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.
Evoluzione Storica e Tecnologica
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.
Generatori e Accoppiamenti Cinematici
I generatori dell’impianto erano di tipo polifase, ciascuno erogante 5000 HP (3700 kW) a 25 Hz e prodotti da Westinghouse Electric, basandosi sui progetti di Nikola Tesla e Benjamin G.
A tale scopo, la standardizzazione dei relativi componenti elettromeccanici esige l’uniformità nell’attuazione della limitazione della coppia, trasmessa dalla turbina al generatore.
Calcolo della Potenza e Classificazione degli Impianti
P = Q .H . 9,81 . ht . L’energia annuale prodotta da un impianto viene espressa in Mwh.
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.
Problematiche e Soluzioni
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.
Tipologie di Turbine Idrauliche
I principali tipi di turbine sono la turbina Kaplan , la turbina Francis e la turbina Pelton. 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. Anche la turbina Francis viene realizzata in configurazione orizzontale o verticale.
Turbina Pelton e Turgo
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.
Turbina Ossberger®
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.
Supporto alla Progettazione
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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