1、 Aperçu de la production hydroélectrique
La production d'énergie hydroélectrique consiste à convertir l'énergie hydraulique des rivières naturelles en électricité destinée à la consommation humaine. Les centrales utilisent diverses sources d'énergie, 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 hydroélectrique est faible, et la construction de centrales hydroélectriques peut également être combinée à d'autres projets de conservation de l'eau. La Chine dispose de ressources en eau abondantes et d'excellentes conditions climatiques. L'hydroélectricité joue un rôle important dans le développement économique national.
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 à la surface de la rivière est appelée chute, ou différence de niveau d'eau ou charge. Cette chute est une condition fondamentale de la puissance hydraulique. De plus, l'importance de la puissance hydraulique dépend également du débit de la rivière, une condition fondamentale aussi importante que la chute. La chute et le débit ont tous deux une incidence directe sur l'importance de la puissance hydraulique : plus la chute d'eau est importante, 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 d'eau est généralement exprimée en mètres. Le gradient de la surface de l'eau est le rapport entre la chute d'eau et la distance, ce qui peut indiquer le degré de concentration de la chute d'eau. Une chute d'eau relativement concentrée facilite l'utilisation de l'énergie hydraulique. La chute d'eau 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 passage dans la turbine hydraulique.
Le débit est la quantité d'eau s'écoulant dans une rivière par unité de temps, exprimée en mètres cubes par seconde. Un mètre cube d'eau équivaut à une tonne. Le débit d'une rivière varie à tout moment et en tout lieu ; il est donc essentiel d'expliquer l'heure et le lieu précis où elle coule. Le débit varie considérablement au fil du temps. En Chine, le débit des rivières est généralement important en été, en automne et pendant la saison des pluies, mais faible en hiver et au printemps. Le débit varie d'un jour à l'autre et le volume d'eau varie d'une année à l'autre. Le débit des rivières est généralement faible en amont ; à mesure que les affluents convergent, le débit en aval augmente progressivement. Ainsi, bien que la chute d'eau en amont soit concentrée, le débit est faible ; bien que le débit en aval soit important, la chute d'eau est relativement dispersée. Par conséquent, il est souvent plus économique d'utiliser l'énergie hydraulique dans le cours moyen de la rivière.
Connaissant la chute et le débit utilisés par une centrale hydroélectrique, sa production peut être calculée avec la formule suivante :
N= GQH
Dans la formule, N – puissance, unité : kW, également appelée puissance ;
Q — débit, en mètres cubes par seconde ;
H — Chute, en mètres;
G=9,8, est l'accélération de la gravité, en Newton/kg
La puissance théorique est calculée selon la formule ci-dessus, sans déduction de pertes. En effet, lors de la production d'énergie hydroélectrique, les turbines hydrauliques, 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. La transformation de l'énergie entraîne inévitablement des pertes. La production hydroélectrique se caractérise principalement par des pertes au niveau des turbines et des générateurs hydrauliques (y compris les pertes au niveau des canalisations). Dans les microcentrales hydroélectriques rurales, les pertes diverses représentent 40 à 50 % de la puissance théorique totale. La production hydroélectrique ne peut donc utiliser que 50 à 60 % de la puissance théorique, soit un rendement d'environ 0,5 à 0,60 (rendement de la turbine compris entre 0,70 et 0,85, du générateur entre 0,85 et 0,90, et des canalisations et des équipements de transport compris entre 0,80 et 0,85). Par conséquent, la puissance réelle (production) de la centrale hydroélectrique peut être calculée comme suit :
K – rendement de la centrale hydroélectrique, (0,5~0,6) est adopté pour le calcul approximatif de la microcentrale hydroélectrique ; la formule ci-dessus peut être simplifiée comme suit :
N = (0,5 ～ 0,6) QHG puissance réelle = efficacité × débit × chute × neuf virgule huit
L'hydroélectricité utilise l'eau pour actionner une machine appelée turbine hydraulique. Par exemple, l'ancienne roue hydraulique chinoise est une turbine hydraulique très simple. Les différentes turbines hydrauliques utilisées aujourd'hui sont adaptées à diverses conditions hydrauliques spécifiques, ce qui leur permet de tourner plus efficacement et de transformer l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Une autre machine, le générateur, est connectée à la turbine hydraulique pour faire tourner son rotor avec la turbine hydraulique, produisant ainsi de l'électricité. Le générateur se divise en deux parties : la partie tournant avec la turbine hydraulique et la partie fixe du générateur. La partie tournant avec la turbine hydraulique est appelée le rotor du générateur, entouré de nombreux pôles magnétiques ; la partie fixe du générateur, entourée de nombreux pôles magnétiques, est appelée le stator. Le stator est entouré de nombreuses bobines de cuivre. Lorsque les nombreux pôles magnétiques du rotor tournent au centre de la bobine de cuivre du stator, le courant est généré sur le fil de cuivre, permettant au générateur de convertir l'énergie mécanique en énergie électrique.
