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Centrale hydraulique
On parle de petite hydroélectricité pour les centrales dont la puissance nominale est inférieure à 1MW. C’est pour ces centrales que le potentiel de développement est le plus important.
Les petites centrales sont elles-mêmes divisées en plusieurs catégories :
o la Pico centrale hydroélectrique à une puissance inférieure à 20 kW
o la Microcentrale hydroélectrique d’une puissance entre 20 kW et 300 kW
o la Petite centrale hydroélectrique d’une puissance entre 300 kW et 1 MW .
Une centrale hydroélectrique peut être aussi classifiée par leur hauteur de chute :
o Les centrales à basse chute : hauteur inférieure à 15 m.
o Les centrales à moyenne chute : hauteur entre 15 et 100 m.
o Les centrales à haute chute : hauteur supérieure à 100 m.
Les principaux éléments constitutifs d’une centrale hydroélectrique
Elle est constituée par plusieurs éléments tels que:
a. Galerie d’amenée ou prise d’eau :
La prise d’eau est constituée par une dérivation dont l’entrée est limitée par un seuil et qui dirige le débit ainsi dérivé vers le canal d’amenée. Le contrôle du débit s’effectue le plus souvent, soit par un barrage mobile dans la rivière, soit par une vanne dans le canal d’amenée.
b. Canal d’amenée :
C’est un canal long ou court qui relie la prise d’eau à l’entrée de la centrale. Il est habituellement en écoulement libre à ciel ouvert.
c. Grille et dégrilleur :
La grille protège la turbine contre les corps charriés par la rivière, tandis que le dégrilleur, sous forme de peigne ou de râteau, débarrasse la grille des éléments flottants accumulés.
d. Conduite forcée :
La conduite forcée est un tuyau qui relie l’extrémité du canal d’amenée (au sommet de la pente) à la turbine (au pied de la pente). Elle supporte à son extrémité inférieure une pression de service voisine de la hauteur de chute. Le plus souvent, elle est en matière synthétique pour les centrales à faibles chutes et en métal pour les hautes chutes.
e. Turbine :
C’est une roue qui transforme l’énergie de l’eau sortant du distributeur en énergie mécanique. Elle est la partie principale qui donne le mouvement de rotation aux mécanismes d’entraînement de l’alternateur.
f. Vanne de garde :
Vannes d’isolation généralement rectangulaires, dont le fonctionnement est similaire à celui d’une guillotine, et qui permettent d’isoler la microcentrale de la rivière en cas de nécessité. (Entretien de l’installation, protection contre les crues,…)
g. Alternateur :
L’alternateur permet de transformer l’énergie mécanique en électricité. Il comporte un induit fixe (stator) et un inducteur tournant (rotor). Les alternateurs peuvent être classifiés suivant l’excitation du rotor. En ce qui concerne l’alternateur synchrone, l’excitation est produite par une petite génératrice annexe qui produit un courant créant un champ magnétique dans le rotor.
h. Régulateur de vitesse :
Le système de régulation rend constante la vitesse de rotation du groupe turbine-alternateur malgré la fluctuation de la charge qui induirait une augmentation ou une diminution de la vitesse de rotation de l’alternateur. Elle permet aussi le démarrage et l’arrêt de la turbine en actionnant le distributeur.
i. Réseau utilisateur :
L’énergie produite peut être autoconsommée par le producteur (éclairage, matériel électrique, chauffage) ou être revendue au réseau.
Turbines hydrauliques
Définition
Le nom de « turbine » vient du latin « turbo » signifiant « toupie ». Les turbines sont des machines qui servent à produire de l’énergie mécanique dans les appareils rotatifs à l’effet dynamique engendré par la détente d’un fluide. Leurs formes et leur mode d’utilisation sont très variés. Leur puissance peut aller de quelques centaines de watts à près de deux mille méga watts. Une turbine est un moteur rotatif entraîné par une veine d’eau qui transforme la plus grande partie de l’énergie hydraulique en énergie mécanique. C’est une machine qui permet de générer de l’énergie mécanique par la transformation de l’énergie potentielle contenue dans une masse d’eau.
Eléments constitutifs d’une turbine hydraulique
Elle se compose de trois organes essentiels :
❖ Un distributeur fixe ou mobile : qui donne aux particules d’eau une vitesse de grandeur et de direction convenables pour aborder la roue dans les conditions voulues avec le minimum de pertes.
❖ Une roue mobile : entraînant l’arbre de sortie par réaction à la pression et action de l’écoulement rapide de l’eau au contact des pales de la roue qui a pour rôle de transformer l’énergie hydraulique en énergie mécanique.
❖ Un aspirateur-diffuseur : dont l’objet est de récupérer sous forme d’énergie cinétique que peut posséder l’eau à la sortie de la roue et de l’évacuer dans le bief aval.
