La energía Hidráulica: 2. Las centrales hidroeléctricas.

CIDEAD. TIN I . Resumen de energía hidráulica y eólica
La energía Hidráulica:
La energía hidráulica se define como aquella que posee el agua que forma el cauce de los
ríos como consecuencia de ser embalsada convenientemente por una presa.
Se aprovecha la energía potencial del agua producida por el desnivel del salto de agua.
Las turbinas utilizadas son de tipo hidráulico; la conversión de energías se realiza en las centrales
hidroeléctricas, cuyo producto final es la corriente eléctrica de tipo alterna.
El origen de esta energía es la energía del sol, que obliga al agua de nuestro planeta a
describir un ciclo, como consecuencia de los gradientes de temperatura que origina.
2. Las centrales hidroeléctricas.
La conversión energética que tiene lugar en una central hidroeléctrica se puede expresar
mediante el siguiente diagrama:
Energía
Potencial
Tuberías
Energía
Cinética
Turbinas
Energía
Cinetica de
rotación
Alternador
Energía
Eléctrica
Las centrales hidroeléctricas son aquellas instalaciones que transforman la energía del
agua embalsada en energía eléctrica.
Las centrales hidroeléctricas pueden ser:
de agua embalsada o de acumulación. Si el caudal es variable, se acumula gran
cantidad de agua mediante un embalse, anegando grandes zonas de terreno y acumulando el
agua en periodos de alta pluviometria.
Centrales de agua efluyente o de derivación. Se construye una pequeña presa que
prácticamente no modifica el caudal del río; el caudal es prácticamente constante en las
distintas estaciones del año. La energía potencial del agua se aprovecha directamente o
mediante la construcción de una pequeña presa. La pendiente de la tubería de entrada del
agua es elevada.
Para embalsar el agua, se debe de construir una presa. Una presa es una estructura
realizada de hormigón armado; su diseño depende del tipo de presa que se intente
construir pero lo más lógico que la parte inferior será mas ancha que la parte superior, ya
que el centro de empuje se encuentra aproximadamente a la tercera parte del nivel, desde
el fondo. Las presa pueden ser:
Presas de gravedad.- Contrarrestan el empuje del agua. Su sección es triangular. Pueden
presentar grietas.
Presas de gravedad aligeradas.- son estructuras huecas, para disminuir su peso.
Presas de arco o bóveda sencilla.- La presión de agua se transmite a los laterales,
por lo que son más ligeras que las anteriores . Se construyen cuando el terreno y los laterales
son suficientemente sólidos o estables.
El funcionamiento de una central hidroeléctrica es bastante sencilla. El agua embalsada
pasa a través de una tubería o galería construida de hormigón o acero. El control del caudal se
realiza regulando la compuerta de entrada y se filtra mediante tamices para eliminar las posibles
impurezas sólidas.
Al llegar a la turbina, el agua se dirige mediante una serie de tuberías secundarias e
inyectores hacia los álabes de la turbina para provocar la rotación constante y rápida del rotor.
El eje del rotor de la turbina se acopla al eje secundario del alternador, que al girar y
gracias al principio de autoinducción de Fareday se consigue generar una corriente alterna en el
primario del generador con tres desfases. A la salida de los generadores, se obtiene corriente alterna
trifásica de algunos miles de voltios. Para subir hasta 220 o 380 KV es necesario subir la tensión
mediante unos transformadores. Desde estos se transporta en forma de Alta tensión por los
conductores y sistema de transporte adecuados.
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Hay varios tipos de turbinas hidráulicas: Pelton, Francis o Kaplan.
3. Los Tipos de centrales hidroeléctricas.
Además de clasificar las centrales hidroeléctricas de acuerdo al caudal, según la orografía
del terreno, se pueden clasificar las centrales de acuerdo a la potencia generada. Según esto, se
distinguen:
Minicentrales Hidráulicas. La potencia generada se encuentra entre los 250 kW y
los 5000 kW. Aprovechan el cauce de agua de pequeños ríos, utilizando antiguos molinos
para mover las turbinas. En otros tiempos, suministraron corriente eléctrica a pequeños
pueblos e industrias.
Macrocentrales . Generan una potencia superior a los 5000 kW. Se sitúan en
cuencas de ríos caudalosos.
Centrales de derivación de agua. Está formada por una pequeña presa que deriva el
agua a un cauce auxiliar inclinado que conduce a un depósito que es la cámara de carga.
