Moteur pour petite centrale hydraulique

[Eurole]

Les questions concernant les petites centrales hydrauliques ont été nombreuses sur ce forum depuis plusieurs années.

Une est en cours actuellement, par Alopex.
http://forums.futura-sciences.com/te...conomique.html
Pour ne pas gêner sa discussion, j’ai créé ce nouveau fil.

Le cas rare évoqué par Alopex concerne une rivière d’un débit de 10 m3/s, avec chute de 1 m 80.
Mon but est de proposer ici un système simple et économique de transformer ce courant très important en énergie mécanique.
C’est également de trouver un système simple et économique adaptable aux courants moins importants qui constituent le cas général.

Ce système combine les caractéristiques de la roue à aubes, du vérin hydraulique, du moteur hydraulique, de la turbine.

Je commencerai par un schéma grossier: il ressemble à un rotor à aubes tournant dans un carter qui en constitue le stator.

Les détails viendront au cours des discussions.
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[invite0324077b]

ce type de roue a existé , et peut avoir un tres bon rendement , le probleme est que la condition pour avoir un bon rendement est une tres faible vitesse

donc pour faire une bonne puissance ces roue doivent etre enorme : c'est tout sauf economique

ca ne me parait interresant que pour les toutes petite puissance , ou une grande roue peut etre considéré comme decorative , peu importe si son prix est disproportionné pour ce que ca produit

[invitee0b658bd]

bonsoir
tu trouveras plus de renseignements ici sur les types de roues et leur tracé
http://www.hydroroues.fr/arrivhaut.h...%20en%20dessus
fred

[Eurole]

ce type de roue a existé , et peut avoir un tres bon rendement , le probleme est que la condition pour avoir un bon rendement est une tres faible vitesse

donc pour faire une bonne puissance ces roue doivent etre enorme : c'est tout sauf economique

ca ne me parait interresant que pour les toutes petite puissance , ou une grande roue peut etre considéré comme decorative , peu importe si son prix est disproportionné pour ce que ca produit

Bonjour Chatelot.
En matière de courants, il faut toujours choisir, combiner entre vitesse et masse.
C’est un équilibre difficile qui varie avec chaque configuration.
Nous vivons une époque où les faibles vitesses n’ont pas la cote.
Elles ne sont pourtant pas sans avantages (je pense au « Lièvre et la Tortue » d’Esope, d'une actualité permanente)

Si on privilégie la masse, ce qui est nécessaire avec une faible déclivité, les roues doivent être volumineuses – mais leur technologie est simple, donc économique, de nombreuses roues sont de la menuiserie.
Ce volume important, au lieu d’être en hauteur, peut être développé horizontalement.

Il est vrai qu’une grande roue est un Art.
L’Art est la sublimation de tout savoir faire.
N’est-ce pas un des buts de la technique ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Eurole]

bonsoir
tu trouveras plus de renseignements ici sur les types de roues et leur tracé
http://www.hydroroues.fr/arrivhaut.h...%20en%20dessus
fred

Bonjour Verdifre.
Merci pour ce lien qui sera utile à tous les amateurs de petites centrales hydrauliques, à commencer par moi.

Si j’applique la formule de puissance à la chute d’eau décrite par Alopex dans son fil précité, elle est de l’ordre de 180 000 w, 245 cv.
Ce n’est plus du micro.

A partir d’un cheval-vapeur – 736 w – une centrale hydraulique peut être utile pour produire de l’électricité, pomper, moudre, scier … et de nombreuses autres actions.
C’est ce type qui m’intéresse aujourd’hui.

Le lien que tu cites parle également de roues horizontales très intéressantes.

*
Il existe un autre type de roue horizontale dont ce site ne parle pas.
Cette roue flottante est en fait une hydrolienne et pourrait être utile dans une rivière à courant suffisant mais sans chute.
Un autre fil ?

