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Plantas Hidroelectricas

Sanchez Garduno, Jose LuisUniversidad Nacional Autonoma de Mexico

Facultad de Ingenierıa

Mayo, 2014

Resumen

Con el presente trabajo se pretende dar una breve descripcion delprincipio de funcionamiento de una planta hidroelectrica, ası como delos elementos principales que la conforman desde un punto de vistageneral.

1. Introduccion

“La transformacion de la energıa para la satisfaccion de las necesidadeshumanas es la actividad por excelencia,dentro de la coparticipacion creadoradel Ingeniero.” [2]

El agua, ademas de sus tantas caracterısticas que lo hacen un lıquido vitale indispensable, posee la capacidad de accionar turbinas, que a su vez mue-ven generadores encargados de transformar la energıa mecanica en energıaelectrica.

Ası como la mayorıa de las energıas renovables, la energıa proveniente delmovimiento o circulacion de agua, tambien es un recurso indirecto de laenrgıa solar, ya que proviene de la evaporacion de los oceanos y debido asu disponibilidad, su capacidad de producir trabajo a temperatura ambientey a que no es contaminante, es considerado uno de los recursos energeticosmas importantes; sin embargo, al igual que otros recursos renovables, no es

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una cantidad finita almacenada, sino un flujo potencialmente aprovechabledurante el ano, en cuyo caso, la energıa disponible para la conversion enenergıa electrica es tan solo la sobrante del fenomeno de evaporacion de lalluvia o nieve que cae en zonas altas y fluye a traves de los rıos hacia el mar.

2. Antecedentes Historicos

El agua en movimiento es una de las primeras fuentes de energıa que fueaprovechada para reducir la carga de trabajo de personas y animales. No sesabe con exactitud cuando fue inventado el molino de agua, pero los sistemasde riego existen cuando menos desde hace 5000 anos, y resulta probable quela primera maquina hidraulica haya sido “La noria”, un sistema de bombeopara la elevacion de agua, con el fin de la irrigacion de tierras, sin embargo, eluso de energıa hidraulica data del tiempo de los romanos, hace unos 2000 anosaproximadamente,mas su desarrollo se llevo a cabo lentamente por espaciode 18 siglos debido principalmente al inconveniente de que las instalacionesdebıan de situarse junto a los rıos; mientras que las maquinas de vapor podıanser instaladas en cualquier sitio.

Figura 1: Turbina de Four-neyron

En 1832, el ano del descubrimiento de la in-duccin electromagnetica por parte de Faraday,un joven ingeniero frances de nombre BenoitFourneyron patento un nuevo y mas eficienteuso del agua y de la rueda, dicho dispositivofue la primera turbina de agua. Figura 1El primer par de estas turbinas se instalaronen 1837 en la pequena ciudad de San Bla-sien(ahora parte del sur de Alemania). Tuvoque transcurrir poco mas de medio siglo, paraque se crearan las primeras centrales electri-cas a gran escala, tıtulo que tiene la central deGodalming, en el Reino Unido inaugurada en1881, cuya fuente de alimentacion fue un tradi-cional molino de agua. Y fue hasta 1910 cuando

despego el gran desarrollo de plantas hidroelectricas, principalmente en Eu-ropa, Norteamerica y Japon, desarrollo propiciado por la gran evolucion dela tecnologıa de transmision; y es en 1930 cuando este tipo de generacionprolifera debido al incremento de la demanda de electricidad, de la necesi-dad de crear empleos durante la gran depresion inciada en 1929 y de el grandesarrollo en la tecnologıa de ingenierıa civil para la construccion de grandespresas.

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3. Sistemas Hidroenergeticos

Figura 2: Sistema Hidroelectrico

Un sistema hidroelectrico esaquel que transforma la energıahidraulica de una masa de aguasituada a cierta altura “H”, enenergıa electrica. Figura 2.Dicho sistema, debe de poseer lamaxima eficiencia, y para ello es ne-cesario que:

La carga “H”, que representa la altura sobre el nivel del mar, sea uti-lizada en uno o varios pasos con plantas escalonadas, esto con el fin deno permitir que el rıo fluya libremente al mar sin haber explotado almaximo su energıa potencial.

La eficiencia de las obras de conduccion y de toma sean maaximas.

La eficiencia de la conversion de la energıa en la turbina sea optima, aligual que la conversion de energıa mecanica en energıa electrica ocurridaen el generador electrico.

