Turbine hydroélectrique à vis d’Archimède

La turbine hydroélectrique à vis d’Archimède est un nouveau venu relatif dans le monde de l’hydroélectricité à petite échelle, n’étant arrivée sur la scène qu’au cours des dix dernières années. Cependant, elles existent depuis de nombreuses décennies en tant que pompes où des dizaines de milliers ont été installées dans le monde entier, notamment dans les stations d’épuration des eaux usées. Les mêmes fabricants qui dominent le marché des pompes sont désormais les principaux fournisseurs sur le marché de l’hydroélectricité également.

Comme son nom l’indique, Archimède est largement reconnu comme l’inventeur de la vis en 250 avant J.-C., bien que le crédit ait été attribué à tort car elles étaient en fait utilisées en Égypte bien des années auparavant. Historiquement, elles étaient utilisées pour l’irrigation afin de faire monter l’eau à un niveau plus élevé et étaient généralement actionnées par des bœufs, voire des humains pour les versions plus petites. Le principe de base d’une pompe à vis d’Archimède est illustré dans le diagramme ci-dessus. Si la poignée située en haut était tournée dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, elle ferait remonter l’eau du niveau inférieur vers le haut.

Lorsqu’elle est utilisée comme hydroturbine, le principe est le même mais agit en sens inverse. L’eau entre dans la vis en haut et le poids de l’eau pousse sur les ailettes hélicoïdales, permettant à l’eau de tomber au niveau inférieur et faisant tourner la vis. Cette énergie de rotation peut ensuite être extraite par un générateur électrique connecté à l’arbre principal de la vis.

Les vis d’Archimède pour l’hydroélectricité sont utilisées sur des sites à faible hauteur de chute/fort débit. Elles peuvent fonctionner efficacement sur des têtes aussi basses que 1 mètre, bien qu’elles ne soient généralement pas utilisées sur des têtes inférieures à 1,5 m (plus pour des raisons économiques que techniques). Les vis simples peuvent fonctionner sur des têtes allant jusqu’à 8 mètres, mais au-delà, les vis multiples sont généralement utilisées, bien que dans de nombreux cas, pour les têtes supérieures à 8 mètres, il puisse y avoir des turbines plus appropriées disponibles avec des empreintes beaucoup plus petites.

Le débit maximal à travers une vis d’Archimède est déterminé par le diamètre de la vis. Les plus petites vis n’ont qu’un mètre de diamètre et peuvent faire passer 250 litres/seconde, puis elles augmentent par paliers de 250 mm jusqu’à 5 mètres de diamètre avec un débit maximal d’environ 14,5 m3/s. Le maximum de 5 mètres est en fait basé sur les restrictions pratiques de livraison, et dans de nombreux cas, 3 mètres est le diamètre maximum qui peut être livré sur un site. Si le débit disponible est plus important, plusieurs vis peuvent être installées en parallèle.

En termes de puissance, les toutes petites vis d’Archimède peuvent produire aussi peu que 5 kW, et les plus grandes 500 kW.

Les principales parties d’une vis d’Archimède utilisée comme hydrogénérateur sont présentées ci-dessous. La vis proprement dite se trouve sous le palier supérieur. La vis hélicoïdale ou les  » vols  » sont fabriqués à partir d’une plaque d’acier plat laminée qui est ensuite soudée à un noyau central en acier. La plupart des vis d’Archimède ont trois vols, ou trois hélices distinctes s’enroulant autour du noyau central.

Les vis d’Archimède tournent généralement à environ 26 tr/min, ainsi, le sommet de la vis se connecte à une boîte de vitesses pour augmenter la vitesse de rotation entre 750 et 1500 rpm afin de la rendre compatible avec les générateurs standards. Même si elles tournent relativement lentement, les vis d’Archimède peuvent provoquer des éclaboussures d’eau, bien que cela soit réduit de manière significative par l’utilisation d’une protection contre les éclaboussures montrée courant sur le côté gauche de la vis, comme indiqué ci-dessous.

