La Centrale Termoelettrica
La Centrale a Turbogas La Centrale a Ciclo Combinato La Centrale Elettronucleare Minitest Turbine Alternatore Trasformatore Minitest
LA CENTRALE TERMOELETTRICA Una centrale termoelettrica è un impianto che usa i combustibili fossili per produrre energia elettrica. 1. CALDAIA – Il combustibile fossile, stoccato in grandi serbatoi, viene bruciato e sprigiona sotto forma di energia termica tutta la sua energia chimica. 2. SERPENTINA – All’interno della caldaia c’è una tubatura a serpentina nella quale circola acqua che passa allo stato di vapore, ad alta temperatura e pressione, dotato di una grande energia cinetica. 3. TURBINA – Il vapore in pressione giunge alle pale di una turbina, mettendola in movimento: l’energia cinetica viene trasformata in energia meccanica. 4. ALTERNATORE – La turbina trasmette il suo movimento all’alternatore, che trasforma l’energia meccanica trasmessa in energia elettrica. 5. TRASFORMATORE – L’energia elettrica prodotta dall’alternatore è trasmessa al trasformatore, che ne innalza la tensione prima di immetterla nella rete di distribuzione. 6. CONDENSATORE – Il vapore che esce dalla turbina è riportato allo stato liquido nel condensatore, in modo da essere reintrodotto nella caldaia per iniziare nuovamente il ciclo. 7. CAMINO – I fumi provocati dalla combustione vengono espulsi attraverso il camino, dopo essere stati filtrati per eliminare i residui più inquinanti.
ENERGIA CHIMICA
•All’interno della caldaia l’energia chimica del combustibile diventa energia termica.
ENERGIA TERMICA
•L’energia termica trasforma l’acqua in vapore, che si muove ad alta velocità, quindi con grande energia cinetica
ENERGIA CINETICA
•L’energia cinetica del vapore fa muovere le pale della turbina, che, a loro volta, mettono in funzione l’alternatore •L’energia meccanica prodotta dalle turbine ENERGIA viene trasformata in MECCANICA energia elettrica dall’alternatore.
ENERGIA ELETTRICA
LA CENTRALE A TURBOGAS Le centrali a turbogas sono centrali termoelettriche in cui si sfrutta direttamente l’energia prodotta dalla combustione di metano o gasolio e funzionano senza la caldaia per trasformare acqua in vapore e senza condensatore per ritrasformare il vapore in acqua. Le parti fondamentali di una centrale a turbogas sono: Compressore: aspira aria dall’atmosfera, la comprime e la invia alla camera di combustione; Camera di combustione: dove avviene la combustione fra l’aria e un combustibile (metano o gasolio); Turbina a gas: la miscela di aria e gas ad alta temperatura entra in turbina dove l’espansione dei gas mette in movimento le pale del rotore, che a sua volta mette in rotazione l’alternatore producendo elettricità.
ENERGIA CHIMICA
•All’interno della camera di combustione chimica del combustibile diventa energia termica e cinetica.
ENERGIA CINETICA
•L’energia cinetica della miscela fa muovere le pale della turbina, che, a loro volta, mettono in funzione l’alternatore
ENERGIA MECCANICA
•L’energia meccanica prodotta dalle turbine viene trasformata in energia elettrica dall’alternatore.
ENERGIA ELETTRICA LA CENTRALE A CICLO COMBINATO Le centrali a ciclo combinato sono centrali termoelettriche a turbogas con l’aggiunta del Generatore di Vapore a Recupero: i gas che attraversano la turbina a gas vengono inviati nei generatori di vapore di recupero, nei quali quasi tutto il loro calore (da 500 °C a 110 °C) viene ceduto all'acqua della caldaia, che diventa vapore surriscaldato. Il vapore poi genera il movimento della turbina a vapore, allo stesso modo della centrale termoelettrica. Quindi, in una centrale a ciclo combinato si produce energia elettrica attraverso due processi diversi ma collegati: 1) Gruppo Turbogas con compressore, camera di combustione, turbina a gas, alternatore, trasformatore; 2) Gruppo Vapore con generatore di vapore a recupero, turbina a vapore, alternatore, trasformatore. In questo modo, consumando la stessa quantità di combustibile (metano o gasolio), si riesce a produrre quasi il doppio di energia elettrica.
