Conception de roues à eau

L’énergie hydroélectrique est une technologie qui convertit l’énergie cinétique de l’eau en mouvement en énergie mécanique ou électrique. L’un des premiers dispositifs utilisés pour transformer l’énergie de l’eau mouvante en travail utilisable était la Conception de la Roue à Eau.

La conception des roues à eau a évolué au fil du temps, certaines roues étant orientées verticalement, d’autres horizontalement, et certaines étant équipées de poulies et de rouages sophistiqués. Cependant, toutes ont pour fonction principale de « convertir le mouvement linéaire de l’eau qui tombe en un mouvement rotatif pouvant entraîner n’importe quel dispositif connecté à elle via un arbre rotatif ».

Les premières Conceptions de Roues à Eau étaient des machines assez primitives et simples, composées d’une roue en bois verticale avec des pales ou seaux en bois fixés uniformément autour de leur circonférence, le tout soutenu sur un axe horizontal. La force de l’eau s’écoulant sous la roue pousse celle-ci dans une direction tangente contre les pales.

Ces roues à eau verticales étaient largement supérieures aux conceptions horizontales de roue à eau des Grecs et des Égyptiens anciens, car elles pouvaient fonctionner plus efficacement, traduisant l’énergie hydrocinétique de l’eau en mouvement en puissance mécanique. Des poulies et des rouages ont ensuite été ajoutés à la roue à eau, permettant de changer la direction de l’arbre rotatif de l’horizontale à la verticale afin de faire fonctionner des meules, scier du bois, broyer des minerais, etc.

La plupart des Roues à Eau, également connues sous le nom de Moulins à Eau, sont des roues montées verticalement tournant autour d’un axe horizontal. Ces types de roues à eau 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 à eau sont généralement de grandes machines qui tournent à basse vitesse angulaire et ont une faible efficacité en raison des pertes par friction et du remplissage incomplet des seaux, etc.

L’action de l’eau poussant contre les seaux ou les pales de la roue développe un couple sur l’axe, mais en dirigeant l’eau vers ces pales et seaux depuis différentes positions sur la roue, la vitesse de rotation et son efficacité peuvent être améliorées. Les deux types de conception de roue à eau les plus communs sont la « roue à eau sous-orage » et la « roue à eau sur-orage ».

Conception de la Roue à Eau Sous-Orage

La Conception de la Roue à Eau Sous-Orage, également connue sous le nom de « roue de ruisseau », était le type de roue à eau le plus couramment utilisé par les Grecs et les Romains anciens, 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 à eau, la roue est simplement placée directement dans une rivière à courant rapide et soutenue par le dessus. Le mouvement de l’eau en dessous crée une action de poussée contre les pales submergées de la partie inférieure de la roue, permettant à celle-ci de tourner dans une seule direction par rapport à la direction d’écoulement de l’eau.

Ce type de conception de roue à eau est généralement utilisé dans des zones plates sans pente naturelle du terrain, ou lorsque le débit d’eau est suffisamment rapide. Comparé aux autres conceptions de roues à eau, ce type de conception est très inefficace, avec seulement 20 % de l’énergie potentielle de l’eau utilisée pour faire réellement tourner la roue. De plus, l’énergie de l’eau est utilisée 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 eau sous-orage est qu’elle nécessite de grandes quantités d’eau circulant à grande vitesse. Par conséquent, les roues à eau sous-orage se situent généralement sur les rives des rivières, car les petits ruisseaux ou ruisseaux n’ont pas suffisamment d’énergie potentielle dans l’eau en mouvement.

Une façon d’améliorer légèrement l’efficacité d’une roue à eau sous-orage est de dévier un pourcentage de l’eau de la rivière le long d’un canal ou d’un conduit étroit afin que 100 % de l’eau déviée soit utilisée pour faire tourner la roue. Pour cela, la roue sous-orage doit être étroite et s’adapter très précisément dans le canal pour empêcher l’eau de s’échapper sur les côtés, ou en augmentant soit le nombre, soit la taille des pales.

