Esquema general de una central hidroeléctrica
Una masa de agua en desnivel (en altura) posee una cierta energía potencial acumulada. Al caer el agua, la energía se convierte en cinética (de movimiento) y hace girar una turbina, la cual, a su vez, acciona un generador que produce la corriente eléctrica.
Una central hidroeléctrica tipo
1. Agua embalsada, 2. Presa, 3. Rejillas filtradoras, 4. Tubería forzada, 5. Conjunto turbina-alternador, 6. Turbina, 7. Eje, 8. Generador, 9. Líneas de transporte de energía eléctrica, 10. Transformadores
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Ventajas de las centrales hidroeléctricas:
1. No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita.
2. Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua.
3. 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.
4. Los costos de mantenimiento y explotación son bajos.
5. Las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable.
6. La turbina hidráulica 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.
Algunas desventajas de las centrales hidroeléctricas:
1. Los costos de instalación iniciales son muy altos.
2. Su ubicación, condicionada por la geografía natural, suele estar lejos de los centros de consumo y obliga a construir un sistema de transmisión de electricidad, aumentando los costos de inversión y de mantenimiento y aumentando la pérdida de energía.
3. La construcción implica mucho tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas.
4. El espacio necesario para el embalse inunda muchas hectáreas de terreno.
5. La disponibilidad de energía puede fluctuar, de acuerdo con el régimen de lluvias, de estación en estación y de año en año.
Tipos de Centrales Hidroeléctricas
Central Hidroeléctrica de PasadaUna central de pasada es aquella en que no hay acumulación apreciable de agua para accionar las turbinas.
En una central de este tipo las turbinas deben aceptar el caudal natural del río, con sus variaciones de estación en estación. Si este es mayor a lo necesario, el agua sobrante se pierde por rebalse.
En ocasiones un embalse relativamente pequeño bastará para impedir esa pérdida por rebalse.
Esquema de una central de Pasada
Corte vertical
Normalmente, en una central de pasada, se aprovecha un estrechamiento del río, y la obra del edificio de la central (casa de máquinas) puede formar parte de la misma presa.
El desnivel entre "aguas arriba" y "aguas abajo", es reducido, y si bien se forma un remanso de agua a causa del necesario embalsamiento mínimo (azud), no es demasiado grande.
Este tipo de central requiere un caudal suficientemente constante para asegurar durante el año una potencia determinada.
Central Hidroeléctrica con Embalse de Reserva
En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido "aguas arriba" de las turbinas mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales.
El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Del volumen embalsado depende la cantidad que puede hacerse pasar por las turbinas.
Con embalse de reserva puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque por completo durante algunos meses , cosa que sería imposible en un proyecto de pasada.
Las centrales con almacenamiento de reserva exigen por lo general una inversión de capital mayor que las de pasada, pero en la mayoría de los casos permiten usar toda la energía posible y producir kilovatios-hora más baratos.
Esquema de una central con embalse
Corte vertical
La casa de máquinas suele estar al pie de la presa, como ilustra el dibujo superior; en estos tipos de central, el desnivel obtenido es de caracter mediano.
Centrales Hidroeléctricas de Bombeo
Central de bombeo tipo
1. Embalse superior, 2. Presa, 3. Galeria de conducción, 4-5. Tuberia forzada, 6. Central, 7. Turbinas y generadores, 8. Desagües, 9. Líneas de transporte de energía eléctrica, 10. Embalse inferior o río. (Ampliar imagen)
Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicos de un país.
Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda de energía eléctrica alcanza su máximo nivel durante el día, las centrales de bombeo funcionan como una central convencional generando energía.
Al caer el agua, almacenada en el embalse superior, hace girar el rodete de la turbina asociada a un alternador.
Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor el agua es bombeada al embalse superior para que pueda iniciar el ciclo productivo nuevamente.
Para ello la central dispone de grupos de motores-bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores.
Principales componentes de una Central Hidroeléctrica
Dentro de los principales componentes tenemos: la pPresa o represa, los aliviaderos, las tomas de agua, canales de derivación, la chimenea de equilibrio, las tubería forzadas, la casa de máquinas, las turbinas hidráulicas y los generadores.
La Presa o Represa
El primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica es la presa o azud, que se encarga de atajar el río y embalsar las aguas.
Con estas construcciones se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma. Ese desnivel se aprovecha para producir energía.
Las represas pueden clasificarse por el material empleado en su construcción en: represas de tierra y represas de hormigó; estas últimas son las más utilizadas.
Represa de tierra
Represa de hormigón
Los Aliviaderos
Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas.
Se encuentran en la pared principal de la represa y pueden ser de fondo o de superficie.
La misisón de los aliviaderos es liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego.
Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura, los aliviaderos se diseñan para que la mayoría del líquido se pierda en una cuenca que se encuentra al pie de la represa, llamada de amortiguación.
Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según la demanda de la situación.
Tomas de agua
Las tomas de agua son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para llevarlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberías. 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.
Canal de derivación
El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la presa hasta las turbinas de la central.
Chimenea de equilibrio
Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberias forzadas y álabes de las turbinas.
La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobrepresión de agua esta 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.
Tuberías forzadas
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 solera adecuadas.
Casa de máquinas
Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando.
En la figura siguiente tenemos el corte esquemático de una central de caudal elevado y baja caida. La represa comprende en su misma estructura a la casa de máquinas.
