Conception de roues hydrauliques pour l'énergie hydroélectrique
icône de l'énergie hydroélectriqueL'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 conception de la roue hydraulique.
La conception des roues hydrauliques a évolué au fil du temps avec certaines roues hydrauliques orientées verticalement, certaines horizontalement et d'autres avec des poulies et des engrenages élaborés, mais elles sont toutes conçues pour remplir la même fonction et c'est aussi "convertir le mouvement linéaire de l'eau en mouvement en un mouvement rotatif qui peut être utilisé pour entraîner toute pièce de machinerie qui lui est reliée via un arbre tournant ».
Conception typique de la roue hydraulique
Les premières conceptions de roues hydrauliques étaient des machines assez primitives et simples composées d'une roue verticale en bois avec des lames ou des seaux en bois fixés également autour de leur circonférence, tous soutenus 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 à la conception antérieure des roues hydrauliques horizontales des anciens Grecs et Égyptiens, car elles pouvaient fonctionner plus efficacement en traduisant l'élan de l'eau en mouvement en puissance.Des poulies et des engrenages étaient ensuite attachés à la roue hydraulique, ce qui permettait de changer le sens d'un arbre rotatif de l'horizontale à la verticale afin de faire fonctionner les meules, scier le bois, écraser le minerai, emboutir et couper, etc.
Types de conception de roue à eau
La plupart des roues hydrauliques, également connues sous le nom de moulins à eau ou simplement de roues hydrauliques, sont des roues montées verticalement tournant autour d'un axe horizontal, et ces types de roues hydrauliques sont classés en fonction de la manière dont l'eau est appliquée à la roue, par rapport à l'axe de la roue.Comme on peut s'y attendre, les norias sont des machines relativement grosses qui tournent à de faibles vitesses angulaires, et ont un faible rendement, du fait des pertes par frottement et du remplissage incomplet des augets, etc.
L'action de l'eau poussant contre les aubes ou les palettes des roues développe un couple sur l'essieu mais en dirigeant l'eau vers ces aubes et ces aubes depuis différentes positions sur la roue, la vitesse de rotation et son efficacité peuvent être améliorées.Les deux types les plus courants de conception de roue hydraulique sont la «roue hydraulique inférieure» et la «roue hydraulique dépassée».
Conception de la roue à eau Undershot
La conception de la roue à eau Undershot, également connue sous le nom de «roue à courant», était le type de roue à eau le plus couramment utilisé conçu 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 conception de roue hydraulique, la roue est simplement placée directement dans une rivière à débit rapide et soutenue par le haut.Le mouvement de l'eau en dessous crée une action de poussée contre les palettes immergées 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 conception de roue hydraulique est généralement utilisé dans les zones plates sans pente naturelle du terrain ou lorsque le débit d'eau se déplace suffisamment rapidement.Comparé aux autres conceptions de roues hydrauliques, ce type de conception est très inefficace, avec aussi peu que 20% de l'énergie potentielle de l'eau 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 se déplaçant à grande vitesse.Par conséquent, les roues hydrauliques inférieures sont généralement situées sur les rives des rivières, car les petits ruisseaux ou ruisseaux n'ont pas assez d'énergie potentielle dans l'eau en mouvement.
Une façon d'améliorer légèrement l'efficacité d'une roue hydraulique en dessous consiste à détourner un pourcentage de l'eau de la rivière le long d'un canal ou d'un conduit étroit afin que 100% de l'eau détournée soit utilisée pour faire tourner la roue.Pour ce faire, la roue inférieure doit être étroite et s'adapter très précisément dans le canal pour empêcher l'eau de s'échapper sur les côtés ou en augmentant le nombre ou la taille des palettes.
Conception de roue hydraulique dépassée
La conception de roue hydraulique Overshot est le type le plus courant de conception de roue hydraulique.La roue hydraulique dépassée est plus compliquée dans sa construction et sa conception que la roue hydraulique inférieure précédente car elle utilise des seaux ou de petits compartiments pour attraper et retenir l'eau.
