Petite hydroélectricité pour la maison
En général, la petite hydroélectricité est une source d’énergie importante avec de multiples avantages par rapport à d’autres formes d’énergie renouvelable, si elle est conçue et installée correctement. L’énergie cinétique de l’eau en mouvement est facilement disponible 24 heures sur 24. Les systèmes de petite hydroélectricité peuvent exploiter cette énergie gratuite, fournissant ainsi une source d’électricité “verte” à coût réduit et fiable.
En général, tout ce dont vous avez besoin pour un système de “petite hydroélectricité” est un ruisseau ou une rivière avec suffisamment d’eau circulant à un volume ou une pression adéquate pour entraîner une turbine hydraulique connectée à un générateur électrique afin de fournir de l’énergie à votre maison. Tout comme avec un système d’énergie solaire ou éolienne, vous pouvez également concevoir un système hydroélectrique à petite échelle pour le connecter au réseau, pour qu’il soit relié au réseau avec une forme de sauvegarde par batterie, ou comme un système autonome hors réseau.
Mais que signifie un système de “petite hydroélectricité” ? Un système de petite hydroélectricité n’est rien d’autre qu’une version réduite des grandes stations de production d’hydroélectricité que nous voyons, qui utilisent de grands barrages et des réservoirs pour fournir de l’énergie à des millions de personnes. En fonction de la taille physique, de la hauteur de chute et de la capacité de production électrique, les petites installations hydroélectriques peuvent être classées en petites, mini et micro échelles comme suit :
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Petite hydroélectricité : est un système qui génère de l’électricité entre 100 kW (kilowatts) et 1 MW (mégawatts), alimentant directement ce pouvoir généré dans le réseau électrique ou dans le cadre d’un grand système autonome alimentant plusieurs foyers. -
Mini hydroélectricité : est un système qui génère de l’énergie entre 5 kW et 100 kW, l’alimentant directement dans le réseau électrique ou dans le cadre d’un système autonome de chargement de batterie ou alimenté en courant alternatif. -
Micro hydroélectricité : est généralement la classification donnée à un petit système de type courant de rivière fait maison qui utilise des conceptions de générateurs à courant continu pour produire de l’électricité entre quelques centaines de watts jusqu’à 5 kW comme partie d’un système autonome de chargement de batteries.
Les systèmes de petite hydroélectricité, ainsi que les systèmes mini-hydro ou micro-hydro, peuvent être conçus en utilisant soit des roues à eau, soit la conception de turbine à impulsion.
Le potentiel de génération d’un site particulier dépendra de la quantité d’eau, de la hauteur de chute disponible, qui dépend à son tour des conditions du site et de l’emplacement, ainsi que des caractéristiques de précipitation du site.
Si la hauteur de chute et le débit sont suffisants, les petites centrales hydroélectriques peuvent être alimentées directement par un fleuve ou un ruisseau, appelées “système de courant de rivière”, construites dans ou à côté d’un fleuve ou d’un ruisseau sans nécessiter de barrage, de détournement ou de changement de la circulation de l’eau de quelque manière que ce soit. Cela en fait la solution la moins coûteuse pour produire de l’énergie.
Dans un système hydroélectrique de type courant de rivière, le débit de l’eau n’est pas altéré, donc son débit minimum doit être le même ou supérieur à celui de la puissance de sortie de la turbine proposée, garantissant ainsi une efficacité maximale. Le résultat est que les coûts impliqués pour un système de courant de rivière sont beaucoup plus bas et ont un impact environnemental moindre que d’autres petites centrales hydroélectriques. L’inconvénient est que le débit d’eau est variable tout au long de l’année et que le système est incapable de stocker l’énergie de l’eau.
Le développement de schémas hydroélectriques à petite échelle qui utilise un petit barrage ou une écluse, un réservoir de stockage d’eau (réservoir) ou nécessite un détournement du cours d’eau par des tunnels ou des canaux, nécessite une utilisation d’eau globale beaucoup plus importante ainsi que des travaux d’ingénierie civile et de terrain plus complexes pour s’adapter à l’altitude du site, sans parler de l’impact environnemental proportionnel à la taille du système.
Cependant, un système de réservoir ou de haute chute a un potentiel de production électrique bien plus élevé qu’un système de courant de rivière beaucoup plus petit en raison de l’augmentation du volume et de la vitesse de l’eau utilisable, compensant ainsi l’investissement en capital plus important, mais les coûts peuvent être réduits avec un design simple et des travaux civils et mécaniques pratiques et facilement construits.
Quelle puissance peut extraire un système de petite hydroélectricité ?
Les roues à eau et les turbines à eau sont idéales pour tout système de petite hydroélectricité, car elles extraient l’énergie cinétique de l’eau en mouvement et convertissent cette énergie en énergie mécanique qui entraîne un générateur électrique produisant une sortie électrique.
