Centrales hidroeléctricas E.T.SDEINGENIEROS INDUSTRIALES


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2 La fuente de la energía mecánica es el agua. Ésta se transforma en energía cinética que a su vez acciona un generador eléctrico.,8 1., Según el discurrir del agua: 1. De agua fluyente 2. De derivación 3. De agua embalsada o de regulación 3.1 De bombeo Según el salto de agua: 1. De alta presión 2. De media presión 3. De baja presión 2

3 Contenidos Clasificaciones de las centrales hidráulicas Definiciones Fenómenos anómalos en las conducciones hidráulicas Esquema de una central hidráulica Componentes de una central hidráulica Clasificación de las turbinas hidráulicas Turbinas Pelton, Francis y Kaplan Ventajas e inconvenientes de las centrales hidráulicas Algunas fotos de centrales hidráulicas 3

4 Definiciones Cota. Valor de la altura a la que se encuentra una superficie o punto respecto el nivel del mar Salto de agua. Paso brusco o caída de masas de agua desde un nivel, más o menos constante, a otro inmediatamente inferior. Numéricamente se define como la diferencia de cota (altura del salto) Caudal. Cantidad de líquido que circula a través de cada una de las secciones de conducción abierta o cerrada (m 3 /s) 4

5 Golpedeariete: Se interrumpe con rapidez una corriente que circula a cierta velocidad a través de un conducto, produciéndose fuertes variaciones de presión y, por tanto, fuertes impactos sobre las superficies que soportan estas variaciones Disminuye bruscamente la potencia demandada al generador que acciona la turbina hidráulica Ocasiona deformaciones y vibraciones que se pueden evitar con la chimenea de equilibrio y con el accionamiento lento y progresivo de válvulas Cavitación: Centrales hidroeléctricas Fenómenos anómalos Formación de espacios huecos (cavidades llenas de gas o vapor) debidos a las reducciones de presión cuando una masa líquida se mueve a gran velocidad La corriente arrastra estas cavidades que aumentan de tamaño hasta llegar a zonas de alta presión donde se condensa el vapor elevando localmente la presión Reduce la velocidad a la que pueden funcionar las máquinas eléctricas. Produce ruidos y vibraciones de las superficies en contacto con el líquido 5

6 Según discurre el agua 1. De agua fluyente. No cuentan con reserva de agua. Centrales de gran caudal y pequeña altura. Potencia máxima en temporada de lluvias, mínima o nula en tiempo seco. Centrales de base 2. De derivación. Constan de: pequeña presa para desviar el agua hacia la turbina, galería de conducción, chimenea de equilibrio, tubería forzada, central, canal de desagüe 6

7 2. De derivación Centrales hidroeléctricas Según discurre el agua (1) pequeña presa de derivación cuya misión es elevar el plano de las aguas para permitir la entrada de las mismas a (2) un canal de derivación que llega hasta (3) chimenea de equilibrio (colector que reune las aportaciones del canal en un solo lugar) de donde arrancan (4) las tuberías forzadas que conducen el caudal a (5) la central para ser restituidas al cauce natural mediante (6) el canal de desagüe o socaz 7

8 Según discurre el agua 3. De agua embalsada o de regulación. Presa que acumula agua proveniente de grandes lagos o pantanos artificiales en embalse superior. Regulación del caudal. Gran altura, pequeño caudal. Producción variable según demanda. Centrales de punta 8

9 3.1. De bombeo Dos embalses a distinta altura (almacenes de energía) Demanda irregular. Demanda mayor (punta): se turbina el agua del embalse superior. Demanda menor (valle): se bombea el agua del embalse inferior hacia el superior (turbina / bomba). Centrales térmicas y nucleares pueden trabajar con un régimen más uniforme, con mejores rendimientos y con un mayor factor de utilización, que repercute de forma favorable en el coste del kw/h producido Tiempo /0,77,36:02:.4794 P(MW) Según discurre el agua Energía suministrada por las centrales de bombeo Curva de producción Energía consumida por las centrales de bombeo