Desde ahí se dirige el agua hasta la sala de máquinas.
Centrales de aprovechamiento por acumulación de agua. Se realiza un gran
embalse de agua y hacia la mitad del mismo, se abre la compuerta de toma de agua.
Centrales de bombeo. Se logra un mayor aprovechamiento de la energía del agua.
Normalmente se compone de dos embalses. Trabaja en dos regímenes diferentes: si el
consumo de energía es elevada, los generadores del primer embalse actúan como
alternadores. En el caso de que el consumo disminuya, los generadores del segundo
embalse, actúan como bombas de agua, en la estación de bombeo, subiendo el agua desde el
segundo embalse hasta el embalse primero, manteniendo el nivel de la presa superior
prácticamente constante.
Las centrales de bombeo pueden ser:
1. Centrales de bombeo puro. Desde el embalse inferior, que se encuentra en el
cauce del río, se bombea agua al embalse superior que es artificial. El agua del embalse
superior pasa por la sala de máquinas originando la corriente alterna.
El esquema es el siguiente:
Embalse superior
energía eléctrica
corriente alterna trifásica
Motor
Turbina
energía
Embalse inferior
Alternador
energía
Transformador
Río
1. Central mixta con bombeo.- Los dos embalses se sitúan en el cauce del río, de
manera que la central puede actuar indistintamente con bombeo o sin él. No es necesario
bombear agua al embalse superior ya que se alimenta del agua del río; no obstante, cuando
el consumo es pequeño, se bombea agua al embalse superior para aumentar el cauce del río.
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El esquema es el siguiente:
Río
Embalse superior
Motor
Turbina
Transformador
Alternador
Embalse inferior
corriente
alterna
trifásica
Río
4. Ventajas e inconvenientes.
Entre las ventajas que ofrece la utilización de este tipo de energía cabe citar las
siguientes:
El proceso de transformación es limpio, no dando lugar a la eliminación de
sustancias gaseosas tóxicas.
Las presa permiten regular los cauces de los ríos, evitando posibles inundaciones.
El agua embalsada se puede utilizar para el abastecimiento de agua a las ciudades y
para el riego.
Los embalses pueden generar zonas aledañas de esparcimiento, para practicar
deportes acuáticos, etc.
Entre los inconvenientes, se pueden destacar los siguientes:
Los embalses anegan grandes zonas de terreno, en ocasiones fértiles y de gran
poder ecológico, incluso han llegado a inundar núcleos de población, haciendo que los seres
humanos se trasladen a otras zonas.
Las presas retienen arenas que arrastran las corrientes que con el tiempo
producirían deltas en las desembocaduras de los ríos.
Los embalses producen alteración en los cursos de los ríos provocando una
alteración grave de la flora y la fauna.
En el caso de que el río esté contaminado, en el embalse se producirán
acumulación de aguas insalubres.
La posible rotura de la presa ocasiona grandes catástrofes naturales.
La energía hidroeléctrica depende de una forma muy directa en el régimen de las
lluvias.
5. Las centrales hidroeléctricas en España.
Dada la orografía tan especial de la Península, hace que sea factible la utilización de la
energía hidráulica, sobre todo en los cauces de los ríos Duero y Ebro; todas las centrales
hidroeléctricas proporcionan una potencia de 18400 MW.
En España existen 21 centrales de mas de 200 MW de potencia, siendo la mayor la que
se encuentra en Aldeadávila de la Rivera (Salamanca) que genera una potencia de 1139 MW.
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La energía Eólica.
1. Introducción.
La energía eólica es la energía cinética del viento. La variación de la insolación debida a
la diferencia de la latitud geográfica de la Tierra y la diferencia de capacidad de absorción de la
superficie de la tierra producen una distribución desigual del calor de la atmósfera , produciéndose
un movimiento del aire, que es lo que denominamos el viento. El movimiento de la tierra, provoca
cambios en las direcciones en estas corrientes de aire. El viento es producido por el movimiento de
grandes masas de aire como consecuencia de los gradientes de presiones entre diferentes puntos de
la atmósfera.
La atmósfera es una mezcla de gases formada mayoritariamente por nitrógeno y oxígeno.
