Conversione dell'Energia e Fonti Rinnovabili

Centrali idroelettriche

Premesse e definizioni

Teorema di Bernoulli

mg (h + _p/^γ + ^v2/_2g) = cost

h + _p/^γ + ^v2/_2g = cost riferito all'unità di peso.

• h: traiettoria della particella fluida
• h + _p/^γ: linea piezometrica
• h + _p/^γ + ^v2/_2g: retta dei carichi idraulici o totali

P = γ・Q・H E = H・mg

sapendo che γ = 1000 [^kgf/_m³] = 9810 [^N/_m³]

P = 9.81・Q・H [kW] Potenza teorica

dove Q = portata [^m3/_s] (teorica) H = salto teorico [^m]

Impianto idroelettrico

Insieme delle opere che:

• permettono di modificare il deflusso naturale delle acque di un fiume o di un torrente, allo scopo di deviarle per un certo tratto su un nuovo percorso, con minima pendenza e minime perdite, al termine del quale si trova concentrato tutto il salto;
• utilizzano il salto per azionare un motore idraulico con relativo generatore elettrico;
• scaricano la portata utilizzata nell’alveo dello stesso corso d’acqua a valle del punto di presa oppure nell’alveo di un altro corso d’acqua.

Pe = 9,81·η_c·η_t·η_g·Q·H [kW]

dove η_c = rendimento condotte forzate η_t = rendimento motori idraulici η_g = rendimento generatore elettrico

Considerando η = η_c·η_t·η_g ≈ 0,8

Pe ≈ 8·Q·H [kW]

Elementi costitutivi di un impianto idreo

1. Opere di captazione

   sono anche definite opere di sbarramento e servono per raccogliere le acque necessarie ad alimentare l’impianto. Sono ad esempio : dighe, canali di gronda, paratoie ecc.;

2. Opere di presa

   servono per immettere acqua nel canale derivatore. Sono dotate di organi di chiusura e regolazione e, quando poste a fianco dei corsi d’acqua, di dispositivi per lo sghiaiamento e dissabbiamento;

Dimensionamento di un impianto ad acqua fluente

Potendo usare una qualsiasi Q_tra la magra assoluta e massima di piena, il dimensionamento di questi impianti viene fatto su una particolare Q*

Portata che massimizza i ricavi

Schemi tipici di impianti idroelettrici

Impianti in pressione con condotte forzate

Opere di presa

Organi di chiusura

Valvole di sicurezza

Impianti direttamente connessi a diga di ritenuta

Dotata di griglie per impedire l’aspirazione di sediment_i.

Canale di scarico

Valvola a farfalla

Impianti a pelo libero con condotte forzate

Serbatoi di scarsa capacità

Questo tipo di impianti non si presta ad essere abbinato a serbatoi di notevole capacità.

Sono molto poco usati.

D = diametro interno della tubazione

S = spessore della tubazione

Le forme costruttive tipiche sono:

a) POZZO CILINDRICO:

adatto per gallerie di breve lunghezza, con modeste portate e con limitate escursioni di livello nel serbatoio.

max oscillazione

min oscillazione

GALLERIA DI DERIVAZIONE IN PRESSIONE

CONDOTTA FORZATA

b) POZZO A CAMERE:

questo genere di pozzo è di impiego ormai per impianti con serbatoio ed è conveniente soprattutto in impianti che abbiano forti escursioni di livello alla presa.

max oscillazione

min oscillazione

CAMERA SUPERIORE

CAMERA INFERIORE

livello statico

c) VASCA DIFFERENZIALE:

max oscillazione

min oscillazione

LUCI: l'acqua ritorna nel pozzo tramite questi sfiatatori

CAMERA SUPERIORE

CAMERA INFERIORE

Condotte forzate

Sono nella grande maggioranza dei casi metalliche; quelle in cemento armato possono essere applicate per pressioni massime di 5 ÷ 7 [kg/cm²]. Possono essere installate all'aperto, in galleria o incorporate nella roccia. Vengono installate, se all'aperto, su selle d'appoggio e vengono raccordate nei punti di cambiamento della direzione da vertici fissati al terreno con blocchi di ancoraggio in calcestruzzo.

Turbine a reazione

a) TURBINA FRANCIS:

Sono costituite da un DISTRIBUTORE PALETTATO che sostituisce quello di tipo Doble delle Pelton. L'inclinazione delle Q può essere variata per modificare la Q. La velocità relativa dell'acqua W deve sempre essere tangente alle pale della girante per massimizzare il rendimento.

