ENERGIA IDROELETTRICA

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1 ENERGIA IDROELETTRICA Francesco Martelli -David Chiaramonti Ultimo aiornamento: 3 Maio 13 Versione: 1..6 Pa. 1

2 Indice - 1 Aromenti: Impianti Idraulici Equazione eneria per macchine idrauliche Potenza e rendimenti Numero di iri specifico, classificazione Turbine Pelton Turbine Francis Turbine Kaplan Selezione macchine Pa.

3 Pa. 3 Introduzione Eneria idroelettrica Uso dell eneria dell acqua come forza motrice uno dei più antichi metodi di produzione di eneria Mulini, trattamento dei tessuti, irriazione, seherie, etc Fine XIX inizio XX secolo: inizio enerazione idroelettrica Produzione eneria su vasta scala Primo impianto in Italia: 189, Isoverde (Soc.Acquedotto de Ferrari Galliera Genova, tre centrali con potenza totale 1, kw Parallelamente, piccolo idroelettrico Al 1997 In Italia: circa 1,8 impianti, P installata circa, MW (di cui 15,3 MW da randi impianti di proprietà ENEL maiore interesse nel Piccolo Idroelettrico (SP: < 1 MWe La produzione di eneria si basa sui concetti di SALTO PORTATA

4 Confiurazioni Storiche Pa. 4

5 Eneria Idroelettrica in Italia Pa. 5

6 Schema introduttivo impianto idroelettrico Pa. 6

7 Schema introduttivo impianto idroelettrico Pa. 7

8 Equazione Eneria per macchine idrauliche L eq. dell eneria, con le consuete assunzioni sul volume di controllo, si scrive; Q W t V edv S ( e p c z c d A Assumendo: flusso stazionario, incomprimibile, uniforme (sez. 1 e si ha; Q W m p c p1 c1 e z m ( e1 z ( 1 G M Rioranizzando i termini tra la sez. 1 e si ha; p1 c1 p c m ( z m ( z m 1 ( e e1 Q W Pa. 8

9 Equazione Eneria per macchine idrauliche p1 c1 p c m ( z m ( z m 1 ( e e1 Q W L eq. dell eneria, così scritta, evidenzia i seuenti termini; m p1 c1 p c z1 m ( z ( m ( e e1 differenza in eneria meccanica Perdita di eneria, deradata in termica (irreversibile Q W variazione eneretica dovuta a scambio termico e lavoro Pa. 9

10 Equazione Eneria per macchine idrauliche Per un condotto od un fiume dove non ci sono macchine motrici (W=, Q= per unità di portata si ha ; p1 c1 p c ( z1 ( z Y Perdita Risulta comoda anche la scrittura in termini di salto eodetico =(z 1 -z p1 c1 p c Y ( e e1 ( ( Perdita Il salto eodetico è =(z 1 -z Pa. 1

11 Equazione Eneria per macchine idrauliche Per un condotto od un fiume dove non ci sono macchine motrici (W=, Q= per unità di portata si ha quindi usando il salto eodetico ; p1 c1 p c Y ( e e1 ( ( Perdita Per un condotto od un fiume senza macchine motrici e adiabatico(q=; p1 c1 p c Y ( e e1 ( ( Perdita e e1 f ( m ( l KQ da cui la pendenza idraulica : d dx K Q Pa. 11

12 Equazione Eneria per macchine idrauliche Per un condotto od un fiume con macchine motrici (Q=; p1 c1 p c ( z1 ( z la scrittura in termini di salto eodetico =(z 1 -z Y W p1 c1 p c ( ( Y W ( p 1 c 1 z 1 ( p c z W Y 1 ( 1 W Y Pa. 1

13 Equazione Eneria per macchine idrauliche Potenza estratta dal flusso h ( p c z e e P m h h e Pa. 13

14 Pa. 14 Dipartimento di Eneretica S.Stecco Equazione Eneria per macchine idrauliche Q Q m W m P ( W h W 1 ( e h h m P Potenza estratta dal flusso Se le perdite sono nulle Y= allora Ma se pressioni e velocità sono simili, allora c p c p ( ( 1 1 Y W ( 1

15 Equazione Eneria per macchine idrauliche Potenza estratta dal flusso p h ( c z e e Se le perdite non sono nulle Y= allora, come prima p1 c1 p ( ( Ma: c P m h h e h e 1 ( P m Potenza h m Q ( Q η è il rendimento dell intero sistema, e si compone di diversi fattori che riducono l eneria disponibile ai morsetti dell Alternatore Pa. 15

