Sistemi Energetici - Appunti e Domande

GENERATORI DA FONTE RINNOVABILE

Energia idroelettrica

Una centrale idroelettrica può essere composta da uno sbarramento, detto diga, che permette la creazione di un

bacino idrico, chiamato bacino a monte. La chiave è disporre di un dislivello lungo il quale si fa scorrere una

condotta, detta condotta forzata, che porta l’acqua ad una turbina idraulica. La turbina ha all’uscita un elemento

diffusore che permette all’acqua di andare nel bacino a valle. Il successo di questo sistema è il dislivello tra il pelo

.

libero del bacino a monte e quello del bacino a valle che possiamo indicare con Questa è una sorgente di energia

rinnovabile e programmabile, perché gestendo le paratie sul bacino a monte possiamo decidere quando produrre

energia elettrica. ̇

= ̇ ∙ = ∙

La potenza idraulica, quella disponibile alla conversione in energia elettrica:

La turbina idraulica ha un’architettura completamente diversa rispetto a quella delle turbine a gas o a vapore.

Una centrale di questo tipo ha bisogno di caratteristiche naturali opportune per poter essere realizzata. Diventa

necessario disporre di un dislivello naturale e contemporaneamente avere la presenza di un corso d’acqua. Solo se

queste due condizioni sono verificate si può iniziare a pensare di realizzare una diga, opera complessa, la condotta

forzata, opera complessa che può arrivare a centinaia di metri. In Italia le grandi centrali idroelettriche si trovano

nell’arco alpino.

: rendimento interno della turbina idraulica

: rendimento della condotta forzata che può avere perdite di carico

: rendimento meccanico

: rendimento dell’alternatore

: rendimento della centrale

= ∙ ∙ ∙ ∙ = ∙ = ∙

Le centrali idroelettriche possono essere classificate sotto diversi punti divista.

( > 200 ),

Uno dei modi è distinguerle per il loro dislivello. Centrali ad alta caduta media caduta, bassa caduta.

(10 ),

Oppure per potenza prodotta. Centrali ad alta potenza

(1 − 10 ), (< 1 )

media potenza mini-centrali o micro-

(< 1 ).

centrale

È importante la classificazione tra impianti a bacino, con sbarramento

e impianti ad acqua fluente, linee idro elettriche che lavoro su linee

d’acqua che non prevedono la creazione di un bacino a monte. Nei

secondi la fonte non è più programmabile, di fatto di usa per dislivelli

particolarmente contenuti. Sono soggetti a delle variazioni stagionali

perché dipendono dalla portata di acqua del fiume da cui dipendono.

Capire come sono fatte le turbine idrauliche. È utile fare il grafico

̇

dell’altezza del bacino in funzione della portata volumetrica . Si

osserva che in generale ad alta quota la portata dei ruscelli/fiumi

sono piccole, mentre è più semplice trovare fiumi con grandi portate

a bassa quota (ex. il Po è in pianura). I dislivelli sfruttabili vanno da

3

0 − 2000 , 0.5 − 400 /.

le portate da Difficilmente si può

pensare che una macchina possa affrontare adeguatamente

situazioni così diversificate. Pertanto, si distinguono tre principali

turbine idrauliche.

Pelton: adatta ad alti dislivelli e basse portate.

Francis: adatta a gestire salti minori e portate maggiori.

Kaplan (ad elica): più bassi salti geodetici e portate grandi.

Ci sono dei punti di intersezione tra i campi di utilizzo di queste

tipologie di turbine. 45

Turbina Pelton

Come tutte le turbine idrauliche possono essere analizzate e distinte considerando due elementi principali, il

distributore e la girante. Partiamo da uno schema di riferimento dove c’è una ruota (ruota Pelton) composta da una

serie di pale, libera di ruotare in aria. Questa ruota viene investita da un getto di acqua che proviene dalla condotta

forzata. Alla flangia si aggiunge un elemento chiamato distributore, e una parte finale detta bocchello. È in grado di

realizzare un getto d’acqua che colpisce le pale della ruota Pelton e la mette in movimento.

All’interno del distributore è presente un

elemento detto spina double, che è

utilizzata per regolare il flusso d’acqua dal

distributore al bocchello.

Il distributore converte l’energia di pressione

in energia cinetica, la ruota l’energia cinetica

in energia meccanica, quindi rotazione

dell’albero sul quale è calettato anche

l’alternatore per la generazione di energia

elettrica.

La pala della ruota Pelton è indicata come

cucchiaia.

Si può applicare l’equazione generalizzata

0 1

del moto dei fluidi tra le sezioni e a

monte e valle del distributore. La sezione ha

un restringimento.

Equazione generalizzata del moto dei fluidi si applica tra la sezione di ingresso e di uscita di un condotto. L’equazione

dice che l’energia complessivamente non può variare ma eventualmente può solo cambiare forma.

