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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Une guirlande qui donne du courant. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives L'apparition de datchas et même de fermes sur des friches éloignées du réseau électrique, la hausse galopante des prix du carburant et de l'électricité ont fait revivre les vieilles idées d'alimentation électrique autonome avec l'utilisation généralisée de l'énergie naturelle du soleil, du vent et de l'eau. En particulier, l'intérêt pour les mini- et micro-centrales hydroélectriques s'est accru. La centrale hydroélectrique en guirlande à écoulement libre (modèle de 1964) de V. Blinov a servi de prototype pour ceux à l'étude. Les centrales hydroélectriques dont il sera question sont à écoulement libre, avec une turbine plutôt originale issue des rotors dits Savonius enfilés sur un arbre de travail commun (peut-être flexible, composite). Ils ne nécessitent pas de barrages et d'autres ouvrages hydrauliques à grande échelle pour leur installation. Capable de fonctionner avec une efficacité totale même en eau peu profonde, ce qui, combiné à la simplicité, la compacité et la fiabilité de la conception, rend ces centrales hydroélectriques très prometteuses pour les agriculteurs et les jardiniers dont les parcelles sont situées à proximité de petits cours d'eau (rivières, ruisseaux et fossés).
Contrairement aux barrages, les centrales hydroélectriques à écoulement libre, comme on le sait, n'utilisent que l'énergie cinétique de l'eau qui coule. Pour déterminer la puissance, il y a une formule ici: N=0,5*p*V3*F*n(1), où N est la puissance sur l'arbre de travail (W), p est la densité de l'eau (1000 kt / m3), V - vitesse d'écoulement de la rivière (m/s), F - section transversale de la partie active (immergée) du corps de travail de la machine hydraulique (m2), n - efficacité de conversion d'énergie. Comme le montre la formule 1, à une vitesse de rivière de 1 m/s, idéalement (lorsque n = 1) une puissance égale à seulement 500 W par mètre carré de la partie active de la machine hydraulique tombe. Cette valeur est clairement faible pour un usage industriel, mais elle est tout à fait suffisante pour la ferme subsidiaire d'un agriculteur ou d'un résident d'été. De plus, elle peut être augmentée par le fonctionnement en parallèle de plusieurs "guirlandes hydrauliques". Et encore une subtilité. La vitesse de la rivière dans ses différentes parties est différente. Par conséquent, avant de commencer la construction d'une microcentrale hydroélectrique, il est nécessaire de déterminer le potentiel énergétique de votre rivière à l'aide d'une méthode simple décrite dans le premier numéro du magazine de 1996. On rappelle seulement que la distance parcourue par le flotteur mesureur et divisée par le temps de son passage correspondra à la vitesse moyenne d'écoulement dans cette section. Il convient également de noter que ce paramètre changera en fonction de la saison. Par conséquent, le calcul de la structure doit être effectué, guidé par la vitesse moyenne (pour la période de fonctionnement prévue de la microhydro) de la rivière. Ensuite, vous devez déterminer la taille de la partie active de la machine hydraulique et son type. Étant donné que l'ensemble de la micro-centrale hydroélectrique doit être aussi simple et facile à fabriquer que possible, le type de convertisseur le plus approprié est le rotor Savonius de la conception finale. Lorsque l'on travaille en immersion totale dans l'eau, la valeur de F peut être prise égale au produit du diamètre du rotor D par sa longueur L, et n = 0,5. La fréquence de rotation f avec une précision acceptable pour la pratique est déterminée par la formule : f=48V/3,14D (tr/min) (2). Pour rendre la centrale hydroélectrique aussi compacte que possible, la puissance spécifiée dans le calcul doit être corrélée à la charge réelle, dont l'alimentation électrique doit être fournie par la centrale microhydroélectrique (car, contrairement à une éolienne, le courant sera fourni en continu au réseau du consommateur ici). En règle générale, cette électricité est destinée à l'éclairage, à l'alimentation de la télévision, de la radio et du réfrigérateur. Et seul ce dernier est constamment inclus dans le travail pendant la journée. Le reste des appareils électriques fonctionnent principalement le soir. Sur cette base, il convient de se concentrer sur la puissance maximale d'un "guirlande hydraulique" de l'ordre de 250-300 W, couvrant la charge de pointe avec une batterie chargée à partir d'une centrale microhydroélectrique. La transmission du couple de l'arbre de travail de la centrale hydraulique à la poulie du générateur électrique est généralement réalisée à l'aide d'une transmission intermédiaire. Cependant, cet élément à proprement parler peut être exclu si le générateur utilisé dans la conception de la microcentrale hydroélectrique a une vitesse de rotation de fonctionnement inférieure à 750 tr/min. Cependant, la communication directe doit souvent être abandonnée. Après tout, pour la grande majorité des générateurs de production nationale, la vitesse de rotation de fonctionnement au début de la "livraison" de puissance se situe entre 1500 et 3000 tr/min. Cela signifie qu'une coordination supplémentaire des arbres de la centrale hydraulique et du générateur électrique est nécessaire. Eh bien, maintenant que la partie théorique préliminaire est terminée, examinons des conceptions spécifiques, chacune ayant ses propres mérites.
