Centrali idroelettriche, tesina

Istituto Tecnico Tecnologico

“Michelangelo Buonarroti”

Zentile Andrea

Classe 5Elb

Le centrali idroelettriche

Corso: Elettrotecnica ed automazione

Esami di stato anno scolastico 2012/2013 1

Indice

Energy pag. 3

Tipi di centrale pag. 4

Opere idrauliche pag. 4

Bacino imbrifero pag. 4

Opere di sbarramento pag. 5

Opere di presa pag. 6

Opere di derivazione pag. 7

Opere di carico pag. 7

Condotte forzate pag. 8

Turbine pag. 9

Pelton pag. 9

Francis pag. 10

Kaplan pag. 11

Cavitazione pag. 13

Generatore sincrono pag. 14

Centrali di generazione e pompaggio pag. 18

Sistemi di sicurezza pag. 18

Protezione del generatore pag. 20

Protezione differenziale pag. 20

Protezione di terra statorica pag. 21

Protezione di terra rotorica pag. 21

Sistemi di controllo pag. 22

Centrale idroelettrica di Santa Massenza pag. 23

Elettricità e seconda rivoluzione industriale pag. 25

Bibliografia pag. 27 2

In questa tesina vengono esposte le parti componenti una centrale idroelettrica e il suo principio di

riguardante l’energia in lingua inglese. Dopo

funzionamento. La tesina è introdotta da un paragrafo

di che si affrontano le opere idrauliche necessarie al funzionamento della centrale. Poi si passa ai

vari tipi di turbina e infine all’alternatore. Nell’ultima parte ci si collega alla seconda rivoluzione

periodo storico nel quale si scopre l’energia idroelettrica. La tesina vuole dare una

industriale,

visione generale su come si produce l’energia nelle centrali idroelettriche e sul generatore sincrono.

Energy

Energy is necessary to human life and it is a fundamental element of social and economic

development. Thanks to electric energy man can produce the goods he needs to live. Through its

exploitation in industry energy allows the transformation of raw materials into products or final

goods. The main uses of electricity are industrial uses, trains and domestic uses (lighting and

appliances).

Energy sources are unequally distributed on the Earth; in fact, the richest countries consume ¾ of

the total available energy sources. More than 70% of the poorest countries have only wood to rely

on as source of energy. And this is one of the main causes of deforestation. The production of

electricity is connected with two main problems: pollution and the depletion of fossil sources. The

pollution caused by man and his activities gave rise to the ozone depletion. The ozone layer in the

stratosphere filters out ultraviolet radiation absorbing UV-B and UV-C rays which are dangerous

for our body. In addition, pollution increases the greenhouse effect, causing the continuous increase

of temperature on our planet. The second problem is the depletion of fossil sources on our planet.

Producing electricity means transforming the energy available in other forms into electrical energy.

In the energy transformation process part of the initial energy is dissipated and therefore the energy

produced is less than the one available at the beginning. We can identify two types of production

processes:

• Direct, when you don’t pass through other forms of energy;
• Indirect, when production occurs through several stages and energy changes into one or more

forms.

The primary energy sources can be divided into two categories: renewable sources and non-

renewable sources. Non-renewable sources take millions of years to be available again. They are

oil, coal, methane and uranium. Oil is a hydrocarbon compound. It develops under the earth’s

surface for the decomposition of sea organisms and plants. The oil formation is a phenomenon that

began millions of years ago, when there was an abundant sea life, and it continues today. Coal and

natural gases are formed similarly, and they also need millions of years to form. Fossil energy

sources taking millions of year to be renewed, so they can not be considered renewable. Because

once you have exhausted these sources you will have to find an alternative solution. The solution is

to use renewable energy sources. The availability of renewable energy sources is restored by natural

events. Renewable energy sources are sun, water and wind. These sources are unlimited but their

exploitation need expensive devices, for example photovoltaic cells. So renewable source are

unlimited, do not pollute the environment but are expensive. Nowadays, most of the energy

produced comes from limited sources, mainly from fossil fuel, which covers about 90% of the

world needs. A fossil fuel power stations burns the fuel producing heat, that makes water boil

producing superheated high-pressure steam. This is channelled in a turbine which makes a generator

work. The combustion of fuel produces polluting gases, mainly carbon dioxide. The use and

consumption of energy grows constantly even thought the sources where this energy comes from

have changed in recent years.