16 Produzione di Eneria: i rendimenti Se consideriamo un impianto idroelettrico come in fiura: Possiamo Distinuere due classi di rendimenti: Efficienza dalla sez.1 alla sez. A, ovvero riduzione della per le perdite nel tratto di adduzione alla Turbina: (opere presa, vasca carico, condotta forzata imp op vc cf Efficienza dei macchinari (sez A sez : m t mv en aux tra riduzione nella trasformazione net imp Pa. 16

17 Rendimento Globale RENDIMENTO GLOBALE DELLA CONVERSIONE ENERGETICA G = ( op vc cf ( t mv en tra aux Neli schemi a bassa caduta è possibile omettere la condotta in pressione cp = 1 Nei casi in cui non è presente il moltiplicatore di velocità mv = 1 Per piccole centrali G =.6.8, per microcentrali G =.5 RENDIMENTO della macchina Moltiplicatori di velocità Nella minidraulica l albero della turbina ruota a ~ 5 RPM moltiplicatore di velocità per raiunere i 1-15 RPM tipici dei eneratori di serie Perdita: il rendimento del moltiplicatore è attorno a % P mv = mv P Generatori Rendimento, per impianti di piccola talia, pari a 9-95 % Generatori asincroni (meno costosi: -4 punti % al di sotto di quelli sincroni P en = en P mv Perdite per trasformazione elettrica ed ausiliari P eff = tra aux P en Pa. 17

18 Il rendimento di turbina Condizioni nominali t = , a seconda della talia e del modello di turbina P = t net Q In reolazione prestazioni nettamente differenti a seconda del modello, t Pelton soddisfacente fino a portate ~ -5 % Q nom Francis per portate inferiori al 4-5 % Q nom risente di fenomeni di instabilità le prestazioni crollano in maniera drastica. Le turbine ad elica (sia le palette del distributore che quelle della irante non sono reolabili possono funzionare solo per portate prossime a quella di proetto Kaplan a doppia reolazione (oltre alla irante, anche il distributore è reolabile operano ad un efficienza prossima a quella massima per un vasto campo di portate, con una netta riduzione delle prestazioni solo quando la Q <.5 Q nom Kaplan con la sola irante reolabile Banki funziona in maniera accettabile finché Q >.4 Q nom efficienza massima inferiore rispetto a tutti li altri modelli, ma funzionano con un rendimento prossimo a quello massimo per un ampio campo di portate (fino a circa un sesto della portata nominale. Pa. 18

19 La potenza netta estraibile da un impianto risulta allora: Produzione di Eneria ( Potenza Netta Q G ( Potenza Netta [ kw] 9.81 Q G Pa. 19

20 Pa. Dipartimento di Eneretica S.Stecco Potenza idraulica disponibile Potenza potenza teorica che svilupperebbe un impianto idroelettrico se non ci fossero perdite di nessun tipo ( G = 1 riferita al salto lordo e ad una determinata portata utilizzata. [kw]p c = ( c Q c /1 Potenza nominale di concessione la potenza idraulica media teoricamente disponibile nell anno in relazione alla portata ed al salto di concessione dove: P c = potenza di concessione (kw D.L P c = ( c Q c /1 Q c = portata di concessione (l/s dove: P c = potenza di concessione (kw La potenza effettiva = di 1 un k/m impianto 3 = densità idroelettrico dell acqua dolce è P=f(portata d acqua utilizzata, salto utile netto, rendimento P = complessivo potenza (W dell impianto c = salto di concessione (m con rendimento che tena conto di tutte le perdite, da quelle relative = 1 alle k/mrilie 3 = densità del dell acqua meccanismo dolce di presa fino a quelle del eneratore elettrico. P = Q (W Q c = portata di concessione (m 3 /s P = potenza (W = 1 k/m 3 = densità dell acqua dolce = 9.81 m/s = accelerazione di ravità = rendimento complessivo della trasformazione = 1 k/m 3 = densità dell acqua dolce c = salto d i concessione (m = 9.81 m/s = accelerazione di ravità = rendimento complessivo della trasformazione = salto utile netto (m Q = portata effluente in turbina (m 3 /s

