IT201700011175A1 - Impianto idroelettrico modulare a ciclo chiuso. - Google Patents

Description

Impianto idroelettrico modulare a ciclo chiuso .

Descrizione

Oggetto della presente invenzione è un impianto idroelettrico, modulare , in cui ciascun modulo, è costituito da due bacini sovrapposti, da almeno una torre piezometrica di collegamento e almeno una turbina posizionata nel bacino superiore, ed in cui l’acqua percorre un circuito chiuso per effetto della gravità. Come è noto una massa d’acqua possiede un’energia potenziale in virtù della sua velocità e dell’altezza da cui cade (l’acqua fluisce proprio perché esiste una differenza di quota tra due livelli), che è chiamata “salto”. Questa energia è la sua “energia potenziale gravitazionale”, che è data dal prodotto della massa, dell’accelerazione dovuta all’effetto della gravità e del salto.

Più precisamente l’energia potenziale dell’acqua si tramuta in energia meccanica e poi in elettrica attraverso la rotazione della turbina e di un generatore.

La Potenza è espressa in kW = Q (m3/s) x H (m) x qtot x 9,81 (circa Q x H x 7,8); Il rendimento totale è espresso come qtot = (qturbina x qgeneratore x rimoltiplicatore di giri x r|trasformatore) ; con Q si è indicato la portata massima con H il salto netto.

Per il principio di Pascal la pressione applicata ad un fluido si trasmette in tutte le direzioni in egual intensità mentre in un recipiente la pressione atmosferica si trasmette in modo diverso da una pressione applicata dall'esterno. Quella atmosferica è costante nel fondo del recipiente, ma varia nelle pareti; infatti via via che si scende la pressione aumenta.

Nel tubo piezometrico aperto l'acqua non sale perchè sia quella nel tubo che quella nel recipiente sono soggetti alla stessa pressione .

Nel tubo piezometrico chiuso invece l'acqua sale fino a quando la pressione del recipiente viene equilibrata da quella del tubo. Questo importante principio è stato applicato alla presente invenzione.

Come è noto le centrali idroelettriche a caduta, anche di medie dimensioni, richiedono un intervento edilizio di elevate proporzioni per la realizzazione di invasi artificiali e hanno un notevole impatto ambientale, sia nella fase costruttiva delle opere, sia a posteriori nell'impatto visivo ed estetico. Inoltre, il fatto di alterare la portata e la distribuzione delle acque fluviali porta ad un cambiamento del microclima locale, per la maggiore umidità ed evaporazione portata dal lago artificiale che funge anche da serbatoio di calore, livellando le temperature fra giorno e notte. Altro svantaggio è dovuto alla naturale sedimentazione, che tende a riempire lentamente l'invaso, e richiede dragaggi periodici.

o Ma anche le piccole centrali non sono immuni da critiche perché alterano i corsi

dei fiumi a monte ed a valle deirimpianto, con ricadute sulla fauna ittica e terrestre.

Sarebbe auspicabile, quindi, in armonia con il fatto che le maggiori possibilità di nuove installazioni idroelettriche sono attualmente rivolte a impianti classificabili come mini-idro, cioè con taglia inferiore a 10 MW , realizzare impianti idroelettrici che consentono la produzione di una potenza idroelettrica adeguata alle necessità di piccole comunità, fattorie, o piccole imprese, che siano indipendenti dai corsi dei fiumi, che possono essere realizzati con poche ed economiche

opere civili di costruzione, in modo da essere percepiti dalle popolazioni come progetti a basso impatto ambientale e paesaggistico; che possono essere costruiti anche in aree isolate ove potrebbe essere antieconomico servire con una linea elettrica ad alta tensione, oppure in aree dove non esiste una rete di distribuzione elettrica; che siano particolarmente adatti a paesi poveri senza grandi risorse economiche.

