Turbine hydraulique pour gouttière ​

Introduction ​

L'énergie hydraulique est l'une des sources d'énergie renouvelable les plus prometteuses pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux croissants, tout en réduisant notre dépendance aux combustibles fossiles. Dans cette optique, les turbines hydroélectriques jouent un rôle crucial en transformant l'énergie cinétique de l'eau en électricité. Ces turbines sont  utilisées dans les barrages pour exploiter la puissance des rivières et des chutes d'eau. Cependant, ces systèmes de grande échelle sont souvent coûteux et nécessitent des infrastructures complexes.​

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C'est dans ce contexte que notre projet propose une solution innovante et durable : les turbines hydroélectriques pour gouttières. Ces petites turbines sont conçues pour exploiter l'énergie de l'eau qui s'écoule dans les gouttières des bâtiments résidentiels et commerciaux, permettant ainsi de générer de l'électricité à petite échelle. Cette approche présente de nombreux avantages, tels que la disponibilité de l'eau de pluie dans les régions où les précipitations sont fréquentes.​

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Ce projet a pour objectif d'explorer le potentiel des turbines hydroélectriques pour gouttières en tant que source d'énergie renouvelable accessible à tous. Nous examinerons en détail les principes de fonctionnement de ces turbines, leur efficacité énergétique, ainsi que les défis techniques et environnementaux associés à leur mise en œuvre. De plus, nous évaluerons les avantages économiques et environnementaux qu'elles offrent par rapport aux autres sources d'énergie conventionnelles.​

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Cette étude vise à sensibiliser sur l'importance des énergies renouvelables et à proposer une solution pratique et écologique pour exploiter l'énergie hydraulique dans notre vie quotidienne. En utilisant l'eau de pluie qui s'écoule naturellement dans les gouttières, nous pouvons contribuer à la transition vers un avenir énergétique plus durable tout en réduisant notre empreinte carbone.​

Premières idées ​

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Nous avons fait le choix de nous intéresser dans un premier temps à deux types de turbines en particulier et de les comparer : les turbines Pelton et les turbines Tesla.

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Les turbines Pelton :​

La roue Pelton est constituée d'un disque équipé de godets en forme de demi-sphères ou de coupelles. Lorsque le jet d'eau haute pression atteint les godets, il exerce une force sur eux, ce qui entraîne la rotation de la roue. La forme spécifique des godets permet d'exploiter efficacement l'énergie cinétique de l'eau. Chaque godet est conçu de manière à dévier le jet d'eau, ce qui génère une force de réaction qui pousse la roue dans le sens opposé au jet. Pendant ce processus, l'énergie mécanique de rotation de la roue est utilisée pour entraîner un générateur électrique, produisant ainsi de l'électricité.​ 

Figure 1: turbine Pelton​

Les turbines Tesla :

Les turbines conventionnelles contrairement aux turbines Tesla sont de conception complexes, avec des pales de géométrie compliquées et des pièces de stators. Les profils modernes fonctionnent selon le principe du profil hydrodynamique. Le fluide jaillissant sur la section transversale de l’ailette va générer une force portante sur celle-ci et faire tourner la pale. Cependant pour faire tourner sa turbine, Nikola Tesla s’est appuyé sur un phénomène totalement différent: l’effet visqueux du fluide sur les surfaces solides, et celui des couches limites. En produisant la force visqueuse tangentielle à un disque, celui-ci se mettra à tourner. Il convient de noter que la turbine Tesla fictive n'a pas été développée ni mise en œuvre dans le monde réel  à son époque, car les moyens technologiques (roulements, usinage, matériaux) n’étaient pas assez résistant pour encaisser les efforts de cette turbine. Les concepts et les détails de son fonctionnement sont basés sur des spéculations et des interprétations des travaux et des idées de Nikola Tesla.​

Cependant, de nos jours, certains makers se sont lancés dans la conception de cette turbine, avec des résultats des promettant.​

Figure 2: CAO rotor turbine Tesla​

Diagrammes des problèmes ​

Comparaison des deux turbines  ​

                                                                           Présence d’une turbine Pelton                                                                                                                                                                                                                        Présence d’une turbine Tesla 

La présence d’une turbine Pelton produit plus d’électricité en revanche elle nécessite beaucoup d’énergie pour fonctionner.                                                                        La présence d’une turbine Tesla produit moins d’électricité qu'une turbine Pelton en revanche elle nécessite moins d’énergie                   

                         De plus elle aurait un impact sur l’esthétique de l’installation car elle est imposante.                                                                                                                             pour fonctionner. De plus elle n'impact pas l’esthétique de l’installation car elle est moins imposante . ​