[invite0324077b]

des roue en bois j'en ai entretenu pour des petit moulin qui servent aujourd'hui a amuser les touristes : amuser serieusement car c'est des moulin qui servent reelemnt a faire de l'huile de noix ou de la farine

le bois n'est pas gratuit , la manutention de piece tres lourde non plus : gros engrenage en fonte a dent en bois pour utiliser le couple enorme de roue tournant a 5 tour minute

je peu donc dire que la reconstruction ou meme la simple reparation de ce genre de roue qui fait guere plus que 5kw est un gouffre financier

et encore il s'agit de roue en dessous : le jet d'eau sortant de la vanne tape dans les aube : la roue doit tourner a environ la moitié de la vitesse du jet pour avoir le rendement maxi de 30% : on peut ameliore la roue en dessous simple en la transformant en roue poncelet : le jet se fait devier 2 fois en entrant et en sortant de la roue a aube courbe : ca sort de la roue a vitesse presque nulle : le rendement ateind 70% : ca fait mieux que certaine mauvaise turbine

la roue que tu dessine est la roue sagebien qui doit tourner encore plus lentement pour avoir une vitesse beaucoup plus faible que la vitesse de jet correspondant a la denivelation

ce type de roue a existé en general avec un engrenage directement sur la roue pour faire sortir la puissance par un pignon moins lent et ne pas avoir a passer tout le couple par l'arbre

autre inconvenient ce type de roue a un bon rendement uniquement a pleine puissance : on ne peut pas economiser l'eau quand on veut une faible puissance et qu'on ne veut pas vider son bief trop vite : ce type de roue a été mis uniquement sur les riviere qui donne toujours un debit largement superieur au besoin de l'usine

[Eurole]

...
la roue que tu dessine est la roue sagebien qui doit tourner encore plus lentement pour avoir une vitesse beaucoup plus faible que la vitesse de jet correspondant a la denivelation

ce type de roue a existé en general avec un engrenage directement sur la roue pour faire sortir la puissance par un pignon moins lent et ne pas avoir a passer tout le couple par l'arbre

autre inconvenient ce type de roue a un bon rendement uniquement a pleine puissance : on ne peut pas economiser l'eau quand on veut une faible puissance et qu'on ne veut pas vider son bief trop vite : ce type de roue a été mis uniquement sur les riviere qui donne toujours un debit largement superieur au besoin de l'usine

Ce n’est pas la roue Sagebien (roue que j’admire)

Elle peut tourner à la vitesse du courant.

L’ensemble peut être mis totalement hors d’eau pour l’entretien.

On peut économiser l’eau, par exemple en divisant la roue horizontalement en plusieurs secteurs cylindriques autonomes.

[Eurole]

ce type de roue a existé , et peut avoir un tres bon rendement , le probleme est que la condition pour avoir un bon rendement est une tres faible vitessedonc pour faire une bonne puissance ces roue doivent etre enorme : c'est tout sauf economique
ca ne me parait interresant que pour les toutes petite puissance , ou une grande roue peut etre considéré comme decorative , peu importe si son prix est disproportionné pour ce que ca produit

Bonjour.
Voici un schéma modifié qui tient compte des observations de Chatelot.
Je rappelle que l’hypothèse d’Alopex est un ancien moulin d’un débit de 10 m3/s, avec chute de 1 m 80.
Il ne parle pas de la vitesse du courant avant la chute. En négligeant cette donnée, la vitesse de l’eau en bas de la chute est racine de 2.g.h, soit environ 6 m/s.

Dans ce nouveau schéma la roue est d’une hauteur égale à celle de la chute et donc adaptable à l’espace disponible.

*
Une des particularités de ce système est dans les aubes souples, tangentes au rotor, qui peuvent automatiquement créer un volume étanche avec le carter en demi-cercle.
Il s’agit alors d’une forme de turbine étanche.

*
Un meilleur rendement peut être obtenu avec une roue horizontale.
Par l’étanchéité de la turbine, la roue devient un moteur hydraulique.

[Eurole]

...
Un meilleur rendement peut être obtenu avec une roue horizontale.
Par l’étanchéité de la turbine, la roue devient un moteur hydraulique.