La somma della variazione di energia cinetica, la variazione di energia potenziale, la variazione di energia di

pressione, la variazione, le perdite e la variazione di lavoro deve essere nulla. Ci può però essere una conversione

dell’energia in una forma diversa. 2 02

− −

1 0

1

+ + + + = 0 → + =0 → + =0

2

0 1 = 0, = 0,

Tra la sezione e non ci sono elementi mobili, quindi è tutto sullo stesso asse possiamo inoltre

ritenere le perdite trascurabili perché è un tratto molto piccolo rispetto alla lunghezza complessiva della condotta

= 0.

forzata Integro i termini rimasti e uso il pedice per indicare che consideriamo il valore teorico (siccome

stiamo trascurando le perdite).

L’altezza del getto va tenuta leggermente più alta del pelo libero dell’acqua del bacino a valle. Le pale non possono

toccare l’acqua, altrimenti verrebbero frenate. Una parte dell’altezza non può essere sfruttata. Questa altezza la

chiamiamo (altezza persa).

Si può pensare alle perdite come un fenomeno che riduce il battente idrostatico di un’altezza .

2 02 2 02

− − − −

0 0

) )

+ ( − + + = 0 → + ( − − + =0

0 0

2 2

Sottraendo membro a membro le due equazioni

2 02

− +

1 0

1 + =0 2 2

− −

2 1

1 )

→ − ( − − + =0

2 02 2

− +

0

)

+ ( − − + =0

2

{

2

/2 è la velocità con cui si abbassa il livello man mano che l’acqua esce dalla condotta forzata. La differenza tra

l’area del bacino e l’area della sezione della condotta forzata è di diversi ordini di grandezza. 46

≅ 0,

Quindi il valore di data l’ampia superficie del bacino. La differenza tra il dislivello reale dei due bacini, il fatto

che l’asse del getto non può essere a livello del pelo libero, e l’altezza equivalente alle perdite nella condotta forzata

le mettiamo in . Allora la velocità ci uscita dipende solo dal dislivello.

2

1 2

= → = √2

1

2

La differenza tra le turbine Francis e Kaplan e le Pelton sta nel fatto che per queste parte dell’energia di pressione

viene convertita in cinetica dal distributore, un’altra parte viene convertita dalla girante stessa. In questo caso la

girante fa parte del lavoro che dovrebbe fare il distributore, per questo vengono dette a reazione. Infatti, non sono

libere di ruotare in aria ma sono completamente immerse nel flusso di acqua. Questo caratterizza in maniera molto

forte queste macchine soprattutto quando andranno a lavorare fuori dal punto di progetto, ovvero della portata

specifica per cui sono state progettate.

La ruota Pelton è caratterizzata dalle pale a cucchiaia che vengono colpite da un getto di acqua in uscita dal

distributore. La parte finale della condotta forzata può avere delle curve che comportano delle perdite di carico. Il

distributore contiene al suo interno la spina double, che può avanzare in direzione orizzontale e ha il compito di

regolare la portata d’acqua controllata dall’esterno. La ruota Pelton deve essere posizionata sopra il pelo libero

dell’acqua, per questo c’è un’altezza persa che riduce il salto geodetico.

Nel dettaglio il distributore regola la portata di fatto restringendo la luce in uscita muovendo il meccanismo della

spina double. La portata dipende dall’area di passaggio. Non dipende dalla velocità che invece è influenzata solo dal

salto geodetico. C’è anche l’elemento del tegolo che viene utilizzato quando è necessario un rapido distacco del

carico, ovvero una rapida interruzione dell’energia elettrica prodotta dalla macchina. Se dovessimo interrompere

istantaneamente la produzione di energia elettrica dovremmo portare avanti la spina double ad ostruire

completamente la luce di uscita. Un avanzamento repentino della spina double creerebbe un’onda di pressione

opposta dovuta all’inerzia dell’acqua che sta scorrendo e genererebbe un incremento delle pressioni nella condotta

forzata portando al colpo di ariete, che potrebbe danneggiare la condotta forzata, va assolutamente evitato.

È necessario quindi un avanzamento progressivo della spina double, che va in contrasto con la possibilità di

interrompere immediatamente la produzione. Così viene usato il tegolo, che viene spostato in modo da interposto

tra l’uscita del distributore e la ruota Pelton. Così si interrompe subito l’impatto del getto sulla ruota,

contestualmente la spina double avanzerà con l’opportuna velocità a chiudere la luce al distributore. Una certa

portata d’acqua viene comunque persa.

La ruota continuerebbe a ruotare per inerzia. Siccome va fermata nei tempi più rapidi possibili, si genera un condotto

di bypass che porta ad un getto secondario che genera un getto frenante che colpisce il dorso delle pale e

contribuisce a fermare il pr