PROYECTOS DE CENTRALES HIDROELCTRICAS

NDICE

Introduccin

Tipos de Centrales Hidroelctricas

C.H. de Pasada

C.H. con Embalse de Reserva

a. A Pie de Presa b. Aprovechamiento por derivacin del agua

Central Hidroelctrica de Bombeo

Principales Componentes de una Central Hidroelctrica

La Presa

Los Aliviaderos

Tomas de Agua

Casa de Mquinas

Turbinas Hidralicas

a. Pelton b. Francis c. Kaplan

Desarrollo de la Energa Hidroelctrica

o Introduccin

La funcin de una central hidroelctrica es utilizar la energa potencial del agua

almacenada y convertirla, primero en energa mecnica y luego en elctrica.

El esquema general de una central hidroelctrica puede ser: Esquema Central

Hidroelctrica

Un sistema de captacin de agua provoca un desnivel que origina una cierta energa

potencial acumulada. El paso del agua por la turbina desarrolla en la misma un

movimiento giratorio que acciona el alternador y produce la corriente elctrica.

Las ventajas de las centrales hidroelctricas son evidentes:

a. No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energa, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita.

b. Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua. c. A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, proteccin

contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegacin y an

ornamentacin del terreno y turismo.

d. Los costos de mantenimiento y explotacin son bajos. e. Las obras de ingenieria necesarias para aprovechar la energa hidralica

tienen una duracin considerable.

f. La turbina hidralica es una mquina 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.

Contra estas ventajas deben sealarse ciertas desventajas:

g. Los costos de capital por kilovatio instalado son con frecuencia muy altos. h. El emplazamiento, determinado por caractersticas naturales, puede estar

lejos del centro o centros de consumo y exigir la construccin de un sistema

de transmisin de electricidad, lo que significa un aumento de la inversin y

en los costos de mantenimiento y prdida de energa.

i. La construccin lleva, por lo comn, largo tiempo en comparacin con la de las centrales termoelctricas.

j. La disponibilidad de energa puede fluctuar de estacin en estacin y de ao en ao.

o Tipo de Centrales Hidroelctricas Central Hidroelctrica de Pasada

Una central de pasada es aquella en que no existe una acumulacin

apreciable de agua "corriente arriba" de las turbinas.

En una central de este tipo las turbinas deben aceptar el caudal disponible

del ro "como viene", con sus variaciones de estacin en estacin, o si ello es

imposible el agua sobrante se pierde por rebosamiento.

En ocasiones un embalse relativamente pequeo bastar para impedir esa

prdida por rebosamiento.

El esquema de una central de este tipo puede ser el siguiente:

PLANTA

CORTE

En la misma se aprovecha un estrechamiento del ro, y la obra del

edificio de la central (casa de mquinas) 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 azud, no es demasiado

grande.

Este tipo de central, requiere un caudal suficientemente constante para

asegurar a lo largo del ao una potencia determinada.

Central Hidroelctrica con Embalse de Reserva

En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de lquido

"aguas arriba" de las turbinas mediante la construccin de una o ms 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 energa elctrica durante todo el

ao aunque el ro se seque por completo durante algunos meses , cosa que

sera imposible en un proyecto de pasada.

Las centrales con almacenamiento de reserva exigen por lo general una

inversin de capital mayor que las de pasada, pero en la mayora de los

casos permiten usar toda la energa posible y producir kilovatios-hora ms

baratos.

Pueden existir dos variantes de estas centrales hidroelctricas:

a. La de casa de mquina al pie de la presa: En las figuras siguientes observamos en PLANTA y CORTE el

esquema de una central de este tipo:

PLANTA

CORTE

La casa de mquinas suele estar al pie de la presa, como ilustra el

dibujo, en estos tipos de central, el desnivel obtenido es de caracter

mediano.

b. Aprovechamiento por derivacin del agua:

En las figuras siguientes tenemos un esquema en PLANTA y

CORTE de una central de este tipo:

PLANTA

En el lugar apropiado por la

topografa del terreno, se ubica la

obra de toma de agua, y el lquido

se lleva por medio de canales, o

tuberias de presin, hasta las

proximidades de la casa de

mquinas.

