Comment fonctionne un barrage hydroélectrique?

Comment fonctionne un barrage hydroélectrique? Par : Dominic Harvey et Félix Boudreault Résumé : Comment fonctionne un barrage hydroélectrique? D. Harvey et F. Boudreault. 2017. Rapport interne. Sciences, Cégep St-Félicien. À l aide d un montage où une turbine reliée à un moteur formant l alternateur, il était possible de mieux comprendre le fonctionnement d un barrage, l électricité produit par l alternateur étant capté par un multimètre connecté à celui-ci. L eau contenue dans le réservoir était la source puisque c est elle qui faisait tourner la turbine et l alternateur par le fait même. Abstract: How a hydroelectric dam works? D. Harvey and F. Boudreault. 2017. Internal report. Sciences, Cégep St-Félicien. Using a circuit where a turbine connected to a motor forming the alternator, it was possible to better understand the operation of a dam, the electricity produced by the alternator being picked up by a connected multimeter. The water contained in the reservoir was the source since it was the one that caused the turbine and the alternator to rotate by the same fact. Mots clés : hydroélectricité, cinétique, eau, physique Le Québec est l'une des régions les plus riches en eau du monde. On y dénombre plus de 130 000 cours d'eau et 1 000 000 de lacs. Plus de 40 % des ressources hydrauliques du Canada se trouvent au Québec. Ses nappes d'eau en surface (lacs naturels et réservoirs) couvrent environ 12 % de son territoire. Dans le cadre de notre expérience, nous tenterons de démontrer comment fonctionne un barrage hydroélectrique à réservoir ainsi que ses composantes. Nous avons effectué un montage avec un tuyau de PVC, une turbine (fait de cuillères en plastique et d un écrou), d un moteur (l alternateur), d une pompe à eau et d un multimètre pour mieux démontrer comment les barrages hydroélectriques ayant des réservoirs fonctionnent. L hydroélectricité Page 1

Théorie Le courant alternatif, le courant produit par un alternateur, est un courant électrique subissant un changement de sens deux fois par période. La quantité d énergie transportée est la même dans un sens ou l autre. Puisque l eau est un fluide utilisé dans les barrages, elle est donc influencée par la mécanique des fluides qui veut que la densité du fluide (ρ), la hauteur (h), la gravité (g) et la pression extérieure influencent la pression à un point à l intérieur du fluide. Or, pour un tuyau percé, la pression extérieure ne compte plus et peut donc prendre la formule suivante de la Loi de Pascale (éq1): p = ρgh (éq1) Il existe plusieurs variantes dans les turbines, mais les trois plus utilisées et les plus efficaces sont les turbines Francis (fig. 1), Pelton (fig. 2) et Kaplan (fig. 3). Les trois ont des caractéristiques différentes. La turbine Francis est la plus utilisée, car elle est efficace pour beaucoup plus de longueurs de chute différentes que les deux autres (entre 10 et 300 mètres). De plus, le débit d eau qui passe dans la turbine n affecte pas sa productivité. Pour la turbine Kaplan, elle est plus efficace pour les chutes très courtes (environ 30 mètres maximum).de plus, le débit d eau doit être très élevé pour maximiser son efficacité. La turbine Pelton quant à elle nécessite une très haute chute (300 mètres et plus) ainsi qu un débit d eau très faible. Figure 1 : Turbine Francis Figure 2 : Turbine Pelton Figure 3 : Turbine Kaplan Les centrales à réservoir créent des réservoirs qui accumulent une énorme quantité d eau. L eau atteint une turbine qui, avec la force motrice de l eau, la fait tourner. La turbine est reliée à un alternateur, donc lorsque la turbine tourne, l alternateur tourne également, ce qui crée un courant alternatif. Cependant, ce type d installation nécessite une configuration du terrain particulière, c est-à-dire qu il faut un terrain ayant une inclinaison suffisamment élevée pour que l eau converge vers le bassin formé par le barrage. La hauteur de la chute peut faire varier le type de turbine utilisé. Les centrales au fil de l eau, quant à elles, utilisent le courant (débit d eau passant au même point) comme force pour effectuer des rotations aux turbines. Cela reste que c est la gravité qui forme les courants des rivières. L eau n est pas retenue par le L hydroélectricité Page 2

barrage. Donc, nos hypothèses sont les suivantes : le courant obtenu durant l expérience sera d une intensité moyenne de 1 ma et le montage fonctionnera de manière continue sur une longue période de temps. Manipulations : 1. Fermer l une des extrémités du tuyau et y percer un trou du diamètre voulu. 2. Placer le tuyau sur le support en bois et mettre le bac de plastique en dessous. 3. Couper les bouts de 6 cuillères et coller-les sur les faces planes d un écrou puis renforcer en collant des rondelles métalliques de chaque côté. Viser la turbine sur une tige filetée. 4. Relier la tige à un alternateur à l aide d un écrou puis relier-le à un multimètre. 5. Placer la pompe et mettre le tuyau à l intérieur du tuyau par l extrémité non fermée. 6. Remplir le tuyau d eau puis enlever le bouchon et laisser fonctionner. Matériels : Voir annexe. Résultats Pour déterminer la vitesse de chute de l eau, nous avons placé un réservoir d eau sur une table d une hauteur de 0,96m. Ensuite, nous l avons rempli d eau et calculer la distance que parcourait l eau une fois sortie du tuyau et le temps que prenait l eau d pour atteindre le sol. Puisque la formule de la vitesse est la suivante : v = V :étant la vitesse, d : la distance, g : la gravité, h : la hauteur de tuyau ( 2h g ) La hauteur et la gravité sont constantes. La hauteur est de 0,96m et 9,8 la constante de gravité. Pour faire varier les résultats et obtenir la plus grande vitesse de sortie, nous avons modifié la taille du trou lors de chaque essai. Voici les résultats obtenus : Tableau #1 : La vitesse de l eau en fonction du diamètre du trou ainsi que le temps écoulé et la distance parcourue. Diamètre du trou Temps(s) Distance(m) Vitesse(m/s) (en pouce) 9/64 0.63 1.720 3.89 11/64 0.64 1.780 4.02 13/64 0.52 1.790 4.04 15/64 0.87 1.807 4.08 Exemple de calcul : v= 1.720/( (2*0.96)/9.8)= 3.89 L hydroélectricité Page 3

