I) Fonctionnement et Caractéristiques

La première fonction du barrage est simple, elle est de retenir une importante quantité d'eau dont la principale raison est de produire de l'électricité et pour cela il suffit d'ouvrir les vannes pour que l'eau s’engouffre dans d'un canal pour être par la suite dirigée vers une centrale hydraulique qui est située en contre-bas pour augmenter la hauteur de la chute. A la sortie de la conduite, la pression et/ou la vitesse entraîne la rotation d’une turbine qui est reliée à un alternateur qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. L'énergie produite dépend de la puissance de l'eau qui dépend du débit et de la hauteur de la chute. L'eau est ensuite relâché pour reprendre le cours normal de la rivière.

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Pour produire de l'électricité on utilise l’énergie cinétique de l’eau. L'énergie cinétique provient de la force de gravitation (la force de gravitation dépend de la hauteur de la chute de l'eau). L'énergie cinétique provient de l'énergie potentielle, c'est lorque l'eau descend des conduits que l'énergie potentielle est transformée en énergie cinétique. Au niveau de la centrale presque toute l'énergie potentielle est transformée.
Il suffit d'utiliser cette formule pour savoir la puissance de la centrale : P=Ec/T( P = puissance, Ec= énergie cinétique, T = temps ).

Em=Ec+Ep
Em = énergie mécanique

Ec=1/2*m*v²
-m = masse de l'eau
-v = vitesse de l'eau

Epp=m*g*h
- m=masse de l’eau
- g=gravitation terrestre
- h=hauteur de chute

Les différents types de Barrages

Ils existent plusieurs types de barrages, ces barrages sont choisis en fonction de l'environnement et des moyens à disposition.

1) Barrage à poids

Le barrage-poids est un barrage dont la propre masse suffit à résister à la pression exercée par l'eau. Ils sont encore très utilisés de nos jours. Le barrage-poids en béton est souvent choisi lorsqu' il sollicite peu la résistance des berges. Dans certains terrains, c’est un avantage. Par contre, il utilise beaucoup de béton.

Exemple : le barrage de la Grande-Dixence en Suisse:

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2) Barrage en voûte

Le barrage a pour principe de repousser la pression de l'eau sur sur les flancs de la vallée au moyen d'un mur de béton arqué horizontalement. La technique de barrage-voûte nécessite une vallée plutôt étroite et un bon rocher de fondation.

Exemple : barrage de Tignes, en Savoie:

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3) Barrage en contreforts ou multivoûtes

Le mur en voûte ou dalle plate qui retient l’eau, est doublé de contreforts qui transmettent la force de l’eau vers le sol. Il nécessite moins de béton pour sa construction, il doit reposer sur un sol résistant et n’est pas nécessairement dans les vallées étroites.

Exemple : le barrage de la Girotte, en Savoie:

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4) Le barrage en matériaux meubles

Il a les mêmes caractéristiques que le barrage poids mais il n’est pas réalisé en béton mais en enrochement de blocs de pierre ou en terre compacte, sans élément de liaison particulier. Il possède une base très large, et il comporte sur toute la hauteur un élément assurant l’étanchéité. Ce sont les barrages les plus résistants aux tremblements de terre.

Exemple : le barrage d’Assouan, en Egypte:

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Les Turbines Hydrauliques

Une turbine hydraulique est une machine qui effectue une rotation qui génère une énergie mécanique à partir de l'eau. C'est la partie la plus importante des centrales hydroélectriques destinées à produire de l'électricité à partir de chutes d'eau. Elle est inventée par Benoît Fourneyron en 1832.

Ils existent deux types de turbines hydrauliques : les turbines à action et à réaction.
-> Les turbines à action qui transforment la pression hydraulique en énergie cinétique par un dispositif statique (injecteur), avant d'actionner la partie mobile.
-> Les turbines à réaction, la partie mobile provoque au contraire une différence de pression entre l'entrée et la sortie.

Les modèles de turbines hydrauliques les plus utilisées:

Les turbines Francis sont généralement utilisées pour de moyennes chutes et peuvent développer des puissances très importantes. Leur rendement est très bon : pour des débits variant de 60 à 100 % du débit nominal il dépasse 80 %, cependant ce matériel n'est pas recommandé lorsque le débit est susceptible de varier au delà de ces limites.

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Actuellement, ces machines sont toutes montées avec une bâche spirale qui alimente le distributeur. C'est une conduite en forme de colimaçon de section progressivement décroissante reliée, d'une part à l'extrémité aval de la conduite forcée, et d'autre part à la section d'entrée du distributeur. La bâche est tracée de telle façon que le débit passant à travers chaque arc de cercle de la section d'entrée du distributeur soit constant.
Le distributeur est constitué par une série de directrices (aubes rotatives) entraînées par des biellettes liées à un cercle de vannage.
Celui-ci est mis en rotation par la tige de commande du distributeur qui l'entraîne par deux tirants.
La roue de la turbine est placée à l'intérieur des distributeurs, et l'arbre qui la relie à la génératrice ou à un multiplicateur de vitesse est guidé par le palier principal de la turbine.

La turbine Pelton est utilisée pour les hautes chutes et petits débits. Elle est constituée d'une roue à augets mise en mouvement par un jet provenant d'un ou de plusieurs injecteurs :
- les augets sont profilés pour obtenir un rendement maximum tout en permettant à l'eau de s'échapper sur les côtés de la roue. Ils comportent une échancrure qui assure une pénétration progressive optimale du jet dans l'auget,
- l'injecteur est conçu pour produire un jet cylindrique aussi homogène que possible avec un minimum de dispersion.

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Le débit est réglable à l'aide d'un pointeau mobile à l'intérieur de l'injecteur, qui est déplacé par un servomoteur hydraulique ou électrique. Ce pointeau est asservi à la régulation de la turbine.

Les turbines Kaplan et hélices sont les plus appropriées pour le turbinage des faibles chutes. Les puissances correspondantes peuvent varier de quelques kW à plusieurs centaines de kW. Elles se caractérisent par leur roue qui est similaire à une hélice de bateau et dont les pales sont réglables en marche (Kaplan) ou fixes (hélices).

Ces machines sont classées en fonction de leurs possibilités de réglage et le type d'écoulement. Ainsi, selon les exigences du site on utilise :

- pour des débits constants : une turbine hélice à pales et distributeur fixes,
- pour des débits élevés et peu variables : une turbine hélice à pales fixes et un distributeur mobile,
- pour des débits variants entre 30 et 100 % du débit nominal, une turbine Kaplan à distributeur fixe,
- pour des débits variants entre 15 et 100 % du débit nominal, une turbine Kaplan à distributeur réglable. Il s'agit de la machine la plus compliquée avec ses deux possibilités de régulation qui doivent être accordées ensemble pour détenir les meilleurs résultats.

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Le système de distribution peut être semblable à celui des turbines Francis. Cependant, on peut trouver aussi un distibuteur conique ou axial et l'écoulement subit ainsi un minimum de changement de direction.

II) Avantages ->


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TPE Barrages et Energie Hydroélectrique - Première S 2009 Lycée Teilhard de Chardin
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