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Microsystèmes hydroélectriques

Probablement la moins commune des trois sources d'alimentation électrique à énergie renouvelable, le micro système hydroélectrique présente un important potentiel de production d'électricité, si le site est idéal, de façon continue. Cependant, son installation, ainsi que son entretien peuvent être complexes.

Micro-hydro


Comment déterminer l'énergie pouvant être produite?

Il existe deux types de systèmes hydroélectriques: le système à débit et le système à réservoir. Deux facteurs déterminent la puissance maximale produite par un micro système hydroélectrique, soit la pression d'eau et le volume d'eau.

La pression est générée par la profondeur ou la distance verticale (en mètres ou pieds) du point de chute d'eau jusqu'à la turbine. Le volume de l'eau est simplement mesuré comme le débit d'eau (en litres/seconde, ou GPM). Pour avoir une idée de la puissance (en watts) disponible sur un site en particulier, multiplier la distance entre le point de chute de l'eau et le micro système hydroélectrique par le débit; multiplier ensuite par 0.18 puis par le taux d'efficacité. La turbine a un taux d'efficacité de l'ordre de 25 à 50% et elle atteint son maximum d'efficacité lorsque les hauteurs sont importantes (nous suggérons d'utiliser 50% comme règle de pouce).

(Hauteur (pieds) x débit (GPM) x 0.18 x efficacité) / 1000 = Puissance maximale produite (kW)

Example: (10 x 300 x 0.18 x 5) / 1000 = 0.270 kW

Conversions: 1 pied cubique d'eau fraîche est équivalent 62.4 lbs
1 pied cubique d'eau est équivalent à 7.48 gallons US
1 pied de hauteur est équivalent à 0.433 PSI
1 PSI est équivalent à 2.31 pieds de haut
1 gallon d'eau est égal à 0.13368 pied cubique
1 GPM (US) équivaut à 3.785 litres par minute
1 HP est égal à 745.7 watts

Mesure du débit d'eau

Le vrai débit minimal d'eau est critique pour déterminer de façon précise la taille et la puissance produite par un micro système hydroélectrique. C'est préférable de prendre ces mesures pendant les saisons où le niveau d'eau est très bas.

Si le cours d'eau est relativement petit, un tonneau ou une boîte à ordures de 55 gallons peut être utilisé. Pour ce faire, simplement dévier l'eau directement (sans restrictions, ou tournures etc.) vers un réservoir et mesurer le temps de remplissage à un niveau déterminé. Si vous remplissez le tonneau de 55 gallons en 126 secondes, le débit sera de 26.19 GPM ou 3.5 PCS (pieds cubiques par seconde).

GPM = Capacité x (60/temps) ou 55 x (60/126) = 26.19

Pour les micro systèmes hydroélectriques à réservoir, une méthode plus précise permet de déterminer le débit d'un cours d'eau de plus de 1 PCS: c'est l'utilisation d'un barrage de type "Weir", lequel est simplement construit avec une ouverture de largeur spécifique entre le barrage.

Un mur est monté parallèlement et exactement quatre pieds à partir du barrage. Un tableau est parfaitement mis à niveau au-dessus du barrage et collé au mur. Notez de façon précise la distance entre le niveau de l'eau et le tableau.

Mesurez la hauteur de l'eau au niveau du barrage et la hauteur de l'eau au niveau du mur situé quatre pieds plus loin et cette différence, combinée à la largeur de l'ouverture entre le barrage et le facteur donné par la courbe de Weir, indiquera le débit d'eau.

Quand la construction d'un barrage n'est pas requise, dans le cas d'un système devant être installé sur une petite rivière à faible débit par exemple, le calcul du débit entier du cours d'eau est souhaitable. Notez qu'il s'agit du débit total et non le débit qui sera utilisé, ce dernier sera déterminé par le diamètre du tuyau ou Penstock choisi.

Commencez en marquant un câble robuste à intervalles prédéterminés de six pouces ou un pied. Étendre le câble sur une portion (distance) du cours d'eau, à une section de la rivière qui est relativement uniforme. À chaque intervalle marquée sur le câble, mesurez la profondeur exacte de l'eau de manière à faire le contour du lit de la rivière. En utilisant la trigonométrie, vous pouvez déterminer la section de l'eau.

