Soutenance mémoire
Confrontée à la diminution du stock mondial d’hydrocarbure, à la demande énergétique qui ne cesse de s’accroître et la crainte d’une pollution de plus en plus envahissante; les microcentrales hydroélectriques connaissent un intérêt croissant dans le contexte actuel des technologies basées sur les énergies renouvelables. Elles pourraient constituer le moyen le plus économique d’électrification des localités isolées du réseau, et situées à proximité d’un cours d’eau ou d’un fleuve.
La libéralisation du secteur électrique offre des opportunités pour les ingénieurs et les techniciens, surtout dans les localités encore non électrifiées. Comme technologie de production d’électricité renouvelable, les microcentrales hydroélectriques peuvent profiter des nouvelles considérations environnementales, particulièrement celles liées à la réduction des émissions de CO2 dans les activités de production d’énergie.
GENERALITES
TURBINE
Historique
L’histoire de l’utilisation de la force hydraulique est aussi longue que riche. Plusieurs siècles avant l’ère chrétienne, l’homme construisait déjà des machines hydrauliques qui soulageaient sa peine lorsqu’il voulait élever l’eau pour des besoins d’irrigation. Mais la forme la plus ancienne et la plus simple de la turbine fut la roue hydraulique, utilisée pour la première fois dans les civilisations antiques grecques et romaines. La partie inférieure de la roue plongeait alors dans le courant. Sa puissance, qui atteignait au plus quelques centaines de watts, est montée à une trentaine de kilowatts vers le IIe siècle après J.-C., lorsque la roue fut entraînée par sa partie supérieure, et ceci jusqu’au moyen âge. Jusqu’au milieu du XIXe siècle, soit durant près de deux millénaires, le principe de la roue hydraulique a peu évolué. Il est utile de noter que sa puissance, même celle des plus performantes comme on les construit aujourd’hui, est limitée par un problème de dimensions.
En effet, le travail d’une roue hydraulique résulte du remplissage et du vidage de godets tournants autour d’un axe horizontal. L’eau est amenée dans les godets par une goulotte au sommet de la roue et s’évacue lorsque les godets parviennent en bas. L’énergie hydraulique cédée à la roue est proportionnelle au produit de la masse d’eau contenue dans les godets par la dénivellation perdue. Or, la masse d’eau dépend de la largeur de la roue et la hauteur perdue, de son diamètre (ou hauteur de chute). La puissance produite, fonction du débit d’eau, fait encore intervenir la vitesse de rotation. Les plus grandes valeurs techniquement et économiquement réalisables de chacun de ces trois termes, largeur, diamètre et vitesse de rotation, déterminent la puissance maximale pratique d’une roue hydraulique, soit quelques dizaines de kilowatts. La turbine hydraulique est née des progrès considérables accomplis aux XVIIe et XVIIIe siècles dans la connaissance de la mécanique des fluides. Il a toutefois fallu un siècle de tâtonnements pour que les ingénieurs réalisent la première turbine qui, à la différence principale de la roue hydraulique, utilisait la pression de l’eau.
Description et principe de fonctionnement
Une turbine est une machine tournante qui sert à transformer l’énergie cinétique d’un cours d’eau ou d’un lac et l’énergie potentielle d’une chute d’eau en énergie mécanique. La machine est alimentée en eau sous pression, qui met en mouvement une roue ou aube et transmet de la force ou puissance mécanique, par l’intermédiaire d’un arbre en rotation.
La turbine hydraulique est souvent disposée de 3 organes principaux, à savoir :
❖ Un distributeur fixe qui donne à l’eau une vitesse suffisante et une orientation qui permet d’aborder la roue.
❖ Une roue mobile munie d’ailettes ou d’augets (en forme de cuillère) qui a pour rôle de transformer l’énergie hydraulique en énergie mécanique.
❖ Un aspirateur ou diffuseur qui récupère l’énergie cinétique de l’eau à la sortie de la roue en évacuant cette eau dans le bief aval. Ce dispositif crée une dépression à la sortie de la roue de sorte que l’on profite non seulement de la plus grande partie de l’énergie cinétique mais encore de la hauteur géométrique entre la roue et le niveau aval.
Classification et différents types de turbines hydrauliques
Du point de vue du mode d’action de l’eau sur la turbine, on distingue 2 types de turbines hydrauliques : turbine à action et réaction .
Turbine à action
Lorsque la pression à l’entrée et à la sortie de la roue est égale, on dit que la turbine est à action. Elle est caractérisée par le fait que l’énergie, à la sortie du distributeur est entièrement sous forme d’énergie cinétique. Un jet libre exerce une force sur les augets, placés à la périphérie de la pièce tournante, qui est transformée en couple et en puissance mécanique sur l’aube de la turbine. Les turbines à action sont faciles à concevoir et à installer mais elles sont moins efficaces du point de vue rendement. C’est le cas des turbines Pelton et cross flow.
Turbine Pelton
La turbine Pelton est utilisée pour les hautes chutes (10 à 500m) et petits débits de 20 à 1000 l /s. Elle est constituée d’une roue à augets mise en mouvement par un jet provenant d’un ou de plusieurs injecteurs. Ces augets sont profilés pour obtenir un rendement maximum tout en permettant à l’eau de s’échapper sur les côtés de la roue. Ils comportent une échancrure qui assure une pénétration progressive optimale du jet dans l’auget. L’injecteur est conçu pour produire un jet cylindrique aussi homogène que possible avec un minimum de dispersion.