L'énergie électrique produite par la centrale est transformée à partir de divers équipements électriques en énergie mécanique (moteur ou motorisation), énergie lumineuse (lampe électrique), énergie thermique (four électrique), etc.
2、 Composition de la centrale hydroélectrique
La centrale hydroélectrique est composée d'ouvrages hydrauliques, d'équipements mécaniques et d'équipements électriques.
（1） Ouvrages hydrauliques
Il comprend un barrage, une vanne d'admission, un canal (ou un tunnel), un bassin d'admission (ou un réservoir de régulation), une conduite forcée, une centrale électrique et un canal de fuite, etc.
Construire un barrage sur la rivière permet de la bloquer, d'élever le niveau de l'eau et de former un réservoir. De cette façon, une chute concentrée se forme entre la surface du réservoir et celle de la rivière, puis l'eau est introduite dans la centrale hydroélectrique par des conduites ou des tunnels. Dans un lit de rivière abrupt, l'utilisation de canaux de dérivation permet également de former une chute. Par exemple, la chute d'une rivière naturelle est de 10 mètres par kilomètre. Si un canal est ouvert à l'extrémité supérieure de cette section de rivière pour introduire l'eau, il sera creusé le long de la rivière et sa pente sera uniforme. Si la chute d'eau n'est que de 1 mètre par kilomètre, l'eau s'écoulera sur 5 kilomètres dans le canal et ne chutera que de 5 mètres, tandis que la chute d'eau dans la rivière naturelle sera de 50 mètres après 5 kilomètres de marche. À ce moment-là, l'eau du canal est ramenée à la centrale électrique par la rivière avec des conduites d'eau ou des tunnels, et il y a une chute concentrée de 45 m qui peut être utilisée pour produire de l'électricité.
Une centrale hydroélectrique qui utilise des canaux de dérivation, des tunnels ou des conduites d'eau (telles que des tuyaux en plastique, des tuyaux en acier, des tuyaux en béton, etc.) pour former une chute concentrée est appelée centrale hydroélectrique de type canal de dérivation, qui est une disposition typique des centrales hydroélectriques.
（2） Équipements mécaniques et électriques
En plus des ouvrages hydrauliques ci-dessus (barrage, canal, bief amont, conduite forcée et centrale), la centrale hydroélectrique a également besoin des équipements suivants :
(1) Équipement mécanique
Il existe des turbines hydrauliques, des régulateurs, des vannes à guillotine, des équipements de transmission et des équipements non destinés à la production d'énergie.
(2) Équipement électrique
Il y a des générateurs, des panneaux de contrôle de distribution, des transformateurs, des lignes de transmission, etc.
