Energías RenovablesEnergías Renovables

Unidad 3Unidad 31º Bachillerato1º Bachillerato

Clasificación: Clasificación:

Las energías renovables más utilizadas:Las energías renovables más utilizadas:

Energías Energías

renovablesrenovables

E. HidráulicaE. Hidráulica C. HidroeléctricaC. Hidroeléctrica

E. EólicaE. Eólica C. EólicaC. Eólica

E. solarE. solar C. TermosolarC. Termosolar

C. FotovoltaicaC. Fotovoltaica

E. BiomasaE. Biomasa C. BiomasaC. Biomasa

E. geotérmicaE. geotérmica C. geotérmicaC. geotérmica

DEFINICIÓN DE ENERGÍA HIDRÁULICA

La energía hidráulica es la energía del agua cuando se mueve a través

de un cauce (energía cinética) o cuando se encuentra embalsada a

cierta altura (energía potencial).

Transformaciones enérgicas que se producen en una central

hidroeléctrica.

E. Potencial

(Embalse de agua)

E. Cinética del agua

(tuberías)

E. Cinética de rotación

(turbina)

E. eléctrica

(alternador)

• ELEMENTOS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

Embalse (1): Para ello dispone de un muro grueso de hormigón, denominado presa (2), cuya función es retener el agua.

Compuertas: evacuan el agua del embalse sin que pase por la sala de máquinas cuando es necesario soltar agua por razones de riego o seguridad (lluvias excesivas).

Toma de agua: suele estar colocada a 1/3 de la altura de la presa para que los fangos, piedras y otros materiales no sean arrastrados a las turbinas. Dispone de unas rejas filtradoras (3).

Tubería forzada (4): se encarga de canalizar el agua hasta las turbinas. Turbinas (6): transforman la energía cinética del agua en energía mecánica de rotación. En la

actualidad, las más empleadas son la turbina Kaplan y la Pelton mejorada. Alternador (5): en el caso de las turbinas Pelton su eje suele ser solidario al del alternador ya

que su velocidad de giro se puede regular colocando más o menos chorros de agua. Las turbinas Kaplan suelen girar muy rápidamente, por lo que se suele intercalar un reductor de velocidad entre la turbina y el alternador.

Transformadores (9): elevan la tensión de salida de los alternadores (de 20.000V hasta 400.000V), que suele ser utilizada para transportar la corriente entre puntos distantes.

Líneas de transporte de la energía eléctrica (10).

Tipos de centralesTipos de centrales C. Hidroeléctricas

Centrales de derivaciónSe alimentan del agua de un río o de un lago.

Centrales de embalse o

de acumulaciónEmbalse de grandes

dimensiones

Centrales de agua embalsada

Caudal del río es variable Embalse para suministro

continuo

Centrales de agua fluyente.

Ríos cuyo caudal es prácticamente cte.

Presa de gravedadRecta o un poco

cóncavaSu sección transversal

es triangular.Construcción cara.

Presa de bóvedaSuele ser convexa

Más pequeña y más barata.

Centrales de bombeo

Central de bombeoCentral de bombeo

Funcionamiento central de bombeoFuncionamiento central de bombeo

Horas de más demanda de energía eléctrica:

La central de bombeo funciona como cualquier central hidroeléctrica convencional:

El agua es acumulada en el embalse superior (1) cerrado por una presa (2), llega a través

de una galería de conducción (3) a una tubería forzada (5), que la conduce hasta la sala de máquinas de

la central eléctrica. Para la regulación de las presiones del agua entre las conducciones anteriores se

construye en ocasiones una chimenea de equilibrio (4), pequeño depósito conectado a las tuberías de

conducción, en el que hay agua acumulada. Evita las variaciones de presión en el agua cuando se regula

el caudal de salida.

En la tubería forzada (5), el agua va adquiriendo energía cinética (velocidad) que, al chocar contra los

álabes de la turbina hidráulica (6), se convierte en energía mecánica rotatoria. Esta energía se transmite

al generador (7) para su transformación en electricidad de media tensión y alta intensidad. Una vez

elevada su tensión en los transformadores (8) es enviada a la red general mediante líneas de transporte

de alta tensión (10). El agua, una vez que ha generado la electricidad, circula por el canal de desagüe (9)

hasta el embalse inferior (11), donde queda almacenada.

