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Centrales hidroeléctricas

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ÍNDICE

Breve descripción del funcionamiento de una central hidroeléctrica

La energía se obtiene de la caída 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.

Historia

Centrales hidroeléctricas
Los antiguos romanos y griegos aprovechaban ya la energía 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 energía hidroeléctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civil británico John Smeaton, que construyó por vez primera grandes ruedas hidráulicas de hierro colado.

La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revo-lución Industrial. Impulsó las industrias textiles 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 energía hidráulica ayudó al crecimiento de las nuevas ciudades indus-triales 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 todavía 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.

Una central hidroeléctrica: tipos, elementos y procesos

Clasificación de las centrales hidráulicas.

Centrales de alta presión: Alturas de saltó hidráulica superiores a los 200 m. Como máquinas motrices se utilizan, generalmente, turbinas Pelton o, para los saltos de menor altura, turbinas Francis lentas.

Centrales de media presión: Alturas de salto hidráulica comprendidas entre 20 y 200 m. Las máquinas motrices empleadas son las turbinas Francis medias y rápidas, correspondiendo estas últimas a los saltos de menor altura, dentro de los límites indicados.

Centrales de baja presión: Alturas de salto hidráulica, inferiores a 20 m. Es la zona de utilización de las turbinas Francis extrarrápidas, de las turbinas de hélice y, sobre todo, de las turbinas Kaplan.

Las centrales hidráulicas también se clasifican como sigue:

Centrales de agua corriente

Centrales de agua embalsada

Elementos de una central hidráulica

Los elementos constructivos que constituyen una central hidráulica son:

Presa.

Canal de derivación.

Tubería de presión.

Centrales hidroeléctricas
Compuertas.

Accionamiento de las compuertas

Órganos de obturación ( válvulas )

Cámara de turbinas.

Tubo de aspiración.

Canal de desagüe.

Casa de máquinas.

Presa

Se llama presa en general a una construcción que se levanta en el lecho del río para atajar el agua, produciendo una elevación de su nivel que permite la derivación de ella, o bien para almacenar el agua regulando el caudal del río. Por el objeto para que están construidas, las presas se dividen en dos grandes grupos:

Presas de derivación.

Presas de embalse

Presas de derivación, llamadas también azudes y presas de vertedero están dispuestas, preferentemente, para elevar el nivel del contribuyendo a crear el salto y siendo efecto secundario el almacenamiento del agua cuando lo requieran las necesidades de consumo.

Por el contrario, el objeto preferente de las presas de embalse es el almacenamiento de agua para regular el caudal del río, siendo de efecto secundario la elevación del nivel del agua para producir de salto.

Canal de derivación

El canal de derivación se utiliza para conducir el agua desde la presa de derivación hasta las turbinas de la central. Cuando el salto es superior a unos 15 m conviene dar entrada a las aguas en la sala de turbinas por medio de tuberías forzadas y, para ello, debe preverse una cámara de presión donde termina el canal y comienza la tubería.

Por lo general, y para evitar filtraciones en el terreno, los canales de derivación están reves-tidos interiormente de mampostería, hormigón en masa u hormigón armado.

Tuberías de presión

En las instalaciones hidroeléctricas, las tuberías de presión o tuberías forzadas, tienen por objeto conducir el agua desde la cámara de presión a las turbinas cuando, por causa de la altura del salto, se precisa tal disposición para transformar la energía potencial de posición que tiene el agua en la cámara de presión, en energía potencial presión, que tiene junto a la turbina y al final de la conducción forzada.

Compuertas

Las compuertas se utilizan para cerrar las conducciones de agua ( canales - tuberías), así como para regular el caudal de agua en dichas conducciones. Únicamente hay que tener en cuenta que las compuertas sometidas a grandes presiones (por ejemplo, en las tomas de agua) habrán de ser de construcción más robusta que las compuertas que o de resistir pequeñas presiones (por ejemplo, en los canales de derivación abiertos).

Accionamiento de las compuertas

Para elevar una compuerta es necesario un esfuerzo que ha de ser superior al peso propio de la compuerta y a los rozamientos originados por la presión hidráulica; solamente las compuertas de pequeñas dimensiones pueden accionarse manualmente.

Para las compuertas de mayor peso se utilizan varios dispositivos

cremallera con rueda sencilla o varias ruedas.
cremallera con accionamiento de engranaje y tornillo sin fin.
torno de husillo horizontal.

Para las grandes compuertas se utilizan así exclusivamente dispositivos oleo-hidráulicos con servomotor

Órganos de obturación (Válvulas)

Los órganos de obturación denominados, en general, válvulas, se utilizan para abrir y cerrar el paso del agua por los conductos forzados. Según el empleo a que están destinados, los órganos de obturación pueden ser:

Órganos de seccionamiento, cuya misión es cerrar el paso del agua hacia las turbinas, cuando sea necesario.
Órganos de seguridad, que deben obturar el conducto, no solamente en el caso en que el caudal sobrepase el absorbido normalmente por la turbina, sino también, en caso de embalamiento de esta última. Estas válvulas están provistas, casi siempre, de dispositivos automáticos de cierre, que entran en acción cuando la velocidad del agua sobrepasa un valor máximo, fijado de antemano.

