Conception de roues hydrauliques pour l'énergie hydroélectrique
L'énergie hydroélectrique 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 roue à eau.
La conception des roues hydrauliques a évolué au fil du temps : certaines sont orientées verticalement, d’autres horizontalement, et d’autres encore sont équipées de poulies et d’engrenages complexes. Cependant, elles sont toutes conçues pour remplir la même fonction, à savoir : « convertir le mouvement linéaire de l’eau en mouvement en un mouvement rotatif pouvant être utilisé pour actionner n’importe quelle machine qui y est reliée par un arbre rotatif ».
Conception typique de roue à eau
Les premières roues à eau étaient des machines assez primitives et simples, composées d'une roue verticale en bois avec des pales ou des godets en bois fixés uniformément sur leur circonférence, le tout supporté par un axe horizontal, la force de l'eau s'écoulant en dessous poussant la roue tangentiellement contre les pales.
Ces roues à eau verticales étaient nettement supérieures aux roues à eau horizontales conçues par les anciens Grecs et Égyptiens, car elles fonctionnaient plus efficacement en convertissant l'énergie cinétique de l'eau en force motrice. Des poulies et des engrenages étaient ensuite fixés à la roue, permettant ainsi de faire pivoter l'arbre de rotation d'horizontal à vertical afin d'actionner des meules, scier du bois, concasser du minerai, piler, découper, 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 verticales tournant autour d'un axe horizontal. Ces types de roues sont classés selon la manière 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 volumineuses qui tournent à faible vitesse angulaire et ont un faible rendement, en raison des pertes par frottement et du remplissage incomplet des godets, etc.
L'action de l'eau poussant contre les aubes ou les pales de la roue développe un couple sur l'axe. En dirigeant l'eau vers ces aubes et pales depuis différents points de la roue, on peut améliorer la vitesse de rotation et son rendement. Les deux types de roues hydrauliques les plus courants sont la roue à aubes par le bas et la roue à aubes par le haut.
Conception de roue à aubes sous-marines
La roue à aubes par le bas, également connue sous le nom de « roue de ruisseau », était le type de roue à aubes le plus couramment utilisé par les anciens Grecs et Romains, car c'est le type de roue le plus simple, le moins cher et le plus facile à construire.
Dans ce type de roue à aubes, la roue est simplement placée directement dans une rivière à courant rapide et soutenue par le haut. Le mouvement de l'eau en dessous exerce une force de poussée sur les aubes immergées de la partie inférieure de la roue, lui permettant de tourner dans un seul sens par rapport à celui du courant.
Ce type de roue à eau est généralement utilisé dans les zones plates, sans pente naturelle, ou lorsque le courant est suffisamment rapide. Comparé aux autres modèles, il est très peu efficace : à peine 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, avant d’être dissipée avec le reste du cours d’eau.
Un autre inconvénient de la roue à aubes par le bas est qu'elle nécessite d'importants débits d'eau. C'est pourquoi on la trouve généralement sur les berges des rivières, les petits cours d'eau ne présentant pas une énergie potentielle suffisante.
Une méthode pour améliorer légèrement le rendement d'une roue à aubes par le bas consiste à détourner une partie du débit de la rivière par un canal étroit, de sorte que la totalité de l'eau détournée soit utilisée pour faire tourner la roue. Pour ce faire, la roue doit être étroite et s'insérer parfaitement dans le canal afin d'empêcher les fuites latérales, ou bien on peut augmenter le nombre ou la taille des aubes.
Conception de roue à aubes à trop-plein
La roue à aubes par-dessus bord est le type de roue à aubes le plus courant. Sa construction et sa conception sont plus complexes que celles de la roue à aubes par-dessous, car elle utilise des godets ou de petits compartiments pour capter et retenir l'eau.
Ces godets se remplissent d'eau provenant du haut de la roue. Le poids de l'eau dans les godets pleins entraîne la rotation de la roue autour de son axe central, tandis que les godets vides situés de l'autre côté de la roue s'allègent.
