Vous trouverez dans cet article le compte-rendu de la réalisation d'une pico centrale "hydroélectrique" (hydraulique et électrique).
La fonction principale de ce système est de
recharger un parc de batteries semi-stationnaires destinées à l'alimentation électrique d'un
chalet d'alpage, en association avec des cellules photovoltaiques (je ne traiterai pas de la partie photovoltaique dans cet article).
Pour la petite histoire, l'idée même du projet est née alors que je nettoyais ma brouette après quelques travaux de maçonnerie. En manipulant le pistolet à jet d'eau, j'ai toujours été frappé par la force qu'excerçait ce dernier sur mon poignet: a chaque pression sur la gachette, mon bras reculait systématiquement. Quelques travaux plus tard, lors d'un énième nettoyage, la brouette sur le dos, la roue s'est mise à tourner alors que je dirigeais le jet dans sa direction, l'idée était née ...
L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique renouvelable obtenue par conversion de l'énergie hydraulique (eau) en électricité. L'énergie cinétique de l'eau est transformée en énergie mécanique par l'intermédiaire d'une turbine (type Pelton, Francis, Kaplan), puis en énergie électrique par un alternateur (génératrice à courant continu dans mon cas de figure).
Le chalet en question est situé dans le massif des Bornes (74 - Haute-Savoie) à 1500 mètres d'altitude dans un site isolé non connecté au réseau électrique. L'association de l'énergie hydraulique et de l'énergie photovoltaique est intéressante sous notre hémisphère : quand une dépression pointe le bout de son nez, la région regorge d'eau et la turbine rentre alors en action. Quand un anticyclone s'arrête par dessus nos têtes, il y à multe soleil et les panneaux solaires remplissent parfaitement leur fonction.
Ce document a pour but d'exposer mon travail et de partager mon expérience. Je précise toutefois que je ne suis pas un professionel et que tous les calculs fournis le sont à titre indicatif et n'engagent que moi.
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Je dispose d'une source d'énergie naturelle : l'eau. Celle-ci arrive à mon chalet par l'intermédiaire d'un tuyaux PVC semi- rigide. Le captage est réalisé en amont et alimente un réservoir d'un capacité de 2500 litres.
L'élément clef, après l'eau bien sûr, qui va déterminer la "forme" de mon projet se trouve être la "roue". Après maintes réflexions et recherches, mon choix s'est porté vers une roue de type Pelton en résine epoxy d'un diamètre de 133 mm (diamètre ou le jet tangente la roue = 114 mm) J'ai trouvé un fournisseur plus que sympathique en Australie dont vous trouverez l'adresse dans la section 'liens". Cette roue offre à mon avis un rapport qualité/prix plus qu'acceptable (environs 65 euros). Une remarque cependant : cette roue est extrêmement fragile, donc attention ! Réalisée à partir d'une résine epoxy, elle est certes très "résistante" mais également très "résiliente" ce qui sous entend qu'elle n'apprécie pas les chocs, mais alors pas du tout (j'en ai fait la triste expérience ...) Hormis ces erreurs de manipulation qui ne devraient avoir lieu (il ne faut pas se presser ...), il est un autre détail à noter afin d'éviter le pire : l'eau doit être filtrée en amont pour être exempte de toutes particules (petits cailloux) qui provoqueraient .. Des chocs ... Aye ! sur la roue ... Qu'on se le tienne pour dit ! (sinon, pour ceux qui sont riches, ils existent des roues du même type en bronze, beaucoup moins susceptibles aux chocs, mais beaucoup plus onéreuses. Pour finir, il est à noter qu'on trouve ce type d'installation "plug & play" vendu à partir de 1500 euros (300W@12V)
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Avant de me lancer dans la réalisation de ce projet un peu fou, j'ai du sortir ma calculatrice afin de savoir si je pouvais prétendre à une quelconque production d'énergie en fonction de mon débit d'eau et de sa pression. Je vous fais donc part des différents calculs et estimations que j'ai réalisés en essayant de m'expliquer au mieux. Si vous trouvez des erreurs ou des incohérences dans cette page, n'hésitez pas en m'en faire la remarque. C'est en apprenant ensemble qu'on avance ...
