Comment Planifier un Mini Projet Hydroélectrique

Comment Planifier un Mini Projet Hydroélectrique

Composants du Schéma

La figure 1 montre les principales composantes d’un schéma micro-hydroélectrique au fil de l’eau. Ce type de système ne nécessite pas de stockage d’eau mais détourne une partie de l’eau de la rivière qui est canalisée le long d’une vallée avant d’être « lâchée » dans la turbine via une conduite forcée. Sur la figure 1, la turbine entraîne un générateur qui fournit de l’électricité à un atelier. La ligne de transmission peut être prolongée jusqu’à un village local pour fournir de l’électricité domestique pour l’éclairage et d’autres utilisations.

Figure 1: Schéma d’un schéma micro-hydroélectrique typique

Il existe différentes autres configurations qui peuvent être utilisées en fonction des conditions topographiques et hydrologiques, mais toutes adoptent le même principe général.

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Eau en watts

Pour déterminer le potentiel de puissance de l’eau qui coule dans une rivière ou un cours d’eau, il est nécessaire de déterminer à la fois le débit de l’eau et la tête à travers laquelle l’eau peut tomber. Le débit est la quantité d’eau s’écoulant au-delà d’un point dans un temps donné. Les unités de débit typiques sont des litres par seconde ou des mètres cubes par seconde. La tête est la hauteur verticale, en mètres, de la turbine jusqu’au point où l’eau pénètre dans le tuyau d’admission ou la conduite forcée.

La puissance potentielle peut être calculée comme suit: P = g * Q * H * feff
Exemple: Un emplacement avec une tête de 10 mètres, un débit de 300 litres/s (= 0,3 m3/s) aura une puissance potentielle de 15 kW électricité:
10m/s2 * 0,3m3/s * 10m * 0,5 = 15m5/s3

= 15m5 / s3 * 1000 kg / m3 (densité de l’eau)
= 15000 J / s
= 15000 W
= 15kW

Puissance en kW (P); Débit en m3 / s (Q); Tête en m (H); Constante de gravité = 9,81 m / s2 (g); Facteur d’efficacité (feff) => 0.4 – 0.7 *

* Les petites turbines à eau ont rarement un rendement supérieur à 80%. L’efficacité des générateurs de ~ 90% et la puissance seront également perdues dans le tuyau transportant l’eau vers la turbine, en raison des pertes par frottement. Un guide approximatif utilisé pour les petits systèmes de quelques kW est de prendre l’efficacité globale d’environ 50%. Ainsi, la puissance théorique doit être multipliée par 0,50 pour un chiffre plus réaliste

Si une machine fonctionne dans des conditions autres que la pleine charge ou le plein débit, d’autres inefficacités significatives doivent être prises en compte. Les caractéristiques de débit partiel et de charge partielle de l’équipement doivent être connues pour évaluer les performances dans ces conditions. Il est toujours préférable de faire fonctionner tous les équipements aux conditions de débit et de charge nominales, mais ce n’est pas toujours pratique ou possible lorsque le débit de la rivière fluctue tout au long de l’année ou lorsque les modèles de charge quotidiens varient considérablement.

Selon les exigences d’utilisation finale de la puissance générée, la sortie de l’arbre de la turbine peut être utilisée directement comme puissance mécanique ou la turbine peut être connectée à un générateur électrique pour produire de l’électricité. Pour de nombreuses applications industrielles rurales, la puissance de l’arbre convient

(pour la transformation des aliments tels que le fraisage ou l’extraction d’huile, la scierie, l’atelier de menuiserie, les équipements miniers à petite échelle, etc.), mais de nombreuses applications nécessitent une conversion en énergie électrique. Pour les applications domestiques, l’électricité est préférée.

Cela peut être fourni soit:

• directement à la maison via un petit système de distribution électrique ou,
• peut être alimenté au moyen de batteries qui sont retournées périodiquement à la centrale pour être rechargées – ce système est courant lorsque le coût de l’électrification directe est prohibitif en raison de la dispersion des logements (et donc d’un système de distribution coûteux),

Lorsqu’un générateur est utilisé, l’électricité est normalement produite en courant alternatif (c.a.). La puissance monophasée est satisfaisante sur les petites installations jusqu’à 20 kW, mais au-delà, la puissance triphasée est utilisée pour réduire les pertes de transmission et pour convenir aux moteurs électriques de plus grande taille. Une alimentation en courant alternatif doit être maintenue à une constante de 50 ou 60 cycles / seconde pour le fonctionnement fiable de tout équipement électrique utilisant l’alimentation. Cette fréquence est déterminée par la vitesse de la turbine qui doit être régulée de manière très précise.

