Gli impianti Idroelettrici
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1 Tecnologie delle Energie Rinnovabili Gli impianti Idroelettrici Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Università degli Studi di Cagliari daniele.cocco@unica.it A.A
2 Il Bacino Imbrifero
3 Le isoiete medie
4 Impianti nel sistema di fornitura dell acqua potabile
5 Impianti nel sistema di fornitura dell acqua potabile
6 Giorno L idrogramma medio 80 Portata giornaliera (m 3 /g)
7 L altezza d asta 5 4 Altezza d'asta (m) Giorno
8 La scala delle portate Altezza d'asta (m) Portata (m 3 /s)
9 Giorno L idrogramma medio 80 Portata giornaliera (m 3 /g) Portata media 0
10 Il diagramma delle durate Portata (m 3 /g) Giorno
11 Giorno Il deflusso minimo vitale (DMV) 16 Portata giornaliera (m 3 /g) Deflusso minimo vitale 0
12 0.8 L idrogramma delle portate Portate (Milioni di m 3 /giorno) Portata disponibile Portata Turbina Giorno
13 Il diagramma delle durate 0.8 Portate (Milioni di m 3 /giorno) Portata disponibile Portata Turbina Giorno
14 Volumi defluiti 100 Volumi (Milioni di m 3 ) Volume defluito Volume in turbina Giorno
15 I Volumi dell invaso 30 Volumi (Milioni di m 3 ) Prelievi dall'invaso Volume invaso Giorno
16 Lo schema di impianto Sezione di presa (o bacino di monte) Pozzo piezometrico 1 Vasca di carico H 0 Canale a pelo libero Condotta forzata Centrale A S Sezione di scarico (o bacino di valle)
17 Le opere di presa e la diga
18 Le opere di presa La traversa
19 Le perdite alla presa Fiume TRAVERSA GRIGLIA Condotta H Figura 3.18 Opere di presa. 1,333 b, K B sin sin a D 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
20 Le perdite alla presa
21 Il canale aperto
22 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. H D, CL i L CL i = pendenza canale L CL = lunghezza canale Q 1 n A CL R 3 i 1 Sezione Trapezia semiesagonale Rettangolare semiquadrato Triangolare semiquadrato Area A Perimetro bagnato P Raggio idraulico R Larghezza del pelo libero T Altezza media D=A/T 1,73h 3,46h 0,500h,31h 0,750h h 4h 0,500h h h h,83h 0,354h h 0,500h
23 La condotta forzata
24 Le perdite nella condotta f H LCF, f D D CF CF c CF g f = fattore d attrito (dall abaco di Moody) L CF = lunghezza condotta D CF = diametro condotta c CF = velocità dell acqua R e D CF c CF
25 Le perdite nella condotta
26 Le perdite nella condotta
27 Le altre perdite H, K J D 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/D=1 0,5-0,40 Curva a 90 con R/D= 0,15-0,5 Curva a 90 con R/D=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.
28 Ruote idrauliche La ruota per di sotto: impulso della corrente
29 Ruote idrauliche La ruota per di sopra: Peso dell acqua Fiumi come sistema di trasporto e distribuzione energia
30 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
31 Le turbine idrauliche
32 La turbina Pelton
33 La turbina Pelton Acqua dalla condotta A Spina Doble Getto U C 0 N U H g H 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 H H H H H g p g c z g p g c z H U U U N Velocità d uscita dall ugello
34 La turbina Francis Il grado di reazione R R g H N g H N c D c D g H N 1 R
35 La turbina Francis
36 La turbina Francis
37 La turbina Francis
38 La turbina Francis
39 La turbina Kaplan
40 La turbina Kaplan
41 La turbina Kaplan
42 Dimensionamento della turbina Condizioni di massimo rendimento M Famiglia di turbine XYZ n Q 3 D M Coefficiente di portata
43 Dimensionamento della turbina n g H D Coefficiente in condizioni di massimo Coefficiente di pressione Famiglia di turbine XYZ M n S n Q 1 3 gh 4 Numero di giri specifico n Q 3 D M Coefficiente di portata
44 Dimensionamento 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 gh 4 Velocità specifica D S D gh Q Diametro specifico
45 Dimensionamento della turbina
46 Dimensionamento della turbina
47 Dimensionamento della turbina
48 Dimensionamento della turbina
49 Dimensionamento della turbina
50 Il rendimento di turbina Rendimento (%) Pelton Francis Kaplan Elica Portata (Q/Q nominale )
51 Il rendimento di turbina
52 Il diffusore allo scarico
53 Bilancio energetico del diffusore A S D Generatore Diffusore Turbina Acqua dalla condotta Bacino di scarico Figura 3.7 Schema di installazione del diffusore in una turbina Francis. D D,S D D D t,s S S S H g p g c z H g p g c z D,D t,d D D D H g p g c z H g p g c z g c H ; p p ; 0 c D D,D atm D D,S D atm t,s S S S H g c g p z H g p g c z D D,S D S S atm S H g c c z z g p g p g c c H g c c D S D D,S D S D
54 Bilancio energetico del diffusore Acqua dalla condotta A Generatore S Turbina D p S g p atm g c c S D zs z HD,SD g Diffusore Bacino di scarico S atm Figura 3.7 Schema di installazione del diffusore in una turbina Francis. p atm p g H vap N H sc p g p g H sc D c S c g D Rischio cavitazione parametro del Thoma
55 La cavitazione nelle turbine p atm p g H vap N H sc CR CR f ( S ) H sc p atm p g vap cr H N H N 1 cr p atm p g vap H sc
56 Dimensionamento della turbina
57 Dimensionamento della turbina
58 Schemi di impianti
59 Schemi di impianti
60 Schemi di impianti
61 Schemi di impianti
62 Schemi di impianti
63 Schemi di impianti
64 Schemi di impianti
65 Schemi di impianti
66 Schemi di impianti
67 Schemi di impianti
68 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 Costo specifico ( /kw) Pelton Francis Kaplan Costo gestione e manutenzione annua: 3-5% del costo iniziale Potenza turbina (kw)
69 Incentivi
70 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 MDV creare percorsi preferenziali per i pesci
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