Centrale hydroélectrique à faire soi-même : comment construire une mini-centrale autonome

La force du courant d'eau est une ressource naturelle renouvelable qui permet d'obtenir de l'électricité pratiquement gratuite. L'énergie offerte par la nature vous donnera la possibilité de faire des économies sur les services publics et de résoudre le problème de la recharge des appareils.

Si un ruisseau ou une rivière coule près de chez vous, il vaut la peine de les utiliser. Ils pourront fournir de l'électricité au terrain et à la maison. Et si vous construisez vous-même une centrale hydroélectrique, l'effet économique est démultiplié.

L'article présenté décrit en détail les technologies de fabrication de petits ouvrages hydrauliques privés. Nous vous avons indiqué ce qui est nécessaire pour installer le système et le raccorder aux consommateurs. Vous découvrirez ici toutes les variantes de fournisseurs d'énergie miniatures assemblés à partir de matériaux de récupération.

Centrales hydroélectriques à usage non industriel

Les centrales hydroélectriques sont des installations capables de convertir l'énergie du mouvement de l'eau en électricité. Les fournisseurs d'électricité alternatifs “verts” ne sont encore activement exploités qu'en Occident. Sur le territoire de notre pays, ce secteur prometteur ne fait que ses premiers pas timides.

Les petites centrales hydroélectriques privées peuvent être des barrages sur de grands fleuves, produisant de quelques dizaines à plusieurs centaines de mégawatts, ou des mini-centrales d'une puissance maximale de 100 kW, ce qui est largement suffisant pour les besoins d'une maison individuelle. C'est de ces dernières que nous allons en apprendre davantage.

Centrale en guirlande à vis hydrauliques

La structure se compose d'une chaîne de rotors fixés sur un câble en acier flexible tendu en travers de la rivière. Le câble lui-même joue le rôle d'arbre rotatif, dont une extrémité est fixée sur un palier de support, et l'autre actionne l'arbre du générateur.

Chaque hydrorotor de la « guirlande » peut produire environ 2 kW d'énergie, à condition toutefois que la vitesse du courant d'eau soit d'au moins 2,5 mètres par seconde et que la profondeur du plan d'eau ne dépasse pas 1,5 m.

Le principe de fonctionnement d'une centrale hydroélectrique en guirlande est simple : la pression de l'eau fait tourner les hydrovisses, qui à leur tour font tourner le câble et amènent le générateur à produire de l'énergie.

Les centrales en guirlande étaient déjà utilisées avec succès au milieu du siècle dernier, mais le rôle des vis était alors joué par des hélices de fortune et même des boîtes de conserve. Aujourd'hui, les fabricants proposent plusieurs types de rotors pour différentes conditions d'exploitation.

Ils sont équipés de pales de différentes tailles, fabriquées en tôle, et permettent d'obtenir un rendement maximal de la centrale.

Mais bien que cet hydrogénérateur soit assez simple à fabriquer, son exploitation implique un certain nombre de conditions particulières, pas toujours réalisables dans la vie réelle. De telles installations obstruent le lit de la rivière, et il est peu probable que les riverains, sans parler des représentants des services environnementaux, autorisent l'utilisation de l'énergie du courant à vos fins.

De plus, en hiver, l'installation ne peut être utilisée que sur des plans d'eau non gelés, et dans des conditions climatiques rigoureuses, elle doit être mise en conservation ou démontée. C'est pourquoi les centrales en guirlande sont construites temporairement et principalement dans des zones désertes (par exemple, près des pâturages d'été).

Les stations rotatives d'une puissance de 1 à 15 kWh produisent jusqu'à 9,3 MW par mois et permettent de résoudre de manière autonome le problème d'électrification dans les régions éloignées des réseaux centralisés.

L'analogue moderne des installations en guirlande – les stations cadre submersibles ou flottantes à rotors transversaux. Contrairement à leur prédécesseur en guirlande, ces structures ne barrent pas toute la rivière, mais n'utilisent qu'une partie du lit, et elles peuvent être installées sur un ponton/radeau ou même posées au fond du plan d'eau.

