L'hydroélectricité consiste à convertir l'énergie hydraulique des rivières naturelles en électricité destinée à la consommation humaine. Diverses sources d'énergie sont utilisées pour la production d'électricité, comme l'énergie solaire, l'énergie hydraulique des rivières et l'énergie éolienne générée par le flux d'air. Le coût de la production d'énergie hydraulique est faible, et la construction de centrales hydroélectriques peut être combinée à d'autres projets de conservation des eaux. Notre pays est très riche en ressources hydroélectriques et bénéficie d'excellentes conditions climatiques. L'hydroélectricité joue un rôle important dans le développement de l'économie nationale.
Le niveau d'eau en amont d'une rivière est plus élevé qu'en aval. Cette différence de niveau produit de l'énergie hydraulique. Cette énergie est appelée énergie potentielle. La différence de hauteur d'eau est appelée chute, ou différence de niveau d'eau ou charge hydraulique. Cette chute est une condition fondamentale de la formation de la puissance hydraulique. De plus, l'ampleur de la puissance hydraulique dépend également de l'importance du débit de la rivière, condition fondamentale aussi importante que la chute. La chute et le débit ont tous deux une incidence directe sur la puissance hydraulique ; plus le volume d'eau de la chute est important, plus la puissance hydraulique est importante ; si la chute et le volume d'eau sont relativement faibles, la production de la centrale hydroélectrique sera plus faible.
La chute est généralement exprimée en mètres. Le gradient est le rapport entre la chute et la distance, ce qui peut indiquer le degré de concentration de la chute. Plus la chute est concentrée, plus l'utilisation de la puissance hydraulique est aisée. La chute utilisée par une centrale hydroélectrique correspond à la différence entre la surface de l'eau en amont de la centrale et la surface de l'eau en aval après le passage dans la turbine.
Le débit est la quantité d'eau qui s'écoule dans une rivière par unité de temps. Il s'exprime en mètres cubes par seconde. Un mètre cube d'eau équivaut à une tonne. Le débit d'une rivière varie à tout moment ; il est donc essentiel d'expliquer l'heure et le lieu précis où elle coule. Les variations de débit sont très importantes dans le temps. Les rivières de notre pays ont généralement un débit important pendant la saison des pluies, en été et en automne, et relativement faible en hiver et au printemps. En général, le débit est relativement faible en amont ; du fait de la confluence des affluents, le débit en aval augmente progressivement. Par conséquent, bien que la chute d'eau en amont soit concentrée, le débit est faible ; en aval, le débit est important, mais la chute d'eau est relativement dispersée. Il est donc souvent plus économique d'exploiter la puissance hydraulique dans le cours moyen de la rivière.
Connaissant la chute et le débit utilisés par une centrale hydroélectrique, sa production peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
N= GQH
Dans la formule, N–production, en kilowatts, peut également être appelée puissance ;
Q–débit, en mètres cubes par seconde ;
H – chute, en mètres ;
G = 9,8, est l'accélération de la gravité, unité : Newton/kg
Selon la formule ci-dessus, la puissance théorique est calculée sans déduction des pertes. En effet, lors de la production d'énergie hydroélectrique, les turbines, les équipements de transport, les générateurs, etc., subissent inévitablement des pertes de puissance. Par conséquent, la puissance théorique doit être actualisée, c'est-à-dire que la puissance réellement utilisable doit être multipliée par le coefficient de rendement (symbole : K).
