CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.

El esquema general de una central hidroeléctrica puede ser:

ESQUEMA DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

Un sistema de captación de agua provoca un desnivel que origina una cierta energía potencial acumulada. El paso del agua por la turbina desarrolla en la misma un movimiento giratorio que acciona el alternador y produce la corriente eléctrica.

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 grúa de la sal de máquinas.

10 Salida de agua (tubo de aspiración

11 Compuertas planas de salida, en posición "izadas"

12 Puente grúa para maniobrar compuertas salida.

Ventajas De Las Centrales Hidroeléctricas:

• 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 ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable.

• 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.

Desventajas De Las Centrales Hidroeléctricas:

• Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos.

• El emplazamiento, determinado por características naturales, puede estar lejos del centro o centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, lo que significa un aumento de la inversión y en los costos de mantenimiento y pérdida de energía.

• La construcción lleva, por lo común, largo tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas.

• La disponibilidad de energía puede fluctuar de estación en estación y de año en año.

La presa retiene el agua del río provocando un embalse y un aumento del nivel del agua. En el pie de la presa hay la sala de máquinas con grupos turboalternadores. El agua llega a las turbinas a través de un canal forzado alimentado desde el embalse por el agua, equipado con compuertas y rejas. El agua hace girar el eje de la turbina .Solidario a este hay el rotor del alternador y un generador de corriente continua que genera un campo magnético en las bobinas del rotor, que produce en el bobinaje del estator una corriente alterna de media tensión y elevada intensidad.

Con los transformadores se eleva la tensión y, a través del parque de distribución o directamente, se alimenta las líneas de la red de transporte.

Las energías alternativas:

Las energías alternativas son energías renovables y son esas fuentes de energía que se renuevan de manera continuada, en contraposición a los combustibles fósiles, de los cuales existen recursos limitados. Su producción de electricidad es menor a la de las centrales nucleares, termoeléctricas y hidroeléctricas, pero poco a poco van sustituyendo a estas aunque todavía están muy lejos de conseguir su productividad.

Beneficios que aporta la utilización de energías renovables: - Reducción de la emisión de CO2 por cápita.

- Aprovechamiento de recursos autóctonos.

- Soporte a una industria de alta tecnología.

- Protección del entorno natural.

- Beneficios sociales derivados de la electrificación de núcleos aislados.

- Soporte a laboratorios de investigación y centros universitarios con beneficios derivados.

- Favorecer el reequilibrio territorial.

TIPOS DE CENTRALES HIDROELECTRICAS

La influencia de la altura es aprovechada por las centrales hidroeléctricas para convertir la energía potencial del agua en energía eléctrica, utilizando las turbinas para tal fin, acoplando estas a los alternadores. En caso que el río tenga un aporte regular de agua, la energía cinética de éste puede aprovecharse sin necesidad de realizar embalses o bien, utilizando uno de pequeñas dimensiones ( a este tipo de centrales se las conoce como fluyentes).

Por condiciones climáticas el curso y caudal de los ríos resultan frecuentemente irregulares, lo que obliga a retener el agua mediante una presa, formándose así un lago o embalse que produce un salto de agua que libera fácilmente su energía potencial, almacenando agua para aquellas épocas de escasas lluvias (a estas centrales se denomina de regulación).

La estructura de la central puede ser muy diversa según le afecten los condicionantes orográficos de su ubicación, sin embargo se pueden reducir a dos tipos pero con variantes particulares.

El primer tipo es llamado aprovechamiento por derivación de agua, que consiste en una pequeña presa que desvía el agua hacia un pequeño depósito llamado de carga; de aquí pasa a una tubería forzada y posteriormente a la sala de máquinas de la central.

El segundo tipo es denominado aprovechamiento por acumulación de agua y consiste en la construcción de una presa de considerable altura en un lugar del río de condiciones orográficas adecuadas. El nivel del agua se situará en un punto cercano al extremo superior de la presa. A media altura se encuentra la toma de agua y en la parte inferior se encuentra la sala de máquinas con el grupo turbina-alternador. A la central de estas características se la conoce con el nombre de pie de presa.

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.

LA PRESA:

Es el elemento más importante de la central depende en gran medida de las condiciones orográficas de terreno, así como también el curso de agua donde se realiza la instalación.

Por los materiales que están constituídas las presas pueden se de: tierra, mampostería y hormigón.

Las presas más utilizadas son las de hormigón y pueden ser de gravedad o de bóveda.

Las primeras resiste la presión del agua por su propio peso. Las de bóveda necesitan menos materiales que la de gravedad y se suelen utilizar en gargantas estrechas.