Scopo quindi della presente invenzione è proporre un impianto di non grosse dimensioni, con un architettura modulare, che possa essere realizzato anche lontano dai corsi d’acqua, senza sconvolgere il loro naturale alveo, abbia un funzionamento continuo durante tutto l’anno, impieghi una quantità di acqua a ciclo chiuso, quindi senza la necessità di un apporto continuo, e soprattutto capace di ricavare energia da una quantità di acqua in discesa parcellizzata con il funzionamento di opportune valvole e spinta da camere pneumatiche, con un rendimento complessivo positivo .

Le caratteristiche ed i vantaggi di un impianto idroelettrico modulare a funzionamento continuo, oggetto della presente invenzione, risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente e dai disegni allegati forniti a solo scopo illustrativo e non limitativo, nei quali:

la fig.1 mostra schematicamente una vista parziale frontale di un modulo dell’impianto nei suoi elementi componenti, in una forma di realizzazione preferita;

la fig. 2 mostra schematicamente un'altra vista parziale frontale dell’impianto, in cui è evidenziata la scomposizione in parti dei singoli elementi dell’impianto, la fig. 3 mostra schematicamente una vista laterale dell’impianto nel suo complesso, costituito da sette moduli.

la fig. 4 mostra schematicamente un altra vista dell’impianto nel suo complesso, costituito da sette moduli.

Conformemente ai disegni allegati, l'impianto ha una struttura modulare e simmetrica, sinistra e destra, e gli stessi mezzi sono disposti sia sul lato sinistro che destro e funzionano allo stesso modo sia in contemporanea che in modo alternato.

Si è indicato con (1) il bacino di carico, che è una struttura a torre quadrangolare in cemento o in acciaio, alta circa 12 metri, riempita d’acqua fin quasi alla sommità (2) , che si appoggia su una vasca (3) sottostante di 4 metri di altezza che fa da bacino di calma e di alimentazione, dove le acque turbolente appena uscite dalle turbine vengono fatte placare per la re-immissione nel flusso piezometrico di alimentazione. Alla vasca (3) afferiscono le condotte (4), in tecnopolimero, le quali terminano, ciascuna, in una camera inferiore (15) e superiore (5) quest’ultima sormontata da una struttura a funzionamento pneumatico (6); le condotte , le camere e le strutture a funzionamento pneumatico, realizzano le torri piezometriche. Il flusso è regolato tramite opportuni sistemi di intercettazione (valvole) a funzionamento pneumatico. In particolare è prevista una valvola (7) tra l’estremità inferiore del condotto (4) e la vasca (3) e una valvola (9) tra l’estremità superiore della condotta (4) e la camera (5); un'altra valvola a farfalla (10) a funzionamento pneumatico sul condotto (14) tra la camera (5) e il bacino di carico (1), che è subito seguita da un’ulteriore valvola pneumatica di sicurezza (11) , tipo Capler, che non consente l’inversione del flusso di mandata dal bacino (1). Sul condotto (14), tra la camera (5) e la valvola (10) vi è innestato una tubazione di derivazione (12) su cui è presente una valvola (13) sempre a funzionamento pneumatico.

Lo scopo principale di questa tubazione (12) di derivazione è quello di raggiungere l’aumento del salto a quota 7 mt. nel bacino di stoccaggio (1) del fluido; se non ci fosse questo tubazione di derivazione, si avrebbe una differenza di pressione tra il bacino (1) e la camera (5) e di conseguenza uno squilibrio di pressione nella fase di scarico del sistema.

Con l’apertura della valvola (13) un secondo prima rispetto ad altre due valvole , sia quella a farfalla (10) che quella successiva di sicurezza (11), si permette alle due zone, bacino di carico (1) e camera (5) di eguagliarsi in termini di pressione, e quindi tutta la fase di scarico avviene alla medesima pressione di 1,25 atm. con un minimo di dispendio di energie e in totale silenzio, senza il fruscio del fluido. A seconda delle esigenze tecniche, è possibile variare sia l’altezza del tubo piezometrico che l’abbassamento. Inoltre si può creare un ulteriore innalzamento del salto nel bacino di stoccaggio con conseguente aumento dell’ energia prelevabile a valle del bacino.

