L'eau en mouvement est une source d'énergie importante, et les gens ont exploité cette énergie à travers les âges en construisant des roues hydrauliques.
Ils étaient courants en Europe tout au long du Moyen Âge et servaient, entre autres, à concasser la roche, à faire fonctionner des soufflets pour les raffineries de métaux et à marteler les feuilles de lin pour les transformer en papier. Les roues hydrauliques qui moulaient le grain étaient connues sous le nom de moulins à eau, et parce que cette fonction était si omniprésente, les deux mots sont devenus plus ou moins synonymes.
La découverte de l'induction électromagnétique par Michael Faraday a ouvert la voie à l'invention du générateur à induction qui a fini par alimenter le monde entier en électricité. Un générateur à induction convertit l'énergie mécanique en énergie électrique, et l'eau en mouvement est une source abondante et bon marché d'énergie mécanique. Il était donc naturel d'adapter les moulins à eau en générateurs hydroélectriques.
Pour comprendre le fonctionnement d'un générateur à roue hydraulique, il est utile de comprendre les principes de l'induction électromagnétique. Une fois que vous l'avez fait, vous pouvez essayer de construire votre propre mini-générateur à roue hydraulique, en utilisant le moteur d'un petit ventilateur électrique ou d'un autre appareil.
Le principe de l'induction électromagnétique
Faraday (1791 - 1867) a découvert l'induction en enroulant plusieurs fois un fil de conduction autour d'un noyau cylindrique pour fabriquer un solénoïde. Il a connecté les extrémités des fils à un galvanomètre, un appareil qui mesure le courant (et le précurseur du multimètre). Lorsqu'il a déplacé un aimant permanent à l'intérieur du solénoïde, il a constaté que le compteur enregistrait le courant.
Faraday a noté que le courant changeait de direction chaque fois qu'il changeait la direction dans laquelle il déplaçait l'aimant, et la force du courant dépendait de la vitesse à laquelle il déplaçait l'aimant.
Ces observations ont ensuite été formulées dans la loi de Faraday, qui relie E, la force électromotrice (fem) dans un conducteur, également connue sous le nom de tension, au taux de variation du flux magnétique.ϕvécu par le conducteur. Cette relation s'écrit généralement comme suit :
Nest le nombre de spires de la bobine conductrice. Le symbole∆(delta) indique un changement dans la quantité qui le suit. Le signe moins indique que la direction de la force électromotrice est opposée aux directions du flux magnétique.
Comment fonctionne l'induction dans un générateur électrique
La loi de Faraday ne précise pas si la bobine ou l'aimant doit bouger pour induire un courant, et en fait cela n'a pas d'importance. L'un d'eux doit cependant être en mouvement, car le flux magnétique, qui est la partie du champ magnétique traversant perpendiculairement le conducteur, doit changer. Aucun courant n'est généré dans un champ magnétique statique.
Un générateur à induction a généralement un aimant permanent en rotation ou une bobine conductrice magnétisée par une source d'alimentation externe, appelée rotor. Il tourne librement sur un arbre à faible frottement (armature) à l'intérieur d'une bobine, appelée stator, et lorsqu'il tourne, il génère une tension dans la bobine du stator.
La tension induite change de direction cycliquement à chaque rotation du rotor, de sorte que le courant résultant change également de direction. C'est ce qu'on appelle le courant alternatif (AC).
Dans un moulin à eau, l'énergie pour faire tourner le rotor est fournie par l'eau en mouvement, et pour les plus simples, il est possible d'utiliser l'électricité générée directement pour alimenter les lumières et les appareils. Le plus souvent, cependant, le générateur est connecté au réseau électrique et fournit de l'énergie au réseau.
Dans ce scénario, l'aimant permanent du rotor est souvent remplacé par un électro-aimant et la grille fournit du courant alternatif pour le magnétiser. Pour obtenir une sortie nette du générateur dans ce scénario, le rotor doit tourner à une fréquence supérieure à celle de la puissance entrante.
