PLUIL'EC
L'équipe
Nathan, Louis et Clovis
Le concept
Créer de l'énergie en récupérant de l'eau de pluie ? C'est NOTRE projet !
Pour cela notre projet consiste à utiliser l'eau de pluie tombant sur le toit d'un immeuble pour la transformer en électricité à l'aide d'une turbine.
L'électricité produite sera stockée dans une batterie pour une utilisation ultérieure.
Découvrez la progression de notre projet en visitant notre compte Instagram ici
La planification du projet
Le projet se répartit en 5 phases, toutes bien différentes avec à chaque fois des livrables à rendre.
La première phase consiste à analyser le besoin, c'est à dire à étudier les solutions déjà existantes ou non. Il faut aussi planifier le travail et se le répartir tout au long de l'année grâce au diagramme de Gantt.
Dans la seconde phase, les études commencent. Puis vient l'étape de conception avec une modélisation 3D à réaliser.
Ensuite la réalisation sous forme de prototype ou de maquette.
A la fin de l'année, nous présenterons individuellement notre partie à un jury à l'aide d'une présentation type PowerPoint.
Etude des différentes solutions
Nous avons deux solutions qui ressortent.
La première solution, qui est représentée sur le schéma, consiste à récupérer l'eau de pluie et la rediriger en un point pour qu'elle se déplace dans un seul et même tuyau. L'eau est stockée dans un bac tampon. Quand celui-ci est rempli, l'eau contenu dans ce bac se déverse dans une gouttière. La hauteur du bâtiment permet à l'eau d'accumuler de l'énergie. A la fin de sa chute, l'eau tombe sur une turbine qui permet de créer de l'électricité. L'électricité produite sera donc stockée dans une batterie. Quant à l'eau, elle permettra d'arroser des plantes.
Voici notre deuxième solution. Ici, l'eau de pluie stockée en haut du bâtiment est déversée dans un bac qui agira comme contrepoids. Sur le schéma ci-contre, vous pouvez voir, à droite, un poids de 5 kg et à gauche un bac rempli de 10 L d'eau, tout deux accroché à un câble. Le bac rempli d'eau est donc plus lourd que le contrepoids accroché à l'autre bout du câble. Le bac d'eau descend donc par gravité. Ce qui fait donc monter le contrepoids de 5 kg. Grâce à ce système de va-et-vient, un alternateur est entraîné grâce à des engrenages. Cet alternateur crée donc de l’électricité qui est stocké dans une batterie. L'eau est récupérée en bas pour éventuellement arroser les plantes.
Nous avons choisis de retenir la solution numéro 1 qui est la plus rentable des deux solutions. Elle est aussi plus facilement applicable pour notre projet.
La rencontre avec un professionnel
Le vendredi 12 janvier, au retour des vacances de Noël, nous avons rencontré un professionnel dans le domaine de l'eau : un hydro-électricien. Cette aide nous a permis de définir les limites du projet ainsi que choisir les solutions les plus adaptées pour le bon déroulement de notre projet.
Travail et recherche individuelle
C'est le début des phases individuelles, nous devons donc rendre pour le jeudi 22 mars chacun un livrable individuel respectant la planification ci-dessus.
Les différentes parties
Louis
Ma partie consiste en l'étude de la turbine, le type de turbine. Il faut aussi déterminer en quel matériau la fabriquer. L'expérimentation que nous verrons plus tard, nous permettra de connaître ce que peut nous fournir la turbine (puissance, couple...). Grâce à cela, une recherche sur l'alternateur et son système de transmission pourra être faite. Je dois donc aussi trouver un moyen de stocker l'énergie produite.
La turbine
Pour commencer, j'ai choisis 3 différentes turbines. La turbine Cross Flow, la turbine Francis ainsi que la turbine Kaplan. (voir photos ci-dessous)
J'ai du en éliminer une, la turbine Francis. Elle demande une alimentation en eau de façon horizontale alors que nous n'avons uniquement de l'eau de façon verticale qui tombe sur la turbine.
Grâce au tableau comparatif ci-dessus, des deux turbines retenues, j'ai pu affiner mon choix. Nous pouvons voir que la turbine Kaplan dispose du meilleur rendement. J'ai donc choisis de retenir la turbine Kaplan.
Pour déterminer le matériau de la turbine, nous devons respecter plusieurs contraintes. Tout d'abord il doit pouvoir résister à l'eau, mais aussi être recyclable car nous sommes en ITEC (Innovation Technologique et Eco-Conception).