All se instala la chimenea de

equilibrio, a partir de la cual la

conduccin tiene un declive ms

pronunciado, para ingresar

finalmente a la casa de mquinas.

La chimenea de equilibrio es un

simple conducto vertical que

asegura al cerrar las vlvulas de

la central, que la energa cintica

que tiene el agua en la

conduccin, se libere en ese

elemento como un aumento de

nivel y se transforme en energa

potencial.

Los desniveles en este tipo de central suelen ser mayores comparados

con los que se encuentran en los tipos anteriores de centrales.

Centrales Hidroelctricas de Bombeo

:

Esquema central Hidroelctrica de bombeo

Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroelctricas

que posibilitan un empleo ms racional de los recursos hidralicos de un

pas.

Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda de

energa elctrica alcanza su mximo nivel a lo largo del da, las centrales de

bombeo funcionan como una central convencional generando energa.

Al caer el agua, almacenada en el embalse superior, hace girar el rodete de la

turbina asociada a un alternador.

Despus el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas

del da en la que la demanda de energa es menor el agua es bombeada al

embalse superior para que pueda hace rel 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.

Situada en el curso alto

del Aragn, casi en su

cabecera, la Central de

Ip es la ms importante

de las obras realizadas

para la regulacin y

aprovechamiento

hidroelctrico de las

aguas de este ro,

procedentes de los

deshielos de las

cumbres pirenaicas.

Consta, en sntesis, de

un embalse superior utilizando el ibn de

Ip capaz de regular las aportaciones

naturales de la pequea

cuenca propia, la del

vecino ibn de Iseras y

otros de posible

captacin, y de recibir,

a la vez, la aportacin

por bombeo que se

produzca. Un embalse

inferior sobre el Aragn

permite tanto la

recepcin del agua

turbinada y su

almacenamiento hasta

la hora aconsejable de

bombeo como la

regulacin de parte de

las aportaciones

naturales del ro

o Principales componentes de una Central Hidroelctrica La Presa

El primer elemento que encontramos en una central hidroelctrica es la presa

o azud, que se encarga de atajar el ro y remansar las aguas.

Con estas construcciones se logra un determinado nivel del agua antes de la

contencin, y otro nivel diferente despus de la misma. Ese desnivel se

aprovecha para producir energa.

Las presas pueden clasificarse por el material empleado en su construccin

en:

- Presa

de tierra

- Presa

de

hormig

n

Las presas de hormign son las ms utilizadas y se puede a su vez clasificar

en:

De gravedad:

Como se muestra en la

figura tienen un peso

adecuado para

contrarrestar el momento

de vuelco que produce el

agua

De bveda:

Necesita menos materiales

que las de gravedad y se

suelen utilizar en gargantas

estrechas.

En estas la presin

provocada por el agua se

transmite integramente a

las laderas por el efecto del

arco.

Los Aliviaderos

Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misin

liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de mquinas.

Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de

superficie.

La misisn 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 aliviaderos se disean para que la mayora del lquido se pierda en

una cuenca que se encuentra a pie de presa, llamada de amortiguacin.

Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes

compuertas, de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, segn la

demanda de la situacin.

Tomas de agua

Las tomas de agua

son construcciones

adecuadas que

permiten recoger el

lquido para lleverlo

hasta las mquinas

por medios de

canales o tuberias.

Las tomas de agua

de las que parten

varios conductos

hacia las tuberias, se

hallan en la pared

anterior de la presa

que entra en contacto

con el agua

embalsada. Estas

tomas adems de

unas compuertas

para regular la

cantidad de agua que

llega a las turbinas,

poseen unas rejillas

metlicas que

impiden que

elementos extraos

como troncos, ramas,

etc. puedan llegar a

los labes y producir

desperfectos.

El canal de

derivacin se utiliza

para conducir agua

desde la presa hasta

las turbinas de la

central.

Generalmente es

necesario hacer la

entrada a las turbinas

con conduccin

forzada siendo por

ello preciso que

exista una cmara de

presin donde

termina el canal y

comienza la turbina.

Es bastante normal

evitar el canal y

aplicar directamente

las tuberias forzadas

a las tomas de agua

de las presas.

