Dimensionamento e Calcolo di una Coclea Idraulica
L'energia idraulica viene sfruttata da circa 2000 anni. Sia i Greci che i Romani hanno utilizzato i mulini ad acqua per l’irrigazione e la macinazione del grano. Fino all’avvento del motore a vapore, i piccoli impianti ad energia idraulica (sotto forma di mulini ad acqua) sono stati la principale sorgente di forza motrice in tutto il mondo. I mulini ad acqua costituirono la principale sorgente di potenza motrice fino al 1712, anno in cui Newcomen sviluppò con successo il primo motore a vapore.
Risalente agli inizi del IV secolo d. C. e con una potenza stimata di circa 16 kW, tale complesso ha rappresentato la più grande sorgente di potenza motrice nel mondo antico. Lo step successivo è stato così quello di considerare la turbina collegata all’albero di un generatore elettrico.
Alle precedenti esigenze si sommano anche quelle connesse alle conseguenze delle mutazioni climatiche, oggetto della ratifica di una serie di accordi internazionali, a partire dal vertice sulla Terra di Rio del 1992 e passando per il protocollo di Kyoto (1997) fino all’accordo di Parigi (2015).
La classificazione degli impianti idroelettrici in base alle dimensioni è materia controversa, e non è facile pervenire a definizioni univoche: una convenzione diffusa considera “mini-idroelettrici” tutti gli impianti con potenza pari o inferire a 30 MW, ma opera un’ulteriore suddivisione fra impianti piccoli, mini propriamente detti e micro. Gli impianti Mini Hydro e Small Hydro vengono dimensionati considerando portate massime Q nel range compreso tra 1 m3/s e 100 m3/s.
Calcolo della Potenza
La potenza di un impianto idroelettrico è calcolata tramite la seguente formula:
P = Q .H . 9,81 . ht
Dove:
- P è la potenza in kW
- Q è la portata in m3/s
- H è il salto in metri
- ht è il rendimento della turbina
Ciò consente, successivamente, il dimensionamento di tutte le infrastrutture, necessarie a convogliare il flusso alla turbina alla più alta pressione possibile. L’energia annuale prodotta da un impianto viene espressa in MWh.
Componenti e Tecnologie
A tale scopo, la standardizzazione dei relativi componenti elettromeccanici esige l’uniformità nell’attuazione della limitazione della coppia, trasmessa dalla turbina al generatore. Il colpo d’ariete è una sovrappressione che si genera in una condotta, quando il fluido subisce un brusco rallentamento o l’arresto.
E’ fondamentale mitigare tale fenomeno nella condizione critica di operatività del gruppo turbina-generatore: il funzionamento a pieno carico.
I principali tipi di turbine sono la turbina Kaplan , la turbina Francis e la turbina Pelton. Di seguito, viene mostrata una moderna turbina Francis (turbina a reazione). Anche la turbina Francis viene realizzata in configurazione orizzontale o verticale.
Di solito una turbina Francis viene realizzata separata dall’albero del generatore, al quale va accoppiata tramite giunti ad elastomero e ad alta capacità di smorzamento, al fine di diminuire giochi angolari e vibrazioni. Di seguito viene proposta una moderna turbina Pelton (turbina ad azione). Un’evoluzione della turbina Pelton è la turbina Turgo, che ha un numero di giri caratteristico più alto ed una capacità di portata maggiore a parità di diametro.
Questa tipologia di turbina ad azione, viene realizzata esclusivamente in configurazioni compatte turbina - generatore. Essa costituisce una valida alternativa alla turbina a bulbo ed alla Francis.
Nella turbina a bulbo, inoltre, risulta fondamentale l’utilizzo di soluzioni di accoppiamento cinematico affidabili e torsionalmente rigide.
La turbina Ossberger® è una turbina a flusso radiale con ammissione parziale, nella quale le pale del distributore generano un getto d’acqua a sezione rettangolare. Tale distributore è anche suddiviso in due sezioni (per cui si parla di turbina Ossberger® a due compartimenti), al fine di garantire un ottimo rendimento per portate variabili da quella minima a quella massima di progetto, come mostrato nel diagramma a lato. Tale tipo di turbina a gravità, viene impiegato in tutti quei contesti dove sono disponibili salti molto bassi e dove l’economicità dell’impianto, il minimo impatto ambientale e la lunga durata sono fattori di primaria importanza.
Il collegamento della turbina all’albero del generatore può essere realizzato sia con trasmissione a cinghia che con opportuni accoppiamenti cinematici.
Un’attività complessa come la progettazione nell’ambito degli impianti mini idroelettrici, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti.
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