Voici, par exemple, une centrale microhydroélectrique semi-stationnaire à écoulement libre avec une disposition horizontale de deux rotors Savonius de type transversal coaxiaux, tournés de 90 ° l'un par rapport à l'autre (pour faciliter l'auto-démarrage) et reliés de manière rigide. De plus, les pièces et composants principaux de cette centrale hydroélectrique artisanale sont en bois, le matériau de construction le plus accessible et le plus "obéissant". La micro HPP proposée est submersible. C'est-à-dire que son cadre de support est situé en travers du cours d'eau au fond et est renforcé par des câbles étirables ou des poteaux (si, par exemple, il y a des passerelles, un quai pour bateaux, etc. à proximité). Ceci est fait afin d'éviter l'entraînement de la structure par le cours d'eau lui-même. Bien entendu, la profondeur de la rivière sur le site d'installation de la microcentrale hydroélectrique doit être inférieure à la hauteur du cadre de support. Dans le cas contraire, il est très difficile (voire impossible) d'éviter l'entrée d'eau dans le générateur électrique. Eh bien, si l'endroit où il est censé placer la centrale microhydroélectrique a une profondeur de plus de 1,5 m, ou s'il y a un débit élevé et un débit qui varie considérablement tout au long de l'année (ce qui, soit dit en passant, est assez typique pour cours d'eau alimentés par la neige), il est recommandé d'équiper cette conception de flotteurs. Cela facilitera également son déplacement une fois installé sur la rivière. La charpente de support de la microcentrale hydroélectrique est une charpente rectangulaire en bois, planches et rondins fixés avec des clous et des fils (câbles). Les parties métalliques de la structure (clous, boulons, pinces, coins, etc.) doivent être, si possible, en acier inoxydable ou autres alliages résistant à la corrosion. Eh bien, puisque l'exploitation d'une telle centrale microhydroélectrique n'est souvent possible en Russie que de manière saisonnière (en raison du gel de la plupart des rivières), puis après l'expiration de la période d'exploitation, toute la structure tirée à terre est soumise à une inspection approfondie. Changer en temps voulu les éléments en bois pourris, rouillés, malgré les précautions prises, les pièces métalliques. L'un des nœuds principaux de notre micro centrale hydroélectrique est une « guirlande hydroélectrique » de deux rotors fixés rigidement (et constituant un seul ensemble sur l'arbre de travail). Leurs disques sont faciles à fabriquer à partir de planches de 20 à 30 mm d'épaisseur. Pour ce faire, après en avoir fait un bouclier, à l'aide d'un compas, construisez un cercle d'un diamètre de 600 mm. Après cela, chacune des planches est coupée en fonction de la courbe obtenue sur celle-ci. Après avoir assemblé les flans sur deux lattes (pour donner la rigidité requise), ils répètent tout trois fois - en fonction du nombre de disques requis. Quant aux lames, il est conseillé de les fabriquer en tôle de toiture. Et mieux - à partir de conteneurs cylindriques en acier inoxydable (barils) de taille appropriée et coupés en deux (le long de l'axe), dans lesquels les engrais agricoles et autres matériaux agressifs sont généralement stockés et transportés. Dans des cas extrêmes, les pales peuvent également être en bois. Mais leur poids (surtout après un long séjour dans l'eau) va fortement augmenter. Et cela doit être rappelé lors de la création de microcentrales hydroélectriques sur flotteurs. Des supports de pointes sont fixés aux extrémités de la "guirlande hydroénergétique". En fait, ce sont des cylindres courts avec une large bride et une fente d'extrémité pour une clé. La bride est fixée au disque de rotor respectif avec quatre boulons.
