Questo articolo nasce dalla sollecitazione di un lettore che possiede un canale di derivazione da una diga dismessa.
Tipologie e Principi di Funzionamento
Esistono diverse configurazioni per le ruote idrauliche. In entrambi i casi l'acqua agisce sotto il centro della ruota, cosa che appunto porta ad avere diametri piuttosto grandi.
Ruote a Cassette
Queste ruote assomigliano alle turbine Pelton senza però la condotta forzata: in pratica si costruisce una condotta a pelo libero che fa cadere l'acqua sulle pale della ruota, la quale si muove per effetto dell'energia cinetica comunicata dall'acqua che cade e del peso del liquido contenuto nelle cassette. Questa soluzione è proponibile solo se la pendenza del letto del fiume è piuttosto grande ed è possibile intervenire con opere abbastanza importanti.
In genere non è necessario deviare tutta la portata, ma basta fare una derivazione più a monte e quindi costruire un canale, con pendenza ridotta, sino all'altezza della ruota. L'energia cinetica posseduta dalla corrente è meno importante del peso d'acqua nelle cassette e quindi la loro forma è essenziale: in particolare il profilo esterno deve essere tangente al vettore velocità dell'acqua e la cassetta seguente deve arrivare sotto il getto solo quando la precedente è piena.
L'energia (o il lavoro) ricavabile da una cassetta piena è facilmente calcolabile: detto P il peso dell'acqua contenuta e h la differenza di quota percorsa rimanendo piena, si ha L = P h [kg m]. Il momento motore massimo, detto R il raggio della ruota rispetto al baricentro della cassetta, vale semplicemente Mm = P R [kg m].
Per ricavare il lavoro utile prodotto dalla ruota occorre conoscere istante per istante il volume, e quindi il peso, di liquido contenuto in ciascuna cassetta e la differenza di quota percorsa. Il lavoro resistente è dovuto, oltre che alla resistenza dell'aria, all'attrito, al peso delle cassette in più in risalita, ecc. e anche al peso di acqua che rimane aderente, cioè l'acqua che bagna le cassette "vuote".
Considerazioni sul Numero di Pale
È importante notare che le pale non possono essere troppo numerose in quanto si disturbano fra loro al momento di entrare in acqua.
Calcolo della Potenza e Dimensionamento
Si supponga di voler macinare il Deflusso Minimo Vitale (DMV). Osservando la curva delle portate parrebbe che il DMV, se macinato, sarebbe utilizzabile per 260 gg, quindi avremmo 0,19/365x260=0,13+0,72=0,85 di volume medio annuale nell’ipotesi ruote (media su 365 gg). La briglia utilizzata ha un salto di 3,5 metri, quindi la potenza nominale di un impianto ivi collocato sarebbe 0,85x3,5x9,81=29 kW e vi si potrebbero collocare 2 ruote sovrapposte da 1,5 m.
Perciò, con salti elevati (volumi da macinare permettendo) si possono usare due ruote sovrapposte come schizzato a destra, cosa vantaggiosa quando il livello del fiume sale perché la ruota superiore non viene disturbata mentre quella inferiore, girando nell’altro senso, aiuta ad allontanare i detriti e ciò consente di tenere più bassa la ruota e recuperare ciò che si perde di salto per alimentare la ruota inferiore.
Dai dati esposti, per macinare 2 mc/s servono 5 ruote lunghe 3 metri (135x15=2025 l/s), 10 in totale.
Stima dei Costi
Di seguito una stima dei costi associati alla realizzazione di un impianto con ruota idraulica:
- Ruote in lamiera zincata da 2,5 mm (12.000 kg circa): circa 30.000 euro (per 10 ruote)
- Telai e griglie (circa 7.000 kg di ferro): circa 15.000 euro (VERIFICARE convenienza del ferro CORTEN, pare costi meno e resista di più del ferro zincato)
- Basamento in cemento armato (4x1x20= 80 mc x 200 = 16.000 euro) più lavori di scavo e sistemazione massi (4.000 euro): 20.000 euro in totale
- Alberi e cuscinetti: da definire
- Alternatore asincrono da 50 kW: circa 5.000 euro?
- Progetto: 10.000 euro
- Costi burocratici (la derivazione non esiste e l’impatto ambientale è veramente minimo): 10.000 euro
- Allacciamento in bassa tensione (ipotizzando entro 1 Km): 5.000 euro
- Altre spese: da definire
Si suppone anche di lasciare tutto in alveo (montaggio *pendolare* del moltiplicatore eccetera) e di usare asincrono + inverter (questo perché si vogliono sfruttare volumi molto variabili). VERIFICARE se è vero che oggi si può evitare il doppio inverter (“back to back” in gergo) uno per ottimizzare il generatore e l’altro verso la rete.
Parrebbe che sotto i 50 kW basti andare in Comune (VERIFICARE). In totale 25.000.
Considerazioni Finali sui Costi
Sembra una stima troppo ottimistica. Se anche troppo ottimistica, sembra che esaminare l’ipotesi con maggior accuratezza non sia una perdita di tempo.
Si noti che il ferro per una coclea equivalente dovrebbe essere complessivamente sui 5000 kg (VERIFICARE) mentre qui sarebbero circa 20.000 kg. Però si risparmia molto di cemento.
Comunque, come già detto, quello che conta è il costo per kWh prodotto più vantaggi-svantaggi di contorno (1-->13).
Importanza dei Cuscinetti
È quindi opportuno montare l'asse su robusti cuscinetti a sfere o a rulli con una ottima lubrificazione.
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