21 Potenza In enere P è espressa in kw e non in W P = Q (W P = Q (kw Talvolta, per semplicità, assumendo =.81 P = 8 Q (kw Potenza efficiente = la massima potenza sviluppabile dall impianto in reime continuo nelle più favorevoli condizioni di salto e di portata Supponendo il salto costante: P = Q max (kw Pa. 1

22 La risorsa - Portata Portata = volume d acqua che attraversa nell unità di tempo una sezione normale del corso stesso Si misura in m 3 /s e talvolta l/s Concessioni demaniali 1 MODULO = 1 l/s E variabile anche fortemente (es. reime torrentizio Se leata alla piovosità (es Italia : max in primavera ed autunno Se leata a sciolimento hiacciai: max inizio estate (min inverno Deflusso o Portata Interale V(t = T Q(tdt volume d acqua che attraversa una certa sezione del corso d acqua in un fissato intervallo di tempo (ad esempio un mese o un anno Portata Media [;T] Q med V(T T T 1 T Q(tdt Le informazioni relative alla Portata Media non sono però sufficienti per il dimensionamento dell impianto e la valutazione del potenziale tecnicamente sfruttabile del sito Pa.

23 La risorsa Curva di Durata Portata (m 3 /s B C E F A O Tempo (Giorni OA: Portata da lasciare defluire nel corso d acqua in qualsiasi iorno AB: Portata massima derivabile (in corrispondenza della quale l impianto sviluppa la sua massima potenza AE: Portata media utilizzata o portata di concessione D E necessario passare dall Idroramma alla Curva di Durata delle portate Flow Duration Curve FDC: tempo (o % di tempo in cui la Q è di un certo valore Deflusso Minimo Vitale (DMV L Analisi della FDC è il principale elemento per la proettazione dell impianto e la scelta della macchina idraulica Pa. 3

24 Portata (m 3 /s Q 1 = Portata nominale Valore di cut-off = 3 % Portata (m 3 /s Q = Portata nominale Valore di cut-off = 3 % Producibilità Q 1 A Area non utilizzabile Q E Area non utilizzabile D.3 Q 1 DMV B C D.3 Q DMV F G Tempo (Giorni Tempo (Giorni l area sottesa dalla curva di durata, meno il DMV, rappresenta il volume d acqua defluito durante l anno, e, dato un certo salto, risulta proporzionale all eneria teoricamente producibile dall impianto Ottimizzare la dimensione di impianto ha il duplice scopo di Ridurre il tempo durante il quale l impianto opera in reolazione (Q < Q nom Ridurre il costo di investimento Inoltre, le turbine operano sino a circa Q cut-off =.3 Q nom aumentare Q nom sinifica anche aumentare la Q cut-off a cui l impianto cessa di produrre Deve essere tenuto in considerazione il DMV Pa. 4

25 Eneria prodotta nel tempo [;T] : Producibilità T E(T = Q(t (t dt (J con Q(t in (m3/s, (t in (m (salto netto Indicando con V u (T il volume d acqua utile per la produzione di eneria (cioè il volume d acqua effettivamente defluito in turbina meno quello perso a causa dei fenomeni di dissipazione eneretica che si manifestano nella turbina, nel eneratore e neli altri componenti V u (T La producibilità di una centrale idroelettrica in un certo intervallo di tempo è la quantità massima di eneria elettrica che li apporti iunti alla presa dell impianto consentirebbero di produrre nelle condizioni più favorevoli. T Q(t (t dt Pa. 5

26 Eneria prodotta nel tempo [;T] : Producibilità con Q(t in (m3/s, (t in (m (salto netta La producibilità di una centrale idroelettrica in un certo intervallo di tempo è la quantità massima di eneria elettrica che li apporti iunti alla presa dell impianto consentirebbero di produrre nelle condizioni più favorevoli. E(T = V u (T E(T = [ V u (T]/36 (kj (kwh Se l intervallo di tempo in esame è un anno e l andamento Q(t è quello descritto da una FDC media riferita ad un numero di anni sufficientemente rande, allora E(T prende il nome di Producibilità media annua. Pa. 6