Type et classification de turbines hydrauliques
a) Turbine à réaction :
On parle de turbine à réaction si la pression de l’entrée est supérieure à la pression de sortie de la roue. Leurs rendements sont plus élevés mais leur fonctionnement est plus complexe. Ces turbines sont immergées dans l’eau, car elles se trouvent à l’intérieur du canal d’écoulement du barrage pour cette raison il est important de faire attention au phénomène de cavitation qui est la résultante de la pression d’aspiration de l’eau en hauteur et se manifeste en une grande dépression sur les aubes de la roue.
On distingue deux types de turbines à réaction:
• Les turbines Francis
• Les turbines Kaplan et à hélices .
➤ Turbine Francis
Elle est utilisée pour des moyennes chutes 5 à 100 m et des débits moyens 100 à 6000 l/s. Elle comporte un distributeur à directrice mobile, une roue à pales fixes et un aspirateur à la sortie. Les roues peuvent être montées dans une bâche spirale ou dans une chambre d’eau. Elles ont un bon rendement, dépassant 80%, pour des débits de fonctionnement variant de 60 à 100 % du débit nominal. Cependant ce type de turbine n’est pas recommandé lorsque le débit est susceptible de varier au delà de ces limites. Elle est aussi appelée « turbine à écoulement radial ».
➤ Turbine Kaplan et hélice
Les turbines Kaplan, nommées aussi « turbines à écoulement axial », sont utilisées pour de faibles chutes de 2 à 30 m et des débits importants 300 jusqu’à 10000 l/s. Les puissances correspondantes peuvent varier de quelques kW à plusieurs centaines de kW. Elles se caractérisent par leur roue qui est similaire à une hélice de bateau et dont les pales sont réglables en marche pour les turbines Kaplan ou fixes pour les turbines à hélices.
b) Turbine à action :
Les turbines à action sont celles qui ont une pression d’eau à l’entrée de la turbine égale à la pression de l’eau en sortie. Elles sont les plus simples à mettre en œuvre mais leur rendement est moins élevé, ceci est dû à l’utilisation des injecteurs (des tuyaux) amenant l’eau jusqu’aux augets de la turbine sous forme de jet libre.
On distingue deux types de turbines à action:
➤ Turbine Pelton
Cette turbine est employée pour les hautes chutes 10 à 500 m et faibles débits 20 à 1000 l/s. Elle est équipée d’augets en forme de double cuillère, lesquels sont placés autour de la roue et recevant l’eau par l’intermédiaire d’un ou plusieurs injecteurs. Ces injecteurs permettent de régler l’arrivée de l’eau même en cas de fortes variations du débit et de conserver dans l’ensemble un rendement très appréciable.
➤ Turbine Banki-Mitchell ou Cross flow
Ces turbines, dites « Cross flow », ont été étudiées en vue de l’exploitation de chutes d’une hauteur de 10 à 150 mètres et de débits allant de 20 à 7000 litres par seconde. L’écoulement dirigé par des volets traverse les aubages de la roue constituée de deux flasques réunies entre elles par une couronne d’aubes disposées en forme de cylindre.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : GENERALITES
1.1 Centrale hydraulique
1.1.1 Les principaux éléments constitutifs d’une centrale hydroélectrique
1.1.2 Principe de fonctionnement
1.2 Turbines hydrauliques
1.2.1 Définition
1.2.2 Eléments constitutifs d’une turbine hydraulique
1.2.3 Type et classification de turbines hydrauliques
1.2.4 Domaine d’utilisation d’une turbine
1.2.5 Evaluation énergétique du site
1.2.5.1 La chute
1.2.5.2 Le débit
a. Débit instantané
b. Débit classé
c. Débit caractéristique
d. Débit minimal
1.2.5.3 La puissance
CHAPITRE 2 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ET DIMENSIONNEMENT D’UNE TURBINE KAPLAN
2.1 Description
2.2 Principe de fonctionnement d’une turbine Kaplan
2.3 Les différentes composantes d’une turbine Kaplan
2.3.1 La partie amont
2.3.2 La roue
2.3.3 La partie aval
2.4 Phénomène de cavitation
2.5 Chiffre de cavitation
2.6 Hauteur d’aspiration
2.7 Calcul des vitesses spécifiques et de la puissance
2.8 Dimensionnement
2.8.1 La roue
2.8.2 Distributeur
2.8.3 Aspirateur-diffuseur
2.9 Méthode de tracé des aubes
2.10 Système de régulation
2.11 Principe de montage de l’ensemble
CHAPITRE 3 : ETUDE ENVIRONNEMENTALE
3.1 Estimation des impacts sur l’environnement
3.1.1 Les impacts positifs
3.1.2 Les impacts négatifs
3.2 Mesures de précautions
CONCLUSION
