Le barrage hydroélectrique

Projet FabLab L1 CMI : groupe 2A

Dans le cadre de l'UE Projet en L1 CMI physique à <fc #6495ed>Sorbonne Université</fc>, nous avons réalisé un projet de physique expérimentale. Pour cela, nous devions choisir et mettre en oeuvre un projet pendant la durée d'un semestre. Nous avons choisi le barrage hydroélectrique.

• Méline PARENT
• Louison GILLES
• Valentine PEREZ
• Clara JUY
• Natacha KAMINSKI
• Camélia HIADIHINE
• Gaspard CHEMINEE

mercredi 29 janvier

Nous avons créé notre groupe de 7 personnes et nous avons choisi notre projet. Le barrage hydroélectrique nous semblait approprié pour un projet de découverte physique. En effet, nous allons rencontrer des problèmes liés à l'électrocinétique et à la mécanique à chaque étape de notre démarche.

De plus, l'étude et la mise en œuvre de fabrication de ce barrage dans les moindres détails nous semblait correspondre aux attendues de cette UE. Ainsi, d'un commun accord entre tous les membres du groupe, nous en sommes venus au choix du barrage hydroélectrique.

mercredi 5 février

Nous avons fait un point sur ce dont nous avions besoin pour notre projet. Il nous fallait :

1. Une maquette du barrage hydroélectrique
2. Un alternateur qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique
3. Un convertisseur alternatif/continu qui transforme le courant alternatif en courant continu
4. Un processeur Arduino

Pour nous familiariser avec les opportunités offertes par l'utilisation d'un processeur Arduino, nous avons réalisé deux montages différents d'un feu tricolore.

Pour cela, nous avons utilisé les composants suivants:

1. Une plaque d'essai
2. Des fils électriques
3. Un processseur Arduino UNO
4. Des LEDs de plusieurs couleurs
5. Des résistances de 220 Ohms

Pour voir les résultats de nos tests avec Arduino : cliquez ici

Après avoir réalisé ces tests, nous en sommes venus à l'idée d'utiliser l'énergie électrique produite par notre barrage pour alimenter un feu tricolore, ou au moins l'allumage d'une LED.

Les pièces principales de la réalisation de notre barrage sont l'alternateur et la turbine.

Concernant la turbine, c'est elle qui permettra de “transférer” l'énergie potentielle de la chute de l'eau à l'alternateur qui l'exploitera pour produire de l'énergie électrique.

En nous inspirant de différents modèles 3D disponibles sur Sketchup, nous avons décidé de créer une première turbine prototype pour nous aider dans nos futurs modèles et maquettes de l'alternateur. Pour cela, nous avons utilisé le logiciel de modélisation 3D CURA.

Voici un aperçu de notre pièce sur le logiciel:

Nous avons ensuite imprimé notre pièce grâce à l'imprimante 3D à disposition au FabLab.

mercredi 12 février

Nous avons mis au point un schéma de notre construction. Ce schéma reste assez sommaire et laisse beaucoup de zones de floues (notamment sur les dimensions et les matériaux) mais il représente au mieux notre barrage pour l'instant.

Voici un descriptif de tous les éléments de notre maquette.

En cliquant sur chaque élément, vous aurez une description de son rôle et un résumé des étapes pour le réaliser

Attention, ces rubriques peuvent contenir des spoils si vous n'avez pas lu jusqu'à la fin

Tout en haut, se trouve la cuve supérieure. En dessous, la plaque supérieure soutient la cuve grâce à des pilotis. Le tuyau traverse la plaque supérieure et la cuve. Il est troué pour insérer la turbine. La turbine est elle-même reliée à l'axe, et l'axe est soutenu par les supports de l'axe. A droite, l'axe est relié au rotor. Le rotor est lui-même à côté du stator. L'ensemble permet la transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique. En dessous de la turbine se trouve la rigole qui est inclinée car posée sur la plaque inclinée. Le tout est posé sur la plaque inférieure.