Rotor vertical Darrieus

Le rotor Darrieus est un dispositif de turbine nommé d'après son inventeur en 1931. Le système se compose de plusieurs pales aérodynamiques fixées sur des poutres radiales et fonctionne grâce à la différence de pression selon le principe de «l'aile portante», largement utilisé dans la construction navale et l'aviation.

Bien que ces installations soient plus souvent utilisées pour créer des éoliennes, elles peuvent également fonctionner avec l'eau. Mais dans ce cas, des calculs précis sont nécessaires pour choisir l'épaisseur et la largeur des pales en fonction de la force du courant d'eau.

Le rotor Darrieus ressemble à une «éolienne», mais installé sous l'eau, et il peut fonctonner indépendamanent des variations saisonières de la vitesse du courant.

Pour créer des centrales hydroélectriques locales, les rotors verticaux sont rarement utilisés. Malgré un bon rendement et une apparente simplicité de construction, l'équipement est assez complexe à exploiter.

Avant de commencer le travail, le système doit être «lancé», mais seule la congélation du plan d'eau peut arrêter la station en marche. C'est pourquoi le rotor Darrieus est principalement utilisé dans les enterprises industrielles.

Une solution intéressante dans le domaine de la conception de petites centrales hydroélectriques avec turbine verticale a été proposée par l'inventeur autrichien Franz Zotlöterer:

Un avantage important des centrales à vortex est, à juste titre, la préservation des ressources halieutiques. Le fonctionnement de la turbine verticale ne nuit pas aux organismes vivants de la rivière. De plus, la vase ne s'accumule pas sur les parois des ouvrages en raison du mouvement spécifique du courant d'eau.

Hélice sous-marine

En substance, il s'agit de la plus simple éolienne aérienne, mais elle est installée sous l'eau. Les dimensions des pales, pour garantir une vitesse de rotation maximale et une résistance minimale, sont calculées en fonction de la force du courant. Par exemple, si la vitesse du courant ne dépasse pas 2 m/s, la largeur de la pale doit être comprise entre 2 et 3 cm.

Il n'est pas difficile de fabriquer une hélice sous-marine de ses propres mains, mais elle ne convient qu'aux rivières profondes et rapides – dans une étendue d'eau peu profonde, les pales rotatives peuvent blesser les pêcheurs, les baigneurs, les oiseaux aquatiques et les animaux.

Cette éolienne est installée « face » au courant, mais ses pales fonctionnent non pas grâce à la pression de l'eau, mais grâce à la portance (selon le principe de l'aile d'avion ou de l'hélice de navire).

Roue hydraulique à aubes

La roue hydraulique est l'un des types les plus simples de moteur hydraulique, connu depuis l'Empire romain. L'efficacité de son fonctionnement dépend en grande partie du type de source sur lequel elle est installée.

La roue à augets inférieurs ne peut tourner que grâce à la vitesse du courant, tandis que la roue à augets supérieurs tourne grâce à la pression et au poids de l'eau qui tombe d'en haut sur les pales.

En fonction de la profondeur et du lit du cours d'eau, différents types de roues peuvent être installés :

• Roues à augets inférieurs (ou par en dessous) – conviennent aux rivières peu profondes au courant rapide.
• Roues à aubes médianes (ou breastshot) – sont placées dans les lits avec des cascades naturelles de sorte que le courant frappe approximativement le milieu du tambour rotatif.
• Roues à augets supérieurs (ou par dessus) – sont installées sous un barrage, un tuyau ou dans la partie inférieure d'un seuil naturel, de sorte que l'eau tombante continue son chemin par le sommet de la roue.

Mais le principe de fonctionnement est le même pour toutes les variantes : l'eau frappe les pales et actionne la roue, qui fait tourner le générateur d'une micro-centrale hydroélectrique.

