Choisir le type de turbine hydraulique

Comment choisir la roue de la turbine hydraulique ?

Abaque

Abaque-choix-turbine-hydrauliquePour choisir le type de roue correspondant au mieux à la topologie du site, les professionnels utilisent des abaques qui déterminent le type de turbine hydraulique le plus adapté en fonction de la hauteur de chute et du débit.
Ces abaques ne sont pas du tout adaptées aux ordres de grandeurs qui nous concernent (60 mètres et 0.001 m³/sec.). On peut toutefois s’en inspirer et, par analogie, déterminer quelle type de roue est le plus adapté à notre site.

Analogie

De manière générale, on retiendra que :

  • Les turbines Pelton et Turgo constituent une bonne solution pour exploiter des chutes d’eau ou le ratio existant entre la hauteur de la chute et le débit est important.
  • A contrario, les turbines Kaplan et Banki sont plus adaptées pour exploiter les sites ou le ratio existant entre la hauteur de chute et le débit est faible.
  • La turbine Francis se trouve à cheval entre les deux groupes précédent.
Ces explications n’engagent que moi car selon Wikipédia : « la turbine Pelton est conçue pour les hauteurs de chute de plus de 200 mètres ». On constate que la pico hydraulique reste à ce jour très peu étudiée. Selon moi, la bonne approche est de considérer le rapport existant entre la hauteur de chute et le débit turbiné.

Mon choix

Roue-PeltonPour mon projet, j’ai choisi une roue de type Pelton car c’est la technologie la plus adaptée à la topologie de mon site :

  • faible débit d’eau = 1 litre par seconde (0,001 m³)
  • hauteur de chute « importante » = 60 mètres

 

Les différents types de roues hydrauliques

Turbines à action

Les turbines à action transforment la pression hydaulique en énergie cinétique.

Pelton

Roue-PeltonLa roue Pelton porte le nom de son inventeur, l’Américain Lester Pelton (1829-1908). Elle récupère l’énergie du mouvement de l’eau grâce à des augets doubles en forme de cuillère. Ces augets sont profilés pour obtenir un rendement maximum tout en permettant à l’eau de s’échapper sur les côtés de la roue. Le rendement d’une turbine Pelton est de l’ordre de 90 %.

Excellent rendement. Garde un bon rendement même si le débit varie. Aménagement minimum. Prix réduit.

Auto-construction impossible

Où acheter ?

Turgo

turbine-turgoLa roue Turgo est une modification de la roue Pelton, développée par l’entreprise britannique Gilkes. Le jet d’eau frappe les lames latéralement, selon un angle de 20° à 30° par rapport au plan radial de la roue. Son rendement est de l’ordre de 80 %. Ce type de roue est très utilisée en pico hydraulique, elle est généralement montée en prise directe sur l’arbre du générateur.

Accepte un flux d’eau plus important qu’une roue Pelton de même taille. Aménagement minimum. Prix réduit.

Auto-construction impossible. Rendement moins performant que la roue Pelton.

Où acheter ?

Banki

turbine-cross-flowLa turbine Banki est une évolution des roues à aube. Le flux d’eau est transversal, c’est-à-dire que l’eau s’écoule au travers des pales de la turbine. L’eau entre par un des côtés de la turbine et en ressort par le côté opposé. L’eau traverse ainsi deux fois les pales de la turbine. Le rendement d’une turbine Banki et de l’ordre de 80 %.

Simple. Auto-construction possible.

Vitesse de rotation lente, système multiplicateur obligatoire. Aménagement à prévoir

Turbines à réaction

Les turbines à réaction provoquent et exploitent la différence de pression entre l’entrée et la sortie de la roue.

Kaplan

Turbine hydraulique KaplanLa turbine Kaplan à été inventée par l’ingénieur autrichien Viktor Kaplan (1876-1934). Elle ressemble à une hélice de bateau mais ses pales sont orientables. Elle convient à certaines centrales au fil de l’eau situées sur des rivières à débit particulièrement variable, car on peut régler la position de ses pales en fonction du débit. Le rendement d’une turbine Kaplan est de l’ordre de 90 % et 95 %

Excellent rendement. S’adapte au variation de débit.

Auto-construction très difficile. Mise en oeuvre de l’orientation des pâles complexe. Aménagement à prévoir.