Cependant, toutes les petites centrales hydroélectriques ne disposent pas des structures hydrauliques et des équipements mécaniques et électriques décrits ci-dessus. Si une centrale hydroélectrique de basse chute, dont la hauteur d'eau est inférieure à 6 mètres, adopte généralement un canal de dérivation et une chambre de dérivation à canal ouvert, elle ne dispose pas de bief d'admission ni de conduite forcée. Les centrales à faible portée et à courte distance de transport adoptent un transport direct sans transformateur. Les centrales hydroélectriques avec réservoirs ne nécessitent pas de barrage. L'arrivée d'eau est profonde, et la conduite intérieure (ou tunnel) et le déversoir du barrage ne nécessitent pas d'ouvrages hydrauliques tels que déversoir, vanne de prise d'eau, canal et bief d'admission.
La construction d'une centrale hydroélectrique nécessite une étude et une conception minutieuses. La conception comprend trois étapes : l'avant-projet, la conception technique et les détails de construction. Pour une conception réussie, il est essentiel 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 conditions.
Les composants des petites centrales hydroélectriques ont des formes diverses selon les différents types de centrales hydroélectriques.
3、 Relevé topographique
La qualité du relevé topographique a une grande influence sur l’aménagement du projet et l’estimation des quantités.
L'exploration géologique (compréhension des conditions géologiques) exige non seulement une compréhension générale et des recherches sur la géologie du bassin et des rives, mais aussi une évaluation de la solidité des fondations de la salle des machines, ce qui a un impact direct sur la sécurité de la centrale. La destruction d'un barrage d'un certain volume de réservoir entraînera non seulement des dommages à la centrale hydroélectrique elle-même, mais aussi d'importantes pertes humaines et matérielles en aval. Par conséquent, le choix géologique du bassin d'amont est généralement prioritaire.
4、 Hydrométrie
Pour les centrales hydroélectriques, les données hydrologiques les plus importantes sont les relevés du niveau d'eau, du débit, de la concentration sédimentaire, du givrage, les données météorologiques et les relevés de crues. L'importance du débit fluvial influence la configuration du déversoir de la centrale hydroélectrique, et la gravité de la crue est sous-estimée, ce qui peut entraîner la destruction du barrage. Dans le pire des cas, les sédiments charriés par la rivière peuvent rapidement remplir le réservoir. Par exemple, l'envasement du canal entraînera son envasement, et les sédiments grossiers traverseront la turbine hydraulique, 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 nécessaire d'étudier l'orientation du développement économique et la demande future d'électricité dans la zone desservie. 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 ces conditions que l'on pourra décider de la nécessité de construire une centrale hydroélectrique et de l'ampleur de son projet.
En général, l’objectif de l’étude hydroélectrique est de fournir des données de base précises et fiables nécessaires à la conception et à la construction de centrales hydroélectriques.
5、 Conditions générales du site de la station sélectionnée
Les conditions générales de sélection du site de la station peuvent être décrites selon les quatre aspects suivants :
(1) Le site choisi pour la centrale doit permettre une utilisation optimale de l'énergie hydraulique et respecter le principe de réduction des coûts. Ainsi, après l'achèvement de la centrale, le coût sera minimal et la production d'électricité maximale. En général, on peut évaluer la durée de récupération du capital investi en estimant le revenu annuel issu de la production d'électricité et les investissements dans la construction de la centrale. Cependant, compte tenu des différences de conditions hydrologiques et topographiques et de la demande d'électricité, le coût et l'investissement ne doivent pas être limités par des valeurs spécifiques.
(2) Le site choisi pour la centrale doit présenter des conditions topographiques, géologiques et hydrologiques optimales, et être réalisable en termes de conception et de construction. La construction de petites centrales hydroélectriques doit respecter autant que possible le principe des « matériaux locaux ».
（3） Le site de la station 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 et les pertes de puissance.
(4) Lors du choix du site de la station, il convient d'exploiter au maximum les structures hydrauliques existantes. Par exemple, des chutes d'eau peuvent être utilisées pour construire des centrales hydroélectriques dans des canaux d'irrigation, ou à proximité de réservoirs d'irrigation pour produire de l'électricité grâce au débit d'irrigation. Comme ces centrales hydroélectriques peuvent produire de l'électricité en présence d'eau, leur importance économique est d'autant plus évidente.
Date de publication : 25 octobre 2022
