Centrales Hidroeléctricas Índice 1.0 La energía hidráulica. 2 2.0 Centrales Hidroeléctricas.. 2−7

Centrales Hidroeléctricas
Índice
1.0 La energía hidráulica. 2
2.0 Centrales Hidroeléctricas.. 2−7
2.1 Tipos de centrales (generales). 2
2.2 Componentes de una central hidroeléctrica... 3−4
2.3 Tipos de centrales hidroeléctricas 4−7
3.0 Turbinas 7−12
3.1 Datos técnicos de las turbinas.. 8−9
3.2 Tipos de turbinas. 9−12
4.0 Funcionamiento de una central (hidroeléctrica). 12
5.0 Las centrales hidroeléctricas y el medioambiente 13
6.0 Bibliografía 14
Índice 1
1.0. La energía hidráulica
La energía hidráulica se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el
movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. Dichas turbinas o ruedas, a su vez, provocan un movimiento
cinético de rotación, que se transmite a un generador eléctrico, y éste produce energía eléctrica. A la energía
que proviene del agua se le llama Energía Hidráulica, y del sitio de dónde se obtiene, Central Hidroeléctrica.
E. Potencial E. Cinética E. Cinética de rotación E. Eléctrica
2.0. Centrales Hidroeléctricas
Las centrales hidroeléctricas son estaciones desde las cuales se aprovecha la energía de un salto de agua para
convertirlo en energía eléctrica. Hay diferentes tipos de centrales, dependiendo del servicio que den en el
consumo global de la red.
2.1. Tipos de centrales
• Centrales de base. Son las que están destinadas a suministrar energía eléctrica de manera continua.
Tienen una potencia elevada y normalmente son las centrales nucleares, las grandes centrales térmicas
y las centrales hidráulicas.
• Centrales de punta. Proyectadas para cubrir demandas de energía en las horas punta. Trabajan en
paralelo con las centrales de base.
1
• Central de reserva. Tienen por objeto sustituir total o parcialmente la producción de una central
base, en caso de avería o reparación.
• Centrales de bombeo. Son centrales hidroeléctricas que aprovechan la energía sobrante en las horas
valle, para bombear agua a un embalse superior y en las horas punta la aprovechan para dar energía en
la red.
2.2. Componentes de una central hidroeléctrica
Los elementos más característicos de una central son la presa, los conductos de agua, la sala de máquinas, los
transformadores y el parque de distribución.
La presa.
Es una construcción, normalmente de hormigón, que se alza sobre el suelo del río y perpendicular a su
dirección, con la finalidad de retener el agua, para elevarla a un nivel suficiente y formar un embalse.
Dependiendo de las características orográficas y de su emplazamiento, se escogerá entre una configuración u
otra.
Hay 4 tipos diferentes de presas, y son los siguientes:
De gravedad, que retienen el agua gracias al tipo de materiales empleados, como mampostería u hormigones.
De contrafuerte, formadas por una pared impermeable situada aguas arriba, y contrafuertes resistentes para su
estabilidad, situados aguas abajo.
De arco−bóveda, que aprovechan el efecto transmisor del arco para transferir los empujes del agua al terreno.
De tierra o escollera, con un núcleo de material arcilloso, que a veces es tratado químicamente o con
inyecciones de cemento.
2
Los conductos de agua.
Las presas tienen unas compuertas que permiten regular el caudal y están protegidas por un enrejado metálico
para evitar la entrada de elementos sólidos. Pero las presas, también cumplen la función de regular el caudal
de los ríos, por tanto, deben ser capaces de permitir la evacuación del agua sin necesidad de que pase por las
turbinas. Para esto utiliza unos rebosadores equipados con compuertas, y a pie de presa se construyen unos
elementos amortiguadores de la energía adquirida por el agua cuando cae. En la parte más honda de la presa,
están los desagües, que permiten el vaciado de todo el embalse a fin de realizar diferentes tareas.
La sala de máquinas.
Es donde están situadas las máquinas motrices de la central. En función de la altura del salto y del caudal de
agua se utilizan diferentes tipos de turbinas. Las más importantes son las: Pelton, Francis y Kaplan.
El estudio de éstas lo veremos en el capítulo 3.2 de este mismo trabajo.
Parque de distribución.
La tensión obtenida es igual o inferior a 20kV. Con los transformadores se eleva a la tensión adecuada para su
transporte. En el parque de distribución, la central se conecta a la red de transporte. Este transporte se realiza
mediante las líneas de alta tensión.
La mayoría de las centrales están interconectadas a través de la red de transporte, por tanto, han de estar
sincronizadas para tal que sus aportaciones de energía sean compatibles.
