CA2606306A1 - Machine hydraulique modulaire et microcentrale hydraulique - Google Patents

Machine hydraulique modulaire et microcentrale hydraulique Download PDF

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Abstract

Machine hydraulique modulaire (10) de faible chute, utilisable pour la production d'énergie hydroélectrique ou pour l'usage direct de la puissance mécanique. La machine (10) est munie d'un organe de réglage (50) pour imposer un point de fonctionnement stable à vitesse et puissance constants, quel que soit la puissance instantanée requise par l'utilisateur. La puissance excédentaire peut être employé pour charger des batteries, pomper de l'eau, générer du chaud ou du froid, ou simplement dissipée dans des résistances (5 1). La machine (10) peut s'adapter à différentes hauteurs de chute simplement en changeant la roue hydraulique (4) avec une roue d'un pas différent, ou bien en ajustant manuellement les aubes (5) de la roue hydraulique (4). Une microcentrale complète, constituée d'un caisson étanche (20) comprenant la machine hydraulique (10) peut être installée à coté d'une chute d'eau sans qu'un barrage soit requis.

Description

Description MACHINE HYDRAULIQUE MODULAIRE ET MICROCENTRALE
HYDRAULIQUE
Domaine technicjue [001] La présente invention se rapporte à une machine hydraulique de basse chute, et notamment à une machine hydraulique modulaire de construction simple et pouvant s'adapter à une grande variété d'installations. La machine de l'invention est utilisée notamment, mais pas exclusivement, pour la génération d'énergie dans des pays en voie de développement.
Etat de la t echnique
[002] Les énergies renouvelables représentent une ressource considérable et entrent par-faitement dans le cadre de la lutte contre les émissions de polluant divers et de CO . 2
[003] Les pays en voie de développement possèdent généralement des ressources naturelles abondantes et exploitables comme l'eau et le soleil. Pourtant les énergies re-nouvelables ont de la peine à s'imposer dans ces pays face, par exemple, aux petits groupes électrogènes à essence. Parmi J'tes raisons de ce retard on peut citer la difficulté
de dimensionner, produire et entretenir une microcentrale classique, qui soit adaptée aux conditions hydrauliques d'une rivière bien définie.
[004] Le brevet FR.1217810 par exemple décrit des microcentrales de basse chute de construction et d'entretien simple. Il s'agit toutefois d'ouvrages relativement lourds et nécessitant un barrage. Ce type d'investissement ne se justifie que lors des puissances d'au moins quelques centaines de kW sont requises et qu'on dispose d'une chute d'eau avec un débit suf-fisamment important.
[005] On connaît aussi des petites machines hydroélectriques, pouvant être installées à
coté d'une chute d'eau ou directement dans un cours d'eau et constituées souvent d'une simple hélice couplée à une génératrice électrique. Le rendement de ce type de dispositif est souvent très modeste. En outre ces machines fonctionnent généralement à
des régimes de rotation très variables en fonction de la hauteur de chute et de la puissance électrique qu'elles sont appelées à produire. En ces conditions des phénomènes de cavitation peuvent se manifester, et entraîner des défaillances de ces installations.
[006] Un autre inconvénient des dispositifs connus est que leur entretien est souvent difficile ou impossible sans avoir recours à des moyens spécialisés, ce qui limite les possibilités d'emploi dans les pays en voie de développement.
[007] Un but de la présente invention est de proposer une machine hydraulique simple et modulaire, pouvant être employée pour la production d'énergie à petite échelle, tout en conservant un bon rendement énergétique et une fiabilité élevée.
[008] Un autre but de la présente invention est de proposer une machine hydraulique de faible chute pouvant être adaptée facilement à une variété de conditions hydrauliques, et notamment à plusieurs hauteurs de chute.
[009] Encore un but de la présente invention est de proposer une microcentrale hy-draulique pouvant être installée à coté d'une chute d'eau et sans nécessiter de barrage.
[010] Un autre but de la présente invention est de proposer une machine exempte des in-convénients de l'art antérieur.