Nous avons une nouvelle fois réalisé des impressions 3D. Nous avons imprimé un autre style de turbine afin de comparer l'efficacité de différents types de pales. Ainsi, nous avons mis en compétition une turbine à pales droites et une turbine à pales incurvées. Il nous a tout de suite paru clair que les pales incurvées correspondaient à ce que l'on recherche.

De plus, nous avons fait des recherches sur les turbines et dans plusieurs modèles/vidéos/articles était mentionné l'utilisation des turbines PELTON https://fr.wikipedia.org/wiki/Turbine_Pelton. D'après tous ces sites, nous en avons conclut que la forme en “cuillère” de la turbine PELTON était un très bon moyen de décupler l'énergie potentielle de l'eau et donc au final d'augmenter notre rendement d'électricité. En effet, la fente (qui s'appelle auget) au milieu de l'arrondi permet de séparer le jet d'eau en deux et donc de multiplier sa puissance. Nous avons donc imprimé ce modèle.

En ce qui concerne l'alternateur et le générateur, nous avons trouvé un site Internet d'un passionné de physique qui nous a grandement aidé. http://www.fabriquer-eolienne.com/ à la rubrique “Fabriquer un générateur”.

Nous avons ainsi décidé de fabriquer le bobineur dont les plans sont sur le site. Ce bobineur nous servira à fabriquer les bobines que nous placerons dans notre alternateur.

Nous avons également fait des commandes d'aimants et de fils de cuivre émaillé pour réaliser les bobines et avancer dans la conception de notre alternateur.

mercredi 19 février

Nous avons réalisé de plus un schéma final de notre projet avec les dimensions calculées mathématiquement.

Comme nous l'avons expliqué, la 1ère étape de construction des bobines était la construction du bobineur. Nous avons pour cela utilisé différentes machines comme une perceuse, une visseuse et une foreuse pour percer les planches. La construction était longue et nous avons mis plus d'une séance entière à le terminer.

Nous avons aussi eu l'idée d'utiliser des engrenages au niveau de l'alternateur pour maximiser l'énergie mécanique.

L'idée était d'imprimer à l'imprimante 3D deux engrenages crantés qui s’emboîtaient parfaitement mais en ayant un engrenage plus petit que l'autre. L'engrenage le plus grand serait fixé sur l'axe grâce à des écrous et l'engrenage le plus petit serait fixé sur un autre axe qui serait lui-même fixé au rotor. Ainsi, le grand engrenage tournant sous l'effet de la force cinétique de l'eau, entraînerait la rotation encore plus rapide du petit engrenage, qui ferait tourner le rotor d'autant plus vite. Nous avons réalisé sur SketchUp les engrenages en nous inspirant de roues déjà modélisées et en modifiant les fichiers pour les adapter à nos besoins.

Voici une image des engrenages que nous avons voulu réaliser.

Après y avoir longuement réfléchi, nous nous sommes dit que nous risquions de perdre plus d'énergie que nous pourrions en récupérer. Le risque était les engrenages ne s'emboîtent pas parfaitement. Si nous réalisions ce projet d'engrenages et que finalement rien ne tournait, notre maquette n'aurait plus servie à rien et cela aurait été très compliqué à rattraper. Nous avons finalement décidé d'abandonner cette idée.

La rigole est la partie sous le tuyau, qui récupère l'eau après sa chute et qui l'évacue.

Nous avons décidé de réaliser notre rigole en plexiglas car nous avions besoin d'un matériau résistant à l'eau. Cependant, nous ne savions pas comment découper notre boîte et nous avons premièrement imaginer un système de découpe de chaque partie indépendamment qui nous aurions maintenu grâce à des équerres et à de la colle.

Voici un schéma de ce que nous avions imaginer. Les équerres sont en orange et la colle en jaune.

Cependant, nous nous sommes dit que cela risquait de ne pas être très solide et nous avons essayer de trouver une autre manière de réaliser notre rigole.

