Hydrogénérateurs
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Par Paul Cunningham et Barbara Atkinson
L’énergie hydraulique a été exploitée en plusieurs emplacements en Europe et Amérique du Nord. Elle est disponible aux endroits où l'eau chute verticalement de quelques pieds avec un écoulement suffisant. Elle a été utilisée pour fournir les puissances d'axe pour des usines de textile, des scieries et d'autres opérations de fabrication.
Depuis plusieurs années des milliers de petits moulins ont été remplacés par l’énergie électrique. Beaucoup de projets hydroélectriques principaux ont été développés à l'aide de grands barrages, développant plusieurs mégawatts de puissance. Dans beaucoup de secteurs, la puissance hydro-électrique est toujours employée sur une petite échelle, mais elle est indiscutablement la forme la plus rentable d'énergie.
Emplacements
Les systèmes hydrauliques peuvent être installés dans moins d’emplacements que ceux solaires et éoliens. Une quantité suffisante de l'eau en chute doit être disponible. La hauteur verticale de la chute de l'eau est un facteur déterminant. L'écoulement est mesuré en gallons par minute (gal/mn), pieds cubes par seconde (cfs), ou litres par seconde (l/s).
Une plus grande hauteur de chute est habituellement meilleure parce que le système peut employer moins d'eau et l'équipement peut être plus petit. La turbine fonctionne également à une vitesse plus élevée. Aux hauteurs très élevées, les estimations de pression dans la tuyauterie et l'intégrité de joint de cette tuyauterie deviennent problématiques. Puisque la puissance est le produit de la hauteur de chute et de l'écoulement, plus d'écoulement est exigé pour une hauteur de chute inférieure pour produire le même niveau de puissance.
Avec un rendement de 53%, la puissance d’une turbine hydraulique peut être déterminée par l’équation suivante :
Hauteur de chute nette* (pieds) x Ecoulement (US gpm) / 10: Puissance (Watts)
La hauteur de chute nette tient compte des pertes dues aux frottements de la tuyauterie
La plupart des systèmes hydrauliques sont limités dans leur capacité de rendement. C'est-à-dire, ils ne peuvent pas être augmentés indéfiniment comme les systèmes éoliens et photovoltaïques. Ceci signifie que le procédé de classement par taille peut être basé sur des emplacements plutôt que sur des besoins de puissance. La taille et/ou le type de composants de système peuvent changer considérablement d’un emplacement à l'autre. La capacité de système peut être dictée par des circonstances spécifiques (par exemple, la quantité moindre de l'eau en été).
Si le potentiel hydraulique est insuffisant pour développer la puissance nécessaire, vous devez employer les turbines hydrauliques qui sont de rendement optimum et/ou ajouter d'autres formes d'équipement de génération d’énergie renouvelable. Les systèmes hybrides : éoliens/solaires/hydrauliques sont très réussis.
Les systèmes décrits ici sont ceux qui n’utilisent pas le stockage d’eau derrière les barrages. On les appelle les "run of river". Ils disposent d’un accessoire permettant de diriger l'eau dans la canalisation. La puissance est développée à un taux constant. Elle peut être utilisée ou stockée dans des batteries ou envoyée à une charge de diversion (shunt ou système de chauffage). Par conséquent, il y a peu d'incidences sur l'environnement puisque une eau minimale est employée. Ils sont plus faciles à installer.
Types de systèmes hydrauliques
Si le chauffage est exclu, 300-400 watts de rendement continu peuvent alimenter une maison nord-américaine ou européenne typique. Ceci inclut un réfrigérateur/congélateur, la machine à laver, les lumières, le divertissement. Avec une gestion soigneuse d'utilisation, il est possible de ramener la demande moyenne à environ 200 watts de continu.
La puissance générée par un système hydraulique peut être assurée de deux manières : en chargeant des batteries. Dans ce cas la puissance est développée à un niveau égal à la demande moyenne et stockée dans des batteries. Les batteries peuvent assurer la puissance nécessaire à un niveau plus élevée pendant les périodes de manque d’eau. Pendant les périodes d’excès d’eau ou de moins de demande énergétique, l'excès d’énergie est stocké dans ces batteries. Si assez d'énergie est fournie par l'eau, le système peut développer une puissance en courant alternatif. Ce genre de système exige typiquement un niveau de puissance beaucoup plus élevée que le système chargeur de batteries.
Systèmes hydrauliques chargeurs de batteries
La plupart des systèmes hydrauliques résidentiels sont chargeurs de batteries. Ils exigent moins d'eau que des systèmes à courant alternatif et sont habituellement moins chers. Puisque l'énergie est stockée dans des batteries, la turbine hydraulique peut être arrêtée pour entretien sans interruption de la puissance fournie. La canalisation, la turbine, et d'autres composants peuvent être beaucoup plus petits que ceux dans un système à courant alternatif.
Des onduleurs très fiables sont disponibles pour convertir l’énergie stockée dans les batteries en courant alternatif (120 volts, 60 hertz ou 220 volts, 50 Hz). Ils peuvent actionner les la plupart des appareils électroménagers.
La tension de sortie des systèmes hydrauliques chargeurs de batteries s'étend généralement de 12 à 48 VCC.
Si la distance entre la turbine et les batteries n'est pas grande alors une tension de sortie de 12 V est souvent assez suffisante. Des systèmes 24 V sont employés si le niveau de puissance ou la distance entre la turbine et les batteries sont importants.