Ce type de roue à eau utilise la gravité et l'eau elle-même pour optimiser son rendement. Ainsi, les roues à aubes par le haut sont bien plus efficaces que les roues à aubes par le bas, car la quasi-totalité de l'eau et son poids sont mis à profit pour produire de l'énergie. Cependant, comme précédemment, 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 à aubes par injection d'eau sont suspendues au-dessus d'une rivière ou d'un ruisseau et sont généralement construites à flanc de colline. Elles bénéficient d'une alimentation en eau par le haut avec une faible hauteur de chute (la distance verticale entre l'eau en amont et le cours d'eau en aval) de 5 à 20 mètres. Un petit barrage ou déversoir peut être construit pour canaliser l'eau et augmenter sa vitesse jusqu'au sommet de la roue, lui fournissant ainsi plus d'énergie. Cependant, c'est le volume d'eau, et non sa vitesse, qui permet la rotation de la roue.
En général, les roues à aubes à effet de levier sont construites aussi grandes que possible afin d'obtenir une hauteur de chute maximale permettant à la gravité de l'eau de faire tourner la roue. Cependant, les roues à aubes de grand diamètre sont plus complexes et plus coûteuses à construire en raison du poids de la roue et de l'eau.
Lorsque les godets sont remplis d'eau, le poids de l'eau entraîne la rotation de la roue dans le sens du courant. À mesure que l'angle de rotation se rapproche du bas de la roue, l'eau contenue dans le godet se vide dans la rivière ou le ruisseau en contrebas, mais le poids des godets qui tournent derrière lui maintient la roue en rotation. Le godet vide poursuit son parcours autour de la roue jusqu'à remonter en haut, prêt à être rempli à nouveau, et le cycle recommence. Un des inconvénients de ce type de roue à aubes est que l'eau n'est utilisée qu'une seule fois, puisqu'elle s'écoule par-dessus la roue.
Conception de la roue à aubes inclinées
La roue à aubes à contrepoids est une variante de la roue à aubes à effet de levier. Elle utilise la gravité pour faire tourner la roue, mais aussi le courant des eaux usées en aval pour une impulsion supplémentaire. Ce type de roue est équipé d'un système d'alimentation à faible chute, qui fournit l'eau près du sommet de la roue depuis une auge située en hauteur.
Contrairement à la roue à aubes à effet de levier qui canalise l'eau directement au-dessus de la roue, la faisant tourner dans le sens du courant, la roue à aubes à inclinaison inversée alimente l'eau verticalement vers le bas à travers un entonnoir et dans le godet situé en dessous, ce qui fait tourner la roue dans le sens inverse du courant de l'eau au-dessus.
Tout comme la roue à aubes à effet de levier précédente, le poids de l'eau contenue dans les godets entraîne la rotation de la roue, mais dans le sens antihoraire. Lorsque l'angle de rotation approche du bas de la roue, l'eau emprisonnée dans les godets se vide par le bas. Le godet vide, fixé à la roue, continue de tourner avec elle jusqu'à remonter en haut, prêt à être rempli à nouveau, et le cycle recommence.
La différence, cette fois-ci, réside dans le fait que les eaux usées vidées du godet rotatif s'écoulent dans le sens de rotation de la roue (puisqu'elles n'ont nulle part où aller), selon le principe de la roue à aubes par le bas. Ainsi, le principal avantage de la roue à aubes à inclinaison inversée est 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.
Il en résulte que le rendement de la roue à eau est considérablement accru, dépassant les 80 % d'énergie hydraulique. En effet, elle est entraînée à la fois par le poids de l'eau entrante, par la force ou la pression de l'eau dirigée vers les augets depuis le haut, et par le flux des eaux usées en aval qui exerce une pression sur les augets. L'inconvénient d'une roue à eau à aubes inclinées réside toutefois dans la complexité accrue du système d'alimentation en eau situé directement au-dessus de la roue, avec des goulottes et des auges inclinées.
