Centrale idroelettrica a bacino

SCOPO

Lo scopo di una centrale idroelettrica è quello di sfruttare l’energia potenziale contenuta dall’ acqua per ottenere energia elettrica. Questo scopo, però non si raggiunge direttamente, ma richiede una serie di passaggi intermedi prima che l’energia contenuta potenzialmente dall’ acqua possa divenire elettricità.

CICLO DI FUNZIONAMENTO

La costruzione di un bacino artificiale o la presenza di uno naturale, consente di accumulare l’acqua. L’energia contenuta dall’acqua prende il nome di Energia Potenziale.

OPERE CIVILI

Tra le opere civili e idrauliche la prima necessaria alla realizzazione di una centrale idroelettrica è  lo SBARRAMENTO o DIGA

Diga

E’ l’opera di sbarramento di un corso d’acqua e consente di formare il bacino artificiale o serbatoio. E’ dotata di opere di imbocco, di gallerie, di opere di sfioro dell’acqua in eccesso e di opere di scarico.

Le dighe si possono dividere in due grandi categorie:

  • diga a gravità (o a gravità alleggerita = a contrafforti);
  • dighe ad arco.

Le prime sono strutture massicce a geometria semplice con asse rettilineo e sezione di forma triangolare. La resistenza alla spinta dell’acqua è dovuta essenzialmente al peso della costruzione stessa.

Le seconde resistono alla spinta idrostatica delle acque d’invaso, trasferendola sulle pareti laterali della struttura. In questo caso hanno forma convessa e possono essere costruite solo per sbarrare valli non molto larghe con fianchi rocciosi e resistenti a cui la diga è ancorata.

Dal bacino artificiale l’acqua viene convogliata attraverso un canale di derivazione in una vasca di carico.

La vasca di carico è una vasca che mantiene un sufficiente livello di acqua al di sopra dell'ingresso della condotta, per garantire un certa quantità costante d’acqua ed evitare l’ingresso di aria che può creare gorghi.

Svolge anche una funzione di vasca di sedimentazione di materiali solidi, in quanto l'acqua all'interno della vasca subisce un rallentamento rispetto alla velocità che deve avere nel canale. I sedimenti si raccolgono nella zona più bassa della vasca che è detta serbatoio di sedimentazione.

Dalla vasca di carico l'acqua affluisce   nella condotta forzata, in modo che per la pressione e per la forza di gravità, l’acqua inizi a muoversi verso il basso sempre più velocemente. L’energia potenziale dell’acqua diventa così Energia Cinetica.

La condotta forzata è costituita essenzialmente da tubazioni che possono essere poste in galleria o scorrere, all’esterno sul versante della montagna. All’imbocco, è munita di organi di chiusura e di sicurezza che servono a regolare la portata dell’acqua, e alla base sono presenti paratoie di intercettazione delle acque che garantiscono il funzionamento delle turbine filtrando o rallentando la spinta dell’acqua.

L’acqua cadendo impatta contro una turbina facendola ruotare.

L’Energia Cinetica cambia il suo stato diventando Energia Meccanica.

Si possono utilizzare  turbine idrauliche diverse al variare di due parametri che sono:

  • Il "salto" o "caduta dell'acqua" che consiste nella differenza di quota tra il pelo libero del bacino idroelettrico e la quota a cui è posta la turbina;
  • la "portata" ossia la quantità di acqua che attraversa la sezione della condotta nell'unità di tempo.   

Le tre turbine utilizzabili sono:

  • Pelton adatta a  grandi salti (2000/400 m) e piccole portate (1/10 m3/s);
  • Francis adatta a medi sali (400/20 m) e medie portate (20/300 m3/s);
  • Kaplan adatta a piccoli salti (20/2 m) e grandi portate (fino a 1000 m3/s)

La turbina Pelton è costituita da una girante a cui sono applicate delle pale a doppio cucchiaio sulle quali uno o più distributori (detti ugelli) indirizzano un getto d'acqua localizzato.

Nella turbina Francis la pressione dell'acqua non colpisce direttamente le pale ma è presente una "camera a spirale" in cui viene convogliata l'acqua proveniente dalla condotta forzata in modo da arrivare uniformemente sulle pale della girante.

Nella turbina Kaplan la girante ha forma di una grande elica e le pale sono regolabili in modo da ottenere il massimo rendimento anche con cadute e portate variabili come può succedere in caso di impianti ad acqua fluente

La turbina è collegata a un generatore elettrico, l’alternatore che trasforma l’Energia Meccanica della turbina in Energia Elettrica, completando il ciclo.

L’alternatore è una macchina elettrica rotante generatrice di corrente elettrica basata sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica.

L’alternatore è costituito da tre parti fondamentali, una fissa detta STATORE, una rotante detta ROTORE e il TRAFERRO (uno spazio di pochi millimetri di spessore) che è il luogo fisico in cui si determina l’interazione elettromagnetica tra rotore e statore.

La rotazione del rotore provoca, la circolazione di correnti all’interno dello statore, che interagendo col campo magnetico del rotore per la legge di Faraday, provocano la nascita di una forze elettromotrici che generano corrente elettrica.

Prima di essere trasportata, la tensione dell'energia elettrica viene elevata nel trasformatore.

Il TRASFORMATORE è una macchina elettrica statica che non ha alcuna parte in movimento che serve a trasferire energia elettrica da un circuito ad un altro, modificandone le caratteristiche (intensità e tensione).

Poiché molto spesso l’energia elettrica è prodotta in luoghi molto lontani dai siti in cui è utilizzata, è necessario innalzare il livello di tensione sulle linee elettriche di trasmissione allo scopo di limitare la dispersione di corrente elettrica causata dalla resistenza opposta dai cavi di trasmissione.

Poiché

I=V/R

Se I è costante, elevando V riduco R.

Una volta utilizzata l’acqua viene ricondotta in alveo da un canale di scarico, oppure in alcuni impianti viene pompata nelle ore notturne e convogliata nuovamente nel bacino idroelettrico a monte.

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