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 Area A Trapezia semiesagonale Rettangolare semiquadrato Triangolare semiquadrato 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 D, 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/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 Kaplan

38 La turbina Kaplan

39 La turbina Kaplan

40 Dimensionamento della turbina Condizioni di massimo rendimento M Famiglia di turbine XYZ n Q 3 D M Coefficiente di portata

41 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

42 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

43 Dimensionamento della turbina

44 Dimensionamento della turbina

45 Dimensionamento della turbina

46 Dimensionamento della turbina

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

48 Il rendimento di turbina

49 Il diffusore allo scarico

50 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

51 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

52 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

53 Schemi di impianti

54 Schemi di impianti

55 Schemi di impianti

56 Schemi di impianti

57 Schemi di impianti

58 Schemi di impianti

59 Schemi di impianti

60 Schemi di impianti

61 Schemi di impianti

62 Schemi di impianti

63 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)

64 Incentivi

65 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