L'énergie dans l'eau
Lorsque vous exploitez l'eau pour effectuer un travail, vous vous fiez essentiellement à la force de gravité, qui est ce qui fait couler l'eau en premier lieu. La quantité d'énergie que vous pouvez tirer de la chute d'eau dépend de la quantité d'eau qui tombe et de sa vitesse. Vous obtiendrez plus d'énergie par unité d'eau d'une cascade que d'un ruisseau qui coule, et vous obtiendrez évidemment plus d'énergie d'un grand ruisseau ou d'une cascade que d'un petit.
En général, l'énergie disponible pour faire le travail de rotation de la roue hydraulique est donnée parmgh, où "m" est la masse de l'eau, "h" est la hauteur à laquelle elle tombe et "g" est l'accélération due à la gravité. Pour maximiser l'énergie disponible, la roue hydraulique doit être au bas de la pente ou de la cascade, ce qui maximise la distance à laquelle l'eau doit tomber.
Vous n'avez pas à mesurer la masse d'eau qui coule dans le ruisseau. Il ne vous reste plus qu'à estimer le volume. Parce que la densité de l'eau est une quantité connue et que la densité est égale à la masse divisée par le volume, il est facile de faire la conversion.
Convertir l'énergie hydraulique en électricité
Une roue hydraulique convertit l'énergie potentielle d'un ruisseau ou d'une cascade (mgh) en énergie cinétique tangentielle au point de contact de l'eau avec la roue. Cela génère une énergie cinétique de rotation, donnée parje 2/2, oùωest la vitesse angulaire de la roue etjeest le moment d'inertie. Le moment d'inertie d'un point tournant autour d'un axe central est proportionnel au carré du rayon de rotationr: (je = monsieur2), oùmest la masse de la pointe.
Pour optimiser la conversion d'énergie, vous souhaitez maximiser la vitesse angulaire,ω, mais pour ce faire, vous devez minimiserje, ce qui signifie minimiser le rayon de rotation,r. Une roue hydraulique doit avoir un petit rayon pour s'assurer qu'elle tourne assez vite pour générer un courant net. Cela laisse de côté les vieux moulins à vent pour lesquels les Pays-Bas sont célèbres. Ils sont bons pour faire des travaux mécaniques, mais pas pour produire de l'électricité.
Une étude de cas: la génératrice hydroélectrique de Niagara Falls
L'un des premiers générateurs à induction à roue hydraulique à grande échelle, et le plus connu, a été mis en ligne à Niagara Falls, New York, en 1895. Conçue par Nikola Tesla et financée et conçue par George Westinghouse, la centrale électrique d'Edward Dean Adams a été la première de plusieurs centrales à fournir de l'électricité aux consommateurs aux États-Unis.
La centrale électrique actuelle est construite à environ un mile en amont des chutes du Niagara et obtient l'eau à travers un système de tuyaux. L'eau s'écoule dans un boîtier cylindrique dans lequel est montée une grande roue hydraulique. La force de l'eau fait tourner la roue, qui à son tour fait tourner le rotor d'un plus gros générateur pour produire de l'électricité.
Le générateur de la centrale électrique d'Adams utilise 12 grands aimants permanents, dont chacun produit un champ magnétique d'environ 0,1 Tesla. Ils sont attachés au rotor du générateur et tournent à l'intérieur d'une grande bobine de fil. Le générateur produit environ 13 000 volts, et pour ce faire, il doit y avoir au moins 300 tours dans la bobine. Environ 4 000 ampères d'électricité CA circulent dans la bobine lorsque le générateur fonctionne.
L'impact environnemental de l'énergie hydroélectrique
Il y a très peu de chutes d'eau dans le monde de la taille des chutes du Niagara, c'est pourquoi les chutes du Niagara sont considérées comme l'une des merveilles naturelles du monde. De nombreuses centrales hydroélectriques sont construites sur des barrages. Aujourd'hui, environ 16 % de l'électricité mondiale est fournie par de telles centrales hydroélectriques, dont les plus importantes se trouvent en Chine, au Brésil, au Canada, aux États-Unis et en Russie. La plus grande centrale se trouve en Chine, mais celle qui produit le plus d'électricité est au Brésil.