H_o = SALTO UTILE NETTO

η = ¹⁄_{g · Ho} (u₁v₁cosα₁-u₂v₂cosα₂)

Equazione di Eulero

Per massimizzare η → cosα₂=0 ⇒ α₂=90° bisogna sagomare le pale in uscita in modo tale che α₂=30°

Questa formula del rendimento vale nell'ipotesi che Ec sia integralmente recuperata. A tal proposito lo scarico nel canale viene effettuato tramite un tubo divergente detto DIFFUSORE.

Il diffuso ha la doppia funzione di recuperare la quota fra la macchina e il canale di scarico e di recuperare l'Ec posseduta dall'acqua all'uscita della girante. Essendo per parte immerso nell'acqua e trovandosi al suo interno una depressione (al massimo di 1 [atm] negativa) e totalmente riempito d'acqua (massimale teorico di 10,33 [m.d.c.a]). Questo permette di richiamare parte del liquido nella girante recuperando così Ec.

W_y = Energia elettrica resa in fase di generazione

W_a = Energia elettrica assorbita in fase di pompaggio

M_T = η trasformatore

M_M = η alternatore funzionante come motore

Il vantaggio sta nel fatto che durante il pompaggio si utilizza energia meno pregiata (durante il funzionamento a basso carico).

a) GRUPPI TERNARI:

• dove alternatore, turbina e pompa sono disposti sullo stesso asse.
• Per l’avviamento:
  • accoppiamento del giunto;
  • recupero d’acqua della pompa (con valvola condotta chiusa);
  • avviamento gruppo con la turbina;
  • sincronizzazione e parallelo con la rete;
  • chiusura turbina;
  • alternatore ⟶ motore sincrono;
  • apertura valvola e inizio pompaggio;
• Per la disattivazione:
  • chiusura valvola a monte della pompa con motore ≈ a metà carico;
  • apertura interruttore e frenata gruppo;
  • distacco del giunto ed avviamento turbina.

b) GRUPPI BINARI:

si hanno alternatore ed una turbina reversibile (turbina-pompa, non possono essere usate le Pelton, si usano le Francis multistadio). Il gruppo passa da una fase all’altra tramite un gioco di sezionatori.

Centrali maremotrici

Sfruttano il dislivello tra alta e bassa marea. Uno dei più grandi impianti maremotrici esistenti al mondo è stato inaugurato nel 1966 sulla foce del fiume La Rance, nel nord-est della Bretagna, vicino a Saint-Malo. Questo estuario ha un’ampiezza di marea di 8,4[m] (13,5[m] durante gli equinozi). È costituito da 24 gruppi bulbo ad asse orizzontale da 10[MW] ciascuno.

le centrali a carbone hanno un rendimento lordo del 41% circa.

Nella pratica però si usa il:

CONSUMO SPECIFICO

Calorie spese per produrre -1 kWh.

Al diminuire del carico diminuisce aumenta c.s.

CONTROLLO DEL CONSUMO SPECIFICO:

I parametri che influiscono sul c.s. sono cosi classificati:

a) PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LE CONDIZIONI DI VAPORE IN TURBINA:

• pressione vapore all’ammissione P_sh;
• temperatura vapore all’ammissione T_sh;
• temperatura vapore alla ri ammissione T_rh;
• pressione assoluta nel condensatore P_sc.

b) PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO IL CONSUMO DEGLI AUSILIARI ELETTRICI:

• Potenza assorbita dagli ausiliari di unità P_a.

c) PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO LO STATO DEL CICLO CONDENSATO-ALIMENTO:

• differenza di temperatura acqua alimento Δ_ap tra ingresso ECO ed ingresso DEG;
• differenza di temperatura condensa Δ_tb tra ingresso DEG e mandata PEC.

d) PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO IL FUNZIONAMENTO DEL GDV:

• differenza di temperatura Δ_tag tra i gas ad uscita del riscaldatore dell’aria (PRA) e l’aria secca mandata del ventilatore;
• differenza di temperatura Δ_tag dell’aria tra l’ingresso e l’uscita del riscaldatore d’aria a vapore;
• Percentuale di O₂ nei gas a monte del PRA;
• Rientrata d’aria percentuale dai PRA.

e) PARAMETRI CHE INDIVIDUANO “ALTRE CAUSE” DI SCOSTAMENTO:

• Portata totale d’acqua Q_d di attemperamento RH;
• Portata d’acqua di integrazione Q_i;
• Percentuale incombusti I_c nelle ceneri leggere (solo nel caso di funzionamento con combustibili solidi).