Dans les sections suivantes, j'expose dans un premier temps les formules"générales" correspondant à la grandeur que je recherche. J'applique ensuite ces formules aux données "spécifiques" de mon site (dénivelé, débit, pression ...)
C'est la première formule que j'ai utilisée. Elle permet d'estimer le potentiel d'une installation en fonction de deux paramètres : le débit d'eau et la hauteur de chute.
Dans les unités légales du Standard International (S.I), le watt est l'unité universelle de puissance , qu'elle soit hydraulique, mécanique , électrique , ou autre.
Dans l'exemple ci-dessus, j'ai volontairement omis de prendre en compte le rendement du système (cela équivaudrait à un système parfait, sans pertes. Cela n'existe malheureusement pas :o(
Dans l'exemple ci-dessus, je spécifie un rendement global du système égal à 0,8 (prétentieux ?) J'obtiens une puissance de 392 Watts, qui fournirait sous une tension de 12 volt pas moins de 32,5 Ampères !
Dans l'exemple ci-dessus, je spécifie un rendement global du système égal à 0,6 (Honnête ?) J'obtiens une puissance de 294 Watts, qui fournirait sous une tension de 12 volt pas moins de 24,5 Ampères ! Bon, ceci sera mon dernier prix, je ne descendrai pas plus bas ! Et puis, je n'aurai qu'à m'appliquer ;o)
Pour calculer la vitesse de l'eau en sortie d'injecteur, j'utilise la formule suivante :
Dans mon cas de figure:
La valeur est d'abord exprimée en mètre par seconde. Je l'ai ensuite convertie en kilomètre par heure juste "pour voir". Impressionnant non ?
Pour calculer la vitesse angulaire de la roue à vide (sans charge connectée), j' utilise la formule suivante :
Cecalcul n'est valable qu'à vide (sans couple fourni) car si les augets accompagnent la masse d'eau de façon synchrone il n'y a pas d'effort entre eux donc pas de couple. Cependant, on peut estimer que la différence ne doit pas être énorme (10 à 15% tout au plus) quand le couple reste acceptable, disons exploitable.
La vitesse tangentielle de la roue doit être égale à 0.48 * V avec une charge connectée.
Dans mon cas de figure:
Pour convertir cette vitesse angulaire (fréquence) en vitesse de rotation (nombre de tours par minute), j'utilise la relation suivante :
Dans mon cas de figure:
La valeur est d'abord exprimée en nombre de tours par seconde. Je l'ai ensuite convertie en nombre de tours par minute en multipliant par 60 la valeur initiale (1min=60s). Impressionnant non ?
Pour trouver le diamètre des injecteurs qui seront utilisés, j'utilise la relation suivante :
Dans mon cas de figure:
Pour transformer cette section en diamètre, j'utilise la relation suivante :
Dans mon cas de figure:
J'utilise 0,16 cm² (0,32/2) car mon système comporte 2 injecteurs. Ainsi, les injecteurs auront chacun un diamètre de 4,5 mm.
Si les injecteurs sont profilés intérieurement (section décroissante), le diamètre du jet sera égale au diamètre de l'orifice. En revanche, il faut prendre en compte les pertes de charge. Dans le cas d'une rupture brutale de diamètre (non décroissante), il y a lieu d'appliquer un coefficient de contraction de l'ordre de 0.6.
Pour trouver la valeur du couple fourni, je dois d'abord calculer la force exercée par le jet d'un injecteur entrant en collision avec une plaque plane à angle droit.
La valeur de F est à doubler (x2) pour un obstacle de type Pelton
Ce qui donne dans mon cas de figure :
La valeur du débit est divisée par deux (/2) car le calcul s'effectue sur un injecteur. On remarquera également que la vitesse de recul choisie égale la moitié de la vitesse originale.