Le même principe appliqué à une roue horizontale est représenté dans le schéma ci-joint

[invite0324077b]

racine de 2 g h est la vitesse du jet d'eau libre : la ou toute la pression a été tranformé en vitesse : ca sera donc la vitesse a vide de la roue : la vitesse ou elle ne donne aucune puissance

plus la vitesse de la roue sera lente plus l'enrgie cinetique de l'eau sortante sera faible est plus l'energie potentielle recuperé par le principe volumetrique sera fort

la solution classique de ce genre de roue n'est pas des joint souple qui frottent mais tout simplement un tres grand nombre d'aubes : le coursier en beton est le mieux ajusté possible au passage des aubes : chaque aube ne voit que la pression totale divisé par le nombre d'aube remplie : ca fait une fuite relativement faible sans joint

[invite4f7a60b6]

la solution classique de ce genre de roue n'est pas des joint souple qui frottent mais tout simplement un très grand nombre d'aubes : le coursier en béton est le mieux ajusté possible au passage des aubes : chaque aube ne voit que la pression totale divisé par le nombre d'aube remplie : ça fait une fuite relativement faible sans joint

bonsoir
exact ,et j'approuve
cordialement

[Eurole]

Bonsoir.

Il reste un cas que je voudrais discuter pour ceux qui viendraient à l’avenir visiter ce site.
Ce cas a déjà été évoqué sans résultat.
C’est celui (rare sans doute) du propriétaire d’une petite rivière ou torrent sans chute d’eau.

Ce cas peut soulever des problèmes juridiques particuliers qu’il n’est pas question de traiter ici : j’ai été juriste, le droit de l’eau est des plus complexes, sans compter les associations de pêche et chasse.

*
Du point de vue mécanique, l’essentiel réside dans la vitesse du courant et sa section aménageable, la puissance d’un courant étant ½ S M V³.
Ainsi une rivière coulant à 1 m/s sur 10 m de large et 1 m de profond a une puissance théorique de 5000 w.
A 2 m/s la puissance est de 20 000 w.
A 3 m/s la puissance est de 135 000 w.
L’énergie récupérable par le système de ce courant est une autre histoire.

*
Le courant est une force horizontale, un système horizontal paraît évident, contrairement aux hydroliennes que l’on commence à voir pointer qui ne sont que des répliques d’éoliennes à hélices.

Je propose une hydrolienne horizontale flottante (sorte de ponton), à axe de rotation verticale, inspirée de la tour éolienne dont j’ai parlé dans un autre fil (« éolienne ou hydrolienne »).
La puissance de cette hydrolienne dépend principalement de la surface des pales qu’elle oppose au courant avec une force incomparablement supérieure à une éolienne, due à la masse de l’eau et son incompressibilité.

Grossièrement, avec un rendement escompté de 20 %, une pale de 1 m² dans un courant de 1 m/s peut produire une énergie de 50 watts. Il en faut 15 pour arriver à 1 cv.

[invite0324077b]

ta formule te permet de calculer l'energie cinetique de l'eau , mais ne donne pas l'energie utilisable

la vitesse d'une riviere horizontale est nulle : ce n'est pas une riviere mais un lac ( pas en pente donc coluche ne peut pas y faire du ski nautique )

dans une riviere a faible pente l'eau avance a la vitesse qu'elle peut : pour recuperer entierement l'energie cinetique il fautdrai la freiner jusqu'a zero : elle n'avancerais plus et on ne saurait plus quoi en faire

plus serieusement pour recuperer de la puissance utile , il faut modifier la riviere : remplacer le cours naturel a grande vitesse et en pente par un cours plus large plus lent a plus faible pente : bief pour faire plus loin une vraie chute : barrage

[invitee0b658bd]

bonjour,

Le courant est une force horizontale, un système horizontal paraît évident, contrairement aux hydroliennes que l’on commence à voir pointer qui ne sont que des répliques d’éoliennes à hélices.

comment alors expliquer le faible nombre de bateaux propulsés de la sorte ?
l'helice à quand même représenté un net progrés dans la propultion des bateaux.
dans le cas d'une chute, les problèmes sont quelques peu differents, mais dans le cas ou on cherche à prelever l'energie cinetique de la veine d'eau directement "in situ" la comparaison avec les techniques de propultion navale me semble pertinente.
fred

[cricri78]

Bonjour,
Ok à peu près avec chatelot16, sauf qu'il y a une autre solution que le barrage total, c'est le canal de dérivation qui prend une partie de l'eau en amont (moyennant donc en principe un seuil) pour la rejeter en aval.
Bref un aménagement type moulin quoi.