Nous avons penser à utiliser un générateur de boites crantées sans couvercle disponible sur internet. Le principe est simple: on découpe chaque plaque en ayant les bords crantés. Ainsi, lorsque que l'on assemble la boîte, les creux et les pleins s'emboîtent et permette un bon maintient. Nous avons réalisé les schémas de notre rigole afin de pouvoir les découper la séance suivante.

mercredi 26 février

A cette séance n°5, nous avons eu le plaisir de recevoir notre commande.

Nous avons pu finir la réalisation du bobineur.

Suite à cela, nous avons réalisé notre première bobine de 110 spires (les spires sont le nombre de tours de fil d'une bobine) que nous avons consolidée avec du scotch isolant.

Nous avions donc les plans de la rigole. Nous avons décidé de la découper à la découpeuse LASER.

Nous avons assemblé notre rigole que nous avons consolidé avec de la colle à l'extérieur. A l'intérieur, nous y avons mis du joint car nous avions besoin que la rigole soit étanche

Pour réaliser la maquette générale, nous avons réfléchis à tout ce dont nous avions besoin.

Nous avons découpé ainsi les 4 pilotis de 50 cm de la plaque supérieure qui servent au maintient.

Nous avons aussi réfléchi à découper 2 petits pilotis inclinés pour la plaque inclinée du bas. Nous avons fait des mesures et trouvé qu'il fallait que les petits pilotis fasse un angle de 5° et qu'ils soient haut au maximum de 5 cm. Nous avons découpés ces deux pilotis ainsi qu'un troisième plus petit, assurant un meilleur maintient de la plaque inclinée.

Nous avons également découpé la plaque inclinée et la plaque supérieure. Pour la plaque supérieure, nous y avons réalisé un trou de 10 cm de diamètre pour le tuyau. Nous avons découpé ce trou avec une scie cloche.

Nous avons réalisé une présentation de mi-parcours à nos camarades de l'autre groupe qui réalisent une chambre à brouillard.

mercredi 4 mars

Après avoir pris la main avec le bobineur, nous avons réalisé les 5 bobines restantes.

Nous avons ensuite réalisé le stator en bois sur lequel nous fixerons les bobines. Nous l'avons découpé grâce à la découpeuse LASER.

Nous avons fixé les 6 bobines sur le stator en bois avec du scotch isolant et nous avons relié les fils des bobines entre eux, en prenant en compte le sens des bobines. Il fallait bien relier le fil sortant extérieur d'une bobine avec le fil sortant intérieur d'une autre bobine. Avant de relier les fils entre eux, nous avons retiré l'émail isolant présent sur le fil de cuivre avec du papier de verre. Nous avons entourés les fils reliés entre eux de scotch isolant afin de limiter les risques de court circuit.

De plus, nous avons ajouté une équerre afin d'assurer un bon équilibre lorsque le stator serait en place.

Voici le rendu final du stator :

Une fois le stator achevé, nous avons commencé la construction du rotor. Le rotor est une planche (dans notre cas, de bois) sur laquelle sont fixés des aimants. La polarité des aimants est alternée un aimant sur deux afin de faire varier le champ magnétique. Nous avons donc commencé par découper la planche à la découpeuse LASER.

Nous avons choisi de placer 12 aimants sur la planche. Nous avons donc commencé à coller les aimants sur la planche grâce à de la colle forte, mais les aimants se sont révélés plus forts et se détachaient de la planche en s'attirant entre eux. Nous avons donc décidé d'imprimer à l'aide de l'imprimante 3D des petites boîtes qui permettrait aux aimants de rester en place sur le rotor. De cette manière, les aimants restaient bien fixés sur le rotor. Voici la modélisation 3D d'une de ces boîtes:

Nous nous sommes confrontés à un problème, l'alternateur était trop haut par rapport à la base de la maquette.

