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Par Chadrack Besongo

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Chapitre 8: La centrale hydroélectrique


Introduction

Le développement industriel de la vie moderne exige de plus en plus une force motrice. La nature elle-même nous la fournit grâce à l’utilisation de l’énergie du vent. Il existe encore d’autres sources d’énergie notamment le charbon et le pétrole qui produisent de la chaleur susceptible d’être transformée en énergie mécanique de la force motrice. L’eau qui coule ou qui tombe contient une grande quantité d’énergie utilisable.

Problème

Comment transformer l’énergie mécanique en énergie électrique? Pour cela, il nous faut :

  1. Capter l’énergie contenu dans une chute.

  2. La transformée en force motrice.

  3. Utiliser cette force motrice pour produirendu courant électrique.

  4. Transporter le courant électrique jusqu’aux endroits d’utilisation.

Solution

Nous savons que tout corps pésant, tombant d’une hauteur, produit du travail(T). Ce corps surélévé possede de l’énergie potentielle(Ep). On dira que ce corps est capable de produire du travail si on laisse tomber. Ce travail est proportionnelle au poids du corps et à sa hauteur.

$$ T = P \times h = m \times g \times h = F \times d $$

T et Ep s’exprime en joule(j) ou kj(kilo-joule).
P est exprimé en N.
h est exprimé en m.

La puissance d’une roue

La puissance de la roue dépend de la quantité d’eau qui tombe en une seconde(débit Q) et de la hauteur(h).

$$ P = \omega = Q \times h $$

\(P\): puissance de la roue en watt(w).
Q : débit d’eau en m/s ou en l/sec.

On peut aussi affirmer que la puissance est proportionnelle à Q et h.

Autre définitions
- Débit :

c’est la quantité d’eau versée en une seconde.

- La puissance :

c’est le travail fournit en une seconde.

$$ P = \frac{T}{t} $$

\(P\) : puissance en w ou j/s.
\(T\) : travail en j.
\(t\) : temps en s.

Le rendement

Pour avoir un bon rendement, les roues sont remplacées dans les centrales hydro-électriques par les turbines.

Pour avoir une grande production, il y a deux possibilités :

  • Soit en ayant beaucoup d’eau.

  • Soit en ayant une grande hauteur de chute.

L’installation hydro-électrique

L’installation hydro-électrique compte :

  • Un barrage pour obtenir de l’eau.

  • Un canal d’amenée qui permet d’amener l’eau sur une pente faible vers un endroit où elle peut tomber brusquement de la grande hauteur.

  • Une conduite forcée qui permet de conduire l’eau dans des tuyaux en forte pente jusqu’à la turbine.

  • Une turbine qui entraine un alternateur pour transformer l’énergie potentielle en énergie mécanique.

Les barrages

On distingue deux sortes de barrages :

  • Les barrages poids.

  • Les barrages voûtes.

Le barrage poids

Il est constitué par un massif de béton de section trapézoïdale. Son poids doit être suffisant pour que la pression de l’eau ne puisse le renverser.

Le barrage voûte

On le construit sur des rivières très encaissées entre des parois rocheuses solides. Il a la forme d’un arc de cercle. La partie convexe est orienté vers l’amont; sa stabilité vient du fait que la poussée de l’eau provoque l’arc-boutement sur les rives. Il ne peut se renverser bien que son poids soit rélativement faible.

N.B.: Le barrage est plus épais à la base, la pression de l’eau devient proportionnelle à la profondeur.

La poussée de l’eau

La force pressante est celle qui n’est pas appliquée en un point d’un corps mais qui repartie sur une surface.

La pression est la force par unité de surface. Elle est exprimée en kg/cm.

$$ pr = \frac{F}{S} $$

pr : pression en kg/cm.
F : la force en kgf.
S : la surface en cm.

N.B.: La pression exercée par un liquide est la même sur tout le plan horizontal situé à la même hauteur. La pression augmente avec la profondeur ou quand la densité du liquide augmente aussi.

La pression de l’eau

La pression de l’eau est proportionnelle à la profondeur. Elle s’exprime en N/m; elle est le produit de son poids volumique avec la profondeur.

$$ pr = P^{*} \times h $$

\(P^{*}\): le poids volumique de l’eau en N/m.
\(h\): la profondeur en m.
\(pr\): la pression en N/m.

\(P^{*} = \frac{P}{V} \quad or \quad P = m * g\)

\(\Rightarrow P^{*} = \frac{m \times g}{V} \ ,\ \rho = \frac{m}{v} \ \ la\ masse\ volumique\ de\ l'eau.\)

Importance économique des sources d’énergie

La main est le premier instrument technique pour l’homme. L’industrialisation dépend en grande partie de la présence de l’énergie suffisante à bon marché. Le degré d’industrialisation d’un pays traduit le degré de sa puissance économique et du bien être de la population.

N.B.: Dans la centrale hydro-électrique, c’est la nature même qui fournit de l’énergie.

La turbine est une roue à aube qui tourne à l’intérieur d’une bâche en frorme de spirale. L’eau est dirigée vers les aubes par un distributeur.

Rôle des barrages

Les barrages ne sont pas seulement utilisés pour obtenir l’eau; ils peuvent jouer un autre rôle, celui de régulariser les cours d’eau pendant certaines saisons.

Le volume retenu par lebarrage est alors utilisé pour arroser les terrains de culture et assurer ainsi une recolte régulière quelque soit le regime des pluies.

Tableau synthétique des formules sur la centrale hydro-électrique

Grandeurs Symboles Formules Unités
\(T = \varepsilon_{p} = P \times h\) \(T\ en\ j(kj)\)
Travail \(T(\varepsilon_{p})\) \(P\ en\ N(kg)\)
\(T = F \times d\) \(F\ en\ N\)
\(P = Q * h\) \(Q\ en\ m^{3}/s\ l/s\)
Puissance \(P\ ou\ W\) \(P\ en\ watt(j/s)\)
\(P = \frac{T}{t}\) \(h\ en\ m\)
\(pr = \frac{F}{S}\)
Pression \(pr\ ou\ p\) \(pr\ en\ kg/cm^{2}\)
\(pr = P^{*} \times h\) \(ou\ N/m^{2}\)
Le poids volumique \(P^{*}\) \(P^{*}\ =\ \frac{\rho}{V}\) \(P^{*}\ en\ N/m^{3}\)
\(P^{*} =\ \rho\ \times\ g\) \(ou\ en\ N/cm^{3}\)
La masse volumique \(\rho\) \(\rho\ =\ \frac{m}{V}\) \(\rho\ en\ kg/m^{3}\)