[cricri78]

dans le cas d'une chute, les problèmes sont quelques peu differents, mais dans le cas ou on cherche à prelever l'energie cinetique de la veine d'eau directement "in situ" la comparaison avec les techniques de propultion navale me semble pertinente.
fred

Tu ne peux pas "prélever" de l'énergie cinétique sans qu'il y ait un impact sur la hauteur d'eau comme l'a exprimé chatelot...
Donc, si hélice il y a, il y a aussi une différence de hauteur entre l'amont et l'aval de l'engin (et l'on ne peut évidemment pas récupérer toute l'énergie cinétique). Bref, c'est tout à fait similaire à une installation de turbine sur une petite chute et la différence s'exprime en hydraulique en disant que l'on a à faire à un écoulement noyé, ce qui change certaines conditions de calculs, des coeff, des pertes de charge......
C'est un peu le cas par exemple des groupes bulbes de l'usine de la Rance et sûrement d'un bon nombre d'aménagements dits de basses chutes...

[Zozo_MP]

Bonjour Cricri78

Pour continuer et terminer le petit HS :

Donc, si hélice il y a, il y a aussi une différence de hauteur entre l'amont et l'aval de l'engin (et l'on ne peut évidemment pas récupérer toute l'énergie cinétique).

Dans le cas d'une hydraulienne qui serait le cas le plus proche de l'hélice il n'y a pas pas de différences de hauteur. Evidemment cela nécessite nous sommes d'accord d'avoir un courant assez fort.


Cordialement

[cricri78]

Bonjour Zozo_mp
Un courant assez fort que tu ne trouveras pas à la profondeur nécessaire pour que la variation du niveau devienne négligeable (mais pas nulle, non !).

[invitee0b658bd]

bonjour,
la difference que j'y voie, c'est que dans un cas on utilise grosso modo la demonstration de betz, (on considere que la veine est libre) alors que dans l'autre il faut tenir compte du fait que la veine est contrainte
fred

[Zozo_MP]

Bonjour

Que c'est bien dis Fred!

Tu causes comme dans les livres.

Succinct mais efficace

Cordialement

[Eurole]

…
la vitesse d'une riviere horizontale est nulle : ce n'est pas une riviere mais un lac ( pas en pente donc coluche ne peut pas y faire du ski nautique )
…

Bonjour à tous.
Chatelot, il me semble avoir écrit « petite rivière ou torrent ».
Une rivière et un lac, ce n’est pas la même chose : c’est un cas historique de jurisprudence de savoir si le « lac » de Genève est un lac ou un fleuve.

J’ai adopté pour critère d’intérêt une vitesse minimum de courant de 1 m/s.
- En dessous de cette vitesse il y a la solution classique rappelée par Toi et Cricri du bief
http://fr.wikipedia.org/wiki/Bief
- En dessus -cas d’un torrent - celle du barrage pour canaliser le courant sur un large secteur d’énergie captable horizontalement en surface (analogie avec les courants de marée)

.

[Eurole]

ta formule te permet de calculer l'energie cinetique de l'eau , mais ne donne pas l'energie utilisable
...

Pas tout en même temps.
Le plus dur reste à venir !

Il faut d'abord franchir le cap de la tempête annoncée par Verdifre dans son premier message.