Nous avons donc dût penser à un système permettant à l'alternateur d'être stable. Nous avons donc pensé à construire un support en bois sous forme de pavé droit qui soutiendrait le stator. Nous avons premièrement voulu le réaliser à la main en découpant nous-même les planches et en les clouant. Malheureusement, nous n'avons pas réussi.

La cuve supérieure est nécessaire pour avoir un débit d'eau plus important au niveau de la turbine.

Le principe est de faire un réservoir en hauteur d'une certaine contenance et de libérer toute l'eau d'un coup. En faisant ça, nous libérons une grande quantité d'eau qui s'écoule en peu de temps, ce qui augmente le débit. Nous avons donc décidé de créer notre cuve en y découpant un trou de 10 cm de diamètre afin d'y introduire le tuyau. La cuve peut contenir 6,5L d'eau et nous l'avons réalisée grâce à un générateur de boîtes en ligne. Nous avons ensuite découpé notre boîte à la découpeuse LASER sur des plaques de plexiglas.

Voici le plan de notre cuve supérieure:

Comme nous avions déjà les grands et les petits pilotis, la plaque supérieure, la plaque inclinée et la plaque inférieure, tout était prêt. Il ne restait plus qu'à tout assembler.

Nous avons utilisé une viseuse et des vis de différentes tailles afin de maintenir le tout.

mercredi 11 mars

Nous avions donc le rotor et le stator. Nous avons réalisé des tests d'intensité pour essayer d'allumer une LED. Malheureusement, cela ne marchait pas bien et la LED ne s'allumait pas. Nous avons donc branché un ampèremètre pour voir si une intensité était détectée. Encore une fois, l'intensité était vraiment très faible.

Nous nous sommes alors dit que peut-être qu'il y avait trop d'aimants, ce qui ne permettait pas une réelle variation du champ magnétique. Nous avons donc retiré des aimants pour n'en laisser que 8, puis 4.

Comme nous n'étions pas arrivé à faire “à la main” le support, nous l'avons découpé à la découpeuse LASER via le générateur de boites en ligne que nous avions déjà utilisé. Nous avons ajouté une fente qui permettrait d'insérer le stator verticalement à l'intérieur. Nous avons finalement réussi à créer notre support de l'alternateur.

Voici les plans du support de l'alternateur.

La turbine étant terminée, il s'agissait de faire des tests avec le logiciel que nous allions utiliser pour mesurer la vitesse de rotation de la turbine. Nous avons réalisé une vidéo de la turbine qui tourne avec l'eau du robinet pour simuler notre expérience.

Nous avions presque fini la cuve, mais il manquait l'isolation. Nous avons ajouté de la colle à l'extérieur de la cuve et du joint à l'intérieur afin d'isoler au maximum de l'eau.

Afin de libérer toute cette eau d'un coup, nous avons pensé à un système permettant de remplir intégralement la cuve. Pour cela nous avons fait l'acquisition d'un bouchon universel pour évier qui empêche l'eau de s'écouler grâce à la pression s'exerçant sur ses bords.

Voici le schéma de notre cuve et du bouchon universel. En dessous du bouchon se trouve le trou avec le tuyau.

On avons ainsi pu calculer le débit volumique de l'eau. La formule du débit volumique est : D = V/t (avec V, le volume du liquide en m^3 et t le temps en s). Or la cuve supérieure à une capacité de 6.5 L soit 6.5*〖10〗^(-3) m^3 et elle s'est vidée complètement en ±11s. On obtient alors un débit D=5.9*〖10〗^(-4) m^3*s^(-1).

Les supports de l'axe servent au maintien de l'axe. Ils sont en bois et mesurent environ 17 cm de haut, leur base est carrée de longueur d'environ 4 cm. Nous les avons découpé avec une scie banale.

