La potenza meccanica dell’acqua che cade è uno strumento antico. Fu usato dai greci per trasformare le ruote idrauliche per macinare il grano in farina, più di 2.000 anni fa . La disponibilità di schiavi a basso costo e il lavoro degli animali, però, limitato la sua applicazione diffusa fino a circa il 12 ° secolo. Durante il Medioevo furono sviluppate grandi ruote idrauliche in legno con una potenza massima di circa 50 CV. La moderna potenza idrica su larga scala deve il suo sviluppo all’ingegnere civile britannico John Smeaton, che per primo costruì grandi ruote idrauliche in ghisa.
L’energia idrica ha svolto un ruolo importante nella rivoluzione industriale. Ha dato impulso alla crescita delle industrie tessili, della pelle e delle macchine nei primi anni del 19 ° secolo. Sebbene il motore a vapore fosse già stato sviluppato, il carbone era scarso e il legno insoddisfacente come combustibile. L’energia idrica ha contribuito a sviluppare le prime città industriali in Europa e negli Stati Uniti fino a quando l’apertura dei canali ha fornito carbone a basso costo entro la metà del 19 ° secolo.
Dighe e canali erano necessari per l’installazione di ruote idrauliche successive quando la caduta era maggiore di 5 m (16 ft). La costruzione di grandi dighe di stoccaggio, tuttavia, non era fattibile e i bassi flussi d’acqua durante l’estate e l’autunno, insieme alla formazione di ghiaccio durante l’inverno, hanno portato alla sostituzione di quasi tutte le ruote idrauliche con il vapore quando il carbone divenne prontamente disponibile.
La prima centrale idroelettrica fu costruita nel 1880 a Cragside, Northumberland, Inghilterra. La rinascita del potere idrico è venuto con lo sviluppo del generatore elettrico, un ulteriore miglioramento della turbina idraulica, e la crescente domanda di energia elettrica entro la fine del 20 ° secolo. Nel 1920 le centrali idroelettriche rappresentavano già il 40 per cento dell’energia elettrica prodotta negli Stati Uniti.
Il principio di base del funzionamento della maggior parte degli impianti principali è rimasto lo stesso da allora. Le piante dipendono da un grande serbatoio di stoccaggio dell’acqua a monte di una diga in cui il flusso dell’acqua può essere controllato e un livello dell’acqua quasi costante può essere assicurato. L’acqua scorre attraverso condotti, chiamati penstocks, Okinawa acqua di mare pompato Power Plantwhich sono controllati da valvole o cancelli turbina per regolare la portata in linea con la domanda di energia. L’acqua entra quindi nelle turbine e le lascia attraverso la cosiddetta tailrace. I generatori di corrente sono montati direttamente sopra le turbine su alberi verticali. La progettazione delle turbine dipende dalla testa d’acqua disponibile, con le cosiddette turbine Francis utilizzate per le teste alte e le turbine a elica utilizzate per le teste basse.
A differenza degli impianti di stoccaggio, che dipendono dal sequestro di grandi quantità di acqua, esistono alcuni esempi in cui sia la goccia d’acqua che la portata costante sono abbastanza elevate da consentire le cosiddette installazioni di run-of-the-river; uno di questi è il joint US-Canadian Niagara Falls power project.
Nel 1700, gli americani riconobbero i vantaggi dell’energia idroelettrica meccanica e la usarono ampiamente per la fresatura e il pompaggio. All’inizio del 1900, l’energia idroelettrica rappresentava oltre il 40 per cento della fornitura di elettricità degli Stati Uniti. Nel 1940 l’energia idroelettrica forniva circa il 75% di tutta l’elettricità consumata nell’Ovest e nel Pacifico nord-occidentale, e circa un terzo dell’energia elettrica totale degli Stati Uniti. Con l’aumento dello sviluppo di altre forme di produzione di energia elettrica, la percentuale di energia idroelettrica è lentamente diminuita e oggi fornisce circa un decimo dell’elettricità degli Stati Uniti.
Le prime centrali idroelettriche erano stazioni a corrente continua costruite per alimentare l’illuminazione ad arco e ad incandescenza durante il periodo dal 1880 al 1895 circa. Gli anni dal 1895 al 1915 videro rapidi cambiamenti nella progettazione idroelettrica e una grande varietà di stili di impianto costruiti. La progettazione di impianti idroelettrici divenne abbastanza ben standardizzata dopo la prima guerra mondiale, con la maggior parte dello sviluppo negli anni ’20 e’ 30 relativo agli impianti termici e alla trasmissione e distribuzione.
