Notion sur les microcentrales hydrauliques

NOTION SUR LES MICROCENTRALES HYDRAULIQUES

GENERALITE

La technologie de la plupart des grandes installations n’a pas évolué au cours du XXe siècle. Les centrales sont reliées à un grand réservoir d’eau situé en amont du barrage dont le débit peut être contrôlé et le niveau maintenu constant. L’eau est transportée par des conduites, appelées canaux d’amenée, commandées par des vannes ou des portes de turbine, afin que le débit corresponde à la demande en énergie. Elle passe ensuite dans les turbines et est évacuée par une galerie d’évacuation. Les générateurs d’énergie sont directement installés au-dessus des turbines sur des axes verticaux. La conception des turbines dépend de la charge d’eau disponible, les turbines Francis étant utilisées pour les charges élevées et les turbines à hélices pour les charges légères.

Les microcentrales hydroélectriques sont des installations de production d’électricité de faible puissance variant de 5 à 500 KW. Dans les installations modernes, on a privilégié l’accroissement des hauteurs de chute d’eau et l’augmentation de la taille de l’unité pour accroître la puissance fournie par les turbines. Les turbines Kaplan sont maintenant utilisées avec des chutes près de 60 m et les turbines Francis, avec des hauteurs pouvant aller jusqu’à 610 m. La plus Haute chute d’eau (environ 1770 m) utilisant une roue de Pelton se trouve à Reisseck en Autriche. Pour le cas des turbines à basse chute, il s’agit dans la plupart des cas des centrales au fil de l’eau travaillant sur un débit d’étiage. Les travaux de génie civil sur l’ouvrage de prise et d’adduction d’eau sont réalisés au moindre coût. Aujourd’hui, avant de réaliser un système de turbine de grande puissance, les ingénieurs développent des modèles réduits pour étudier le comportement de la roue de turbine en fonction de la hauteur de chute. Les lois de similitude permettent de savoir, de manière assez précise, quelles seront les caractéristiques de la turbine hydraulique à réaliser.

La plupart des systèmes hydroélectriques de petites retenues d’eau construits avant 1930 furent abandonnés en raison des coûts de maintenance et de main-d’œuvre élevés. Les augmentations successives du prix du pétrole brut ont réactualisé ces installations. Avec le développement standardisé des turbines à hélices à arbres quasi horizontaux, les petites installations sont redevenues intéressantes. Le rendement des turbines hydrauliques peut atteindre 90 % selon le type d’installation.

DESCRIPTION DES CENTRALES HYDRAULIQUES

Une centrale hydroélectrique utilise la force hydraulique d’une chute d’eau qui permet d’actionner une turbine dont le mouvement est transféré à un alternateur qui produit de l’électricité. La puissance, qui peut être produite est proportionnelle à la hauteur de la chute et au débit d’eau disponible. La hauteur de la chute se mesure entre la surface libre de l’eau en amont de la prise d’eau et l’axe de la turbine. De manière approximative, mais conservatrice, on peut obtenir la puissance d’un site en kW, en multipliant par 7 le produit de la hauteur de chute en mètres par le débit d’eau, en m3/s. Pour les moyennes et hautes chutes, la centrale est alimentée par une conduite forcée depuis la retenue qui constitue le barrage. Pour les basses chutes, la microcentrale, qui peut être un groupe bulbe, est installée au pied même de l’ouvrage ; elle est souvent alimentée par siphon ou en bout de conduite. Dans le cas des groupes en siphon, le groupe qui comprend la turbine, la distributrice et la génératrice, se trouve hors de l’eau. Pour arrêter le groupe, il suffit d’entrer de l’air dans la conduite par une soupape. Les avantages de ces installations sont multiples:

➤ Récupération d’une partie de l’énergie sauvage des cours d’eau.
➤ Travaux de génie civile réduits, surtout si l’on utilise les barrages existants.
➤ Technologie fiable : sauf accident, les microcentrales ont une durée de vie élevée.

L’élément de base d’une turbine est une roue ou un rotor à ailettes, à hélices, à lames, à aubes ou à augets disposés sur sa circonférence, de façon que le fluide en mouvement exerce une force tangentielle qui fait tourner la roue et lui confère de l’énergie mécanique. Cette dernière est ensuite transmise par un arbre qui fait tourner un moteur, un compresseur ou un générateur. On distingue les turbines hydrauliques ou à eau, les turbines à vapeur et les turbines à gaz. Dans le langage courant, le terme turbine désigne une installation de production d’énergie, la turbine étant parfois constituée de plusieurs étages. Aujourd’hui, les générateurs à turbine produisent la plus grande partie de l’énergie électrique dans le monde.

CLASSIFICATION DES PETITES CENTRALES ET DE LEURS COMPOSANTS

La classification des microcentrales s’effectue en fonction de la manière dont l’eau a été captée et conduit à la turbine, de l’emplacement de cette dernière et de la hauteur de chute ou dénivellation exploitée. On distingue deux classes principales de petites centrales :

a) Installation à basse pression :
C’est une installation située le long d’un cours d’eau ou sur un canal de dérivation. L’ouvrage le plus important est le barrage, ou prise d’eau, le plus souvent construit en béton. Sa fonction est de détourner le débit nécessaire directement vers la turbine ou dans un canal de dérivation tout en laissant passer les crues. La centrale est soit intégrée directement dans le barrage, soit placée en dehors du canal. Les systèmes de régulation et de contrôle des paramètres électriques sont automatisés et se font après le générateur. En règle générale, il n’y a pas de conduite forcée ou celle-ci reste très courte. Les chutes varient entre 1.5 à 20 mètres et la pression dans la turbine est faible (0,2 à 2 bars).
b) Installation à moyenne et haute pression :
Type d’installation situé sur des cours d’eau, des sources de montagne, des réseaux d’eau potable et dans des circuits hydrauliques industriels. La constitution de ce type de centrale est un peu complexe car il doit être muni de tous les éléments nécessaires dans une installation d’une microcentrale afin d’avoir un meilleur rendement et pour éviter les risques de détérioration. Donc, aux composants mentionnés pour la première catégorie s’ajoute une conduite forcée soit entre la prise d’eau et la centrale, soit entre l’extrémité du canal de dérivation et la centrale. La conduite est l’ouvrage le plus important pour ce type de petite centrale. Elles sont équipées d’un système de régulation de débit pour limiter la pression.

