FUNDAMENTOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

FUNDAMENTOS DE CENTRALES
HIDROELÉCTRICAS PEQUEÑAS Y SUS
OBRAS ANEXAS
MARCIAL GONZALEZ SALAS
INGENIERO CIVIL HIDRAULICO
JUNIO - 2008
División de Estudios y Desarrollo
Principios de Hidrogeneración
Carga y Caudal
La energía hidráulica se
obtiene cuando
un flujo de agua cae desde
un nivel superior a uno
inferior.
9un curso de agua
escurre por un cauce
“cerro abajo”,
9un río atraviesa una
cascada
9un río atraviesa una
barrera artificial
9un canal o embalse
descarga el agua
devolviéndola al río de
origen
La caída vertical del agua o “carga” es esencial en la
generación hidráulica.
El escurrimiento rápido del agua por si sola no contiene
energía suficiente para generación hidroeléctrica,
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Por consiguiente:
La generación de energía hidroeléctrica
requiere de dos elementos:
¾ un Caudal de agua “Q”
y
¾ una Carga “H”.
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Principios de Hidrogeneración
es la caída vertical máxima de agua
disponible, desde el nivel de captación
en el río hasta el nivel de descarga al
cauce.
La “Carga Bruta”
Menor de 10 metros : “Carga Baja”.
Entre 10 y 50 metros : “Carga Media”
Sobre 50 metros
: “Carga Alta”
Es la diferencia entre la Carga Bruta y
la Carga Real.
La “Carga Neta”
(H)
La Carga Real o “Neta” de una turbina
es algo menor que la “Carga Bruta”
por las pérdidas producidas en el
trayecto del agua hacia la Casa de
Máquina.
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Principios de Hidrogeneración
El “Caudal” (Q) de un río es el
volumen de agua que escurre
por segundo, medido en (m3/s).
En el caso de aprovechamientos pequeños, el caudal se puede expresar
en litros/segundo (l/s) en que 1000 l/s equivalen a 1 m3/s .
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Principios de Hidrogeneración
Potencia y Energía
“Energía”
Es la cantidad de trabajo realizado, o la
capacidad para realizar un trabajo (Joule) .
La “Electricidad” es una forma de energía,
que se expresa en kilowatt-horas (KWh).
“Potencia”
Es la energía generada por segundo.
Se mide en Watts (1 Watt = 1 Joule/s)
1 Kilowatt (KW) son 1000 Watts.
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todo lo anterior son datos para el
Cálculo de la Potencia
P=η.ρ.g.Q.H
P : es la potencia mecánica producida por
el eje de la turbina (Kilowatts)
η : es la eficiencia hidráulica de la turbina
(70% - 90%)
8
ρ : es la densidad del agua (1000 Kg/m3)
g : es la aceleración de gravedad
( 9,81 m/s2)
Q : es el Caudal que pasa por la turbina
(m3/s)
No se compliquen
Alguien lo calculará por Uds.
H : es la Carga Neta del agua sobre la
turbina (m)
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Las hidroturbinas transforman la presión del agua
en potencia mecánica axial, para hacer girar un
generador eléctrico y producir energía eléctrica
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Ventajas de las Centrales Hidroeléctricas Pequeñas
Una de las tecnologías de generación de energía limpia más:
¾ económicas: Bajos costos de operación y mantenimiento
¾Confiables: larga vida útil
¾ De alta eficiencia (70% - 90%) que supera ampliamente a las otras fuentes
de generación eléctrica
¾Con un alto nivel de predicción que depende de los patrones anuales de
precipitaciones
¾Con un factor de planta elevado (generalmente > 50%) si se compara con
la eólica (generalmente < 30%) y la solar
¾Una baja tasa de variabilidad diaria con un cambio gradual en el tiempo
¾Un mínimo impacto ambiental por emplazamiento y operación
¾Amplia experiencia en este tipo de tecnología en el país
¾Escenario legal y ambiental favorable como fuente de ERNC
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Centrales Hidroeléctricas Pequeñas Asociadas a
Obras de Riego
Aspecto clave : Conocer las distintas variaciones en el
entorno físico en que se ubican estas hidrocentrales, que
inciden en sus costos:
¾aspectos geológicos y de mecánica de suelos para el
emplazamiento de las obras,
¾el largo de los canales de aducción,
¾la falta de caminos para trasladar los equipos,
¾los lugares en que se ubican las bocatomas,
¾la distancia de las líneas de transmisión, etc.
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Ingeniería Básica
Aspectos Generales
El costo de construcción de una central hidroeléctrica de pasada depende tanto de la
altura de caída como de los caudales disponibles.
1.- Barrera de captación
2.- Rebalse
3.- Canal de aducción
4.- Aliviadero de emergencia
5.- Desarenador
6.- Cámara de carga
7.- Aducción
8.- Casa de Máquinas
9.- Restitución al cauce
10.- Cauce natural
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Ingeniería Básica
Se acepta como norma general que las centrales hidroeléctricas
pequeñas son tanto más económicas cuanto menor es su caudal
de diseño y mayor es su altura de caída.
De acuerdo a la experiencia acumulada por especialistas en la
materia, la composición media de los costos sería la siguiente:
a) Ingeniería : 20 %
b) Obras Civiles : 30 %
c) Equipos Electromecánicos : 50 %
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Teniendo en cuenta todas estas variables, los costos totales
de una central hidroeléctrica pequeña pueden fluctuar entre
los US$1500 y los US$ 2500 por KW instalado.
Estas cifras pueden variar significativamente dependiendo
de la complejidad de las obras civiles y de la distancia a las
líneas de transmisión eléctrica.
