Conception et ralisation d'une hydrolienne domestique

Attention : limplantation d'une installation hydro-lectrique ncessite d'obtenir une autorisation pralable auprs du services des eaux et fort de la DDT dont dpend votre proprit.

I- Donnes de dpart

1)- Recueil des donnes hydrologiques de votre cours d'eau :

Si comme moi vous avez de la chance, une simple recherche de votre cours d'eau sur Wikipdia peux vous donner les renseignements ncessaires l'estimation de vos capacits de production .

Ainsi, j'ai pu avoir les donnes suivantes : Dbit moyen : 2,00 m3 s Dbit moyen mensuel : De 0,4 m3 s en aot a 4m 3 s en fvrier Record niveau le plus bas : 0,15m3 s *QIX 2 : 20 m3 s *QIX 5 : 30 m3 s *QIX 10 : 35 m3 s *QIX 20 : 40 m3 s *QIX 50 :50 m3 s

*QIX : le QIX, ou quantit instantane maximale , est la valeur du dbit instantan maximal d'un cours d'eau sur unepriode donne (source :Wikipedia)

Comme vous pouvez le constater, il s'agit d'un court d'eau extrmement irrgulier avec un rapport de 1:10 sur une anne classique et suprieur 1:100 si l'on prend les records.

2)- Dfinir le lieux d'installation :

Il faut maintenant choisi un lieu sur votre cours d'eau o installer votre hydrolienne. Il faut que ce soit facilement accessible pour la maintenance et qu'il y est une concentration naturelle du courant pour limiter toute intervention sur le lieu.

Une fois le lieu choisit il y a deux approche possible : Relever la topologie exacte du lieu pour concevoir une hydrolienne qui

sadapte parfaitement au lieu et vos besoin Concevoir une hydrolienne qui s'adapte parfaitement vos besoin mais qui

ncessiteras une intervention mineure sur le cours d'eau pour tre pleinement oprationnelle.

J'ai finalement choisi la seconde solution pour plusieurs raisons : Difficults relever la topologie du lieu. Ncessit de concevoir un appareil trs petit et discret pour limiter les risques

de vol mais aussi pour diminuer les cot de production.

http://fr.wikipedia.org/wiki/QIX_(hydrologie)

Barrage naturellement prsent sur mon cours d'eau me permettant de n'avoir que d'infime modification faire.

3)- Estimation des besoins lectriques

Il y a plusieurs solution pour estimer ses besoin lectrique. On peut regarder sa facture EDF, relever son compteur ou encore estimer approximativement partir de la consommation moyenne de chaque appareils.

Sagissant pour moi de raliser une installation lectrique totalement hors rseau, il faut que je soit capable de produire l'intgralit de mes besoin grce cette hydrolienne. Mme si terme je disposerais de 3 sources diffrentes (Hydro, Solaire et Groupe lectrogne GPL) chacune d'entre elle doit tre capable de couvrir intgralement mes besoins, le tout en tant coupl un parc de batterie. Le gros avantage du couple Hydro/Solaire c'est que ces deux moyens de production sont totalement complmentaire. En effet, le dbit d'un cours d'eau baisse lorsqu'il n'y pas de pluie et donc lorsqu'il y a du soleil.

Pour ma part, ma consommation quotidienne varie entre 4Kwh et 8Kwh/jours.

Dans l'idal, j'ai donc besoin de produire en poyenne:

8000w/h / 24h= 333W

II-Conception de l'hlice

1- Contraintes de dpart

Avant de se lancer dans la conception, il vaut mieux se remmorer les contraintes auxquels on vas devoir rpondre afin de ne rien oublier.

Voici les miennes : Produire 330w au minimum. Ne pas dpasser 60cm de hauteur (c'est mon estimation de la hauteur minimale du

cours d'eau et mon ide de dpart tait d'avoir un appareil totalement immerg avec une partie tanche contenant le gnrateur.)

Rendre indtectable. Limiter au maximum les cot de production.

2- Conception basique de l'hlice :

A partir de mes contraintes de dpart j'ai tout d'abord dfinie la taille de mon hlice. Puisque mon hydrolienne ne devais pas dpasser les 60cm de haut. Comme je devais au vue de mes premier croquis, rserver environ la moiti de cette hauteur au gnrateur, cela me laissait donc une hauteur de 30cm. Lhlice devait donc entrer dans un carr de 30cm de cot.

