Progettazione di ruote idrauliche per progetti idroelettrici

Progettazione di ruote idrauliche per l'energia idroelettrica
icona dell'energia idroelettricaL'energia idroelettrica è una tecnologia che converte l'energia cinetica dell'acqua in movimento in energia meccanica o elettrica. Uno dei primi dispositivi utilizzati per convertire l'energia dell'acqua in movimento in lavoro utilizzabile è stato il progetto della ruota idraulica.
Nel corso del tempo il design delle ruote idrauliche si è evoluto: alcune sono orientate verticalmente, altre orizzontalmente e altre ancora sono dotate di elaborate pulegge e ingranaggi, ma sono tutte progettate per svolgere la stessa funzione: "convertire il moto lineare dell'acqua in un moto rotatorio che può essere utilizzato per azionare qualsiasi macchinario ad esso collegato tramite un albero rotante".

Tipico design della ruota idraulica
I primi progetti di ruote idrauliche erano macchine piuttosto primitive e semplici, costituite da una ruota verticale di legno con pale o secchi di legno fissati uniformemente lungo la circonferenza, il tutto sostenuto da un albero orizzontale; la forza dell'acqua che scorreva sotto spingeva la ruota in direzione tangenziale contro le pale.
Queste ruote idrauliche verticali erano di gran lunga superiori ai precedenti modelli orizzontali di ruote idrauliche degli antichi Greci ed Egizi, perché potevano funzionare in modo più efficiente, trasformando la quantità di moto dell'acqua in energia. Alla ruota idraulica venivano poi collegate pulegge e ingranaggi che permettevano di cambiare la direzione di rotazione di un albero rotante da orizzontale a verticale, al fine di azionare macine, segare la legna, frantumare minerali, stampare e tagliare, ecc.

Tipi di progettazione delle ruote idrauliche
La maggior parte delle ruote idrauliche, note anche come mulini ad acqua o semplicemente ruote idrauliche, sono ruote montate verticalmente che ruotano attorno a un asse orizzontale. Questi tipi di ruote idrauliche sono classificati in base al modo in cui l'acqua viene applicata alla ruota, rispetto all'asse della ruota. Come ci si può aspettare, le ruote idrauliche sono macchine relativamente grandi che ruotano a basse velocità angolari e hanno una bassa efficienza, a causa delle perdite per attrito e del riempimento incompleto delle pale, ecc.
L'azione dell'acqua che spinge contro le pale o i secchi delle ruote genera una coppia sull'asse, ma dirigendo l'acqua verso pale e secchi da diverse posizioni sulla ruota, è possibile migliorare la velocità di rotazione e l'efficienza. I due tipi più comuni di ruota idraulica sono la "ruota idraulica rivolta verso il basso" e la "ruota idraulica rivolta verso l'alto".

Progetto di ruota idraulica sottoscocca
La ruota idraulica Undershot, nota anche come "ruota a flusso", era il tipo di ruota idraulica più comunemente utilizzato dagli antichi Greci e Romani, in quanto è il tipo di ruota più semplice, economico e facile da costruire.
In questo tipo di ruota idraulica, la ruota viene semplicemente posizionata direttamente in un fiume a corso rapido e sostenuta dall'alto. Il movimento dell'acqua sottostante crea una spinta contro le pale immerse nella parte inferiore della ruota, consentendole di ruotare in una sola direzione rispetto alla direzione del flusso dell'acqua.
Questo tipo di ruota idraulica è generalmente utilizzato in aree pianeggianti senza pendenza naturale del terreno o dove il flusso d'acqua è sufficientemente rapido. Rispetto ad altri tipi di ruota idraulica, questo tipo di progetto è molto inefficiente, poiché solo il 20% dell'energia potenziale dell'acqua viene utilizzata per far girare effettivamente la ruota. Inoltre, l'energia dell'acqua viene utilizzata una sola volta per far girare la ruota, dopodiché scorre via con il resto dell'acqua.
Un altro svantaggio della ruota idraulica a basso regime è che richiede grandi quantità d'acqua in movimento ad alta velocità. Pertanto, le ruote idrauliche a basso regime sono solitamente situate sulle rive dei fiumi, poiché i torrenti o i ruscelli più piccoli non hanno sufficiente energia potenziale nell'acqua in movimento.
Un modo per migliorare leggermente l'efficienza di una ruota idraulica a pale inferiori è quello di deviare una percentuale dell'acqua del fiume lungo un canale o un condotto stretto, in modo che il 100% dell'acqua deviata venga utilizzata per far girare la ruota. Per ottenere questo risultato, la ruota a pale inferiori deve essere stretta e adattarsi con precisione al canale per evitare che l'acqua fuoriesca dai lati, oppure aumentando il numero o le dimensioni delle pale.

