Forum de la petite hydroélectricité

Bonjour,

je réponds avant qu'il n'y ait une question !

J'avais proposé d'emblée une solution avec contrepoids, simple et fiable, ma préférée.

Mais on ne connaissait pas le couple à appliquer sur l'arbre de vannage, pour d'une part refermer en toute sécurité, d'autre part ne rien casser (pas de réponse du fabricant à cette question).

Au vu de la taille de la turbine, du système de vannage, des pressions hydrauliques (estimées) sur les vérins d'origine, etc.. j'avais trouvé un couple d'environ 600 m.daN soit une force de 1 000 daN (une tonne) sur une manivelle de 60 cm.

Restait ensuite à choisir un emplacement pour le contrepoids, avec possibilité de débattement vertical et grillage de protection, puis un mécanisme simple pour passer de la pesanteur (verticale) à une traction horizontale sur la manivelle de commande placée au ras du sol : bielles, câble et poulies, etc...
Il est apparu qu'il n'était pas facile de caser le tout dans le peu d'espace disponible, et cela supposait en plus de supprimer le boîtier de vannage d'origine, livré de toutes façons avec la turbine, et qui est quand même pratique car il comporte une commande de secours manuelle (pignon engrenant sur un secteur denté).
Une seconde solution mixait contrepoids et hydraulique, en gardant le boîtier de vannage d'origine :
Le contrepoids agissait sur un vérin, l'ensemble constituant un accumulateur hydraulique.

Finalement, un simple accumulateur hydraulique à gaz a été choisi, avec surveillance de la pression par pressostat : un peu moins fiable que la première solution (risque de défaillance du pressostat ou du circuit électrique, rupture de flexible hydraulique), mais tellement plus compact et facile à installer !

En cas de perte d'alimentation (ou sur demande), un électro-clapet de type normalement ouvert laisse passer l'huile et referme le distributeur de la turbine.

Je précise pour ceux qui s'étonnent de voir sur les photos précédentes des flexibles hydrauliques qui pendouillent en vrac que l'installation n'est pas terminée !

dB-)

Formules pour une turbine à réaction.

Formulae for a Reaction Turbine.
Les formules ci-dessus sont pour la même turbine (réaction), avec une géométrie fixe, fonctionnant à une vitesse et une efficacité optimales.

The above formulae are for the same reaction turbine, with fixed geometry, operating at optimal speed and efficiency.


La puissance générée par une turbine est très sensible à la tête (hauteur d'eau -chute d'eau ).

The power generated by a turbine is very sensitive to the head (height of the water).



Par exemple: Si une turbine hydro génère 100 kW à 1 m d'eau, il va générer 283 kW à 2 m d'eau.

For example: If a hydro turbine generates 100 kW at 1 m of water, it will generate 283 kW at 2 m of water.


Une feuille de calcul Excel est attaché qui effectue ces calculs.

An Excel spread sheet is attached which performs these calculation.

Turbine à hélice - vitesse variable

Propeller Turbine - Variable Speed


L'entrée d'eau - pas d'impact

Pour une turbine à réaction, il a été constaté que l'interaction optimale de l'eau et de l'aube de la turbine, devrait être sans incidence.


Water entry - no impact

For a reaction turbine, it has been found that the optimal interaction of the water and the blade of the turbine, should be without impact.
Le vecteur vitesse à l'aube de la turbine, est la somme vectorielle de la vitesse de l'eau et la vitesse de la pale de la turbine.

The velocity vector at the blade of the turbine, is the vector addition of the water velocity and the velocity of the blade of the turbine.


Il existe deux mode de changement de l'angle sous lequel l'eau remplit l'aube de la turbine.

(a) mécaniquement changer l'angle de l'aube de turbine - développé par Viktor Kaplan en 1913

(b) Modifiez la vitesse de la turbine.


There are two method of changing the angle at which the water meets the blade of the turbine.


(a) Mechanically change the angle of the turbine blade - developed by Viktor Kaplan in 1913

(b) Change the speed of the turbine.
Un tableau colline est un moyen pratique de décrire les caractéristiques d'une turbine.

