Exemple De Tpe Sur Les Barrages à Centrale Hydroélectrique

ce d'énergie la plus utilisée,dans notre pays, pour produire de l'électricité.

Production électrique en France en 2008

Or, en quoi le barrage poids est-il source d'énergie ?

Dans ce TPE, en réponse à cette problématique, nous étudierons dans une première partie, l'aspect théorique du barrage poids, puis dans une seconde partie, nous aborderons l'aspect pratique en réalisant une maquette d'un barrage poids.

Le barrage et sa centrale hydroélectriqueLe fonctionnement de la centrale hydroélectrique et ses élémentsGénéralité

L'énergie potentielle de pesanteur de l'eau, accumulée par le barrage, est transformée en énergie cinétique par écoulement. Celle-ci est transformée en énergie mécanique grâce à une turbine, qui à son tour entraîne un générateur électrique : alternateur ou dynamo. L'énergie mécanique devient alors de l'énergie électrique.

Pour obtenir de l'énergie électrique, il faut faire tourner un alternateur. Pour cela, on associe son rotor à une turbine, machine capable de transformer l'énergie de l'eau en énergie disponible. En France, le puissance électrique des centrales hydrauliques varie jusqu'à 500 mégawatts pour des barrages importants.

Au cours du transport du courant, une partie importante de l'énergie électrique se dissipe en chaleur et se perd dans l'atmosphère. Cette perte peut être diminuée si le transport se fait à très haute tension, c'est pour cela que l'on utilise des transformateurs.

Après avoir été élevée à très haute tension, la tension électrique fournie par la centrale est progressivement ramenée à moyenne tension puis à basse tension pour enfin être distribuée aux utilisateurs.

Le schéma de la centrale

Les éléments

La Turbine :

Est une hélice mise en mouvement par l'eau,elle fait tourner l'axe sur lequel elle est fixée.

Le Générateur :

Construit à partir de la découverte de Faraday, c'est une «machine tournante» composée d'un rotor*, constitué par un aimant appelé Inducteur, qui tourne à l'intérieur d'une bobine fixe, le stator** qui lui , est appelé l'Induit.

Le Transformateur : Appareil statique à induction électromagnétique, à deux enroulements ou plus, destiné à transformer un système de tensions et courants alternatifs en un autre système de tensions et courants, de mêmes fréquences mais généralement de valeurs différentes, dans le but de transmettre une énergie électrique.

Rotor* : Ici c'est un aimant permanent, la régulation de la tension de sortie se fera en réglant la vitesse de rotation de l'alternateur ( la fréquence du courant variera également )

Stator** : Constitué de roulements qui vont être le siège d'un courant électrique induit par le champ magnétique créé par l'inducteur en mouvement.

Lorsque le rotor tourne: il produit aux bornes du stator une tension électrique alternative.

Rotor et Stator

Rotor (à gauche) et stator (à droite)

Rotor et stator emboîtés

Explication théorique

Loi de Lenz-Faraday:

Michael Faraday a montré le premier que, lorsque l'on déplace un aimant devant une bobine de fil de cuivre, ou l'inverse, il se crée entre les 2 bornes de la bobine une tension variable: c'est le phénomène d'induction électromagnétique.

*Si l'on approche un aimant d'une bobine de fil reliée à un ampèremètre, on constate l'apparition d'un courant induit dans le circuit.

L'aimant crée un flux Φ dans le bobinage et son déplacement provoque une variation dΦ de ce flux.

Cette variation de flux induit une f.e.m (force électromotrice) e dont la valeur est:e = - dΦ / dt.

Schématisation :

Explication mécanique

Protocole de l'expérience préliminaire

Objectif: Montrer le phénomène de l'induction électromagnétique par un fonctionnement simplifié du barrage.

Explication: Nous allons, d'un mouvement rotatif, introduire un aimant dans une bobine de fil reliée à un galvanomètre.

Matériel: aimant, bobine de cuivre, fils, galvanomètre (ampèremètre à cadre mobile et dont l'aiguille dévie vers la droite ou vers la gauche) voltmètre, diodes.

Observations: Lorsqu’on approche un aimant d’une bobine connectée sur un galvanomètre ,on détecte un courant électrique créé dans la bobine .

Le sens de ce courant dépend de la façon dont on déplace l’aimant :

_si on approche le pôle nord suivant l’axe , le courant est dans le sens représenté sur la figure : il génère lui-même un champ magnétique b induit , qui tend à s’opposer au champ magnétique B

_si on recule le pôle nord , I s’inverse

_si on approche le pôle sud , cela a le même effet que si on recule le pôle nord

Dans tous ces cas , on vérifie que I crée un champ b qui s’oppose à la variation du champ magnétique que tend à provoquer le déplacement de l’aimant , au sein de la bobine .

Le phénomène est d’autant plus important que le mouvement de l’aimant est rapide .Il est d’autant plus important que l’aimant est présenté axialement devant la bobine (il est imperceptible si on approche l’aimant perpendiculairement à l’axe de la bobine).

Conclusion: Pendant la durée du mouvement de l'aimant, un courant circule dans la bobine: c'est le courant induit qui circule dans la bobine dite induite. Ce phénomène s'appelle l'induction électromagnétique.

ExpérimentationsLa Pression et le débit

La pression est une force qui s'exerce sur une surface dans toutes les directions, elle s'exerce donc sur le barrage et se mesure en Pascal, en industrie, c'est encore le Barre (1B= 100 000P). 1 barre est 1 kilogramme sur une surface de 1 cm².

Le débit est la quantité de fluide fournie ou qui s'écoule par unité de temps.

Explication théorique

On considère un écoulement permanent d'un fluide parfait, c'est un fluide dont l'écoulement se fait sans frottement, entre les sections S1 et S2 entre lesquelles il n'y aucune machine hydraulique (ni turbine, ni pompe).

Soit m, la masse, V le volume du fluide qui passe à travers la section S1 entre les instants t et t+Δt. Pendant ce temps, la même masse et le même volume de fluide passe à travers la section S2. Tout se déroule comme si le fluide était d'une position 1 à une position 2. En appliquant le théorème de l'énergie cinétique à ce fluide entre les instants t et t+Δt, on obtient : (la variation d'énergie cinétique est égale à la somme des travaux des forces extérieures : poids et forces pressantes)

ρ*v²/2+ρ*g*z+P = Constante

ρ= masse volumique en Kg/m3

g= 9,81 = Gravité terrestre

z= Profondeur en m

ρ*g*z = Pression de pesanteur

ρ*v²/2 = Pression cinétique

v= Vitesse du fluide

P= pression statique en pascal

La relation de Bernoulli peut s'écrire : (d'un point 1 à un point 2 sans échange de travail(sans turbine, sans pompe)

1/2ρ*(v²2 -v²1 )+ρ*g*(z2-z1)+(P2-P1) = 0

1/2g*(v²2 -v²1 )+(z2-z1)+(P2-P1)/ρ*g = 0

(v²/2g)+z+P/ρ*g = H = Constante

Les termes sont écrits dans la dimension de hauteur.

H= Hauteur totale

P/ρ*g = Hauteur de pression

v²/2g = Hauteur cinétique

P1 = P2 = pression atmosphérique

v1 < v2 d'où v2 = √(2g*z)

Lorsque le fluide traverse une machine hydraulique, il échange de l'énergie avec cette machine sous forme de travail ΔW pendant une durée Δt. La puissance P échangée est :

P = ΔW/Δt

Avec : P en Watt

ΔW en Joule

Δt en seconde

Si P < 0, l'énergie qui est fournie par