Energie hydraulique d'une nano centrale

Problématique :

Etude des notions de puissance, rendement et d’énergie (hydraulique et électrique)

I. Présentation du système de la nano centrale.

Pour stocker de l'énergie électrique nous connaissons les batteries. Mais il existe aussi un autre moyen de stockage: les STEP (Stations de transfert d'énergie par pompage). Le principe est le pompage-turbinage qui est une technique de stockage de l'énergie électrique qui consiste à remonter de l'eau d'un cours d'eau ou d'un bassin, pour la stocker dans des bassins d'accumulation, lorsque la production d'électricité est supérieure à la demande — c'est le pompage —, puis de turbiner l'eau ainsi mise en réserve pour produire de l'énergie électrique lorsque la demande est forte — c'est le turbinage.

Cette nano-centrale représente la partie "turbinage" d'une STEP.

Dans ce TP, la turbine est du type PELTON.

II. Etude de la fonction du système

1) Quelles sont les 2 énergies mises en jeu dans ce système :

Energie utile (ou utilisée) : Wu : …………………………………..

Energie absorbée : Wa :…………………………………..

2) Compléter la chaîne d’énergie du système à partir des éléments du système cités ci dessous:

1) conduite forcée ; 2) Génératrice ; 3) turbine Pelton ; 4) Retenue d’eau (bac supérieur)

III. Bilan énergétique du système du turbinage :

Nous allons estimer et chiffrer la puissance hydraulique et la puissance électrique pour évaluer le rendement lors d'une phase de turbinage (phase de production d’électricité)

III.1) Après mesure de la longueur L et largeur l du bac supérieur, déterminer le volume d’eau (Vol₁) contenu dans le réservoir amont correspondant à une hauteur de 100 mm.

III.2) Calculez l'énergie potentielle de ce volume d’eau (Vol1) pour une hauteur de chute égale à 1.25m

Rappel:

masse volumique de l'eau:

III.3) Manipulation:

Nous allons "charger" la génératrice en la faisant débiter dans une résistance de 13 Ω. Cela nous permet de faire des mesures de tension V₁ et de courant I₁ au niveau de cette charge. Ces mesures permettront de faire un bilan énergétique et d'estimer le rendement du système

3.1) Mise en place des appareils de mesure

- Compléter le schéma par un montage "Voltampèremétrique" permettant de mesurer le courant absorbée par la résistance et la tension à ses bornes.

3.2) Mise en situation

a) Allumer la maquette

b) Appuyer sur " Start"

c) Appuyer sur "Pompage" jusqu'à avoir 10 cm dans le bac supérieur;

Attention: il est préférable de monter le niveau à 12 cm et descendre jusqu'à 2 cm

III.4) Mesures

a) Appuyer sur "Turbinage"

b ) Relever V₁, I₁, Pression (en bar) et le temps d'écoulement t (en seconde) dans le tableau

c) Le capteur de débit hydraulique n'étant pas fiable, on évalue le débit de turbinage à partir du volume Vol₁ du bac supérieur et du temps d'écoulement (s). Calculer le débit Q (m³/s)

e) Convertir la pression P en pascal sachant que 1 bar= 10⁵ Pa

III.5) Exploitation des résultats

a) Calculer la puissance hydraulique

P_hydraulique(W) = pression (Pa) x débit (m³/s)

b) Calculer la puissance électrique restituée par le générateur (alternateur)

P _électrique (W)= V₁.I₁

c) Calculez le rendement de turbinage.

d) Si on estime le rendement de l’alternateur égal à 0,8, déterminez le rendement de la turbine PELTON.