Pour calculer le moment d'un couple, j'utilise la formule suivante :
Ce qui donne dans mon cas de figure :
L'effort sur un auget n'est pas dû à la pression de l'eau, d'ailleurs il n'y a plus de pression puisqu' elle a été transformée en vitesse. L'effort est dû au fait que la masse d'eau a changé de direction et de valeur entre son point d'impact sur l'auget et son point de sortie. C'est de la forme : f = poids-spécifique x ( V1.cosTêta1 - V2.cosTêta2) (sous toute réserve) Là où ça se complique c'est qu'on ne connait pas précisément la direction et la vitesse de sortie. On peut peut-être faire l'approximation que la valeur absolue de la vitesse est constante, mais l'angle ... ? Il est déterminé par la forme des augets et surtout je pense, par leur position et leur orientation dans l'espace qui sont essentiellement variables puisque la turbine tourne. Ainsi on conçoit bien que le couple statique (rotation nulle) doit être le plus élevé puisque, compte tenu de la forme des augets, le jet est pratiquement retourné de 180°. A contrario si l'auget "s'efface poliment" devant la masse d'eau il perturbe peu sa direction et donc le couple est faible mais la vitesse importante.
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Vous trouverez cette roue en vente sur le site suivant : Rainbow Power Company
Cette roue moulée en résine époxy est conçue pour fournir d'excellentes performances sur les micro-centrales hydroélectriques. La puissance provenant de l'eau augmente avec la sec et augmente avec le débit, mais est limité par pipe friction.
Maximum power for any pipe size occurs when the frictional losses in the pipe equals one third of the static head. Any increase in flow rate beyond this point will result in less power. Both power and water usage should be controlledby a choice of nozzle sizes.
Adequate filtration on the water supply is essential. The area of the intake screen should be large enough to reduce the effect of clogging by leaves etc. The screen should have holes small enough to exclude any particles that may block the smallest expected nozzle size. The Pelton wheel is suitable for nozzles up to 13mm diameter with nozzle aligned such that jet strikes runner in centre of bucket as shown.
The wheel is made to fit a 15 mm shaft. Correct attachment to the generator shaft is important. Thick stainless steel or galvanized washers of at least 25 mm outside diameter should be used on both sides of the wheel to distribute pressure evenly over the casting. A spring washer is essential. The nut should be tightened to 6.5 N/m torque (firm with a 160 mm spanner). Alignment Correct alignment of the water jet is important with this design of impeller, both to achieve maximum efficiency and to prevent possible damage to the blade edge of the runner buckets. The nozzle must be adjusted so that the jet strikes the wheel tangentially 57 mm from the centre of the wheel.Check also that the jet impinges on the centre line of the runner buckets. A clearance of at least 65mm is recommended between runner and turbine case.
La structure est réalisée en profilé aluminium d'une section de 25x55 mm.
L'axe qui supporte la roue est porté par 2 roulements à billes standard monté en X
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A l'heure où j'écris ces lignes, je ne sais toujours pas quel type de génératrice acquérir. Comme je l'ai déterminé à l'aide de la première formule, je pense produire un courant d'une intensité de 30 Ampères sous une tension de 12 Volts. Les données suivantes vont ainsi orienter mon choix
Au fil de mes recherches, j'ai trouvé 3 "technologies" ou modèles qui pourraient faire l'affaire. Cependant, cette partie de l'ensemble étant la plus onéreuse, j'aimerais ne pas me tromper et faire le bon choix ...
J'ai trouvé l'alternateur aux caractéristiques suivantes chez le distributeur automobile du coin :
Ces alternateurs ne comprennent plus de balais, l’excitation est créée par des aimants permanents.
Reaches 12 Volts at 1200 RPM The chart below represents actual output on a test stand. Voltage readings were recorded with the circuit open (No Load)while Amperage was recorded with the output shorted (Max Load). Your system setup will determine what output you will see in the “real world”. For example a dead battery will pull much more current similar to the shorted output reading than will a fully charged battery. Also the voltage will rise until it meets the voltage of your battery and then level off as the battery is “absorbing” the excess voltage as it charges. This unit can handle over 10,000 RPM with ease but since the output is unregulated you should be sure and run a 100 or 150 amp fuse on the output to prevent damage to the unit if your load becomes excessive. Also consider using a charge regulator so your batteries don’t become overcharged. On our test stand with a 12 Volt battery connected the PMA produced 120 Amps at 2000 RPM.