LA CENTRALE ELETTRONUCLEARE Una centrale elettronucleare è un impianto che usa elementi radioattivi per la produzione di energia elettrica, analogamente alle centrali termoelettriche, ma il calore per vaporizzare l’acqua viene prodotto attraverso la fissione nucleare. I componenti principali sono: 1. NOCCIOLO – Qui avviene la fissione e il materiale radioattivo sprigiona sotto forma di energia termica tutta la sua energia chimica (nucleare). 2. REATTORE – All’interno del reattore c’è uno scambiatore di calore nel quale circola acqua, che passa allo stato di vapore ad alta temperatura e pressione, dotato di una grande energia cinetica. 3. TURBINA – Il vapore in pressione giunge alle pale di una turbina, mettendola in movimento: l’energia cinetica viene trasformata in energia meccanica. 4. ALTERNATORE – La turbina trasmette il suo movimento all’alternatore, che trasforma l’energia meccanica trasmessa in energia elettrica. 5. TRASFORMATORE – L’energia elettrica prodotta dall’alternatore è trasmessa al trasformatore, che ne innalza la tensione prima di immetterla nella rete di distribuzione. 6. CONDENSATORE – Il vapore che esce dalla turbina è riportato allo stato liquido nel condensatore, in modo da essere reintrodotto nella caldaia per iniziare nuovamente il ciclo.
Trasformazioni energetiche ENERGIA CHIMICA (NUCLEARE)
•All’interno del nocciolo l’energia nucleare dell’uranio (combustibile) diventa energia termica.
ENERGIA TERMICA
•L’energia termica trasforma l’acqua in vapore, che si muove ad alta velocità, quindi con grande energia cinetica
ENERGIA CINETICA
•L’energia cinetica del vapore fa muovere le pale della turbina, che, a loro volta, mettono in funzione l’alternatore
ENERGIA MECCANICA
•L’energia meccanica prodotta dalle turbine viene trasformata in energia elettrica dall’alternatore.
ENERGIA ELETTRICA
MINITEST 1) Quale differenza c’è tra la corrente alternata e la corrente continua? 2) Se il circuito primario di un trasformatore ha 500 spire e quello secondario 4000 spire, qual è la corrente di uscita se la corrente in ingresso è pari a 800 V? 3) In quale macchina della centrale termoelettrica avviene la trasformazione da energia cinetica ad energia meccanica? 4) Quali macchine sono presenti in una centrale a turbogas rispetto ad una centrale termoelettrica? Per quale motivo esiste questa differenza? 5) Quali macchine sono presenti in una centrale a ciclo combinato rispetto ad una centrale a turbogas? Cosa comporta questa differenza? 6) Cosa avviene nel reattore e nel nocciolo di una centrale nucleare? 7) Quali sono gli elementi in comune e le differenze tra una centrale termoelettrica ed una centrale nucleare? 8) Perché si può dire che l’energia nucleare è un’energia pulita?
9) Quali sono i problemi ambientali legati alla produzione di energia elettrica da centrali nucleari?
TURBINE La turbina a vapore sfrutta l’energia cinetica generata dalla pressione del vapore di una caldaia, convertendola in energia meccanica impressa ad un organo rotante chiamato albero. Questo albero è dotato di palette, contenute in cilindri separati, attraverso le quali passa il vapore. Nelle centrali termoelettriche le turbine a vapore mettono in movimento un generatore elettrico (alternatore). Le turbine che sono azionate dall’acqua sono dette turbine idrauliche, quelle azionate dal vapore sono dette turbine a vapore. Turbine a vapore – La turbina possiede un organo fisso, detto distributore e uno mobile, detto girante. La girante è costituita da una serie di grandi ruote metalliche che recano numerose «palette». L’energia cinetica del vapore mette in moto le palette, che, a loro volta, fanno girare l’asse rotante della turbina collegato all’alternatore. La turbina a vapore è divisa in due (o anche tre) settori: nel primo il vapore arriva ad alta pressione e bastano palette di piccole dimensioni per mettere in moto l’albero rotante; nel settore successivo si sfrutta l’energia cinetica residua del vapore, che, quindi ha bisogno di palette più grandi per mantenere in azione l’albero rotante.