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.

La misión de los aliviaderos es la de 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 aliviados se diseñan para que la mayoría se pierda en una cuenca que se encuentra en el pie de la presa, 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 lo demande la situación. El diseño de estos requiere de cálculos muy complejos sobre el efecto destructivo del agua, que se pueden simular con modelos reducidos, aplicando posteriormente el factor de escala correspondiente.

TOMAS DE AGUA:

Las tomas 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 prensa 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 .

Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente se produce una sobrepresión positiva , ya que el regulador automático de la turbina cierra la admisión de agua.

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 ésto se consigue evitar el golpe de ariete.

Actúa de este modo la chimenea de equilibrio como un muelle hidráulico o un condensador eléctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energía.

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.

CAMARA DE TURBINA

En la cámara de turbinas se encuentran los elementos auxiliares de control, y la propia turbina. Según las características de los saltos de agua, de la altura del caudal, estas se pueden clasificar en tres tipos; de PELTON; de KAPLAN o de FRANCIS.

Las primeras se utilizan en grandes saltos y caudales regulares, las de Francis en centrales de saltos intermedios y caudales variables, y las Kaplan en sitios de poca altura y caudales variables.

El eje de la turbina en todos los casos es solidario con el del generador, de tal manera que al presionar el agua sobre los alabes de la turbina este girará induciendo una alta corriente y una baja tensión en el generador.

Los canales de desagüe están encargados de recoger el agua a la salida de la turbina, teniendo que devolverla al cauce del río, pero debido a que la velocidad del agua es importante, resulta peligroso su poder de erosión, por lo que hay que revestir adecuadamente las paredes parar su protección.

En la sala de máquinas se encuentran los grupos generadores de energía eléctrica, así como también los elementos auxiliares, pudiendo ser éstos exteriores o subterráneos.

TURBINAS Y ALTERNADORES:

Las turbinas del tipo de acción, como la Pelton, constan de un inyector que transforma la energía de presión del agua en energía cinética. La velocidad de salida del chorro del fluído llega en ocasiones a 150 metros por segundo, de tal manera que es necesario que estén fabricados en acero muy duro para lograr una duración satisfactoria. A pesar de ello y a causa de las ocasiones en que el agua llega mezclada con impurezas hace que se limite su vida útil a 4.000 horas tanto en los elementos móviles de inyector como para la válvula de aguja.

Precisamente esta válvula de aguja del inyector es la encargada de variar el flujo del agua que llega a los álabes o cucharas de la turbina de una manera automática para conseguir que la velocidad de giro sea constante. El elemento sensor suele ser el conocido como de bolas, que se mueve en sincronismos con la turbina. A girar el eje, la fuerza centrífuga hace subir las bolas, actuando sobre el circuito de presión de aceite de la válvula del inyector.

En las turbinas de tipo de reacción de álabes fijos Francis, la regulación de velocidad se consigue de la misma forma que en la anteriormente descrita, pero la actuación del elemento de control se realiza sobre el distribuidor, variando el flujo de agua del rodete, consiguiéndose de esta manera que la velocidad se estabilice independientemente de las variaciones de la carga.

Las turbinas de tipo Kaplan tienen los álabes móviles, estando el sistema de servocontrol en el mismo cuerpo de la turbina. El rendimiento de estas turbinas es óptimo, aunque su costo es superior al de los otros por la complejidad de su construcción.

El alternador, o grupo de alternadores acoplados al eje de la turbina genera una corriente alterna de alta intensidad y baja tensión, esta corriente posteriormente pasa a un transformador que la convierte en alta tensión y baja corriente, apta para su transporte a grande distancias con un mínimo de pérdidas. Más tarde, en los centros de consumo, un nuevo transformador la transforma en una corriente de baja tensión para su aplicación directa a los receptores domésticos e industriales.

Solidario con el eje de la turbina y del alternador, gira un generador de corriente contínua llamado excitatriz, que se utiliza para excitar magnéticamente los polos del estator del generador, creando un campo magnético que posibilita la generación de corriente alterna en el rotor.

LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS DE BOMBEO

Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicas de un país.

Disponen de dos embalases situados a diferente nivel con lo que se compensan las diferencias ocasionadas , debido a que la demanda de energía a lo largo del día es muy variable .Al alcanzar esta su máximo requerimiento, 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 (horas de valle) el agua es bombeada al embalse superior para que pueda hacer el ciclo productivo nuevamente. Por 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.

Estas centrales mejoran el factor de potencia del sistema, trabajando como cargas en las horas de escasa demanda.