L'axe X est la vitesse de la turbine. L'axe Y est l'écoulement de l'eau.

(dans cet exemple, la vitesse et le débit sont exprimées comme une fraction de la vitesse et le débit)

Les courbes de niveau sont des lignes de la même efficacité.

Les lignes pointillées sont les suivants:

les lignes constituant l'ouverture de la porte de la turbine, (monte vers la droite)

lignes représentant l'angle de la pale de la turbine, (monte vers la gauche)



A hill chart is a convenient way to describe the characteristics of a turbine.

The X axis is the speed of the turbine. The Y axis is the flow of the water.

(in this example the speed and the flow are expressed as a fraction of the design speed and the design flow)

The contour lines are lines of equal efficiency.

The dotted lines are:

lines representing the opening of the turbine gate, ( rises to the right)

lines representing the angle of the blade of the turbine, ( rises to the left)
C'est le tableau colline d'une turbine Kaplan. Dans ce graphique, l'ouverture de la porte de la turbine est constante. La vitesse de la turbine est constante. Modification de l'angle de la lame de la turbine, modifie le débit d'eau.

This is the hill chart of a Kaplan Turbine. In this chart, the opening of the gate of the turbine is constant. The turbine speed is constant. Changing the angle of the blade of the turbine, changes the water flow.
C'est le tableau colline d'une turbine à hélice. Dans ce graphique, l'ouverture de la porte de la turbine est constante. L'angle de la pale de la turbine est constante. Modification de la vitesse de la turbine, transforme le flux d'eau.

This is the hill chart of a Propeller Turbine. In this chart, the opening of the gate of the turbine is constant. The angle of the blade of the turbine is constant. Changing the speed of turbine, changes the water flow.
Que la tête (hauteur d'eau) est modifiée, la vitesse variable permet une turbine à hélice à fonctionner à haut rendement.

As the head (water height) is changed, variable speed allows a Propeller Turbine to operate at high efficiency.



Une turbine Kaplan (double réglementé), peut fonctionner efficacement sur une large plage de débit d'eau - aussi bas que 10% du débit d'eau de conception.

Une turbine à hélice à vitesse variable, peut fonctionner de manière efficace à environ 25% du débit d'eau de conception. Il peut fonctionner à un débit plus faible mais avec une efficacité réduite.


A Kaplan turbine (double regulated ), can operate efficiently over a wide range of water flow - as low as 10% of design water flow.

A variable speed Propeller Turbine, can operate efficiently to about 25% of the design water flow. It can operate at a lower flow but at reduced efficiency.



En France, avec un tarif hiver / été, et un système qui est géré de la rivière, plus de 75% du chiffre d'affaires d'EDF est généré pendant l'hiver.

Le faible débit d'eau se produit en été, quand le tarif est faible (environ la moitié du tarif hiver).

Je dirais que le coût supplémentaire d'une turbine Kaplan (double réglementés) ne se justifie pas en France.

Une turbine à hélice à vitesse variable est un plus économique et une solution plus appropriée.


In France with a winter / summer tariff, and a system that is run of the river, more than 75% of the revenue from EDF is generated in the winter.

The low water flow occurs in the summer when the tariff is low (approximately half the winter tariff).

I would argue that the extra cost of a Kaplan turbine (double regulated) is not justified in France.

A variable speed propeller turbine is a more economical and a more appropriate solution.



Les avantages d'une turbine à hélice sont:

(a) un moindre coût

(b) techniquement moins complexe, moins d'entretien

(c) pas d'huile et pièces en mouvement dans l'eau

(d) il est plus facile de coupler directement un générateur de la turbine


The benefits of a Propeller Turbine are:

(a) a lower cost

(b) technically less complicated, less maintenance

(c ) no oil and moving parts in the water

(d) it is easier to directly couple a generator to the turbine



Je me rends compte que les gardiens de l'orthodoxie turbien ne sera pas d'accord avec ce point de vue.

Comme toujours, je suis impatient de lire la litanie de mes transgressions et les détails techniques des contre-arguments.


I realise that the custodians of turbien orthodoxy will not agree with this view.