ALTERNATORE L’alternatore è un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di cavi elettrici di rame. L’alternatore riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina in energia elettrica a corrente alternata.
TRASFORMATORE Il trasformatore è una macchina elettrica che serve a trasferire energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. È formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame. Il trasformatore innalza la tensione della corrente prodotta dall’alternatore (6000-25000 V) fino a 500000 V (corrente ad alta tensione) perché così è più facilmente trasportabile per mezzo degli elettrodotti.
MINITEST 1) Qual è la funzione di una turbina in una centrale elettrica? 2) Perché le dimensioni delle palette di una turbina aumentano man mano? 3) Quale elemento collega la turbina all’alternatore? 4) Qual è il principio di funzionamento dell’alternatore? 5) Qual è il principio di funzionamento di un trasformatore?
IL CAMPANELLO ELETTRICO Il campanello elettrico è un dispositivo elettromeccanico utilizzato per richiamare l'attenzione su uno specifico evento. Il campanello elettrico posto sulle porte delle abitazioni è un tipico esempio del suo utilizzo così come lo è la “campanella” nelle scuole. Fu inventato dal fisico Joseph Henry nel 1831, assieme al buzzer elettrico che ne è il componente fondamentale. Il funzionamento del campanello elettrico è basato sul fenomeno dell'elettromagnetismo ovvero la capacità di generare un campo magnetico da parte della corrente elettrica. I componenti di un campanello elettromeccanico sono: elettrocalamita, percussore (montato sull'estremità di una lamina elastica di metallo), vite di regolazione, campana. In condizione di riposo la lamina è appoggiata sulla vite di regolazione, il contatto mobile lamina/vite di regolazione è chiuso, il pulsante di accensione è aperto: nel circuito non scorre nessuna corrente. Premendo il pulsante di accensione la corrente circola attraverso il contatto mobile nell'elettrocalamita che attira a sé il percussore che di conseguenza va a colpire la campana. L'avvicinamento del percussore all'elettrocalamita fa sì che il contatto mobile si apra con conseguente interruzione della corrente nel circuito: la lamina torna quindi indietro fino alla sua posizione di riposo. Il ritorno della lamina in posizione di riposo provoca nuovamente la chiusura del contatto mobile con conseguente inizio di un nuovo ciclo. L'effetto risultante è una oscillazione del percussore fra posizione di riposo e posizione di percussione della campana che provoca il classico ronzio o trillo del campanello. L'oscillazione del percussore dura per tutto il tempo in cui il pulsante di accensione rimane premuto.
IL TELEGRAFO Negli anni di inizio Ottocento si stavano studiando i fenomeni elettrici, a partire dalle cariche elettrostatiche. ll telegrafo elettrico rappresentò il primo impiego pratico dell’elettricità. Nel 1837 Samuel Morse inventò un telegrafo che ebbe subito ampia diffusione. Usava un codice simbolico per rappresentare le lettere e i numeri (alfabeto Morse). Aveva la possibilità di lasciare traccia su carta il codice trasmesso. Morse inventò un apparato telegrafico nel quale usava un solo filo e un codice, detto poi “alfabeto Morse”, impiegando per trasmettere le lettere dell’alfabeto un sistema di impulsi elettrici più o meno lunghi, corrispondenti convenzionalmente a un linguaggio di linee e punti. La conversione del testo nell’alfabeto Morse veniva operata da un addetto, il telegrafista, mentre un altro telegrafista provvedeva all’arrivo a decifrare il messaggio riportandolo nel linguaggio delle lettere. Mentre in partenza il messaggio era “battuto” su una levetta (tastierino) che collegava o interrompeva un circuito elettrico ad opera del telegrafista, in arrivo il messaggio veniva trascritto su una striscia di carta direttamente dall’apparecchio telegrafico: la corrente agiva su un magnete che attirava una specie di penna, la quale incideva linee e punti su una striscia di carta fatta muovere lentamente da un idoneo dispositivo. Sulla base del linguaggio di linee e punti inciso sulla carta, il telegrafista ricostruiva le parole del messaggio.
Le linee telegrafiche