Se observa en la figura que la disposición es compacta, y que la entrada de agua a la turbina se hace por medio de una cámara construida en la misma represa. Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de las máquinas en caso de reparación o desmontajes.
Esquema central de caudal elevado
1. Embalse, 2. Presa de contención, 3. Entrada de agua a las máquinas (toma), con reja, 4. Conducto de entrada del agua, 5. Compuertas planas de entrada, en posición "izadas", 6. Turbina hidráulica, 7. Alternador, 8. Directrices para regulación de la entrada de agua a turbina, 9. Puente de grua de la sala de máquinas, 10. Salida de agua (tubo de aspiración), 11. Compuertas planas de salida, en posición "izadas", 12. Puente grúa para maniobrar compuertas de salida, 13. Puente grúa para maniobrar compuertas de entrada.
En la figura siguiente mostramos el esquema de una central de baja caida y alto caudal, como la anterior, pero con grupos generadores denominados "a bulbo", que están totalmente sumergidos en funcionamiento.
Central de baja caída y alto caudal
1. Embalse, 2. Conducto de entrada de agua, 3. Compuertas de entrada "izadas", 4. Conjunto de bulbo con la turbina y el alternador, 5. Puente grúa de las sala de máquina, 6. Mecanismo de izaje de las compuertas de salida, 7. Compuerta de salida "izada", 8. Conducto de salida.
En la figura que sigue se muestra el corte esquemático de una central de caudal mediano y salto también mediano, con la sala de máquinas al pie de la presa.
El agua ingresa por las tomas practicadas en el mismo dique, y es llevada hasta las turbinas por medio de conductos metálicos embutidos en el dique.
Central de caudal y salto medianos
1. Embalse, Toma de agua, 3. Conducto metálico embutido en la represa, 4. Compuertas de entrada en posición de izada, 5. Válvulas de entrada de agua a turbinas, 6. Turbina, 7. Alternador, 8. Puente grúa de la central, 9. Compuerta de salida "izada", 10. Puente grúa para izada de la compuerta de salida, 11. Conducto de salida.
En la figura siguiente tenemos el esquema de una central de alta presión y bajo caudal. Este tipo de sala de máquinas se construye alejadas de la presa.
El agua llega por medio de una tuberia a presión desde la toma, por lo regular alejada de la central, y en el trayecto suele haber una chimenea de equilibrio.
La alta presión del agua que se presenta en estos casos obliga a colocar válvulas para la regulación y cierre, capaces de soportar el golpe de ariete.
Central de alta presión y bajo caudal
1. Conducto forzado desde la chimenea de equilibrio, 2. Válvula de regulación y cierre, 3. Puente grúa de sala de válvulas, 4. Turbina, 5. Alternador, 6. Puente grúa de la sala de máquinas, 7. Compuertas de salida, en posición "izadas", 8. Puente grúa para las compuertas de salida, 9. Conducto de salida (tubo de aspiración).
Turbinas Hidráulicas
Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas:
La rueda Pelton, que es adecuada para saltos grandes
La turbina Francis, adecuada para salto medianos
La de hélice o turbina Kaplan, muy útil en saltos pequeños.
El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina.
Esquema de la rueda Pelton
1. Rodete, 2. Cuchara, 3. Aguja, 4. Tobera, 5. Conducto de entrada, 6. Mecanismo de regulación, 7. Cámara de salida.
Un chorro de agua, convenientemente dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda. Debido a la forma de la cuchara, el agua se desvia sin choque, cediendo toda su energía cinética, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la máquina. La regulación se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tubera.
Este tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas.
Rodete y cuchara de una turbina Penton.
Turbina Penton y alternador.
Para saltos medianos se emplean las turbinas Francis, que son de reacción.
Turbina Francis
En el dibujo podemos apreciar la forma general de un rodete y el importante hecho de que el agua entre en una dirección y salga en otra a 90º, situación que no se presenta en las ruedas Pelton.
Las palas o álabes de la rueda Francis son alabeadas.
Un hecho también significativo es que estas turbinas en vez de toberas, tienen una corona distribuidora del agua.
Esta corona rodea por completo al rodete. Para lograr que el agua entre radialmente al rodete desde la corona distribuidora existe una cámara espiral o caracol que se encarga de la adecuada dosificación en cada punto de entrada del agua.
El rodete tiene los álabes de forma adecuada como para producár los efectos deseados sin remolinos ni pérdidas adicionales de caracter hidrodinámico.
Turbina Kaplan
En los casos en que el agua sólo circule en dirección axial por los elementos del rodete, tendremos las turbinas de hélice o Kaplan.
Las turbinas Kaplan tienen álabes móviles para adecuarse al estado de la carga.
Esta turbinas aseguran un buen rendimiento aún con bajas velocidades de rotación.
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.
La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX y lo que va corrido del actual siglo XXI.
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 tuberías 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 turbinas 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 caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman de agua fluente o de pasada. Una de ellas es la de las Cataratas del Niágara, situada en la frontera entre Estados Unidos y Canadá.
Represa de Itaipú.
A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene el 60 por ciento 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.
La reprresa de Itaipú es un proyecto conjunto de Brasil y Paraguay sobre las aguas del río Paraná, y su central hidroeléctrica, la mayor del mundo, de la que se obtienen importantes recursos energéticos para ambos países y el conjunto regional. Con una altura de 196 m, y 8 km. de largo, cuenta con 14 vertederos que actúan como cataratas artificiales. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y es una de las más grandes.
En algunos países 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 vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.