Francis

Turbine hydraulique FrancisLa turbine Francis tient son nom de James Bicheno Francis (1815-1892), ingénieur américain qui l’a inventée en 1849. L’eau arrive sur le pourtour de la roue, pousse les aubes, puis se dirige vers l’axe de la turbine. Elle s’écoule ensuite par le canal de fuite situé sous celle-ci.  Le rendement d’une turbine Francis est de l’ordre de 90 %.

Robuste.

Auto-construction difficile. S’adapte peu au variation de débit. Aménagement à prévoir

15 réflexions au sujet de « Choisir le type de turbine hydraulique »

  1. Bonjour, je vais faire un projtet concernant une micro-centrale sur un captage d’eau
    Il s’agit enfait de recupérer les énergies de refoulement de 04 pompe qui a chacune un débit 2000 m3/h et j’ai besoin de votre avis.

  2. Bonjour, et bravo pour votre site et les informations précieuse qui s’y trouvent !
    j’ai une chute d’eau qui fait communiquer deux bassins à 1,30 m de hauteur, pour un débit minimum de 3 L seconde (plus au printemps avec la fonte des neiges…) Pour le moment l’eau tombe par un tuyau horizontal de 100 mm. J’ai la possibilité de prendre appui dans la berge juste au dessus du niveau inférieur. Quel type de pico centrale me conseilleriez-vous ? Grand merci !

  3. Bonjour,

    Je suis architecte à Madagascar et suis en phase de faire le montage d’une nano-centrale hydroélectrique.

    Un débit de 1m/s et une hauteur de chute de 21m. Je pense que la Pelton avec ses évolutions telles que vous les imagez sur vos images de synthèse et sa miniaturisation déjà effectuée à maintes occasions devrait convenir, mais un avis de connaisseur est toujours le bienvenu…

    Une fois l’installation effectuée, mon désir expérimental m’amènera à la gestion électronique et, bien sûr, informatique, du fonctionnement de la nano-centrale, afin de pouvoir varier le débit en fonction des heures d’utilisation. Bien sûr, ma centrale sera longue à amortir, mais c’est le fonctionnement global qui m’intéresse et sa gestion simple pour une éventuelle vulgarisation à plus grande échelle.

    Merci d’avance si vous me donnez votre avis.

    Damien DUBACH

  4. BONJOUR,
    Je constate que finallement la turbine que j’ai inventé est loin devant .C’est une turbine en conduite forçé DN 150 .je fais 60tr/mn et 60N/m sur l’axe pour une chute de 1,20 m. Je ne sais pas ce que ça peux produire en électricité , mais d’aprés ce que je lis ça ne peut pas etre mauvais.

  5. bonsoir et pardon d’ insister autant je suis allé mesurer la vitesse en laissant tomber des objets , bien que légers il me semble qu’ils vont à 0.5 m/s je me suis rendu à la chute avec un bidon sectionné de 20l et il rempli en une fraction de seconde j’ai imaginé pouvoir y installer un canal cylindrique de 15cm de section, creuser le point de chute jusqu’à 2m bien que rocailleux.
    mais puis-je avoir des plans d’installation ? toujours de quel type de turbine ai-je besoin . faudrait-il un multiplicateur de mouvements?
    la génératrice va -t-elle débiter sur 12v?? puis-je utiliser une génératrice de groupe électrogène ?
    j’ai encore beaucoup de questions mais merci du fond du coeur de répondre à celles ci
    cordialement Alain Serge

    • Bonjour Alain,

      Vous pourriez vous orienter vers un modèle de la marque PowerPal et plus précisément vers leurs modèles basse chute.
      Les spécifications données par le constructeur sont assez claires :

      • MHG-200L : 200 W, débit minimum 35 l/s, hauteur de chute : 1.5 m
      • MHG-500L : 500 W, débit minimum 70 l/s, hauteur de chute : 1.5 m
      • MHG-1000L : 1000 W, débit minimum 130 l/s, hauteur de chute : 1.5 m

      Il semble qu’en fonction de vos dernières estimations vous soyez dans les clous (mais tout dépends de quelle fraction de seconde vous parlez …).
      Au risque d’insister, et pour prévenir toute déconvenue, vous devez impérativement connaître le débit de votre petit ruisseau pour prendre la bonne décision.