Construcción de una presa.

Para comenzar se construye dos terraplenes transversales que se llaman ataguías. Luego se construye una ataguía longitudinal. Se formo así un recinto cerrado, del cual se extrae el agua con bombas. Para que el río no desgaste el ataguía longitudinal se reemplaza con cilindros metálicos rellenos con piedras, estos se llaman cofferdams,

quedando al descubierto el lecho del río y luego se excava para la construcción de la sala de maquinas y parte del vertedero de un lado del río. Se retiran las ataguía para que el agua pueda pasar a través de la obra. Se extienden ataguías desde el otro lado del río y se construye la otra sala de maquinas y del vertedero. Cuando las obras se encuentran avanzadas se remueven las ataguías. Luego se bajan las compuertas para formar el embalse, acumulando el agua hasta el punto máximo de alcance de acumulación de agua.

A continuación vamos a poner un ejemplo concreto. CENTRAL HIDROELECTRICA DE ARCOS Características Técnicas:

• Obras de toma : Consisten en dos bocatomas profundas, independientes entre sí, dispuestas en una excavación exterior en roca, al costado derecho de la presa. Cada una de ellas consta de rejas de tipo canastillo, una compuerta plana de servicio y una de emergencia, ambas de 4,5 m. de ancho por siete de alto.

• Plataforma de las obras de toma : Es una explanada o ensanche del camino de acceso al coronamiento de la presa. Desde esta plataforma se operan las compuertas de toma. Allí están, asimismo, la Casa de Servicios Auxiliares con el grupo de emergencia diesel de la central y otros equipos, como el control eléctrico de las obras de toma y del vertedero.

• Aducción y Zona de Caída : A continuación de las Obras de Toma se desarrolla la aducción, constituída por dos conductos en presión de 7 m. de diámetro con 160 m. de longitud media. El sector superior del túnel tiene revestimiento de hormigón y el inferior es blindado. Caverna de Máquinas : Subterránea gracias a la excelente calidad de la roca. Las aguas conducidas a través de los túneles de aducción alimentan a las turbinas situadas en el interior de la Caverna de Máquinas. Esta es de sección ovalada y aloja los dos equipos de generación, entre ellos las turbinas generadoras, transformadores de poder, subestación encapsulada, sala de mando y equipos y sistemas auxiliares, eléctricos y mecánicos Las turbinas son del tipo Francis y tienen una potencia nominal de 225 MW cada una, siendo su velocidad de giro de 125 rpm. Los generadores son sincrónicos con una potencia aparente nominal de 238 MVA cada uno y factor de potencia 0,95 ; en tanto que los transformadores de poder son de 13,8/220 kV, 258 MVA cada uno y factor de potencia 0,95. La Caverna de Máquinas tiene una longitud de 100 m. en el piso principal, un ancho máximo de 26 m. y 50 m. de altura máxima. El túnel de acceso a la caverna de máquinas es de 285 m. de longitud, revestido parcialmente con hormigón proyectado y tiene una sección tipo herradura La Subestación es del tipo Encapsulada, con aislación en SF6. Esta tecnología se usa por segunda ves en estados unidos, siendo la precedente en Canutillar. La subestación está situada en una excavación o nicho lateral subterráneo, al costado de aguas abajo de la caverna de máquinas. Tiene 12 m. de ancho 12 m. de largo y 11,6 m.de altura. Aqui llegan los cables de poder procedentes de los transformadores de poder situados en el interior de la caverna de máquinas. Desde la subestación y a través de un pique salen los cables de poder hacia el patio de mufas.

• Pique de Cables: La subestación encapsulada se conecta con el exterior a través de un pique vertical que tiene 85 metros de alto y una sección en forma elíptica de 3,7 metros de largo y 2,5 metros de ancho. En él se alojan los cables con aislación en aceite, que se desarrollan entre la subestación encapsulada y el Patio de Mufas.

• Patio de Mufas :Está ubicado en una plataforma de 900 metros cuadrados de superficie, aproximadamente, situada al exterior, directamente sobre la caverna de máquinas. En este patio se ha dispuesto el portal de origen de la línea de enlace eléctrico entre la Central y el SIC.

• Obras de Evacuación : Consiste en un túnel común de 14 m. de diámetro medio y 150 m. de longitud que recibe las aguas de ambos túneles difusores y la descarga directamente al río Guadalete, inmediatamente aguas abajo del pie de la presa..Hay además, una serie de galerías secundarias que cumplen funciones que van desde la ventilación hasta el drenaje y la circulación de personas.