Finalmente, la eficiencia de la transmision electrica desde los puntos degeneracion y hasta los puntos de consumo tambien debe de ser optimi-zada.

3.1. Tipos de Plantas

Hoy en dıa el rango de capacidad de las centrales hidroelectricas va desdeunos pocos cientos de Watts hasta mas de 10 000 MW, un factor de cientosde millones de dolares entre los mas pequenos y los mas grandes. Sin em-bargo para su estudio, estas instalaciones pueden ser clasificadas de diversasmaneras:

Conforme a la altura efectiva del agua.

Conforme a su capacidad (Potencia Nominal de Salida).

Conforme al tipo de turbina.

Conforme a su hubicacion, tipo de presa, embalse, etc.

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3.1.1. Conforme al Cabezal

Dos plantas hidroelectricas con la misma capacidad, pueden ser muy di-ferentes: una con un volumen relativamente bajo con un deposito sobre unamontana lo que le proporciona una alta velocidad en el agua, y otra con elcaudal inmerso en un rıo que se mueve lentamente.Por los sitios e instalaciones hidroelectricas, las plantas pueden ser clasifi-cadas como de bajo, medio o alto cabezal, es decir, altura de descarga, yaun cuando en realidad estos lımites no son claros podemos establecer quehablamos de un cabezal alto cuando la altura de descarga es de mas de 100metros, y cuando sea menor a 10 metros podemos decir que se trata de uncabezal bajo.

3.1.2. Plantas de Acumulacion Hidraulica

Tambıen conocidas como como “Plantas de Rebombeo”, no son muy usa-das pero resultan bastante utilies para cubrir demandas maximas normales;su objeto es almacenar agua durante cierto tiempo y luego dejarla fluir porlas turbinas solo en los perıodos de maxima carga. La gran ventaja de estasplantas, es que el agua puede ser usada varias veces, el proceso de bombeose lleva a cabo durante las noches, justo cuando la demanda del sistema esmuy baja y puede ser satisfecha con plantas base del sistema, generalmentetermoelectricas.

3.1.3. Centrales de Agua Corriente y de Agua Embalsada

Las primeras se construyen en sitios donde la energıa hidraulica dispo-nible se puede utilizar directamente para accionar las turbinas, y donde, encaso de no existir la central, esta nergıa serıa desperdiciada; para su cons-truccion se toman en cuenta el valor maximo y mınimo disponible de caudal

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del rıo, ya que de hacerse con el primero en las epocas de escasez de agua, lacentral trabajarıa con poca carga, y por ende con un bajo rendimiento, porotro lado en caso de construirse en base al valor mınimo de caudal, en epocasde abundancia de agua todo el excedente serıa desaprovechado, por lo quese toma la solucion economica mas viable, generalmente una media entre losdos extremos.

Para el caso de las centrales embalsadas, estas utilizan un embalse artificialo presa, en donde se acumula el agua que posteriormente puede aprovecharseen la central conforme a las necesidades. Este embalse se forma generalmentepor medio de una presa construida en lugares apropiados del rıo(por ejemplo,sitios angostos y de margenes rocosos).

Dentro de esta clasificacion existen diversos arreglos, a continuacion se ci-tan los elementos de los dos tipos mas comunes:

a) 1. Presa.

2. Canal deDerivacion.

3. Camara de Presion.

4. Tuberıa de Presion.

5. Central.

6. Tuberıa de desague

7. Distribucion de alta Tension.

Este tipo de central puede ser tanto de agua corriente, como de aguaembalsada en cuyo caso la presa debe ser proyectada para resistir ma-yores presiones, ya que el empuje de agua es mucho mayor.

b) 1. Presa para embalzar las aguas en epocas de abundancia y regula-rizar la corriente.

2. Galerıa de presion derivada directamente de la presa a nivel infe-rior, al maximo admisible, permitiendo aprovechar todo el volu-men de agua almacenada entre un nivel proximo al de la toma yel nivel maximo de esta.

3. Tanque de Oscilacion.

4. Tuberıa de Presion.

5. Central

6. Canal de desague.

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7. Distribucion de alta Tension.

Conforme al maximo aprovechamiento de causes que en toda epoca delano llevan corriente, este tipo de instalacion parece ser el mas adecuado,en ella se sustituye la camara de presion por el tanque de oscilacion,que sirve para amortiguar el golpe del ariete.