      Il en existe un ensemble MHG-500L sur le forum de la petite hydroélectricité pour 1400 Euros, neuve et complète avec goulotte d’amenée en fibre de verre et aspirateur conique en fibre de verre:
      http://dbhsarl.eu/forum/viewtopic.php?f=3&t=2090&p=21121&hilit=powerpal#p21121
      C’est le moment ou jamais 😉

      Cordialement,

      Laurent

  6. Bonjour et merci pour toutes vos explication. Toute fois j’ai une situation différente :
    – Premièrement une rivière qui coule sur faible profondeur ( 20 cm ) et large de (2m. ) j’envisage la rétrécir jusqu’à 50cm grâce à un canal en béton préfabriqué afin d’obtenir un bon débit mais il n’y aura pas de chute juste une forte coulée.

    – La deuxième situation se situe toujours sur la même rivière en aval, elle connais une légère chute 1m et le débit est un peu mieux 3 litres/s. mais est distante de 500m par rapport à mon domicile pourtant le premier site est à 100 m de la maison

    entre ces deux situations, laquelle me conseillez- vous? Quel type de turbine ira le mieux pour chaque cas ? quelle quantité d’énergies dois-je espérer?

    merci pour vos réponses

    • Bonjour Alain,

      La production sera très faible avec le débit et la hauteur de chute que vous annoncez.
      Pour 3 litres par seconde sous 1 mètre de chute vous obtiendrez une puissance thérique de 30 W.

      Votre estimation du débit est-elle correcte ?
      Comment avez-vous mesuré 3 l/s ?

      En prenant les caractéristiques de votre « rivière », on obtient une section mouillée de 0.4 m2. (0.2 x 2) et en faisant les suppositions suivantes concernant la vitesse de l’eau de votre « rivière », on obtiendrait :

      • V = 1 m/s, alors le débit sera de 400 l/s et P = 3.9 kW
      • V = 0.5 m/s, alors le débit sera de 200 l/s et P = 1.9 kW
      • V = 0.1 m/s, alors le débit sera de 40 l/s et P = 390 W
      • V = 0.05 m/s, alors le débit sera de 20 l/s et P = 200 W
      • V = 0.01 m/s, alors le débit sera de 4 l/s et P = 40 W

      Pour obtenir une vitesse en km/h on multiplie la vitesse donnée en m/s par 3.6.
      Ainsi, pour se faire une idée :

      • 1 m/s = 3.6 km/h – le rythme d’un marcheur tranquille)
      • 0.5 m/s = 1.8 km/h – le rythme d’un marcheur en plein méditation 😉
      • 0.05 m/s = 0.18 km/h ou 5 cm /s
      • 0.01 m/s = 0.036 km/h ou 1 cm/s

      Cordialement,

      Laurent

      • merci pour ces données plus exactes j’ai supposé le débit .mais la profondeur et la largeur sont précises il me faut juste mesurer la vitesse. il faut également rappeler que ces données sont prises en temps de sécheresse donc totalement différents en saison sèche. ma préoccupation est dans le choix du site, du type de turbine, et de la génératrice .
        merci encore pour vos réponses

  7. Bonjour et merci tout d’abord pour votre excellent site . Pourquoi dites vous qu’une auto-construction est impossible pour une roue pelton? Cela ne me semble pas très compliqué a réaliser.

    • Bonjour,

      Je dis qu’il est difficile de fabriquer une roue Pelton de qualité « à la maison », donc avec des moyens limités, car les principales techniques utilisées aujourd’hui pour la fabrication des augets sont l’injection plastique ou la fonderie.

      Tout est bien sur relatif car on peut imaginer une roue pelton composée de cuillères ou autres demi-sphères, mais le rendement ne sera pas le même qu’une roue Pelton avec des augets étudiés.

      Je nuance toutefois mon propos avec l’arrivée des imprimantes 3D. (Je cherche d’ailleurs des modèles de roues 3D libre de droit …)

      Avez-vous une idée à proposer pour réaliser simplement une roue Pelton ?

      Pour finir, voici une très belle simulation d’un jet d’eau rencontrant les augets d’une roue Pelton :

      Cordialement

      Laurent

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