La quantité maximale d’énergie électrique qui peut être obtenue d’une rivière ou d’un ruisseau d’eau courante dépend de la quantité d’énergie disponible dans l’eau courante à ce moment précis. Comme l’eau est en mouvement, un système hydroélectrique convertit cette puissance d’entrée cinétique en puissance de sortie électrique.
Pour déterminer le potentiel de puissance de l’eau qui s’écoule dans une rivière ou un ruisseau, il est nécessaire de déterminer à la fois le débit d’eau passant par un point donné dans un temps donné et la hauteur de chute verticale par laquelle l’eau doit tomber. La puissance théorique contenue dans l’eau peut être calculée comme suit :
Où Q est en m3/s, H en mètres et g est la constante gravitationnelle, 9.81 m/s2, et ρ est la densité de l’eau, 1,000 kg/m3 ou 1,0 kg/litre.
Nous pouvons donc voir que la puissance théorique maximale disponible dans l’eau est proportionnelle au produit de “Hauteur x Débit”, puisque l’attraction de la gravité sur l’eau et la densité de l’eau sont toujours constantes. Par conséquent, P = 1.0 x 9.81 x Q x H (kW).
Mais la turbine à eau n’est pas parfaite et une partie de la puissance d’entrée est perdue dans la turbine en raison de la friction et d’autres inefficacités. La plupart des turbines à eau modernes ont un taux d’efficacité compris entre 80 et 95 %, en fonction du type, réaction ou impulsion, donc la puissance effective d’un système de petite hydroélectricité peut être donnée comme :
Puissance disponible du système hydroélectrique
Où : η (éta) est l’efficacité de la turbine ou de la roue à eau.
Exemple de petite hydroélectricité n°1
Un petit ruisseau chute de 20 mètres sur le flanc d’une montagne, produisant un débit d’eau de 500 litres par minute à un point fixe. Quelle puissance pourrait générer une centrale hydroélectrique à petite échelle en kilowatts, si le type de turbine à eau utilisée a une efficacité maximale (η) de 85 % ?
Données données : Hauteur = 20 m, Débit = 500 L/min, Efficacité = 0.85 et Gravité = 9.81 m/s2. Mais tout d’abord, nous devons convertir le débit d’eau de 500 litres par minute en m3/sec.
1 000 litres équivalent à 1 m3, donc 500 litres équivalent à 0.5 m3. Une minute équivaut à 60 secondes, donc un débit de 0.5 m3 par minute équivaut à 0.00833 m3 par seconde.
Puissance (P) = η × g × Q × H (kW)
P = 0.85 × 9.81 m/s2 × 0.00833 m3/s × 20 m
∴ P = 1.4 kW
Maintenant, 1.4 kW par seconde peut ne pas sembler beaucoup, mais cela équivaut à plus de 1.84 MW (1.4 × 60 × 60 × 24 × 365) d’électricité hydro gratuite par an. Comme la puissance est proportionnelle au produit de “Hauteur x Débit”, l’augmentation de l’un de ces deux facteurs et/ou de l’efficacité du système hydro entraînerait une augmentation de la puissance générée. Cependant, la production d’énergie électrique annuelle dépend de l’approvisionnement en eau disponible restant raisonnablement constant tout au long de l’année.
Composants d’un schéma de petite hydroélectricité
Un schéma typique de petite hydroélectricité nécessite un ruisseau, un système d’admission pour détourner l’eau, un canal ou une conduite appelée conduite forcée pour transporter l’eau détournée, une turbine à eau ou une roue à eau pour convertir l’énergie cinétique de l’eau en énergie mécanique de rotation et un générateur électrique pour convertir cette énergie de rotation en électricité.
Bien que les composants réels varient pour chaque système de petite hydroélectricité, le type de système choisi déterminera la nécessité de construire une écluse de détournement ou un barrage ou un réservoir, qui dépendra finalement de la “hauteur de chute” d’eau disponible, et un schéma typique de petite hydroélectricité est montré.
Si vous n’êtes pas sûr des environs géographiques, acheter une carte de terrain locale de la zone vous permettra d’obtenir une idée de la quantité de chute disponible de la rivière à la turbine en mesurant les détails des contours sur la carte.
Les systèmes à faible hauteur de 20 mètres (65 pieds) permettent une gamme d’options d’énergie hydroélectrique, allant d’un simple tuyau en plastique à une rigole descendant d’une prise de détournement au-dessus déversant l’eau directement sur une turbine (probablement de type Pelton), avec la turbine entraînant un générateur.
Ensuite, les systèmes de petite hydroélectricité se composent d’un canal, d’une conduite ou d’une conduite sous pression (conduite forcée) qui délivre l’eau. Une turbine ou une roue à eau transforme l’énergie de l’eau courante en énergie de rotation, et un alternateur ou générateur transforme l’énergie de rotation en électricité.
Générateurs de petite hydroélectricité
En plus des travaux civils, l’un des aspects les plus difficiles de la conception d’un système hydroélectrique à petite échelle, mini ou micro pour la production d’électricité est de choisir le bon générateur pour accompagner la turbine à eau ou la roue à eau. En général, les roues à eau tournent à des vitesses plus lentes que les turbines à eau, donc si un générateur à haute vitesse est choisi, un réducteur ou un système de poulie utilisant une courroie ou une chaîne peut être nécessaire.