3.2. Dispositivos de Obstruccion y de Cierre

Para obstruir el paso del agua de un rıo y represarlo, se construyen diques,que van desde pequenos obstaculos hasta gigantescas cortinas de concreto es-tructural. Existen presas de tipo cilindro, de sector circular o de compuertas;las primeras consisten en subir y bajar un cilindro por medio de una grua,las de sector circular se emplean para longitudes mayores, mientras que lasde compuertas son construidas solo en una parte de la seccion transversal delrıo. Las cortinas constan generalmente de diques y de vertedores de demasıas,que como el nombre sugiere, sirven para derramar los excedentes en epocasabundantes.

Por otro lado, no menos importantes se tienen los dispositivos de cierre,los cuales son principalmente de dos tipos: valvulas y compuertas.

Valvulas.- Son elementos utilizados para controlar el flujo en las tuberıas,y en general deben de tener un funcionamiento seguro, de cierre rapido yhermetico; segun su uso las podemos situar en la siguiente forma:

a) Valvula de entrada a la tuberıa de presion.

b) Valvula de la tuberıa de presion.

c) Valvula de admision, generalmente instalada en la entrada de la tu-berıa.

d) Valvula de descarga o alivio.

Desde el punto de vista de su construccion podemos mencionar los tipossiguientes:

a) de compuerta.

b) de mariposa o lenteja.

c) esferica.

d) de paso o retencion.

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e) de chorro hueco.

f) de aguja.

Compuertas.- Estos,a diferencia de las valvulas son elementos utilizadospara controlar grandes cantidades de flujo, y entre los tipos mas comunestenemos:

a) Verticales.

b) Radiales.

c) de Rodillos.

d) de Tambor.

e) de chorro hueco.

f) de aguja.

Finalmente, es conveniente mencionar el uso de otros dispositivos lla-mados “rejillas”, los cuales son usados como elementos de proteccion paraimpedir la entrada de cuerpos solidos que pueden ser arrastrados por el flu-jo de agua dentro de la tuberıa y causar danos especialmente en las palasdel distribuidor y del rodete. Son estructuras formadas por un sistema debarras o soleras verticales espaciadas regularmente y apoyadas sobre miem-bros estructurales, mas ademas de impedir la entrada de solidos, tambienobstaculizan el flujo de agua, produciendo una perdida de energıa.

4. Turbinas Hidraulicas

La palabra turbina proviene del latın turbo-inem, que significa rotacion ogiro de cualquier cosa. Hoy en dıa las turbinas se presentan en una variedadde formas al igual que de tamanos, con diametros que van desde tan solo untercio de metro hasta 6 metros, quiza un poco mas. Pero en realidad podemosenglobarlas todas las turbinas hidraulicas en tan solo dos clases: las de acciony las de reaccion.

4.1. Turbinas de Accion, tipo “Pelton”

Las turbinas de accion son del tipo “Pelton” Figura 3, y el agua actua so-bre el rodete por medio de una o varias toberas en direccion tangencial. Lafacilidad de aoptar entre ciertos lımites la velocidad tangencial de la rueda,

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Figura 3: Componentes de una turbina Pelton de eje horizontal, con dosequipos de inyeccin.

hace que sea posible obtener un numero de revoluciones adecuado para esta,lo cual permite el acoplamiento con el generador electrico y obtener por ellola frecuencia del sistema. Este tipo de turbinas, posee un alto rendimiento,debido a la posibilidad de hacer mınima la perdida por velocidad residual,sin que para ello haya necesidad de que las palas tengan un gran desarrollolo cual evita tambien las perdidas por friccion del agua sobre dichas palas.Para saltos muy grandes, las cucharas se construyen de acero fundido y seniquelean al final, para que queden perfectamente lisas y por ende presentenuna mınima resistencia al frotamiento.

Por otro lado, para que el dıametro del rodete no sea muy pequeno, si ası re-sultase del calculo de diseno, y a fin de obtener la velocidad de acoplamiento,lo que puede impedir el paso normal del agua, se recurre a la subdivicion dela vena, que sale por varias toberas(cuatro como maximo) y si es preciso seaumenta tambien el numero de ruedas. Mas existen casos en que se empleanlas dos soluciones para obtener el fin propuesto.

