Rendimento Idraulico delle Turbine: Definizione e Calcolo
Il rendimento idraulico di una turbina riveste sicuramente una grande importanza nella produzione di energia idroelettrica. Questo articolo esplora in dettaglio la definizione e il calcolo del rendimento idraulico delle turbine, fornendo informazioni utili per la progettazione e la gestione di impianti mini-idroelettrici.
Definizione di Portata
La portata Q di un fluido è definita come la quantità di questo fluido che attraversa una certa sezione in un determinato intervallo di tempo:
Q = v · S [m³/s]
In questo caso, 'v' rappresenta la velocità del fluido in [m/s] misurata mentre attraversa la sezione S in [m²].
Metodi di Misurazione della Portata
La misurazione della portata è fondamentale per valutare il potenziale energetico di una risorsa idrica. Esistono diversi metodi per misurare la portata, a seconda del tipo di corso d'acqua:
- Condotta forzata: In questo caso, si ha un tubo definito da un diametro nominale DN, che permette di sapere con esattezza la sezione di passaggio del fluido.
- Torrente/fiumiciattolo/rigagnolo: In questo caso, la sezione non è ben determinata poiché la superficie bagnata dal fluido risulta irregolare a causa di rocce, rami e altri ostacoli naturali.
- Condotta: In questi casi bisogna munirsi di un recipiente di capienza nota. L’ideale sarebbe avere un rubinetto con cui dare un inizio e una fine precisi alla misurazione. Avendo anche le dimensioni della condotta è possibile anche conoscere la velocità di deflusso dell’acqua.
- Canale: Conoscendo le misure di altezza del profilo di acqua e la larghezza del canale è possibile risalire alla portata. Munirsi di un oggetto che galleggi e posarlo al punto A; con un cronometro misurare il tempo impiegato dall’oggetto per raggiungere B, posto ad una distanza nota e scelta a priori nel realizzare la struttura. In questo modo avremo le dimensioni per calcolare la sezione e la velocità dell’acqua.
- Torrente: In questo caso per misurare si può optare per il cosidetto stramazzo. Esistono vari tipi di stramazzi, questo rappresentato viene chiamato triangolare in parete sottile ad angolo retto.
Scelta della Turbina e Parametri Operativi
La scelta della turbina più appropriata dipende dai parametri operativi specifici del sito, come la portata e il salto idraulico. Nel contesto del micro-idroelettrico, è importante considerare che non viene presa in considerazione una portata sotto i 10 litri al secondo contemporaneamente ad un salto inferiore ai 2 metri.
Nota la potenza teorica estraibile è immediata la scelta dei componenti necessari alla progettazione di un impianto mini-idroelettrico.
Tipi di Turbine
Esistono diversi tipi di turbine idrauliche, ognuna adatta a specifiche condizioni di portata e salto:
- Turbine ad elica, adatte per impianti a bassa o bassissima caduta (fino a 20 - 30 m).
- Kaplan.
Componenti di un Impianto Mini-Idroelettrico
Un tipico impianto mini-idroelettrico comprende diversi componenti chiave:
- Presa d'acqua: La cui cielo è protetto da una griglia metallica per favorirne l'autopulitura.
- Vasca di carico: Che svolge anche la funzione di dissabbiatore, del volume di 20 m circa, ricavata nelle immediate vicinanze della presa.
- Condotta forzata: Realizzata in materiale bituminoso.
Considerazioni Economiche e Ambientali
La realizzazione di un impianto mini-idroelettrico comporta diverse considerazioni economiche e ambientali:
- Costi di esercizio e di manutenzione estremamente bassi.
- Necessità della concessione alla derivazione di acque pubbliche.
- Valutazione delle risorse ambientali disponibili.
- Conformità alle normative legislative, tecniche e ambientali.
- Autorizzazioni del Genio Civile che deve esaminare il progetto dell'impianto.
- Considerazioni ambientali nel caso di installazione in una zona soggetta a vincoli ambientali.
- Valutazione di sterri edili previste nel progetto.
Esempi di Applicazione
Gli impianti mini-idroelettrici possono essere utilizzati per diverse applicazioni:
- Fabbisogno energetico di borgate o da aziende agricole, artigianali e industriali vere e proprie.
- Utilizzo diretto dell'energia prodotta dagli apparecchi utilizzatori in resistenze che riscaldano aria o acqua.
- Funzionamento in parallelo a una rete elettrica esistente.
- Impianti irrigui, industriali, di depurazione e per acquedotti pubblici o privati.
Esempio di Impianto Mini-Idroelettrico
Un esempio di impianto mini-idroelettrico è quello situato in località Cascinale, con un salto di 88 metri ed una portata media di 100 l/s. La produzione è ottenuta per mezzo di macchina asincrona per una potenza massima di 110 kW. La quota eccedente viene ceduta in media tensione nella ree di distribuzione ENEL.
Gestione e Controllo
La gestione e il controllo di un impianto mini-idroelettrico possono essere automatizzati, con sistemi che regolano la turbina rispetto alle variazioni di portata e garantiscono il funzionamento in parallelo ad altre unità generatrici.
Esempi di Potenza Resa
Di seguito alcuni esempi di potenza resa in diverse applicazioni:
| Applicazione | Potenza Resa |
|---|---|
| Cascinale | Potenza resa P = 150 W c.c. |
| Invertitore a onda quadra c.c. 24 V/c.a. circolazione impianto di riscaldamento c.a. | Potenza resa P = 1,8 kW c.a. |
| Apparecchi installati c.a. | Potenza resa P = 3,5 kW c.a. |
| Apparecchi installati c.a. | Potenza resa P = 15 kW c.a. |
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