Les fabricants d'équipements hydrauliques proposent des turbines prêtes à l'emploi, dont les pales sont spécialement adaptées à une vitesse d'écoulement donnée. Mais les bricoleurs amateurs fabriquent des structures à tambour à l'ancienne, à partir de matériaux de récupération.

La série de photos suivante vous permettra de découvrir les étapes de construction de la version la plus simple d'une micro-centrale hydroélectrique :

Il est possible que le manque d'optimisation affecte les performances, mais le coût de l'équipement artisanal sera plusieurs fois inférieur à celui d'un équivalent du commerce. C'est pourquoi la roue à eau est l'option la plus populaire pour organiser sa propre mini-centrale hydroélectrique.

Conditions d'installation d'une centrale hydroélectrique

Malgré le faible coût alléchant de l'énergie produite par l'hydrogénérateur, il est important de prendre en compte les caractéristiques de la source d'eau dont vous prévoyez d'utiliser les ressources pour vos besoins personnels.

En effet, tous les cours d'eau ne conviennent pas à l'exploitation d'une mini-centrale hydroélectrique, surtout en continu tout au long de l'année, il est donc prudent d'avoir en réserve la possibilité de se raccorder au réseau centralisé.

Quelques avantages et inconvénients

Les principaux avantages d'une centrale hydroélectrique individuelle sont évidents : un équipement peu coûteux qui produit de l'électricité bon marché et qui, de plus, ne nuit pas à la nature (contrairement aux barrages qui bloquent le cours de la rivière). Cependant, on ne peut pas qualifier le système de totalement sûr – les éléments rotatifs des turbines peuvent en effet blesser les habitants du monde sous-marin et même les humains.

Pour prévenir les accidents, la centrale hydroélectrique doit être clôturée, et si le système est complètement immergé, un panneau d'avertissement doit être installé sur la rive.

Avantages de la mini-centrale hydroélectrique :

1. Contrairement à d'autres sources d'énergie « gratuites » (panneaux solaires, éoliennes), les systèmes hydroélectriques peuvent fonctionner indépendamment de l'heure du jour et des conditions météorologiques. La seule chose qui peut les gêner est le gel du plan d'eau.
2. Pour installer un hydrogénérateur, il n'est pas nécessaire d'avoir une grande rivière – les mêmes roues à eau peuvent être utilisées avec succès même dans des ruisseaux peu profonds (mais rapides !).
3. Les installations n'émettent pas de substances nocives, ne polluent pas l'eau et fonctionnent pratiquement en silence.
4. Pour l’installation d’une mini-centrale hydroélectrique d’une puissance allant jusqu’à 100 kW, il n’est pas nécessaire de préparer des documents d’autorisation (bien que tout dépende des autorités locales et du type d’installation).
5. L’excédent d’électricité peut être vendu aux maisons voisines.

En ce qui concerne les inconvénients – un courant insuffisant peut constituer un obstacle sérieux à l’exploitation productive de l’équipement. Dans ce cas, vous devrez construire des structures auxiliaires, ce qui entraîne des coûts supplémentaires.

Si l'énergie potentielle d'une rivière située à proximité ne suffit pas, selon un calcul approximatif, à produire une quantité d'électricité suffisante pour une utilisation pratique, il convient de s'intéresser aux méthodes de construction d'éoliennes. L'éolienne constituera un complément efficace.

Mesure de la force du courant d'eau

La première chose à faire pour réfléchir au type et à la méthode d’installation de la centrale est de mesurer la vitesse du courant d’eau à la source choisie.

La méthode la plus simple consiste à déposer un objet léger (par exemple une balle de tennis, un morceau de polystyrène ou un flotteur de pêche) sur le courant et à chronométrer le temps qu’il met pour parcourir la distance jusqu’à un repère. La distance standard pour cette « nage » – est de 10 mètres.