J'ai ensuite enlev ces 30 cm une marge de 6cm, n'ayant a ce moment l qu'une vague ide de la manire dont jallais cartriser le tout. Cela me laissait donc une hlice de 24cm de diamtre.

Ce pose alors la question de la faisabilits.

Est-il possible de produire 330w avec une hlice de 24cm compte tenus des donnes hydrologique dont je dispose ?

Pour cela je me suis tout d'abord servis d'hliciel pour voir ce qu'il tait possible de produire avec une telle hlice. Voila la procdure :

1-Crez un projet d'hlice de captage d'eau

2- Changez le rayon au bout de la pale

3- Aprs avoir lanc la modlisation (A) Lancez une analyse multiple (B)

4- Cochez la case puissance utile puis lancez l'analyse multi-points

La courbe qui nous intresse est celle de la puissance utile qui dans ce cas ci correspond la colonne puissance cintique . Il s'agit de la puissance maximale qui pourrait tre produite par ce courant avec une hlice de cette taille dans un systme parfait.

Seulement un systme parfait a n'existe pas :

Tout d'abord il existe une loi physique qui sappelle la limite de betz, qui indique que la puissance maximale thorique dveloppe par un capteur olien est gale 16/27 de la puissance incidente du vent qui traverse soit environ 0,59*la puissance utile.Mais la encore il s'agit d'un idal

A cela on doit ajouter aussi tout les perte venir qu'elles soit mcaniques ou lectriques. Je suis donc partis sur un rendement maximal de 0,4 mais je conseille plutt de partir sur 0,3 au maximum. C'est dire que pour chaque watt de puissance utile, je ne rcuprerais certainement que 0,3w.

La puissance utile ncessaire pour produire 330w est donc de 330/0,3=1100W

Si l'on retourne notre tableau, on voit que cette puissance est atteinte pour une vitesse comprise entre 3,222 et 4,333m/s :

En relanant une analyse mais en affinant la plage, on voit que cette puissance est atteinte

une vitesse de 3,7m/s :

Ce pose alors une nouvelle question.

Peut-on atteindre cette vitesse avec notre cours d'eau ?

Pour savoir cela, nous devons calculer combien de m3 s doivent passer par le carr contenant l'hlice pour atteindre cette vitesse. Il faut appliquer la formule suivantes :Aire du carr(m) X Vitesse atteindre (m/s) = Dbit ncessaire (m3 s)0,3 * 3,7= 0,333 m3 s

Mis en rapport avec les relevs d'hydrologie dont on dispose, on ce rend compte que pour un dbit moyen : 2,00 m3 s /0,333 cela reprsente 1/6 du dbit, pour fvrier cela reprsente 1/12 me du dbit et pour aot cela reprsente la quasi totalit du dbit. On remarque aussi qu'en priode de scheresse record, il n'y a pas assez de dbit pour produire nos 330W.

Mme si cela n'est pas parfait, cela me conviens tout de mme une fois mis en relation avec le lieu choisit.

On part donc sur une hlice de diamtre 24cm fonctionnant avec une vitesse de 3,7m/s.

3- Conception approfondie de l'hlice. :

Le logiciel hliciel est vraiment trs intuitif. Pour ma part j'ai prfr ttonner pour trouver la meilleure configuration possible, avec le moins d'erreurs possible, en conservant pour seule paramtres fixe le diamtre de l'hlice et un fonctionnement idal 3,7m/s mais que vous trouverais des informations pour faire cela bien mieux que moi sur le site d'heliciel.

Au final, j'ai obtenu une hlice avec ces caractristiques : deux pales

vitesse 800rpm Rayon pied de pale : 24mm (20%) Corde pied de pale 84mm Corde bout de pale 13,2mm

4- Modlisation et export au format .STL :

Je me suis servis de la mthode que vous trouverez ICI pour rcuprer mon hlice au format .STL afin de pouvoir utiliser mon hlice dans un logiciel de CAO et plus tard pour la faire imprimer

5- Trouver le gnrateur adquat :

Il est quasiment impossible de trouver un gnrateur qui gnre exactement la bonne puissance au mme nombre de tour/minute. Mais il faut au maximum diminuer le rapport entre l'arbre de l'hlice et l'arbre du gnrateur pour diminuer les pertes dut la transmission ainsi que l'usure des pices.