Conception de la Roue à Eau Sur-Orage

La Conception de la Roue à Eau Sur-Orage est le type de conception de roue à eau le plus courant. La roue à eau sur-orage est plus complexe dans sa construction et sa conception que la roue à eau sous-orage, car elle utilise des seaux ou des petits compartiments pour à la fois capter et retenir l’eau.

Ces seaux se remplissent d’eau s’écoulant sur la roue à travers une conception de conduites forcées située au-dessus. Le poids gravitationnel de l’eau tombante dans les seaux pleins fait tourner la roue autour de son axe central, tandis que les seaux vides de l’autre côté de la roue deviennent plus légers.

Ce type de roue utilise la gravité pour améliorer la production ainsi que l’eau elle-même, donc les roues à eau sur-orage sont beaucoup plus efficaces que les conceptions sous-orage. Cependant, comme précédemment, l’énergie de l’eau est utilisée une seule fois pour faire tourner la roue, après quoi elle s’écoule avec le reste de l’eau.

Les roues à eau sur-orage 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 d’en haut avec une faible hauteur (la distance verticale entre l’eau en haut et la rivière ou le ruisseau en bas) de 5 à 20 mètres. Un petit barrage ou une écluse peut être construit et utilisé pour canaliser et augmenter la vitesse de l’eau vers le haut de la roue, lui donnant plus d’énergie, mais c’est le volume d’eau plutôt que sa vitesse qui aide à faire tourner la roue.

En général, les roues à eau sur-orage sont construites aussi grandes que possible pour fournir la plus grande distance de hauteur possible pour que le poids gravitationnel de l’eau fasse tourner la roue. Cependant, les roues à eau 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 la direction de l’écoulement de l’eau. 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 continuer la vitesse de rotation de la roue.

Une fois que le seau est vide d’eau, il continue de tourner avec la roue jusqu’à ce qu’il revienne en haut, prêt à être rempli à nouveau et le cycle se répète. Un des inconvénients de la conception de la roue à eau sur-orage est que l’eau n’est utilisée qu’une seule fois lorsqu’elle s’écoule au-dessus de la roue.

Conception de la Roue à Eau Pente Retour

La Conception de la Roue à Eau Pente Retour est une variante de la précédente roue à eau sur-orage, car elle utilise également le poids gravitationnel de l’eau pour aider à faire tourner la roue, mais elle utilise également le débit des eaux usées en dessous pour donner un coup supplémentaire. Ce type de conception de roue à eau utilise un système d’alimentation à faible hauteur qui fournit de l’eau près du haut de la roue à partir d’un canal supérieur.

Contrairement à la roue à eau sur-orage qui canalise l’eau directement sur la roue, faisant ainsi tourner celle-ci dans le sens de l’écoulement de l’eau, la roue à eau pente retour 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 à l’écoulement de l’eau en haut.

Tout comme la précédente roue à eau sur-orage, le poids gravitationnel de l’eau dans les seaux fait tourner la roue, mais dans le sens antihoraire. À mesure que l’angle de rotation se rapproche du bas de la roue, l’eau piégée à l’intérieur des seaux se vide en dessous. Comme le seau vide est attaché à la roue, il continue de tourner avec la roue jusqu’à ce qu’il revienne en haut, prêt à être rempli de nouveau et le cycle se répète.

La différence cette fois est que l’eau usée se déversant hors du seau tournant s’écoule dans la direction de la roue en rotation (car elle n’a nulle part d’autre où aller), similaire au principe de la roue à eau sous-orage. Ainsi, l’avantage principal de la roue à eau pente retour 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 à eau est considérablement augmentée à plus de 80 % de l’énergie des eaux, car elle est entraînée à la fois par le poids gravitationnel de l’eau entrante et par la force ou pression de l’eau dirigée dans les seaux d’en haut, ainsi que par le débit des eaux usées en dessous poussant contre les seaux. Cependant, l’inconvénient d’une roue à eau pente retour est qu’elle nécessite une disposition d’approvisionnement en eau légèrement plus complexe directement au-dessus de la roue avec des chutes et des canaux.

