Hydropower
Le prime testimonianze di ruote idrauliche e mulini ad acqua risalgono al Vicino Oriente antico nel IV secolo a.C., in particolare nell’Impero Persiano prima del 350 a.C., nelle regioni di Iraq, Iran ed Egitto.
Nell’impero romano i mulini ad acqua sono stati descritti da Vitruvio entro il primo secolo a.C. Il mulino Barbegal aveva sedici ruote ad acqua che lavoravano fino a 28 tonnellate di grano al giorno. Le ruote idrauliche romane erano anche usate per segare il marmo, come la segheria di Hierapolis della fine del III secolo d.C. Queste segherie avevano una ruota idraulica che azionava due bielle per alimentare due seghe. Appare anche in due segherie romane orientali del 6° secolo scavate rispettivamente a Efeso e Gerasa. Il meccanismo a manovella e biella di questi mulini romani convertiva il movimento rotatorio della ruota ad acqua nel movimento lineare delle lame della sega.
In Cina, è stato teorizzato che i martelli e i mantici ad acqua della dinastia Han (202 a.C. – 220 d.C.) fossero alimentati da pale d’acqua, ma gli storici successivi hanno creduto che fossero alimentati da ruote ad acqua sulla base del fatto che le pale d’acqua non avrebbero avuto la forza motrice per far funzionare i mantici degli altiforni. Prove di ruote idrauliche verticali Han possono essere viste in due modelli contemporanei di articoli funerari che raffigurano martelli ad acqua. I primi testi che descrivono il dispositivo sono il dizionario Jijiupian del 40 a.C., il testo di Yang Xiong conosciuto come il Fangyan del 15 a.C., così come lo Xin Lun scritto da Huan Tan circa il 20 d.C. Fu anche in questo periodo che l’ingegnere Du Shi (31 d.C. circa) applicò la potenza delle ruote idrauliche ai soffietti a pistone nella forgiatura della ghisa.
La potenza di un’onda d’acqua rilasciata da un serbatoio fu usata per l’estrazione di minerali metallici in un metodo noto come hushing. Il metodo fu usato per la prima volta nelle miniere d’oro di Dolaucothi in Galles a partire dal 75 d.C., ma era stato sviluppato in Spagna in miniere come Las Médulas. La spolveratura era anche ampiamente usata in Gran Bretagna nel Medioevo e nei periodi successivi per estrarre minerali di piombo e stagno. Più tardi si evolse in estrazione idraulica durante la corsa all’oro in California.
Nel mondo musulmano durante l’età dell’oro islamica e la rivoluzione agricola araba (VIII-XIII secolo), gli ingegneri fecero largo uso dell’energia idroelettrica così come i primi usi dell’energia delle maree, e grandi complessi industriali idraulici. Una varietà di mulini industriali azionati dall’acqua furono usati nel mondo islamico, tra cui mulini di follatura, mulini a macina, mulini a carta, mondatrici, segherie, mulini di navi, mulini a timbro, mulini di acciaio, mulini di zucchero e mulini a marea. Entro l’XI secolo, ogni provincia del mondo islamico aveva questi mulini industriali in funzione, da Al-Andalus e dal Nord Africa al Medio Oriente e all’Asia centrale. Gli ingegneri musulmani usavano anche turbine ad acqua, impiegavano ingranaggi nei mulini ad acqua e nelle macchine per il sollevamento dell’acqua, e furono pionieri nell’uso delle dighe come fonte di energia idrica, usate per fornire ulteriore potenza ai mulini ad acqua e alle macchine per il sollevamento dell’acqua.
L’ingegnere meccanico islamico Al-Jazari (1136-1206) ha descritto i progetti di 50 dispositivi, molti dei quali alimentati dall’acqua, nel suo libro, Il libro della conoscenza dei dispositivi meccanici ingegnosi, tra cui orologi, un dispositivo per servire il vino, e cinque dispositivi per sollevare l’acqua da fiumi o piscine, anche se tre sono alimentati da animali e uno può essere alimentato da animali o acqua. Questi includono un nastro senza fine con brocche attaccate, uno shadoof alimentato da mucche, e un dispositivo alternativo con valvole a cerniera.
Nel 1753, l’ingegnere francese Bernard Forest de Bélidor pubblicò Architecture Hydraulique che descriveva macchine idrauliche ad asse verticale e orizzontale. La crescente domanda della Rivoluzione Industriale avrebbe guidato anche lo sviluppo.
Le reti di potenza idraulica usavano tubi per trasportare acqua pressurizzata e trasmettere potenza meccanica dalla fonte agli utenti finali. La fonte di energia era normalmente una testa d’acqua, che poteva anche essere assistita da una pompa. Queste erano estese nelle città vittoriane del Regno Unito. Una rete di energia idraulica fu sviluppata anche a Ginevra, in Svizzera. Il Jet d’Eau, famoso in tutto il mondo, fu originariamente progettato come valvola di scarico per la sovrapressione della rete.
All’inizio della rivoluzione industriale in Gran Bretagna, l’acqua era la principale fonte di energia per nuove invenzioni come il telaio ad acqua di Richard Arkwright. Anche se l’uso della forza dell’acqua ha lasciato il posto alla forza del vapore in molti dei più grandi mulini e fabbriche, è stato ancora usato durante il 18° e 19° secolo per molte operazioni più piccole, come l’azionamento dei mantici in piccoli altiforni (ad es. la fornace Dyfi) e i mulini a macina, come quelli costruiti a Saint Anthony Falls, che utilizza il salto di 50 piedi (15 m) del fiume Mississippi.
Negli anni 1830, al picco iniziale della costruzione di canali negli Stati Uniti, l’energia idroelettrica forniva l’energia per trasportare il traffico di chiatte su e giù per ripide colline usando ferrovie a piano inclinato. Quando le ferrovie superarono i canali per il trasporto, i sistemi di canali furono modificati e sviluppati in sistemi idroelettrici; la storia di Lowell, Massachusetts, è un classico esempio di sviluppo commerciale e industrializzazione, costruito sulla disponibilità di energia idrica.
I progressi tecnologici avevano spostato la ruota ad acqua aperta in una turbina chiusa o motore ad acqua. Nel 1848 James B. Francis, mentre lavorava come ingegnere capo della società Locks and Canals di Lowell, migliorò questi progetti per creare una turbina con un’efficienza del 90%. Egli applicò principi scientifici e metodi di prova al problema della progettazione della turbina. I suoi metodi di calcolo matematico e grafico hanno permesso la progettazione sicura di turbine ad alta efficienza che corrispondono esattamente alle condizioni di flusso specifiche di un sito. La turbina a reazione Francis è ancora oggi ampiamente utilizzata. Negli anni 1870, derivando dagli usi nell’industria mineraria californiana, Lester Allan Pelton sviluppò la turbina a impulsi a ruota Pelton ad alta efficienza, che utilizzava l’energia idroelettrica dai flussi ad alta prevalenza caratteristici dell’interno montuoso della California.