Gli impianti Idroelettrici

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1 Tecnologie delle Energie Rinnovabili Gli impianti Idroelettrici aniele Cocco ipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Università degli Studi di Cagliari daniele.cocco@unica.it A.A

2 Portate (Milioni di m 3 /giorno) 0.8 L idrogramma delle portate 0.6 Portata disponibile Portata Turbina Giorno

3 Portate (Milioni di m 3 /giorno) Il diagramma delle durate Portata disponibile Portata Turbina Giorno

4 Volumi (Milioni di m 3 ) Volumi defluiti Volume defluito Volume in turbina Giorno

5 Volumi (Milioni di m 3 ) I Volumi dell invaso 30 0 Prelievi dall'invaso Volume invaso Giorno

6 Lo schema di impianto Sezione di presa (o bacino di monte) Pozzo piezometrico 1 Vasca di carico 0 Canale a pelo libero Condotta forzata Centrale A S Sezione di scarico (o bacino di valle)

7 Le opere di presa e la diga

8 Le opere di presa La traversa

9 Le perdite alla presa Fiume TRAVERSA GRIGLIA Condotta Figura 3.18 Opere di presa. 1,333 b, K B sin sin a G c G g k B = fattore di ostruzione = inclinazione griglia b = spessore barra a = luce fra le barre c G = velocità dell acqua = angolo sulla corrente fluida

10 Le perdite alla presa

11 Il canale aperto

12 Le perdite nel canale aperto Tipo di canale N di Manning Canali in terra Pulito 0,0 Ghiaia 0,05 Inerbito 0,030 Ciottoli, sassi 0,035 Canali artificiali rivestiti Ottone 0,011 Acciaio saldato 0,01 Acciaio verniciato 0,014 Acciaio chiodato 0,015 Ghisa 0,013 Calcestruzzo lisciato accuratamente 0,01 Calcestruzzo non lisciato 0,014 Legno piallato 0,01 Mattonelle 0,014 Laterizio 0,015 Asfalto 0,016 Metallo corrugato 0,0 Muratura in breccia 0,05 Tabella 3. Valori tipici del coefficiente di Manning., CL i L CL i = pendenza canale L CL = lunghezza canale Q 1 n A CL R 3 i 1 Sezione Area A Trapezia semiesagonale Rettangolare semiquadrato Triangolare semiquadrato Perimetro bagnato P Raggio idraulico R Larghezza del pelo libero T Altezza media =A/T 1,73h 3,46h 0,500h,31h 0,750h h 4h 0,500h h h h,83h 0,354h h 0,500h

13 La condotta forzata

14 Le perdite nella condotta f LCF, f CF CF c CF g f = fattore d attrito (dall abaco di Moody) L CF = lunghezza condotta CF = diametro condotta c CF = velocità dell acqua R e CF c CF

15 Le perdite nella condotta

16 Le perdite nella condotta

17 Le altre perdite, J K J c CF g k J = coefficiente di perdita c CF = velocità dell acqua Elemento KJ Imbocco a spigolo vivo 0,50 Imbocco raccordato 0,0-0,30 Sbocco in aria o sommerso 1,00 Curva a 90 con R/=1 0,5-0,40 Curva a 90 con R/= 0,15-0,5 Curva a 90 con R/=3 0,10-0,0 Valvola a saracinesca 0,15-0,0 Valvola a farfalla 0,60-0,70 Tabella 3.5 Coefficiente di perdita di elementi di condotte idrauliche.

18 Ruote idrauliche La ruota per di sotto: impulso della corrente

19 Ruote idrauliche La ruota per di sopra: Peso dell acqua Fiumi come sistema di trasporto e distribuzione energia

20 Ruote idrauliche Seconda metà 18 secolo: esigenze nascente industria Bernoulli ed Eulero pongono le basi dell idraulica Le macchine idrauliche moderne sono quelle sviluppate fra il 1800 e il 1900: Francis, Kaplan e Pelton

21 Le turbine idrauliche

22 La turbina Pelton

23 La turbina Pelton Acqua dalla condotta A Spina oble Getto U C 0 N U g g c g p g c z g p g c z U U U A A A t, t,u N t,,a t g p g c z g p g c z U U U N Velocità d uscita dall ugello

24 La turbina Francis Il grado di reazione R R g N g N c c g N 1 R

25 La turbina Francis

26 La turbina Francis

27 La turbina Kaplan

28 La turbina Kaplan

29 La turbina Kaplan

30 imensionamento della turbina Condizioni di massimo rendimento M Famiglia di turbine XYZ M n Q 3 Coefficiente di portata

31 imensionamento della turbina n g Coefficiente in condizioni di massimo Coefficiente di pressione Famiglia di turbine XYZ M n S n Q 1 3 g 4 Numero di giri specifico n Q 3 M Coefficiente di portata

32 imensionamento della turbina S Turbina Velocità specifica Pelton 0,03-0,35 Francis 0,5-,50 Kaplan 1,70-6,0 Elica 4,5-10,0 Q 1 3 g 4 Velocità specifica S g Q iametro specifico

33 imensionamento della turbina

34 imensionamento della turbina

35 imensionamento della turbina

36 Rendimento (%) Il rendimento di turbina Pelton Francis Kaplan Elica Portata (Q/Q nominale )

37 Il rendimento di turbina

38 Il diffusore allo scarico

39 Bilancio energetico del diffusore A S Generatore iffusore Turbina Acqua dalla condotta Bacino di scarico Figura 3.7 Schema di installazione del diffusore in una turbina Francis.,S t,s S S S g p g c z g p g c z, t, g p g c z g p g c z g c ; p p ; 0 c, atm,s atm t,s S S S g c g p z g p g c z,s S S atm S g c c z z g p g p g c c g c c S,S S

40 Bilancio energetico del diffusore Acqua dalla condotta A Generatore Turbina S c S c g c S c g,s p S g p atm g c c S z S z,s g iffusore Bacino di scarico p S g p atm g sc c S c g Figura 3.7 Schema di installazione del diffusore in una turbina Francis. p atm p g vap N sc Rischio cavitazione parametro del Thoma

41 La cavitazione nelle turbine p atm p g vap N sc CR CR f ( S ) sc p atm p g vap cr N N 1 cr p atm p g vap sc

42 Schemi di impianti

43 Schemi di impianti

44 Schemi di impianti

45 Schemi di impianti

46 Schemi di impianti

47 Schemi di impianti

48 Schemi di impianti

49 Schemi di impianti

50 Schemi di impianti

51 Schemi di impianti

52 Costo specifico ( /kw) Elementi di costo a) Turbina = % b) Condotte e opere civili = 0 50 % c) Linee elettriche = 5 0 % d) Progettazione e spese varie = % 1400 Condotta forzata: /m 100 Investimento totale: da 1500 a 3500 /kwe Pelton Francis Kaplan Costo gestione e manutenzione annua: 3-5% del costo iniziale Potenza turbina (kw)

53 Incentivi

54 Impatto ambientale solo locale Nessuna emissione di sostanze inquinanti Nessuna emissione termica 1. Impatto acustico (turbina e moltiplicatore di giri <80 dba dentro la centrale) Isolare la centrale o installare macchinari più silenziosi. Impatto visivo (modifica del paesaggio) mascherare con alberi, pittura o interrando 3. Impatto sull ecosistema (cambiamento dell habitat della flora e della fauna fiume e ambiente circostante) garantire il MV creare percorsi preferenziali per i pesci