Pour réduire les frottements, des roulements sont prévus situés sur les traverses médianes. Et comme les roulements à billes ou à rouleaux ordinaires ne conviennent pas au travail dans l'eau, ils utilisent ... des roulements en bois faits maison. La conception de chacun d'eux se compose de deux pinces et de plaques d'insertion avec un trou pour le passage du support de pointe. De plus, les coussinets intermédiaires sont positionnés de manière à ce que les fibres de bois soient ici parallèles à l'arbre. De plus, des mesures spéciales sont prises pour s'assurer que les plaques d'insertion sont fixées de manière rigide à partir des déplacements latéraux. Faites-le à l'aide de boulons de serrage. En tant que générateur électrique dans la centrale microhydroélectrique considérée, n'importe laquelle des automobiles est utilisée. Ils délivrent 12-14 V DC et se connectent facilement à la fois à la batterie et aux appareils électriques. La puissance de ces machines est d'environ 300 watts.
La conception d'une centrale microhydroélectrique portable avec une disposition verticale d'une "guirlande" et d'un générateur est tout à fait acceptable pour l'autoproduction. Une telle centrale hydroélectrique, selon l'auteur de l'aménagement, est la moins gourmande en matériaux. La structure de support de l'installation, qui fixe sa position dans le lit de la rivière, est une tige d'acier creuse (par exemple, à partir de sections de tuyaux). Sa longueur est choisie en fonction de la nature du fond du cours d'eau et de la vitesse du courant. De plus, telle que l'extrémité pointue de la tige, enfoncée dans le fond, garantirait la stabilité de la microcentrale hydroélectrique et son indissociabilité par sa course. Il est également possible d'utiliser des vergetures supplémentaires. Après avoir déterminé la surface active du rotor par la formule (1) et mesuré la profondeur de la rivière à l'endroit où la centrale microhydroélectrique a été installée, il est facile de calculer le diamètre des rotors Savonius utilisés ici. Pour rendre la conception simple et auto-amorçante, il est conseillé de réaliser une "guirlande hydraulique" de deux rotors reliés de manière à ce que les pales du premier soient décalées de 90° par rapport au second (selon l'axe de rotation). De plus, pour augmenter l'efficacité du travail, la structure du côté du flux venant en sens inverse est équipée d'un bouclier qui joue le rôle d'une aube directrice. Eh bien, l'arbre de travail est monté dans des paliers lisses des supports supérieur et inférieur. En principe, avec une courte durée de fonctionnement d'une microcentrale hydroélectrique (par exemple, lors d'un voyage en camping), des roulements à billes de grand diamètre peuvent également être utilisés. Cependant, s'il y a du sable ou du limon dans l'eau, après chaque utilisation, ces appareils devront être lavés à l'eau claire. La fixation des supports à la tige est boulonnée et soudée, en fonction du poids de la "guirlande hydraulique" et de la nécessité de la démonter en plusieurs parties. L'extrémité supérieure de l'arbre de travail de la machine hydraulique est également l'arbre d'entrée du multiplicateur, qui (comme le plus simple et le plus technologique) peut être utilisé comme courroie. Le générateur électrique est repris par automobile. Il est facile de le fixer à la tige de support avec une pince. Et les fils eux-mêmes provenant du générateur doivent avoir une étanchéité fiable. Dans les illustrations, les proportions géométriques exactes de la transmission intermédiaire ne sont pas représentées de manière conventionnelle, car elles dépendent des paramètres du générateur particulier dont vous disposez. Eh bien, les courroies de transmission peuvent être fabriquées à partir d'une vieille caméra de voiture en la coupant en bandes de 20 mm de large, puis en les tordant en faisceaux. Pour l'alimentation électrique des petits villages, une centrale microhydroélectrique en guirlande conçue par V. Blinov convient, qui n'est rien de plus qu'une chaîne de rotors Savonius en forme de tonneau d'un diamètre de 300 à 400 mm, montés sur un câble flexible s'étendait sur le fleuve. Une extrémité du câble est attachée à un support articulé, et l'autre par un simple multiplicateur à l'arbre du générateur. À un débit de 1,5 à 2,0 m/s, la chaîne de rotors atteint 90 tr/min. Et la petite taille des éléments de la "guirlande hydroélectrique" permet de faire fonctionner cette microcentrale hydroélectrique sur des rivières d'une profondeur inférieure à un mètre. Il faut dire qu'avant 1964, V. Blinov a réussi à créer plusieurs micro-centrales hydroélectriques portables et fixes de sa propre conception, dont la plus grande était une centrale hydroélectrique construite près du village de Porozhki (région de Tver). Une paire de guirlandes alimentait ici deux générateurs autotracteurs standard d'une puissance totale de 3,5 kW. Auteur : I.Dokukin
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