Conception de la Roue à Eau Breastshot

La Conception de la Roue à Eau Breastshot est une autre conception de roue à eau montée verticalement où l’eau entre dans les seaux environ à mi-hauteur de l’axe, ou juste au-dessus, puis s’écoule en bas dans la direction de la rotation de la roue. En général, la roue à eau breastshot est utilisée dans des situations où la hauteur de l’eau est insuffisante pour alimenter une conception de roue à eau sur-orage ou pente retour depuis le haut.

L’inconvénient ici est que le poids gravitationnel de l’eau n’est utilisé que pour environ un quart de la rotation, contrairement aux cas précédents où il était utilisé pour la moitié de la rotation. Pour compenser cette faible hauteur, les seaux de la roue à eau sont élargis pour extraire la quantité nécessaire d’énergie potentielle de l’eau.

Les roues à eau breastshot utilisent à peu près le même poids gravitationnel de l’eau pour faire tourner la roue, mais à mesure que la hauteur de la colonne d’eau est environ la moitié de celle d’une typique roue à eau sur-orage, les seaux sont beaucoup plus larges que les conceptions de roues précédentes pour augmenter le volume d’eau piégé dans les seaux.

L’inconvénient de ce type de conception est l’augmentation de la largeur et du poids de l’eau transportée par chaque seau. Comme avec la conception de la pente retour, la roue breastshot utilise l’énergie de l’eau deux fois, car la roue à eau est conçue pour être assise dans l’eau, permettant ainsi à l’eau usée d’aider à la rotation de la roue alors qu’elle s’écoule en aval.

Historiquement, les roues à eau ont été utilisées pour moudre de la farine, des céréales et d’autres tâches mécaniques. Mais les roues à eau peuvent également être utilisées pour générer de l’électricité, ce qu’on appelle un système de puissance hydroélectrique.

En connectant un générateur électrique à l’arbre rotatif de la roue à eau, soit directement, soit indirectement en utilisant des courroies et des poulies, les roues à eau peuvent être utilisées pour générer de l’énergie en continu 24 heures sur 24, contrairement à l’énergie solaire. Si la roue à eau est conçue correctement, un petit ou « micro » système hydroélectrique peut produire suffisamment d’électricité pour alimenter l’éclairage et/ou les appareils électroménagers dans une maison moyenne.

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S’il y a une rivière ou un ruisseau à courant assez rapide près de votre maison ou de votre jardin que vous pouvez utiliser, un système de puissance hydroélectrique à petite échelle peut être une meilleure alternative à d’autres sources d’énergie renouvelable telles que l’« Énergie Éolienne » ou l’« Énergie Solaire », car il a beaucoup moins d’impact visuel. Tout comme l’énergie éolienne et solaire, avec un système de génération de roue à eau à petite échelle connecté au réseau électrique local, toute électricité que vous générez mais n’utilisez pas peut être revendue à la compagnie d’électricité.

Dans le prochain tutoriel sur l’Énergie Hydroélectrique, nous examinerons les différents types de turbines disponibles que nous pourrions attacher à notre conception de roue à eau pour la génération de puissance hydroélectrique. Pour plus d’informations sur la Conception de la Roue à Eau et comment générer votre propre électricité en utilisant la puissance de l’eau, ou pour obtenir plus d’informations sur l’énergie hydroélectrique concernant les différentes conceptions de roues à eau disponibles, ou pour explorer les avantages et les inconvénients de l’énergie hydroélectrique, Cliquez ici pour commander votre exemplaire sur Amazon aujourd’hui au sujet des principes et de la construction des roues à eau pouvant être utilisées pour générer de l’électricité.