Conception de roue hydraulique pour l'énergie hydraulique
icône de l'énergie hydrauliqueL'énergie hydraulique est une technologie qui convertit l'énergie cinétique de l'eau en mouvement en énergie mécanique ou électrique, et l'un des premiers dispositifs utilisés pour convertir l'énergie de l'eau en mouvement en travail utilisable était la conception de la roue hydraulique.
La conception des roues à eau a évolué au fil du temps, certaines étant orientées verticalement, d'autres horizontalement et d'autres encore avec des poulies et des engrenages élaborés, mais elles sont toutes conçues pour remplir la même fonction, à savoir « convertir le mouvement linéaire de l'eau en mouvement en un mouvement rotatif qui peut être utilisé pour entraîner n'importe quelle machine qui y est connectée via un arbre rotatif ».
Conception typique d'une roue à eau
Les premières conceptions de roues à eau étaient des machines assez primitives et simples constituées d'une roue en bois verticale avec des lames ou des godets en bois fixés uniformément sur leur circonférence, le tout supporté sur un arbre horizontal avec la force de l'eau qui coule en dessous poussant la roue dans une direction tangentielle contre les lames.
Ces roues hydrauliques verticales étaient largement supérieures aux roues hydrauliques horizontales des Grecs et des Égyptiens de l'Antiquité, car elles fonctionnaient plus efficacement en convertissant l'impulsion de l'eau en mouvement en énergie. Des poulies et des engrenages étaient alors fixés à la roue hydraulique, ce qui permettait de changer le sens de rotation de l'arbre de l'horizontale à la verticale afin d'actionner les meules, de scier le bois, de concasser le minerai, d'estamper et de couper, etc.
Types de conception de roues hydrauliques
La plupart des roues hydrauliques, aussi appelées moulins à eau ou simplement roues à eau, sont des roues montées verticalement et tournant autour d'un axe horizontal. Ces types de roues hydrauliques sont classés selon la façon dont l'eau est appliquée à la roue, par rapport à son axe. Comme on peut s'y attendre, les roues hydrauliques sont des machines relativement grandes, tournant à faible vitesse angulaire et peu efficaces, en raison des pertes par frottement et du remplissage incomplet des augets, etc.
L'action de l'eau poussant sur les aubes ou les palettes de la roue crée un couple sur l'essieu. En dirigeant l'eau vers ces aubes et palettes depuis différents points de la roue, la vitesse de rotation et le rendement peuvent être améliorés. Les deux types de roues hydrauliques les plus courants sont la « roue hydraulique inférieure » et la « roue hydraulique supérieure ».
Conception de roue à aubes en contrebas
La conception de la roue à eau en contrebas, également connue sous le nom de « roue à eau », était le type de roue à eau le plus couramment utilisé, conçu par les Grecs et les Romains de l'Antiquité, car c'est le type de roue le plus simple, le moins cher et le plus facile à construire.
Dans ce type de roue hydraulique, la roue est simplement placée directement dans une rivière à courant rapide et soutenue par le dessus. Le mouvement de l'eau en dessous exerce une poussée sur les pales immergées situées sur la partie inférieure de la roue, lui permettant de tourner dans un seul sens par rapport au sens d'écoulement de l'eau.
Ce type de roue hydraulique est généralement utilisé sur les terrains plats sans pente naturelle ou lorsque l'eau s'écoule rapidement. Comparé aux autres modèles de roue hydraulique, ce type de conception est très inefficace : seulement 20 % de l'énergie potentielle de l'eau est utilisée pour faire tourner la roue. De plus, l'énergie de l'eau n'est utilisée qu'une seule fois pour faire tourner la roue, après quoi elle s'écoule avec le reste de l'eau.
Un autre inconvénient de la roue à aubes inférieure est qu'elle nécessite de grandes quantités d'eau en mouvement rapide. Par conséquent, les roues à aubes inférieures sont généralement situées sur les rives des rivières, car les petits ruisseaux ne disposent pas d'une énergie potentielle suffisante dans l'eau en mouvement.
Une façon d'améliorer légèrement l'efficacité d'une roue à aubes à aubes inférieures consiste à détourner une partie de l'eau de la rivière le long d'un canal étroit, de sorte que la totalité de l'eau détournée serve à faire tourner la roue. Pour ce faire, la roue à aubes inférieures doit être étroite et parfaitement ajustée au canal afin d'empêcher l'eau de s'échapper par les côtés, ou en augmentant le nombre ou la taille des aubes.