En las instalaciones hidroeléctricas se encuentran muchos tipos de órganos de obturación, que cumplen además funciones muy diferentes. Nosotros estudiaremos solamente los más frecuentes que son:

Válvulas de compuerta.
Válvulas de mariposa.
Válvulas esféricas.

La elección del tipo más apropiado depende de las dimensiones, de la forma de la sección que se ha de obturar, de la presión, de la necesidad de una regulación de apertura parcial, etc.

Cámara de turbinas

Se denomina cámara de turbinas al espacio destinado en una central hidroeléctrica para el alojamiento de las turbinas hidráulicas.

La cámara de turbinas puede ser abierta, si está en comunicación con el exterior, o cerrada, en el caso contrario.

Actualmente, en casi todos los saltos de agua, se utiliza turbinas en cámara cerrada, a la que afluye el agua procedente de las tuberías forzadas. Esta disposición, tiene la gran ventaja de que las tuberías pueden situarse en el lugar más conveniente, los efectos de cimentación, canal de desagüe, etc... ya que a la tubería de presión, que une la cámara de presión con las turbinas puede dársele el trazado y longitud más adecuados.

Para resumir todo lo dicho en el presente párrafo veamos las ventajas e inconvenientes de las turbinas de eje vertical y de eje horizontal, tanto para cámaras abiertas como cerradas:

Turbinas de eje vertical

Ventajas:

- Posibilidad de montar los generadores por encima del nivel de agua, hasta la altura más conveniente, por pequeño que sea el salto.

- Economía de instalación.

Inconvenientes:

- Si la turbina ha de accionar un gene-rador de eje horizontal, son necesarios engranajes de transmisión.

- Las cargas verticales correspondientes a las maquinas han de ser sostenidas por un soporte cojinete de empuje.

Turbinas de eje horizontal

Ventajas:

- Soportes cojinetes normales.

- Transmisión directa a ejes horizontales.

- Más fácil vigilancia porque todos los elementos están a la misma altura.

Inconvenientes:

- Instalación de mayor extensión superficial, por lo tanto más caras.

- El agua ha de reingresar al canal de desagüe a través de uno o más codos a 90°; por lo tanto, mayores pérdidas de carga.

Tubo de aspiración

El tubo de aspiración sirve de enlace entre la turbina y el desagüe y para aprovechar, además, el salto entre ambos elementos. Se construye de hormigón o de chapa de acero y ha de tener una sección variable para conseguir la máxima recuperación de la energía cinética del agua a la salida del rodete de la turbina.

Canal de desagüe

El canal de desagüe llamado también socaz, recoge el agua a la salida de la turbina para devolverla nuevamente al río en el punto conveniente. A la salida de las turbinas, el agua tiene todavía una velocidad importante y, por lo tanto, bastante poder erosivo y para evitar socavaciones del piso o paredes hay que revestir cuidadosamente el desemboque del agua de las turbinas.

En saltos bajos en que conviene perder poco desnivel, el canal de desagüe ha de ser corto. En saltos de gran altura y, especialmente en aquellos en que el agua arrastra poco o ningún material sólido, el canal de desagüe puede ser de mayor longitud.

Casa de máquinas

En la casa de maquinas de una central hidroeléctrica, se montan los grupos eléctricos para la producción de la energía eléctrica, así como la maquinaria auxiliar necesaria para su funcionamiento. Sin embargo, podemos intentar una primera clasificación de las centrales según la disposición general de la casa de máquinas en:

Centrales al exterior.
Centrales subterráneas.

Tipos de turbinas

Más adelante se describirán los siguientes sistemas de turbinas:

Turbina Francis

Turbina Kaplan

Turbina Pelton

Turbina Michell

Turbina Francis

Se emplea en caídas medias con un rendimiento del 90%.

Turbina Kaplan

Es una modificación de la turbina Francis(pág. anterior), que puede utilizarse incluso para pequeñas caídas de agua (hasta 20 m) con rendimientos de hasta el 95%.

Turbina Pelton

Es una rueda hidráulica que puede desarrollar velocidades de giro suficientemente altas (alrededor de 1.000 rpm) como para poder ser utilizada en la generación de energía eléctrica, con eficacias superiores al 90%. Aunque puede operar a caudales desde los 30 l/s. necesita una altura mínima de 25 m.

Turbina Michell

También es una rueda hidráulica de gran velocidad. Su diseño es muy parecido al de la turbina Pelton, aunque su rendimiento es inferior (80%), pero también es más barata. Generalmente no se utiliza para generar energía eléctrica, operando a alturas inferiores a los 30 m.

Datos de potencia y de generación

POTENCIA

POTENCIA INSTALADA A 31 DE DICIEMBRE (MW)
Periodo 1.940-1.999

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