In 2005, 15% of the electricity produced in the world was generated in hydroelectric plants. These

plants have less environmental impact than others, the main advantage of using this type of energy

is that it is unlimited, cheaper and requires no fuel.

Le centrali idroelettriche sfruttano l’energia potenziale di posizione delle masse d’acqua. L’energia

totale relativa all’unità di peso del liquido espressa dal trinomio di Bernulli è detto anche prevalenza

ed essa tiene conto dell’altezza geodetica (energia unitaria potenziale di posizione), dell’altezza

piezometrica (energia unitaria potenziale di pressione) e dell’altezza cinetica (energia cinetica

unitaria). Nelle centrali idroelettriche l’energia dell’acqua è trasformata in energia meccanica e poi

in energia elettrica.

L’acqua imbocca le condotte forzate possedendo principalmente energia

di posizione. All’uscita delle condotte

potenziale la velocità non è variata di molto, mentre il

l’energia posseduta

dislivello compiuto si è trasformato in un aumento di pressione quindi

dall’acqua è principalmente energia potenziale di pressione. Nelle condotte forzate si trasforma

l’energia potenziale di posizione in energia potenziale di pressione, ma in realtà le condotte forzate

presentano una piccola diminuzione della sezione nel percorso verso valle, che comporta quindi un

minimo aumento della velocità del fluido. In seguito l’energia potenziale di pressione viene

trasformata in energia cinetica nelle turbine, e sempre in quest’ultime in energia meccanica di

rotazione. L’energia è trasmessa all’alternatore che la converte in energia elettrica.

Tipi di centrale

Le centrali idroelettriche si possono classificare in due categorie fondamentali:

• Centrali ad acqua fluente
• Centrali a serbatoio

Le centrali ad acqua fluente sfruttano la portata di un corso d’acqua tra due punti fra cui esiste un

naturale dislivello, senza la creazione di barriere se non quelle necessarie per la derivazione

dell’acqua. L’acqua viene derivata in un punto a monte dal quale viene portata al bacino di carico

mediante un canale derivatore, convogliata nelle condotte forzate e infine scaricata in un punto più a

valle.

Le centrali a serbatoio si basano sulla creazione di un invaso di elevata capacità, realizzato

mediante una diga che forma un lago artificiale. Sono presenti due tipi di centrale a serbatoio:

addossata alla diga, per corsi d’acqua con elevati valori di portata dove non è necessaria una grande

caduta; ad alta caduta, per le centrali con serbatoio in quota e impianti a valle. Le centrali a

serbatoio consentono un certo grado di libertà nel loro esercizio rispetto alla portata affluente nel

serbatoio e perciò sono adatte a coprire le punte dei diagrammi di carico.

Opere idrauliche

Bacino imbrifero

Il bacino imbrifero di un corso d’acqua è quella parte di territorio che concorre, grazie alle

precipitazioni che cadono su di esso, ad alimentarlo. La sua superficie dipende dalle caratteristiche

morfologiche del terreno. Non tutta l’acqua che precipita su una certa zona va ad alimentare il

fiume, in parte l’acqua si disperde: il coefficiente di deflusso considera questo fatto, dovuto

all’evaporazione e all’impermeabilità del terreno.

Opere di sbarramento

Le opere di sbarramento sono dei manufatti destinati ad intercettare il corso d’acqua nella località

prescelta per la presa; si distinguono due tipologie di opere che differiscono principalmente per le

loro dimensioni: le dighe e le traverse. Le dighe sono costruite per le centrali a serbatoio. Sono

quelle opere di maggior altezza che, oltre ad intercettare il corso d’acqua, creano un serbatoio utile

ai fini della regolazione delle portate. Possono raggiungere anche altezze di alcune centinaia di

metri. Le dighe possono essere realizzate in calcestruzzo oppure in materiali sciolti. Creano il

bacino artificiale e devono resistere a forti spinte idrostatiche. A seconda della costruzione vi sono:

• Dighe a gravità: nelle quali la resistenza è affidata al peso dell’opera e ai taglioni di

fissaggio contro lo scorrimento;

• Dighe ad arco: la spinta idrostatica è sopportata dai vincoli laterali, ottenuti incastrando i

fianchi della diga nella roccia.