As always, I look forward to reading the litany of my transgressions and the technical details of the counter arguments.


Tony M.


( L'hérétique hydraulique de la Haute-Saône HHH-S )

(The hydraulic heretic of Haute-Saone HHH-S)


Détails de turbines à vitesse variable peuvent être trouvées dans un document très intéressant

Details of variable speed turbines can be found in a very interesting paper



"Status report on variable speed operation in Small Hydropower"


http://ec.europa.eu/energy/res/sectors/ ... olour2.pdf

Bonsoir,

Merci Tony d'avoir mis le document Thermie 2000 en ligne.
Cela rejoint exactement ce que j'ai déjà dit sur la vitesse variable et je conseille vivement à tous ceux que cela intéresse de lire ce document en entier.

Je ne comprends pas que l'on puisse s’emballer à la lecture de ce rapport
Pour ceux qui ne sont pas familier avec la langue de Shakespeare je ne retiendrais que la conclusion:

3.5 Conclusions, future development
Variable speed operation in small hydropower is often mentioned as a measure to improve performance and
reduce cost [e.g. Engel, 1997] Today, cost reduction does not apply e.g. for propeller turbines, if only runner
regulation is replaced. In addition, it is not in general possible, to improve the energy production compared to a
double-regulated Kaplan turbine. But still, there are a number of cases, when VSO seems to be a suitable
solution.

En Français:
3.5 Conclusions
La vitesse variable est souvent mentionnée en mini hydro comme une mesure permettant d'augmenter la performance et réduire le coût.
Aujourd'hui, la réduction des coûts ne s'applique pas par exemple pour les turbines à hélice, si on remplace seulement la régulation des pales.(Expliqué dans le document: il faudrait avoir un distributeur fixe et une hélice fixe pour que le coût soit inférieur, mais dans ce cas l'efficacité n'est plus la même)
En outre, il n'est en général pas possible, d'améliorer la production d'énergie par rapport à une turbine Kaplan double réglage.
Mais il y a encore un certain nombre de cas, où la vitesse variable semble être une solution intéressante (note de TG mais lesquelles????)

Il ressort en revanche du document que la solution la plus intéressante parait être le remplacement de la chaîne multiplicateur/générateur asynchrone par un entrainement direct type PMG.


Cdt

TG

Ticapix a écrit : Mais il y a encore un certain nombre de cas, où la vitesse variable semble être une solution intéressante (note de TG mais lesquelles????)

Si je comprends bien la figure 2.3, en cas de variation de chute importante, une vitesse variable se comporte beaucoup mieux qu'une vitesse fixe.

Sinon, la figure 2.4 du document montre les différences de coût spécifique entre une double réglage, simple réglage et sans réglage. A 500 kW, c'est 30% seulement. Mais on voit que vers les petites puissances (150 kW et moins), la différence s'envole, c'est un facteur 4 à 5 entre une turbine sans réglage et une double réglage, un facteur 2 entre DR et SR. Cela me paraît énorme... est-ce toujours valable?

Je me permet de critiquer !

I beg to differ !

tojoe999 a écrit : En France, avec un tarif hiver / été, et un système qui est géré de la rivière, plus de 75% du chiffre d'affaires d'EDF est généré pendant l'hiver.
Le faible débit d'eau se produit en été, quand le tarif est faible (environ la moitié du tarif hiver).

In France with a winter / summer tariff, and a system that is run of the river, more than 75% of the revenue from EDF is generated in the winter.
The low water flow occurs in the summer when the tariff is low (approximately half the winter tariff).

Ça dépend totalement du site en question, on ne peut pas généraliser ce type de conclusion.

This depends on the site, I do not believe one can extend such an argument too all sites.

tojoe999 a écrit : Je dirais que le coût supplémentaire d'une turbine Kaplan (double réglementés) ne se justifie pas en France.
Une turbine à hélice à vitesse variable est un plus économique et une solution plus appropriée.

I would argue that the extra cost of a Kaplan turbine (double regulated) is not justified in France.
A variable speed propeller turbine is a more economical and a more appropriate solution.