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Costos de la Ingeniería Básica
Los costos anuales de una central hidroeléctrica :
¾Fijos: derivados de la operación y mantenimiento
¾Variables: derivados directamente de las inversiones involucradas
(dependen de las tasas de interés, depreciaciones, impuestos, seguros,
etc.)
Los costos de operación:
¾ las remuneraciones del
personal
(sistemas
automatizados
de bajo
requerimiento de personal )
¾los
costos
de
mantenimiento reducidos
(no sobrepasa anualmente
el 2 % del costo de
construcción.)
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Ingeniería Básica
Antecedentes Generales
Para el estudio y diseño de una central hidroeléctrica pequeña
se requiere la siguiente información básica:
Hidrología
Topografía
Aspectos Geológicos
Geotécnicos
Aspectos
Medioambientales
División de Estudios y Desarrollo
y
Hidrología
Es necesario conocer las variaciones diarias, estacionales
e interanuales del caudal disponible para la central
hidroeléctrica para determinar su potencia y la energía
media generable.
Además, se requiere determinar los caudales extremos de
la fuente de abastecimiento, de modo de elaborar diseños
seguros que permitan sortear adecuadamente las crecidas.
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Topografía
Se deberá determinar las alturas de caídas
existentes a partir de la información disponible, ya
sea de planos elaborados por organismos estatales
tales como la CNR, DOH, IGM o CIREN, o
directamente por las organizaciones de regantes.
Si éstos no existieren o fueran inadecuados para
estos propósitos, se deberá efectuar levantamientos
especiales que sean compatibles con las obras a
diseñar.
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Aspectos Geológicos y Geotécnicos
Se deberá conocer las características del
terreno en que se fundarán las obras
hidráulicas y las estructuras hidromecánicas y
eléctricas, para poder determinar su
estabilidad frente a sismos, vientos, nieve,
erupciones volcánicas, etc.
Dependiendo del tamaño de la central
hidroeléctrica se deberá ser más riguroso en
el alcance de los estudios geológicos,
geomorfológicos, geotécnicos y sísmicos.
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Aspectos Medioambientales
Las centrales hidroeléctricas pequeñas están consideradas como
fuentes de generación amigables para el medioambiente, pero
pueden producir algunas alteraciones que es preciso determinar
para implementar medidas de mitigación:
¾Durante la construcción, se deberá cuidar la instalación de
faenas, movimientos de tierra, modificación de taludes naturales,
disposición de desechos, tránsito de vehículos, etc.
¾Durante la explotación, se deberá tomar los resguardos por
disminuciones de caudales que se puedan originar en tramos
cauce natural del cual se derivó el canal alimentador, o de
terrenos inundados por una eventual obra de regulación
bocatoma.
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las
del
los
en
Obras Civiles
Obras hidráulicas necesarias para disponer del caudal que
escurre por un cauce natural captándolo, conduciéndolo hacia
las turbinas y devolviéndolo a dicho cauce.
Obras de Captación
Desarenador
Obras de Aducción
Cámara de Carga o Chimenea de Equilibrio
Tuberías en Presión
Casa de Máquinas
Obras de Restitución
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Equipos Hidromecánicos
Son los equipos destinados al Control del Caudal que
escurre por el acueducto, tales como compuertas, válvulas,
rejillas y sus elementos de accionamiento.
Destacan las Turbinas y sus equipos y elementos de
Protección y Control, que transforman la Energía Hidráulica
en Mecánica.
.
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Turbinas
Pueden ser:
¾ De impulso o acción ( Pelton, Turgo y MitchellBanki o de flujo transversal)
¾ De reacción. (Francis y las de Hélice.)
Cada una de las cuales tiene un campo de aplicación bien específico,
que depende de la altura de caída existente y del caudal disponible.
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Equipos de protección y control
¾Las válvulas de corte de entrada para reparaciones
¾Reguladores de velocidad para mantener una
velocidad constante de rotación o evitar embalamientos
cuando se desconecta el generador en una emergencia
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Campo de aplicación de cada uno de los Tipos de Turbinas:
Disponiendo de la altura de caída y el caudal de diseño del proyecto en estudio, es posible
seleccionar con este gráfico el tipo de turbina más adecuado como también la potencia
generada.
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Equipos Eléctricos
Son los destinados a transformar la energía
mecánica en eléctrica, su transporte y el control de
ambos procesos. Entre éstos cabe mencionar:
Generador
Transformador de Poder
Equipos Eléctr. Auxiliares
Equipos de Conexión
Sistemas de Enlace
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Centrales Hidroeléctricas Pequeñas en Chile
PGH Las Cascadas: 172 kW ; Bocatoma - Lago Yelcho
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Centrales Hidroeléctricas Pequeñas en Chile
PGH Las Cascadas: 172 kW ; Equipos
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Centrales Hidroeléctricas Pequeñas en Chile
PGH Canal Eyzaguirre : 1,9 MW – Sociedad Canal del Maipo
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Centrales Hidroeléctricas Pequeñas en Chile
PGH Canal Eyzaguirre, Turbina Ossberger : 1,9 MW – Soc. Canal del Maipo
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Centrales Hidroeléctricas Pequeñas en Chile
PGH Puntilla – Río Maipo : 8,5 MW, Sociedad Canal del Maipo
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Centrales Hidroeléctricas Pequeñas en Chile
PGH Puntilla - Río Maipo; Arribo turbina Francis a la Planta
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Centrales Hidroeléctricas Pequeñas en Chile
PGH Puntilla – Río Maipo; Montaje Turbina Francis : 8,5 MW
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