Site web constructeur : Windblue
LOTS OF LOW END POWER GENERATION ABILITY!!!! \ Capable of generating well over 12,000 Watts at speeds over 18,000 RPM. Great for charging BIG battery banks that are drained. Great for heavy amp loads! The higher the amp load the harder they work. Perfect for building simple, inexpensive and dependable wind or water turbines. A put-up and forget design! Expect decades of dependable service life. Bi-rotational. Makes power when turned in either direction. Note: Clockwise is the preferred direction since the nut tends to stay on and it cools better! All weather rated. Rain, ice and weather proof electronics. Light weight aluminum body. 17MM hardened shaft. D.C. output. Includes built in rectifier. 2.33 phase magnetic field spread for maximum efficiency +low cogging! Heavy Duty coils and diodes. Bearings rated for 115,000 hours + 14 powerful #42H Neodymium magnets. Warranty - 90 days parts and labor FOB Lancaster, CA
Site web constructeurs : Hydrogenappliances
"Leece-neville"
J'ai trouvé l'alternateur de facture "leece-neville" (USA)
Site constructeur : Prestolite
Site du revendeur : ProShip marine
Parmis les 2 modèles (51 A et 72 A) et en fonction de la puissance que je compte produire, il semblerait que le modèle 51 A soit le plus adapté. En effet, si je mise sur une puissance de 30 A, ce dernier demande un couple de 1,5 livres/pied soit 2,04 N/m à une vitesse de 2000 tr/min
J'ai commandé un alternateur par le biais de la société Proship : après 2 mois d'attente, l'alternateur reçu n'était pas celui que j'avais commandé (pas auto-excité et tension aucunement ajustable). Retour du matériel à l'expéditeur et remboursement éffectué après petite bagarre ...
L'auto-excitation est désigné par le mot "SELF" sur les doc Leece-Neville. A contrario, la désignation "IGN" exprime une excitation à l'allumage (ignition).
Je me suis également arrêté sur cette page où est présenté un moteur à aimant permanent type bruschless.
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J'ai à ce jour presque terminé la partie "mécanique" de la turbine. Il me reste à trouver un générateur Ad-hoc (si vous avez des infos à ce sujet n'hésitez pas en m'en faire part), le coupler à l'arbre, puis restera le carennage à réaliser (en matière translucide SVP, type Plexiglass ;o)
Vendredi 23 janvier 2004, 19h : J'ai alimenté la turbine pour la première fois à la lueur de ma lampe frontale ;o) Je dois dire que j'étais très impatient de voir tourner la roue ... Bilan : Je suis impressionné ! La théorie a rejoint la pratique. le montage est extrêmement silencieux et aucune vibration n'est à déplorer pour l'instant. Je n'ai bien sûr pas pu mesurer la vitesse de rotation à l'oeil nu, comme cela, mais ça turbine sec ! (je dois récupérer un compte-tour sous peu qui me permettra de vérifier précisément mes calculs)
Lors de cet éssai "à vide", j'ai tout d'abord été surpris par l'écoulement de l'eau en sortie de roue : cette dernière continuait sa course dans le prolongement de l'injecteur. Ce n'est qu' en freinant l'axe que j'ai alors compris ce qui passerait lors d'un fonctionnement en charge : l'eau ne continua plus sa course de manière rectiligne mais se trouva bien refoulée sur les cotés de la roue. (approximativement à 180° par rapport au sens d'écoulement originel de l'eau)
Je prends une grande décision : je commande l'alternateur de leece-Neville modèle "110-521" via internet (12V-72A) par le biais de la société "proship". 2 jours plus tard, un vendeur de la société m'appele pour le dire que les délais sont ... très long : 8 à 10 semaines : je persiste et signe !
On me donne un petit moteur pas à pas de 12V / 50 w. Je décide de coupler ce dernier à la turbine afin de faire quelques éssais. Théoriquement, il pourrait générer 4 A. Je recherche un distributeur de poulie ...