Tony, on peut difficilement discuter de cet aspect vu que le cout de ton installation (turbine hélice + PMG + inverseur ABB) n'a pas été dévoilé, personnellement je connais ces couts (d’où mon cote sceptique) mais ce n'est pas a moi de les révéler.

Tony, it is rather hard to debate this issue since the price of your installation (turbine + PMG + ABB inverter) has not been disclosed, I personally know the price (hence my dubious attitude) but it's not my place to publish them.

tojoe999 a écrit : Les avantages d'une turbine à hélice sont:
The benefits of a Propeller Turbine are:

(a) a lower cost
(a) un moindre coût

Encore une fois nous avons besoins des couts exact pour comparer.

Again exact cost are needed to establish a comparison.

tojoe999 a écrit : (b) techniquement moins complexe, moins d'entretien
(b) technically less complicated, less maintenance

Mécaniquement moins complexe peut-être mais certainement pas globalement moins complexe, un ensemble PMG + inverseur (même si je suis assez partisan de cette solution) est plus complexe qu'une simple génératrice asynchrone avec son banc de condo...

Mechanically less complex perhaps, but certainly not globally less complex, the PMG + inverter setup (even if this is a solution I'm rather in favor of) is more complex than a simple asynchronous generator with it's condenser bank.

tojoe999 a écrit : (c) pas d'huile et pièces en mouvement dans l'eau
(c) no oil and moving parts in the water

Les Kaplan sur la petit hydro on en général les vérin de commande bien au-dessus de la ligne d'eau, par ailleurs le distributeur de la turbine hélice mets bien en contact de la graisse pour les tourillons avec le milieu aquatique.

Kaplan turbine for small hydro usually have the control cylinder well above the water level, also, the distributor on the propeller turbine has greased pivots in contact with the water.

tojoe999 a écrit : (d) il est plus facile de coupler directement un générateur de la turbine
(d) it is easier to directly couple a generator to the turbine

ok, mais qu'en est-il des inconvénients ?
A - plus de composant électriques qui peuvent tomber en panne
B - Une efficacité global plus faible qu'une Kaplan avec double régulation.

ok, but what about the drawbacks ?
A - more electrical components that could fail
B - Lower efficiency than a double regulated Kaplan

Points très valables ont été faites.

Je suis d'accord, une turbine Kaplan (double réglementé) va générer plus d'énergie en une année que d'une turbine à hélice à vitesse variable.

Au Moulin D'Aillevans sur la rivière Ognon, l'énergie supplémentaire serait principalement produite en été, quand le tarif est le plus bas.

Avec une petite turbine, le coût supplémentaire (%) de la double réglementation est très élevé.

Le but de l'exercice est d'avoir le maximum des revenus annuels d'EDF à un coût minime. Le retour sur investissement (ROI) est le nombre important.

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Very valid points have been made.

I agree, a Kaplan turbine (double regulated) will generate more energy in a year than a propeller turbine with variable speed.

At Moulin D'Aillevans on the Ognon River, the extra energy would be mostly produced in the summer when the tariff is lowest.

With a small turbine, the extra cost (%) of double regulation is very high.

The point of the exercise is to have maximum annual revenue from EDF at minimal cost. The Return On Investment (ROI) is the significant number.


Tony M.

Bonjour Tony, bonjour à tous,

Cette installation fait couler beaucoup d’encre, il faudra penser à la turbiner...

Je serais curieux de connaitre la diminution de hauteur de chute au moulin lors des crues. Le canal de fuite étant assez long, la variation de hauteur n’est peut être pas si importante qu’on l’imagine ?

D’autre part, pendant le tarif hiver, il me semble que le débit de l’Ognon à Aillevans est habituellement de l’ordre de 15-20 m3/s. Donc les 10 m3/s que peut avaler la turbine hélice seront disponible en permanence ou presque. Dites moi si j’ai tord.

Si les 2 points ci-dessus, variation de hauteur et variation de débit, ne sont pas si catastrophiques que l’on suppose, alors le choix de Tony d’une hélice fixe et vitesse variable n’est-il pas un bon compromis ?

