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- Fiche Conception - Micro Centrale Hydraulique Micro Hydraulique Carte d’ident

- Fiche Conception - Micro Centrale Hydraulique Micro Hydraulique Carte d’identité de la technologie Source d’énergie Hydraulique Etat de la technologie Quelques sites pilotes à Madagascar Niveau de complexité : - A la fabrication La partie génie civile est parfois délicate - A la maintenance Relativement aisé, mais avec un suivi constant Il n’existe pas de définition universelle du terme « petite centrale hydroélectrique ». Selon les définitions locales, ce terme peut couvrir des capacités nominales de quelques kilowatts à 50 mé- gawatts ou plus. Quelque fois, les projets de 100 kW à 1 MW sont appelés « mini-centrales » et les projets de moins de 100 kW, « micro-centrales ». Toutefois, la puissance installée n’est pas tou- jours un bon indicateur de la taille d’un projet. Une « petite centrale » hydroélectrique à basse chute est loin d’être petite, car en général les projets à basse chute ont besoin d’un volume d’eau beaucoup plus important et de plus grosses turbines que des projets à haute chute. I. Présentation On distingue trois types de travaux pour la réalisation d’une petite centrale hydraulique : les ouvrages de génie civil, les équipements électriques et les équipements hydrauliques. La figure 1 détaille les différents éléments d’une centrale. Bassin de mise en charge Canal Aqueduc Prise d’eau Retenue d’eau Conduite forcée Centrale électrique Fig. 1: Principe d’une micro-centrale électrique - Fiche Conception - 1. Ouvrages de génie civil : Les principaux ouvrages de génie civil d’une petite centrale hydraulique sont le barrage de dérivation, les conduites d’eau et la centrale en elle-même. Le barrage Le barrage de dérivation dirige l’eau dans un canal, un tunnel ou directement dans une conduite forcée. L’eau passe ensuite dans la turbine qu’elle fait tourner avec suffisamment de force pour créer de l’électricité par le biais d’une génératrice, après quoi elle retourne à la rivière par le canal de fuite. D’ordinaire, les petites centrales hydroélectriques construites pour alimenter un village ou une région isolé sont des installations au fil de l’eau. L’eau n’est pas stockée dans un réservoir et elle est utilisée que lorsqu’elle est disponible. Le coût de gros barrage de retenue avec accumulateur n’est normalement pas justifié pour les petits projets hydroélectriques et par consé- quent, un simple barrage de dérivation de faible hauteur est utilisé. Ces ouvrages peuvent être en béton, en bois en maçonnerie ou en une combinaison de ces matériaux. Le coût des travaux de génie civil ayant trait à l’installation d’un vrai barrage est souvent un obstacle qui rend le projet financièrement non viable. Les conduites d’eau Les conduites d’eau d’une petite centrale hydroélectrique sont les suivantes : - Une entrée d’eau munie d’une grille crapaudine alimentant un canal, suivit du bassin de mise en charge et de la conduite forcée. L’entrée est généralement en béton armé, la grille en acier et la vanne en bois ou en acier. - Une conduite forcée (figure 2), qui peut parfois prendre la forme d’un tunnel souterrain, qui amène l’eau jusqu’à la turbine de la centrale. Elle est généralement en acier galvanisé, en fer et plus rarement en fibre de verre, en plastique ou en béton. - L’entrée et la sortie de la turbine, qui incluent les soupapes et les vannes nécessaires pour arrêter l’arrivée d’eau lors de la fermeture pour l’entretien. Ces composants sont généralement en acier. - Un canal de fuite, qui transporte l’eau de la sortie de la turbine jusqu’à la rivière. Ce canal est en général excavé, muni de vanne en bois qui per- mettent les opérations d’entretien. La centrale La centrale en elle-même contient la ou les turbines et la plupart des équipements mé- caniques et électriques. Les petites centrales hydroélectriques sont généralement d’une taille mi- nimale tout en assurant une infrastructure, un accès pour l’entretien et un niveau de sécurité adé- quats. La centrale est construite en béton et autres matériaux locaux. Fig. 2: Conduite forcée et centrale - Fiche Conception - Afin de limiter les coûts, une conception simple mettant l’accent sur des structures pra- tiques et facile à construire est la principale préoccupation dans un projet de micro centrale hy- draulique. 