Progettazione di ruote idrauliche a sbalzo
La ruota idraulica a sbalzo è il tipo più comune di ruota idraulica. La ruota idraulica a sbalzo è più complessa nella costruzione e nel design rispetto alla precedente ruota idraulica a sbalzo, poiché utilizza secchi o piccoli scomparti per raccogliere e trattenere l'acqua.
Questi secchi si riempiono con l'acqua che scorre dalla parte superiore della ruota. Il peso gravitazionale dell'acqua nei secchi pieni fa ruotare la ruota attorno al suo asse centrale, mentre i secchi vuoti dall'altro lato della ruota diventano più leggeri.
Questo tipo di ruota idraulica sfrutta la gravità per migliorare la portata, oltre all'acqua stessa, quindi le ruote idrauliche con rotazione verso l'alto sono molto più efficienti di quelle con rotazione verso il basso, poiché quasi tutta l'acqua e il suo peso vengono utilizzati per produrre energia. Tuttavia, come in precedenza, l'energia dell'acqua viene utilizzata una sola volta per far girare la ruota, dopodiché scorre via con il resto dell'acqua.
Le ruote idrauliche a caduta libera sono sospese sopra un fiume o un ruscello e sono generalmente costruite sui fianchi delle colline, fornendo acqua dall'alto con un dislivello (la distanza verticale tra l'acqua in cima e il fiume o il ruscello sottostante) compreso tra 5 e 20 metri. Una piccola diga o uno sbarramento può essere costruito e utilizzato sia per incanalare che per aumentare la velocità dell'acqua verso la sommità della ruota, conferendole più energia, ma è il volume d'acqua, piuttosto che la sua velocità, a far girare la ruota.

Generalmente, le ruote idrauliche a sbalzo sono costruite il più grandi possibile per garantire la massima altezza di caduta possibile affinché il peso gravitazionale dell'acqua faccia ruotare la ruota. Tuttavia, le ruote idrauliche di grande diametro sono più complesse e costose da costruire a causa del peso della ruota e dell'acqua.
Quando i singoli secchi vengono riempiti d'acqua, il peso gravitazionale dell'acqua fa ruotare la ruota nella direzione del flusso. Man mano che l'angolo di rotazione si avvicina al fondo della ruota, l'acqua all'interno del secchio si riversa nel fiume o nel ruscello sottostante, ma il peso dei secchi che ruotano dietro di esso fa sì che la ruota continui a ruotare alla sua velocità. Il secchio vuoto continua a girare intorno alla ruota in rotazione finché non torna in cima, pronto per essere riempito con altra acqua e il ciclo si ripete. Uno degli svantaggi di una ruota idraulica a caduta è che l'acqua viene utilizzata una sola volta, scorrendo sopra la ruota.

Il design della ruota idraulica Pitchback
Il design della ruota idraulica Pitchback è una variante della precedente ruota idraulica overshot, poiché sfrutta anch'essa il peso gravitazionale dell'acqua per favorire la rotazione della ruota, ma sfrutta anche il flusso delle acque reflue sottostanti per fornire una spinta aggiuntiva. Questo tipo di ruota idraulica utilizza un sistema di alimentazione a bassa prevalenza che fornisce l'acqua vicino alla sommità della ruota da una conca sovrastante.
A differenza della ruota idraulica a getto rovesciato, che incanalava l'acqua direttamente sopra la ruota, facendola ruotare nella direzione del flusso dell'acqua, la ruota idraulica a riavvolgimento spinge l'acqua verticalmente verso il basso attraverso un imbuto e nel secchio sottostante, facendo ruotare la ruota nella direzione opposta al flusso dell'acqua superiore.
Proprio come nella precedente ruota idraulica a caduta libera, il peso gravitazionale dell'acqua nei secchi fa ruotare la ruota, ma in senso antiorario. Man mano che l'angolo di rotazione si avvicina al fondo della ruota, l'acqua intrappolata nei secchi si svuota verso il basso. Quando il secchio vuoto viene agganciato alla ruota, continua a ruotare insieme alla ruota come prima, finché non torna in cima, pronto per essere riempito con altra acqua e il ciclo si ripete.
La differenza questa volta è che l'acqua di scarico svuotata dal secchio rotante scorre nella direzione della ruota in rotazione (non avendo altro luogo dove andare), in modo simile al principio della ruota idraulica a sbalzo. Pertanto, il vantaggio principale della ruota idraulica a sbalzo è che sfrutta l'energia dell'acqua due volte, una dall'alto e una dal basso, per far ruotare la ruota attorno al suo asse centrale.
Il risultato è che l'efficienza del progetto della ruota idraulica aumenta notevolmente, superando l'80% dell'energia idrica, poiché è azionata sia dal peso gravitazionale dell'acqua in ingresso, sia dalla forza o pressione dell'acqua diretta nei secchi dall'alto, nonché dal flusso delle acque reflue sottostanti che premono contro i secchi. Lo svantaggio di una ruota idraulica a controventatura è che richiede un sistema di alimentazione idrica leggermente più complesso direttamente sopra la ruota, con scivoli e canali di scolo.

