Come pianificare un progetto Mini Hydro Power
Componenti dello schema
La figura 1 mostra i componenti principali di uno schema micro-hydro run-of-the-river. Questo tipo di schema non richiede alcun accumulo di acqua, ma devia invece parte dell’acqua dal fiume che viene incanalata lungo il fianco di una valle prima di essere “lasciata cadere” nella turbina tramite una condotta forzata. Nella figura 1, la turbina aziona un generatore che fornisce elettricità per un’officina. La linea di trasmissione può essere estesa a un villaggio locale per fornire energia domestica per l’illuminazione e altri usi.
Esistono varie altre configurazioni che possono essere utilizzate a seconda delle condizioni topografiche e idrologiche, ma tutte adottano lo stesso principio generale.
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l’Acqua in Watt
Per determinare il potenziale di energia di acqua che scorre in un fiume o ruscello è necessario determinare sia la portata dell’acqua e la testa attraverso il quale l’acqua può essere fatto a cadere. La portata è la quantità di acqua che scorre oltre un punto in un dato tempo. Le unità di portata tipiche sono litri al secondo o metri cubi al secondo. La testa è l’altezza verticale, in metri, dalla turbina fino al punto in cui l’acqua entra nel tubo di aspirazione o nella condotta forzata.
Il potenziale di potenza può essere calcolato come: P = g * Q * H * feff
Esempio:una posizione con Un salto di 10 metri, portata di 300 litri / sec (= 0,3 m3/s) avrà una potenza di 15 kW di energia elettrica:
10 m/s2 * 0.3m3/s * 10 m * 0.5 = 15m5/s3= 15m5/s3 * 1000 kg/m3 (densità dell’acqua)
= 15000 J/s
= 15000 W
= 15
Potenza in kW (P); Portata in m3 /s (Q); Testa in m (H); la Gravità costante = 9.81 m/s2 (g); Fattore di efficienza (feff) => 0.4 – 0.7 *
*Piccole turbine ad acqua, raramente hanno un’efficienza superiore al 80%. L’efficienza dei generatori di ~ 90% e la potenza andranno perse anche nel tubo che trasporta l’acqua alla turbina, a causa di perdite di attrito. Una guida approssimativa utilizzata per piccoli sistemi di pochi kW è di prendere l’efficienza complessiva come circa il 50%. Pertanto, la potenza teorica deve essere moltiplicata per 0,50 per una cifra più realistica
Se una macchina viene utilizzata in condizioni diverse dal pieno carico o dal pieno flusso, devono essere considerate altre inefficienze significative. Per valutare le prestazioni in queste condizioni, è necessario conoscere le caratteristiche del flusso parziale e del carico parziale dell’apparecchiatura. È sempre preferibile far funzionare tutte le apparecchiature alle condizioni di flusso e carico nominali, ma non è sempre pratico o possibile quando il flusso del fiume fluttua durante l’anno o quando i modelli di carico giornalieri variano considerevolmente.
A seconda dei requisiti di utilizzo finale della potenza generata, l’uscita dall’albero della turbina può essere utilizzata direttamente come potenza meccanica o la turbina può essere collegata a un generatore elettrico per produrre elettricità. Per molte applicazioni industriali rurali la potenza dell’albero è adatta
(per la lavorazione degli alimenti come la fresatura o l’estrazione dell’olio, la segheria, l’officina di falegnameria, le attrezzature minerarie su piccola scala, ecc.), ma molte applicazioni richiedono la conversione in energia elettrica. Per le applicazioni domestiche è preferibile l’elettricità.
Questo può essere fornito:
- direttamente a casa tramite un piccolo sistema di distribuzione elettrica o,
- può essere fornito per mezzo di batterie che vengono restituiti periodicamente per la casa di potenza per la ricarica di questo sistema che è comune in cui il costo diretto di elettrificazione è proibitivo a causa sparse abitazioni (e quindi un costoso sistema di distribuzione),
Dove un generatore di corrente alternata usata (un.c.) l’elettricità è prodotta normalmente. La potenza monofase è soddisfacente su piccole installazioni fino a 20kW, ma oltre a questo, la potenza a 3 fasi viene utilizzata per ridurre le perdite di trasmissione e per essere adatta a motori elettrici più grandi. Un alimentatore a. c. deve essere mantenuto a una costante di 50 o 60 cicli / secondo per il funzionamento affidabile di qualsiasi apparecchiatura elettrica che utilizza l’alimentazione. Questa frequenza è determinata dalla velocità della turbina che deve essere governata molto accuratamente.