Comme nous pouvons le voir sur le graphique ci-contre, 3 principaux matériaux ressortent. Le Polyéthylène, l'ABS et l'acier inoxydable.
Comme on peut le voir sur les photos ci-dessus, les 3 matériaux disposent des caractéristiques nécessaire pour notre projet. Ici on s’attarde sur la résistance à la compression car la turbine va être compresser quand l'eau va tomber sur elle.
Le matériau sera donc pour le projet en taille réelle, de l'acier inoxydable, qui est résistant dans le temps, peut accepter de grosses contraintes et résiste avant tout à l'eau car il est inoxydable (ne rouille pas). Pour le prototype (en taille réduite) le plastique est préférentiel car il est léger et résistant à l'eau.
Le prototype
Nous avons ensuite commencé la construction du prototype qui va nous permettre d'obtenir des résultats concrets
Voici ci-dessus notre prototype avec le bac d'eau qui permet de stocker l'eau, l'immeuble construit en bois, la gouttière en PVC et assemblée grâce à de la colle spéciale PVC étanche puis la vanne qui permet d'ouvrir ou de fermer le système.
Pour mieux comprendre le système, une vue en coupe du système avec la turbine
L'expérimentation
Ci-dessus, la vidéo de l'expérimentation. Nous pouvons voir qu'il y a une vitesse de rotation élevée. Pour la calculer, j'ai utilisé le logiciel Tracker, qui décompose les vidéos image par image. Ainsi, la vitesse de rotation de la turbine est de 16 tours/seconde soit 960 tours/minute. J'ai ensuite déterminé la puissance et le couple que fournissait celle-ci. Nous avons donc une puissance de 90 W et un couple de 0,9 N.m.
La transmission
Pour la transmission, j'ai utilisé un système engrenage + pignon. Celui-ci permet de multiplier par trois la vitesse de rotation en sortie du pignon.
Ci-dessus, une animation résument la transmission.
La transformation de l'énergie
La transformation de l'énergie mécanique (énergie produite par la turbine) en électricité est réalisé par un alternateur (photo de gauche), qui en tournant, produit de l'électricité. Celui-ci produit de l'électricité avec un courant alternatif. Ce courant alternatif est convertit en courant continu grâce au redresseur (photo de droite).
Le stockage de l'électricité
L'électricité produit est ainsi stocké dans une batterie. Pour notre prototype, nous pouvons utiliser une batterie de téléphone qui est compacte et rapide à recharger. Pour le projet en taille réelle, nous utiliserons une plus grosse voiture, par exemple une batterie de voiture.
Clovis
Dans ma partie, je dois m'occuper du débit d'eau dans la gouttière, de la vanne qui régule l'écoulement d'eau dans le système ainsi que des capteurs de détection d'eau dans le bac de récupération situé sur le toit du bâtiment. Je dois aussi m'occuper de la partie utilisation de l'eau et de l'électricité mais il s'agit d'une exigence secondaire. L'exigence principale étant de créer de l'énergie.
Je me suis donc penché, au début des mes recherches, sur le débit d'eau dans la gouttière. Mais les calculs de débit se sont avérés assez compliqués à cause du grand nombre d'approximations que nous avons faites.
Avant les expérimentations, les résultats des calculs de débit paraissaient extrêmement élevé.
En effet, le débit s'élevait à 190L/seconde.
Mais après les expérimentations, j'ai recalculé à l'aide d'un logiciel et le résultat est moins incroyable : 7L/seconde
Dans un second temps, je me suis occupé de la vanne de régulation du système.
Je suis allé à la rencontre de professionnels dans le domaine de la plomberie pour leur demander quelques conseils en ce qui concerne ma vanne.
La question que je me posait était : est-il possible de motoriser la vanne et de la relier directement aux capteurs de détection d'eau ?
Et grâce à mes recherches ainsi qu'aux professionnels que j'ai pu rencontrer, j'ai choisi d'utiliser un système de vanne motorisée.
Néanmoins, ce système est extrêmement cher, il est donc impossible, à notre échelle, de l'obtenir.
Ayant donc pris connaissance du système de vanne que j'allais utiliser, j'ai commencer à me pencher sur la question du capteur.
En effet, le capteur présent dans le bac de récupération d'eau sur le toit de notre bâtiment doit être connecté directement à la vanne pour pouvoir lui envoyer un message lorsqu'il est temps de vider l'eau.
J'ai donc réalisé un programme permettant de détecter le niveau ET d'envoyer un message à la vanne lorsque le capteur s'allume. J'ai coder ce programme à l'aide du logiciel Arduino.
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