Turbine cross flow
La turbine Cross flow convient pour des débits de 20 à 1000 l/s et des chutes de 1 à 200 mètres. Elle est aussi appelée turbine à flux traversant car sa particularité est que l’eau traverse deux fois la roue. Elle est constituée de trois parties principales :
-un injecteur de section rectangulaire dont le débit est réglé à l’aide d’une aube profilée rotative, similaire à une vanne papillon. Afin d’assurer un arrêt de la turbine, la fermeture est souvent réalisée à l’aide d’un contrepoids et l’ouverture par un vérin hydraulique,
– une roue en forme de tambours, dotée d’aubes cylindriques profilées,
– un bâti enveloppant la roue sur lequel sont fixés les paliers de turbine .
turbines à réaction
Lorsque la pression à l’entrée de la roue est supérieure à la pression de sortie de la roue, on parle de turbines à réaction. Une turbine à réaction est une turbine immergée qui utilise à la fois la vitesse de l’eau (énergie cinétique) et une différence de pression. Deux principes sont à la base de son fonctionnement :
– la création d’un tourbillon au moyen d’une bâche spirale, d’aubages directeurs ou les deux à la fois,
– la récupération du mouvement circulaire du tourbillon par les aubages d’une roue en rotation.
L’écoulement de l’eau provoque sur le profil de l’aube une force hydrodynamique qui induit un couple sur l’arbre de la turbine. La force portante résulte d’une différence de pression entre les deux faces du profil de l’aube. Lorsqu’une aube se déplace dans l’eau, il se produit sur une des faces (intrados) une zone de surpression et sur l’autre (extrados) une zone de dépression.
On a deux types de turbines à réaction :
-les turbines Francis
-les turbines Kaplan et Hélice .
Turbine Francis
Les turbines Francis sont généralement utilisées pour les moyennes chutes de 25 à 700m et peuvent développer des puissances très importantes. Ces machines sont montées avec une bâche spirale qui alimente le distributeur. C’est une conduite en forme d’escargot de section progressivement décroissante reliée, d’une part à l’extrémité aval de la conduite forcée, et d’autre part à la section d’entrée du distributeur. La bâche est tracée de telle façon que le débit passant à travers chaque arc de cercle de la section d’entrée du distributeur soit constant. Le distributeur est constitué par une série de directrices (aubes rotatives) entraînées par des biellettes liées à un cercle de vannage. Celui-ci est mis en rotation par la tige de commande du distributeur qui l’entraîne par deux tirants.
Les turbines Kaplan et Hélice
Les turbines Kaplan et hélice sont les plus appropriées pour le turbinage des faibles chutes de 2 à 50m . Ce sont des turbines à grande vitesse spécifique mais leur rendement est faible par rapport aux autres types. L’axe de ces turbines est généralement vertical, rarement incliné ou à faible puissance. Pour les petites turbines Kaplan où les questions de rendement sont secondaires, le distributeur est supprimé et le réglage se fait uniquement par l’inclinaison des pales.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I: GENERALITES
I-1 TURBINES
I-1-1 Historique
I-1-2 Description et principe de fonctionnement
I-1-3 Classification et différents types de turbines hydrauliques
a-Turbine à action
b-Turbine à réaction
I-1-4 Les éléments et critères pour choisir une turbine
I-2 ETUDE HYDRAULIQUE
I-2-1 Notion fondamentale d’hydraulique
a) Le mouvement d’un fluide, écoulement stationnaire et laminaire
b) Ligne de courant
c) Tube de courant
d) Equation de continuité
e) Relation de Bernoulli
I-2-2 Méthode de mesure de la vitesse de l’eau
a) Flotteur et battons lestés
b) Tube de Pitot
c) Moulinet Hydrométrique
d) Les caractéristiques d’un site
CHAPITRE II : ETUDE DE REALISATION ET DIMENSIONNEMENT D’UNE MINI HYDRO TURBINE
II-1 Eléments constitutifs de la MINI HYDRO TURBINE
II-2 Caractéristiques de la MINI HYDRO TURBINE
II-2-1 Puissances
II-2-2 Les vitesses spécifiques
II-3 Conception et dimensionnement de la roue
II-3-1 Théorie générale de l’hélice
II-3-2 Etude des actions aérodynamiques sur l’élément d’une pale
II-3-3 Détermination du diamètre de Roue
II-4 Etude et dimensionnement du venturi
II-4-1 Dimensionnement de la partie amont
II-4-2 Dimensionnement de la partie aval
CHAPITRE III : RESULTATS DES ESSAIS EXPERIMENTAUX
III -1Vitesse de rotation de la roue en fonction de la hauteur de la chute
III-2 Puissance récupérée à l’arbre du rotor en fonction de la hauteur
CHAPITRE IV : ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
IV 1- SITUATION ET CONTRAINTE DU SECTEUR ENERGIE A MADAGASCAR
IV -2- OBJECTIFS DU SECTEUR ENERGIE A MADAGASCAR
IV- 3 LA POTENTIALITE HYDROELECTRIQUE DE MADAGASCAR
IV-4 EVALUATION DES IMPACTS SUR L’ENVIRONNEMENT ET LE CADRE DE VIE
IV-4 -1 Impacts positifs
IV-4 -2 Impacts négatifs
CONCLUSION
ANNEXES 1
ANNEXES 2
ANNEXES 3
BIBLIOGRAPHIE
