TEMA III CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Transcripción

1 TEMA III CENTRALES HIDROELÉCTRICAS 3.1.-Centrales hidroeléctricas. Energía hidráulica Se denomina energía hidráulica o energía hídrica a aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas Cuando el Sol calienta la Tierra, además de generar corrientes de aire, hace que el agua de los mares, principalmente, se evapore y ascienda por el aire y se mueva hacia las regiones montañosas, para luego caer en forma de lluvia. Esta agua se puede colectar y retener mediante presas. Parte del agua almacenada se deja salir para que se mueva los álabes de una turbina engranada con un generador de energía eléctrica La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial y cinética contenida en las masas de agua que transportan los ríos, provenientes de la lluvia y del deshielo. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual trasmite la energía a un alternador el cual la convierte en energía eléctrica. La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en Megavatios (MW) y se calcula mediante la fórmula siguiente: Donde: P e = potencia en vatios (W) ρ = densidad del fluido en kg/m³ η t = rendimiento de la turbina hidráulica (entre 0,75 y 0,90) η g = rendimiento del generador eléctrico (entre 0,92 y 0,97) η m = rendimiento mecánico del acoplamiento turbina alternador (0,95/0.99) Q = caudal turbinable en m 3 /s H = desnivel disponible en la presa entre aguas arriba y aguas abajo, en metros (m)

2 En una central hidroeléctrica se define: Potencia media: potencia calculada mediante la fórmula de arriba considerando el caudal medio disponible y el desnivel medio disponible. Potencia instalada: potencia nominal de los grupos generadores instalados en la central CENTRALES HIDROELÉCTRICAS La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía 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. Principio de funcionamiento: La energía mecánica del agua (cinética o potencial) se transforma en energía mecánica de rotación mediante una turbina hidráulica La energía mecánica de rotación se emplea para accionar un generador eléctrico y obtener energía eléctrica FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA Como ejemplo de funcionamiento de una central hidroeléctrica se ha elegido un Salto a pie de presa, como la representada en la figura. Básicamente es el siguiente: gracias a una presa (2), ubicada en el lecho de un río, se acumula una cantidad de agua que forma un embalse (1). La energía potencial del salto generado se transforma posteriormente en energía eléctrica. Para ello, se sitúan en el paramento aguas arriba de la presa unas tomas de agua formadas por una bocina de admisión, protegida por una rejilla metálica (3), y por una cámara de compuertas que controla la entrada del agua a una tubería forzada (4). Normalmente, ésta atraviesa el cuerpo de la presa y tiene por objetivo llevar el agua desde las tomas hasta los equipos de la central eléctrica.

3 El agua, a presión de la tubería forzada, va transformando su energía potencial en cinética, es decir, va adquiriendo velocidad. Al llegar a las máquinas, actúa sobre los álabes del rodete de la turbina (6), haciéndolo girar. El rodete de la turbina está unido por un eje (7) al rotor del generador (8) que, al girar con los polos excitados por una corriente continua, induce una corriente alterna de media tensión y alta intensidad. Mediante transformadores (9), es convertida en corriente de baja intensidad y alta tensión para poder ser enviada a la red general mediante las líneas de transporte (10). El agua, una vez que ha cedido su energía, es restituida al río, aguas abajo de la central. Normalmente, una central hidroeléctrica dispone de varios grupos turbinaalternador (5). El conjunto de éstos suele estar alojado en una sala de máquinas o edificio de la central propiamente dicho. Los elementos constructivos que forman una central hidroeléctrica son los siguientes: Presa, aliviaderos y tomas de agua, canal de derivación, chimenea de equilibrio, tuberías de presión, cámaras de turbinas, canal de desagüe y sala de máquinas y patio de conexiones... Presa: Es el primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica. Se encarga de cortar el agua de un río y almacenarla en un embalse. Con esta construcción se consigue un determinado desnivel del agua que es aprovechado para conseguir energía. Las presas se pueden clasificar, según el material utilizado en su construcción, en presas de tierra y presas de hormigón. Las presas de hormigón son las más resistentes y las más utilizadas. Hay de tres tipos en función de su estructura:

4 Presa de gravedad: son presas de hormigón triangulares con una base ancha que se va haciendo más estrecha en la parte superior. Son construcciones de larga durada y que no necesitan mantenimiento. La altura de este tipo de presas está limitada por la resistencia del terreno. Presa de vuelta: en este tipo de presa la pared es curva. La presión provocada por agua se transmite íntegramente hacía las paredes del valle por el efecto del arco. Cuando las condiciones son favorables, la estructura necesita menos hormigón que una presa de gravedad, pero es difícil encontrar lugares donde se puedan construir. Presa de contrafuertes: tienen una pared que soporta el agua y una serie de contrafuertes o pilares, de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga del agua a la base. En general, se utilizan en terrenos poco estables y no son muy económicas. Tubería forzada es la tubería que lleva el agua a presión desde el canal o el embalse hasta la entrada de la turbina.los aliviaderos Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tiene como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.