Choix de la turbine

En comparant les deux turbines nous avons décidé de se concentrer sur les turbines Tesla. En effet l’installation du turbine Pelton nécessitait trop de contraintes au niveau de l’installation : installation d’un réservoir, avec une chute d’eau, injecteur haute pression, calcul d’optimisation de la turbine Pelton. ​

Il s’agissait maintenant d’obtenir des disques pour pouvoir créer notre turbine Tesla. Nous avons alors dans un premier temps récupéré 8 disques en aluminium présents dans des disques durs auprès de la DSIN.​

Dimensions des disques : 100 mm​

Puis nous avons effectué 5 trous dans chaque disque pour assurer la bonne circulation de l’eau entre ceux-ci. Pour effectuer ces trous nous avons utilisé un support que nous avons imprimer grâce à une imprimante  3D. ​

Dimensions des trous : 8mm​ 

Autres conceptions de la turbine Tesla​

Nous avons également eu l’idée de créer une turbine Tesla entièrement en plastique. Nous avons améliorer le design des disques. Au lieux d’un alésage pour l’axe centrale, nous avons créer un alésage avec une forme étoilé, pour que les disques et l’arbre soit encastré en rotation avec ls disques. De plus, les disques sont séparés par des rondelles.​

Ainsi nous avons modéliser sur Creo les différentes pièces de notre turbine Tesla :​

Disques x 8                                                                        Arbre x 1                                                                      Rondelles x 9                                                       Roulements x 2

En assemblant ces différentes pièces nous obtenons notre rotor :​

Pour finir nous avons rajouté un carter à la turbine  :​

                                                                    Dimensions : même diamètre extérieur qu’une gouttière (80mm)​

Inconvénient de la turbine Tesla​

Nous n’avons pas imprimé cette turbine car elle a plusieurs points négatifs .​

Pour la version avec le disque en aluminium, plusieurs usinages étaient à prévoir :​

- Usinage des disques (trous d’évacuation, et clavette)​

- Usinage des de l’arbre (clavette)​

- Dimensionnement des roulements​

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Pour la version imprimée en 3D :​

- Problème de résistance des matériaux​

Conception d’une nouvelle Turbine​

La turbine Tesla étant trop compliquée à assembler et à réaliser nous avons décidé de nous pencher sur une nouvelle turbine : LIAM F1. Elle provient du domaine des éolienne. D’après ses concepteurs, elle produit 1500KWh pour une vitesse du vent de 5m/s. Elle a un diamètre de 1,5m, avec une longueur d’environ 1,7m.​

Bien sûr, pour nos besoins, nous l’avons rétrécit pour qu’elle rentre dans une gouttière de diamètre 80mm.​

Choix matière : 

Pour nos prototypes, nous avons utilisé du PLA pour créer la turbine et le carter qui symbolise la gouttière. Mais pour une industrialisation les matériaux seront revu. Étant donné que les gouttières sont principalement en métal, pour que notre turbine ne soit pas une nuisance esthétique, il faut que le carter de la turbine soit dans le même e matériau que la gouttière. Pour la turbine, le choix matière est plus libre car invisible depuis l’extérieur. Mais il doit quand même respecter quelques critère: résistance tant à l’eau, assez léger pour pouvoir tourner et assez résistant pour résister à un débit d’eau pouvant atteindre 3 litre à la seconde. ​

Montage de la turbine LIAM ​

                                                                                     Porte turbine :

Puis nous avons rajouté un support auquel nous avons collé une partie supérieure muni d’un entonnoir pour guider l’eau sur la turbine. ​

                                                                                             Support:

                                                                   Entonnoir:                  

Impression 3D de la turbine et de son support : ​

Caractérisation de la turbine​

On peut observer que plus le débit augmente plus la vitesse de la turbine augmente. De plus, cette augmentation à l’air de suivre une loi logarithmique.​

Pour les tests, nous étions bridé à 0,12L/s, car l’entonnoir débordait au-delà. Nous avons donc pensé à une évolution pour l’entonnoir. ​

En prenant une pression de 1 bar (l’eau en chute libre), avec un rendement de fonctionnement de 80% pour la turbine, nous avons pu approximé le couple disponible. Ainsi, nous pourrions choisir une dynamo en conséquent.​

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Améliorations possibles​

Problème : Saturation de l’entonnoir​

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Solution : Augmentation de la section d’entrée de la turbine​

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Nouveau design :

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Problème : Fragilité de la turbine en conception FDM​

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Solution : Injecter la turbine avec un moule fusible​

étude réalisée par Lucile Schaad, Noé Sionneau, Théo Kretz ​à l'INSA de Strasbourg

Avec l'accompagnement de Denis Cavallucci et Xavier Cecchet en tant que professeurs référants