Gli impianti Idroelettrici - Università di...
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Gli impianti
Idroelettrici
Tecnologie delle Energie Rinnovabili
Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica,
Chimica e dei Materiali
Università degli Studi di Cagliari
http://people.unica.it/danielecocco
A.A. 2015-2016
L’idrogramma delle portate
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Giorno
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Port
ate
(M
ilio
ni d
i m
3/g
iorn
o)
Portata disponibile
Portata Turbina
Il diagramma delle durate
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Giorno
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Port
ate
(M
ilio
ni d
i m
3/g
iorn
o)
Portata disponibile
Portata Turbina
Volumi defluiti
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Giorno
0
20
40
60
80
100
Vo
lum
i (M
ilio
ni d
i m
3)
Volume defluito
Volume in turbina
I Volumi dell’invaso
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Giorno
-10
0
10
20
30
Vo
lum
i (M
ilio
ni d
i m
3)
Prelievi dall'invaso
Volume invaso
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
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 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
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 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
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
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
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
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
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
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