Il design della ruota idraulica Breastshot
Il modello Breastshot è un altro tipo di ruota idraulica montata verticalmente, in cui l'acqua entra nei secchi a circa metà altezza dell'asse, o appena sopra, e poi fuoriesce dal fondo nella direzione di rotazione delle ruote. Generalmente, la ruota idraulica Breastshot viene utilizzata in situazioni in cui la portata d'acqua non è sufficiente ad alimentare una ruota idraulica con un'inclinazione verso l'alto o verso il basso.
Lo svantaggio è che il peso gravitazionale dell'acqua viene sfruttato solo per circa un quarto della rotazione, a differenza di quanto accadeva in precedenza, che ne sfruttava solo metà. Per superare questa ridotta altezza, le pale delle ruote idrauliche sono più larghe per estrarre la quantità necessaria di energia potenziale dall'acqua.
Le ruote idrauliche a sbalzo utilizzano all'incirca lo stesso peso gravitazionale dell'acqua per far girare la ruota, ma poiché l'altezza del battente dell'acqua è circa la metà di quella di una tipica ruota idraulica a sbalzo, i secchi sono molto più larghi rispetto ai precedenti modelli di ruote idrauliche per aumentare il volume d'acqua intrappolato nei secchi. Lo svantaggio di questo tipo di design è un aumento della larghezza e del peso dell'acqua trasportata da ciascun secchio. Come nel design a sbalzo, la ruota a sbalzo utilizza l'energia dell'acqua il doppio poiché la ruota idraulica è progettata per essere immersa nell'acqua, consentendo alle acque reflue di contribuire alla rotazione della ruota mentre scorre a valle.

Generare elettricità utilizzando una ruota idraulica
Storicamente, le ruote idrauliche sono state utilizzate per la macinazione di farina, cereali e altre attività meccaniche simili. Ma le ruote idrauliche possono anche essere utilizzate per la generazione di elettricità, in un sistema idroelettrico. Collegando un generatore elettrico all'albero rotante della ruota idraulica, direttamente o indirettamente tramite cinghie e pulegge, le ruote idrauliche possono essere utilizzate per generare energia ininterrottamente 24 ore su 24, a differenza dell'energia solare. Se la ruota idraulica è progettata correttamente, un piccolo o "micro" sistema idroelettrico può produrre elettricità sufficiente ad alimentare l'illuminazione e/o gli elettrodomestici di un'abitazione media.
Cercate generatori a ruota idraulica progettati per produrre la massima potenza a velocità relativamente basse. Per piccoli progetti, un piccolo motore a corrente continua può essere utilizzato come generatore a bassa velocità o come alternatore per autoveicoli, ma questi sono progettati per funzionare a velocità molto più elevate, quindi potrebbe essere necessario un qualche tipo di riduttore. Un generatore eolico è un generatore a ruota idraulica ideale, in quanto progettato per funzionare a bassa velocità e ad alta potenza.
Se vicino a casa o al giardino c'è un fiume o un ruscello a corso d'acqua piuttosto rapido che puoi utilizzare, allora un piccolo impianto idroelettrico potrebbe essere un'alternativa migliore ad altre fonti di energia rinnovabile come l'energia eolica o quella solare, poiché ha un impatto visivo molto inferiore. Inoltre, proprio come l'energia eolica e solare, con un piccolo impianto di generazione a ruota idraulica collegato alla rete elettrica locale, l'elettricità prodotta ma non utilizzata può essere rivenduta alla compagnia elettrica.
Nel prossimo tutorial sull'energia idroelettrica, esamineremo i diversi tipi di turbine disponibili che possiamo integrare nel nostro progetto di ruota idraulica per la produzione di energia idroelettrica. Per maggiori informazioni sulla progettazione di ruote idrauliche e su come generare elettricità sfruttando la potenza dell'acqua, o per ottenere maggiori informazioni sull'energia idroelettrica sui diversi progetti di ruote idrauliche disponibili, o per esplorare i vantaggi e gli svantaggi dell'energia idroelettrica, clicca qui per ordinare oggi stesso da Amazon la tua copia sui principi e la costruzione delle ruote idrauliche che possono essere utilizzate per la generazione di elettricità.