Les turbines

Comme chaque type de centrale à son type de fonctionnement différent, il existe différent type de turbine. 

 

Moulin de Maintenay datant du XIIèmes siècles mincoin.com
Moulin de Maintenay datant du XIIèmes siècles mincoin.com

Les êtres humains utilisent la force de l'eau depuis plus de deux mille ans. En effet, ils se servaient de moulins à eau actionnés par des roues à aubes pour moudre le blé.

Ce n'est qu'au cours du XIXe siècle que les roues à aubes sont utilisées pour produire de l'électricité. À la fin du siècle, la turbine remplacera la roue hydraulique et les premiers barrages feront leur apparition.

 

Schéma de fonctionnement d'une turbine
Schéma de fonctionnement d'une turbine

Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.

L'énergie du fluide, caractérisée par sa vitesse et son enthalpie, est partiellement convertie en énergie mécanique pour entraîner un alternateur, une pompe  ou tout autre récepteur mécanique rotatif.

 

Turbine de barrage  perso.id-net.fr
Turbine de barrage perso.id-net.fr

La puissance mécanique d'un fluide s'exprime par le produit du débit volumique entrant par la différence de pression entre deux points de son écoulement (l'entrée et la sortie du système observé).

La puissance électrique récupérable est minorée à raison du rendement global du système. Ce rendement global dépend non seulement du rendement propre de la turbine, autrement dit son aptitude à transférer la puissance du fluide à l'arbre de transmission, mais aussi des pertes de puissance indésirables telles que perte de charge du fluide, frottements mécaniques et électriques notamment qui dégradent l'énergie mécanique en chaleur.

 

Différents types de turbines

Schéma de sélection d'une turbine en fonction de la hauteur et du débit de la chute  Hydroweb
Schéma de sélection d'une turbine en fonction de la hauteur et du débit de la chute Hydroweb

L'énergie électrique est produite par la transformation de l'énergie cinétique de l'eau en énergie électriquepar l'intermédiaire d'une turbine hydraulique couplée à un générateur élexctrique. Pour les barrages par accumulation la quantité d'énergie disponible, sur une période donnée, dans la réserve d'eau d'un barragedépend de son volume, des apports et pertes naturels sur la période et de la hauteur de chute. Pour les barrages au fil de l'eau la quantité d'énergie produite est directement liée au débit (m³/s, m³/h, m³/j, m³/an).

 

Schéma d'un groupe turbo-alternateur  ikonet.com
Schéma d'un groupe turbo-alternateur ikonet.com

Il est impératif que tous les groupes turbines-alternateurs d'un réseau soient rigoureusement synchronisés, c'est-à-dire qu'ils maintiennent très exactement leur vitesse de rotation. 

Salle des machines de la centrale de Veytaux    alpiq.com
Salle des machines de la centrale de Veytaux alpiq.com

Pourquoi ?

Afin de produire une énergie électrique de qualité. Les appareils qui consomment de l'électricité sont conçus en fonction d'un courant alternatif dont la fréquence est précise. Cette fréquence dépend de la vitesse de rotation du groupe, c'est-à-dire du nombre de fois par seconde que les aimants du rotor passent devant les barres de métal conductrices du stator. Cette fréquence s'exprime en cycles par seconde ou hertz (Hz), du nom du physicien allemand Heinrich Hertz, qui démontra l'existence des ondes radio.

 

 

Salle des machines du barrage de Cusset    dspt.perso.sfr.fr
Salle des machines du barrage de Cusset dspt.perso.sfr.fr

En Amérique du Nord, le cycle normalisé du courant alternatif est de 60 fois par seconde, tandis qu'en Europe, il est de 50 fois par seconde. Cela signifie qu'une horloge dont le moteur est conçu pour tourner à 60 Hz prendrait du retard si elle était branchée dans une prise européenne, car elle fonctionnerait plus lentement.

 

Un calcul en première S3 maths-college.blogspot.com
Un calcul en première S3 maths-college.blogspot.com

Calcul : Rotors des turbines à La Grande-3
À la centrale La Grande-3, les rotors sont constitués de 32 paires d'électroaimants. Ils doivent donc faire 112,5 tours par minute pour fournir un courant alternatif de 60 Hz.

Voici le calcul qu'ont fait les ingénieurs :

32 paires d'électroaimants × 112,5 tours par minute
=
3 600 tours par minute ou 60 tours par seconde (60 Hz)