[011] Ces buts sont atteints par le dispositif qui fait l'objet de la revendication in-dépendante, les revendications dépendantes présentant des caractéristiques optionnelles de l'invention, et notamment par une machine hydraulique modulaire de basse chute comprenant:
au mois une roue hydraulique détachable manuellement, sur un axe;
au moins un dispositif utilisateur, entraîné par ledit axe, pour transformer l'énergie générée par ladite roue hydraulique;
un module de contrôle, pour prélever une partie de l'énergie généré par ladite roue hy-draulique et pour stabiliser la rotation de ladite roue hydraulique à une vitesse et puissance de fonctionnement prédéterrninées ;ladite machine hydraulique pouvant être adaptée à des hauteurs de chute différentes par le replacement ou par l'ajustage de ladite roue hydraulique.
[012] L'invention dérive de l'observation que les machines hydroélectriques existantes sont soit des machines très performantes mais spécialement conçues pour s'adapter à
une condition hydraulique bien définie de chute et débit, soit des machines ex-cessivement simples dont le rendement et la fiabilité en conditions réelles sont très loin des performances optimales.
[013] Le dispositif de l'invention peut s'adapter aisément à des auteurs de chutes différentes grâce au dispositif de réglage qui impose, pour n'importe quel niveau de puissance requise, un régime de rotation constant et stable. En ces conditions le rendement de la machine peut être optimisé simplement en choisissant une roue hy-draulique dont le pas et le diamètre s'adaptent à la pression hydraulique et à
la puissance recherchée.
Description des dessins
[014] La figure 1 représente une machine hydraulique selon l'invention comprenant une roue détachable à aubes fixes.
[015] La figure 2 représente une variante de la machine hydraulique selon l'invention comprenant une roue détachable à aubes ajustables.
[016] La figure 3 représente une microcentrale hydraulique selon l'invention comprenant une machine hydraulique dans un caisson étanche.
[017] La figure 4 représente schématiquement un générateur hydroélectr.ique selon l'invention dans lequel la puissance excédentaire est dissipée dans un banc de ré-sistances.
[018] La figure 5 représente schématiquement une machine hydraulique selon l'invention entraînant une pompe de fluide.
[019] La figure 6 représente schématiquement un générateur hydroélectrique selon l'invention dans lequel la puissance excédentaire est utilisée dans un dispositif d'utilisation auxiliaire.
[020] Les figures 7 et 8 représentent schématiquement un générateur hydrôélectrique selon un autre aspect de l'invention.
De scription d é taill é e de 1' invention
[021] Avec référence à la figure 1, un premier mode de réalisation de l'invention est maintenant décrit. La machine hydraulique 10 comprend en amont un cône d' entonnement 1 renfermant à son intérieur un distributeur 3. Le distributeur comporte, selon ce mode de réalisation, quatre surfaces courbes inclinées fixes destinées à
imprimer un mouvement de circulation à l'eau qui descend dans le cône 1. A
l'intérieur du cône d'entonnement 1 se trouve aussi la génératrice électrique 31, protégée par un boîtier étanche 2. La génératrice 31 est entraînée par une roue à aubes 4 fixée de manière détachable directement sur son axe. Le moyeu conique 9 et le diffuseur 8 garantissent l'écoulement des eaux en aval.
[022] Dans le but de simplifier la construction et l'approvisionnement, la génératrice électrique 31 est préférablement un moteur électrique asynchrone de type standard couplé à un banc de condensateurs approprié. Les dimensions des machines dépendent des diamètres de ces moteurs standardisés. La puissance électrique générée peut varier entre 100 watts et 20 kilowatts approximativement.
[023] Il est possible d'employer d'autres types de moteurs : par exemple une génératrice à
aimants permanents ou une génératrice à réluctance variable ou même, dans certains cas, un alternateur d' automobile ou toute autre génératrice électrique connue.
[024] La roue à aubes 4 comporte, dans ce mode de réalisation de l'invention, quatre aubes 5 à inclinaison fixe et corde constante ou presque constante. Cette disposition autorise l'emploi d'une simple tuyère cylindrique 18 autour de la roue 4, avec une modeste perte d'efficacité par rapport à la géométrie optimale.