Afin de limiter les frottements au maximum avec l'axe, les parties en contact avec l'axe sont en plastique. Celles-ci sont incurvées afin que l'axe puisse s'y déposer sans problème et nous avons fait en sorte que l'axe puisse facilement tourner et ainsi entraîner le rotor avec lui. Pour créer ces parties en plastique, nous avons utilisé une imprimante 3D. Nous avons donc modélisé ces parties avec SketchUp. Pour cela, nous nous sommes dit que ces dernières devaient ressembler à des “skateparks miniatures” pour correspondre à nos besoins. Alors, nous avons cherché un modèle de skatepark dans SketchUp et l'avons redimensionné. Ceci nous a permis d'obtenir exactement la forme que l'on voulait et de gagner beaucoup de temps en modélisation.

Pour que l'axe ne se déplace pas d'un coté lors de sa rotation, nous avons rajouté un “mur” à un des piliers. Nous avons utilisé un pistolet à colle chaude et du scotch pour créer ce “mur”. Ainsi, cela a permis de rendre l'axe stable et tout de même capable de tourner sur lui-même.

Enfin, nous avons collé les “skateparks miniatures” sur les piliers en bois avec de la colle forte et nous avons cloué les piliers à la maquette aux bonnes distances de la turbine et de l'alternateur.

Voici à quoi ressemblent nos piliers une fois finis et cloués à la maquette:

Nous avons décidé de rajouter de la peinture bleue en dessous des cuves pour simuler l'eau. Nous avons utilisé des bombes de couleur et du scotch pour éviter que la peinture de ne repende autre part que sur les lieux voulus.

jeudi 12 mars 18h - 20h

Nous nous sommes rendu au FabLab en dehors des heures normales pour nous assurer d'être dans les temps et de respecter les délais que nous nous étions fixés. Ce jour là, nous avons monté sur notre maquette des socles supplémentaires pour avoir assez d'espace libre pour fixer les supports de l'axe. Précédemment, nous n'avions pas laissé une marge suffisante sur notre plaque de bois inférieure. Nous avons donc rajouté une plaque plus grande en dessous.

vendredi 13 mars 8h - 10h

Puisque nous n'avons pas réussi à obtenir une vidéo exploitable par Cinéris (ou tout autre logiciel de pointage) avec un téléphone lors des séances de fablab, nous sommes allées en salle de TP pour utiliser les caméras et Cinéris. Nous avons versé de l'eau sur la turbine à l'aide d'une bouteille de 50 mL et l'avons filmée. (Malheureusement, la vidéo ne peut pas être importée dans le wiki.)

Une fois le pointage fini sur cette vidéo, nous avons pu calculer la vitesse de la turbine selon l'axe x et selon l'axe y, puis la vitesse moyenne pendant deux ours complets.

Voici les tableaux excel que nous avons enregistrés:

Tour 1: Vitesse moyenne du premier tour: 0,514 m/s.

Tour 2: Vitesse moyenne du deuxième tour: 0,724 m/s.

Nous avons calculé une vitesse moyenne des deux tours de 0,619 m/s.

Ensuite, nous nous sommes intéressées à la vitesse angulaire de la turbine. Avec Cinéris, nous avons relevé que le premier tour de la turbine s'effectuait en 1,23 seconde et que le deuxième tour s'effectuait en 0,87 seconde. Ainsi, nous en avons déduit une moyenne de 1,05 seconde pour un tour. Nous avons pu calculé la vitesse angulaire ω, puisqu'un tour correspond à 2π.

ω = 5,984 rad/s

Ensuite, nous avons pu déterminer la puissance exercée par notre “barrage” grâce à la vitesse angulaire: On sait que la puissance P (en Watts) est le produit de la vitesse angulaire ω (en rad/s) et du couple T (en N.m). P = T * ω T correspond au produit de la force à laquelle est soumise l'eau, donc son poids P', et de la hauteur de la chute h. P'= ρVg avec ρ = 1000 kg/m^3, V = 6,5 L = 0,065 m^3 et g = 9,81 m/s². Donc P'= 637,65 N. On a h = 16 cm = 0,16 m. On en déduit que T = 102,024 N.m.