Ensuite, utilisez un flotteur et un poids pour déterminer le temps requis pour déplacer le frotteur d'un point de la rivière au câble étendu sur une portion de l'eau. Notez un nombre de mesures de l'ensemble profondeur et vitesse sur la période de temps nécessaire pour obtenir un bon échantillon de données réalistes.

PCS = (section de l'eau mesurée x distance) / temps

L'importance du "Penstock"

Les turbines hydroélectriques opèrent à partir de la pression au début du tuyau de canalisation appelée "Penstock", laquelle est directement reliée à la hauteur ou à la distance verticale.

La pression au point le plus bas du tuyau de canalisation est égale à 0.433 multiplié par le total de la hauteur. Cette pression détermine non seulement la puissance disponible sur le site mais aussi le type de tuyau requis. Un tuyau en polyétylène pourrait être utilisé pour canaliser l'eau jusqu'à 100 PSI, le tuyau en PVC, de 160 à 350 PSI, et des tuyaux en acier pourraient être spécifiés pour 1000 PSI.

Le diamètre du tuyau est aussi important; plus le tuyau est petit, plus la friction est importante. La puissance maximale produite par une canalisation est atteinte lorsque la pression dynamique est obtenue, la pression à travers un jet d'eau est de l'ordre 2/3 de la pression statique ou la pression mesurée au bas du tuyau lorsque l'eau n'est pas débitée. Pour simplifier les choses, choisissez le plus gros câble que vous pouvez vous permettre, puis un diamètre plus grand, ça en vaudra la peine.

Retour d'eau vers le bas "waterhammering" - Un rappel: le son que vous entendez dans le mur lorsque vous fermez brusquement le robinet à la maison - il s'agit d'un waterhammering. Il est causé par la diminution rapide du débit d'eau dans la canalisation et cette énergie kinétique doit être transférée; c'est ainsi qu'une expansion prend naissance dans la canalisation et une petite détonation due au stress s'ensuit et est absorbée par le mur. Le même effet se produit dans un "Penstock" très long avec un grand débit, il faut s'assurer que le tuyau et la valve seront en mesure de supporter ces forces.

Points à considérer:

L'environnement - Nous recommandons de ne pas dévier plus de 50% de l'eau

de la rivière ou d'un cours d'eau, 20% étant préférable, pour produire de l'électricité et préserver l'environnement. Saison - Chaque saison présente des défis pour le micro système hydroélectrique. S'ils sont sous-dimensionnés, les innondations du printemps risquent de déborder le barrage et innonder la turbine ou encore les débris peuvent endommager les composantes et même obstruer les entrées des canalisations. En d'autres termes, planifiez votre installation en fonction du plus haut niveau historique d'eau et en fonction de la puissance produite basée sur la médiane des mesures.

Distance - À l'exemple de l'éolienne, les micro systèmes hydroélectriques sont rarement proches des appareils qu'ils alimentent. Le choix d'un courant alternatif ou d'un courant continu doit être lié au coût du câble de transport d'électricité, au coût de la canalisation et à celui de la conversion du courant. Le choix d'un système à courant CA est simple dans toute configuration et le transport du courant coûte moins cher; cependant, il doit être dimensionné de manière à produire la puissance maximale requise, habituellement entre 2 et 3 kW.

Par exemple, une lampe incandescente utilisera 10 fois sa puissance nominale pour s'allumer, alors que les moteurs à induction utilisés dans les pompes à eau et les fournaises requièrent cinq à sept fois leur puissance nominale pour s'enclencher. Ces charges instantannées cumulées peuvent s'avérer élevées; par conséquent, les systèmes de tension continue CC combinés à des batteries et onduleurs, sont souvent sélectionnés. Un micro système hydroélectrique CC produisant 300 watts de puissance, couplé à un onduleur et des batteries correspondrait aux besoins typiques des maisons isolées. La sortie CC sera branchée aux batteries, ensuite l'onduleur convertira le courant continu en courant alternatif 120 ou 240 VCA pour la transmission.

L'utilisation d'un générateur à induction ou d'un convertisseur ajustable serait le système idéal pour une très longue distance de transport afin d'optimiser le rendement du système et le coût associé.

 

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