, prenez-vous en considération ?

L'énergie mécanique est, à une constante près, la somme de l'énergie cinétique et de toutes les énergies potentielles de la particule considérée. Dans notre cas, la seule énergie potentielle de la goutte est celle due aux actions de la pesanteur.

Lorsque la goutte s'écrase sur le capteur, seule l'énergie cinétique n'est pas nulle et donc l'énergie mécanique vaut l'énergie cinétique.

 

 

* : j'exclue donc d'exploiter l'énergie interne de la goutte ; mais si j'ai bien compris, il n'en est pas question.

[M. Gagnard]

Il y a 4 heures, Clarisse a dit :

Cependant les données que vous fournissez dans vos calculs me sont très utiles. Est-ce des données moyennes, hautes, ou avez vous pris la référence d'une région donnée ?

 

Ce calcul est un calcul d'ordre de grandeur, je ne me suis pas soucié de la climatologie de telle ou telle région pour le mener.

 

Une pluie débitant 35 mm/h durant quelques minutes est assez banale lors qu'une grosse averse ou d'un orage dans nos régions tempérées (régions entre 30 et 60° de latitude nord). Pour info, on a mesuré en France des débits de l'ordre de 300-400 mm/h pendant quelques minutes lors de gros orages ; personnellement, je me rappelle d'un très gros orage chez moi en juin 1999 (ou 2000 ?) qui avait donné 90 mm en une heure.

 

Vu de manière plus globale, mon calcul montre que vous pouvez tirer une énergie électrique de au maximum (j'ai pris 100% de rendement pour la conversion énergie mécanique-énergie électrique) 0.5wh pour une "flaque" d'eau de 35 mm d'épais de 1m² de surface et qui nous arrive dessus à 10 m/s (environ 40 km/h). Plus généralement encore, cette énergie de 0.5wh est l'énergie cinétique d'une chose de 35kg, en translation, et doté d'une vitesse de 10 m/s.

 

Perso, je pense (mais je ne peux pas le montrer) que le rendement de conversion méca-élec est plutôt de l'ordre de 0.1 (i.e 10 %) au maximum. Il y a pas mal de phénomènes importants à prendre en compte comme par exemple le "retour" après le choc de votre matériau capteur : si une seconde goutte arrive très vite après la première et s'écrase au même endroit alors que le capteur est déjà déformé, alors vous n'allez rien tirer du tout de cette seconde goutte...

Il y a aussi le phénomène d'éclatement de la goutte : dire qu'après l'impact la goutte a donné toute son énergie cinétique au matériau est d'une générosité sans nom... la goutte va s'éclater en plusieurs micro-gouttes qui retomberont ou pas sur le capteur...

 

Bref, à mesure que j'y pense (je ne suis pas du tout spécialiste de la chose), plus je pense que le rendement de notre affaire serait proche non pas du dixième mais du centième...

 

Après, pour l'histoire du parapluie, il faut être très prudent. Si on prend en compte, durant la marche de la personne, le mouvement naturel du bras qui tient le pébroc (pour schématiser un mouvement sinusoïdal vertical d'amplitude 5 cm et de période 1 ou 2 secondes) alors vu la prise au vent d'un parapluie, la déformation du textile pourrait être effectivement "énorme". On a tous fait l'expérience de translater un parapluie dans la direction de son manche... ça fait quand même un peu forcer ! On aurait donc une production d'énergie (non négligeable) sans pluie, la pluie viendrait ajouter un peu d'énergie.

[maxicobra]

Effectivement,Gagnard a expliqué à la perfection la rentabilité dans des conditions plus que généreuses en terme d'énergie disponible de l'eau précipitée. Pour confirmer le caclul on pourrait faire un comparo avec un barrage hydroélectrique. 

La question posé par Gagnard est plus que pertinente pour rendre ce projet intelligible. Quelle autre potentielle énergie cette techno compte  en récupérer à part l'énergie cinétique ? .

 

Je tombe sur ça, et là effectivement ça parait déjà plus légitime:http://www.lemondeinformatique.fr/actualites/lire-une-cellule-solaire-transforme-les-gouttes-de-pluie-en-electricite-64491.html

 

 

Modifié 2 janvier 2017 par maxicobra