Les équipements électromécaniques

Les principaux composants électriques et mécaniques d’une petite centrale sont la turbine et la génératrice qui peuvent être en plusieurs exemplaires. Différents types de turbines ont été conçues afin de s’adapter à tous les types de sites hydroélectriques se trouvant dans le monde. Les turbines utilisées dans les petites centrales sont des versions réduites de celles qui équipent les grandes centrales classiques.

a. Les turbines

Deux catégories principales de turbines se distinguent :

- Celles utilisées dans les centrales à hauteur de chute faible ou moyenne sont généralement du type « à réaction », comme les turbines Francis et les turbines à hélice à pales fixes et variables (Kaplan).

- Les turbines dites « à action » tel que la turbine Pelton, Banki et cross flow qui sons utilisées pour les hautes chutes.

b. Principe de fonctionnement des turbines à réaction

L’eau sous pression induit une force sur la face des aubes de la roue. Au fur et à mesure que l’eau traverse la turbine, la pression diminue, transformée en énergie mécanique de

rotation et transmise au générateur par l’arbre de transmission. La roue de la turbine est complètement immergée et son bâti doit être capable de supporter la pression de service. Les turbines fonctionnant de cette manière sont appelées ‘turbines à réaction’. Les turbines ‘Francis’ ,‘Kaplan’ et ‘à hélices’ appartiennent à cette catégorie.

Une turbine à réaction utilise à la fois la vitesse de l’eau (énergie cinétique) et une différence de pression (énergie de pression).

Deux principes sont à la base de fonctionnement d’une turbine à réaction :

- la création d’un tourbillon au moyen d’une bâche spirale, d’aubages du distributeur ou les deux à la fois (figure 2.3 et 2.4)

- la récupération du mouvement circulaire du tourbillon par les pales d’une roue en rotation qui devient les filets d’eau pour leur donner une direction parallèle à l’axe de rotation.

Figure.2.3. Schéma représentatif de la turbine Francis [Pac-B]

c. Principe de fonctionnement des turbines à action

La pression de l’eau est entièrement convertie en énergie cinétique avant d’entrer en contact avec la roue et de lui transmettre son énergie. L’énergie cinétique est véhiculée par un jet à haute vitesse s’écoulant dans ces augets, montés sur la périphérie de la roue. Les turbines qui fonctionnent de cette manière sont appelées ‘turbines à action’. La plus efficace et la plus utilisée est la turbine ‘Pelton’.

Figure.2.5. Schéma représentatif de la turbine Pelton [Pac-B]

d. Choix d’une turbine pour une application

Les turbine utilisées dans les installations à hauteur de chute élevée sont généralement appelées turbines à impulsion. La famille des turbines à impulsion comprend : les turbines Pelton (voir figure 2.5), Turgo, Banki-michell et les turbines à impulsion radiale. Les pales de ces turbines à impulsion recueillent l’énergie d’un jet d’eau à haute vitesse puis finissent leur course dans l’air.

Les petites turbines hydrauliques peuvent atteindre des rendements d’environ 90 %. On veillera à choisir la meilleure turbine pour chaque application, étant donné que certaines donnent un bon rendement que dans une plage limitée de débits (ex. : les turbines à hélice à pales fixes).

Pour la plupart des petites centrales au fil de l’eau où le débit varie considérablement, il est préférable de faire appel à des turbines qui donnent un bon rendement dans une vaste gamme de débits (ex. : Kaplan, Turgo et à écoulement transversal). On peut également utiliser plusieurs turbines qui fonctionnent dans une plage limitée de débits et à vitesse variable pour s’adapter aux variations du débit.

Figure 2.6. Choix des turbines hydrauliques pour les microcentrales hydroélectriques [Pai-2002]

e. Rendements relatifs des turbines hydrauliques

Les éléments importants pour comparer les différentes turbines hydrauliques sont leurs rendements relatifs au point de fonctionnement et aux débits réduits. Les courbes des rendements typiques sont montrées sur la figure 2.7, [Pai-2002].

Figure.2.7. Rendements relatifs des turbines hydrauliques pour débits variables [Pai-2002].

Un point important à noter est que les turbines Pelton et Kaplan ont un rendement élevé pour une large gamme de débit même en dessous du point de fonctionnement pour

lesquels elles sont conçues. En revanche, le rendement des turbines Francis et à hélice est très sensible aux variations du débit.

f. Turbine VLH (Very low head)

Traditionnellement, les fabricants de turbines s’efforcent de réduire le diamètre de roue de la turbine afin de réduire les coûts de l'équipement tout en conservant de hautes performances. Une société française MJ2 Technologies et des partenaires canadiens ont mis au point et breveté un concept novateur appelé le «’Very Low Head’(VLH) turbine » [Lec-2006]. La figure 2.8 montre une vue transversale de la turbine VLH. Le concept turbine VLH a une approche différente de l'approche traditionnelle de conception des turbines hydrauliques (utilisation de grand rotor) afin de réduire de manière significative les travaux coûteux de génie civil. La roue est plus grande mais plus simple avec une vitesse de rotation très faible, comme les moulins à vent. Ce type de turbine peut être installé dans les passages d'écluses. Ces passages pourraient être ceux existants adjacents aux barrages, ou pourraient encore être construits dans un barrage.

Figure 2.8 Vue transversale de la turbine VLH [INT-A]

La turbine VLH a les fonctions avancées suivantes:

• La turbine a une vitesse de rotation très faible (max. 41 tours par minute) et une vitesse d'écoulement faible (inférieure à 2 m / s) à travers la turbine.

• La roue a 8 pales réglables, capables de fermer l'écoulement à travers le canal. Ceci permet le contrôle de l'écoulement et l'arrêt de l'ensemble turbine-générateur, ce qui élimine la nécessité d'une grille.

• La turbine permet la migration des poissons à travers sa roue en raison de sa faible vitesse de rotation et de son débit à basse pression.