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Conditions appropriées pour la micro-hydroélectricité

Les meilleures zones géographiques pour l’exploitation de l’hydroélectricité à petite échelle sont celles où des rivières escarpées coulent toute l’année, par exemple les zones montagneuses des pays à forte pluviométrie toute l’année, ou les grandes chaînes de montagnes et leurs contreforts, comme les Andes et l’Himalaya. Les îles aux climats marins humides, telles que les îles des Caraïbes, les Philippines et l’Indonésie, conviennent également. Des turbines à faible hauteur ont été développées pour l’exploitation à petite échelle de rivières où il y a une faible hauteur mais un débit suffisant pour fournir une puissance adéquate.

Pour évaluer la pertinence d’un site potentiel, l’hydrologie du site doit être connue et une étude du site doit être effectuée afin de déterminer les données réelles sur le débit et la tête. Les informations hydrologiques peuvent être obtenues auprès du département de météorologie ou d’irrigation généralement géré par le gouvernement national. Ces données donnent une bonne image globale des régimes pluviométriques annuels et des fluctuations probables des précipitations et, par conséquent, des régimes d’écoulement. L’étude du site fournit des informations plus détaillées sur les conditions du site pour permettre le calcul de la puissance et le début des travaux de conception. Les données de débit devraient être recueillies sur une période d’au moins une année complète, si possible, afin de déterminer la fluctuation du débit de la rivière au cours des différentes saisons. Il existe de nombreuses méthodes pour effectuer des mesures de débit et de tête et celles-ci peuvent être trouvées dans les textes pertinents.

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Turbines

Une turbine convertit l’énergie de l’eau qui tombe en puissance de l’arbre. Il existe différents types de turbine qui peuvent être classés de plusieurs manières. Le choix de la turbine dépendra principalement de la tête de pression disponible et du débit de conception de l’installation hydroélectrique proposée. Comme le montre le tableau 2 ci-dessous, les turbines sont divisées en trois groupes: tête haute, moyenne et basse, et en deux catégories: impulsion et réaction.

Tableau 2 : Classification des types de turbines:

La différence entre impulsion et réaction peut être expliquée simplement en indiquant que les turbines à impulsion convertissent l’énergie cinétique d’un jet d’eau dans l’air en mouvement en frappant des godets ou des aubes de turbine – il n’y a pas de réduction de pression car la pression de l’eau est atmosphérique des deux côtés de la roue. Les aubes d’une turbine de réaction, en revanche, sont totalement immergées dans l’écoulement de l’eau et le moment angulaire et linéaire de l’eau est converti en puissance de l’arbre – la pression de l’eau sortant du canal est réduite à atmosphérique ou inférieure.

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Facteur de charge

Le facteur de charge est la quantité de puissance utilisée divisée par la quantité de puissance disponible si la turbine devait être utilisée en continu. Contrairement aux technologies reposant sur des sources de carburant coûteuses, le « carburant » pour la production d’hydroélectricité est gratuit et, par conséquent, la centrale devient plus rentable si elle est exploitée pendant un pourcentage élevé du temps. Si la turbine n’est utilisée que pour l’éclairage domestique le soir, le facteur d’installation sera très faible. Si la turbine fournit de l’énergie à l’industrie rurale pendant la journée, répond à la demande intérieure le soir et pompe peut-être de l’eau pour l’irrigation le soir, le facteur usine sera élevé.

Il est très important de garantir un facteur d’installation élevé pour que le système soit rentable et cela doit être pris en compte lors de la phase de planification. De nombreux systèmes utilisent une charge de décharge (en conjonction avec un contrôleur de charge électronique – voir ci-dessous), qui est effectivement une demande d’énergie de faible priorité qui peut accepter l’énergie excédentaire lorsqu’un excès est produit, par exemple pour le chauffage de l’eau, les chauffe-eau à accumulation ou les cuisinières à accumulation.

Régulateurs de charge

Les turbines à eau, comme les moteurs à essence ou diesel, varient en vitesse à mesure que la charge est appliquée ou soulagée. Bien que ce ne soit pas un problème si grave avec des machines qui utilisent la puissance directe de l’arbre, cette variation de vitesse affectera sérieusement la fréquence et la tension de sortie d’un générateur. Traditionnellement, des régulateurs de vitesse hydrauliques ou mécaniques complexes modifiaient le débit à mesure que la charge variait, mais plus récemment, un contrôleur de charge électronique (ELC) a été développé, ce qui a augmenté la simplicité et la fiabilité des ensembles micro-hydro modernes. L’ELC empêche les variations de vitesse en ajoutant ou en soustrayant continuellement une charge artificielle, de sorte qu’en fait, la turbine fonctionne en permanence à pleine charge. Un autre avantage est que l’ELC n’a pas de pièces mobiles, est très fiable et pratiquement sans entretien. L’avènement du contrôle électronique de la charge a permis l’introduction de turbines à jets multiples simples et efficaces, qui ne sont plus encombrées par des régulateurs hydrauliques coûteux.

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