Progettazione di un impianto mini-idroelettrico; Studio della turbina Area progetto a.s. 2010/2011 Progettazione di un impianto mini-idroelettrico; Studio della turbina

Che cosa sono le turbine? A cosa servono? Le turbine sono macchine idrauliche che utilizzano direttamente l’energia cinetica del fluido derivata indirettamente dal dislivello geodetico naturale o creato artificialmente che conferisce alla massa liquida una energia potenziale di posizione. Esse hanno quindi il compito di trasformare l’energia cinetica dell’acqua in energia meccanica che sarà poi trasformata in energia elettrica da un alternatore.

Analizziamo i concetti di: Potenza Rendimento Numero di giri caratteristico

La potenza Il rendimento 𝜂= 𝜂 𝑖 ∗ 𝜂 𝑣 ∗ 𝜂 𝑚 𝑊 𝑑 =𝛾𝑄𝐻 (𝑘𝑔𝑚/𝑠) La potenza disponibile in una macchina idraulica viene calcolata mediante la seguente formula: 𝑊 𝑑 =𝛾𝑄𝐻 (𝑘𝑔𝑚/𝑠) Il rendimento Il rendimento di una macchina idraulica è dato dalla moltiplicazione dei vari rendimenti della macchina (idraulico, volumetrico, meccanico) ed è dato dalla formula: 𝜂= 𝜂 𝑖 ∗ 𝜂 𝑣 ∗ 𝜂 𝑚

Il numero di giri caratteristico Il numero di giri caratteristico è un parametro che fornisce le condizioni di similitudine di funzionamento per due macchine dello stesso tipo ma di dimensionamento diverso. Esso è dato dalla seguente formula: 𝑛 𝑐 = 𝑛 𝑃 𝐻 5 4

Numero di giri caratteristico nc Turbine a elica e Kaplan   Tipo di turbina Numero di giri caratteristico nc Dislivello H (m) Pelton 1 getto 17 - 30 300 - 2000 2 getti 17 - 42 4 getti 24 - 60 Francis Lenta 60 - 100 400 - 240 normale 100 - 200 240 - 90 veloce 200 - 300 300 - 400 90 - 50 50 - 40 Turbine a elica e Kaplan 400 - 600 30 - 18 600 - 800 18 - 10 800 - 1000 10 - 5

La ruota Pelton

Le turbine PELTON sfruttano salti elevati e portate d’acqua anche piccole; orientativamente H=300 – 2000m e Q< 20m³/s La girante: è formata da una serie di palettature a doppio cucchiaio, ogni pala è dotata di un coltello centrale che ha il compito di dividere il getto in due correnti che lambiscono le superfici interne della pala. Il distributore: chiamato spina double è formato da spina a sezione variabile sistemata nel centro dell’ugello.

La girante

La spina double

Turbina Francis

Caratteristiche fondamentali la turbina Francis è una turbina a reazione è impiegata per salti medi e bassi e portate più elevate della Pelton il distributore circonda la girante ed è formato da palette inclinabili assialmente collegate fra loro in modo da poterle comandare con un unico comando e in maniera sincronizzata.

Il distributore

Turbina Kaplan

Caratteristiche fondamentali turbina a reazione utilizzata per bassi salti e portate elevate numero di giri caratteristico molto alto metodo di regolazione analogo alla Francis però nelle Kaplan si possono inclinare anche le palette della girante così da avere una regolazione più ampia.

Il distributore

Dimensionamento della turbina Premessa: Al momento della scelta della turbina abbiamo optato per una Kaplan ad asse verticale dal momento che abbiamo disponibile un salto utile (distanza dal pelo libero dell’acqua all’asse della turbina) molto basso, dettato dal fatto che il nostro progetto è realizzato per un impianto mini-idroelettrico; di conseguenza avremo anche una portata limitata e molto variabile, dal momento che è caratteristica nota dei torrenti presenti sul nostro territorio.

Parametri scelti: Numero di giri della turbina n: 250 [ 𝑔 1′ ] Portata massima 𝑸 𝒎𝒂𝒙 : 2[ 𝑚³ 𝑠 ] Portata media 𝑸 𝒎𝒆𝒅 : 1,5[ 𝑚³ 𝑠 ] Salto utile h: 3,7 [m]

Grafico delle portate annuali

Conclusioni e ringraziamenti La difficoltà principale incontrata in questa area di progetto è stata il reperimento di un libro dove fosse descritto il dimensionamento della turbina Kaplan, dal momento che la maggioranza dei libri in commercio non lo tratta o ne parla in maniera superficiale, approfondendo di più le turbine Pelton e Francis. Il materiale è stato reperito in internet e su libri di testo. Il progetto mi è servito per capire l’importanza dell’ idroelettrico sul nostro territorio, il quale non è, come dimostrato, sfruttato come si dovrebbe dal momento che ci sono innumerevoli siti adatti a questo tipo di energia rinnovabile non sfruttati. Vorrei ringraziare soprattutto il prof. Pesavento Fabio che mi ha aiutato nel capire il procedimento per il dimensionamento della turbina ed è sempre stato molto disponibile. I miei ringraziamenti vanno anche a tutti i docenti della nostra classe che sono sempre stati disponibili per qualsiasi chiarimento ed aiuto.