La puissance nominale du générateur d'une centrale hydroélectrique est appelée puissance nominale, et la puissance réelle est appelée puissance réelle. Lors de la transformation de l'énergie, une partie de l'énergie est inévitablement perdue. La production hydroélectrique se caractérise principalement par des pertes au niveau des turbines et des générateurs (et également au niveau des canalisations). Les pertes diverses d'une microcentrale hydroélectrique rurale représentent environ 40 à 50 % de la puissance théorique totale. La production de la centrale hydroélectrique ne peut donc utiliser que 50 à 60 % de la puissance théorique, soit un rendement d'environ 0,5 à 0,60 (dont 0,70 à 0,85 pour les turbines, 0,85 à 0,90 pour les générateurs, et 0,80 à 0,85 pour les canalisations et les équipements de transport). Par conséquent, la puissance réelle (production) de la centrale hydroélectrique peut être calculée comme suit :
K–l'efficacité de la centrale hydroélectrique, (0,5～0,6) est utilisée dans le calcul approximatif de la microcentrale hydroélectrique ; cette valeur peut être simplifiée comme suit :
N=(0,5～0,6)QHG Puissance réelle=efficacité×débit×chute×9,8
L'hydroélectricité utilise la force de l'eau pour propulser une machine appelée turbine hydraulique. Par exemple, l'ancienne roue hydraulique de notre pays est une turbine hydraulique très simple. Les différentes turbines hydrauliques actuellement utilisées sont adaptées à diverses conditions hydrauliques spécifiques, ce qui leur permet de tourner plus efficacement et de convertir l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Un autre type de machine, un générateur, est relié à la turbine, de sorte que son rotor tourne avec la turbine pour produire de l'électricité. Le générateur se divise en deux parties : la partie tournante avec la turbine et la partie fixe du générateur. La partie reliée à la turbine et tournante est appelée le rotor du générateur, entouré de nombreux pôles magnétiques ; la partie fixe du générateur, appelée le stator, est entourée de nombreuses bobines de cuivre. Lorsque les nombreux pôles magnétiques du rotor tournent au milieu des bobines de cuivre du stator, un courant est généré sur les fils de cuivre, et le générateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
L'énergie électrique générée par la centrale est transformée en énergie mécanique (moteur électrique ou moteur), en énergie lumineuse (lampe électrique), en énergie thermique (four électrique) et ainsi de suite par divers équipements électriques.
la composition de la centrale hydroélectrique
La composition d'une centrale hydroélectrique comprend : des structures hydrauliques, des équipements mécaniques et des équipements électriques.
(1) Ouvrages hydrauliques
Il comporte des barrages, des vannes d'admission, des canaux (ou tunnels), des réservoirs de pression (ou réservoirs de régulation), des conduites sous pression, des centrales électriques et des canaux de fuite, etc.
Un barrage est construit dans la rivière pour bloquer l'eau et en élever la surface afin de former un réservoir. De cette façon, une chute concentrée se forme entre la surface de l'eau du réservoir sur le barrage et la surface de l'eau en aval, puis l'eau est introduite dans la centrale hydroélectrique par des conduites ou des tunnels. Dans les rivières relativement abruptes, l'utilisation de canaux de dérivation peut également former une chute. Par exemple, la chute d'eau par kilomètre d'une rivière naturelle est généralement de 10 mètres. Si un canal est ouvert à l'extrémité supérieure de cette section de la rivière pour y introduire l'eau, le canal sera creusé le long de la rivière et sa pente sera plus plate. Si la chute d'eau est réalisée par kilomètre, elle ne s'est effondrée que d'un mètre, de sorte que l'eau a parcouru 5 kilomètres dans le canal, et la surface de l'eau n'a baissé que de 5 mètres, tandis que l'eau a baissé de 50 mètres après avoir parcouru 5 kilomètres dans le canal naturel. À ce stade, l'eau du canal est ramenée à la centrale par la rivière grâce à une conduite ou un tunnel, et une chute concentrée de 45 mètres peut être utilisée pour produire de l'électricité. Figure 2
L'utilisation de canaux de dérivation, de tunnels ou de conduites d'eau (telles que des tuyaux en plastique, des tuyaux en acier, des tuyaux en béton, etc.) pour former une centrale hydroélectrique avec une chute concentrée est appelée centrale hydroélectrique à canal de dérivation, qui est une disposition typique des centrales hydroélectriques.
(2) Équipements mécaniques et électriques
En plus des ouvrages hydrauliques mentionnés ci-dessus (barrages, canaux, parvis, conduites sous pression, ateliers), la centrale hydroélectrique a également besoin des équipements suivants :
(1) Équipement mécanique
Il existe des turbines, des régulateurs, des vannes, des équipements de transmission et des équipements non générateurs.
(2) Équipement électrique
Il y a des générateurs, des panneaux de contrôle de distribution, des transformateurs et des lignes de transmission.
Cependant, toutes les petites centrales hydroélectriques ne disposent pas des structures hydrauliques et des équipements mécaniques et électriques mentionnés ci-dessus. Si la hauteur d'eau est inférieure à 6 mètres dans une centrale hydroélectrique de basse chute, on utilise généralement le canal de guidage d'eau et le canal d'eau à ciel ouvert, sans bassin d'alimentation ni conduite d'eau sous pression. Pour les centrales à faible portée et à courte distance de transmission, la transmission directe est privilégiée et aucun transformateur n'est nécessaire. Les centrales hydroélectriques avec réservoirs ne nécessitent pas de barrage. L'utilisation de prises d'eau profondes, de conduites intérieures de barrage (ou de tunnels) et de déversoirs élimine le recours à des structures hydrauliques telles que des déversoirs, des vannes de prise d'eau, des canaux et des bassins d'alimentation sous pression.
