Pico turbine hydroélectrique

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.

- Diamètres tuyaux = 19 mm intérieur (25 mm extérieur)
- Dénivellé reservoir/chalet = 50 mètres
- Pression = 5 kg
- débit = 60 litres/minutes (avec une buse de 12 mm de diamètre)

L'élément clef, après l'eau bien sûr, qui va déterminer la "forme" de mon projet se trouve être la "roue". Après maintes reflexions 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 succeptibles aux chocs, mais beaucoup plus honéreuses. Pour finir, il est à noter qu'on trouve ce type d'installation "plug & play" vendu à partir de 1500 euros (300W@12V)

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 ...

Figure 2.1. Formule pour estimer le potentiel

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.

Figure 2.2. Puissance sans perte (rêve)

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(

Figure 2.3. Puissance avec rendement = 0,8

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 !

Figure 2.4. Puissance avec rendement = 0,6

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 :

Figure 2.5. Vitesse de l'eau

Ce qui donne dans mon cas de figure :

Figure 2.6. Vitesse de l'eau spécifique

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 :

Ce calcul 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.

Figure 2.7. Vitesse angulaire de la roue

Ce qui donne dans mon cas de figure :

Figure 2.8. Vitesse angulaire de la roue spécifique

Pour convertir cette vitesse angulaire (fréquence) en vitesse de rotation (nombre de tours par minute), j'utilise la relation suivante :

Figure 2.9. Vitesse de rotation

Ce qui donne dans mon cas de figure :

Figure 2.10. Vitesse de rotation

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 :

Figure 2.11. Section d'injection

Ce qui donne dans mon cas de figure :

Figure 2.12. Section spécifique d'injection

Pour tranfsormer cette section en diamètre, j'utilise la relation suivante :

Figure 2.13. Diametre des injecteurs

Ce qui donne dans mon cas de figure :

Figure 2.14. Diametre spécifiques des injecteurs

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.

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.

Figure 2.15. Choc d'un jet

Ce qui donne dans mon cas de figure :

Figure 2.16. Choc du jet spécifique

Pour calculer le moment d'un couple, j'utilise la formule suivante :

Figure 2.17. Formule relative au couple

Ce qui donne dans mon cas de figure :

Figure 2.18. Formule spécifique relative au couple

La structure est réalisée en profilé aluminium d'une section de 25x55 mm.

1.1. Dessin d'ensemble

Figure 3.1. Vue de dessus

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1.2. Support d'axe

Figure 3.2. Dessin des flancs supportant l'arbre

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1.3. Flancs

Figure 3.3. Dessin des Flancs

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1.4. Supports injecteurs

Figure 3.4. Dessins des supports injecteurs

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L'axe qui supporte la roue est porté par 2 roulements à billes standard monté en X

- Ø intérieur = 12 mm
- Ø extérieur = 28 mm
- Ajustement sur bague intérieure = H7g6
- Ajustement sur bague extérieure = H7h6

Figure 3.5. Arbre

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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 :

+ Courant produit ~ 30 A
+ Tension de fonctionnement = 12 V
+ Type de courant = continu
+ Vitesse de rotation
+ Couple necessaire 

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 ...

Alternateur de voiture classique. Chez le distributeur automobile du coin, je lorgne sur l'alternateur suivant :

- Marque : "Bosch".
- Puissance : 12V/90A.
- régulateur de charge intégré.
- Prix : 120 euros.
- Pas de caractéritiques précises concernant le couple :-( 

J'ai trouvé l'alternateur de facture "leece-neville" (USA)

- Marque : "Leece-Neville".
- Puissance : 12V/51A ou 12/72A.
- Auto-excités à ajustage de tension 
- Balais en cuivre graphité (durée de vie accrue). 
- Roulements longue durée auto lubrifiés.
- Indication concernant le couple fourni (voir courbe plus bas)
- Prix : 376 euros (via distributeur français).

Site constructeur : Prestolite

Site du revendeur : ProShip marine

Parmis les 2 modèles (51 A et 72 A) et en fonction de la puissance 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

Figure 4.1. photo de l'alternateur "Leece-neville" modèle 110-521 présenté sur le site proship

Figure 4.2. Diagramme Courant/Vitesse de rotation/Couple

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Je me suis également arrêté sur cette page où est présenté un moteur à aimant permanent type bruschless.

- Marque : ?
- Puissance : 40 A à 1800 tr/min pour un couple de 18,75 livres/inch
- Aimant permanent 
- Prix : 260 dollars US

Figure 4.3. Moteur à aimant permanent - 4 pôles

kansaswindpower

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)

Le carennage est terminé.

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 :-)

Figure 5.1. Essai en charge, moteur DC 50 w

Mercredi 11 aout 2004, je rentre de Bretagne avec un moteur de machine à laver DC de marque polymotor (Italie). Ce dernier prend très vite place sur la turbine et génère 70 W/h, soit 1.5 KW/jour.

Figure 5.2. Turbine avec moteur DC 165 W

Installation presque définitive avec voltmètre, ampermètre et compte tours intégrés.