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Optimisation d’une vis d’Archimède pour la production d’éner- gie dans les micr

Optimisation d’une vis d’Archimède pour la production d’éner- gie dans les microcentrales hydroélectriques Guilhem DELLINGER1, Abdelali TERFOUS2, Abdellah GHENAIM3, Pierre-André Garambois4 1 24, boulevard de la Victoire 67084, Strasbourg, INSA de Strasbourg, ICUBE - Mécanique des Fluides, guilhem.dellinger@insa- strasbourg.fr 2 24, boulevard de la Victoire 67084, Strasbourg, INSA de Strasbourg, ICUBE - Mécanique des Fluides, abdelali.terfous@insa- strasbourg.fr 3 24, boulevard de la Victoire 67084, Strasbourg, INSA de Strasbourg, ICUBE - Mécanique des Fluides, abdellah.ghenaim@insa- strasbourg.fr 4 24, boulevard de la Victoire 67084, Strasbourg, INSA de Strasbourg, ICUBE - Mécanique des Fluides, pierre- andre.garambois@insa-strasbourg.fr Prix Jeunes Chercheurs « René Houpert » RÉSUMÉ. L’utilisation de la vis d’Archimède dans les micro-centrales hydroélectriques est un moyen de production d’énergie renouvelable récent et en voie de développement. Elle est principalement utilisée pour exploiter les chutes d’eau de faibles débits et de faibles hauteurs. Nous proposons dans cet article d’étudier expérimentalement les performances de ce type de turbine en fonction des paramètres hydrauliques et géométriques. Une première partie montre l’inﬂuence du niveau d’eau en aval de la vis sur les performances de la turbine. Les rendements et les couples sont ensuite mesurés expérimentalement en fonction de la vitesse de rotation de la vis à débit ﬁxe puis, en fonction du débit à vitesse de rotation ﬁxe. Les résultats obtenus donnent des informations essentielles sur la conception de ce type de micro-centrale. ABSTRACT. The Archimedean screw turbine is an innovative environmentally way to produce energy. It is used for low ﬂow and low head. In this article, we propose an experimental study of the turbine performances depending on the geometric and hydraulic parameters. A ﬁrst part deals with the downstream level impact on the screw performances. Then, the mechanical efﬁciency and the torque provided by the screw are measured depending on the rotationnal speed of the screw for a ﬁxed ﬂowrate, and conversely, function of the ﬂowrate for a ﬁxed rotation speed. Finaly, these experimental results give some insights on the design of a micro-hydroelectric plant. MOTS-CLÉS : Mécanique des ﬂuides, Energie renouvelable, Microcentrale hydroélectrique, Vis d’Archimède, Expérimentation KEYWORDS: Fluid mechanics, Renewable Energy, Micro-hydroelectric plant, Archimedean screw, Experimentation 33èmes Rencontres de l’AUGC, ISABTP/UPPA, Anglet, 27 au 29 mai 2015 2 1. Introduction Le principe de la vis d’Archimède est connu depuis plus de 2000 ans. Bien que cela soit contesté par de nombreux historiens, on attribue généralement l’invention de cette vis à Archimède de Syracuse (287-212 avant J-C). C’est à partir du 14ème siècle qu’on a commencé à utiliser la vis d’Archimède pour élever de grandes quantités d’eau sur de faibles hauteurs. Aujourd’hui, on l’utilise encore couramment pour l’élévation des eaux usées dans les stations d’épuration par exemple. Ce n’est qu’en 1992 que Karl-August Radlik propose pour la première fois l’utilisation de la vis d’Archimède, ou vis hydrodynamique, en tant que turbine aﬁn de produire de l’énergie [RAD 97]. La première micro-centrale à vis d’Archimède en milieu naturel est ensuite installée en 1997 sur la rivière Eger à Aufhausen (Allemagne) et développe une puissance de 4 kW. Il existe maintenant plus de 180 installations de ce genre à travers l’Europe et plus de 400 à travers le monde [LAS 11]. D’après Williamson et al. [WIL 14] ces micro centrales ont un potentiel élevé sur les chutes d’eau de faibles hauteurs et de faibles débits. La hauteur maximale est d’environ 10 m et le débit peut atteindre les 10 m3 .s-1 . La centrale la plus puissante installée à ce jour se trouve sur le canal Albert (Belgique) et développe une puissance de 400 kW. Parmi les principaux avantages de ce type de centrale, on retiendra, en premier lieu, sa capacité à garder un rendement élevé malgré les ﬂuctuations du débit. Ainsi, le débit peut varier de plus ou moins 20 % autour du débit nominal sans que cela n’ait d’impact sur le rendement [BRA 93]. Une étude récente menée sur 70 micro centrales en Europe a montré que le rendement moyen de l’ensemble de ces installations était de 69 % avec un maximal de 75 % [LAS 12]. Deux autres qualités importantes sont sa robustesse et le fait que ce soit une installation dite ichtyophile. En effet, d’après une étude mené par Kiebel et al. [KIE 09], pour les vitesses de rotations généralement utilisées et pour des poissons de taille inférieure à 1 m, ces derniers