INDICE
CENTRALES HIDROELECTRICAS2
REPRESAS21.Segn su estructura:32.Segn sus materiales:53.Segn su
aplicacin:6
CONSTRUCCIN DE PEQUEAS PRESAS71.Consideraciones
generales:72.Dimensionamiento del volumen de embalse:9
GENERADORES HIDROELECTRICOS15INFORMACIN PRELIMINAR:15LA
CONSTANTE DE ENERGIA (H):16CALCULO DE DIMENSIONES DEL
ESTATOR:19CALCULO DE LAS DIMENSIONES DEL ROTOR:21
TABLERO DE CONTROL24
PLANOS DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA27
CENTRALES HIDROELECTRICAS
REPRESAS
En Maquinaria y Servicios la Vera sabemos la importancia que
tienen las presas en nuestras vidas; de hecho, cerca de Madrigal de
la Vera podemos encontrar la pequea pero importante presa de
Rosarito, que nos ofrece electricidad, agua y sostenibilidad rural
y medioambiental. Esta presa es de la denominada presa de gravedad,
pero qu tipos de presa existen? Pues bien, vamos a empezar antes de
nada explicando que es una presa y despus pasaremos a desarrollar
los tipos que podemos encontrar.
En ingeniera se denomina presa o represa a una barrera fabricada
con piedra, hormign o materiales sueltos, que se construye
habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un ro o arroyo.
Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su
posterior aprovechamiento en abastecimiento o regado, para elevar
su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego,
para evitar inundaciones aguas abajo de la presa o para la
produccin de energa mecnica al transformar la energa potencial del
almacenamiento en energa cintica y sta nuevamente en mecnica al
accionar la fuerza del agua un elemento mvil. La energa mecnica
puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de
forma indirecta para producir energa elctrica, como se hace en las
centrales hidroelctricas.
Como hemos visto, ya sabemos que es realmente una presa o
represa y que usos principales puede llegar a tener, por lo tanto
ahora veremos qu tipos de presa pueden existir:
TIPOS DE PRESAS Segn su estructura Segn sus materiales Segn su
aplicacin1. Segn su estructura:
1.1. Presa de gravedad
Presa de gravedad del embalse de Rosarito
Es aquella en la que su propio peso es el encargado de resistir
el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el
suelo, por lo que ste debe ser suficientemente estable para
soportar el peso de la presa y del embalse. Constituyen las
represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento
requieren
Dentro de las presas de gravedad se puede tener: Escollera:
Tierra homognea, tierra zonificada, CFRD (grava con losa de
hormign), de roca.
De hormign: tipo RCC (hormign rodillado) y hormign
convencional.
Su estructura recuerda a la de un tringulo issceles ya que su
base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la
parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es
casi vertical. La razn por la que existe una diferencia notable en
el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se
debe a que la presin en el fondo del embalse es mayor que en la
superficie, de esta forma, el muro tendr que soportar ms presin en
el lecho del cauce que en la superficie. La inclinacin sobre la
cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa
incremente su estabilidad.
1.2. Presa de arco
Presa Hoover, presa de ArcoEs aquella en la que su propia forma
es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la
presin se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de
la cerrada, se requiere que sta sea de roca muy dura y resistente.
Constituyen las represas ms innovadoras en cuanto al diseo y que
menor cantidad de hormign se necesita para su construccin. La
primera presa de arco de la que se tiene noticia es la presa de
Vallon de Baume, realizada por los romanos cerca de Glanum
(Francia).
1.3. Presa de bveda o de doble arco
Presa de bveda en el embalse de AlmendraCuando la presa tiene
curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, tambin se
denomina de bveda. Para lograr sus complejas formas se construyen
con hormign y requieren gran habilidad y experiencia de sus
constructores que deben recurrir a sistemas constructivos poco
comunes.
1.4. Presa de arco-gravedad
Presa del embalse de Santa EulaliaCombina caractersticas de las
presas de arco y las presas de gravedad y se considera una solucin
de compromiso entre los dos tipos. Tiene forma curva para dirigir
la mayor parte del esfuerzo contra las paredes de un can o un
valle, que sirven de apoyo al arco de la presa. Adems, el muro de
contencin tiene ms espesor en la base y el peso de la presa permite
soportar parte del empuje del agua. Este tipo de presa precisa
menor volumen de relleno que una presa de gravedad.