Une fois qu'un barrage a été construit, il n'y a plus de coûts associés à la production d'électricité. mais il y a des coûts pour l'environnement.
- La construction d'un barrage modifie le débit des cours d'eau naturels, ce qui a un impact sur la vie des plantes, des animaux et des humains qui dépendaient du débit naturel de l'eau. La construction du barrage des Trois Gorges en Chine a entraîné le déplacement de 1,2 million de personnes.
- Les barrages modifient les cycles de vie naturels des poissons qui vivent dans les cours d'eau. Dans le nord-ouest du Pacifique, les barrages ont privé environ 40 pour cent des saumons et des truites arc-en-ciel de leurs habitats naturels.
- L'eau qui provient d'un barrage a un niveau réduit d'oxygène dissous, ce qui affecte les poissons, les plantes et la faune qui dépendent de l'eau.
- La production hydroélectrique est affectée par la sécheresse. Lorsque l'eau s'épuise, il est souvent nécessaire d'arrêter la production d'électricité pour préserver l'eau qu'il y a.
Les scientifiques cherchent des moyens d'atténuer les inconvénients des grandes centrales de production d'électricité. Une solution consiste à construire des systèmes de plus petits qui ont moins d'impact sur l'environnement. Une autre consiste à concevoir des vannes d'admission et des turbines pour s'assurer que l'eau libérée par l'usine est correctement oxygénée. Même avec des inconvénients, les barrages hydroélectriques sont parmi les sources d'électricité les plus propres et les moins chères de la planète.
Un projet scientifique de générateur de roue hydraulique
Une bonne façon de vous aider à comprendre les principes de la production d'énergie hydroélectrique est de construire vous-même un petit générateur électrique. Vous pouvez le faire avec le moteur d'un ventilateur électrique ou d'un autre appareil peu coûteux. Tant que le rotor à l'intérieur du moteur utilise un aimant permanent, le moteur peut être utilisé "en sens inverse" pour générer de l'électricité. Le moteur d'un ventilateur ou d'un appareil très ancien est un meilleur candidat qu'un moteur d'un plus récent, car les moteurs d'appareils plus anciens sont plus susceptibles d'utiliser des aimants permanents.
Si vous utilisez un ventilateur, vous pourrez peut-être réaliser ce projet sans même le démonter, car les pales du ventilateur peuvent servir de turbine. Cependant, ils ne sont pas vraiment conçus pour cela, vous pouvez donc les couper et les remplacer par une roue à eau plus efficace que vous construisez vous-même. Si vous décidez de le faire, vous pouvez utiliser le collier comme base pour votre roue hydraulique améliorée, car il est déjà attaché à l'arbre du moteur.
Pour déterminer si votre mini générateur à roue hydraulique produit réellement de l'électricité, vous devrez connecter un compteur à travers la bobine de sortie. C'est facile à faire si vous utilisez un vieux ventilateur ou appareil, car il a une prise. Connectez simplement les sondes d'un multimètre aux broches de la prise et réglez le compteur pour mesurer la tension alternative (VAC). Si le moteur que vous utilisez n'a pas de prise, connectez simplement les sondes du compteur aux fils attachés à la bobine de sortie, qui dans la plupart des cas sont les deux seuls fils que vous trouverez.
Vous pouvez utiliser une source naturelle de chute d'eau pour ce projet ou vous pouvez construire la vôtre. L'eau qui tombe du bec de votre baignoire doit générer suffisamment d'énergie pour produire un courant détectable. Si vous emmenez votre projet sur la route pour le montrer à d'autres personnes, vous voudrez peut-être verser de l'eau d'un pichet ou utiliser un tuyau d'arrosage.
