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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.
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[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
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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
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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
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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
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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.