2. Segn sus materiales:
1. 2. 2.1. Presas de hormignSon las ms utilizadas en los pases
desarrollados ya que con ste material se pueden elaborar
construcciones ms estables y duraderas; debidas a que su clculo es
del todo fiable frente a las producidas en otros materiales.
Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte
estn hechas de este material. Algunas presas pequeas y las ms
antiguas son de ladrillo, de sillera y de mampostera. En Espaa, el
67% de las presas son de gravedad y estn hechas con hormign ya sea
con o sin armaduras de acero.2.2. Presas de materiales sueltosSon
las ms utilizadas en los pases subdesarrollados ya que son menos
costosas y suponen el 77% de las que podemos encontrar en todo el
planeta. Son aquellas que consisten en un relleno de tierras, que
aportan la resistencia necesaria para contrarrestar el empuje de
las aguas. Los materiales ms utilizados en su construccin son
piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos
estos los que ms destacan son las piedras y las gravas. En Espaa
slo suponen el 13% del total.Este tipo de presas tienen componentes
muy permeables, por lo que es necesario aadirles un elemento
impermeabilizante. Adems, estas estructuras resisten siempre por
gravedad, pues la dbil cohesin de sus materiales no les permite
transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento puede ser
arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazn del relleno) o
bien una pantalla de hormign, la cual se puede construir tambin en
el centro del relleno o bien aguas arriba. Estas presas tienen el
inconveniente de que si son rebasadas por las aguas en una crecida,
corren el peligro de desmoronarse y arruinarse. En Espaa es bien
recordado el accidente de la Presa de Tous conocido popularmente
como la Pantanada de Tous.2.3. Presas de enrocamiento con cara de
hormignEste tipo de presas en ocasiones es clasificado entre las de
materiales sueltos; pero su forma de ejecucin y su trabajo
estructural son diferentes. El elemento de retencin del agua es una
cortina formada con fragmentos de roca de varios tamaos, que
soportan en el lado del embalse una cara de hormign la cual es el
elemento impermeable. La pantalla o cara est apoyada en el contacto
con la cimentacin por un elemento de transicin llamado plinto, que
soporta a las losas de hormign. Este tipo de estructura fue muy
utilizado entre 1940 a 1950 en cortinas de alturas intermedias y
cay en desuso hasta finales del siglo XX en que fue retomado por
los diseadores y constructores al disponer de mejores mtodos de
realizacin y equipos de construccin eficientes.
3. Segn su aplicacin:
3.1. Presas filtrantes o diques de retencinSon aquellas que
tienen la funcin de retener slidos, desde material fino, hasta
rocas de gran tamao, transportadas por torrentes en reas montaosas,
permitiendo sin embargo el paso del agua.
3.2. Presas de control de avenidasSon aquellas cuya finalidad es
la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de
que no se cause dao a los terrenos situados aguas abajo de la presa
en casos de fuerte tormenta.
3.3. Presas de derivacinEl objetivo principal de estas es elevar
la cota del agua para hacer factible su derivacin, controlando la
sedimentacin del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas
de derivacin. Este tipo de presas son, en general, de poca altura
ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario.
3.4. Presas de almacenamientoEl objetivo principal de stas es
retener el agua para su uso regulado en irrigacin, generacin
elctrica, abastecimiento a poblaciones, recreacin o navegacin,
formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje
de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor
altura de cortina corresponden a este objetivo.3.5. Presas de
relavesSon estructuras de retencin de slidos sueltos y lquidos de
desecho, producto de la explotacin minera, los cuales son
almacenados en vasos para su decantacin. Por lo comn son de menores
dimensiones que las presas que retienen agua, pero en algunos casos
corresponden a estructuras que contienen enormes volmenes de estos
materiales. Al igual que las presas hidrulicas tienen cortina
(normalmente del mismo tipo de material), vertedero, y en vez de
tener una obra de toma o bocatoma poseen un sistema para extraer
los lquidos.
CONSTRUCCIN DE PEQUEAS PRESAS
1. Consideraciones generales:
Elementos constitutivos de una presa.