[025] Le dispositif de réglage du point de travail est maintenant décrit avec référence à la figure 4. La roue 4 entraîne en rotation la génératrice 31 qui produit, aux bornes électriques 32, une tension alternée par exemple de 240 V et 50 Hz. Un circuit électronique de réglage 50 mesure la vitesse de rotation de la roue, par exemple par mesure de fréquence, et dissipe une certaine quantité d'énergie dans la résistance 51 lorsque la vitesse de rotation dépasse la vitesse nominale prédéterminée. De cette manière la roue tourne toujours à la vitesse et à la puissance nominales quelle que soit la puissance prélevée aux bornes de sortie 32.
[026] Préférablement, le circuit 50 intègre aussi les fonctions de protection contre les surtensions et les surcharges et de protection différentielle des utilisateurs.
[027] Une fois que la vitesse de rotation de la roue 4 est déterminée, les paramètres hy-drauliques peuvent être optimisés simplement en choisissant l'inclinaison des aubages en fonction de la hauteur de chute disponible, donc à la pression hydraulique.
[028] Du fait que l'inclinaison des aubages dans ce mode de réalisation est fixe, l'optimisation est effectuée en choisissant la roue la plus adaptée dans un assortiment de roues préréglées.
[029] A cette fin la roue 4 est montée sur l'axe du moteur 31 de manière à
simplifier son replacement par des outils manuels. Cette disposition permet un changement rapide de la roue aussi pour remédier à des défaillances et pour accéder au moteur 31.
[030] Pour une puissance nominale donnée, et donc un diamètre déterminé de la machine, l'angle de calage optimal des aubages 5 ne dépend que de la hauteur de chute.
Il est donc possible de recueillir ces informations dans un simple tableau, par exemple, pour permettre aux utilisateurs de choisir la roue optimale en fonction de la puissance souhaitée et de la hauteur de chute disponible, sans besoin de calculs.
[031] Dans un mode ultérieur de réalisation, représenté sur la figure 5, la roue 4 entraîne directement une pompe pour fluide 33, par exemple une pompe pour soulever l'eau nécessaire à l'irrigation ou pour le pompage d'eau potable. Cette variante de l'invention utilise donc directement l'énergie mécanique générée par la roue 4, sans conversion électrique. En ce cas, la régulation du point de travail à vitesse constante est effectuée par une vanne hydrostatique 51 qui dévie une partie de l'eau pompée vers la conduite de retour 52. La pompe 33 fonctionne donc à pression et débit constants indé-pendamment de la quantité d'eau prélevée à la sortie 34 de la pompe.
[032] Dans d'autres modes de réalisation non représentés, la présente invention permet d'exploiter directement l'énergie mécanique produite par la roue 4 pour d'autres uti-lisations, par exemple la roue 4 pourrait entraîner directement un compresseur ou une pompe de chaleur pour la production de froid ou de chaud.
[033] Dans un mode ultérieur de réalisation représenté sur la figure 6, la puissance électrique excédentaire générée par une génératrice 31 est utilisée dans un dispositif d'utilisation ou de stockage 52, au lieu d'être simplement dissipée. L'énergie non im-médiatement requise peur être utilisée par exemple pour charger des batteries, pour actionner une pompe à eau électrique, pour alimenter des ampoules ou des modules lumineux à haut rendement ou pour la production statique de froid ou de chaud.
[034] Un autre mode de réalisation est maintenant décrit par rapport à la figure 2. Dans cette variante la roue 7 comporte des aubes 5 à inclinaison ajustable. Chaque aube 5 est fixé à la roue 7 par un plateau tournant 6. Un mécanisme intérieur non représenté
permet la rotation simultanée des aubes 5 et leur blocage dans l'angle de calage souhaité. La tuyère sphérique19 permet l'inclinaison variable des aubes 5 avec un espace mort minimale.
[035] La figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel une machine hydraulique 10 est intégrée dans un caisson étanche 20 pour réaliser une micro centrale hydraulique modulaire.
[036] Le caisson 20 est partagé en deux chambres 21 et 22 par une cloison verticale 25.
La chambre en amont 21 et la chambre en ava122 communiquent par l'intermédiaire du filtre à sable 30 fixée sur la cloison 25. Le filtre 30 est un tamis ou un filtre en tissu ou tout autre filtre apte à retenir le sable et les sédiments et à empêcher qu'ils puissent entrer dans la machine hydraulique 10.
[037] Le caisson 20 est préférablement installé à proximité de la chute d'eau et reçoit l'eau depuis un captage installé en amont de la chute par l'ouverture d'admission 28.