Analyse Notre expérience avait pour but de vérifier deux hypothèses, soit que l intensité du courant qui serait produit par l alternateur serait d environ 1 ma et que le montage fonctionnerait de façon continue durant une longue période de temps. Nous avons produit un courant d environ 1,6 ma et de 0,1 v ce qui équivaut à 0,00016 watt. En comparaison, la centrale Robert-Bourassa produit 5616 mégawatts (la plus puissante au Québec). Par conséquent des résultats obtenus, nos hypothèses sont confirmées. Nos attentes ont été dépassées puisque nous avons obtenu une intensité plus élevée que ce que nous avions cru obtenir. Également, notre montage fonctionnait avec un mouvement continu de l eau. Il a fallu faire en sorte que le débit d eau à la sortie du tuyau soit le même que le débit de la pompe lorsqu elle achemine l eau dans notre réservoir. La pompe, lorsqu elle est pratiquement submergée pompe à une vitesse de 0,215 Litre / seconde. En faisant des tests de débit d eau avec notre réservoir, nous avons obtenu que le trou percé sur le tuyau devait avoir un diamètre de 15/64 pouces de dimension pour que le débit de sortie de l eau soit le même que la pompe. La dimension du trou et la hauteur du tuyau étaient les seules variantes que nous pouvions modifier pour influencer le débit d eau. C était déterminé par la formule de la Loi de Pascale qui veut que la pression soit déterminée par la densité du fluide qui, dans l expérience, est de 1, car c est la densité de l eau. De plus, la force gravitationnelle est aussi utilisée dans la formule. Dans l expérimentation, c est la gravité terrestre (9,8 m 2 /s) qui était utilisée. Cela laisse une seule variable dans l équation qui peut influencer la pression et la vitesse de sortie de l eau, c était la hauteur de l eau par-dessus le trou. Dans l expérience, le tuyau permettait une hauteur maximale de 1 mètre. Ensuite, plus le diamètre des trous était grand, plus la vitesse l eau était grande elle aussi. Des nouvelles hypothèses sont ressorties de nos résultats, la turbine Francis aura une meilleure production d électricité que la turbine Pelton dans les conditions qu était effectuée l expérience. Un système de poulie ou de roues à friction aurait produit de meilleurs résultats. Les points forts de l expérience sont qu il était facile de comprendre le fonctionnement et ainsi réaliser le but de cette démarche expérimentale et il représente fidèlement un barrage. De plus, le matériel utilisé est à la portée de tous puisqu il est facile s en procurer et peu couteux. Les points faibles et à améliorer sont la production insuffisante d électricité. Le montage consomme plus d énergie qu il en produit. Le montage n est pas étanche et il y a une perte d eau impossible à contrôler. L expérience a des retombés éducatifs sur la société permettant de démystifier le fonctionnement d un barrage hydroélectrique. L hydroélectricité Page 4

Conclusion Pour conclure, le but de cette expérimentation était de démontrer le fonctionnement d un barrage et de ses composantes. Les deux hypothèses que nous avons dressées par rapport à la démonstration étaient que le courant produit serait d une intensité de 1 ma et que le montage fonctionnerait en continu. Les deux hypothèses sont confirmées et, grâce cette expérience, il est plus facile pour nous de comprendre comment les barrages à grandeur réelle marchent et produisent l électricité qui est utilisée dans les maisons. Médiagraphie Auteur inconnu, Hydro-Québec, «Comprendre l'électricité : Hydroélectricité», http://www.hydroquebec.com/comprendre/ ( consulté 28 janvier 2017) Auteur inconnu, «L'eau : un choix sensé du point de vue économique, social et environnemental», 2017, http://www.innergex.com/energies/hydroelectricite/ (consulté 28 janvier 2017). Pierre BOURRIER, Thomas CHASTAGNER, Orson PESSIN, «Barrages et énergie hydroélectrique», 2009, http://tpe.tdcc.fr/, (consulté le 29 janvier 2017). Learn Engineering, Working on Francis turbine, 24 juillet 2013, https://www.youtube.com/watch?v=3bcifeykrzo Bishou, Généralité, Comment fabriquer soi-même son électricité hydraulique, http://www.hydraulia.com/comment-fabriquer-soi-meme-son-electricite/ Iconographie # Fig. section titre : http://www.hydroquebec.com/visitez/cote_nord/manic- 5.html # Fig. 1 :http://www.hydroquebec.com/comprendre/hydroelectricite/types turbines.html # Fig. 2 : Idem fig.1 # Fig. 3 : Idem fig.1 L hydroélectricité Page 5

Annexe Matériels : 1 tuyau de PVC (1m) 1 bac en plastique 1 pompe à eau 1 multimètre 4 écrous 1 moteur (l alternateur) 2 roulements à billes Des cuillères en plastique Support en bois Un boyau de caoutchouc ( 1,5 m) Une tige de métal filtée 1 bécher 2L 2 fils électriques avec pinces (pour multimètre) 1 pistolet à colle 4L d eau L hydroélectricité Page 6