Funzionamento del sistema.

Una volta che il bacino di carico (1) viene riempito d’acqua (2) sin quasi alla sua sommità, e anche la vasca (3) è riempita d’acqua, compreso tutta la torre piezometrica, si chiudono le valvole (7) e (9), e i vani interni (6), che erano in posizione espansa si abbassano e consentono di spingere del tutto Γ acqua, dalle camere (5). Attraverso un pistone pneumatico interno alla camera cilindrica espansa fornisce la forza di compressione sui vani (6) per l’abbassamento e la spinta dell’acqua che è in essi. Contemporaneamente si apre la valvola equalizzatrice (13) posta sul condotto (12) ed un secondo dopo l’apertura contemporanea delle valvole (10) e (11) in modo che l’acqua fluisca nel bacino di carico (1) senza inversione del flusso d’acqua verso le camere (5).

Il flusso d’acqua in movimento impegna la o le turbine poste alla base del bacino di carico (1) che mediante un generatore producono elettricità.

Il flusso che attraversa le turbine, si scarica nella vasca (3), ed il ciclo si ripete. La quantità di acqua che è immessa nel bacino (1), è la stessa quantità di acqua che esce dalla turbina e si riversa nel bacino di alimentazione della torre piezometrica. In pratica vi è una compensazione continua tra l’acqua che fluisce dalla torre piezometrica e l’acqua che si scarica dalla turbina.

Si aprono le valvole (7) che fanno sì che, per effetto della pressione gravitazionale, che al livello delle valvole (7) è di 1,15 atmosfere circa, partendo da una pressione omogenea che insiste sulla massa d’acqua entro la vasca (3), di 1,25 atmosfere, calcolata su un altezza del pelo libero dell’acqua (8) di metri 2,5, spinge l’acqua che trovasi entro la camera (15), nelle tubazioni (4) e nelle camere (5), una volta che si è aperta la valvola (9) , fino a riempire di nuovo tutta la testa del vano cilindrico (6) sovrastante la camera (5).

In una forma di realizzazione preferita, sono date le seguenti misure :

Misure di ciascun modulo mt.10 x 2,5 x 12.

Ogni modulo è composto da quattro tubi piezometrici rettangolari, posti uno di fronte all’altro, le cui misure interne sono mm. 1250 x 800 avendo come superficie interna 1 mq.

L’impianto completo è composto da 7 moduli, distanziati rispettivamente di 1 m. ognuno dall’altro e connessi tra loro, lungo la verticale della facciata, da 3 collettori (18).

I quattro tubi piezometrici lavorano simultaneamente tra loro; ciascuno ha una portata di litri/s 60.

II ciclo completo per ogni tubo piezometrico è composto da due fasi:

Fase di aspirazione: tempo 5 secondi , corsa 600mm. portata litri/s 120 Fase di scarico tempo 5 secondi, corsa 600mm. portata litri/s 120

Torre di alimentazione a sezione quadrata 5X5 m. Altezza 12 metri.

Salto : 7 m. dall’altezza dell’asse del flusso turbina.

Vasca di calma, rettangolare, lunghezza 10 metri, altezza 3,50 m.

Altezza complessiva del modulo di alimentazione 12 m.

L’impianto essendo concepito di tipo modulare può avere anche più moduli o meno moduli a seconda dell’esigenze, oppure funzionare con uno o più moduli temporaneamente fermi. Opportuno sistema di valvole (16) come mostrato in fig.4 consente la continuità del sistema . Chiudendo le valvole (16) si può svuotare completamente il modulo posto fuori servizio (17) , e il fluido passa tra i moduli in servizio attraverso i collettori di collegamento (18).

