Gli impianti

Idroelettrici

Tecnologie delle Energie Rinnovabili

Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica,

Chimica e dei Materiali

Università degli Studi di Cagliari

daniele.cocco@unica.it

http://people.unica.it/danielecocco

A.A. 2014-2015

Lo schema di impianto

H0

Sezione di presa (obacino di monte)

Sezione di scarico(o bacino di valle)Centrale

Condottaforzata

Canale a pelolibero

Vasca dicarico

Pozzopiezometrico

1

2A S

L’idrogramma delle portate

0

2

4

6

8

10

12

1 22 43 64 85 106

127

148

169

190

211

232

253

274

295

316

337

358

Po

rtata

d'a

qu

a (

m3/s

)

Portata Deflusso minimo vitale Portata media

Figura 3.11 – Idrogramma delle portate di un corso d’acqua.

Il diagramma delle durate

0

2

4

6

8

10

12

7 28 49 70 91 112

133

154

175

196

217

238

259

280

301

322

343

364

Po

rtata

d'a

cq

ua (

m3/s

)

Portata Portata media Deflusso minimo vitale

Figura 3.13 – Diagramma delle durate.

Le opere di presa e la diga

Le opere di presa

La traversa

Le perdite alla presa

kB = fattore di ostruzione

= inclinazione griglia

b = spessore barra

a = luce fra le barre

cG = velocità dell’acqua

= angolo sulla corrente fluida

GRIGLIA

TRAVERSA

Condotta

Fiume

Figura 3.18 – Opere di presa.

g

csin

a

bsinKH G

BGD

2

2333,1

,

Le perdite alla presa

Il canale aperto

Le perdite nel canale aperto

i = pendenza canale

LCL = lunghezza canale

Tipo di canale N° di Manning

Canali in terra

Pulito 0,022

Ghiaia 0,025

Inerbito 0,030

Ciottoli, sassi 0,035

Canali artificiali rivestiti

Ottone 0,011

Acciaio saldato 0,012

Acciaio verniciato 0,014

Acciaio chiodato 0,015

Ghisa 0,013

Calcestruzzo lisciato accuratamente 0,012

Calcestruzzo non lisciato 0,014

Legno piallato 0,012

Mattonelle 0,014

Laterizio 0,015

Asfalto 0,016

Metallo corrugato 0,022

Muratura in breccia 0,025

Tabella 3.2 – Valori tipici del coefficiente di Manning.

CLCLD LiH ,

Sezione Area APerimetro

bagnato P

Raggio

idraulico R

Larghezza

del pelo

libero T

Altezza

media

D=A/T

Trapezia

semiesagonale1,73h

2 3,46h 0,500h 2,31h 0,750h

Rettangolare

semiquadrato2h

2 4h 0,500h 2h h

Triangolare

semiquadratoh

2 2,83h 0,354h 2h 0,500h2

13

2

CL iRAn

1Q

La condotta forzata

Le perdite nella condotta

CFCFe

cDR

f = fattore d’attrito (dall’abaco di Moody)

LCF = lunghezza condotta

DCF = diametro condotta

cCF = velocità dell’acqua f g

c

D

LfH CF

CF

CFCFD

2

2

,

Le altre perdite

g

cKH CF

JJD

2

2

, kJ = coefficiente di perdita

cCF = velocità dell’acqua

Elemento KJ

Imbocco a spigolo vivo 0,50

Imbocco raccordato 0,20-0,30

Sbocco in aria o sommerso 1,00

Curva a 90° con R/D=1 0,25-0,40

Curva a 90° con R/D=2 0,15-0,25

Curva a 90° con R/D=3 0,10-0,20

Valvola a saracinesca 0,15-0,20

Valvola a farfalla 0,60-0,70

Tabella 3.5 – Coefficiente di perdita di elementi di condotte idrauliche.