5 La misión de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego. Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas, de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según lo demande la situación. Toma de agua La toma de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberías, se hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Estas tomas además de unas compuertas, para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc., puedan llegar a los álabes y producir desperfectos. El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la presa de derivación hasta las turbinas de la central. Generalmente es necesario hacer la entrada a las turbinas con turbinas forzadas siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde termina el canal y comienza la tubería. Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente las tuberías forzadas a las tomas de agua de las prensas. Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberías forzadas y álabes de turbinas. A estas sobrepresiones se las denomina golpe de ariete. Las estructuras forzadas o de presión, suelen ser de acero con refuerzos regulares a lo largo de su longitud, o de cemento armado, reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas al terreno mediante soleras adecuadas. Rebosaderos: son unos elementos que permiten liberar parte del agua que es retenida sin que pase por la sala de máquinas. : Válvulas: Las válvulas son unos dispositivos que permiten controlar y regular la circulación del agua por las tuberías. Chimeneas de equilibrio: La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobre presión de agua encuentra menos resistencia para penetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará. Con esto se consigue evitar el golpe de ariete. Casa de máquinas: es la construcción donde se sitúan las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y elementos de regulación y control de la central

6 Casa de máquinas Es el lugar en donde se encuentran los equipos encargados de realizar la transformación de la energía del agua en energía eléctrica. Generalmente se ubican en la casa de máquinas: La(s) turbina(s), generador(es), transformador(es) de potencia y equipos auxiliares de la planta. Patio de conexiones: Se encuentran ubicados, en este sitio, los interruptores y seccionadores, el barraje, pararrayos, transformadores de corriente y potencial y las líneas de interconexión que salen de la planta, para conectarla al sistema nacional o a la carga TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS CLASIFICACIÓN Se pueden clasificar según 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: o o Centrales de Regulación Centrales de Bombeo. Según la altura del salto de agua o desnivel existente: 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.

7 No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), 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. Presa de agua fluente en el río Urumea Centrales de Agua Embalsada: Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), 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.

8 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. Central de bombeo Una central hidroeléctrica de bombeo, o reversible, es un tipo especial de central hidroeléctrica que posee dos embalses. El agua contenida en el embalse situado en la cota más baja embalse inferior puede ser elevada, durante las horas valle, mediante bombas al depósito situado en la cota más alta embalse superior, con el fin de reutilizarla posteriormente para la producción de energía eléctrica. Este tipo de centrales produce energía eléctrica durante las horas puntas del consumo las de mayor demanda de electricidad mediante la acción que ejerce un salto de agua sobre los álabes de una turbina asociada a un alternador, es decir, funcionando como una central hidroeléctrica convencional.

9 Después, durante las horas valle las de menor demanda, se bombea el agua que ha quedado almacenada en el embalse inferior al embalse superior, bien mediante una bomba o bien mediante la turbina, si ésta es reversible, de manera que el agua pueda volver a ser utilizada en un nuevo ciclo. Para elevar el agua desde el embalse inferior hasta el depósito superior, la central dispone de grupos moto-bombas o, en otros casos, sus turbinas son reversibles, de modo que pueden actuar ellas mismas como bombas, funcionando los alternadores como motores. 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, y 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 metros aproximadamente. Utilizan caudales de 200m3/s por turbina. En valles de media montaña, dependen de embalses.

10 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 TURBINA. TIPOS Una turbo máquina consta fundamentalmente de una rueda de alabes, rodete, que gira libremente alrededor de un eje cuando pasa un fluido por su interior. La clasificación fundamental de una turbina (convierte la energía del flujo en una energía mecánica en el eje) es las de acción y las de reacción. Turbinas de acción: Se llaman así cuando la transformación de la energía potencial en energía cinética se produce en los órganos fijos anteriores al rodete (inyectores o toberas). En consecuencia el rodete solo recibe energía cinética Turbinas de reacción: Se llama así cuando se transforma la energía potencial en cinética íntegramente en el rodete. Este recibe solo energía potencial. En la realidad no se ha desarrollado este tipo de turbina industrialmente. Se llaman así aun que habría que considerarlas como un tipo mixto. En la actualidad, las turbinas que dominan el campo en las centrales hidroeléctricas son: Pelton Francis Hélice y Kaplan (de acción) (de reacción) (de reacción)

11 Turbina Pelton El agua disponible en la parte alta de la instalación pasa por una tubería hasta la parte inferior donde sale al exterior a través de una boquilla. Por la diferencia de altura, el agua sale a gran velocidad y choca contra las paletas del rodete haciendo que gire. Dependiendo de la instalación, pueden colocarse varias boquillas distribuidas. Esta turbina está sometida a presión atmosférica, por lo que no podrá ser sumergida. Este tipo de turbinas son preferibles para instalaciones con un salto de agua muy importante.

12 Turbina Francis La circulación de agua se produce en sentido contrario. El agua entra por la carcasa con forma de caracol que la hace girar y la conduce hacia el centro, donde se encuentra con el rotor al que hace girar. La energía del agua es la que hace girar el rotor. Tienen un rendimiento muy alto en instalaciones con grandes caudales y saltos menores que las Pelton. Aunque son caras, tienen bajo mantenimiento y un tiempo de vida elevado.