I moduli con le turbine vengono posti ai due estremi dell’impianto, per cui se una turbina è ferma per manutenzione , l'impianto a continua a funzionare con l’altro modulo provvisto di turbina.

Inoltre come è visibile nella fig. 2 anche il singolo modulo è smontabile in vari pezzi e trasportabile con facilità , quindi può essere riassemblato in un qualsiasi posto, oppure in caso di rotture o danneggiamenti di singole parti.

I moduli di cemento armato o calcestruzzo leggero isolante, sono ricoperti esternamente da pannelli in legno lamellare, tipo pannelli per casseformi per cemento armato, mentre all’interno si utilizzano gli stessi pannelli ricoperti da una guaina isolante. Il che consente un ottimo isolamento termico.

Tutto il sistema, Γ apertura o chiusure delle valvole, ivi compresa la camera rigida (premente o aspirante) posta alla testa del bacino superiore del tubo piezometrico, sono comandate da pistoni pneumatici, alimentati da un serbatoio di stoccaggio di aria compressa. Il funzionamento ottimale delle valvole, nel presente sistema, è della massima importanza, perché da esse deriva la possibilità che il sistema funzioni.

Le valvole sono utilizzate per isolare un componente dal resto dell’impianto così, esse sono o tutte aperte o tutte chiuse. Tutte le operazioni di apertura e di chiusura di queste valvole avvengono ad una velocità tale e con una sincronizzazione da mantenere le variazioni di pressione entro limiti accettabili ed evitare pericolose sovrappressioni o depressioni (colpi d’ariete). La conformazione costruttiva delle valvole è stata scelta per evitare al massimo le perdite di carico indotte dal passaggio attraverso la valvola aperta. Le valvole a farfalla sono costruttivamente semplici e robuste, e possono essere azionate pneumaticamente . Nella valvola a farfalla un otturatore a forma di lente, montato su un albero, ruota fino ad chiudere il passaggio ; sotto pressione, le dui facce della lente sono sottoposte al medesimo carico, cosicché la valvola si manovra facilmente e consente la chiusura rapida, quasi istantaneamente, sebbene la chiusura richiede, comunque, almeno alcuni secondi.

E’ possibile utilizzare anche valvole a sfera e rotative che danno minori perdite di carico, rispetto alle valvole a farfalla, e sono anche molto diffuse malgrado il loro maggior costo.

Nella presente invenzione , la pressione gravitazionale diviene una fonte primaria di energia per alimentare gran parte del sistema idroelettrico. L’utilizzo della torre piezometrica, fa in modo che il fluido in esso, si comporti come se fosse in uno spazio in assenza di gravità. Quindi il trasporto del fluido da una quota più bassa ad una quota più alta avviene per gravità, quindi in maniera molto efficiente, il che consente all’impianto, oggetto della presente invenzione un altissimo rendimento.

Ulteriori vantaggi dell’impianto descritto nella presente domanda di brevetto, possono essere compendiati nei seguenti:

a) Ogni modulo pur essendo di limitata potenza unitaria, possono diventare complessivamente molto numerosi, e quindi apportare un contributo non trascurabile. Nell’attuale contesto di liberalizzazione del mercato elettrico posson contribuire positivamente alla generazione distribuita e all’ampliamento del mix energetico;

b) Γ impianto idroelettrico realizzato secondo gli insegnamenti della presente invenzione, è caratterizzato da modalità costruttive e organizzative di scarso impatto sul territorio; inoltre i costi di gestione, almeno per l'ordinario funzionamento, sono molto bassi;

c) i costi di installazione e tempi di ritorno di investimento sono competitivi rispetto alle altre fonti di energia rinnovabili;

d) i costi di gestione sono bassi, con la riduzione al minimo delle spese di conduzione e di manutenzione, essendo l'impianto destinato a funzionare con esercizio automatico non presidiato, quindi senza personale di turno addetto alla conduzione;

e) alta affidabilità dovuta alla massima semplificazione degli schemi degli indispensabili automatismi, elettrici e pneumatici , al fine di ridurre il numero dei componenti, facilitare la ricerca e l'eliminazione dei guasti.

f) Può essere costruito in gran parte utilizzando materiali commerciali a basso impatto ambientale.