Je me suis orient vers un gnrateur de ce genre.http://www.windbluepower.com/Permanent_Magnet_Alternator_Wind_Blue_Low_Wind_p/dc-540.htm Pas exactement le mme puisque j'ai eu la chance d'en trouver un la moiti de ce prix l sur ebay mais avec exactement les mmes performances.Cet alternateur aimant permanent gnre du 300w au alentours de 500 rpm, ce qui me donne un rapport plutt bon puisqu'il est de 1,6 (800/500), c'est dire que l'hlice aura besoin de faire un tour et demi pendant que le moteur n'en fait qu'un pour que je puisse gnrer du 300W.

III- De la CAO au prototype :

Tout la conception a tait ralise sur en CAO avec le logiciel solidworks mais il est tout fait possible de faire la mme chose avec un logiciel open source. Dans les prochain paragraphe je traite de chaque partie de l'hydrolienne individuellement de sa conception son prototypage mais il est vident que j'ai attendu d'avoir conus l'intgralit de mon systme en CAO avant de commander la moindre pice.

1- L'hlice :

Pour l'hlice, je me suis dans un premier temps orient vers mecaflux qui la capacit de raliser des prototype. Malheureusement, il ne pouvais raliser celle de mon projet, mais sur leurs conseils,

http://www.windbluepower.com/Permanent_Magnet_Alternator_Wind_Blue_Low_Wind_p/dc-540.htmhttp://www.windbluepower.com/Permanent_Magnet_Alternator_Wind_Blue_Low_Wind_p/dc-540.htmhttp://www.mecaflux.com/suite/redacteurs%20partenaires/TutoPrototypageMaison/Tutoriel%20Prototypage%20Maison%20Pale.html

je me suis tout de mme orient vers une conception proche de ce qu'ils proposent avec un moyeux en 2 partie prenant en taux les deux pales indpendantes l'aide de deux boulons et fix l'arbre l'aide d'une vis de pression.

Voici les prototype que mecaflux propose de raliser

Raliser les plans des deux parties du moyeux tait assez simple en m'aidant de solidworks :

J'ai confi le travail d'usinage un autoentrepreneur trouv sur le site usineur.fr. Les deux pices du moyeux ont t ralises en aluminium et reus en moins de 3 jours pour 55.

Voici le rsultat :

http://www.usineur.fr/http://www.heliciel.com/prototypes%20helices/montage%20helice%20a%20pales%20reglables.htm

La vraie difficult t de raliser les 2 pales.

J'ai dgag trois solution : Faire usiner les pices Faire imprimer les pices Les raliser moi mme par moulage

A mon grand tonnement, il s'est avr que l'option de faire imprimer la pice tait la moins onreuse mais qu'en plus le matriaux semblait compatible avec mon projet. A l'heure actuelle, aprs plusieurs essai cela semble se vrifier.

Je suis pass par le site https://www.shapeways.com dont les prix sont trs comptitifs et j'ai fais raliser la pice en nylon non poli partir de mon fichier .STL.

Bien que la finesse des dtails des pales dpasse lgrement les capacits thorique de leurs imprimante 3D, ils proposent une option permettant de passer outre ces limitations. Je l'ai choisi en croisant un peu les doigts et ne l'ai vraiment pas regrett ; l'impression tait quasi-parfaite.Voici le rsultat :

https://www.shapeways.com/

2- La transmission :

Le site HPC-europe, spcialis dans la vente de pices mcanique en tout genre, met gratuitement la disposition de tous une bibliothque contenant toute ses rfrences modlises en 3D pour tout les logiciels de CAO existant.Cela a grandement facilit mon travail de conception.

Voici la liste des pices que j'ai utilis pour ce montage : 3 vis de pression M4 (NTM4-5 ) dont une de rechange au cas ou je perdrais les

autres 1 arbre de prcision diamtre 10 2 bute bille 2 coussinet diamtre intrieur 10 diamtre extrieur 16 5 mtres de chane 5 attaches rapides Des pinions chane 8 12 15 18 25 32 dents

Le choix des coussinet comme guidage en rotation ne c'est fait qu'aprs avoir trouv la solution de cartrisation donc je parle dans le chapitre suivant.