Ces seaux se remplissent d'eau qui s'écoule par le haut de la roue.Le poids gravitationnel de l'eau dans les seaux pleins fait tourner la roue autour de son axe central à mesure que les seaux vides de l'autre côté de la roue deviennent plus légers.
Ce type de roue hydraulique utilise la gravité pour améliorer le rendement ainsi que l'eau elle-même, ainsi les roues hydrauliques dépassées sont beaucoup plus efficaces que les conceptions inférieures car presque toute l'eau et son poids sont utilisés pour produire de la puissance de sortie.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 dépassées sont suspendues au-dessus d'une rivière ou d'un ruisseau et sont généralement construites sur les flancs de collines fournissant un approvisionnement en eau par le haut avec une faible chute (la distance verticale entre l'eau en haut et la rivière ou le ruisseau en dessous) comprise entre 5 et -20 mètres.Un petit barrage ou déversoir peut être construit et utilisé à la fois pour canaliser et augmenter la vitesse de l'eau vers le haut de la roue en lui donnant plus d'énergie, mais c'est le volume d'eau plutôt que sa vitesse qui aide à faire tourner la roue.
Généralement, les roues hydrauliques dépassées sont construites aussi grandes que possible pour donner la plus grande distance de tête possible pour que le poids gravitationnel de l'eau fasse tourner la roue.Cependant, les roues hydrauliques de grand diamètre sont plus compliquées et coûteuses à construire en raison du poids de la roue et de l'eau.
Lorsque les seaux individuels sont remplis d'eau, le poids gravitationnel de l'eau fait tourner la roue dans le sens de l'écoulement de l'eau.Au fur et à mesure que l'angle de rotation se rapproche du bas de la roue, l'eau à l'intérieur du seau se vide dans la rivière ou le ruisseau en dessous, mais le poids des seaux tournant derrière lui fait que la roue continue à sa vitesse de rotation.Le seau vide continue autour de la roue en rotation jusqu'à ce qu'il remonte à nouveau vers le haut prêt à être rempli avec plus d'eau et le cycle se répète.L'un des inconvénients d'une conception de roue hydraulique dépassée est que l'eau n'est utilisée qu'une seule fois lorsqu'elle s'écoule sur la roue.
La conception de la roue hydraulique Pitchback
La conception de la roue hydraulique Pitchback est une variante de la roue hydraulique dépassée précédente car elle utilise également le poids gravitationnel de l'eau pour aider à faire tourner la roue, mais elle utilise également le flux des eaux usées en dessous pour donner une poussée supplémentaire.Ce type de conception de roue hydraulique utilise un système d'alimentation à faible hauteur qui fournit l'eau près du sommet de la roue à partir d'un pentrough au-dessus.
Contrairement à la roue hydraulique dépassée qui a canalisé l'eau directement au-dessus de la roue, la faisant tourner dans le sens de l'écoulement de l'eau, la roue hydraulique à tangage alimente l'eau verticalement vers le bas à travers un entonnoir et dans le seau en dessous, faisant tourner la roue dans le sens opposé direction de l'écoulement de l'eau au-dessus.
Tout comme la roue hydraulique dépassée précédente, le poids gravitationnel de l'eau dans les seaux fait tourner la roue mais dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.Lorsque l'angle de rotation se rapproche du bas de la roue, l'eau emprisonnée à l'intérieur des seaux se vide en dessous.Lorsque le seau vide est attaché à la roue, il continue de tourner avec la roue comme auparavant jusqu'à ce qu'il remonte à nouveau vers le haut prêt à être rempli avec plus d'eau et le cycle se répète.
La différence cette fois est que l'eau usée vidée du seau rotatif s'écoule dans la direction de la roue rotative (car elle n'a nulle part où aller), similaire au principe de la roue hydraulique inférieure.Ainsi, le principal avantage de la roue hydraulique pitchback 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.
Le résultat est que l'efficacité de la conception de la roue hydraulique est considérablement augmentée à plus de 80% de l'énergie de l'eau car elle est entraînée à la fois par le poids gravitationnel de l'eau entrante et par la force ou la pression de l'eau dirigée dans les seaux par le haut, comme ainsi que l'écoulement des eaux usées ci-dessous poussant contre les seaux.L'inconvénient d'une roue à aubes à tangage est qu'elle nécessite un agencement d'alimentation en eau légèrement plus complexe directement au-dessus de la roue avec des goulottes et des pentroughs.