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15 Turbina Kaplan. Se parece a los motores de barco. Consiste en una hélice situada en una conducción, de manera que el paso del agua la hace girar. La energía recuperada del agua a su paso es convertida, primero en energía mecánica de rotación y, luego, en energía eléctrica. Algunos equipos disponen de álabes móviles: se mueven automáticamente al variar las condiciones de operación, lo que hace que la eficiencia se mantenga prácticamente constante durante el funcionamiento. Estos sistemas son ideales para saltos pequeños y caudales grandes, siendo muy utilizadas en centrales minihidráulicas. Son centrales minihidráulicas las centrales hidroeléctricas con potencia inferior a 10MW.

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17 CONFIGURACIONES TÍPICAS DE CENTRALES

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20 3.6.- VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Ventajas No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita. Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua. A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo. Los costos de mantenimiento y explotación son bajos. Las obras de ingenieria necesarias para aprovechar la energía hidraúlica tienen una duración considerable. La turbina hidrálica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos

21 Inconvenientes depende de la climatología, por lo que su aplicación puede resultar inviable en determinados lugares donde los recursos hídricos sean escasos o en períodos de sequía. La construcción de grandes embalses altera el medio natural La construcción de grandes embalses altera el medio natural ya que debe acometerse una obra civil para la construcción de la presa, el peso del agua retenida en el embalse puede provocar movimientos del terreno y se producen efectos sobre la climatología local por la gran masa de agua acumulada. Cambio en las especies predominantes Una presa supone una barrera que impide el movimiento de especies de agua dulce. El movimiento del agua en los ríos y su escasa profundidad, favorecen la disolución del oxígeno del aire, clave para la vida acuática. En los embalses, donde el movimiento del agua es menor y hay gran profundidad, sólo se alcanza una concentración de oxígeno adecuada en las capas superiores. Esta intervención en la naturaleza provoca el cambio en las especies predominantes. La descarga de agua desde el embalse ha de realizarse con una agitación suficiente para garantizar la rápida oxigenación, para que el cauce por debajo de la presa se recupere lo antes posible. Las centrales minihidráulicas que operan con agua fluyente no presentan estos problemas ya que únicamente toman una fracción de la corriente de agua. Medioambientalmente son más aceptables. Los costos de capital por Kilovatio instalado puede se muy alto

22 El potencial hidráulico español España no se puede considerar como un país seco, lo que ocurre es que la distribución de estos recursos es muy desigual en cuanto al tiempo y al espacio. La desigualdad en el tiempo es consecuencia del carácter torrencial de sus ríos, con grandes fluctuaciones de sus caudales a lo largo de los diferentes épocas del año. La irregularidad en el espacio resulta bien patente: las cuencas del Norte producen más de la tercera parte de la aportación de los ríos en el 10% de la superficie del país, mientras que el 90% restante no presenta una situación tan favorable en cuanto a recursos hidráulicos y ya entra dentro de la categoría de región semiárida. En la actualidad, el consumo eléctrico total español es de unos GW.h/año, por lo que puede afirmarse que más de un 25% del mismo es de origen hidroeléctrico. A este respecto conviene recordar que, con anterioridad a 1960, la producción hidroeléctrica anual suponía más del 80% de la producción eléctrica total. En la década de los años sesenta comenzó a descender dicho porcentaje, llegando en la de los años setenta a producirse por primera vez el hecho de que dicho porcentaje se mantuviese por debajo del 50%. La importante disminución de la producción hidroeléctrica respecto de la total eléctrica, no se debió, ni se debe, al agotamiento de los recursos hidráulicos disponibles en España, sino a motivos económicos, ya que para las empresas eléctricas resultaban más rentables las centrales térmicas convencionales que las hidroeléctricas.

23 Desarrollo de la energía hidroeléctrica La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía 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.. 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 países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE ITAIPU

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26 Rotor do Gerador de Itaipu toneladas - 90 RPM

27 Todas las tuberías que lleva agua a las turbinas de Itaipú son 10,5 metros de diámetro y un caudal de litros por segundo. El cierre repentino de una válvula puede causar la ruptura del tubo de presión excesiva.

28 Turbina Francis de Itaipu MW - 1 millón de HP toneladas - 90 RPM

29 La mitad de la sala este de los generadores de Itaipú, con 1 km de longitud. El desplazamiento de los empleados se hace con las motos.

30 Prédio de Itaipu

31 Eje de la turbina de Itaipú toneladas - 90 RPM El ruido es tan fuerte que tiene que usar protección para los oídos

32 Sistema hidráulico que controla el distribuidor de muebles paletas Se utiliza para subir y bajar la rotación de la turbina, aumentando y disminuyendo el flujo

33 Caja Espiral (Caracol) El tubo verde toma de agua para enfriar el estator del generador

34 El agua de la caja espiral (caracol), pasa a través de la pre-distribuidor (paletas fijas), pasa a través del distribuidor (lugar paletas de muebles), la turbina Francis y el tubo de succión

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36 La presa Hoover (4,0 GW), frontera de Nevada y Arizona, fue inaugurado en 1936 y fue el más grande del mundo

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