[invitee0b658bd]

bonjour,
on devrait normalement poser la conservation de la masse debit aval = debit amont
et quelques equations energetiques
entre autre, l'energie de la veinne d'eau aval = energie de la veine d'eau amont - energie prélevée

cela me semble un cadre confortable pour n"importe quelle théorie
fred

[invitee0b658bd]

bonsoir,
je vais quand même commencer par une ou deux implications pas vraiment droles de ces points de base
on peut appeller v1 la vitesse moyenne de la veine d'eau en amont
on peut appeller S1 la section de passage en amont
on peut utiliser les indices 2 pour ce qui se passe en aval


la conservation de la masse implique S1*V1 = S2*V2
si on préleve de l'energie cinetique V2 < V1
ce qui est possible que si S2 > S1
ceci n'est possible finalement qu'a une condition, c'est que le niveau aval augmente...... ou il faut reduire V1 et augmenter S1 pour garder S2 et V2...
les marges de manoeuvres ne sont pas enormes
fred

[Eurole]

…
Le courant est une force horizontale, un système horizontal paraît évident, contrairement aux hydroliennes que l’on commence à voir pointer qui ne sont que des répliques d’éoliennes à hélices.
…

bonjour,
comment alors expliquer le faible nombre de bateaux propulsés de la sorte ?
l'helice à quand même représenté un net progrés dans la propultion des bateaux.
dans le cas d'une chute, les problèmes sont quelques peu differents, mais dans le cas ou on cherche à prelever l'energie cinetique de la veine d'eau directement "in situ" la comparaison avec les techniques de propultion navale me semble pertinente.
fred

Bonjour Verdifre.
L’hélice est évidemment une invention merveilleuse (le système Voigt-Schneider aussi) dans laquelle je te rejoins avec mes petites notions de la géométrie d’Euclide.
Tu pourrais également citer les éoliennes et les hélices d’avions.

Je suis moins d’accord lorsque tu compares la technique des hydroliennes à la propulsion navale.
- Dans le cas d’une hydrolienne il y a impulsion d’énergie
- Dans le cas d’un bateau il y a propulsion.
Si tu laisses trainer l’hélice dans la mer pour faire de l’électricité, la pertinence de la comparaison devient moins claire.

Comparaison n’est pas raison.

*
Le problème soulevé pour les hydroliennes est analogue à celui des éoliennes à axe horizontal (hélices) et des éoliennes à axe vertical de types divers.

Ces avantages et inconvénient s retrouvent dans la formule de puissance d’un courant fluide ½ S M V³.
• La première source d’énergie du courant est dans sa masse
• La deuxième est dans sa surface
• La troisième est dans le cube de sa vitesse.

- L’avantage principal du courant éolien est dans sa vitesse, ce qui a privilégié les hélices au profit des autres systèmes trop lents. Mais cet avantage devient un inconvénient en cas de tempête, les hélices deviennent fragiles : là un système à rotation cycloïdale pourrait être plus efficace.
La masse de l’air est légère.
La surface possible balayée par une hélice est très limitée – un gros point - ce qui n’est pas le cas d’une rotation à axe vertical qui peut balayer une vraie surface à deux dimensions

- En matière de courant hydraulique le défaut est dans la vitesse.
La masse est multipliée par presque 1000 par rapport à l’air.
La surface peut être importante, dans l’hypothèse d’un courant sans chute et sans bief.

C’est ce courant sans chute et sans bief que j’appelle une force horizontale plane

[invitee0b658bd]

bonjour,

La surface possible balayée par une hélice est très limitée – un gros point - ce qui n’est pas le cas d’une rotation à axe vertical qui peut balayer une vraie surface à deux dimensions

remet tu en question que l'energie que l'on peut extraire depend du flux de fluide à travers cette surface (quelle que soit sa forme)?
si tu ne remet pas cela en cause, la conservation de la masse permet de prouver très facilement que le flux qui traverse une surface sécante à la veine est indépendant de la forme de cette surface. (Une surface perpendiculaire à la veine est la plus aisée pour le calcul)

Ces avantages et inconvénient s retrouvent dans la formule de puissance d’un courant fluide ½ S M V3.