La construction d'une centrale hydroélectrique nécessite avant tout une étude et une conception minutieuses. Celles-ci comprennent trois étapes : l'avant-projet, la conception technique et la conception détaillée. Pour une conception réussie, il est nécessaire de réaliser une étude approfondie, c'est-à-dire de bien comprendre les conditions naturelles et économiques locales (topographie, géologie, hydrologie, capital, etc.). L'exactitude et la fiabilité de la conception ne peuvent être garanties qu'après la maîtrise et l'analyse de ces éléments.
Les composants des petites centrales hydroélectriques ont des formes diverses selon le type de centrale hydroélectrique.
3. Relevé topographique
La qualité des travaux de levé topographique a une grande influence sur la conception technique et l'estimation de la quantité d'ingénierie.
L'exploration géologique (compréhension des conditions géologiques) ainsi que la compréhension et la recherche générales sur la géologie du bassin versant et le long du fleuve nécessitent également de vérifier la solidité des fondations de la salle des machines, ce qui a un impact direct sur la sécurité de la centrale. La destruction du barrage, d'un certain volume, endommagerait non seulement la centrale hydroélectrique elle-même, mais entraînerait également d'importantes pertes humaines et matérielles en aval.
4. Test hydrologique
Pour les centrales hydroélectriques, les données hydrologiques les plus importantes sont les relevés du niveau d'eau, du débit, de la teneur en sédiments, des conditions de givrage, les données météorologiques et les relevés de crues. L'importance du débit fluvial influence la configuration du déversoir de la centrale. Sous-estimer la gravité de la crue peut endommager le barrage ; les sédiments charriés par la rivière peuvent rapidement remplir le réservoir dans le pire des cas. Par exemple, le canal d'amenée provoquera son envasement, et les sédiments grossiers traverseront la turbine, provoquant son usure. Par conséquent, la construction de centrales hydroélectriques doit s'appuyer sur des données hydrologiques suffisantes.
Par conséquent, avant de décider de construire une centrale hydroélectrique, il est essentiel d'étudier l'orientation du développement économique de la zone d'approvisionnement et la demande future d'électricité. Parallèlement, il faut évaluer la situation des autres sources d'énergie dans la zone de développement. Ce n'est qu'après avoir étudié et analysé cette situation que l'on pourra décider de la nécessité de construire une centrale hydroélectrique et de sa taille.
En général, l’objectif des travaux d’étude hydroélectrique est de fournir des informations de base précises et fiables nécessaires à la conception et à la construction de centrales hydroélectriques.
5. Conditions générales de sélection du site
Les conditions générales de sélection d’un site peuvent être expliquées à partir des quatre aspects suivants :
(1) Le site choisi doit permettre d'exploiter l'énergie hydraulique de la manière la plus économique possible et respecter le principe de réduction des coûts. Ainsi, une fois la centrale achevée, les dépenses seront minimales et la production d'électricité maximale. L'estimation du revenu annuel de production d'électricité et de l'investissement dans la construction de la centrale permet généralement de déterminer le temps de récupération du capital investi. Cependant, les conditions hydrologiques et topographiques, ainsi que les besoins en électricité, étant différents selon les régions, le coût de construction et l'investissement ne doivent pas être limités par des valeurs spécifiques.
(2) Les conditions topographiques, géologiques et hydrologiques du site choisi doivent être relativement favorables, et des possibilités de conception et de construction doivent être offertes. Lors de la construction de petites centrales hydroélectriques, l'utilisation de matériaux de construction doit respecter autant que possible le principe des « matériaux locaux ».
(3) Le site sélectionné doit être aussi proche que possible de la zone d'alimentation électrique et de traitement afin de réduire l'investissement dans les équipements de transmission d'énergie et la perte d'énergie.
(4) Lors du choix du site, il convient d'exploiter au maximum les structures hydrauliques existantes. Par exemple, la chute d'eau peut servir à construire une centrale hydroélectrique dans un canal d'irrigation, ou à proximité d'un réservoir d'irrigation pour produire de l'électricité à partir du débit d'irrigation, etc. Comme ces centrales hydroélectriques peuvent produire de l'électricité en présence d'eau, leur importance économique est d'autant plus évidente.
Date de publication : 19 mai 2022