10 Esquema de central hidráulica vapor 10

11 Esquema de central hidráulica 1. Embalse. Permite disponer de una reserva de agua que utilizará la central asociada para producir energía eléctrica en función de la demanda 2. Válvula. Es el control de acceso del agua 3. Turbina hidráulica. El agua proveniente del embalse o directamente del río mueve los álabes haciendo girar la turbina. La turbina hidráulica permite así convertir la energía cinética (masa a una cierta velocidad) del agua en energía mecánica de rotación. La turbina está acoplada al alternador 11

12 Esquema de central hidráulica 4. Alternador. Está acoplado a la turbina hidráulica y es movido por ésta. Su función es la de convertir la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica 5. Transformador. Eleva la tensión eléctrica generada en el alternador (entre 6 y 20 kv) hasta la tensión de la red de transporte (132, 220 ó 440kV) 6. Red Eléctrica. Recibe la electricidad de las centrales generadoras y la transporta a los puntos de consumo. La red eléctrica española posee un alto grado de mallado así como interconexiones con otros países, lo que permite minimizar los efectos del fallo en un equipo de generación o en la propia red de transporte 12

13 Esquema de central hidráulica toma de agua galería de conducción cámara de presión o chimenea de equilibrio parque de distribución presa central tubería forzada canal de desagüe 13

14 Elementos de una central hidráulica Presa. Su misión es conseguir el salto de agua, desviar caudales y/o almacenamiento de agua. La elección del tipo de presa depende de la configuración del valle y de las características mecánicas del terreno. Clasificación por su forma de trabajo: de gravedad y de bóveda Presas de gravedad. Par de vuelco producido por el empuje de las aguas se compensa con el par de la reacción que el suelo ejerce sobre la presa. La estabilidad de la presa está confiada a su propio peso y al esfuerzo del terreno sobre el que se apoya Presas de bóveda. El esfuerzo debido al empuje del agua se transmite hacia las laderas del valle, para lo cual la presa debe estar dotada de una cierta curvatura que transmita la componente horizontal del empuje hacia los laterales del valle 14

15 Centrales hidroeléctricas Elementos de una central hidráulica Esquema de los dos tipos de presa: 15 E.T.S DE INGENIEROS

16 Elementos de una central hidráulica Toma de agua. Zona de obra donde se capta el agua necesaria para el accionamiento de las turbinas. Las aperturas por donde entra el agua están protegidas para evitar que pasen a la turbina cuerpos en suspensión o flotación (limpieza periódica de rejillas) Galería de conducción. El agua circula debido a los ligerísimos desniveles entre sus extremos (velocidades pequeñas). Hechas de hormigón con juntas de dilatación para contrarrestar el efecto de los cambios de temperatura Tubería de presión o forzada. Soportan grandes presiones en toda su superficie. Trazado según terreno. Hechas de acero con juntas de dilatación Chimenea de equilibrio. Amortigua el golpe de ariete. El agua fluctúa en ella según la presión en las conducciones. Se sitúan en la zona de unión de las galerías de conducción y las tuberías forzadas 16

17 Esquema de central hidráulica 17

18 Según salto de agua Según el salto de agua la configuración de las turbinas es distinta: Centrales de alta presión. Saltos grandes (> 300 m.), pequeños caudales desalojados (20m 3 /s). Turbinas Pelton y Francis que reciben agua mediante tuberías de gran longitud. Zonas de alta montaña Centrales de media presión. Saltos y caudales medios ( m. y 200m 3 /s). Turbinas Pelton, Francis y Kaplan. Embalses grandes Centrales de baja presión. Saltos pequeños (< 15 m.), gran caudal (>300m 3 /s). Turbinas Kaplan o Francis. Valles amplios de baja montaña 18

19 Clasificación de las turbinas hidráulicas Por la manera de actuar el agua en los álabes : Turbinas de acción. Coincide el sentido de proyección del chorro de agua y el sentido de giro del rodete. La presión de agua no varía en los álabes. Rodete no inundado (Pelton) Turbinas de reacción. No coincide el sentido de proyección del chorro de agua y el sentido de giro del rodete. Mayor presión a la entrada de agua que a la salida. Rodete inundado (Francis y Kaplan) 19