Ruote idrauliche

La ruota per di sotto: impulso della corrente

Ruote idrauliche

La ruota per di sopra: Peso dell’acqua

Fiumi come sistema di trasporto e distribuzione energia

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

Le turbine idrauliche

La turbina Pelton

La turbina Pelton

Acqua dalla condotta

A

Spina Doble

Getto

U

C0NU Hg2Hg2c

g

p

g2

cz

g

p

g2

cz U

2U

UA

2A

A

2,tU,tN2,tA,t HHHHH

g

p

g2

cz

g

p

g2

czH 2

22

2U

2U

UN

Velocità d’uscita dall’ugello

La turbina Francis

N

2D

N

Hg

2

cHg

R

R1Hg2c ND

Il grado di reazione R

La turbina Francis

La turbina Francis

La turbina Kaplan

La turbina Kaplan

La turbina Kaplan

Il rendimento di turbina

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Portata (Q/Qnominale)

0

20

40

60

80

100

Re

nd

ime

nto

(%

)

Pelton

Francis

Kaplan

Elica

Il rendimento di turbina

Il diffusore allo scarico

Bilancio energetico del diffusore

A

S

D

2

Generatore

Diffusore

TurbinaoreAcqua dalla

condotta

Bacino discarico

Figura 3.27 – Schema di installazione del diffusore in una turbina Francis.

DS,DD

2D

DS,tS

2S

S Hg

p

g2

czH

g

p

g2

cz

2D,D2

22

2D,tD

2D

D Hg

p

g2

czH

g

p

g2

cz

g2

cH;pp;0c

2D

2D,Datm22

DS,D

2Datm

2S,tS

2S

S Hg2

c

g

pzH

g

p

g2

cz

DS,D

2D

2S

2SatmS H

g2

cczz

g

p

g

p

g2

cc

Hg2

cc

2D

2S

DS,D

2D

2S

D

Bilancio energetico del diffusore

A

S

D

2

Generatore

Diffusore

TurbinaoreAcqua dalla

condotta

Bacino discarico

Figura 3.27 – Schema di installazione del diffusore in una turbina Francis.

DS,D

2D

2S

2SatmS H

g2

cczz

g

p

g

p

g2

cc

Hg2

cc

2D

2S

DS,D

2D

2S

D

g2

ccH

g

p

g

p 2D

2S

DscatmS

N

sc

vapatm

H

Hg

pp

Rischio cavitazione parametro del Thoma

La cavitazione nelle turbine

N

sc

vapatm

H

Hg

pp

Ncr

vapatm

sc Hg

ppH

sc

vapatm

cr

N Hg

pp1H

)( SCR f CR

Dimensionamento della turbina

M

M

Condizioni di massimorendimento

Famiglia diturbine XYZ

3Dn

Q

Coefficiente di portata

Dimensionamento della turbina

3Dn

Q

Coefficiente di portata

M

M

Coefficiente in

condizioni di massimo

Famiglia diturbine XYZ

22 Dn

Hg

Coefficiente di pressione

43

21

43

21

gH

QnnS

Numero di giri specifico

Dimensionamento della turbina

Turbina

Velocità specifica

Pelton

0,03-0,35

Francis

0,25-2,50

Kaplan

1,70-6,0

Elica

4,5-10,0

43

21

43

21

S

gH

Q

21

41

21

41

S

Q

gHDD

Velocità specifica Diametro specifico

Schemi di impianti

Schemi di impianti

Schemi di impianti

Schemi di impianti

Schemi di impianti

Schemi di impianti

Schemi di impianti

Schemi di impianti

Schemi di impianti

Schemi di impianti

Elementi di costo

0 500 1000 1500

Potenza turbina (kW)

400

600

800

1000

1200

1400

Costo

specific

o (€/k

W)

Pelton

Francis

Kaplan

Figura 3.33 – Costo specifico di investimento di alcune turbine idrauliche.

a) Turbina = 40 ÷ 50 % b) Condotte e opere civili = 20 ÷ 50 % c) Linee elettriche = 5 ÷ 20 % d) Progettazione e spese varie = 10 ÷ 30 %

Condotta forzata: 200-400 €/m

Investimento totale: da 1500 a 3500 €/kWe

Costo gestione e manutenzione annua: 3-5% del costo iniziale

Incentivi

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

2. 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