2. Les turbines et leur régulation : Les deux types de turbine recommandés en micro hydraulique sont la turbine Pelton et la turbine Crossflow, notamment pour des raisons de rendement et de facilité de conception. Elles font chacune l’objet d’une fiche technique descriptive. Pour ces deux turbines, on peut distinguer deux systèmes de régulation de la vitesse de rotation. Présentation Pour faire fonctionner une turbine correctement, un système de régulation doit être mis en place. Ce dernier doit permettre d’adapter le régime de vitesse de la turbine en fonction de la consommation électrique et du débit à l’entrée de la prise d’eau. Cette régulation doit permettre de maintenir la vitesse de rotation la plus constante possible afin que le réseau reste calé sur sa fré- quence propre, en l’occurrence 50 Hz. Description technique Il existe deux types de régulation : La régulation « vitesse débit » : Elle consiste à adapter le débit de l’eau afin de réguler la vitesse de rotation. Le contrôle du débit se fait par l’intermédiaire de pointeaux amovibles dans les injecteurs de la turbine Pelton et par un ou deux volets rotatifs au niveau de l’injection d’eau dans la turbine Crossflow. En général, le contrôle des vannes se fait par l’intermédiaire de vérins qui sont com- mandés sur le principe de la rétroaction. La vitesse de rotation en sortie de turbine est mesurée à l’aide d’un capteur ou de la fréquence de réseau, l’information étant ensuite transmise à un micro- contrôleur qui calcule la course à donner aux vérins pour adapter le débit. Les meilleures régula- tions sont de type PID, c’est-à-dire Proportionnelle Intégrale Différentielle qui assurent une correc- tion à la fois précise et rapide. Régulation du débit pointeaux ou volets Turbine Crossflow ou Pelton Génératrice Energie hydraulique Energie hydraulique Energie mécanique Energie électrique Micro contrôleur Calcul régulation Mesure de la vitesse de rotation Injection de la com- mande de régulation OU Fig. 3: Principe de régulation « vitesse débit » - Fiche Conception - Lorsqu’une retenue d’eau est présente, la régulation « vitesse débit » présente l’avantage de consommer l’eau de façon intelligente. En effet, quand la demande du réseau est faible, cette méthode permet d’économiser de l’énergie et de la stocker sous forme d’énergie po- tentielle hydraulique. Cependant, c’est un système relativement complexe à mettre en œuvre, puisqu’il nécessite la programmation d’un micro contrôleur, l’implantation de capteur et l’intervention d’un système de conversion numérique analogique. Ce système est malheureusement obligatoire pour des turbines d’une puissance supé- rieure à 100 kW. Cependant, le micro contrôleur peut être remplacé par opérateur qui ajuste de façon manuelle le débit en fonction de la fréquence du réseau. Le technicien peut également effec- tuer la maintenance quotidienne de l’installation en parallèle. La régulation «charge fréquence » : Elle agit afin de garder constante la charge électrique du réseau, sans système de contrôle du débit. La régulation s’effectue par dissipation du surplus d'énergie dans des charges résistives. Toute l'énergie non consommée est redirigée dans une batterie de résistance. La cen- trale tourne donc toujours au maximum de sa capacité, produisant sa puissance nominale. Turbine Crossflow ou Pelton Génératrice Energie hydraulique Energie mécanique Energie électrique Micro contrôleur Calcul régulation Mesure de la vitesse de rotation Injection de la com- mande de régulation OU Réseau Résistances Effet Joule Charge constante De la même manière que pour la régulation « débit vitesse », le délestage de l’énergie excédentaire peut s’effectuer de manière automatique ou de façon manuelle. Lorsque la fréquence du réseau augmente, on connecte des charges résistives qui dissipe une partie de l’énergie sous Fig. 5: Principe de régulation « charge fréquence » Vérins de commande des volets hydrauliques Fig. 4: Volet de commande sur une turbine Crossflow. Construc- teur JLA Willot - Fiche Conception - forme d’effet joule. On augmente du même coup le couple mécanique de la génératrice et on ré- duit donc la vitesse de rotation de la turbine. Inversement, en déconnectant des résistors, on réduit la charge du réseau, le couple dans la génératrice devient moins important et la vitesse de rotation de la turbine augmente. Lorsque la connection des charges se fait de manière automatique, il est nécessaire qu’un régulateur contrôle la vitesse de rotation de la turbine. En cas de rupture du circuit électri- que, les charges résistives s’annulent et la vitesse de rotation de la turbine s’accélère puisque la charge hydraulique demeure inchangée. La turbine va donc s’emballer et une vitesse trop impor- tante risque d’être fatale aux équipements. La présence d’une alimentation électrique de secours est donc obligatoire afin de limiter tout phénomène d’emballement. De plus, la régulation « charge fréquence » s’adapte mal pour des centrales ayant une puissance nominale supérieure à 100 kW, l’énergie à dissiper étant trop importante. 3. L’équipement électrique: La génératrice Les génératrices utilisées dans les petites centrales hydroélectriques sont de deux grands types : synchrones ou à uploads/Ingenierie_Lourd/ microcentrale-hydraulique.pdf