Una turbina idraulica, tra cui le turbine Kaplan, Pelton e Francis sono le più comuni, è una grande macchina rotativa che converte l'energia cinetica e potenziale in energia idroelettrica. Questi moderni equivalenti della ruota idraulica sono stati utilizzati per oltre 135 anni per la produzione di energia industriale e, più recentemente, per la produzione di energia idroelettrica.
A cosa servono oggi le turbine idrauliche?
Oggi, l'energia idroelettrica contribuisce al 16% della produzione mondiale di energia. Nel XIX secolo, le turbine idrauliche erano utilizzate principalmente per l'energia industriale, prima che le reti elettriche si diffondessero. Attualmente, vengono utilizzate per la produzione di energia elettrica e si trovano nelle dighe o in aree con forti flussi d'acqua.
Con la rapida crescita della domanda globale di energia e fattori come il cambiamento climatico e l'esaurimento dei combustibili fossili, l'energia idroelettrica ha il potenziale per avere un impatto significativo come forma di energia verde su scala mondiale. Con la continua ricerca di fonti di energia ecocompatibili e pulite, le turbine Francis potrebbero rivelarsi una soluzione molto popolare e sempre più adottata nei prossimi anni.
Come generano elettricità le turbine idrauliche?
La pressione dell'acqua, generata da flussi naturali o artificiali, costituisce la fonte di energia per le turbine idrauliche. Questa energia viene catturata e trasformata in energia idroelettrica. Una centrale idroelettrica utilizza generalmente una diga su un fiume attivo per immagazzinare l'acqua. L'acqua viene poi rilasciata gradualmente, scorrendo attraverso la turbina, facendola ruotare e attivando un generatore che a sua volta produce elettricità.
Quanto sono grandi le turbine idrauliche?
In base al salto sotto il quale operano, le turbine idrauliche possono essere classificate in ad alta, media e bassa caduta. I sistemi idroelettrici a bassa caduta sono più grandi, poiché la turbina deve essere di grandi dimensioni per raggiungere un'elevata portata mentre l'acqua viene applicata a bassa pressione sulle pale. A loro volta, i sistemi idroelettrici ad alta caduta non necessitano di una circonferenza superficiale così ampia, poiché vengono utilizzati per sfruttare l'energia da fonti d'acqua a velocità più elevata.
Grafico che spiega le dimensioni delle diverse parti del sistema idroelettrico, inclusa la turbina idraulica
Un grafico che spiega le dimensioni delle diverse parti del sistema idroelettrico, inclusa la turbina idraulica
Di seguito spiegheremo alcuni esempi di diversi tipi di turbine idrauliche utilizzate per diverse applicazioni e pressioni dell'acqua.
Turbina Kaplan (0-60 m di prevalenza)
Queste turbine sono note come turbine a reazione a flusso assiale, poiché modificano la pressione dell'acqua durante il suo passaggio. La turbina Kaplan assomiglia a un'elica e presenta pale regolabili per massimizzare l'efficienza in un intervallo di livelli d'acqua e di pressione.
Uno schema di turbina Kaplan
Turbina Pelton (pressione 300-1600 m)
La turbina Pelton, o ruota Pelton, è nota come turbina a impulso, in quanto estrae energia dall'acqua in movimento. Questa turbina è adatta ad applicazioni ad alta caduta, poiché richiede un'elevata pressione dell'acqua per esercitare una forza sulle pale a forma di cucchiaio e far ruotare il disco, generando energia.
Turbina Pelton
Turbina Francis (60-300 m di pressione)
L'ultima e più famosa turbina idraulica, la turbina Francis, è responsabile del 60% dell'energia idroelettrica mondiale. Operando come una turbina a impatto e reazione a salto medio, la turbina Francis combina i concetti di flusso assiale e radiale. In questo modo, la turbina colma il divario tra le turbine ad alto e basso salto, creando un progetto più efficiente e stimolando gli ingegneri di oggi a migliorarlo ulteriormente.
Più specificamente, una turbina Francis funziona grazie all'acqua che scorre attraverso una cassa a spirale in palette direzionali (statiche) che controllano il flusso dell'acqua verso le pale (mobili) della girante. L'acqua forza la rotazione della girante attraverso l'impatto e la reazione combinata delle forze, uscendo infine dalla girante attraverso un tubo di aspirazione che scarica il flusso d'acqua nell'ambiente esterno.
Come scegliere il tipo di turbina idraulica?
La scelta del progetto di turbina ottimale spesso si riduce a un fattore: la quantità di prevalenza e la portata a disposizione. Una volta stabilito il tipo di pressione dell'acqua che si può sfruttare, si può decidere se una "turbina a reazione" chiusa, come la turbina Francis, o una "turbina a impulso" aperta, come la turbina Pelton, sia più adatta.
Schema della turbina idraulica
Infine, puoi stabilire la velocità di rotazione necessaria del generatore elettrico che intendi installare.
Data di pubblicazione: 15/07/2022
