Progettazione di ruote idrauliche per l'energia idroelettrica
L'energia idroelettrica è una tecnologia che converte l'energia cinetica dell'acqua in movimento in energia meccanica o elettrica, e uno dei primi dispositivi utilizzati per convertire l'energia dell'acqua in movimento in lavoro utilizzabile è stato il sistema a ruota idraulica.
La progettazione delle ruote idrauliche si è evoluta nel tempo: alcune sono orientate verticalmente, altre orizzontalmente e altre ancora dotate di pulegge e ingranaggi complessi. Tuttavia, tutte sono progettate per svolgere la stessa funzione, ovvero "convertire il movimento lineare dell'acqua in movimento in un movimento rotatorio che può essere utilizzato per azionare qualsiasi macchinario collegato ad esse tramite un albero rotante".
Schema tipico della ruota idraulica
I primi modelli di ruote idrauliche erano macchine piuttosto primitive e semplici, costituite da una ruota di legno verticale con pale o secchi di legno fissati in modo uniforme lungo la circonferenza, il tutto supportato da un albero orizzontale. La forza dell'acqua che scorreva al di sotto spingeva la ruota in direzione tangenziale contro le pale.
Queste ruote idrauliche verticali erano di gran lunga superiori ai precedenti modelli orizzontali utilizzati dagli antichi Greci ed Egizi, perché potevano funzionare in modo più efficiente convertendo la quantità di moto dell'acqua in movimento in energia. Alla ruota idraulica venivano poi fissate pulegge e ingranaggi che permettevano di cambiare la direzione di rotazione dell'albero da orizzontale a verticale, al fine di azionare macine, segare il legno, frantumare minerali, timbrare e tagliare, ecc.
Tipologie di progettazione delle ruote idrauliche
La maggior parte delle ruote idrauliche, note anche come mulini ad acqua o semplicemente ruote d'acqua, sono costituite da ruote montate verticalmente che ruotano attorno a un asse orizzontale. Queste tipologie di ruote idrauliche vengono classificate in base al modo in cui l'acqua viene applicata alla ruota, rispetto all'asse della ruota stessa. Come si può immaginare, le ruote idrauliche sono macchine relativamente grandi che ruotano a basse velocità angolari e presentano 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 della ruota genera una coppia sull'asse, ma dirigendo il flusso d'acqua verso queste pale e secchi da diverse posizioni sulla ruota è possibile migliorarne la velocità di rotazione e l'efficienza. I due tipi più comuni di ruota idraulica sono la "ruota idraulica a getto inferiore" e la "ruota idraulica a getto superiore".
Progettazione della ruota idraulica a getto inferiore
La ruota idraulica a getto inferiore, nota anche come "ruota a flusso", era il tipo di ruota idraulica più comunemente utilizzato dagli antichi Greci e Romani, in quanto risultava essere il più semplice, economico e facile da costruire.
In questo tipo di ruota idraulica, la ruota viene semplicemente posizionata direttamente in un fiume a corrente rapida e sostenuta dall'alto. Il movimento dell'acqua sottostante crea una spinta contro le pale sommerse nella parte inferiore della ruota, consentendole di ruotare in una sola direzione rispetto alla direzione del flusso dell'acqua.
Questo tipo di ruota idraulica viene generalmente utilizzato in aree pianeggianti prive di pendenze naturali o dove la corrente d'acqua è sufficientemente rapida. Rispetto ad altri tipi di ruote idrauliche, questo modello è molto inefficiente, in quanto solo il 20% circa dell'energia potenziale dell'acqua viene effettivamente utilizzata per far ruotare la ruota. Inoltre, l'energia dell'acqua viene utilizzata una sola volta per far girare la ruota, dopodiché defluisce insieme al resto dell'acqua.
Un altro svantaggio della ruota idraulica a flusso inferiore è che richiede grandi quantità d'acqua in rapido movimento. Pertanto, le ruote idrauliche a flusso inferiore sono solitamente situate sulle rive dei fiumi, poiché i corsi d'acqua o i ruscelli più piccoli non possiedono 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 attraverso un canale o condotto stretto, in modo che il 100% dell'acqua deviata venga utilizzata per far ruotare la ruota. Per ottenere questo risultato, la ruota idraulica a pale inferiori deve essere stretta e adattarsi con estrema precisione all'interno del canale per impedire la fuoriuscita dell'acqua dai lati, oppure si può aumentare il numero o le dimensioni delle pale.