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 labes de las

turbinas. A estas

sobrepresiones se les

denomina "golpe de

ariete".

Cuando la carga de

trabajo de la turbina

disminuye

bruscamente se

produce una

sobrepresin

positiva, ya que el

regulador automtico

de la turbina cierra la

admisin de agua.

La chimenea de

equilibrio consiste en

un pozo vertical

situado lo ms cerca

posible de las

turbinas. Cuando

existe una

sobrepresin de agua

esta encuentra menos

resistencia para

penetrar al pozo que

a la cmara de

presin de las

turbinas haciendo

que suba el nivel de

la chimenea de

equilibrio. En el caso

de depresin ocurrir

lo contrario y el

nivel bajar. Con

esto se consigue

evitar el golpe de

ariete.

Acta de este modo

la chimenea de

equilibrio como un

muelle hidralico o

un condensador

elctrico, es decir,

absorbiendo y

devolviendo energa.

Las estructuras

forzadas o de

presin, suelen ser

de acero con

refuerzos regulares a

lo largo de su

longitud o de cemnto

armado, reforzado

con espiras de hierro

que deben estar

ancladas al terreno

mediante solera

adecuadas.

Casa de mquinas

Es la construccin en donde se ubican las mquinas (turbinas,

alternadores, etc.) y los elementos de regulacin y comando.

En la figura siguiente tenemos el corte esquemtico de una central de caudal

elevado y baja caida. La presa comprende en su misma estructura a la casa

de mquinas.

Se observa en la figura que la disposicin es compacta, y que la entrada de

agua a la trubina se hace por medio de una cmara construida en la misma

presa. Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin

agua la zona de las mquinas en caso de reparacin o desmontajes.

1. Embalse 2. Presa de contencin 3. Entrada de agua a las

mquinas (toma), con reja

4. Conducto de entrada del agua

5. Compuertas planas de entrada, en posicin

"izadas".

6. Turbina hidralica 7. Alternador 8. Directrices para regulacin

de la entrada de agua a

turbina

9. Puente de grua de la sal de mquinas.

10. Salida de agua (tubo de aspiracin

11. Compuertas planas de salida, en posicin

"izadas"

12. Puente gra para maniobrar compuertas

salida.

13. Puente gra para maniobrar compuertas de

entrada.

En la figura siguiente mostramos el croquis de una central de baja

caida y alto caudal, como la anterior, pero con grupos generadores

denominados "a bulbo", que estn totalmente sumergidos en

funcionamiento.

14. Embalse 15. Conducto

de entrada

de agua

16. Compuertas de

entrada

"izadas"

17. Conjunto de bulbo

con la

turbina y

el

alternador

18. Puente gra de las

sala de

mquina

19. Mecanismo de izaje

de las

compuerta

s de salida

20. Compuerta de salida

"izada"

21. Conducto de salida

En la figura que sigue se muestra el corte esquemtico de una

central de caudal mediano y salto tambin mediano, con la sala de mquinas

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 metlicos embutidos en el dique.

22. Embalse 23. Toma de

agua

24. Conducto metlico

embutido

en la presa

25. Compuertas de

entrada en

posicin

de izada

26. Vlvulas de entrada

de agua a

turbinas

27. Turbina 28. Alternador 29. Puente

gra de la

central

30. Compuerta de salidas

"izada"

31. Puente gra para

izada de la

compuerta

de salida

32. Conducto de salida

En la figura siguiente tenemos el esquema de una central de alta

presin y bajo caudal. Este tipo de sala de mquinas se construye alejadas de

la presa.

El agua llega por medio de una tuberia a presin desde la toma, por lo

regular alejada de la central, y en el trayecto suele haber una chimenea de

equilibrio.

La alta presin del agua que se presenta en estos casos obliga a colocar

vlvulas para la regulacin y cierre , capaces de soportar el golpe de ariete.