Comme vous pouvez le voir, j'ai prvus un grand nombre de pignon chane diffrents. Le pignon de 8 est prvus pour tre sur l'arbre de l'hlice. Les pinions 12,15,18,25 et 32 dents taient prvu pour tre plac sur l'arbre du gnrateur pour produire respectivement 400W,300W,200W,100W et 50W, dans le cas ou mes calculs s'avreraient inexactes afin de pouvoirtester d'autres puissances.

A lexception du pignon de 8 dents dont je suis parvenus tarauder le trou de la vis de pression par moi mme, le taraudage et l'alsage des autres pignon c'est avr trop calamiteux pour que je puisse m'en charger.

http://shop.hpceurope.com/

Faire raliser les usinages sur les pices dj en ma Possession m'aurait cot plus chre quede racheter un autre systme de pinions plus facile usiner. J'ai donc effectu une nouvelle commande mais cette fois ci sur le site tridistribution, dont les prix pour le matriel de transmissionsont beaucoup plus comptitifs.

N'oubliez pas de prvoir, soit les outils pour usiner vos pices (alsage et taraudage), soit le budget pour le faire faire. Si vous souhaitez faire usiner vos pices de transmission , je vous conseille le site tridistribution dont les tarifs d'usinage sont beaucoup plus raisonnables que ceux de HPC ou encore de passer par le site usinage.fr.

Si vous n'avez pas fait d'erreur dans vos cotes, le montage de cette partie n'est pas plus dure qu'un montage mecano.

3- Carterisation :

Aprs tre tomb sur les possibilits offertes par les profils aluminium du site Alfer.com notamment en ce qui concerne le guidage en rotation et sur les prix ultra comptitif des profils et des plaques d'aluminium du site PEVN, il m'a paru plus simple de raliser le carter en deux parties.

Carter hlice :

Ce premier carter est destin recevoir l'arbre de l'hlice. J'ai choisit ces profils initialement prvus pour la fabrication de maquette d'olienne afin d'optimiser le guidage en rotation et limiter ainsi les pertes qui aurait pu rsulter des frottement d'un dfaut d'alignement. Je ne regrette pas monchoix mais j'aurais du prendre un soin particulier la dcoupe des tubes carr, mme si j'ai russi obtenir une bonne inertie.

Voici ma commande chez alfer.com : 4 mtres de tubes 7,5mm 2 connecteur d'axe 4 sachet de connecteur equerre 150 4 sachet de connecteur jonction 150

J'avais aussi command de la tle trou carr mais il s'est avr que celle-ci empchait le bon fonctionnement de l'hydrolienne en raison d'une trop grande surface de contact avec l'eau.

Les frais de port sont extrmement levs pour la France. Je vous conseille de vous

http://www.tridistribution.fr/

rapprocher d'un magasin de l'enseigne Leroy Merlin qui distribue une partie de la gamme de ce fabriquant pour voire s'ils ne peuvent pas vous commander ces produits.)

Une fois que vous avez reus toutes vos pices et dcoups vos tube d'aluminium au format voulus, il vous faudra monter le carter.

Le montage du carter alfer pour l'hlice peut s'avrer assez difficile. Quelques conseils pour que tout ce passe bien :

Assurez vous d'avoir fait vos dcoupe le plus prcisment possible sans quoi votre hlice risque d'avoir des difficults tourner ce qui compromettrait grandement le rendement de votre hydrolienne.

Utilisez un maillet pour enfoncer les connecteurs sans trop les abmer. N'hsitez pas tailler vos connecteur afin que l'insertion dans les tubes se fasse plus

simplement. Placez les coussinets avant de commencer le montage. Le PVC des connecteurs est assez flexible, n'hsitez pas en profiter.

Carter structure :

Ce deuxime carter est destin recevoir le premier carter ainsi que le gnrateur.

Je me suis fournit sur le site pevn-boutique.com spcialis dans le matriel de fabrication de volires. Leurs prix sur les profils aluminium dfient toute concurrence et les matriaux semblent de bonne qualit.