Di seguito sono elencati alcuni eventi importanti della storia idroelettrica:
1826 L’ingegnere francese Benoit Fourneyron sviluppò una turbina ad alta efficienza (80%) in cui l’acqua veniva diretta tangenzialmente attraverso il canale della turbina facendola ruotare. Un altro ingegnere francese, Jean V. Poncelet, progettò una turbina a flusso interno nel 1826 che utilizzava gli stessi principi. Non fu costruito fino al 1838 quando S. B. Howd ottenne un brevetto statunitense per un progetto simile.1848 James B. Francis migliorò questi progetti per creare una turbina con il 90% di efficienza.
1870 il primo progetto idroelettrico al mondo a Cragside, Rothbury, Inghilterra forniva luce elettrica.1880 il primo uso industriale di energia idroelettrica per generare elettricità si è verificato a Grand Rapids Michigan quando 16 lampade ad arco pennello sono stati alimentati utilizzando una turbina ad acqua presso la fabbrica Wolverine Chair a Grand Rapids, Michigan1881 a Niagara Falls, New York una dinamo pennello è stato collegato ad una turbina in mulino di Quigley per accendere lampioni della città.1882 ad Appleton, Wisconsin, la prima centrale idroelettrica ad utilizzare il sistema Edison fu la Vulcan Street Plant.
1887 la stazione di San Bernadino, California, High Grove è stata la prima centrale idroelettrica nell’ovest degli Stati Uniti 1889 a Oregon City, Oregon, la stazione di Willamette Falls è stata la prima centrale idroelettrica a corrente alternata. Ha trasmesso potenza monofase 13 miglia a Portland a 4.000 volt, è sceso a 50 volt per la distribuzione.
1891 a Frankfort sul Meno, in Germania, il primo sistema idroelettrico trifase fu utilizzato per una linea dimostrativa di 175 km e 25.000 volt dallo stabilimento di Lauffen.
1895 la prima centrale idroelettrica di proprietà pubblica nell’emisfero australe fu completata a Duck Reach, Tasmania e fornì energia alla città di Launceston per l’illuminazione stradale.
1898 Decew Falls 1, St. Catherines, Ontario, Canada è stato completato. Di proprietà di Ontario Power Generation, quattro unità sono ancora operative. Il 25 agosto 1898 questa stazione trasmise energia a 22.500 Volt, 66 2/3 Hz, bifase, una distanza di 56 km da Hamilton, Ontario. Utilizzando la tensione superiore consentito trasmissione efficiente su quella distanza. (Riconosciuto come una pietra miliare IEEE in Ingegneria elettrica & Computing dal Comitato esecutivo IEEE nel 2002)
1901 a Trenton Falls, New York, vide la prima installazione di turbine a reazione ad alta testa progettate e costruite negli Stati Uniti 1905 a Sault Ste. Marie, Michigan, il primo impianto a testa bassa con turbine e generatori ad albero verticale collegati direttamente è stato costruito
1906 a Ilchester, nel Maryland, è stata costruita una centrale idroelettrica completamente sommersa all’interno della diga di Ambursen.1911 R. D. Johnson ha inventato il serbatoio differenziale dell’impulso e la valvola idrostatica di Johnson.
1912 a Holtwood, Pennsylvania, ci fu la prima installazione commerciale di un cuscinetto verticale di spinta Kingsbury in centrale idroelettrica.
1914 S. J. Zowski sviluppò la turbina Francis (High Specific Speed Reaction) per applicazioni a testa bassa.
1916, ci fu la prima installazione commerciale di turbina a pale fisse progettata da Forrest Nagler.
1917 il tubo hydracone draft è stato brevettato da W. M. White.
1919 Viktor Kaplan ha dimostrato un corridore regolabile della turbina dell’elica della lama a Podebrady, Cecoslovacchia.
Nel 1922 fu costruita per la prima volta una centrale idroelettrica per la produzione di energia elettrica.
1929 il Rocky River Plant di New Milford, Connecticut, fu il primo grande impianto idroelettrico di pompaggio.
Per ulteriori informazioni : Una risorsa raccomandata che descrive la storia dell’idroelettricità è l’insieme di due volumi di Sviluppo idroelettrico negli Stati Uniti 1880-1940, preparato per la Task Force sulla gestione delle risorse culturali, Edison Electric Institute, Duncan Hay, New York State Museum, 1991. Questo libro descrive lo sviluppo idroelettrico americano dal primo utilizzo dell’energia idroelettrica intorno al 1880 fino al 1940, quando c’erano oltre 1500 impianti idroelettrici in linea che producevano circa un terzo dell’energia elettrica degli Stati Uniti. Ciò si confronta con oggi quando meno di un decimo dell’energia è idroelettrica.
Storia delle centrali idroelettriche e elettriche nella regione del Niagara
Lo schema Snowy Mountains, New South Wales, Australia, è uno dei più complessi sistemi integrati di acqua e energia idroelettrica al mondo, che ha richiesto 25 anni per essere costruito. Informazioni sullo sviluppo sono disponibili sul sito web Snowy Hydro.
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