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Condizioni adatte per la micro-energia idroelettrica
Le migliori aree geografiche per lo sfruttamento dell’energia idroelettrica su piccola scala sono quelle in cui ci sono fiumi ripidi che scorrono tutto l’anno, ad esempio le aree collinari dei paesi con piogge elevate tutto l’anno, o le grandi catene montuose e le loro colline, come le Ande e l’Himalaya. Sono adatte anche isole con climi marini umidi, come le isole dei Caraibi, le Filippine e l’Indonesia. Le turbine a testa bassa sono state sviluppate per lo sfruttamento su piccola scala di fiumi dove c’è una piccola testa ma un flusso sufficiente per fornire una potenza adeguata.
Per valutare l’idoneità di un sito potenziale, l’idrologia del sito deve essere nota e un’indagine del sito effettuata, per determinare i dati effettivi di flusso e di testa. Le informazioni idrologiche possono essere ottenute dal dipartimento di meteorologia o irrigazione solitamente gestito dal governo nazionale. Questi dati forniscono un buon quadro generale dei modelli annuali di pioggia e delle probabili fluttuazioni delle precipitazioni e, quindi, dei modelli di flusso. L’indagine sul sito fornisce informazioni più dettagliate sulle condizioni del sito per consentire il calcolo della potenza da fare e il lavoro di progettazione per iniziare. I dati di flusso dovrebbero essere raccolti per un periodo di almeno un anno intero, ove possibile, in modo da accertare le fluttuazioni del flusso fluviale nel corso delle varie stagioni. Esistono molti metodi per effettuare misurazioni del flusso e della testa e questi possono essere trovati nei testi pertinenti.
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Turbine
Una turbina converte l’energia dell’acqua che cade in potenza dell’albero. Ci sono vari tipi di turbina che possono essere classificati in uno dei diversi modi. La scelta della turbina dipenderà principalmente dalla testa di pressione disponibile e dal flusso di progetto per l’installazione idroelettrica proposta. Come illustrato nella seguente tabella 2, le turbine sono ampiamente suddivise in tre gruppi; testa alta, media e bassa e in due categorie: impulso e reazione.
Tabella 2: Classificazione dei tipi di turbine:
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pressione di Testa |
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Corridore della Turbina |
Alta |
Medio |
Basso |
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Impulso |
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Reazione |
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La differenza tra l’impulso e la reazione può essere spiegato semplicemente affermando che il turbine di impulso di convertire l’energia cinetica di un getto d’acqua in aria in movimento, colpendo turbina secchi o lame – non vi è alcuna riduzione della pressione, l’acqua pressione atmosferica su entrambi i lati della ventola. Le pale di una turbina di reazione, d’altra parte, sono totalmente immerse nel flusso d’acqua e il momento angolare e lineare dell’acqua viene convertito in potenza dell’albero – la pressione dell’acqua che lascia il corridore è ridotta a atmosferica o inferiore.
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Fattore di carico
Il fattore di carico è la quantità di potenza utilizzata divisa per la quantità di potenza disponibile se la turbina dovesse essere utilizzata in modo continuo. A differenza delle tecnologie che si basano su fonti di combustibile costose, il “combustibile” per la generazione di energia idroelettrica è gratuito e quindi l’impianto diventa più economico se gestito per un’alta percentuale del tempo. Se la turbina viene utilizzata solo per l’illuminazione domestica la sera, il fattore di impianto sarà molto basso. Se la turbina fornisce energia per l’industria rurale durante il giorno, soddisfa la domanda interna durante la sera, e forse pompa l’acqua per l’irrigazione la sera, allora il fattore vegetale sarà alto.
È molto importante garantire un fattore di impianto elevato se si vuole che il sistema sia economicamente efficace e questo dovrebbe essere preso in considerazione durante la fase di pianificazione. Molti schemi utilizzano un carico di scarico (in combinazione con un regolatore di carico elettronico – vedi sotto), che è effettivamente una domanda di energia a bassa priorità che può accettare energia in eccesso quando viene prodotto un eccesso, ad esempio riscaldamento dell’acqua, riscaldatori di accumulo o cucine di stoccaggio.
Regolatori di controllo del carico
Le turbine ad acqua, come i motori a benzina o diesel, variano in velocità man mano che il carico viene applicato o sollevato. Anche se non è un grande problema con macchinari che utilizza la potenza diretta dell’albero, questa variazione di velocità influenzerà seriamente sia la frequenza che la tensione di uscita da un generatore. Tradizionalmente, complessi regolatori di velocità idraulici o meccanici alteravano il flusso al variare del carico, ma più recentemente è stato sviluppato un regolatore di carico elettronico (ELC) che ha aumentato la semplicità e l’affidabilità dei moderni set micro-idro. L’ELC previene le variazioni di velocità aggiungendo o sottraendo continuamente un carico artificiale, in modo che in effetti la turbina funzioni permanentemente a pieno carico. Un ulteriore vantaggio è che l’ELC non ha parti mobili, è molto affidabile e praticamente esente da manutenzione. L’avvento del controllo elettronico del carico ha permesso l’introduzione di turbine multigetto semplici ed efficienti, non più gravate da costosi regolatori idraulici.
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