Horas de menos demanda de energía eléctrica:

Horas nocturnas de los días laborables y los fines de semana, se aprovecha el que la electricidad en esas horas

tiene en el mercado un coste bajo, y se utiliza para accionar una bomba hidráulica que eleva el agua desde el

embalse inferior (11) hasta el embalse superior (1), a través de la tubería forzada y de la galería de

conducción.

El agua es elevada, generalmente por las propias turbinas de la central, funcionando como bombas accionadas

por los generadores que actúan como motores. Una vez efectuada la operación de bombeo, el agua almacenada

en el embalse superior (1) está en condiciones de repetir otra vez el ciclo de generación eléctrica.

Por tanto, estas instalaciones permiten una mejora en la eficiencia económica de la explotación del sistema

eléctrico al almacenar electricidad en forma de agua embalsada en el depósito superior. Constituye en la

actualidad la forma más económica de almacenar energía eléctrica.

Tipos de turbinas hidráulicasTipos de turbinas hidráulicas

Según la forma como actúa el agua, se pueden clasificar en turbinas de acción y de reacción.

Turbinas hidráulicas

Turbinas de acciónAprovechan la velocidad del agua para generar

energía.

Turbinas de reacciónAprovechan tanto la presión como la velocidad del agua

para generar energía.

Turbina Pelton Turbina Francis Turbina Kaplan

Turbina PeltonTurbina Pelton

Está compuesta de: Inyectores: suministran agua al rodete de la

turbina. Deflectores: desvían rápidamente la dirección

de los chorros de agua, ante algún tipo de anomalía que se produzca se puede detener rápidamente la turbina. Hay turbinas que disponen de freno hidráulico, que es otro inyector que desvía el agua en sentido contrario al giro de la turbina.

Rodete: es una rueda que lleva álabes en forma de doble cuchara simétrica en los extremos.

Distribuidor: elemento que cierra totalmente el paso en el caso de que se produzca algún incidente que obligue a hacer una parada rápida.

El agua llega a la turbina a través de uno, dos, tres o cuatro inyectores, que se regulan para poder modificar la potencia de la central, en función de la demanda de energía.La turbina Pelton es la más utilizada en las centrales hidroeléctricas con gran desnivel (400m-2.500m) y centrales de pequeños caudales.

Turbina FrancisTurbina Francis

Consta de tres partes:

I. Distribuidor: dirige el agua sobre el rodete permitiendo regular el caudal y la dirección.

II. El rodete: los álabes del rodete están diseñados para que la energía que se forma con la presión del agua se transforme en energía mecánica.

III. El difusor y descargador: el difusor es la tubería que condiciona que la salida del agua al exterior sea la correcta. El descargador es una tubería auxiliar con una válvula cerrada y que sólo se acciona en caso de parada rápida.

Esta turbina está totalmente sumergida en el agua de impulsión. Se utilizan en centrales con una altura de salto de 15m a 400m y para caudales medianos.

Turbina KaplanTurbina Kaplan

Tiene la misma construcción que la Francis y se

emplea en saltos pequeños (max. 30m) y

grandes caudales.

La diferencia con la turbina Francis se encuentra

en el rodete que se compone de una hélice de

palas de paso variables, es decir, orientable.

POTENCIA DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA

P=9,8·Q·hP = potencia teórica de la centralQ = caudal (m3/s)h = altura (m)

E=9,8·Q·h·tE=9,8·Q·h·t

E = energía teórica obtenida de la centralP = potencia teórica de la centralQ = caudal (m3/s)h= altura (m)t = tiempo (h)

El aprovechamiento energético de los saltos de agua se consigue gracias a la presión generada por la diferencia de altura y el caudal disponible según las expresiones:

Existen pérdidas de potencia debidas al trasporte del agua y al rendimiento de las turbinas y los alternadores. Para corregir el error, se introduce un coeficiente de error estimado (η).

Preal=η·Pteórica

ENERGÍA EÓLICA

VIENTO

El viento es producido por un movimiento de grandes masas de aire a causa de diferentes presiones existentes entre dos puntos de la atmósfera, provocadas, principalmente, por diferencias de temperaturas en función de la radiación calorífica que llega del Sol.

En la medición del viento intervienen la velocidad y la dirección: La velocidad se mide con unos aparatos denominados anemómetros,

que dan la velocidad en m/s, Km/h o nudos. La dirección del viento la determina la veleta. Tomando como

referencia el Norte, la rosa de los vientos nos permite diferenciarlos según su dirección.

