Lester Pelton e l'Invenzione della Turbina Idraulica Pelton
La turbina idraulica, un dispositivo ingegnoso che converte l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica rotatoria, rappresenta una pietra miliare nella storia dell'ingegneria e dello sfruttamento delle risorse naturali.
La sua invenzione e il suo continuo sviluppo hanno reso possibile la produzione di energia elettrica su larga scala, contribuendo in modo significativo al progresso industriale e al miglioramento della qualità della vita.
Radici Antiche: Dalla Ruota Idraulica alla Turbina
Sebbene la turbina idraulica, nella sua forma moderna, sia un'invenzione relativamente recente, le sue radici affondano nell'antichità.
La ruota idraulica, una forma primitiva di macchina idraulica, era già in uso in diverse civiltà, tra cui quella romana e quella cinese, per macinare il grano, segare il legname e svolgere altre attività che richiedevano forza motrice.
È, infatti, con l'invenzione della ruota idraulica, posta in fiumi e correnti, che trasformava l’energia cinetica in energia meccanica, che il movimento dell’acqua venne utilizzato presto e si diffuse dall'Asia Minore all'Impero Romano, antica Grecia e India.
La ruota idraulica, tuttavia, presentava dei limiti significativi. La sua efficienza era relativamente bassa e la sua capacità di sfruttare l'energia dell'acqua era limitata.
Inoltre, la ruota idraulica era adatta solo per siti con un flusso d'acqua costante e un dislivello modesto.
Il passaggio dalla ruota idraulica alla turbina idraulica ha rappresentato un salto qualitativo, reso possibile da una serie di innovazioni tecnologiche e da una migliore comprensione dei principi dell'idrodinamica.
Il XIX Secolo: Un'Era di Innovazione
Il XIX secolo è stato un periodo di intensa attività inventiva e di rapido progresso tecnologico. In questo contesto, diversi ingegneri e scienziati hanno contribuito allo sviluppo della turbina idraulica, introducendo nuove idee e perfezionando i progetti esistenti.
Benoît Fourneyron e la Turbina a Reazione
Uno dei pionieri della turbina idraulica è stato l'ingegnere francese Benoît Fourneyron, che nel 1827 brevettò una turbina a reazione.
La turbina di Fourneyron era caratterizzata da una ruota mobile con pale curve, all'interno della quale l'acqua fluiva radialmente, esercitando una forza sulle pale e facendola ruotare.
Questa turbina rappresentò un notevole miglioramento rispetto alle ruote idrauliche esistenti, offrendo una maggiore efficienza e la capacità di operare con salti d'acqua più elevati.
Jean-Victor Poncelet e la Turbina a Flusso Assiale
Un altro importante contributo allo sviluppo della turbina idraulica è stato fornito dall'ingegnere francese Jean-Victor Poncelet, che negli anni '20 dell'Ottocento progettò una turbina a flusso assiale.
Nella turbina di Poncelet, l'acqua fluiva parallelamente all'asse di rotazione della ruota, colpendo le pale con un angolo ottimizzato per massimizzare il trasferimento di energia.
Questa turbina si dimostrò particolarmente adatta per siti con bassi salti d'acqua e grandi portate.
James Francis e la Turbina Francis
Negli Stati Uniti, l'ingegnere James B. Francis sviluppò una turbina a reazione che combinava elementi dei progetti di Fourneyron e Poncelet.
La turbina Francis, brevettata nel 1849, era caratterizzata da una ruota mobile con pale curve a forma di cucchiaio, progettate per sfruttare sia l'energia di pressione che l'energia cinetica dell'acqua.
La turbina Francis si rivelò estremamente versatile e divenne rapidamente uno dei tipi di turbina idraulica più diffusi al mondo, grazie alla sua elevata efficienza e alla sua capacità di operare con una vasta gamma di salti d'acqua e portate.
Lester Pelton e la Turbina Pelton
Verso la fine del XIX secolo, l'inventore americano Lester Pelton sviluppò una turbina a impulso particolarmente adatta per siti con alti salti d'acqua e basse portate.
Nel 1880 venne brevettata la “ruota Pelton”, una turbina ad acqua a impulsi, opera del carpentiere statunitense Lester Allan Pelton.