Préférablement le caisson 20 comprend aussi une grille de filtrage 26 pour retenir les corps solides grossiers, tels que branches, feuillages et pierres. Une lumière 32 permet l'évacuation continue du matériel retenu par la grille 26.
[038] La chambre 21 permet aussi la de décantation des sédiments 24. Le sable et le gravier 24 s'accumulent au fond de la chambre 21 et peuvent être éliminés par une porte de purge 31.
[039] La chambre en aval 22 contient la machine hydraulique et sert de siphon pour empêcher l'accès de bulle d'air dans la machine 10. Une soupape non représentée est prévue pour l'amorçage du siphon. La génératrice 31 peut être logé
supérieurement et en dehors de l'eau, comme représenté sur la figure 3, ou à l'intérieur d'une housse étanche submergée 2, comme sur la figure 1, selon la puissance requise et la dimension de la génératrice.
[040] L'eau sortant de la machine hydraulique 10 par la conduite de sortie 28 traverse la chambre inférieure 23 et sort par l'ouverture 29. Le déversoir 35 empêche la vidange de la seconde chambre 22 en cas d'interruption du flux d'eau. Selon la hauteur de chute disponible la conduite de sorrie peut être allongée vers le bas, afm d'augmenter la puissance hydraulique. En ce cas elle traverse le fond du caisson 20 par une ouverture pratiquée à cet effet. L'eau usée peut être retournée vers le cours d'eau d'origine ou employée pour d'autres usages, par exemple pour l'irrigation.
[041] Optionnellement un actuateur hydraulique non représenté sensible à la variation de pression des chambres 21 et 22 déclenche l'ouverture de la purge 31 ce qui à
pour effet de vider les sédiments ainsi que l'eau contenue dans la chambre 21 puis 22, ce qui provoque par inversion du courant d'eau le nettoyage du filtre à sable 30. La porte de purge se referme automatiquement dès que le cycle de purge est terminé, la machine se réamorçant également dès que les caissons 21 et 22 sont remplis automatiquement.
[042] Préférablement le caisson 20 est réalisé par meulage en un matériau plastique approprié, par exemple ABS. En cas d'une petite série il peut aussi être fabriqué en résine renforcée avec des fibres de verre ou par un autre procédé connu.
[043] Une autre variante de la présente invention est maintenant décrite avec référence aux figures 7 et 8. En cette variante la machine est logée à l'intérieur d'une tuyère droite 40. La roue hydraulique 4 est en amont par rapport à la structure de support 41.
La roue hydraulique présente un moyeu conique 45 vers l'amont, entouré par les pales fixes du diffuseur 3. La génératrice électrique se trouve à l'intérieur de la roue 4 et se compose d'un stator bobiné 32 solidaire de l'axe fixe 38, entouré par un rotor à
aimants permanents 33 solidaire de la roue 4.
[044] La roue 4 est libre de tourner autour de l'axe fixe grâce aux deux roulements 35 et 36. Avantageusement la roue 4 est posée, ou encliquetée sur l'axe 38, de manière à
pouvoir être simplement retirée sans besoin d'outils, si nécessaire. La gravité et la pression dynamique de l'eau sont suffisantes pour maintenir la roue 4 en place pendant le fonctionnement normal de la machine hydraulique.
[045] Optionnellement le volume intérieur de la roue 4 peut être rendu étanche à l'eau par un joint flexible ou un autre dispositif d'étanchéité. Toutefois la machine de l'invention peut aussi être exécutée en version non étanche, afin de simplifier la réalisation et le démontage. En ce cas l'air présente à l'intérieur de la roue 4 empêche la pénétration de l'eau. Des rainures divergentes vers l'extérieur ménagées entre les aimants permanents 33 facilitent l'expulsion de l'eau par effet centrifuge. En cette variante le stator bobiné est préférablement enrobé en résine imperméable pour le protéger des projections d'eau et les roulements 35 sont également protégés par graissage. Optionnellement on peut aussi utiliser des roulements étanches.
[046] La micro centrale de l'invention peut être adaptée à une grande variété
de conditions hydrauliques simplement en choisissant la dimension, donc la puissance de la machine, et le pas de la roue à aubes, comme déjà expliqué.
Avantageusement, la centrale peut être simplement installée à proximité d'une rivière, sans qu'un barrage ou des aeuvres de génie civil importants ne soient requis.

