Plantas hidroleléctricas

Plantas hidroleléctricas
Plantas hidroleléctricas
Los antiguos romanos y griegos aprovechaban ya la energÃ-a del agua; utilizaban ruedas hidráulicas para moler trigo.
Sin embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de carga retrasó su aplicación generalizada hasta el siglo
XII. Durante la edad media, las grandes ruedas hidráulicas de madera desarrollaban una potencia máxima de cincuenta
caballos. La energÃ-a hidroeléctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civil británico John Smeaton, que construyó
por vez primera grandes ruedas hidráulicas de hierro colado.
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Antigua rueda hidráulica
La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial. Impulsó las industrias textil y del cuero y
los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. Aunque las máquinas de vapor ya estaban
perfeccionadas, el carbón era escaso y la madera poco satisfactoria como combustible. La energÃ-a hidráulica ayudó
al crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y América hasta la construcción de
canales a mediados del siglo XIX, que proporcionaron carbón a bajo precio.
Las presas y los canales eran necesarios para la instalación de ruedas hidráulicas sucesivas cuando el desnivel era
mayor de cinco metros. La construcción de grandes presas de contención todavÃ-a no era posible; el bajo caudal de
agua durante el verano y el otoño, unido a las heladas en invierno, obligaron a sustituir las ruedas hidráulicas por
máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carbón.
La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la
energÃ-a hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina
hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales
hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad. La tecnologÃ-a de las
principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX.
A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y
Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, la
hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia
sigue en aumento. Los paÃ-ses en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%),
República Democrática del Congo (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el rÃ-o Paraná, está situada entre Brasil
y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como referencia, la presa Grand
Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 MW y es una de las más grandes.
En algunos paÃ-ses se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un
megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad.
Otras naciones en vÃ-as de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.
Desarrollo de la energÃ-a hidroeléctrica
La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la
energÃ-a hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina
hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales
hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.
La tecnologÃ-a de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. Las centrales dependen de un
gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El
agua se transporta por unos conductos o tuberÃ-as forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de
agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los
generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas
depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las
turninas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.
Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de
agua, existen algunas centrales que se basan en la caÃ-da natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas
instalaciones se llaman de agua fluente. Una de ellas es la de las Cataratas del Niágara, situada en la frontera entre
Estados Unidos y Canadá.
A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y
Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, la
hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia
sigue en aumento. Los paÃ-ses en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire
(97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el rÃ-o Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982
y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera
unos 6.500 Mw y es una de las más grandes.
En algunos paÃ-ses se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un
megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad.
Otras naciones en vÃ-as de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.
La energÃ-a hoy
Desde hace años, el desarrollo de nuestra sociedad se basa en la utilización de la energÃ-a, un amplio abanico de
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actividades productivas y recreativas. En un esquema simple sus aplicaciones se pueden dividir en dos grupos:
Combustibles de uso directo, empleados básicamente para la calefacción doméstica y de edificios de servicios, en
diferentes procesos y equipos industriales y en automoción. Provienen en gran medida del petróleo, pero también del
carbón y el gas natural. Suponen dos tercios del consumo de energÃ-a primaria en un paÃ-s industrializado medio.
Electricidad, que se emplea en iluminación y en accionamiento de equipos; electrodomésticos y maquinaria industrial,
hornos y otros procesos industriales. Proviene de diferentes fuentes: carbón y otros combustibles fósiles, energÃ-a
hidráulica y nuclear. Representa un tercio de la energÃ-a primaria que utiliza un paÃ-s industrializado medio.
En ambos casos, la energÃ-a se recibe desde empresas de medio y gran tamaño a través de redes de transportes y
distribución complejas que suponen unas inversiones de fuerte magnitud. En la vuelta a las energÃ-as renovables, éstas
se utilizan en gran medida para la producción de electricidad, pero también se obtienen de ellas combustibles de uso
doméstico e industrial, asÃ- como biocombustibles lÃ-quidos para automoción.
La inserción de las renovables en el esquema energético se hace a través de las redes ya existentes de suministro
eléctrico o de combustibles de uso directo, aunque también se plantea el uso de estas energÃ-as para satisfacer las
demandas de comunidades aisladas de las redes de distribución energética convencionales.
