Turbine à Flux Croisé pour les Systèmes Énergétiques Hydro
Une turbine à flux croisé est un appareil utilisé pour générer de la puissance mécanique à partir de l’hydroénergie, qui est une source d’énergie renouvelable. Elles sont largement utilisées sur de petits sites hydroélectriques ayant des hauteurs de chute allant de quelques mètres, car elles présentent une bonne efficacité sur l’ensemble des débits d’eau.
L’énergie cinétique de l’eau s’écoulant en pente dans les rivières ou les ruisseaux constitue une source d’énergie continue que peut exploiter une turbine à flux croisé. Cependant, contrairement à d’autres formes d’énergie renouvelable qui dépendent de l’activité solaire, le débit des rivières fait partie du cycle hydrologique de l’évaporation et des précipitations sous forme de pluie.
Le débit de l’eau dans une rivière peut être régulé par le biais de vannes, de conduits forcés ou par la construction de barrages, avec l’énergie cinétique de l’eau en mouvement utilisée pour entraîner une turbine à flux croisé aux moments les plus appropriés selon son utilisation.
Bien que la Terre dispose d’une abondante réserve d’eau, toutes ne peuvent pas être utilisées pour générer de l’énergie hydroélectrique. Les meilleures rivières pour produire de l’énergie, par exemple, se trouvent près des collines et des montagnes, où l’eau descend avec une grande énergie cinétique, mais certaines rivières coulent trop lentement pour être utiles. Il existe des limites à la disponibilité de l’hydroénergie.
Au cours des dernières décennies, l’hydroélectricité à petite échelle est devenue populaire grâce à ses ressources énergétiques propres, renouvelables et abondantes, qui peuvent être facilement développées.
Cependant, trouver un type de turbine à eau adapté et efficace pour un petit système hydroélectrique peut s’avérer problématique. De plus, le coût relativement élevé de fabrication de la structure complexe de la turbine peut constituer un obstacle au développement de turbines hydroélectriques à petite échelle.
Il existe plusieurs types de conceptions de turbines à eau qui peuvent toutes être utilisées dans des installations hydroélectriques à petite échelle. Leur choix dépend de la hauteur d’eau disponible et du volume de débit. La puissance est proportionnelle au produit de la hauteur x le débit.
Par conséquent, la turbine à flux croisé est généralement utilisée en raison de sa structure simple et de sa grande possibilité d’application pour un schéma hydroélectrique à faible hauteur sans avoir besoin de barrages ou de retenues.
Les turbines à flux croisé tirent leur nom de la manière dont l’eau s’écoule sur et “à travers” le rotor de la turbine. L’eau entrante passe d’abord à travers une aube guide qui dirige l’eau en mouvement vers le rotor de la turbine à l’angle correct pour une efficacité et un couple maximum sur le rotor.
Une des caractéristiques les plus fondamentales de la turbine à flux croisé est la simplicité de sa construction. Le design de la turbine à flux croisé repose sur des concepts des conceptions de turbines à impulsion et à réaction, mais utilise en général un comportement d’impulsion, lui valant également le nom de turbine à impulsion.
La simplicité de sa conception réduit les coûts et la rend très adaptée à une utilisation dans des installations à faible hauteur et faible puissance. La turbine à flux croisé fournit puissance et couple à son arbre de sortie en extrayant l’énergie cinétique d’une eau en mouvement sans perturber son flux naturel.
Comment fonctionne la turbine à flux croisé
La turbine à flux croisé possède un rotor en forme de tambour avec un disque solide à chaque extrémité et des pales de rotor en forme de gouttière reliant les deux disques. L’eau est guidée vers le rotor par une aube guide qui l’oriente sous pression à travers le rotor lors de son premier passage, à travers l’intérieur des tambours transférant une partie de son élan, puis à travers le rotor une seconde fois avant de sortir de la turbine à pression ambiante. Ensuite, la turbine à flux croisé convertit le débit et la pression de l’eau en énergie mécanique. Cette action entraîne une très faible chute de pression à travers les pales de la turbine, augmentant ainsi son efficacité.
En raison du moment angulaire de l’eau s’écoulant à travers les pales du rotor de la turbine, l’énergie cinétique de l’eau est convertie en couple sur l’arbre de sortie qui, dans un système de hydroélectricité à petite échelle, peut être utilisée pour entraîner un générateur électrique. Ainsi, la turbine à flux croisé entraîne un générateur, qui est connecté à des charges électriques pour alimenter un foyer, un bâtiment ou une très petite installation selon le générateur électrique utilisé.
Convertir l’eau en watts
La “turbine à flux croisé” est très efficace pour convertir l’énergie cinétique de l’eau en couple mécanique. Mais pour déterminer le potentiel énergétique de l’eau s’écoulant dans une rivière ou un ruisseau, il est nécessaire de déterminer à la fois le débit de l’eau et la hauteur à laquelle l’eau peut être faite de chuter. La puissance potentielle disponible dans l’eau peut être calculée comme suit :
Puissance Théorique :
- Où :
- Q = la quantité d’eau en mouvement en mètres cubes par seconde (m3/sec)
- H = la hauteur effective en mètres (m)
- g = l’accélération gravitationnelle (9.81 m/s2)
Donc, nous pouvons dire que la puissance théorique disponible est : P = 9.81 x Q x H (kW)
Cependant, de l’énergie est toujours perdue lors de la conversion d’une forme à une autre sous forme de pertes par friction et de fuites. Bien que supérieure à d’autres types de conception de turbine, les turbines à flux croisé n’ont rarement une efficacité supérieure à 85 %.
Toutefois, par un design soigneux, cette perte peut être réduite à un petit pourcentage, mais une règle générale pour les petits systèmes de quelques kW est de considérer l’efficacité globale à environ 50 %. Ainsi, la puissance théorique doit être multipliée par 0,50 pour un chiffre plus réaliste.
Comme le rotor à flux croisé tourne plus lentement que la vitesse de rotation requise pour un générateur électrique, un système de transmission par courroie et poulies, ou un réducteur de vitesse doit être utilisé pour augmenter la vitesse de rotation de sortie de la turbine.
Il existe un potentiel généralisé dans le monde pour la production locale d’hydroénergie à partir de rivières et de canaux en utilisant des conceptions de turbines à flux croisé à “zéro hauteur” qui ne nécessitent pas de barrages ou de retenues. L’énergie cinétique dans les rivières et les canaux est une ressource énergétique prévisible, disponible 24 heures sur 24, qui peut être exploitée en utilisant les actuelles conceptions de turbines à flux croisé et technologies.
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