1/2 rho S V^3 me semblerai plus approprié
rho étant la masse volumique

Si tu laisses trainer l’hélice dans la mer pour faire de l’électricité, la pertinence de la comparaison devient moins claire.

pourtant le problème est strictement symetrique, il n'y a que les orientations relatives et les signes qui changent (attention je n'ai pas dit qu'une hélice de bateau était adaptée dans le role d'une hydrolienne, il faut la concevoir d'une facon "symetrique", de plus les vitesses sont sans commune mesure, mais la theorie est la même)
fred

[invitee0b658bd]

re bonsoir,

C’est ce courant sans chute et sans bief que j’appelle une force horizontale plane

une force, c'est une surface que multiplie une pression dans ce que tu décrit. Cela tombe trés bien, on à justement le theorème de bernoulli qui relie la vitesse, la pression et la difference de hauteur
ce theoreme permet d'exprimer la conservation de l'energie dans une veine de fluide
tu as donc avec le theoreme de bernoulli , la conservation de la masse et des formules simples du type P = F*V tout ce qu'il faut pour commencer à estimer la puissance extractible de la rivière ainsi que les diverses conséquences sur les vitesses et les niveaux
fred

[Eurole]

bonjour,
remet tu en question que l'energie que l'on peut extraire depend du flux de fluide à travers cette surface (quelle que soit sa forme)?
si tu ne remet pas cela en cause, la conservation de la masse permet de prouver très facilement que le flux qui traverse une surface sécante à la veine est indépendant de la forme de cette surface. (Une surface perpendiculaire à la veine est la plus aisée pour le calcul)

1/2 rho S V^3 me semblerai plus approprié
rho étant la masse volumique
…
fred

Bonjour Fred.
Merci de ta collaboration.

Afin que ce fil ne s’égare pas, plusieurs précisions me paraissent nécessaires.

1. Je ne remets pas en question « que l'energie que l'on peut extraire depend du flux de fluide à travers cette surface (quelle que soit sa forme) ». Au contraire j’ai insisté sur ce point plusieurs fois, notamment par une boutade de sens commun: on ne peut extraire d’un courant plus d’énergie qu’il n’en contient.
La puissance du flux est une chose
La puissance récupérable en est une autre (nous aurons à parler de la limite de Betz formulée dans le domaine éolien. Est-elle applicable telle quelle à un flux hydraulique ?)
La puissance récupérée en est une autre et varie avec chaque système.

2. 1/2 rho S V^3 est la formule de la puissance du flux qui « traverse » une surface S
Rho est la lettre grecque qui désigne conventionnellement la masse volumique du fluide.
A ce sujet je voudrais dire que dans ce forum j’ai été mis à l’index pour avoir employé du grec.

3. Dans ce fil concernant les petites centrales hydrauliques, trois situations ont été évoquées
- Chute d’eau et roue verticale, situation que l’on peut assimilée à un flux s’écoulant dans un tube fermé
- Chute d’eau et roue horizontale : même situation pour le flux
- Nappe horizontale sans chute : la situation est différente.

Pour la clarté de la suite, il serait bon de choisir une situation précise dans son contexte réel ; tu sembles te placer dans la première hypothèse, un dessin serait utile.

[Eurole]

re bonsoir,

une force, c'est une surface que multiplie une pression dans ce que tu décrit. Cela tombe trés bien, on à justement le theorème de bernoulli qui relie la vitesse, la pression et la difference de hauteur
ce theoreme permet d'exprimer la conservation de l'energie dans une veine de fluide
tu as donc avec le theoreme de bernoulli , la conservation de la masse et des formules simples du type P = F*V tout ce qu'il faut pour commencer à estimer la puissance extractible de la rivière ainsi que les diverses conséquences sur les vitesses et les niveaux
fred

Nous en reparlerons quand le contexte aura été précisé

.

[invitee0b658bd]

bonjour,

3. Dans ce fil concernant les petites centrales hydrauliques, trois situations ont été évoquées
- Chute d’eau et roue verticale, situation que l’on peut assimilée à un flux s’écoulant dans un tube fermé
- Chute d’eau et roue horizontale : même situation pour le flux
- Nappe horizontale sans chute : la situation est différente.

pour moi, pour qu'il y ait débit , donc vitesse, il faut qu'il y ait une pente, elle peut etre faible, mais elle ne doit pas être nulle

fred