Si le plan d’eau est assez éloigné de la maison, vous pouvez construire un canal de dérivation ou une canalisation, et en profiter pour aménager des dénivelés.

Il faut maintenant diviser la distance parcourue en mètres par le nombre de secondes – ce sera la vitesse du courant. Mais si la valeur obtenue est inférieure à 1 m/s, vous devrez construire des structures artificielles pour accélérer le flux à l’aide de dénivelés.

Cela peut être réalisé à l’aide d’un barrage démontable ou d’un tuyau d’évacuation étroit. Mais sans un bon courant, vous devrez abandonner l’idée de la centrale hydroélectrique.

Fabrication d'une centrale hydroélectrique à base de roue hydraulique

Bien sûr, assembler « de bric et de broc » et ériger une machine destinée à desservir une entreprise ou une localité même d’une dizaine de maisons relève de la science-fiction. Mais construire de vos propres mains une mini-centrale hydroélectrique pour économiser l’électricité est tout à fait réalisable. Vous pouvez utiliser à la fois des composants prêts à l’emploi et des matériaux de récupération.

Nous allons donc examiner étape par étape la fabrication de la structure la plus simple – la roue à eau.

Matériaux et outils nécessaires

Pour fabriquer une mini-centrale hydroélectrique de vos propres mains, vous devez préparer un poste à souder, une meuleuse, une perceuse et un ensemble d’outils auxiliaires – marteau, tournevis, règle.

Les matériaux nécessaires sont :

• Cornières et tôle d’une épaisseur d’au moins 5 mm.
• Tuyaux en PVC ou en acier galvanisé pour la fabrication des pales.
• Générateur (vous pouvez utiliser un générateur acheté prêt à l’emploi ou le fabriquer vous-même, comme dans cet exemple).
• Disques de frein.
• Arbre et roulements.
• Contreplaqué.
• Résine de polystyrène pour le coulage du rotor et du stator.
• Fil de cuivre de 15 mm pour le générateur fait maison.
• Aimants en néodyme.

Tenez compte que la structure de la roue sera constamment en contact avec l'eau, donc les éléments métalliques et en bois doivent être choisis avec une protection contre l'humidité (ou il faut veiller à les imprégner et les peindre vous-même). Idéalement, le contreplaqué peut être remplacé par du plastique, mais il est plus facile de se procurer des pièces en bois et de leur donner la forme souhaitée.

Assemblage de la roue et fabrication de la buse

La base de la roue elle-même peut être constituée de deux disques en acier de même diamètre (si vous avez la possibilité de trouver un tambour en acier de câble – parfait, cela accélérera considérablement le processus d'assemblage).

Mais si vous n'avez pas de métal sous la main, vous pouvez découper des cercles dans du contreplaqué résistant à l'eau, bien que la résistance et la durée de vie du bois même traité ne soient pas comparables à celles de l'acier. Ensuite, sur l'un des disques, il faut découper une ouverture circulaire pour l'installation du générateur.

Ensuite, on fabrique les pales, et il en faudra au moins 16. Pour cela, les tubes galvanisés sont coupés dans le sens de la longueur en deux ou quatre parties (selon le diamètre). Ensuite, les zones de coupe et la surface des pales doivent être poncées pour réduire les pertes d'énergie par frottement.

Les pales sont installées avec une inclinaison d'environ 40 à 45 degrés – cela permettra d'augmenter la surface sur laquelle la force du flux agira.

La distance entre les deux disques latéraux doit être aussi proche que possible de la longueur des pales. Pour marquer l'emplacement des futurs moyeux, il est recommandé de réaliser un gabarit en contreplaqué sur lequel sera indiqué l'emplacement de chaque pièce et les trous pour fixer la roue au générateur. Le repérage terminé peut être fixé sur la face extérieure de l'un des disques.

Ensuite, les cercles sont installés parallèlement les uns aux autres à l'aide de tiges filetées, et les pales sont soudées ou fixées par boulons aux positions souhaitées. Le tambour tournera sur des roulements, et un cadre constitué de cornières ou de tubes de petit diamètre est utilisé comme support.