2.3. Tipos de centrales hidroeléctricas
Se pueden clasificar bajo varios argumentos, como características técnicas, peculiaridades del asentamiento y
condiciones de funcionamiento. En primer lugar, hay que distinguir las que utilizan el agua según discurre
normalmente por el cauce de un río, y aquellas otras a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un
lago o pantano. Se denominan:
• Centrales de agua Fluente
• Centrales de agua embalsada:
3
♦ Centrales de Regulación
♦ Centrales de Bombeo.
Según la altura del salto de agua o desnivel existente:
• Centrales de Alta Presión
• Centrales de Media Presión.
• Centrales de Baja Presión
Centrales de agua fluente: Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los
lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar
las turbinas hidráulicas. No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado
según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes, desarrollan su potencia máxima,
y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca, la potencia disminuye en función del caudal, llegando
a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío. Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce
de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua.
Centrales de agua embalsada: Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales, conseguidos
mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes,
llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Esta agua es utilizada según la demanda, a
través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.
Centrales de regulación: Tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que
representan periodos más o menos prolongados de aportes de caudales medios anuales. Prestan un gran
servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo
conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo.
Centrales de bombeo: Se denominan 'de acumulación'. Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su
actuación consiste en acumular energía potencial. Pueden ser de dos tipos, de turbina y bomba, o de turbina
reversible. La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde
otra central hidráulica, térmica o nuclear. No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como
suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible.
Centrales de Alta presión: Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los
200 metros de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m3/s por máquina. Situadas en
zonas de alta montaña, aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud. Utilizan
turbinas Pelton y Francis.
Centrales de Media presión: Aquellas que poseen saltos hidráulicos de entre 200−20 metros
aproximadamente. Utilizan caudales de 200m3/s por turbina.
En valles de media montaña, dependen de embalses. Las turbinas son Francis y Kaplan, y en ocasiones Pelton
para saltos grandes.
Centrales de Baja presión: Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de
un caudal que puede superar los 300m3/s. Las turbinas utilizadas son de tipo Francis y especialmente Kaplan.
3.0 Turbinas
Las turbinas extraen energía de un flujo mientras que las bombas hidráulicas adicionan energía (carga total) al
flujo que la circula. El conjunto de álabes ajustados al eje de la turbina o bomba recibe el nombre de rodete o
4
rotor. Las dos clases más generales de turbinas son las de impulsión o acción y las de reacción. Las primeras
operan bajo la acción de uno o varios chorros libres de alta velocidad; cada chorro se acelera hasta obtener su
alta velocidad mediante una tobera externa al rodete de la turbina. Si los efectos de rozamiento se consideran
insignificantes y la fuerza de la gravedad, la presión del fluido y su velocidad relativa al rodete no cambian
durante su paso a través de los álabes de la turbina. De este modo la expansión del fluido desde una presión
alta en una turbina de impulso, se lleva a cabo en varias toberas externas a los álabes, y por lo tanto el rodete
no se encuentra completamente lleno.
En las turbinas de reacción, parte de la expansión del fluido se realiza en el exterior y parte dentro de
los álabes móviles. Una vez lograda la aceleración exterior, el flujo se hace pasar al interior del rodete
en determinada dirección mediante un conjunto de álabes estacionarios llamados álabes directores.
Debido a que dentro de los álabes móviles se tiene una aceleración adicional del fluido con respecto al
rotor, tanto la velocidad como la presión de la corriente cambia a través del rodete. La combinación de
una fila de álabes estacionarios y una de álabes móviles se denomina etapa. Los rodetes de una turbina
de reacción pueden diseñarse para que operen completamente llenos de fluido; como consecuencia, las
turbinas de reacción pueden producir mayor potencia para un volumen dado que las turbinas de
impulsión.
Las turbinas pueden ser dispositivos muy sencillos, como los molinos de viento o bien constituir sistemas muy
complejos con numerosas etapas formadas por álabes cuidadosamente diseñados, como en las turbinas de
vapor de gas.
Como en este caso estamos hablando de turbinas hidráulicas, el fluido que las haría funcionar sería el agua,
pero puede valer cualquier otro fluido.
Para cualquier tipo de turbina que veremos posteriormente, la fórmula siguiente es totalmente válida, y nos
muestra la Caída de agua:
L = Largura del río (m)
H = Profundidad (m)
C = Trayecto Recorrido (¿?)
T = Tiempo gastado (s)
Q = Caída (l/s)
3.1. Datos técnicos de las turbinas
Potencia de las turbinas hidráulicas
Suponiendo que µT es el rendimiento de la turbina, la formula queda como:
Rendimiento de las turbinas hidráulicas
Como sucede en todas las máquinas, durante el funcionamiento de las turbinas se producen pérdidas de
energía que determinan el rendimiento de aquéllas. Las principales causas que producen estas pérdidas de
energía son:
• Rozamiento del agua en el distribuidor.
