Les hydroliennes et les turbines à hélices(style kaplan), sont des hélices de captage d'énergie.

 

L'énergie hydroélectrique résulte du captage de l'énergie cinétique du fluide. Les turbines à hélices, hydroliennes , a bulbes ou kaplan sont utilisées pour le captage des faibles dénivelés avec un débit important. Lorsque le dénivelé (la pression disponible) est important, on utilisera plutôt des turbines de type Pelton .(Voir la page du site mecaflux sur les turbines pour les débits et hauteurs respectives).

Nous avons vu que le captage de l'énergie d'un fluide par hélice est soumis a une limite de rendement exprimée par la limite de Betz (voir théorie froude captage), soit un rendement maximum de 0.59. Ceci signifie que notre hélice ne pourra, dans le meilleur des cas, récupérer que 0.59 fois l'énergie du fluide. Pourtant on parle de turbines hydrauliques offrant des rendements avoisinant les 0.8 voir 0.9 ! Il faut distinguer le rendement de l'hélice du rendement du système global "diffuseur + helice + aspirateur" qui forme l' ensemble des systèmes de captage d'énergie hydraulique en conduites forcées. En tous cas le rendement de l'hélice ne pourra dépasser la limite de Betz, par contre le fait que le fluide soit en conduite, nous donne la possibilité de récupérer la partie de l'énergie que ne peut pas capter l' hélice, soit environ 0.4 fois l'énergie du fluide totale.Nous distinguerons donc les hélices en eau libre des hélices en conduites.

Nous allons traiter dans la suite de cette page, uniquement les hélices de captage en eau libre, mais le captage par hélices en conduites de type kaplan, ou bulbes, est approfondit dans le chapitre de ce site traitant des turbines hélices de type kaplan ou bulbes dont voici le sommaire:

Sommaire du chapitre turbines hydroélectriques:

• captage energie hydraulique turbine kaplan 1/3 :Présentation des organes
• captage energie hydraulique turbine kaplan 2/3 :Relation distributeur helice
• captage energie hydraulique turbine kaplan 3/3 :Méthode conception
• Didacticiel conception turbine 1/3 :Puissance du site et conception helice
• Didacticiel conception turbine 2/3 :Conception du distributeur ou stator
• Didacticiel conception turbine 3/3 :Choix des sections, conception aspirateur

Systèmes de captage par turbines hydroliennes en eau libre:

Les systèmes de captage par turbines hydroliennes en eau libre ne pourrons donc pas dépasser la limite de Betz. Par contre ils sont plus simple qu 'une centrale hydroélectrique..avec barrage et conduites.

Pour approcher la limite de Betz il nous faudrait avoir aucune perte, notamment en bout de pales. Pour diminuer les pertes en bout de pales, on peut équiper l'hélice d'un carénage, on parlera alors d'hélice "carénée".Il faudra tout de même évaluer le coût du carénage et le comparer au gain d'énergie pour justifier sa construction.L'hypothese de calcul des hélices carénées, avec le logiciel Heliciel, diffère de celle des hélices en courant libre, par l' annulation des pertes en bout de pales(nous pourrons ainsi aisément comparer les puissance avec ou sans carénage). En réalité il existe toujours des pertes, donc les rendements "carénés" seront légèrement optimistes.

Pour l' hélice d' hydrolienne carenée ou non, la limite de Betz reste car le courant est libre de contourner l'hélice (avec ou sans carenage) , Mais si elle est carenées les pertes en bout de pales seront fortement diminuées.

Avec l' enjeu climatique grandissant, et la considération de l' empreinte écologique des barrages, ce secteur de production énergétique est en plein essor. L' hydrolienne devient un acteur potentiel du "développement durable" et offre des possibilités supplémentaires de captage d'énergie de puissance variées.

Un simple générateur et une hélice de captage (conçue simplement avec le logiciel héliciel) pour être adaptée à la vitesse du courant, et au couple du générateur, procure une source d'énergie. Comme pour les éoliennes , l'énergie que nous pourrons extraire du courant de fluide (libre) ne peu excéder la limite de Betz. Mais à débit égal, du fait que la masse volumique de l'eau soit plus élevée que celle de l'air, l'énergie d'un courant d' eau est bien plus importante (environ 1000 fois) qu 'un courant d'air.

• Puissance(W)=0.5 X masse volumique(kg/m3) X(vitesse)³ (m/sec) X surface disque(m²)

Les difficultés techniques dues à l' immersion ne sont pas négligeables car elles augmentent le prix de revient de l' installation et diminuent le rendement de l' investissement.

Nous n' allons pas faire ici une synthèse de l' état d' avancement du développement de l'énergie hydrolienne(une simple recherche sur le net vous donnera toutes ces informations, wikipedia par exemple.) Ce rapport de l Ademe sur les hydroliennes vous donnera des informations complémentaires.

Héliciel s'interesse plutôt à la partie conception de l'hélice de l' hydrolienne. L'hélice de l' hydrolienne devra avoir des caractéristiques répondant à des contraintes diverses:

Un didacticiel de conception de pale d' hydrolienne sommaire est disponible pour évaluer la manière de parametrer un projet hydrolienne dans héliciel. Ce projet n'est pas optimisé mais permet de rapidement saisir la methode de calcul. La puissance captée étant importante, les profils des pales de L' hélice devront avoir des épaisseurs capables de résister aux efforts et donc des Cx importants.

 

Représentation de la traînée et de la portance sur une pale d'hélice dans Héliciel

 

La traînée du profil en sera affecté et donc la vitesse de rotation de l'hélice optimum en sera affectée aussi.

 

Les fluides liquides comme l'eau sont soumis au phénomène de cavitation et les profils des pales ou ailes travaillant dans l'eau doivent avoir une géométrie tenant compte de ce phénomène:La cavitation de l'hélice est détaillée ici.

Résultats détailles de distribution pression élément pale dans Héliciel

 

Pour Réduire la concentration de la portance et la cavitation, on peut décider d' augmenter le nombre de pale pour répartir et donc diminuer la charge sur chaque pale. Ceci dans certaines limites : le prix des pales, et la perturbation générée par la pale de devant .

La limite de vitesse de rotation optimum, est donc à évaluer en prenant en compte ces éléments. L' équation donnant la solution à ce problème est complexe et génère de nombreuses solutions. D' autant que si l'on peut obtenir des résultats en terme de rendement, la définition géométrique des profils dont les performances déterminent le rendement de notre hélice reste à choisir.

Héliciel propose de résoudre cette complexité par une procédure d' itération de vitesses de rotation couplée à une collecte automatique de données dans une base stockant la forme et les performances de nombreux profils.(Trouver la vitesse de rotation optimum avec Héliciel )