La turbina Pelton, brevettata nel 1880, era caratterizzata da una ruota mobile con una serie di cucchiai (o palette) a forma di doppio emisfero, sui quali l'acqua veniva spruzzata da uno o più ugelli.
L'acqua, colpendo i cucchiai, veniva deviata e rallentata, trasferendo la sua energia cinetica alla ruota e facendola ruotare.
La turbina Pelton si dimostrò particolarmente efficace per la produzione di energia elettrica in regioni montuose con abbondanti risorse idriche.
La turbina Pelton fu inventata nel 1879 e, successivamente, brevettata nel 1880 da Lester Allan Pelton: Carpentiere e inventore Americano, considerato tutt’oggi uno dei padri fondatori dell’energia idro-elettrica.
La turbina Pelton è “particolare” in quanto, a differenza della Kaplan e Francis, ha la parte captatrice del fluido (zona di incisione fluido-macchina, in cui si ha il trasferimento dell’energia) non più a forma di pala, bensì a “doppio-cucchiaio“.
Inoltre, la turbina Pelton lavora trasformando l‘energia potenziale del fluido (dal bacino a monte della turbina) in energia cinetica senza variazioni di pressione.
Utilizza ugelli opportunamente progettati e disposti attorno alla turbina stessa. Per queste ragioni è definita la turbina “ad azione” con rendimento più elevato.
L’impiego di tale turbina riguarda alti valori di caduta: Ht > 400 m. Il valore di portata con cui lavora è abbastanza basso, all’incirca inferiori a 50 m³/s, generalmente utilizzata per bacini idroelettrici alpini (alta quota).
La turbina Pelton è definita “lenta” per via del basso valore di numero di giri caratteristico (Nc) : Nc < 60/70 giri.
Non è una turbina idraulica con distributore ad ammissione totale di fluido sulla girante, in quanto, a differenza della Francis, non è completamente investita dal fluido.
L’acqua scorre all’interno di un canale dal bacino a monte della turbina; successivamente viene deviato in uno (fig.1) o più getti (ugelli).
L’acqua scorre fino al distributore e mediante il dispositivo energetico (ugello) si converte l’energia potenziale e di pressione del fluido in energia cinetica, andando così ad incrementare la velocità di uscita dal getto.
Si ricorre alla spina e al suo sviluppo mediante un attuatore elettro-meccanico per differenziare le condizioni di esercizio della turbina in funzione della portata di fluido.
Allo stesso modo si utilizza un tegolo deviatore per mantenere costante il valore di incisione del fluido sul palettamento della turbina nelle varie condizioni di portata.
Una volta avvenuta la fase di trasferimento di energia dal fluido al palettamento, al fine di vincere l’inerzia alla rotazione della girante della turbina e mettere in moto la stessa, il fluido viene scaricato in bacini di raccolta.
Man mano che il fluido procede lungo il canale principale, il diametro si riduce per tener conto delle perdite distribuite di fluido e mantenere costante la velocità di percorrenza nell’intero sistema.
Il fluido, successivamente, verrà deviato in 4 getti (fig.2) andando ad incidere il palettamento nella direzione in grado di garantire massimo rendimento in funzione della portata volumetrica registrata all’uscita di ogni getto (regolazione per laminazione di spina e tegolo).
Ogni getto può essere regolato per laminazione indipendentemente dagli altri e ciò garantisce, inoltre, che il rendimento del singolo ugello sia svincolato da una caduta di rendimento degli ugelli precedenti o successivi ad esso.
Il sistema garantisce facilità nella regolazione.
La portata elaborata da macchine pluri-getto è pari a: V[m³/s]= (π*d^2*v*z)/4 Con v = velocità di ingresso e z = numero di ugelli a disposizione.
Nelle turbine pluri-getto l’alimentazione del singolo getto può essere interrotta. Si va a ridurre proporzionalmente la portata erogata dalla turbina, senza sensibili cadute di rendimento.
Questo processo è definito parzializzazione della portata.
Combinando gli effetti di parzializzazione e regolazione si possono ottenere molteplici campi d’esercizio della turbina in funzione della potenza erogata.