Je reçois l'alternateur tant attendu mais problème : un fil sortant du régulateur de charge m'inquiète. (aucune notice n'est livrée avec l'appareil). Je demande quelques explications à la société par mail dans un premier temp, mais aucune réponse. Je prends alors mon téléphone et je sens qu'il y à anguille sous roche (dixit : "ben, c'est un plus après contact quoi ...") le hic, c'est que j'ai commandé un modèle auto-excité ! après multe courrier, un technicien de la société prestolite (fabricant de l'alternateur) m'annonce tout simplement que le modèle dont je suis en possession n'est pas auto-excité ;-( Je remet le tout dans le carton et renvoie le matériel à "proship". Excédé (2 mois d'attente quand mêm et 360 € dans la nature) je monte le moteur de 50 w pour avancer un peu : deux lampes de 25 W sont utilisées en tant que charge. Lors de ces éssais, j'obtins 4.5 A sous une tension de 12 V. Les roulements du générateur ses désintégraient apèrs 24 h de fonctionnement ! Je savais que ce moteur ne tiendrait pas la distance, mais l'objectif principal fut atteint :-)
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Le distributeur Australien de la roue Pelton Rainbow Power Company
Trouver une roue à l'autre bout du monde en traitant avec un personnage fort sympathique, que demande le peuple ! Demander "Dave" et dites lui que vous venez de la part du "frenchie" Moreau ...
Ce site propose des roues en bronze
Vous trouverez la liste complète des prix ici
Ce site propose des roues de type "TUGRGO" en plastic et acier inoxydable :
Plastique injecté, 80 mm, 20 augets, cout = $120 (Dollars US)
Acier inoxydable, 24 augets, cout = $360 (Dollars US)
Vous trouverez ci-dessous des liens pointant vers des sites vendant des turbines produisant un courant alternatif.
Le société Italienne IREM http://www.irem.it
IREM SpA Via Abegg 75 - 10050 Borgone (TO) - ITALY Tel. +39 011 9648211 - Fax +39 011 9648222
Water is the ideal renewable power source to produce green energy, used by man since the beginning of time . Ecowatt water turbines, resulting from years of experience in the field, transform the energy of small streams into precious electricity, in a clean way and in full respect for the environment. These water generators are the ideal solution for those places where electrical energy is not available from the national grid. They solve the problem of energy supply in many situations, for example in isolated houses, alpine refuges and pastures, missions and small villages. Water generators can also ensure the operation of electric and electronic equipment for remote signalling, remote control and water purification. Specific water generators can operate in parallel with the grid in order to resell the green energy produced in excess. Ecowatt water turbines permit energy saving and provide green energy giving a considerable contribution to ecology, since they help avoiding the burning of vast quantities of fossil fuel and hydrocarbons, which are held to be widely responsible for air pollution, acid rain and the so-called "greenhouse effect".
La société Energie douce propose une turbine 220 Volts alternatif - 50 Hz d'une puissance de 1500 Watts au prix de 1500 Euros.
Lien revendeur : Energie Douce
Un distributeur Canadien : http://www.heliotron.ca
L’hydrogénérateur ou micro-turbine hydroélectrique PM-1000 est disponible en 12, 24, 48 Volts et peut fournir une puissance de 750W, à partir d’un petit volume d’eau, afin de charger les batteries. Un débit d’eau aussi petit que 100 GPM s’écoulant par gravité dans un tuyau de 10 pieds de hauteur, ou 5 GPM s’écoulant dans un tuyau de 200 pieds de hauteur, peut fournir assez d’énergie pour couvrir les besoins électriques d’une petite maison. Dans les régions de longue saison pluvieuse et les régions où il existe des cours d’eau dans les montagnes, la micro-turbine hydroélectrique peut bien fonctionner avec l’intégration de modules solaires afin de mieux recharger les batteries. La micro-turbine fournira plus d’énergie en saison pluvieuse lorsque les modules solaires en fourniront moins pendant la même période.
Un distributeur bolivien situé à la Paz
Ron Davis proposes des turbines sans génératrice. Le prix de ses réalisations est on ne peut plus attractif.