À ce stade, l'assemblage du tambour peut être considéré comme terminé ; il reste à l'équiper d'un générateur artisanal et d'une buse dirigeant le flux d'eau.

La buse est conçue pour les sources d'eau de type cascade – une telle installation permettra d'utiliser au maximum l'énergie du flux. Cet élément auxiliaire est fabriqué en cintrant de la tôle métallique puis en soudant les joints, et il est ensuite emmanché sur un tube.

Cependant, si dans votre région coule une rivière de plaine sans rapides ni autres obstacles en hauteur, cette pièce n'est pas nécessaire.

Il est important que la largeur de l'orifice de sortie de la buse corresponde à la largeur de la roue elle-même, sinon une partie du flux passera « à vide », sans frapper les pales.

Maintenant, il faut enfiler la roue sur l'essieu et la fixer sur un support en cornières soudées ou boulonnées. Il ne reste plus qu'à fabriquer un générateur (ou en installer un prêt à l'emploi) et on peut se rendre à la rivière.

Générateur à fabriquer soi-même

Pour fabriquer un générateur artisanal, il faut réaliser le bobinage et le coulage du stator, pour lesquels vous aurez besoin de bobines de 125 spires de fil de cuivre chacune. Une fois connectées, l'ensemble est coulé avec de la résine polyester.

Chaque phase est constituée de trois bobines connectées en série, donc le couplage peut être fait en étoile ou en triangle avec plusieurs sorties externes.

Maintenant, il faut préparer un gabarit en contreplaqué de la même taille que le disque de frein.

Sur l'anneau en bois, on effectue le marquage et on réalise des fentes pour installer les aimants (dans ce cas, des aimants en néodyme de 1,3 cm d'épaisseur, 2,5 cm de largeur et 5 cm de longueur). Ensuite, le rotor obtenu est également coulé avec de la résine et, après séchage, – il est fixé au tambour de la roue.

Roue à eau avec rotor en disques de frein et générateur en bobines de fil de cuivre – peinte, présentable et prête à l'emploi.

En dernier, on installe un boîtier en aluminium avec un ampèremètre, qui recouvre les redresseurs. Le rôle de ces éléments est de convertir le courant triphasé en courant continu.

Après avoir installé la roue dans le courant d'une petite rivière avec une cascade ou un tuyau de dérivation, on peut s'attendre à une production de la mini-centrale de 1,9 A * 12 V à 110 tours par minute.

Pour éviter que des feuilles, du sable et autres débris apportés par le courant n'entrent dans la roue, il est conseillé de placer un grillage de protection devant l'appareil.

On peut également expérimenter avec les espacements entre les aimants et les bobines avec un nombre accru de spires pour augmenter le rendement de la centrale hydraulique.

Vous en apprendrez plus sur tous les types de sources d'énergie alternatives en lisant l'article consacré à l'intégration des “technologies vertes” dans la vie quotidienne.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo #1. Exemple d'une installation hydraulique fonctionnelle avec un générateur artisanal basé sur un moteur triphasé :

Vidéo #2. Mini-centrale hydroélectrique conçue selon le principe de la roue à eau :

Vidéo #3. Station basée sur une roue de vélo – une solution intéressante pour l'alimentation électrique lors de séjours loin de la civilisation :

Comme vous le voyez, construire une mini-centrale hydroélectrique de ses propres mains n'est pas si difficile. Mais comme la plupart des calculs et des paramètres de ses composants sont déterminés « à l'œil », il faut être prêt à faire face à d'éventuelles pannes et aux coûts associés.

Si vous estimez manquer de connaissances et d'expérience dans ce domaine, il est préférable de faire confiance à des spécialistes qui effectueront tous les calculs nécessaires, vous conseilleront l'équipement optimal pour votre cas et réaliseront son installation de manière professionnelle.

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