Systèmes hydrauliques à courant alternatif
Ce sont les types de systèmes employés pour injection sur réseau électrique ou revente. Ils peuvent être employés sur une échelle résidentielle dans de bonnes conditions. Ce genre de système n’utilise pas les batteries et doit être capable de fournir la demande instantanée, y compris la charge maximale. Les charges les plus difficiles sont celles qui sont à l’origine de montée subite de demande puissance tels que les moteurs à induction que l’on trouve dans les réfrigérateurs, les congélateurs, les machines à laver, quelques machines-outils et d'autres appareils. Quoique la puissance courante d'un moteur à induction puisse être seulement de quelques centaines de watts, la puissance d’appel ou démarrage peut être 3 à 7 fois soit plusieurs kilowatts. Puisque d'autres appareils peuvent également fonctionner en même temps, un niveau minimum de puissance continue de 2 à 3 kilowatts peut être exigé d'un système hydraulique à courant alternatif.
Composants du système
Une prise ou bec recueille l'eau et une canalisation la livre à la turbine qui convertit l'énergie de l'eau en puissance mécanique d'axe. Cette puissance mécanique fait tourner le générateur qui délivre l’électricité.
Canalisation
La plupart des systèmes hydrauliques exigent une canalisation. A l’exception des machines types propulseurs à prises ouvertes. L'eau devrait passer d'abord par un filtre pour bloquer les débris qui peuvent obstruer ou endommager la machine. La prise devrait être placée loin pour protéger contre la force directe de l'eau et les débris pendant des débits élevés.
Il est important d'employer une canalisation de diamètre suffisamment grand pour réduire au minimum les pertes de frottement de l'eau. Si possible, la canalisation devrait être enterrée. Ceci la stabilise et empêche des créatures (insectes et autres) de la mâcher. Les canalisations sont habituellement en PVC ou polyéthylène bien que le métal puisse également être utilisé.
Turbines
Bien que des roues traditionnelles d'eau de divers types aient été utilisées pendant des siècles, elles ne sont pas habituellement appropriées à produire de l'électricité : Elles sont lourdes, grandes et tournent à de basses vitesses. Elles exigent des embrayages complexes pour atteindre des vitesses permettant à l’hydrogénérateur de produire l’électricité. Elles ont également des problèmes de glaçage pendant les climats froids. Les turbines qui tournent à des vitesses plus élevées, sont plus légères et plus compactes. Ces turbines sont plus appropriées pour la production d'électricité et sont habituellement plus efficaces.
Applications
Il y a deux genres de turbines : impulsion et réaction.
Les machines d'impulsion emploient un bec à l'extrémité de la canalisation qui convertit l'eau sous pression en jet rapide. Ce jet est alors dirigé à la roue de turbine, qui est conçue pour convertir l'énergie cinétique du gicleur en puissance d'axe. Les turbines d'impulsion communes sont les types pelton, turgo et croisement de flux.
Dans les turbines de réaction, l'énergie de l'eau est convertie de pression en vitesse dans des ailettes de guidage et la roue de turbine. Quelques arroseuses de pelouse sont des turbines de réaction. Elles tournent en réaction à l'action de l'eau. Exemples de turbines de réaction, celles de type Francis.
Dans la famille des machines d'impulsion, le type pelton est employé pour les plus faibles débits et les hauteurs de chute les plus élevées. Le type croisement de flux est employé pour les plus forts débits et les hauteurs de chute les plus basses. Le type turgo est employé pour des conditions intermédiaires. Les turbines type propulseur (réaction) peuvent opérer pour des hauteurs de chute de moins de 66 cm. Le type turgo exige au moins 1.33 m de hauteur de chute. Le type pelton exige au moins 3.33 m de hauteur. Ce sont des directives rugueuses à considérer.
Le type croisement de flux (impulsion) est le seul qui peut être personnalisé. Il peut être fait en largeurs modulaires et des becs variables peuvent être employés.
La plupart des emplacements utilisent des turbines type impulsion. Ces turbines sont très simples et relativement bon marché. Le débit d’eau peut être facilement commandé en changeant les tailles des becs ou en employant les becs réglables. En revanche, la plupart des petites turbines de réaction ne peuvent pas être ajustées pour s’adapter à un débit d'eau variable. Ceux de type réaction qui le permettent sont très chers en raison des ailettes et des lames du guidage mobiles qu'elles exigent. Et s’il n’y a pas assez d'eau durant le fonctionnement la turbine en souffre considérablement.
A suivre....
Nos turbines hydrauliques
Modèle HV 600 W
Puissance maximale : 600 W
Débit souhaité : 3.15 litres/s à 3.44 bars
Voltage : 12/24/48 V
Type : Pelton
Becs de cueillette d’eau : 2 ou 4
Modèle HV 1200 W
Puissance maximale : 1200 W
Débit souhaité : 6.30 litres/s à 3.44 bars
Voltage : 12/24/48 V
Type : Pelton ou Turgo
Becs de cueillette d’eau : 4
Modèle HV 1800 W
Puissance maximale : 1800 W
Débit souhaité : 9.45 litres/s à 3.44 bars
Voltage : 12/24/48 V
Type : Pelton ou Turgo
Becs de cueillette d’eau : 4
Modèle HV 3600 W
Puissance maximale : 1800 W
Débit souhaité : 18.9 litres/s à 3.44 bars
Voltage : 12/24/48 V
Type : Pelton ou Turgo
Becs de cueillette d’eau : 4