Un tajamar o pequea presa (o represa) est constituido
principalmente por la presa misma, apoyada en el terreno a travs de
los estribos laterales y de su fundacin (Hay distintos tipos de
presa segn los materiales con que se construye).
el embalse que contiene cierto volumen de agua, aguas arriba de
la presa. la obra de toma y su conduccin hacia aguas abajo, que
permiten tomar y conducir el agua hacia el uso que esta tiene
asignado. el aliviadero o vertedero, que permite evacuar sin daos
por erosin los excesos de agua, evitando que el nivel del embalse
suba ms de lo permitido e impidiendo con ello el sobrepaso de la
presa.
Demanda a satisfacer.
Para iniciar el proyecto de una presa en primer lugar se debe
definir el tipo de demanda de agua a satisfacer, y sus
caractersticas y cantidades estimadas en funcin del tiempo. El agua
puede ser utilizada para satisfacer una gran variedad de
necesidades, por ejemplo, la demanda de consumo humano o animal, el
riego, la recreacin, la produccin de energa hidroelctrica, la
produccin de peces, la proteccin contra incendios, el control de
erosin, el uso paisajstico y la proteccin contra inundaciones. De
todos estos posibles usos la irrigacin es el que involucra el mayor
nmero de obras.
Figura 1. Elementos constitutivos de una presaIndicadores.
Existen varios indicadores especficos que guardan relacin con el
rea cultivada para evaluar a grandes rasgos las caractersticas de
un proyecto. Sin embargo, mencionamos a continuacin solamente
algunos que tienen que ver con la presa y el uso del recurso
hdrico. La capacidad de regulacin interanual del embalse, es la
relacin entre la capacidad de almacenamiento (entre los niveles de
la toma y vertedero) y el volumen de escurrimiento anual medio de
la cuenca. La capacidad de laminacin de crecidas se puede
cuantificar por la relacin Qvmax/Qmax entre el caudal de diseo del
vertedero (Qvmax) y el caudal mximo de la crecida extrema (Qmax).
La capacidad de laminacin de crecidas tiene que ver tambin con la
relacin entre el rea de la cuenca de aporte y el rea del embalse a
nivel de vertedero. Valores de Qvmax/Qmax > 0,5 son frecuentes
cuando se construye un embalse muy pequeo para una determinada
cuenca, por lo que el vertedero pasa a ser un elemento sumamente
importante en el costo total de la obra.
Seleccin del sitio de la represa.
No es conveniente ubicar la represa en lugares donde existan
viviendas permanentes o instalaciones de importancia junto al cauce
dentro del rea afectada ante una eventual falla de la estructura.
Si no hubiera otra alternativa, la seleccin de un sitio as obligar
a realizar un diseo ms cuidadoso y a extremar las precauciones y
controles durante la construccin, la operacin y el mantenimiento de
la obra, lo que en definitiva redundar en un mayor costo. La misma
represa ubicada en otro lugar con menores consecuencias dentro del
rea potencialmente afectada podra ser proyectada, construida,
operada y mantenida con menores requerimientos tcnicos. Se deben
evitar sitios que generen grandes reas de embalse de poca
profundidad porque se produce una excesiva evaporacin y beneficia
el posible crecimiento de plantas acuticas que son perjudiciales
para la calidad de las aguas. Desde el punto de vista del volumen
de obra, un buen sitio para una represa es generalmente una seccin
estrecha de un valle, de pendientes laterales fuertes, donde se
puede disponer de un gran volumen embalsado con un dique de pequeo
volumen, optimizando la eficiencia de la inversin. La
disponibilidad de material aceptable para la construccin de la
represa es otro factor muy importante en la seleccin del sitio. Hay
una relacin directa entre la disponibilidad de materiales en el
sitio y el diseo de la seccin de la presa a construir. Este diseo
debe optimizar el uso de los materiales disponibles en la cercana
del sitio elegido. Es recomendable que los suelos en la zona a
inundar por el embalse tengan un horizonte impermeable de espesor
suficiente para prevenir una excesiva infiltracin. Esto debe
tenerse presente tambin a la hora de planificar excavaciones para
las reas de prstamo o yacimientos de materiales para la construccin
de la presa. Las caractersticas del material del terreno en
profundidad tambin son importantes para decidir el emplazamiento de
una represa o tajamar. Si se quiere una obra impermeable, conviene
que se construya sobre terrenos impermeables adems de resistentes.
Pueden construirse presas sobre terrenos permeables, siempre y
cuando el diseo tenga en cuenta este aspecto especficamente.
Relevamiento topogrfico del lugar.