Definición de energÃ-a hidráulica
EnergÃ-a que se obtiene de la caÃ-da del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de
ruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan
suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación, y la instalación
de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Todo ello implica la inversión de grandes sumas de
dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos, aunque el coste de
mantenimiento de una central térmica, debido al combustible, sea más caro que el de una central hidroeléctrica. Sin
embargo, el peso de las consideraciones medioambientales centra la atención en estas fuentes de energÃ-a
renovables.
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Una turbomáquina consta fundamentalmente de una rueda de alabes, rodete, que gira libremente alrededor de un eje
cuando pasa un fluido por su interior. La forma de los alabes es tal que cada dos consecutivos forma un conducto que
obliga al flujo a variar su cantidad de movimiento, lo que provoca una fuerza, esta fuerza al desplazarse el alabe
provoca un trabajo. La clasificación fundamental de una turbina (convierte la energÃ-a del flujo en una energÃ-a
mecánica en el eje, lo contrario seria una bomba) es las de acción y las de reacción.
Turbinas de acción: Se llaman asÃ- cuando la transformación de la energÃ-a potencial en energÃ-a cinética se produce
en los órganos fijos anteriores al rodete (inyectores o toberas). En consecuencia el rodete solo recibe energÃ-a cinética.
La presión a la entrada y salida de las cucharas (o alabes) es la misma e igual a la atmosférica.
Turbinas de reacción: Se llama asÃ- (en el caso de pura) cuando se transforma la energÃ-a potencial en cinética
Ã-ntegramente en el rodete.
Este recibe solo energÃ-a potencial. La presión de entrada es muy superior a la presión del fluido a la salida. Esto
ocurre en un aspersor. En la realidad no se ha desarrollado este tipo de turbina industrialmente. Se llaman asÃ- aun que
habrÃ-a que considerarlas como un tipo mixto.
Otra clasificación muy distinta es en función de la dirección del flujo en el rodete, lo que puede hacer que
clasifiquemos a las turbomáquinas en:
- Axiales: El desplazamiento del flujo en el rodete es paralelo al eje. Es axial y tangencial (giro).
- Radiales: El desplazamiento en el rodete es perpendicular al eje. No tiene componente axial.
- Mixtas: Tiene componente Axial, radial y tangencial.
 En la actualidad, las turbinas que dominan el campo en las centrales hidroeléctricas son:
- Pelton (de acción)
- Francis (de reacción)
- Hélice y Kaplan (de reacción)
El rendimiento de todas ellas supera el 90%. Podemos comparar sus rendimientos en función con el porcentaje del
caudal nominal para las que fueron diseñadas.
PELTON
INYECTOR
El inyector es una tobera diseñada para reducir hasta los valores deseados el caudal, y con ello las pérdidas de carga
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en la conducción. Las perdidas de carga se producen por la fricción (rozamiento) del fluido con la superficie de la
tuberÃ-a de conducción forzada. Las perdidas de carga dependen de la naturaleza de las paredes internas de dicha
conducción, del caudal, de la sección y de la longitud de las mimas. A mayor caudal o menor sección (aumento de la
velocidad del fluido) aumentan las perdidas de carga. A mayor longitud de la tuberÃ-a mayor son dichas perdida. Si el
caudal se hace cero la perdida de carga desaparece.
El inyector lleva en su interior una aguja de regulación, que se desplaza entre dos posiciones lÃ-mite de caudales nulo y
máximo. Mandada por un servomotor, mediante aceite a presión, esta aguja ocupa en cada momento la posición
correspondiente a la potencia exigida a la turbina.
Cuando disminuye la carga, hay que actuar sobre el caudal más rápidamente de lo que interesa a efectos del golpe de
ariete. Un cierre rápido puede provocar una situación desastrosa. Para ello cada inyector lleva incorporado un deflector
que intercepta el chorro inmediatamente parcial o totalmente, cerrando la aguja más lentamente y asÃ- no crear el golpe
de ariete.
RODETE
Costa de una rueda con cucharas alrededor, a las que podemos llamar también alabes y/o cangilones, sobre las que
actúa el chorro inyector. El tamaño y número de cucharas dependen de las caracterÃ-sticas de la instalación y/o de la
velocidad especifica ns. Cuanto menor sea el caudal y mayor la altura del salto, menor será el diámetro del chorro. Las
dimensiones de la cuchara vienen ligadas directamente por el diámetro del chorro.