4.2. Turbinas de Reaccion, Tipo “Francis” y Tipo “Ka-plan”

Son en gran medida el tipo mas comun en el medio actual de plantas agran escala. Se utilizan en instalaciones donde el cabezal es desde tan solo 2

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metros hasta 300 metros. Aunque estas turbinas son de flujo radial,es decir,el agua llega radialmente sobre el rodete, y al atravesarlo se desvıa en unangulo recto para descargarse en sentido paralelo al eje de rotacion, el prin-cipio de funcionamiento sigue siendo el mismo.

Normalmente la turbina Francis esta completamente sumergida,y puede fun-cionar tan bien tanto con su su eje de forma horizontal, como vertical. Delmismo modo segun sea la carga, se pueden elegir entre varios tipos de rode-tes, es decir, lentos, normales, rapidos y extrarapidos, denominacion basadaen la velocidad especıfica(llamada tambien numero de vueltas especıfico) yno en la velocidad angular.

Ası com en la turbina de accion tipo “Pelton” se verifica que la transforma-cion completa de la energıa cinetica en presion, tiene lugar en el distribuidor,es decir, que la velocidad de salida del agua por la tobera es la correspondien-te a toda la altura del salto, en la turbina Francis dicha transformacion noes completa, porque la velocidad de entrada del agua en el rodete es menorque la que corresponderıa al salto existente.

Las turbinas Francis constan de los elementos siguientes: un distribuidor,un mecanismo de cierre, un rodete y un tubo de aspiracion. Se comprendeque haya sido siempre de interes el que las turbinas funcionaran con el ma-yor numero de revoluciones posibles, esto con objeto de reducir sus propiasdimensiones y permitir el acoplamiento con alternadores que no tuvierantamano excesivo. Esta necesidad se presento con mas fuerza cuando huboque aprovechar saltos de grandes caudales con poca altura. En las turbinasFrancis, que eran las que se empleaban en estos casos, se aumento el numerode revoluciones disminuyendo el diametro del rodete, agrandando al mismotiempo la altura de este y se vario tambien el angulo de las paletas. Se redujoasimismo el numero de estas y su superficie, y se modifico la forma de loscantos de admision de los alabes, a fin de reducir la perdida de desviacion yde friccion que se presentaban a causa del aumento de velocidad del agua.

Debido a las modificaciones introducidas resulta pues, que la forma actualdel rodete Francis difiere notablemente del modelo original.

En el ano 1916 el profesor Kaplan, fue quien resolvio este asunto de formaelegante, en vez de la admision radial usada en las turbinas Francis, em-pleo la admision axial, proveyendo a los rodetes de pocos alabes y a su vezrelativamente estrechos. Dichos rodetes son muy parecidos a las helices de losbuques, y por ello las turbinas que los utilizan se denominan turbinas-helice.

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Figura 4: Tipos de rodetes de Turbina

Para regular la entrada del agua segun los distintos grados de admision, Ka-plan empleo el conocido distribuidor de Fink, de paletas moviles, el mismode las turbinas Francis. Se comprobo conforme a la teorıa de las turbinas quepara obtener mejor resultado, habıa que modificar el angulo de admision yde salida de las paletas en relacion con el caudal absorbido lo cual no eraposible de realizar en los rodetes Francis por sus multiples elementos. Re-duciendo entonces el numero de paletas y fabricndolas con menor longitudy mas planas, se puede equipar al rodete con aletas giratorias, dispositivopatentado por el profesor Kaplan.

Finalmente cabe mencionar que en estas turbinas el area por donde en-tra el agua puede ser tan grande como sea posible, y estan adecuadas paracaudales muy grandes, ademas en ellas es mas sencillo mejorar la eficiencia,gracias a la mencionada caracterıstica que permite variar el angulo de laspalas junto con las variaciones de la demanda energetica.

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Referencias

[1] H. Wayne Beaty Donald G. Fiink. Manual de Ingenierıa Electrica, volu-me I. McGraw.Hill, 17 edition, 1996.

[2] Ing. Pedro Alonso Palacios Ing. Manuel Viejo Zubicaray. Energıa Hidro-electrica. LIMUSA, primera edition, 1977.

[3] Gaudencio Zoppetti Judez. Centrales Hidroelectricas, su estudio, monta-je, regulacion y ensayo., volume 1. Gustavo Gili, S. A., tercera edition,1974.

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