27 Impianti ad acqua fluente Impianti idroelettrici nessuna capacità di reolazione deli afflussi: la portata sfruttata coincide praticamente con quella disponibile nel corso d acqua, fino al limite consentito dalle opere di derivazione, non dimensionate per accettare i valori più elevati di portata (brevi periodi durante le piene Impianti a deflusso reolato invaso alla presa del corso d acqua allo scopo di adattare la portata utilizzata dalla centrale rispetto a quella del deflusso naturale in un certo arco di tempo Impianti a bacino modeste capacità d invaso: reolazione della portata su base per lo più iornaliera o settimanale Impianti a serbatoio muniti di capacità d invaso tali da consentire il trasferimento staionale di volumi idrici e quindi della relativa produzione Impianti di accumulazione mediante pompaio due serbatoi di estremità, ubicati a quote differenti e colleati mediante opere usuali alla tecnica idroelettrica assorbono dalla rete durante le ore di basso carico eneria prodotta da altra fonte (prevalentemente termica tradizionale, per restituirne una quantità minore, a causa delle perdite del ciclo, ma di preio maiore, in quanto fornita nelle ore di massima richiesta Pa. 7

28 Il macchinario idraulico All interno della Centrale si trovano i seuenti componenti principali Turbina idraulica Moltiplicatore di velocità Generatore elettrico Dispositivi di reolazione, comando e sicurezza Alcuni esempi di confiurazioni e macchine Pa. 8

29 Distributore Funzione Turbina idraulica: Componenti Distributore (orano fisso Girante (orano mobile Diffusore Indirizzare il flusso in arrivo alla irante Reolare la portata (reolazione = parzializzazione Trasformare, completamente od in parte, il carico piezometrico (eneria di pressione in eneria cinetica L eneria cinetica (V in/ con cui la portata arriva alla irante è di norma trascurabile rispetto ad All uscita del distributore l acqua si trova ad un carico piezometrico inferiore ad, ma in compenso ha assunto una velocità V out tale da mantenere praticamente costante il carico effettivo della corrente Quando la trasformazione da eneria potenziale ad eneria cinetica avviene nel distributore in modo completo, la turbina si dice ad azione, altrimenti viene detta a reazione. Nel caso di turbina ad azione : V out = ( (Velocità Torricelliana Turbine a reazione: = rado di reazione (1- = fraz. trasformata in en.cinetica nel distributore Trascurando le perdite di carico: = (V out / + Nelle turbine a reazione varia fra ~.3 (all uscita del distributore la corrente conserva quindi un carico residuo pari a.3 e ~.7 Girante (o Ruota Completa conversione dell eneria idraulica (cinetica + quota rimanente di eneria di pressione in eneria meccanica disponibile all albero Pa. 9

30 Eta Dipartimento di Eneretica S.Stecco P Numero di iri specifico Per una data confiurazione eometrica di macchina si può scrivere dalla Similitudine : f ( ( N D f ( P N N Q D 3 3 D 5 f p ( 1. Francis 1.9 Francis.8 Pelton Pa. 3 E per oni confiurazione caratterizzata da schemi eometrici diversi si possono avere le curve di fiura ; 1/ P Se per onuna di esse fissiamo il η max di conseuenza ns 5/ 4 ( abbiamo (Ψ,φ,P ott ed eliminando fra esse la Dimensione D, 1/ P si perviene al n s che caratterizza l ottimo per quella tipoloia! ns N 1/ 5/ 4 Fi (

31 Numero di iri specifico Un parametro fondamentale nello studio delle turbine idrauliche è il numero di iri specifico : n s n P 1/ 5 / 4 Numero di iri specifico Tale parametro è una variabile dimensionale (in oriine non lo è. Sinificato fisico: il numero di iri specifico è la velocità di rotazione necessaria per ottenere, con una turbina simile a quella in esame, la potenza unitaria con un dislivello (salto eodetico pari a 1m. Risulta identico per macchine simili. Caratterizza la tipoloia di turbina. Tipo di Turbina N S = velocità specifica N = velocità di rotazione della irante (in rpm = salto netto (m, salto eodetico disponibile Q = portata (m 3 /s P = potenza della turbina (in kw oppure P N S Potenza in P N S Potenza in kw Grado di reazione Pelton ad 1 etto Pelton a più etti (da a Francis lente Francis normali Francis veloci Francis ultraveloci Kaplan e modello ad elica Pa. 31

32 Classificazione Le turbine idrauliche sono macchine motrici che lavorano con acqua (fluido incomprimibile La loro classificazione viene basata sul numero di iri specifico n s e sul rado di reazione R. n s n P 1/ 5 / 4 Dove P è la potenza e è il salto eodetico disponibile Pa. 3