20 Turbinas Pelton Componentes: Inyector. Transforma la energía de presión del fluido en energía cinética. Consta de tobera (boquilla con orificio de sección circular) y válvula de aguja (punzón que regula caudal en función de su proximidad a la tobera) Cámara de distribución. Es la prolongación de la tubería forzada. Conduce el caudal de agua hasta los inyectores Distribuidor. Constituido por 1 a 6 equipos de inyección de agua, que dirigen convenientemente un chorro de agua cilíndrico y de sección uniforme al rodete, también regulan o cortan el caudal Rodete. Pieza clave de la turbina donde se transforma la energía hidráulica en energía mecánica de rotación. Elementos: rueda, álabes, carcasa, eje, cámara de descarga, sistema hidráulico de frenado 20

21 Turbinas Pelton Principio de funcionamiento: Está formada por una rueda móvil provista de aletas o cucharas en su periferia sobre las cuales incide el chorro de agua a la presión atmosférica Chorro sale de un inyector fijo en el cual la regulación se efectúa variando la posición de una aguja que obtura más o menos el orificio de salida. El chorro incide en la arista central de las cucharas y se divide en dos partes que salen despedidas lateralmente, para caer después al canal de fuga directamente por la fuerza de la gravedad (por tanto, no tienen difusores). Para caudales mayores, pueden disponerse varias toberas en diversas posiciones del rodete 21

22 Turbinas Pelton Rodete 22

23 Centrales hidroeléctricas Turbinas Pelton eje Distribuidor 23 E.T.S DE INGENIEROS

24 Turbina Francis Principio de funcionamiento: El agua a presión va a una cámara espiral en forma de caracol, cuya misión es repartir el caudal por toda la periferia del rodete Una serie de álabes fijos se encargan de canalizar correctamente las líneas de flujo del agua Entre esta hilera de álabes fijos y el rodete se encuentra una segunda fila de álabes móviles o palas directrices que constituyen lo que se denomina el anillo distribuidor El distribuidor permite regular el caudal de la turbina sin que las venas líquidas sufran desviaciones bruscas o contracciones, permitiendo un rendimiento elevado incluso con cargas reducidas. Estos álabes móviles pueden girar alrededor de un eje paralelo al eje de la máquina, y el movimiento de cierre es simultáneo para todos ellos 24

25 Turbina Francis Parte de la energía potencial gravitatoria del agua embalsada se convierte en energía cinética. A su paso por las palas fijas del antedistribuidor y las palas móviles del distribuidor aumenta la energía cinética provocando el giro del rodete 25

26 Turbina Francis 26

27 Turbina Kaplan Principio de funcionamiento: Están constituidas por una hélice de eje vertical con pocos álabes y gran sección de paso entre ellos. El agua entra al rodete desde una cámara espiral con distribuidor regulable análogo al de las turbinas Francis, peroslos álabes están situados a una altura relativamente menor, de forma que el flujo es prácticamente axial. Para conseguir el ángulo de incidencia óptimo de las venas líquidas cuando se funciona a caudal variable es necesario inclinar los álabes del rodete. El movimiento de todas las palas es simultáneo mediante un complejo sistema de bielas alojado en el interior del rodete Llamadas turbinas de doble regulación: palas en el rodete y en el distribuidor Rodete. Similar a la hélice de un barco (aleaciones especiales). Las palas tienen libertad de movimiento, pueden girar sobre sus asientos situados en el núcleo del rodete. A mayor salto más palas 27

28 Turbina Kaplan 28

29 Turbina Kaplan 29

30 Ventajas e inconvenientes Ventajas: Menor contaminación Coste del combustible Flexibilidad para su conexión y desconexión, 5 minutos (suministro de las horas de punta de demanda) Inconvenientes: Fuerte inversión y gran tiempo para su construcción Inundación de grandes superficies geográficas de embalse Aleatoriedad por ser dependientes de las lluvias 30

31 Foto de una central hidroeléctrica 31

32 Foto de una central hidroeléctrica 32

33 Foto de una central hidroeléctrica 33

34 Foto de una central hidroeléctrica 34

35 Foto de una central hidroeléctrica 35

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