La conception de la roue hydraulique du sein
La conception de la roue à eau Breastshot est une autre conception de roue à eau montée verticalement où l'eau pénètre dans les seaux 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 hydraulique de poitrine est utilisée dans des situations où la hauteur d'eau est insuffisante pour alimenter une conception de roue hydraulique dépassée ou en tangage par le haut.
L'inconvénient ici est que le poids gravitationnel de l'eau n'est utilisé que pendant environ un quart de la rotation contrairement à ce qui était le cas auparavant pour la moitié de la rotation.Pour surmonter cette faible hauteur de tête, les godets des roues hydrauliques sont élargis pour extraire la quantité requise d'énergie potentielle de l'eau.
Les roues hydrauliques de poitrine utilisent à peu près le même poids gravitationnel de l'eau pour faire tourner la roue, mais comme la hauteur de la tête de l'eau est d'environ la moitié de celle d'une roue hydraulique dépassée typique, les seaux sont beaucoup plus larges que les modèles de roue hydraulique précédents pour augmenter le volume de l'eau pris dans les seaux.L'inconvénient de ce type de conception est une augmentation de la largeur et du poids de l'eau transportée par chaque seau.Comme pour la conception de pitchback, la roue de poitrine utilise l'énergie de l'eau deux fois car la roue hydraulique est conçue pour s'asseoir dans l'eau, permettant aux eaux usées d'aider à la rotation de la roue lorsqu'elle s'écoule 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 les roues hydrauliques peuvent également être utilisées pour la production d'électricité, appelée système hydroélectrique.En connectant un générateur électrique à l'arbre rotatif des roues hydrauliques, directement ou indirectement à l'aide de courroies d'entraînement et de poulies, les roues hydrauliques peuvent être utilisées pour générer de l'énergie en continu 24 heures sur 24, contrairement à l'énergie solaire.Si la roue hydraulique est conçue correctement, un petit ou « micro » système hydroélectrique peut produire suffisamment d'électricité pour alimenter l'éclairage et/ou les appareils électriques d'une maison moyenne.
Recherchez les générateurs de roue à eau conçus pour produire leur rendement optimal à des vitesses relativement faibles.Pour les petits projets, un petit moteur à courant continu peut être utilisé comme générateur à basse vitesse ou comme alternateur automobile, mais ceux-ci sont conçus pour fonctionner à des vitesses beaucoup plus élevées, de sorte qu'une certaine forme d'engrenage peut être nécessaire.Une éolienne constitue une génératrice à roue hydraulique idéale car elle est conçue pour un fonctionnement à faible vitesse et à haut rendement.
S'il y a une rivière ou un ruisseau à débit assez rapide près de votre maison ou de votre jardin que vous pouvez utiliser, un système hydroélectrique à petite échelle peut être une meilleure alternative à d'autres formes de sources d'énergie renouvelables telles que "l'énergie éolienne" ou "l'énergie solaire". ” car il a beaucoup moins d'impact visuel.De plus, tout comme l'énergie éolienne et solaire, avec un système de production conçu par une roue hydraulique à petite échelle connecté au réseau électrique, toute électricité que vous produisez mais que vous n'utilisez pas peut être revendue à la compagnie d'électricité.
Dans le prochain didacticiel sur l'énergie hydroélectrique, nous examinerons les différents types de turbines disponibles que nous pourrions attacher à notre conception de roue hydraulique pour la production d'énergie hydroélectrique.Pour plus d'informations sur la conception de roues hydrauliques et comment générer votre propre électricité en utilisant la puissance de l'eau, ou obtenir plus d'informations sur l'énergie hydroélectrique sur les différentes conceptions de roues hydrauliques disponibles, ou pour explorer les avantages et les inconvénients de l'énergie hydraulique, cliquez ici pour commander votre copie d'Amazon aujourd'hui sur les principes et la construction des roues hydrauliques qui peuvent être utilisées pour produire de l'électricité.
Heure de publication : 25 juin 2021