Il existe de nombreuses machines électriques prêtes à l’emploi disponibles, et chacune a ses avantages et inconvénients, mais les alternateurs à aimant permanent sont de loin le choix le plus populaire dans les conceptions réussies de petites hydroélectricités.
Générateurs DC de petite hydroélectricité – ces derniers varient en taille de quelques centaines de watts à plus de 3 000 watts et peuvent être utilisés pour charger des banques de batteries afin de stocker l’électricité générée par le système, semblable à la charge d’une batterie de voiture. Le type le plus courant de générateur à courant continu à aimant permanent (PMDC) est le Dynamo. Les dynamos sont un bon choix pour les néophytes en hydroélectricité, car elles sont grandes, lourdes et généralement dotées de très bons roulements sur l’arbre de poulie.
Les dynamos de camion ou de bus à l’ancienne sont un meilleur choix pour les roues à eau, car elles sont conçues pour produire la tension et le courant requis à des vitesses plus lentes, en mettant l’accent sur l’efficacité plutôt que sur la puissance maximale. De plus, la plupart des dynamos de bus et de camion peuvent générer une puissance allant jusqu’à 500 watts à 24 volts, ce qui est plus que suffisant pour charger des batteries et alimenter des lumières pour un système hydroélectrique à basse tension.
Si des batteries sont incluses dans la conception du système de petite hydroélectricité, elles doivent être placées aussi près que possible du générateur, car il peut être difficile de transmettre de la puissance à basse tension sur de longues distances. De plus, les générateurs de petite hydroélectricité produisent toujours de l’énergie lorsqu’ils tournent, même si les batteries sont complètement chargées, donc une charge résistive fictive, comme un élément chauffant électrique, est nécessaire pour absorber et dissiper cette énergie excédentaire. Cette charge résistive fictive peut dissiper beaucoup d’énergie et peut donc devenir très chaude, c’est pourquoi elle doit être positionnée de manière à ne pas pouvoir être touchée.
Les alternateurs de voiture sont également un choix populaire parmi de nombreuses personnes qui fabriquent elles-mêmes des générateurs à turbine à basse tension, cependant, ils nécessitent des vitesses élevées et ne sont pas toujours très efficaces. Les alternateurs automobiles nécessitent également une alimentation externe pour alimenter les électro-aimants qui créent le champ magnétique.
Les alternateurs automobiles limitent leur propre courant en utilisant un circuit régulateur intégré. Cela empêche l’alternateur de surcharger les batteries connectées. Cependant, un alternateur automobile ne doit jamais être connecté à la banque de batterie à l’envers ou faire fonctionner l’alternateur à des vitesses élevées sans la batterie connectée, car la tension de sortie augmentera à des niveaux élevés (bien plus que 12 volts) et détruira le redresseur interne.
De nombreux systèmes à courant continu utilisent également des redresseurs pour convertir l’électricité à courant continu (DC) à basse tension produite par le système en 120 ou 240 volts d’électricité alternative (AC) pour les appareils ménagers et les téléviseurs qui fonctionnent sur de l’électricité AC.
Les générateurs DC peuvent alimenter un système connecté au réseau via un onduleur et un conditionneur de puissance, mais pour un système constamment connecté au réseau, il est préférable d’installer un générateur hydro à courant alternatif.
Générateurs de petite hydroélectricité AC – sont utilisés pour des systèmes connectés au réseau et peuvent être des machines monophasées ou triphasées. Les générateurs hydro AC ont des puissances variant entre 500 watts et 10 kW utilisant des machines synchrones ou à induction à haute vitesse. Les générateurs hydro AC sont connectés en permanence au système électrique de la maison, fournissant directement les charges. Le système doit inclure un conditionneur de puissance pour garantir que la sortie vers le réseau électrique est toujours stable et à la tension et à la fréquence correctes, quelle que soit la vitesse de la turbine.
Si vous avez la chance de vivre près d’une rivière ou d’un ruisseau, investir dans un système de petite hydroélectricité peut réduire votre besoin de combustibles fossiles, contribuant ainsi à réduire la pollution de l’air. Il y a de nombreux facteurs à considérer lors de la conception d’un système d’énergie hydro, mais avec le bon emplacement et l’équipement, une planification soigneuse et une attention détaillée aux lois locales et aux permis requis, les systèmes de petite hydroélectricité peuvent vous fournir une source d’énergie propre, fiable et sans entretien pendant de nombreuses années.
En plus des avantages associés à la vente de votre propre électricité gratuite générée à votre entreprise de services publics locale, les systèmes hydroélectriques connectés au réseau fourniront l’énergie supplémentaire dont vous avez besoin lorsque votre système hydroélectrique ne peut pas répondre à tous vos besoins énergétiques.
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