Diga ad arco

Le traverse sono quelle opere di modesta altezza che, in genere, contengono il sopraelevamento del

livello d’acqua a monte di esse entro i limiti dell’alveo del fiume. Sono impiegate nelle centrali ad

acqua fluente. Hanno altezze che possono raggiungere al massimo la decina di metri. Possono

essere del tipo fisso o mobile, a seconda della configurazione dell’alveo, delle portate massime del

corso d’acqua e di quelle derivabili e della necessità di evitare, durante le piene, rigurgiti eccessivi e

pericolosi a monte dell’opera. Le traverse fisse sono realizzate in muratura o in cemento armato e

sono destinate ad essere tracimate dall’acqua nel caso di piena o portate superiori a quelle derivabili

dall’impianto, per questo sono solitamente sagomate opportunamente per evitare fenomeni erosivi.

Le traverse mobili hanno una parte fissa, realizzata in muratura o cemento armato ed una parte

mobile (detta paratoia), solitamente in acciaio.

Traversa

Opere di presa

Le opere di presa sono quel complesso di manufatti ed apparecchiature che consentono l’effettiva

captazione di una portata stabilita: sono costituite dall’imbocco dell’acqua.

Le opere di presa sono di due tipi: a pelo libero e in pressione.

Le opere di presa a pelo libero sono tipiche degli impianti di derivazione di centrali ad acqua

fluente; mentre le opere di presa in pressione sono in genere applicate nelle centrali dotate di

serbatoio.

Nelle opere di presa a pelo libero le bocche di presa, dotate di paratoie, si trovano immediatamente

a monte della traversa; e una serie di griglie consente di trattenere il materiale solido più grossolano.

Dopo le griglie esiste in genere un bacino di decantazione per il deposito delle sabbie.

Opera di presa a pelo libero 6

Le opere da presa in pressione sono tipiche delle derivazioni da serbatoio. Sono costituite da una

bocca di presa munita di griglia che normalmente si raccorda con un condotto in pressione. A valle

del raccordo tra bocca e condotto sono sistemati gli organi di intercettazione, valvole o paratoie.

La bocca di presa deve essere sistemata al di sotto del livello di minimo invaso, in modo che il suo

bordo superiore sia sempre sottoposto ad un certo carico d’acqua, per evitare aspirazioni d’aria.

Deve comunque essere ad una certa altezza dal fondo per evitare che venga ostruita dai detriti. La

regolazione della portata avviene mediante paratoie mobili. La presenza di griglie evita l’adduzione

di corpi solidi di grandi dimensioni.

Opera di presa in pressione

Opere di derivazione

Le opere di derivazione sono costituite dal canale di derivazione che ha una duplice funzione,

porta l’acqua dall’opera di presa all’inizio delle condotte forzate e vista la bassa pendenza serve

anche per il deposito dei residui solidi.

Il canale di derivazione può essere a pelo libero o in pressione. Nei canali a pelo libero la superficie

dell’acqua è a contatto con l’atmosfera: le condotte possono scorrere all’aperto oppure in gallerie la

cui sezione trasversale è soltanto parzialmente occupata dall’acqua; questa quindi presenta una

superficie (pelo libero) a contatto con l’acqua soggetta alla pressione atmosferica.

Nei canali in pressione l’acqua occupa l’intera sezione del canale stesso: il condotto è costituito da

un tubo metallico o in calcestruzzo capace di resistere alle pressioni interne dovute all’acqua.

Opere di carico

Le opere di carico costituiscono la parte terminale del canale di derivazione e a queste si innestano

le condotte forzate che alimentano le turbine. Le opere di carico sono il bacino di carico per gli

impianti ad acqua fluente e il pozzo piezometrico per le centrali a serbatoio.

Questa differenziazione è dovuta al diverso comportamento dei due sistemi (canale a pelo libero e

condotte forzate) in fase di cambiamento del regime del moto. Se si ha un cambiamento del regime

imposto dal carico in centrale il canale a pelo libero riesce a adeguarvisi in un tempo molto lungo,

mentre la condotta in pressione potrà passare prontamente al nuovo regime, anche se a costo di

notevolissime e rapide variazioni della pressione (colpo d’ariete).