Generare energia idraulica, è necessario sfruttare il movimento di grandi quantità d'acqua attraverso una cascata, che permette il movimento di una turbina. Una delle turbine più utilizzate nella generazione idroelettrica è la Turbina Kaplan. Questo tipo di turbina viene utilizzata in cascate di piccole dimensioni, fino a poche decine di metri, dove la portata è elevata.
In questo articolo spiegheremo in dettaglio in cosa consiste la turbina Kaplan, le sue caratteristiche principali e come viene utilizzata nella generazione di energia idraulica.
Cos'è la turbina Kaplan
La Turbina Kaplan Si tratta di una tipologia di turbina idraulica a getto, progettata per operare in ambienti con dislivelli ridotti, da pochi metri a poche decine. Richiede anche grandi flussi, tra 200 e 300 metri cubi al secondo, che la rende una turbina molto efficiente per la generazione di energia idraulica, una fonte di energia rinnovabile.
È stato inventato dal professore austriaco Viktor Kaplan nel 1913, e la sua struttura innovativa lo rende particolarmente adatto a situazioni in cui la portata dell'acqua è variabile. Una delle caratteristiche fondamentali di questa turbina è che le sue pale possono essere orientate secondo la direzione del flusso, ottimizzandone le prestazioni anche quando la portata è solo il 20-30% della sua portata nominale.
Un'ulteriore caratteristica di molte turbine Kaplan è che fanno parte di sistemi di generazione di energia che includono statori fissi, che ottimizzano il flusso dell'acqua che alimenta la turbina, migliorando così la capacità di generazione di elettricità. Efficienza della turbina Kaplan Può rimanere elevato in un ampio intervallo di portate, rendendolo un elemento chiave in molti impianti idroelettrici.
Principio operativo
Il principio di funzionamento della turbina Kaplan è semplice ma efficiente. L'acqua raggiunge la turbina attraverso un condotto a forma di spirale, che permette di alimentare la turbina lungo tutta la sua circonferenza. L'acqua passa poi attraverso un distributore, che imprime al flusso un movimento rotatorio indispensabile per il funzionamento della turbina.
Una volta che l'acqua entra nella turbina, provoca il giro della girante, deviando il flusso dell'acqua con un angolo di 90° e poi invertendolo assialmente. Questa azione consente alla turbina di sfruttare l'energia cinetica dell'acqua per aumentare la propria efficienza nella generazione di energia.
La Turbina Kaplan Ha la capacità di recuperare parte dell'energia grazie ad un diffusore nel suo sistema di scarico, cosa non comune in tutte le turbine idrauliche. Questo diffusore contribuisce a migliorare le prestazioni della turbina nelle applicazioni in cui la pressione dell'acqua non è elevata, come nelle piccole cascate.
Principali caratteristiche e vantaggi
Uno dei vantaggi più significativi della turbina Kaplan è la sua capacità di regolare le pale in base alla direzione del flusso d'acqua. Ciò consente alla turbina di mantenere un'elevata efficienza in una varietà di condizioni di flusso e pressione.
A differenza delle turbine convenzionali, come le turbine a elica, la Kaplan è dotata di regolatori di flusso che possono regolare sia le pale della girante che l'angolo delle pale del distributore. Questo la rende una delle turbine più versatili sul mercato, in grado di lavorare ampi intervalli di portata e prevalenza, con un'efficienza fino al 90%.
Il campo di funzionamento della turbina Kaplan comprende salti massimi di circa 80 metri e portate fino a 50 metri cubi al secondo. Sebbene condivida alcuni aspetti con le turbine Francis, la Kaplan è particolarmente efficiente in condizioni di portate elevate e prevalenze basse abbassarsi, dove altre turbine perderebbero efficienza.
Come funzionano le turbine nell'energia idroelettrica
In una centrale idroelettrica la regolazione della tensione in uscita è fondamentale per garantire una fornitura elettrica costante. Ciò significa che la velocità della turbina deve rimanere costante anche al variare delle condizioni del flusso d'acqua. Le turbine Kaplan sono progettate per adattarsi a questi cambiamenti, mantenendo costante il flusso d'acqua grazie a sistemi di controllo avanzati.
Le turbine idroelettriche, siano esse Kaplan, Francis o Pélton, dispongono di diversi sistemi di controllo per garantire che rimangano stabili di fronte ai cambiamenti della pressione dell'acqua. In particolare, le turbine Kaplan tipicamente hanno ugelli di bypass, che reindirizzano in modo efficiente l'acqua in eccesso per prevenire i danni causati dal cosiddetto colpo d'ariete, un improvviso aumento della pressione che può essere molto dannoso per le strutture.
Le turbine idrauliche si classificano in base al tipo di cascata e al flusso che gestiscono:
- Grandi salti con piccoli flussi: Vengono utilizzate turbine Pelton.
- Salti medi con flusso maggiore: Vengono utilizzate turbine Francis.
- Piccoli salti con grandi flussi: Vengono utilizzate turbine Kaplan e ad elica.
La quantità di acqua che passa attraverso la turbina è regolata in base alla richiesta elettrica attuale. L'acqua rimanente viene convogliata attraverso canali di scarico per evitare qualsiasi perdita nel sistema. Nei moderni impianti idroelettrici, i sistemi di controllo garantiscono un utilizzo ottimale della portata disponibile, contribuendo a mantenere una produzione energetica efficiente e sostenibile.
Questo articolo tratta in dettaglio il funzionamento, i vantaggi e le caratteristiche delle turbine Kaplan, una delle tecnologie più avanzate ed efficienti per l'utilizzo dell'energia idraulica. Date le loro elevate prestazioni e versatilità, sono una delle opzioni più utilizzate nel settore della generazione di energia dall’acqua.