Conception de roue hydraulique à débordement
La roue à aubes à aubes surélevées est la plus courante. Sa construction et sa conception sont plus complexes que celles de la roue à aubes inférieure, car elle utilise des seaux ou de petits compartiments pour capter et retenir l'eau.
Ces seaux se remplissent d'eau qui s'écoule au sommet de la roue. Le poids gravitationnel de l'eau dans les seaux pleins fait tourner la roue autour de son axe central tandis que les seaux vides situés de l'autre côté s'allègent.
Ce type de roue hydraulique utilise la gravité pour améliorer le rendement, ainsi que l'eau elle-même. Les roues hydrauliques à surplomb sont donc beaucoup plus efficaces que les roues à surplomb, car la quasi-totalité de l'eau et de son poids est utilisée pour produire de l'énergie. Cependant, comme auparavant, l'énergie de l'eau n'est utilisée qu'une seule fois pour faire tourner la roue, après quoi elle s'écoule avec le reste de l'eau.
Les roues hydrauliques à aubes sont suspendues au-dessus d'une rivière ou d'un ruisseau et sont généralement construites à flanc de colline. Elles assurent un approvisionnement en eau par le haut, avec une faible hauteur de chute (distance verticale entre l'eau au sommet et la rivière ou le ruisseau en contrebas) comprise entre 5 et 20 mètres. Un petit barrage ou déversoir peut être construit pour canaliser et augmenter la vitesse de l'eau jusqu'au sommet de la roue, lui conférant ainsi davantage d'énergie. Cependant, c'est le volume d'eau plutôt que sa vitesse qui permet la rotation de la roue.
En général, les roues à aubes à débordement sont construites aussi grandes que possible afin de maximiser la hauteur de chute et de permettre au poids gravitationnel de l'eau de faire tourner la roue. Cependant, les roues à aubes de grand diamètre sont plus complexes et coûteuses à construire en raison du poids de la roue et de l'eau.
Lorsque les auges sont remplies d'eau, le poids gravitationnel de l'eau fait tourner la roue dans le sens de l'écoulement. À mesure que l'angle de rotation se rapproche du bas de la roue, l'eau contenue dans la auge se déverse dans la rivière ou le ruisseau en contrebas, mais le poids des auges en rotation derrière elle maintient la roue à sa vitesse de rotation. La auge vide continue de tourner autour de la roue jusqu'à ce qu'elle remonte à la surface, prête à être remplie d'eau, et le cycle recommence. L'un des inconvénients d'une roue à auges à débordement est que l'eau n'est utilisée qu'une seule fois lorsqu'elle passe sur la roue.
La conception de la roue hydraulique à contre-courant
La roue à aubes à contre-courant est une variante de la roue à aubes à contre-courant précédente. Elle utilise le poids gravitationnel de l'eau pour faire tourner la roue, mais aussi le flux des eaux usées en dessous pour lui donner une poussée supplémentaire. Ce type de roue utilise un système d'alimentation à faible hauteur de chute qui alimente la roue en eau depuis une auge située au-dessus.
Contrairement à la roue à aubes à débordement qui canalisait l'eau directement sur la roue, la faisant tourner dans le sens de l'écoulement de l'eau, la roue à aubes à basculement alimente l'eau verticalement vers le bas à travers un entonnoir et dans le seau en dessous, ce qui fait tourner la roue dans le sens opposé à l'écoulement de l'eau au-dessus.
Tout comme la roue à aubes précédente, le poids gravitationnel de l'eau dans les augets entraîne la roue en rotation, mais dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. À mesure que l'angle de rotation se rapproche du bas de la roue, l'eau emprisonnée dans les augets se vide en dessous. Une fois le seau vide fixé à la roue, il continue de tourner avec la roue jusqu'à ce qu'il remonte à la surface, prêt à être rempli d'eau, et le cycle recommence.
La différence cette fois-ci réside dans le fait que les eaux usées vidées du godet rotatif s'écoulent en direction de la roue en rotation (car elles n'ont nulle part où aller), comme pour la roue à aubes à contre-courant. Le principal avantage de la roue à aubes à contre-courant est donc qu'elle utilise l'énergie de l'eau deux fois, une fois par le haut et une fois par le bas, pour faire tourner la roue autour de son axe central.