• Pérdidas en el rodete producidas por el choque de entrada y por el cambio brusco de velocidad de los filetes
5
de agua que salen del distribuidor y chocan con los bordes de los álabes del rodete.
• Rozamiento del agua en el tubo de aspiración.
• Distancia que hay entre el distribuidor y el rodete, por donde se escapa una parte del agua.
• Resistencias pasivas en los cojinetes, gorrones, etc.
• Velocidad de salida del agua que, aunque pequeñas es necesaria para que el agua salga al exterior de la
turbina.
El conjunto de todas estas pérdidas determina el rendimiento de la turbina. En las turbinas modernas, el
rendimiento es elevado y oscila entre 0,85 y 0,95.
En una misma turbina, los rendimientos son muy variables y dependen, naturalmente, del caudal ya que la
altura del salto es constante. A falta de otros datos, las turbinas se proyectan para que sus rodetes den el
máximo rendimiento a los 3/4 de carga, es decir, para un caudal igual a tres cuartos del máximo admisible. De
esta forma, se consigue que las turbinas no tengan un rendimiento excesivamente bajo a carga parcial,
teniendo en cuenta que, por lo general, durante el año, trabajan más horas a carga parcial que a plena carga.
Velocidad específica
Se denomina velocidad específica de una turbina hidráulica a la velocidad a la cual trabajaría una turbina
exactamente homóloga (es decir, de la misma forma constructiva pero más reducida), desarrollando una
potencia de 1 CV, bajo un salto de 1 m.
Esta relación se expresa la siguiente fórmula:
n = velocidad de la turbina (r.p.m)
P = potencia de la turbina (CV)
h = altura del salto (m)
La velocidad específica es un índice para determinar, en cada caso, cuál es el tipo de turbina más apropiado.
En efecto, según pruebas experimentales efectuadas, las turbinas tienen buen rendimiento sólo entre ciertos
límites de su velocidad específica. Por ello, dicha velocidad específica ha de servir de indicación para la
elección de la turbina más conveniente en cada caso.
3.2. Tipos de turbinas
Como ya hemos visto hasta ahora, disponemos de 3 tipos de turbinas diferentes, pero no son las únicas. Éstas
son: Pelton, Kaplan y Francis.
Cada una de éstas se utiliza dependiendo de la configuración de la central (altura del salto, potencia, situación
geográfica, disponibilidad, uso, etc.).
Las 3 las vamos a ver, pero una vista general, sin meternos demasiado en su completo funcionamiento.
Pelton
A partir de 100 metros, se emplean principalmente turbinas o ruedas Pelton, las cuales pueden funcionar
adecuadamente con caudales relativamente bajos. Las turbinas Pelton aumentan la velocidad del fluido
mediante una tobera, produciendo un chorro de agua dirigido a gran velocidad hacia las paletas. Debido a la
6
forma de éstas, el chorro gira en casi 180º, con lo cual se produce un cambio de momento que se traspasa al
eje. La válvula de aguja, que se usa para controlar el flujo de agua, deja pasar un chorro de agua que choca
con los álabes de la turbina transfiriéndole su energía y haciendo girar la turbina. El agua sale a una muy alta
presión.
Francis
La turbina Francis es un motor hidráulico de reacción, que se emplea para caudales y alturas medias. El agua
procedente de la tubería forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina y sale paralela a él. La parte por
la que entra el agua en la turbina se denomina cámara de descarga, la que está indicada por 2 en la figura. El
agua, después de pasar por el rodete, impulsando a éste y haciéndolo girar, sale por un tubo denominado tubo
de aspiración (3).
Figura 1
Para regular el caudal de agua que entra en el rodete se utilizan unas paletas directrices situadas en forma
circular, y cuyo conjunto de denomina distribuidor (4 en la figura). Cada una de las paletas directrices se
mueve sobre un pivote, de tal forma que llegan a tocarse en la posición de cerrado, en cuyo caso no entra
agua en el rodete, y tienen sus caras casi paralelas en la posición de abierto, en cuyo caso el caudal de agua
recibido por el rodete es máximo. El conjunto de paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de
un anillo móvil (5 en la figura), al que están unidas todas las paletas directrices, y este anillo móvil, a su vez
está accionado por el regulador de velocidad de la turbina. Esto se puede apreciar en la figura 2, una turbina
Francis vista desde abajo; donde (1) es el rodete de la turbina, unido al eje (2) de la misma. Las paletas del
distribuidor están representadas por (3), y (4) expresa los pivotes sobre los que giran dichas paletas; en la
figura, las paletas del distribuidor están casi totalmente abiertas.