Ainsi la puissance de notre barrage vaut: P = 610,512 W.

vendredi 13 mars 18h - 20h

Après avoir appris que l'université serait fermée pour endiguer la propagation du Coronavirus, nous avons compris qu'il nous serait très compliqué de terminer notre projet. Nous nous sommes rendu au FabLab une dernière fois.

Lors de cette séance en dehors des heures normales du mercredi, nous avons fait notre maximum pour apporter le plus d'amélioration à notre maquette. Nous avons ajouté à notre structure des poteaux de part et d'autres de la rigole. Ces morceaux de bois sont surmontés de créations 3D en forme d'arc-de-cercle qui servent à maintenir en place l'axe lors de sa réaction. Nous avons d'abord souhaité visser ces poteaux mais l'épaisseur de bois ne nous l'a pas permis. Ainsi, nous les avons clouté à la place. Cette opération nous a malheureusement coûté beaucoup de temps que nous n'avons pas pu investir dans des parties plus importantes. Nous avons aussi collé la rigole au support en bois avec de la colle chaude. Pour autant, en retournant notre maquette pour clouter les maintiens en bois de l'axe, la rigole n'a pas tenu et est tombée. Nous en avons conclut qu'il fallait la fixer avec une colle plus forte que de la colle chaude mais nous n'en avions pas sous la main.

En ce qui concerne l'alternateur, nous avons discuté avec des membres d'autres groupes (notamment Jeremy Laporte, que nous remercions). Nous sommes arrivé à la conclusion que pour produire un courant plus important avec nos aimants et nos bobines, nous devions réduire le nombre d'aimant à utiliser. En effet, le principe physique reposant derrière l'alternateur est de faire varier la tension des bobines de positive à négative à des intervalles de temps réguliers pour créer un courant. Nous avions d'abord fait appel à 12 aimants. Les aimants étaient disposés tels que à côté d'un aimant à pôle négatif se trouvait un aimant à pôle positif. Mais nous obtenions un courant très faible, de l'ordre du milliampère et moins. Cela est du au fait que les aimants étaient trop nombreux. La tension n'avait pas le temps de varier de positive à négative qu'elle était déjà exposée à une autre aimant positif.

Après avoir essayé plusieurs combinaisons, nous avons conclus que 4 aimants étaient le nombre d'aimant qu'il nous fallait pour dépasser le seuil des 10 milliampères, et que des aimants plus forts auraient permis de générer un courant plus fort.

Nous avons ensuite testé notre maquette. Nous avons pour cela verser de l'eau à travers le tuyau afin de faire tourner notre hélice. Nous avons presque toutes finies trempées. Ceci nous a mené à un point que nous n'avions pas envisagé: l'eau chute très vite et éclabousse tout. Or, dans notre maquette, l'alternateur (donc un composant électronique) est placé très près de la turbine. L'eau et l'électricité ne faisant pas bon ménage, nous avons compris qu'il nous faudrait une barrière entre les deux pour le bien de notre projet (et nos vies).

Nous avons pris pour cela une plaque en plexiglas. Nous avons réalisé les mesures pour savoir où percer la plaque. Nous voulions utiliser pour cela une Dremel, mais nous n'en avons pas eu le temps. Nous avons cependant pu faire des tests pour percer le plexiglas qui ont été concluant.

Ce projet nous a beaucoup apporté à tous. C'était une belle entreprise et une expérience très enrichissante. Nous avons tous appris quelque chose. Ne pas pouvoir le mener à bout nous attriste, mais nous restons fiers de ce que nous avons accompli tous ensemble. Malgré nos erreurs, nos retours en arrières, nos échecs, cette maquette nous est chère. Nous espérons avoir à nouveau la chance de participer à ce genre de projet. Nous tenons à remercier tous ceux qui nous ont aidé et accompagné, professeurs comme élèves. Un grand merci notamment à Nicolas et à Monsieur Texeira.

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1. Tutoriels Arduino
2. Construction d'alternateur
3. Recherche sur les turbines
4. Vidéo-projet de maquette de barrage hydro-électrique