33. Conducto forzado

desde la

chimenea

de

equilibrio

34. Vlvula de regulacin

y cierre

35. Puente gra de

sala de

vlvulas

36. Turbina 37. Alternador 38. Puente

gra de la

sala de

mquinas

39. Compuertas de salida,

en posicin

"izadas"

40. Puente gra para

las

compuerta

s de salida

41. Conducto de salida

(tubo de

aspiracin)

Turbinas Hidralicas

Hay tres tipos principales de turbinas hidralicas:

La rueda Pelton

La turbina Francis

La de hlice o turbina Kaplan

El tipo ms conveniente depender en cada caso del salto de agua y de la

potencia de la turbina.

En trminos generales:

La rueda Pelton conviene para saltos grandes.

La turbina Francis para saltos medianos.

La turbina de hlice o turbina Kaplan para saltos pequeos.

Rueda PELTON:

En la figura se muestra un croquis de la turbina en conjunto para

poder apreciar la distribucin de los componentes fundamentales.

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 energa cintica, para caer finalmente en la parte

inferior y salir de la mquina. La regulacin se logra por medio de una aguja

colocada dentro de la tubera.

Este tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas.

0. Rodete 1. Cuchara 2. Aguja 3. Tobera 4. Conducto de entrada 5. Mecanismo de regulacin 6. Cmara de salida

Rodete y cuchara de una turbina Penton

Turbina Penton y alternador

Para saltos medianos se emplean las turbinas Francis, que son de

reaccin.

En el dibujo podemos apreciar la forma general de un

rodete y el importante hecho de que el agua entre en una

direccin y salga en otra a 90, situacin que no se

presenta en las ruedas Pelton.

Las palas o labes de la rueda Francis son alabeadas.

Un hecho tambin 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 cmara espiral o caracol que se encarga de la

adecuada dosificacin en cada punto de entrada del agua. El rodete tiene los

labes de forma adecuada como para producir los efectos deseados sin

remolinos ni prdidas adicionales de caracter hidrodinmico.

Turbina KAPLAN:

En los casos en que el agua slo circule en direccin axial por los

elementos del rodete, tendremos las turbinas de hlice o Kaplan.

Las turbinas Kaplan tienen labes mviles para adecuarse al estado de la

carga.

Esta turbinas aseguran un buen rendimiento an con bajas velocidades de

rotacin.

La figura muestra un croquis de turbina a hlice o Kaplan.

o Desarrollo de la energa hidroelctrica

La primera central hidroelctrica se construy en 1880 en

Northumberland, Gran Bretaa. El renacimiento de la energa hidrulica se

produjo por el desarrollo del generador elctrico, seguido del perfeccionamiento de

la turbina hidrulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios

del siglo XX. En 1920 las centrales hidroelctricas generaban ya una parte

importante de la produccin total de electricidad.

La tecnologa de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo

XX. 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 tuberas forzadas, controlados con vlvulas 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 estn situados

justo encima de las turbinas y conectados con rboles verticales. El diseo 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

pequeos caudales.

Adems de las centrales situadas en presas de contencin, que dependen del

embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la

cada natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman

de agua fluente. Una de ellas es la de las Cataratas del Nigara, situada en la

frontera entre Estados Unidos y Canad.

A principios de la dcada de los noventa, las primeras potencias productoras de

hidroelectricidad eran Canad y Estados Unidos. Canad obtiene un 60% de su

electricidad de centrales hidrulicas. En todo el mundo, la hidroelectricidad

representa aproximadamente la cuarta parte de la produccin total de electricidad, y

su importancia sigue en aumento. Los pases en los que constituye fuente de

electricidad ms importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La

central de Itaip, en el ro Paran, est situada entre Brasil y Paraguay; se inaugur

en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo.

Presa de Itaip En esta fotografa area puede observarse la presa de Itaip,

proyecto conjunto de Brasil y Paraguay sobre las aguas del ro Paran, y su central

hidroelctrica, la mayor del mundo, de la que se obtienen importantes recursos

energticos para ambos pases y el conjunto regional. Con una altura de 196 m, y 8

km. de largo, cuenta con 14 vertederos que actan como cataratas artificiales. Como

referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y es

una de las ms grandes. En algunos pases se han instalado centrales pequeas, con

capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de

China, por ejemplo, estas pequeas presas son la principal fuente de electricidad.

Otras naciones en vas de desarrollo estn utilizando este sistema con buenos

resultados.