Le rendement de la roue hydraulique est ainsi considérablement accru, atteignant plus de 80 % de l'énergie de l'eau, car elle est alimentée à la fois par la gravité de l'eau entrante et par la force ou la pression de l'eau dirigée vers les augets par le haut, ainsi que par le flux des eaux usées en dessous, poussant contre les augets. L'inconvénient d'une roue hydraulique à contre-pont réside dans la nécessité d'un système d'alimentation en eau légèrement plus complexe, directement au-dessus de la roue, avec des goulottes et des auges.
La conception de la roue à eau Breastshot
La roue à aubes à montage vertical est un autre système de roue à aubes à montage vertical : l'eau pénètre dans les aubes à mi-hauteur de l'essieu, ou juste au-dessus, puis s'écoule par le bas dans le sens de rotation des roues. Généralement, la roue à aubes à montage vertical est utilisée lorsque la hauteur d'eau est insuffisante pour alimenter une roue à aubes à montage vertical ou à basculement par le haut.
L'inconvénient ici est que le poids gravitationnel de l'eau n'est utilisé que sur environ un quart de la rotation, contrairement à la moitié auparavant. Pour pallier cette faible hauteur de chute, les augets des roues hydrauliques sont élargis afin d'extraire l'énergie potentielle nécessaire de l'eau.
Les roues à aubes à aubes utilisent à peu près le même poids gravitationnel de l'eau pour faire tourner la roue, mais comme la hauteur de chute de l'eau est environ la moitié de celle d'une roue à aubes à aubes standard, les aubes sont beaucoup plus larges que les modèles précédents afin d'augmenter le volume d'eau recueilli. L'inconvénient de ce type de conception est l'augmentation de la largeur et du poids de l'eau transportée par chaque aube. Comme pour la conception à aubes inclinées, la roue à aubes utilise deux fois l'énergie de l'eau, car elle est conçue pour rester dans l'eau, permettant aux eaux usées de contribuer à la rotation de la roue lorsqu'elles s'écoulent en aval.
Produire de l'électricité à l'aide d'une roue hydraulique
Historiquement, les roues hydrauliques ont été utilisées pour moudre la farine, les céréales et d'autres tâches mécaniques similaires. Mais elles peuvent également servir à produire de l'électricité, ce qu'on appelle un système hydroélectrique. En connectant un générateur électrique à l'arbre de rotation de la roue hydraulique, directement ou indirectement à l'aide de courroies et de poulies, les roues hydrauliques peuvent produire de l'électricité en continu 24 heures sur 24, contrairement à l'énergie solaire. Si la roue hydraulique est correctement conçue, une petite ou « micro » installation hydroélectrique peut produire suffisamment d'électricité pour alimenter l'éclairage et/ou les appareils électriques d'une maison moyenne.
Recherchez des générateurs à roue hydraulique conçus pour produire un rendement optimal à des vitesses relativement faibles. Pour les petits projets, un petit moteur à courant continu ou un alternateur automobile peuvent être utilisés comme générateur à basse vitesse, mais ces derniers sont conçus pour fonctionner à des vitesses beaucoup plus élevées, nécessitant donc un engrenage. Une éolienne est idéale comme générateur à roue hydraulique, car elle est conçue pour un fonctionnement à basse vitesse et à haut rendement.
Si vous disposez d'une rivière ou d'un ruisseau au débit assez rapide près de chez vous ou de votre jardin, une petite centrale hydroélectrique peut constituer une meilleure alternative aux autres sources d'énergie renouvelables comme l'éolien ou le solaire, car son impact visuel est bien moindre. De plus, comme pour l'éolien et le solaire, avec une petite centrale hydraulique connectée au réseau électrique local, l'électricité produite et non consommée peut être revendue à la compagnie d'électricité.
Dans le prochain tutoriel sur l'énergie hydraulique, nous examinerons les différents types de turbines disponibles que nous pourrions intégrer à notre conception de roue hydraulique pour la production d'énergie hydraulique. Pour plus d'informations sur la conception de roues hydrauliques et la façon de produire votre propre électricité grâce à la force de l'eau, pour en savoir plus sur les différents modèles de roues hydrauliques disponibles ou pour explorer les avantages et les inconvénients de l'énergie hydraulique, cliquez ici pour commander dès aujourd'hui sur Amazon votre exemplaire concernant les principes et la construction des roues hydrauliques pour la production d'électricité.
Date de publication : 25 juin 2021
