Turbina idroelettrica a vite archimedea

La turbina idroelettrica a vite archimedea è un relativo nuovo arrivato nel mondo idroelettrico su piccola scala essendo arrivata sulla scena solo negli ultimi dieci anni. Tuttavia, sono state in circolazione per molti decenni come pompe, dove decine di migliaia sono state installate in tutto il mondo, in particolare negli impianti di trattamento delle acque reflue. Gli stessi produttori che dominano il mercato delle pompe sono ora i principali fornitori anche nel mercato dell’energia idroelettrica.

Come suggerisce il nome, Archimede è ampiamente riconosciuto come l’inventore della vite nel 250 a.C., anche se il merito è stato erroneamente attribuito perché erano in uso in Egitto molti anni prima. Storicamente venivano usate nell’irrigazione per sollevare l’acqua a un livello più alto ed erano generalmente azionate da buoi, o anche da esseri umani su versioni più piccole. Il principio di base di una pompa a vite archimedea è mostrato nel diagramma qui sopra. Se la maniglia in cima viene girata in senso antiorario, l’acqua viene portata dal livello inferiore a quello superiore. L’acqua entra nella vite nella parte superiore e il peso dell’acqua spinge sui voli elicoidali, permettendo all’acqua di cadere al livello inferiore e causando la rotazione della vite. Questa energia di rotazione può poi essere estratta da un generatore elettrico collegato all’albero principale della vite.

Le viti archimedee per l’energia idroelettrica sono usate su siti a bassa prevalenza/alta portata. Possono lavorare efficacemente su prevalenze fino a 1 metro, anche se non sono generalmente utilizzate su prevalenze inferiori a 1,5 m (più per ragioni economiche che tecniche). Le coclee singole possono lavorare su teste fino a 8 metri, ma al di sopra di questo valore vengono generalmente usate coclee multiple, anche se in molti casi per teste superiori a 8 metri ci possono essere turbine più appropriate disponibili con un ingombro molto più piccolo.

La portata massima attraverso una vite archimedea è determinata dal diametro della vite. Le viti più piccole hanno un diametro di appena 1 metro e possono far passare 250 litri/secondo, poi aumentano a passi di 250 mm fino a 5 metri di diametro con una portata massima di circa 14,5 m3/s. Il massimo di 5 metri è in realtà basato sulle restrizioni pratiche di consegna, e in molti casi 3 metri è il diametro massimo che può essere consegnato a un sito. Se c’è più flusso disponibile, si possono installare più viti in parallelo.

In termini di potenza di uscita, le viti archimedee più piccole possono produrre solo 5 kW, e le più grandi 500 kW.

Le parti principali di una vite archimedea usata come generatore idroelettrico sono mostrate sotto. La vite vera e propria è sotto il cuscinetto superiore. La vite elicoidale o i ‘voli’ sono fatti da una piastra d’acciaio laminata che è poi saldata a un nucleo centrale d’acciaio. La maggior parte delle viti archimedee hanno tre voli, o tre eliche separate che si avvolgono attorno al nucleo centrale.

Le viti archimedee in genere ruotano a circa 26 rpm, quindi la parte superiore della vite si collega a un riduttore per aumentare la velocità di rotazione tra 750 e 1500 rpm per renderla compatibile con i generatori standard. Anche se ruotano relativamente lentamente, le viti archimedee possono spruzzare acqua, anche se questo è ridotto significativamente dall’uso di un paraspruzzi che corre lungo il lato sinistro della vite, come mostrato sotto.

Anche parecchie viti archimedee sono state installate senza alcuna protezione sopra la vite stessa, sebbene noi raccomandiamo di coprire l’intera vite per evitare che grossi detriti, animali o persino persone vi cadano dentro e vi rimangano intrappolati. La protezione può essere progettata simpaticamente in modo che la vite sia ancora visibile se necessario.

Le viti per turbine idroelettriche Archimedean Screw sono normalmente impostate ad un angolo di 22 gradi dall’orizzontale, che è l’ottimale per le installazioni più convenienti. C’è la possibilità di regolare leggermente l’angolo se il sito lo richiede (per adattarsi a uno spazio particolare, per esempio).

Le migliori coclee a turbina idraulica Archimedean Screw sono a velocità variabile, il che significa che la velocità di rotazione della coclea può essere aumentata o diminuita a seconda della portata disponibile nel fiume. Questo è molto meglio che avere una coclea a velocità fissa e variare la portata attraverso una chiusa automatizzata, che crea alte perdite di carico e ha un impatto sull’efficienza complessiva del sistema. Le coclee a velocità variabile sono anche più silenziose in funzione e non soffrono di ‘back slap’ all’estremità di scarico della coclea.

Una tipica curva di efficienza per una coclea archimedea a velocità variabile di buona qualità è mostrata sotto. Questa è l’efficienza meccanica, quindi non include le perdite del cambio, del generatore e dell’inverter (queste sono circa il 15% in totale). Vale la pena notare che ci sono alcuni fornitori di viti archimedee che “vendono troppo” l’efficienza delle viti, quindi fate attenzione quando confrontate le prestazioni. Una minore efficienza dichiarata potrebbe non essere dovuta al fatto che una particolare vite sia inferiore; potrebbe semplicemente essere che il fornitore sia più onesto!

Una turbina idroelettrica a vite archimedea di buona qualità ha una vita di progetto di 30 anni, che può essere estesa con una revisione importante che include la riattrezzatura dei voli delle viti.

Un vantaggio significativo di una turbina idroelettrica a vite archimedea è la loro tolleranza ai detriti. A causa delle dimensioni relativamente grandi dei facchini della vite e della bassa velocità di rotazione, i detriti relativamente grandi possono passare senza ostacoli e senza danneggiare la vite, e certamente tutti i piccoli detriti come le foglie possono passare senza alcun problema. Questo significa che non sono necessari vagli fini all’ingresso della vite e che possono cavarsela con vagli a barre da 100 o 150 mm. Questo porta a una quantità relativamente modesta di detriti che si accumulano sul vaglio e rimuove la necessità di (costosi) pulitori automatici del vaglio di aspirazione che sono normalmente richiesti nei grandi sistemi idroelettrici a bassa pressione.

La bassa velocità di rotazione e le grandi dimensioni di passaggio del flusso delle viti delle turbine idroelettriche a vite archimedea permettono anche ai pesci di passare a valle attraverso la vite in relativa sicurezza. Le viti archimedee sono spesso pubblicizzate come turbine idro “fish friendly”, e lo sono senza dubbio, anche se noi di Renewables First diciamo che tutti i sistemi idro dovrebbero essere fish friendly, indipendentemente dal tipo di turbina. Nei sistemi idroelettrici non a vite, questo significa semplicemente che sono necessari schermi di aspirazione ben progettati e passaggi per i pesci. Si noti che se il passaggio dei pesci a monte è richiesto in un sito di turbina idroelettrica a vite archimedea, sarà necessario un passaggio per i pesci.

Il vantaggio finale della turbina idroelettrica a vite archimedea è la semplificazione dei lavori di ingegneria civile e delle fondazioni. Poiché le coclee non hanno tubi di pescaggio o pozzi di scarico, significa che la profondità di qualsiasi opera in calcestruzzo sul lato a valle della coclea è relativamente bassa, il che riduce i costi di costruzione. Anche le opere civili sono relativamente semplici, la parte principale sono le fondazioni portanti sotto gli appoggi superiori e inferiori. In condizioni di terreno più morbido, le fondazioni portanti possono essere impilate.

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