Claims (9)

1. Rivendicazioni 1) Impianto idroelettrico modulare caratterizzato dal fatto che ciascun modulo, è costituito da due bacini sovrapposti, bacino di carico e bacino di calma ed alimentazione , da almeno una torre piezometrica di collegamento sormontato da una camera di aspirazione - compressione e collegata ad una tubazione di equalizzazione della pressione , e almeno una turbina posizionata inferiormente nel bacino superiore, ed in cui l’acqua percorre, per effetto della gravità, un circuito chiuso e regolato dall’apertura e chiusura di valvole a funzionamento pneumatico .
2. 2) Impianto idroelettrico modulare come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che il bacino di carico ha una struttura a torre in tecnopolimero e in acciaio, riempita d’acqua fin quasi alla sommità (2) , che si appoggia su una vasca sottostante di raccolta dell’acqua e che fa da bacino di calma e di alimentazione (3) della torre piezometrica.
3. 3) Impianto idroelettrico modulare come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che alla vasca di raccolta (3) si collega una torre piezometrica costituita da una condotta (4), che termina, in una camera inferiore (15) ed una superiore (5) quest’ultima sormontata da una camera di aspirazione - compressione (6) .
4. 4) Impianto idroelettrico modulare come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che vi è una valvola (7) all’estremità inferiore del condotto (4) afferente alla camera (15) e al bacino (3); un'altra valvola (9) tra l’estremità superiore della condotta (4) e la camera (5); un'altra valvola a farfalla (10) a funzionamento pneumatico sul condotto (14) tra la camera (5) e il bacino di carico (1), che è seguita da un’ulteriore valvola pneumatica di sicurezza 11) , tipo Capler, che non consente l’inversione del flusso di mandata dal bacino (1).
5. 5) Impianto idroelettrico modulare come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che sul condotto (14), tra la camera (5) e la valvola (10) vi è innestato una tubazione di derivazione (12) su cui è presente una valvola (13), sempre a funzionamento pneumatico, che permette alle due zone, bacino di carico (1) e camera (5) di eguagliarsi in termini di pressione, e la fase di scarico avviene alla medesima pressione di 1,25 atm.
6. 6) Impianto idroelettrico modulare come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che il bacino di carico a torre (1) è a sezione quadrata 5X5 m. ed altezza 12 metri; il salto è 7 m. dall’altezza dell’asse del flusso turbina; la vasca di raccolta (3) è rettangolare, con una lunghezza 10 metri, altezza 3,5 m. profondità 2,5 m.; la tubazione piezometrica (4) ha un diametro interno 1262 mm., e una portata 120 litri/s.; una altezza complessiva 12 m .
7. 7) Impianto idroelettrico modulare come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che ciascun modulo, è costituito da due bacini sovrapposti, da almeno una torre

   piezometrica di collegamento sormontato da una camera di aspirazione -compressione, collegata ad una tubazione di equalizzazione della pressione , ed in cui l’acqua percorre, per effetto della gravità, un circuito chiuso e regolato dall’apertura e chiusura di valvole a funzionamento pneumatico .
8. 8) Impianto idroelettrico modulare come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che ciascun modulo, è smontabile in vari pezzi e può essere riassemblato .
9. 9) Impianto idroelettrico modulare come a rivendicazione 1) caratterizzato dal fatto che per ciascun modulo, chiudendo le valvole (16) si può svuotare completamente il modulo posto fuori servizio (17) , e il fluido passa tra i moduli in servizio attraverso i collettori di collegamento (18).