Dans leur principe, les petites centrales se distinguent peu des grandes installations. La différence se situe avant tout au niveau de la simplicité de conception et d’exploitation.En effet, les petites centrales doivent, non seulement, être peu coûteuses à la construction mais aussi pouvoir fonctionner automatiquement sans personnel permanent et avec un minimum de surveillance et d’entretien. En règle générale elles sont exploitées au fil de l’eau, sans réservoir d’accumulation, éléments trop coûteux pour de petites installations. Lorsqu’il y a stockage temporaire par le biais d’un étang ou d’un réservoir, celui-ci sert tout au plus à produire de l’énergie de pointe durant quelques heures de la journée.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : PRESENTATION D’UNE MICROCENTRALE HYDRAULIQUE
Chapitre 1 : NOTION SUR LES MICROCENTRALES HYDRAULIQUES
1. Généralite
2. Déscription des centrales hydrauliques
3. Classification des petites centrales et de leurs composants
a) Installation à basse pression
b) Installation à moyenne et haute pression
Chapitre 2 : COMPOSITION D’UNE INSTALLATION MICROCENTRALE HYDRAULIQUE
1. L’ouvrage de génie civil
2. Les équipements électromécaniques
Un ouvrage de prise d’eau adapté à la nature du terrain et le barrage
Evacuateur de crue
Un canal d’amenée en béton, un bassin de mise en charge et une conduite forcée en acier munie d’une grille qui retient les corps solides
Passe à poissons
Une turbine transformant en énergie mécanique l’énergie hydraulique
La bâche d’entrée d’eau
La roue et les pales
Le diffuseur ou canal de fuite
Un générateur produisant l’énergie électrique à partir de l’énergie mécanique de la turbine
Un système de régulation, de contrôle et de sécurité
Ligne de transport et réseau de distribution électriques
Bâtiment usine
Chapitre 3 : DIFFERENTS TYPES DE TURBINES
I. La turbine à action
a) Turbine Pelton
b) Turbine Cross-Flow
II. La turbine à réaction
a) Turbine Francis
b) Turbine Kaplan et turbine hélice
Leurs possibilités de réglage, selon les exigences du site
Le type d’écoulement
c) Différents types d’installation des microcentrales à basse chute
DEUXIEME PARTIE : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES TURBINES ET LES ETAPES A SUIVRE POUR L’ELABORATION D’UNE MICROCENTRALE HYDRAULIQUE
Chapitre 1 : DETERMINATION DU TURBINE SUIVANT LE SITE D’INSTALLATION
1. Ressource hydroélectrique du site
2. Choix de la turbine a utiliser
Chapitre 2 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES TURBINES A HELICES ALIMENTEES PAR UN SIPHON
1. Chaîne cinématique de l’ensemble
2 : Alimentation
La régulation amont
La régulation aval
La régulation mixte
4. Le réseau électrique
Récapitulation
Chapitre 3 : LES DONNEES NECESSAIRES AU DIMENSIONNEMENT D’UNE MICROCENTRALE HYDRAULIQUE
1. Etape à suivre pour l’élaboration d’une petite centrale hydroélectrique
a) Etude de faisabilité
b) Description des études à faire
2. Marche à suivre pour la planification et la réalisation des microcentrales
3. Déroulement et durée estimative de projet de petite centrale
TROISIEME PARTIE : CALCULS ET DIMENSIONNEMENT
Chapitre 1 : DIMENSIONNEMENT DE LA TURBINE HYDRAULIQUE
1.1 Description du site
1.2 Les pertes et les différentes hauteurs de la turbine
1.2.1 Hauteur d’aspiration
1.2.2 Hauteur d’aspiration maximale
1.3 La cavitation
1.3 Dimensionnement de la turbine
1.3.1 Hauteur de chute nette Hn [m]
1.3.2 Puissance délivrée par la turbine
1.3.3 La vitesse spécifique en fonction de la puissance et du débit
•Vitesse spécifique en fonction de la puissance
•Vitesse spécifique en fonction du débit
1.3.4 Vitesse angulaire spécifique
Chapitre 2 : DIMENSIONNEMENT SUR LA ROUE ET SUR LE CANAL D’ENCEINTE
2.1. Dimensionnement de la roue
2.1.1 Diamètre extérieur de la roue
2.1.2 Diamètre du canal d’enceinte
2.1.3 Diamètre du moyeu de la roue
2.1.4 Calcul de la vitesse à la sortie de la roue
2.2. Etape de calcul pour la réalisation des pales
2.2.1 Les lignes de courant
2.2.2 Calcul du coefficient de portance Cz
Interprétation
2.2.3 Tracé des pales
Interprétation
Chapitre 3 : DIMENSIONNEMENT DU DISTRIBUTEUR
3.1 Définition
3.2 Hauteur du distributeur
3.3 Vitesse à la sortie du distributeur
3.4 Vitesse à l’entrée du distributeur
3.5 Angle d’injection α
3.6 Courbure des ailettes mobiles
3.7 Nombre d’ailettes
Récapitulation
CONCLUSION

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