peuvent traverser la micro centrale sans être blessés. L’utilisation de la vis hydrodynamique pour la production d’énergie est une technologie récente qui ne cesse de se développer. Malgré cela, la littérature à propos de la vis d’Archimède utilisée pour la production d’énergie est toujours insufﬁsante pour la conception réellement optimisée d’une micro centrale. Dans ce contexte, on se pro- pose ici d’étudier expérimentalement les performances hydrauliques de la vis d’Archimède pour des paramètres géométriques et des conditions hydrauliques de fonctionnement différents. Ces résultats expérimentaux sont ob- tenus à l’aide d’un dispositif expérimental installé à l’INSA de Strasbourg. Les résultats obtenus permettront de comprendre l’inﬂuence de chaque paramètres et donc, par la suite, de pouvoir optimiser les performances de la vis d’Archimède. 2. Déﬁnition et principe de fonctionnement Une micro-centrale à vis d’Archimède est constituée d’une vis tournant à l’intérieur d’une auge ouverte et ﬁxe. L’énergie potentielle du ﬂuide qui s’écoule à travers l’installation est transformée en énergie mécanique grâce à la rotation de la vis. Cette énergie mécanique est ensuite transformée en électricité à l’aide d’une génératrice. La puissance fournie par ce type de micro centrale est donnée par l’équation suivante : Pcentrale = ρ . g . Q . H . ηcentrale [1] avec Pcentrale la puissance en W, ρ la masse volumique de l’eau kg/m3 , Q le débit en m3 /s, H la hauteur de chute en m et ηcentrale le rendement de la centrale. Le rendement de l’installation est directement fonction du rendement de la génératrice ainsi que du rendement hydraulique de la vis. Ce dernier est directement fonction des différentes pertes de charge qu’il peut y avoir au sein de la micro centrale. Les principales pertes de charge, qui se transforment en pertes de puissance, sont dues aux débits de fuites ainsi qu’aux frottements dus à la viscosité du ﬂuide. Il est donc important de minimiser ces pertes aﬁn d’obtenir un rendement maximal. Les principales caractéristiques d’une micro centrale à vis d’Archimède sont donc la hauteur de chute H, le débit Q traversant l’installation, la vitesse de rotation n de la vis et le rendement ηcentrale. Le rendement de la centrale est donnée par : ηcentrale = ηvis.ηgeneratrice [2] avec ηvis le rendement hydraulique de la vis et ηgeneratrice le rendement de la génératrice. Les paramètres géométriques de la vis, représentés dans la ﬁgure 1, sont : Optimisation d’une vis d’Archimède. 3 – Rayon extérieur : Ra – Rayon intérieur : Ri – Pas de vis : S – Longueur totale : L – Longueur ﬁletée : Lb – Nombre de ﬁlets : N – Angle d’inclinaison : β Figure 1. Représentation des paramètres géométriques d’une vis d’Archimède. Nous utilisons la déﬁnition donnée par Rorres [ROR 00] de la poche d’eau emprisonnée entre deux spires successives dont le volume est égal à VB. Puis, nous donnons le point de remplissage optimal de la vis qui est atteint lorsque le niveau d’eau à l’intérieur d’une poche d’eau supérieure est à la limite de déborder dans la poche qui lui est inférieure. En négligeant les différentes fuites, le débit qui traverse la vis est égal au volume d’eau évacué en un tour de vis multiplié par la vitesse de rotation. On donne le débit nominal Qnom égal à : Qnom = N.VB.n/60 [3] avec Qnom le débit en m3 .s-1 , N le nombre de ﬁlets, VB le volume de la poche d’eau en m3 et n la vitesse de rotation en tr.min-1 . La vitesse de rotation nominal nnom est alors égal à : nnom = Qnom.60/(N.VB) [4] avec nnom en tr.min-1 . Dans nos recherches, nous nous intéressons uniquement à l’évolution du rendement hydraulique de la vis ηvis. De plus, les résultats expérimentaux seront exprimés en fonction du débit nominal Qnom ou de la vitesse de rotation nominal nnom. 3. Dispositif expérimental Le dispositif expérimental nous permet de faire varier le débit d’entrée, l’inclinaison de la vis, la vitesse de rotation de la vis et le niveau d’eau en aval de la vis. L’ensemble des paramètres géométriques et des conditions hydrauliques de fonctionnement de l’installation sont présentés dans le tableau 1 et dans la ﬁgure 2. La géométrie de la turbine a été choisie aﬁn d’avoir une similitude géométrique directe avec les vis utilisées dans les micro- centrales. Le débit étant limité par le système de pompage, la gamme de vitesse de rotation a été déterminée aﬁn de pouvoir tester la vis d’Archimède fonctionnant en sous-remplissage, au remplissage optimal et en sur-remplissage. Enﬁn, le niveau d’eau aval maximal permet de noyer complètement l’extrémité de la vis. La vis d’Archimède a été imprimée en ABS à l’aide d’une imprimante 3D. La vis est directement accouplé à uploads/Geographie/ vis-archimede-turbine-insa-strasbourg-g-dellinger-augc-rev1 1 .pdf