Progettazione della ruota idraulica a sovralimentazione
La ruota idraulica a getto superiore è il tipo più comune di ruota idraulica. La sua costruzione e progettazione sono più complesse rispetto alla precedente ruota idraulica a getto inferiore, poiché utilizza secchi o piccoli compartimenti sia per raccogliere che per trattenere l'acqua.
Questi secchi si riempiono d'acqua che scorre dall'alto della ruota. Il peso gravitazionale dell'acqua nei secchi pieni fa ruotare la ruota attorno al suo asse centrale, mentre i secchi vuoti sull'altro lato della ruota diventano più leggeri.
Questo tipo di ruota idraulica sfrutta la forza di gravità per migliorare la produzione di energia, oltre all'acqua stessa; pertanto, le ruote idrauliche a flusso superiore sono molto più efficienti di quelle a flusso inferiore, poiché quasi tutta l'acqua e il suo peso vengono utilizzati per produrre energia. Tuttavia, come nel caso precedente, l'energia dell'acqua viene utilizzata una sola volta per far ruotare la ruota, dopodiché defluisce con il resto dell'acqua.
Le ruote idrauliche a pale superiori sono sospese sopra un fiume o un torrente e sono generalmente costruite sui fianchi delle colline, fornendo acqua dall'alto con un basso salto (la distanza verticale tra l'acqua in cima e il fiume o il torrente sottostante) compreso tra 5 e 20 metri. È possibile costruire una piccola diga o uno sbarramento che serva sia a canalizzare che ad aumentare la velocità dell'acqua verso la sommità della ruota, conferendole maggiore energia, ma è il volume d'acqua, piuttosto che la sua velocità, a contribuire alla rotazione della ruota.
In genere, le ruote idrauliche a pale superiori vengono costruite con dimensioni il più grandi possibile per ottenere il massimo salto 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 d'acqua. Man mano che l'angolo di rotazione si avvicina alla base della ruota, l'acqua contenuta nei secchi si svuota nel fiume o nel torrente sottostante, ma il peso dei secchi che ruotano dietro di essa fa sì che la ruota continui a girare alla sua velocità. Il secchio vuoto continua a girare intorno alla ruota fino a tornare in cima, pronto per essere riempito di altra acqua, e il ciclo si ripete. Uno degli svantaggi di una ruota idraulica a flusso continuo è che l'acqua viene utilizzata una sola volta mentre scorre sulla ruota.
Il design della ruota idraulica Pitchback
Il design della ruota idraulica Pitchback è una variante della precedente ruota idraulica a caduta superiore, in quanto utilizza sia il peso gravitazionale dell'acqua per favorire la rotazione, sia 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 convoglia l'acqua vicino alla sommità della ruota da una canalina posta sopra.
A differenza della ruota idraulica a pale superiori, che convogliava l'acqua direttamente sopra la ruota facendola ruotare nella direzione del flusso, la ruota idraulica a pale inferiori alimenta l'acqua verticalmente verso il basso attraverso un imbuto e nella benna sottostante, facendo ruotare la ruota in direzione opposta al flusso dell'acqua dall'alto.
Proprio come nella precedente ruota idraulica a pale sovrapposte, il peso gravitazionale dell'acqua nei secchi fa ruotare la ruota, ma in senso antiorario. Quando l'angolo di rotazione si avvicina alla base della ruota, l'acqua intrappolata nei secchi si svuota verso il basso. Poiché il secchio vuoto è attaccato alla ruota, continua a ruotare con essa come prima fino a tornare in cima, pronto per essere riempito di nuova 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 rotante (non avendo altra via d'uscita), in modo simile al principio della ruota idraulica a flusso inverso. Pertanto, il principale vantaggio della ruota idraulica a flusso inverso è che utilizza l'energia dell'acqua due volte, una volta dall'alto e una volta dal basso, per far ruotare la ruota attorno al proprio asse centrale.