Conception de la roue à aubes Breastshot
La roue à aubes à aubes verticales est un autre type de roue à aubes à montage vertical. L'eau pénètre dans les aubes à mi-hauteur de l'axe, ou juste au-dessus, puis s'écoule par le bas dans le sens de rotation des roues. Ce type de roue est généralement utilisé lorsque la hauteur d'eau est insuffisante pour actionner une roue à aubes à aubes horizontales ou verticales.
L'inconvénient est que le poids gravitationnel de l'eau n'est exploité que pendant environ un quart de la rotation, contre la moitié auparavant. Pour compenser cette faible hauteur de chute, les aubes des roues hydrauliques sont élargies afin d'extraire l'énergie potentielle nécessaire de l'eau.
Les roues à aubes à effet de levier utilisent la même force gravitationnelle que celle de l'eau pour faire tourner la roue. Cependant, la hauteur de chute étant environ deux fois moindre que celle d'une roue à aubes à effet de levier classique, les aubes sont beaucoup plus larges que sur les modèles précédents, ce qui augmente le volume d'eau capté. L'inconvénient de ce type de conception réside dans l'augmentation de la largeur et du poids de l'eau transportée par chaque aube. À l'instar des roues à aubes à effet de levier inversé, la roue à aubes à effet de levier utilise l'énergie de l'eau deux fois, car elle est conçue pour être immergée, permettant ainsi aux eaux usées de contribuer à sa rotation en s'écoulant vers l'aval.
Produire de l'électricité à l'aide d'une roue à eau
Historiquement, les roues à eau ont été utilisées pour moudre la farine, les céréales et pour d'autres tâches mécaniques similaires. Mais elles peuvent également servir à produire de l'électricité, grâce à un système hydroélectrique. En reliant un générateur électrique à l'arbre rotatif de la roue, directement ou indirectement par des courroies et des poulies, on peut obtenir une production d'électricité continue, 24 heures sur 24, contrairement à l'énergie solaire. Correctement conçue, une petite centrale hydroélectrique, voire une microcentrale, peut produire suffisamment d'électricité pour alimenter l'éclairage et/ou les appareils électroménagers d'une maison moyenne.
Recherchez les générateurs à roue hydraulique conçus pour produire un rendement optimal à des vitesses relativement basses. Pour les petits projets, un petit moteur à courant continu ou un alternateur automobile peuvent servir de générateur à basse vitesse, mais ces derniers sont conçus pour fonctionner à des vitesses beaucoup plus élevées ; un système d'engrenages peut donc s'avérer nécessaire. Une éolienne constitue un générateur à roue hydraulique idéal, car elle est conçue pour un fonctionnement à basse vitesse et un rendement élevé.
Si une rivière ou un ruisseau au courant assez rapide se trouve à proximité de votre maison ou de votre jardin et que vous pouvez l'exploiter, une petite centrale hydroélectrique peut constituer une meilleure alternative à d'autres sources d'énergie renouvelables comme l'énergie éolienne ou solaire, car son impact visuel est bien moindre. De plus, à l'instar des énergies éolienne et solaire, grâce à un système de production d'électricité à petite échelle, alimenté par une roue à eau et raccordé au réseau électrique local, l'électricité produite mais non consommée peut être revendue au fournisseur d'électricité.
Dans le prochain tutoriel sur l'énergie hydroélectrique, nous examinerons les différents types de turbines disponibles que nous pourrions adapter à notre roue à aubes pour la production d'électricité. Pour plus d'informations sur la conception des roues à aubes et la production d'électricité à partir de la force de l'eau, ou pour obtenir davantage d'informations sur l'énergie hydroélectrique et les différents modèles de roues à aubes disponibles, ou encore pour explorer les avantages et les inconvénients de cette énergie, cliquez ici pour commander dès aujourd'hui votre exemplaire sur Amazon concernant les principes et la construction des roues à aubes utilisées pour la production d'électricité.
Date de publication : 25 juin 2021