Viktor Kaplan e la Turbina Kaplan
La turbina Kaplan, fu inventata nel 1913 dal professore austriaco Viktor Kaplan. Costruttivamente è un'elica, e può essere a singola o doppia regolazione.
L’acqua giunge alla girante attraversando inizialmente una camera dalla particolare forma, che distribuisce l’intera portata sulla circonferenza del distributore, e quindi quest’ultimo, il quale ha la funzione di regolare il flusso smaltito ed imprime all’acqua una rotazione rispetto l’asse della girante.
L’acqua investe quindi assialmente le pale della girante, la quale trasforma l’energia idraulica in meccanica.
Il flusso attraversa quindi una parte divergente chiamata diffusore, la quale ha la funzione di recuperare gran parte dell’energia cinetica.
Le nostre turbine Kaplan possono essere installate su salti da 2 a 30 metri.
Principi di Funzionamento
Le turbine idrauliche, pur presentando diverse configurazioni e caratteristiche, si basano su principi di funzionamento comuni.
In generale, una turbina idraulica è costituita da una ruota mobile (o rotore) con pale o cucchiai, e da un sistema di condotti e ugelli che convogliano l'acqua verso la ruota.
L'acqua, fluendo attraverso la turbina, esercita una forza sulle pale o sui cucchiai, facendola ruotare e trasferendo la sua energia meccanica a un albero collegato a un generatore elettrico.
Esistono due tipi principali di turbine idrauliche: turbine a reazione e turbine a impulso.
Turbine a Reazione
Nelle turbine a reazione, come la turbina Francis, l'acqua fluisce attraverso la turbina subendo una variazione di pressione.
L'energia di pressione dell'acqua viene convertita in energia cinetica mentre l'acqua attraversa le pale della ruota, esercitando una forza che la fa ruotare.
Le turbine a reazione sono generalmente più efficienti delle turbine a impulso, ma sono più complesse da progettare e costruire.
Turbine a Impulso
Nelle turbine a impulso, come la turbina Pelton, l'acqua viene spruzzata ad alta velocità contro le pale della ruota attraverso uno o più ugelli.
L'acqua, colpendo le pale, trasferisce la sua energia cinetica alla ruota, facendola ruotare.
Le turbine a impulso sono più semplici da progettare e costruire rispetto alle turbine a reazione, ma sono meno efficienti.
Tipi di Turbine Idrauliche
- Turbine Pelton: Vengono utilizzate soprattutto nei bacini idroelettrici alpini, per salti d’acqua medio alti che vanno dai 50 ai 1200 metri. Il distributore a più getti consente la migliore regolazione della portata allo scopo di ottimizzare l’efficienza energetica dell’intera macchina.
- Turbine Francis: Sono molto diffuse e sfruttano il dislivello d’acqua compreso tra una decina e qualche centinaio di metri. Il distributore vero e proprio, solitamente con pale regolabili, indirizza invece l’acqua verso le palette della girante. In base alla potenza, possono essere considerate piccole, medie e grandi.
- Turbine Kaplan: Permettono numerose applicazioni, anche in settori molto diversi. Sono utilizzate in presenza di salti generalmente piccoli e fino a una cinquantina di metri, che può giungere fino a un centinaio di metri cubi al secondo. Possono essere costruite con l’asse verticale, orizzontale o inclinato, nonché in camera asciutta o bagnata.
- Turbine a Bulbo: Sono ricavate dalle turbine Kaplan e risultano molto più semplici. Vengono solitamente utilizzate su livelli di qualche metro.
- Turbine a Vite idraulica o Coclea: Sono conosciute anche come ruota di Archimede.
Innovazioni Recenti e Sviluppi Futuri
Lo sviluppo delle turbine idrauliche non si è fermato con le invenzioni del XIX secolo. Negli ultimi decenni, sono state introdotte numerose innovazioni per migliorare l'efficienza, la durata e l'affidabilità delle turbine idrauliche, e per adattarle a nuove applicazioni e a condizioni operative sempre più complesse.
Turbine a Velocità Variabile
Una delle innovazioni più significative è rappresentata dalle turbine a velocità variabile, che consentono di adattare la velocità di rotazione della turbina alle variazioni della portata e del carico elettrico.
Questo permette di massimizzare l'efficienza della turbina e di stabilizzare la rete elettrica.