Il risultato è che l'efficienza del design della ruota idraulica aumenta notevolmente, superando l'80% dell'energia dell'acqua, poiché è azionata sia dal peso gravitazionale dell'acqua in ingresso, sia dalla forza o pressione dell'acqua diretta verso le pale dall'alto, oltre che dal flusso delle acque reflue sottostanti che spingono contro le pale. Lo svantaggio di una ruota idraulica a inclinazione inversa è tuttavia la necessità di un sistema di alimentazione idrica leggermente più complesso, con scivoli e canali di scolo direttamente sopra la ruota.
Il progetto della ruota idraulica Breastshot
La ruota idraulica a pale verticali (Breastshot) è un altro tipo di ruota idraulica montata verticalmente in cui l'acqua entra nelle pale a circa metà altezza dell'asse, o appena sopra di esso, e poi fuoriesce dal basso nella direzione di rotazione delle ruote. Generalmente, la ruota idraulica a pale verticali viene utilizzata in situazioni in cui il dislivello dell'acqua è insufficiente per azionare una ruota idraulica a pale verticali (Overshot) o a pale inclinate (Pickback) montata dall'alto.
Lo svantaggio in questo caso è che il peso gravitazionale dell'acqua viene utilizzato solo per circa un quarto della rotazione, a differenza di prima, quando veniva utilizzato per metà della rotazione. Per ovviare a questa ridotta altezza di salto, le pale delle ruote idrauliche sono state allargate per estrarre la quantità necessaria di energia potenziale dall'acqua.
Le ruote idrauliche a pale piatte utilizzano all'incirca lo stesso peso gravitazionale dell'acqua per far ruotare la ruota, ma poiché il dislivello dell'acqua è circa la metà di quello di una tipica ruota idraulica a pale sovrapposte, le pale sono molto più larghe rispetto ai precedenti modelli di ruote idrauliche per aumentare il volume d'acqua raccolto. Lo svantaggio di questo tipo di progettazione è l'aumento della larghezza e del peso dell'acqua trasportata da ciascuna pala. Come nel caso del design a pale inclinate, la ruota a pale piatte utilizza l'energia dell'acqua due volte, poiché è progettata per rimanere immersa nell'acqua, permettendo all'acqua di scarico di contribuire alla rotazione della ruota mentre scorre a valle.
Generare elettricità utilizzando una ruota idraulica
Storicamente, le ruote idrauliche sono state utilizzate per macinare farina, cereali e per altre operazioni meccaniche simili. Tuttavia, le ruote idrauliche possono essere impiegate anche per la generazione di elettricità, dando vita a un sistema idroelettrico. Collegando un generatore elettrico all'albero rotante della ruota idraulica, direttamente o indirettamente tramite cinghie e pulegge, è possibile generare energia elettrica in modo continuo, 24 ore su 24, a differenza dell'energia solare. Se progettata correttamente, una piccola ruota idraulica, o "micro" sistema idroelettrico, può produrre energia sufficiente ad alimentare l'illuminazione e/o gli elettrodomestici di una casa media.
Cercate generatori a ruota idraulica progettati per produrre la massima potenza a velocità relativamente basse. Per piccoli progetti, si può utilizzare un piccolo motore a corrente continua come generatore a bassa velocità o un 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 ideale come generatore a ruota idraulica, poiché è progettato per funzionare a bassa velocità e con elevata potenza.
Se vicino a casa o in giardino scorre un fiume o un ruscello con una corrente abbastanza rapida, un piccolo impianto idroelettrico potrebbe rappresentare un'alternativa migliore rispetto ad altre forme di energia rinnovabile come l'energia eolica o solare, in quanto ha un impatto visivo decisamente inferiore. Inoltre, proprio come per l'energia eolica e solare, con un piccolo impianto di generazione idroelettrica 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 potremmo collegare al nostro progetto di ruota idraulica per la generazione di energia idroelettrica. Per ulteriori informazioni sulla progettazione delle ruote idrauliche e su come generare la propria elettricità sfruttando la forza dell'acqua, o per ottenere maggiori informazioni sull'energia idroelettrica e sui vari modelli di ruote idrauliche disponibili, o per esplorare i vantaggi e gli svantaggi dell'energia idroelettrica, clicca qui per ordinare oggi stesso la tua copia su Amazon sui principi e la costruzione delle ruote idrauliche utilizzabili per la generazione di elettricità.
Data di pubblicazione: 25 giugno 2021