D’autre part, un assez grand nombre de vis d’Archimède ont été installées sans aucune protection sur la vis elle-même, bien que nous recommanderions d’avoir la vis entière couverte pour empêcher les gros débris, les animaux ou même les personnes de tomber dedans et d’être entraînés. La protection peut être conçue de manière sympathique afin que la vis reste visible si nécessaire.

Les vis de turbines hydrauliques d’Archimedean Screw sont normalement placées à un angle de 22 degrés par rapport à l’horizontale, ce qui est l’optimum pour les installations les plus rentables. Il est possible d’ajuster légèrement l’angle si le site l’exige (pour s’intégrer dans un espace particulier par exemple).

Les meilleures vis hydroliennes Archimedean Screw fonctionnent à vitesse variable, ce qui signifie que la vitesse de rotation de la vis peut être augmentée ou diminuée en fonction du débit disponible dans la rivière. C’est beaucoup mieux que d’avoir une vis à vitesse fixe et de faire varier le débit par une écluse automatisée, ce qui crée des pertes de charge élevées et affecte l’efficacité globale du système. Les vis à vitesse variable sont également plus silencieuses en fonctionnement et ne souffrent pas de  » back slap  » à l’extrémité de décharge de la vis.

Une courbe d’efficacité typique pour une vis d’Archimède à vitesse variable de bonne qualité est présentée ci-dessous. Il s’agit du rendement mécanique, donc ne comprend pas les pertes de la boîte de vitesses, du générateur et de l’onduleur (celles-ci sont d’environ 15% sur au total). Il convient de noter que certains fournisseurs de vis d’Archimède  » sur-vendent  » l’efficacité des vis, il faut donc être prudent lors de la comparaison des performances. Une efficacité revendiquée plus faible peut ne pas être due au fait qu’une vis particulière est inférieure ; cela pourrait simplement être que le fournisseur est plus honnête !

Une turbine hydroélectrique à vis d’Archimède de bonne qualité a une durée de vie nominale de 30 ans, et cette durée peut être prolongée par une révision majeure qui comprend le rebouchage des filets de vis.

Un avantage significatif d’une hydro turbine à vis d’Archimède est leur tolérance aux débris. En raison des dimensions relativement grandes des ailettes de la vis et de la vitesse de rotation lente, des débris relativement gros peuvent passer sans encombre et sans endommager la vis, et certainement tous les petits débris tels que les feuilles peuvent passer sans le moindre problème. Cela signifie que les tamis fins ne sont pas nécessaires à l’entrée de la vis et que l’on peut se contenter de tamis à barreaux de 100 ou 150 mm. Cela conduit à des quantités relativement modestes d’accumulation de débris sur le tamis de parcours et supprime la nécessité de nettoyeurs automatiques de tamis d’admission (coûteux) qui sont normalement nécessaires sur les systèmes hydroélectriques à faible hauteur de chute plus importants.

La faible vitesse de rotation et les grandes dimensions de passage du débit des vis d’hydroturbine à vis d’Archimède permettent également aux poissons de passer en aval à travers la vis en toute sécurité. Les vis d’Archimède sont souvent présentées comme des turbines hydroélectriques  » favorables aux poissons « , ce qu’elles sont indubitablement, bien que nous, chez Renewables First, disions que tous les systèmes hydroélectriques devraient être favorables aux poissons, quel que soit le type de turbine. Dans les systèmes hydroélectriques sans vis, cela signifie simplement que des grilles de prise d’eau bien conçues et des passes ou dérivations pour les poissons sont nécessaires. Notez que si un passage des poissons en amont est nécessaire sur un site de turbine hydroélectrique à vis d’Archimède, une passe à poissons sera nécessaire.

Le dernier avantage de la turbine hydroélectrique à vis d’Archimède est la simplification des travaux de génie civil et des fondations. Comme les vis n’ont pas de tubes de tirage ou de puisards de décharge, cela signifie que la profondeur de tout ouvrage en béton sur le côté aval de la vis est relativement faible, ce qui réduit les coûts de construction. Les travaux de génie civil sont également relativement simples, la partie principale étant les fondations porteuses sous les paliers supérieur et inférieur. Dans des conditions de sol plus souples, les fondations porteuses peuvent être empilées.

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