Turbine Sommerse
Un'altra area di sviluppo è quella delle turbine sommerse, progettate per essere installate direttamente nel flusso dei fiumi o delle correnti marine, senza la necessità di costruire dighe o bacini di accumulo.
Queste turbine offrono un'alternativa più ecologica e meno invasiva per lo sfruttamento dell'energia idroelettrica.
Ottimizzazione del Design e dei Materiali
Inoltre, sono stati compiuti progressi significativi nell'ottimizzazione del design delle pale e dei condotti delle turbine, utilizzando tecniche di simulazione avanzate e materiali innovativi, come le leghe di titanio e i compositi in fibra di carbonio.
Questi miglioramenti consentono di aumentare l'efficienza delle turbine, ridurre le perdite di energia e prolungarne la durata.
Integrazione con le Fonti Rinnovabili
Infine, le turbine idrauliche stanno giocando un ruolo sempre più importante nell'integrazione delle fonti rinnovabili, come l'energia solare e l'energia eolica.
Le centrali idroelettriche possono essere utilizzate come sistemi di accumulo di energia, pompando l'acqua in un bacino di accumulo durante i periodi di eccesso di produzione di energia rinnovabile, e rilasciandola per generare elettricità durante i periodi di maggiore domanda.
Applicazioni e Impatto Sociale ed Economico
Le turbine idrauliche sono utilizzate in una vasta gamma di applicazioni, dalla produzione di energia elettrica su larga scala alla fornitura di energia per piccole comunità isolate.
Le centrali idroelettriche, alimentate da turbine idrauliche, rappresentano una fonte di energia pulita, rinnovabile e affidabile, che contribuisce alla riduzione delle emissioni di gas serra e alla lotta contro il cambiamento climatico.
Inoltre, le centrali idroelettriche possono svolgere un ruolo importante nella gestione delle risorse idriche, fornendo acqua per l'irrigazione, l'approvvigionamento idrico e la navigazione.
La costruzione di dighe e bacini di accumulo può anche contribuire alla prevenzione delle inondazioni e alla regolazione del flusso dei fiumi.
L'industria delle turbine idrauliche crea posti di lavoro e stimola lo sviluppo economico nelle regioni in cui sono installate le centrali idroelettriche.
Inoltre, la produzione di energia elettrica a basso costo può contribuire alla competitività delle imprese e al miglioramento della qualità della vita delle comunità locali.
Sviluppo del settore idroelettrico in Italia e in Europa
In Italia, la presenza di numerosi corsi d’acqua e la strutturale carenza di carbone come fonte energetica, fecero sì che, fin da subito, l’energia idroelettrica diventasse un’importante fonte di approvvigionamento energetico.
Ad oggi, l’energia ottenuta dalle centrali idroelettriche italiane copre il 15% dell’intera produzione nazionale e costituisce il 40% di quella pulita.
Il futuro dell’idroelettrico in Italia difficilmente sarà caratterizzato da grandi impianti, la cui costruzione è stata di fatto terminata dopo il 2000.
Tuttavia, l’Italia si colloca al quarto posto per energia idroelettrica generata in Europa, subito dopo Norvegia, Svezia e Francia.
Si ricorre sempre più al “mini” idroelettrico, rappresentato da impianti di taglia inferiore ai 500 kW, che hanno un minore impatto ambientale e necessitano di investimenti più contenuti rispetti alle centrali “classiche”.
Per sfruttare l’acqua producendo energia elettrica è necessario racchiuderla all’interno di un bacino idrico, di solito un lago artificiale protetto da una diga posta a monte che forma uno sbarramento che impedisce all'acqua di scendere a valle in modo naturale.
Come funziona una centrale idroelettrica?
L’energia idroelettrica si basa su due elementi essenziali: l’acqua (laghi, fiumi) e la forza di gravità.
Grazie al dislivello creato dal percorso delle condotte, l’acqua aumenta progressivamente la sua energia e, una volta nella centrale, mette in movimento le turbine che, collegate meccanicamente ad un alternatore, producono energia elettrica.
A quel punto l’elettricità viene fatta passare in un trasformatore, che abbassa l’intensità della corrente e innalza la tensione per favorirne l’immissione nella rete.
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