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Hello Tony, hello all,

I'd be curious to know the decrease in height of fall at the mill during floods. The tailrace is long enough, the height variation is perhaps not so important as we imagine ?
On the other hand, during the winter rate, it seems to me that the flow of Ognon Aillevans is usually in the range of 15-20 m3/s. Therefore 10 m3/s that can swallow the propeller turbine will almost always available. Tell me if I'm wrong.

If the 2 points above, height variation and variation of flow are not so catastrophic that it is assumed, then the choice of a fixed propeller Tony and variable speed is not it a good compromise?

débit d'eau / Water Flow


Il ya une station de mesure Hydro sur la rivière Ognon, en aval à Bonal.

There is a Hydro measuring station on the Ognon river, downstream at Bonal.

http://www.hydro.eaufrance.fr/selection ... rechercher


Le débit moyen mensuel est une brute, mais simple, façon de voir le débit d'eau

The average monthly water flow is a crude, but simple, way of looking at the water flow.


Sur la grande majorité des jours pour le tarif EDF en hiver (Novembre à Mars), il existe un débit suffisant d'eau pour fonctionner la turbine à, ou à proximité, le débit d'eau maximal.

On the vast majority of the days for the EDF tariff in winter ( November to March) there is sufficient flow of water to operate the turbine at, or close to , the maximum water flow.


Je crois que une turbine à hélice à vitesse variable est le choix approprié pour la turbine à cet endroit.

I believe that a propeller turbine with variable speed is the appropriate choice for the turbine at this site.


Moulin D'Aillevans n'a pas été opérationnel depuis 2000. Le canal amont (bief) et l'aval du canal (canal de fuite), il faudra un peu d'entretien.

Moulin D'Aillevans has not been operational since 2000. The upstream canal (millrace) and the canal downstream (tailrace) will require some maintenance.


Lorsque le débit d'eau dans la rivière Ognon, c'est plus de 150 mètres cubes par seconde, il ya une augmentation significative du niveau du canal de sortie (canal de fuite) - environ 1 m. Heureusement cela n'arrive pas très souvent.

When the water flow in the Ognon river, is more than 150 cubic metres per second, there is a significant rise in the level of the exit canal (tailrace) - approximately 1 m. Fortunately this does not happen very often.


La tête (chute d'eau) moulin à eau est de 2,5 m. La tête (chute d'eau) entre le barrage et la confluence du canal de sortie (canal de fuite) et la rivière Ognon est de 2,96 m. Il ya un grand potentiel pour bénéficier d'un peu d'entretien du canal de sortie (canal de fuite), en particulier.

The head (waterfall) at the watermill is 2.5 m. The head (waterfall) between the weir and the confluence of the exit canal (tailrace) and the Ognon river is 2.96 m. There is great potential to benefit from a little maintenance of the exit canal (tailrace), in particular.

Tony M.

Bonjour,

Si j'ai bien compris, le but est de faire le plus de Kw possible(en hiver) avec le meilleur rendement.
Je note que le débit permet souvent d'avoir les 10 m3/s => Alors quel est l'intérêt de la vitesse variable si la variation de chute n'excède pas 30 % ?
En effet une hélice calée à une hauteur de chute moyenne permettra de faire plus de Kw qu'une machine variable avec les pertes dues à l’électronique. En choisissant la vitesse de rotation pour une hauteur de chute moyenne, la chute pourra varier de +/- 40 cm (seulement 20%) en gardant toujours un meilleur rendement qu'un ensemble à vitesse variable et cela pour beaucoup moins cher . Cela se voit bien sur les courbes que vous avez données.

If I understand correctly, the goal is to make the more of Kw (in winter) with the best efficiency.
I note that the flow is often at 10 m3 / s => So what is what is the interest of variable speed if the variation of head do not exceed 30% ?
In fact, a propeller seated at an average head, will do more Kw , than a variable speed machine due to the electronics losses.
By choosing the speed rotation for an average head => the head may vary + / - 40 cm (only 20%) always keeping a better performance that variable speed and this for much cheaper. This is clearly seen in the curves that you have given.

Cdt

TG