POTENCIA SUMINISTRADA POR EL VIENTO

Es necesario ubicar los aerogeneradores en un lugar donde el viento sea lo más constante posible en velocidad y dirección, y cuya fuerza sea de suave a moderada.

La energía eólica se produce en forma de energía cinética:

Ec=½·m·v2

Donde: Ec=energía cinética (J)m=masa del volumen de aire (Kg)v=velocidad instantánea del viento (m/s)

La potencia teórica de captación se obtendría:

P=E/t=½mv2/t=½(ρVv2/t) =½ρSdv2/t=½ρSv3

ρ=m/V ρ=densidad (Kg/m3), m=masa (Kg), V=volumen(m3)

V=S·d

V=volumen(m3), S=sección barrida por las aspas al girar (m2), d=distancia (m)

La densidad del aire es de 1,25Kg/m3, por tanto:

P=½·1,25·S·v3=0,625·S·v3

El teorema de Betz demuestra que lo máximo que se puede aprovechar es un 16/27 (60%) de la potencia teórica, por tanto, la potencia útil a nivel de captación es:

Potencia útil del viento P=0,625·S·v3·16/27=0,37·S·v3

RENDIMIENTO AERODINÁMICO

Las máquinas eólicas o aerogeneradores son aquellos dispositivos destinados al aprovechamiento de la erigía del viento, transformándola en energía eléctrica.

η=(Paeroturbina/ Pútil del viento)·100

Paeroturbina =η · Pútil del viento

Los aerogeneradores de 3 palas tienen un rendimiento aproximado del 90%.Si nos dieran la densidad del viento y el coeficiente de potencia (Cp) por pérdidas se utiliza:

P=½ρSv3Cp

ENERGÍA GENERADA POR LA AEROTURBINA

E = Paeroturbina· t

FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL EÓLICA

Sobre una torre soporte se coloca una góndola, que aloja en su interior un generador, el cual está conectado, mediante una multiplicadora, a un conjunto de palas.La energía eléctrica producida por el giro del generador es transportada mediante cables conductores (2) a un centro de control (5) desde donde, una vez elevada su tensión por los transformadores (7), es enviada a la red general mediante las líneas de transporte de alta tensión (8).

La producción no es cte, por tanto deben disponer de una fuente auxiliar (6) para tener garantizado en todo momento el suministro de energía eléctrica.El equipo tiene una toma a tierra (4), para evitar la electricidad estática.

Partes de un aerogenerador horizontal

1. Rotor: las palas del rotor suelen estar fabricadas en fibra de vidrio.

2. Eje principal.3. Motor de orientación.4. Corona de orientación.5. Multiplicadora: transmisión que aumenta la

velocidad de giro del eje.6. Eje pequeño hace girar el rotor del generador.7. Generador.8. Anemómetro: mide la velocidad del viento para

regular el giro del rotor.9. Veleta: mide la dirección del viento para regular

la orientación del rotor.10. Freno mecánico: regula la velocidad de las aspas

de le hélice con independencia de la velocidad del viento

Clasificación de las máquinas eólicas

De eje horizontal:

El eje se dispone paralelamente al viento. Son las más utilizadas. El diámetro es de aproximadamente 6m.

De potencias bajas o medias

(≤50KW)

Nº de aspas hasta 24. Se utilizan en el medio rural para bombear agua y como suministro complementario de electricidad para viviendas. Funcionan a pleno rendimiento cuando la velocidad es de 5m/s y arrancan cuando la velocidad es de 2m/s.

De potencia alta (>50KW)

Nº de aspas 2 o 3. Necesitan vientos de 5m/s para arrancar. El máximo rendimiento se alcanza cuando la velocidad es de 15m/s.

De eje vertical:

Desarrollo tecnológico menos avanzado y uso bastante escaso.

Aeroturbina Darrieus

2 palas de perfiles biconvexos.

Aeroturbina Savonius

2 semicilindros iguales. Al actuar sobre la superficie del cilindro se produce el giro del eje.

VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica tiene las siguientes ventajas:1. Es limpia y no contaminante, pero no así la fabricación de

los captadores y otros elementos.2. Es gratuita e inagotable.

Inconvenientes:1. La producción de aire es discontinua.2. Dificultades para el almacenamiento y transporte.3. El viento trasporta partículas abrasivas que pueden dañar

las aspas del generador.