Claims

Revendications [001] Machine hydraulique modulaire de basse chute (10) comprenant:
au mois une roue hydraulique détachable manuellement (4), sur un axe ;
au moins un dispositif utilisateur (2, 31, 33, 34), entrainé par ledit axe, pour transformer l' énergie générée par ladite roue hydraulique (4);
un module de contrôle (50), pour prélever une partie de l'énergie générée par ladite roue hydraulique (4) et pour stabiliser la rotation de ladite roue hy-draulique (4) à une vitesse et une puissance de fonctionnement prédétenminées ;
caractérisée en ce que ladite machine hydraulique (10) peut être adaptée à des hauteurs de chute différentes par le replacement ou par l'ajustage de ladite roue hydraulique (4).

[002] Machine hydraulique modulaire selon la revendication 1 dans laquelle ledit dispositif utilisateur comprend une génératrice électrique (31).

[003] Machine hydraulique modulaire selon la revendication 2 dans laquelle ledit module de contrôle (50) agit sur le courant électrique généré par ladite gé-nératrice.

[004] Machine hydraulique modulaire selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle l'énergie prélevée par ledit module de contrôle est utilisée pour au mois une des utilisations suivantes : charge de batteries, dissipation dans des ré-sistances de décharge (51), production de froid ou de chaud, pompage de fluides, pompage d'eau potable.

[005] Machine hydraulique modulaire selon la revendication 1 dans laquelle ledit dispositif utilisateur comprend une pompe de fluide (33).

[006] Machine hydraulique selon la revendication 5 dans laquelle ledit module de.
contrôle (50) agit sur le débit prélevé de ladite pompe.

[007] Machine hydraulique modulaire selon la revendication 1 dans laquelle ledit dispositif utilisateur comprend un compresseur de fluide destiné à la production de froid.

[008] Machine hydraulique modulaire selon la revendication 1 dans laquelle ledit dispositif utilisateur comprend un générateur d'eau chaude et de vapeur.

[009] Machine hydraulique modulaire selon l'une des revendications précédentes, dans ledit module de contrôle (50) maintient ladite vitesse et ladite puissance de fonc-tionnement constantes sans variation du débit de ladite roue hydraulique.

[010] Microcentrale hydraulique, pour installation avec ou sans barrage, comprenant un caisson étanche (20), partagé en une première chambre (21) et une seconde chambre (22) par une cloison (25) ; ledit caisson comprenant :
une ouverture d' admission (28), pour amener l'eau dans ladite première chambre (21);
une grille de filtrage (26) pour retenir des composantes solides provenant dudit conduit d'admission, et une zone de décantation (24) dans ladite première chambre;
un filtre (31) mettant en communication ladite première chambre et ladite seconde chambre (22);
une machine hydraulique selon la revendication 1, logée dans ladite seconde chambre (22).

[0111 Une microcentrale hydraulique selon la revendication 10, comprenant, dans ladite première chambre, une porte de purge (31) actionnée automatiquement par un actuateur sensible la différence de pression entre lesdites première et seconde chambre, ladite porte de purge permettant l'élimination des sédiments de ladite zone de décantation (24).
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