Voici ma commande chez eux : 8 Embout de forme 3 Dimensions. 8 Embout de forme 4 Dimensions. 6 mtres de Tubes carrs 20mm 2m de Tle aluminium 1 mm 28 dcoupes sur mesure de tubes d'aluminium

Le montage du carter principal est lui beaucoup plus simple du moment que l'on rflchie unpeu avant de se lancer. Quelques conseils :

Ces profils sont trs difficile dmonter, alors mieux vos prvenir que gurir. Vrifiez au fur et mesure du montage que le petit carter sintgre dans le gros. Les connecteurs ne sont pas du tout flexible alors pensez votre ordre de montage en

consquence ! Utilisez un maillet pour l'assemblage.

Assemblage :

http://www.pevn-boutique.com/

Pour fixer les deux carters ensemble, j'ai utilis des boulons de diamtre 3. Les tubes alfer de 7,5mm semble conserver toute leurs solidit une fois percs ce diamtre.

Pour fixer le gnrateur sur la structure, j'ai d'abord fix deux cales partir des chutes de tube 0,75 dont je disposais, puis je l'ai fix l'aide d'un boulon et d'un crou M8 traversant le tube d'aluminium 20mm. Mme si cela semble solide je compte terme faire une lgre modification afin de le fixer aussi sur a partie suprieure.

Voici le rsultat :

Habillage :

Une fois la structure totalement monte et teste il est temps d'habiller tout a, d'abord en ajoutant des plaques d'aluminium sur les cots puis des grillages trs fin maille 6mm afin de protger les poissons de l'hlice et l'hlice des poissons. Et enfin en fixant une plaque d'aluminium sous le gnrateur afin de protger celui ci des claboussures ventuelles rsultant de la rotation de l'hlice.

tanchit :

Viens alors l'tape cruciale du caisson tanche :

Tout d'abord, il faut dcouper la plaque au dimensions voulu.

Ensuite si comme moi vous n'avez pas de plieuse vous pouvez plier la mainen ralisant pralablement une lgre rainure dans la plaque la meuleuse afin de faciliter la pliure, puis en fixant solidement la plaque l'aide de serre joint en prenantsoin daligner la rainure faite avec le rebord de votre tablie. Il ne vous reste plus qu' exercer un pression sur la partie dans le vide jusqu' obtention de l'angle souhait et rpter l'opration jusqu' ce que vous ayez votre boite.

Pour tanchifier tout a, je me suis servis de mat de verre et de rsine polyester. J'ai appliqu deux couches lintrieur et lextrieur du caisson Mais avec le recul, je pense que j'aurais eu moins de difficults en faisant a la soudure froid en poxy.

J'ai ensuite ajout une couche de silicone de chaque cots afin de renforcer l'tanchit.

Camouflage :

Une fois le tout termin, je me suis attel au camouflage de l'hydrolienne en transformant lecaisson tanche en rocher l'aide de ce qu'il me rest de grillage et de bton. J'ai d'abord cre une structure en grillage autour du caisson, en lui donnant une forme naturelle, puis j'ai appliqu une couche de bton classique

Le caisson sert ainsi la fois de cloche air et de leste (pas loin de 20kg de bton) et permetun meilleure intgration dans le paysages. Pour l'instant il l'air d'un gros bloc de bton mais une fois qu'il aura t colonis par la flore locale cela devrais tre convainquant.

tant donn le poids finale de l'engin, j'ai ajout deux poignes de fortune ralise l'aide d'un vieux cble jack afin de faciliter la mise l'eau.

Voila l'hydrolienne fin prte prendre l'eau !

Notes finales :

Les premier test in-situ sont concluant. L'hlice semble atteindre la vitesse de rotation prvue mais pour l'instant je ne peut pas encore faire de mesure de production.

Ce prototype est extrmement perfectible. Mon objectif t tout le long de crer un prototype fonctionnel mais en limitant au maximum les cots de production, quitte tre oblig de lamliorerpar la suite dans le cas o celui-ci serait fonctionnel. Voici une liste non exhaustive des amliorations qui seraient envisageables voire indispensables pour une utilisation long terme :

-Cration d'un carnage autour de l'hlice - Changement du mode de transmission par un systme courroie HTD- Installation d'un galet tendeur pour la courroie-Ralisation de l'hlice dans un matriau plus durable.-En fonction du comportement des coussinet dans le temps, il serait peut tre prfrable de les remplacer par des roulement tanches-Imaginer un systme plus fiable pour tanchifier la partie alternateur.Etc...