El peso de esos gases por unidad de superficie es lo que se denomina presión atmosférica. La
presión atmosférica se mide con un barómetro. Las fuerzas que producen el viento son las
siguientes:
1. La debida a los gradientes de presión.
2. La gravitacional, debida al campo gravitatorio terrestre.
3. La de fricción, o la capa límite de la atmósfera con el suelo.
4. La de Coriolís, debida al movimiento relativo de rotación de la tierra.
Para medir la velocidad del viento, se utilizan los anemómetros. Cuando la velocidad es
de 30 a 60 Km/h, el viento es moderado. Si la velocidad es de 70 a 80 Km /h, el viento es fuerte. Un
viento huracanado puede oscilar entre los 130 a 200 Km/h.
2. Las máquinas eólicas.
Las máquina eólicas son aquellas destinadas al aprovechamiento de la energía cinéticas
del viento, para transformarla en energía mecánica o energía eléctrica.
Los aerogeneradores, provistos de hélice, se sitúan en zonas geográficas favorables,
donde los vientos soplan fuertes o bien en ráfagas; no se situarán en terrenos muy abruptos.
Los tipos de máquinas eólicas son los siguientes:
Máquinas eólicas de eje vertical. Son las mas comunes y las más desarrolladas. El
eje del rotor se coloca en la dirección del viento, incidiendo sobre las palas y le hace girar.
Entre estas se destacan:
1. Molinos de viento clásicos. Utilizados desde el siglo XII y que servían para
transformar la energía del viento en energía mecánica
2. Maquinas eólicas de eje horizontal lento; generan potencias de o,5 a 50 kW. Poseen de
12 a 14 aspas uniformemente repartidas. Se utilizan para bombear agua de los pozos.
3. Máquinas eólicas de eje horizontal rápidas. Producen potencias superiores a los 100
kW . Sus hélices constan de dos a tres palas de perfil aerodinámico, fabricadas de
madera, de aluminio o de fibra de vidrio. La de dos palas posee una potencia similar, por
lo que se tiende a construirlas de dos palas. Se usan para la producción de energía
eléctrica.
Las máquinas eólicas de eje horizontal. Se adaptan a cualquier dirección del
viento, sin necesidad de dispositivos de orientación. Son máquinas penémonas (todos los
vientos)
El teorema de Betz, nos indica que la potencia útil de captación es proporcional a la
velocidad al cubo:
Pu = 0,37 s v3 , siendo s, la superficie de la máquina y v la velocidad del viento.
Para regular el funcionamiento de las máquinas eólicas hay que tener en cuenta:
Sistema de orientación, que puede ser manual, con cola de orientación, con
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servomotor o con hélices auxiliares.
Sistema de regulación y frenado. Para ello se utiliza la cola de orientación, el freno
centrífugo o los contrapesos o las placas auxiliares curvadas.
3. Las centrales eólicas.
Las centrales eólicas transforman la energía eólica en energía eléctrica. En la actualidad los
aerogeneradores poseen dos o tres palas. Al hacer incidir el viento sobre la hélice del
aerogenerador, éste gira y mediante un generador eléctrico, transforma la energía de rotación
en energía eléctrica como corriente continua. Esta corriente eléctrica se acumula y
posteriormente es utilizada, convirtiéndola en corriente alterna mediante un oscilador. La
corriente alterna producida se puede enviar por la línea de distribución. El esquema de una
central eólica es el siguiente:
Energía viento
aerogenerador
Generador
corriente
eléctrica
corriente continua
Acumulador
AC.
Oscilador
Distrobución
Fuente de
energía
auxiliar
La energía eólica es inagotable, limpia y gratuita. Los inconvenientes se pueden plasmar en
los siguientes apartados:
El aire es un fluido que posee una densidad muy baja por lo que se han de utilizar
aerogeneradores muy grandes y caros.
La producción de energía es discontinua, pues depende del viento y de su
velocidad.
Existen dificultades en el almacenamiento y transporte e esta energía que es
fluctuante.
El viento transporta sustancias abrasivas que dañan los álabes del rotor.
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4. Las centrales eólicas en España.
En España las grandes centrales eólicas se encuentran en Cádiz (Tarifa), Galicia y en el
valle del Ebro. Un día determinado aportan una potencia de 8375 MW. , mientras que otro día
quedó reducida a 27 MW. España ocupa el segundo lugar del mundo, en cuanto producción de
energía eléctrica procedente de la eólica, junto con los EUA, siendo superada por Alemania.