Cada vez que va a entrar una cuchara en el campo de acción del chorro sufrirÃ-a un rechazo, por lo que a esta se le
practica una mella de aproximadamente un 10% mayor a diámetro del chorro. La cuchara tiene forma elÃ-ptica dividida
por una cresta afilada en dos partes simétrica. Al estar dividida en dos la componente axial de la fuerza se contrarresta y
de esta forma no sufren los cojinetes. La longitud de la cuchara es de 2.1 veces el diámetro del chorro y la anchura de
la cuchara es de 2.5 veces el mismo diámetro.
FRANCIS
La turbina Francis, como todas las turbinas de reacción, es de admisión total, el agua entra por toda la periferia del
rodete. En consecuencia, un mismo caudal asÃ- repartido requiere un rodete que puede resultar mucho menor que el de
una rueda Pelton equivalente.
Este tipo de turbina fue diseñada por en ingeniero ingles James B. Francis (1815-1892). Era una turbina totalmente
centrÃ-peta totalmente radial. Podemos observar dos partes, el distribuidor que es una parte fija a través de la que se
admite el agua en el rodete que es móvil y solidario al eje.
DISTRIBUIDOR
El agua procedente del embalse entra en una cámara espiral que se encarga de hacer uniforme la velocidad de agua
por toda la periferia del distribuidor. Para alturas importantes esta caja espiral es metálica, mientras para pequeñas
alturas (de grandes secciones) se construyen de hormigón.
El distribuidor de la turbina Francis, y en general de todas las trubinas de reacción, está formado por aletas de guÃ-a
pivotadas. El agua es acelerada a una velocidad V1´. Las aletas de guÃ-a giran sobre sus pivotes, para modificar la
sección transversal de los canales y asÃ- ajustar en todo momento el caudal a la carga de la central. El movimiento de
las aletas guÃ-a o parlas directrices, se consigue con la acción de sus correspondientes bielas, unidas todas a un anillo.
Este anillo gira ligeramente, por la acción de uno o dos brazos de un servomotor.
Al girar las aletas forman un ángulo a1 con la dirección tangencial del rodete. Con a1=0º se considera para un caudal
nulo y con a1=15º a a1=40º según la velocidad especifica de la turbina para el caudal máximo.
Podemos ver una sección de la turbina Francis completa en la siguiente ilustración:
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RODETE
El agua sale del distribuidor y gira como un vórtice libre en el espacio comprendido entre éste y los bordes de entrada
de los álabes del rodete. La velocidad V1´ de salida del distribuidor no corresponde con la velocidad de entrada en el
rodete c1.
Con mayores caudales y menores alturas (ns mayor), la forma del rodete va evolucionando a mayores secciones de
entrada y flujo más axial. Las potencias unitarias máximas instaladas son mayores que las Pelton, hasta
aproximadamente 500.000 CV. Las alturas máximas son de unos 520 m, valores antes reservados a las Pelton y que
ahora se solapan
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KAPLAN
Entre 1910 y 1918 el ingeniero austrÃ-aco Kaplan desarrolla una turbina hélice con los álabes de rodete orientables, y
que lleva su nombre. Al poder variar la posición de los álabes, puede buscarse que su inclinación coincida en cualquier
punto de funcionamiento con la dirección del flujo a la entrada del rodete, por lo que se adapta bien a cualquier carga.
Al ser un desarrollo de las turbina hélice, podemos decir que el paso de flujo es totalmente axial, es decir, paralelo al eje
de giro del rodete. Son el paso siguiente a las Francis, es decir su campo de aplicación va desde ns=450 a un ns=900,
aunque podemos forzarla y llevarlas a trabajar solapando parte del campo de las Francis hasta ns=300. Las turbinas
hélice tienen un buen rendimiento a carga normal, es decir mayor del 90% de la Q de diseño, después decaen
fuertemente. Con las Kaplan, gracias a su sistema de variación de posición de los álabes, aprovechamos un mayor
rango de Q manteniendo el rendimiento. Para el calculo de este tipo de turbinas nos apoyaremos en el DIAGRAMA y
operaremos de forma similar a la turbina Francis.
El cambio de posición de los álabes del rodete se realiza mediante un servomotor colocado preferentemente en el
interior del cubo de dicho rodete.
Como las turbinas Kaplan ah evolucionado en el sentido de grandes potencias con un máximo campo de aplicación.
Existen algunas de hasta 550 m3/s y alturas de hasta 60,5 metros.
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