En las centrales hidráulicas con saltos de pequeña y mediana altura, la turbina Francis se monta con la cámara
de descarga abierta. En este tipo de cámara el agua llega libremente hasta la turbina, quedando ésta sumergida
en el agua. Para saltos de gran altura no es posible la instalación de cámara abierta, pues ésta quedaría
sometida a grandes presiones. En estos casos, se emplean cámaras de descarga cerradas y para saltos aún
mayores (300 m y más) cámaras de descarga en espiral; el agua llega a la turbina por la tubería forzada y sale
por un tubo difusor o de aspiración.
Kaplan
La turbina Kaplan es semejante a una hélice de un barco. Las amplias palas o álabes de la turbina son
impulsadas por agua de alta presión liberada por una compuerta. Kaplan es una turbina de hélice con álabes
ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del álabe pueda producirse en las
condiciones de máxima acción, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga. Se logra así
mantener un rendimiento elevado a diferentes valores de la potencia. Característica importantísima para un
rotor de hélice, pues es una de las deficiencias más notables que se advierten en las turbo máquinas de hélice
de alabe fijo, en las cuales la incidencia del agua sobre el borde de ataque se produce bajo ángulos
inapropiados, al variar la potencia dando lugar a separación o choques, que reducen fuertemente el
rendimiento de la unidad.
4.0 Funcionamiento de una central
La presa retiene el agua del río provocando un embalsamiento y un aumento del nivel del agua. A pie de presa
está la sala de máquinas con los grupos turboalternadores. El agua llega a las turbinas a través de un conducto
forzado alimentado desde el embalse por las presas de agua, equipadas con compuertas y enrejados. La
energía potencial del agua embalsada se convierte en energía cinética al abrir las compuertas del conducto y
se comunica al rodillo de la turbina, que se pone a girar, y el agua sale de nuevo al río por los canales de
7
desagüe. Solidario al eje de la turbina, está el rotor del alternador y un generador de corriente continua que
genera un campo magnético en las bobinas del rotor, con lo cual se produce en el bobinado del estator una
corriente alterna de tensión mediana y elevada intensidad. Con los transformadores se eleva la tensión y a
través del parque de distribución o directamente se alimentan las líneas de la red de transporte. (Mirar figura 1
del punto 2.3).
5.0. Las centrales hidroeléctricas y el medio ambiente
Desde el punto de vista medioambiental, siempre se ha considerado que la electricidad de origen hidráulico
es una alternativa energéticamente no contaminante. No obstante, la construcción de una central hidroeléctrica
comporta cierto impacto en el medio ambiente.
Ventajas
− Es renovable.
− No se consume. Se toma el agua en un punto y se devuelve a otro a una cota inferior.
− Es autóctona y, por consiguiente, evita importaciones del exterior.
− Es completamente segura para personas, animales o bienes.
− No genera calor ni emisiones contaminantes (lluvia ácida, efecto invernadero...)
− Genera puestos de trabajo en su construcción, mantenimiento y explotación.
− Requiere inversiones muy cuantiosas que se realizan normalmente en comarcas de montaña muy deprimidas
económicamente.
− Genera experiencia y tecnología fácilmente exportables a países en vías de desarrollo.
Inconvenientes
− Altera el normal desenvolvimiento en la vida biológica (animal y vegetal) del río.
− Las centrales de embalse tienen el problema de la evaporación de agua: En la zona donde se construye
aumenta la humedad relativa del ambiente como consecuencia de la evaporación del agua contenida en el
embalse.
− En el caso de las centrales de embalse construidas en regiones tropicales, estudios realizados han
demostrado que generan, como consecuencia del estancamiento de las aguas, grandes focos infecciosos de
bacterias y enfermedades.
− Los sedimentos se acumulan en el embalse empobreciéndose de nutrientes el resto de río hasta la
desembocadura.
6.0 Bibliografía
−Tecnología Industrial I. Batxillerat. McGrawHill. Joseph, Hoyos, Garravé, Vila. 1998.
− http://www1.ceit.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p5.htm
8
− http://www.dcc.uchile.cl/~luribe/turbinas.html
− http://www1.ceit.es/asignaturas/ecologia/trabajos/ehidraul/p6.htm
− http://cipres.cec.uchile.cl/~cavera/francis/caracfun.htm
− http://cipres.cec.uchile.cl/~cavera/francis/turfran.htm
− http://www.coiim.es/enla/Industria/presas_hidraulic1.htm
− http://www.codeso.com/MCHE2.html
− http://www3.rincondelvago.com/apuntes/descarga.php?00025242
− http://www3.rincondelvago.com/apuntes/descarga.php?00001557
− http://www3.rincondelvago.com/apuntes/descarga.php?00001332
− La mayoría del trabajo ha sido extraído de Internet, es por ello que las direcciones aparecen sin indicar a que
parte del texto hacen referencia.
− Si se quiere ampliar el tema de la turbina Pelton, se puede visitar
http://bicho.uc3m.es/alumn/CE1/practicas/pract4_2.pdf
Está muy completa.
13
9