Para evaluar un probable lugar de cierre del valle es necesario
realizar un relevamiento topogrfico y estimar la capacidad del
embalse y las cotas de las obras de toma y de vertido. El
relevamiento topogrfico mnimo para un tajamar consiste en un perfil
altimtrico a lo largo del eje del dique y del vertedero, y en el
relevamiento planialtimtrico de una cantidad suficiente de puntos
en el vaso que permita estimar reas y volmenes de embalse que
permita describir el vaso con curvas de nivel cada por lo menos un
metro, como mnimo hasta un metro ms que la cota superior de la
represa. Para los tajamares de baja altura se puede estimar el
volumen del vaso como el 40% del producto del rea embalsada por la
altura mxima. Para la delimitacin de las superficies a inundar con
el embalse, se recomienda dibujar el trazado de la curva de nivel
del embalse lleno a nivel del umbral del vertedero, y adems la
curva de nivel del embalse en su cota mxima de vertido. Estas
curvas representan informacin necesaria para el estudio de la
vinculacin jurdica de los predios inundados y la delimitacin de las
servidumbres definitivas y temporarias respectivamente. Asimismo,
si se prev evaluar la construccin de un vertedero-canal, es
importante realizar al menos un perfil longitudinal completo donde
se prevea su desarrollo, comenzando en la zona de inicio del
vertido hasta la zona donde se va a descargar el caudal, lejos del
terrapln. Esto permite tener en cuenta la pendiente del terreno en
el estudio de la seccin y caractersticas del vertedero. Para
evaluar los volmenes de excavacin y relleno se recomienda incluir
el relevamiento de secciones transversales al eje del canal. Todo
el relevamiento debe ser referenciado a un nico mojn, que puede ser
una marca con hormign, una alcantarilla u otro objeto fuera del rea
a embalsar, que no se altere durante y luego de la construccin de
la represa.
Fuente de agua de aporte a la represa.
El agua de aporte a la represa puede ser agua superficial de una
cuenca de aporte, agua subterrnea de un acufero o ambas. Cuando el
escurrimiento superficial es la fuente principal de agua a la
represa, el rea de la cuenca debera tener un tamao suficiente para
que an con la variabilidad existente en los escurrimientos anuales,
el aporte al embalse cubra la cantidad de agua a almacenar para el
perodo de seca. Por el contrario el rea de la cuenca no debera ser
muy grande en relacin con la capacidad de almacenamiento del
embalse, para que las estructuras necesarias de vertido funcionen
realmente como vertederos de emergencia solo ante eventos
verdaderamente extremos. Para mantener la profundidad y capacidad
de la represa es necesario que el flujo de agua superficial est
libre de sedimentos provenientes de la erosin de la cuenca. Por lo
tanto se debera realizar un adecuado control de la erosin en el rea
de aportes, siendo conveniente que el suelo tenga una buena
cobertura de rboles o pasturas. Si existen reas cultivadas, stas
deberan ser protegidas con prcticas ambientalmente adecuadas, por
ejemplo la siembra segn curvas de nivel. En el caso que la cuenca
de aporte tenga signos fuertes de erosin se recomienda estudiar la
mejor oportunidad para la construccin de la represa en relacin con
las medidas de proteccin de suelos que se puedan implementar.
2. Dimensionamiento del volumen de embalse:
Dada la topografa del lugar seleccionado para la presa se pueden
analizar varias combinaciones de cotas de comienzo de vertido y de
toma de agua. El volumen de almacenamiento es el volumen contenido
en el embalse entre dichos niveles. El volumen ptimo de
almacenamiento en el embalse depende del grado de satisfaccin de la
demanda, que se analiza estadsticamente a travs de un balance
hdrico mensual durante un perodo determinado. Dada la variabilidad
climtica del lugar, analizando la informacin hidrolgica disponible
se observa que frecuentemente para dos aos en que la precipitacin
anual es similar, el volumen de escurrimiento suele ser distinto.
Para que el anlisis estadstico de la demanda sea consistente, se
propone un perodo de anlisis histrico mensual de por lo menos 30
aos. El grado de satisfaccin de la demanda se realiza a travs del
balance hdrico mensual en el embalse. Dicho balance contempla los
ingresos y salidas de agua, tomando como volumen de control el
embalse, y determinando la variacin del volumen almacenado y el
agua que realmente se dispone para satisfacer dicha
demanda.Conocida la geometra del embalse y la demanda, en la
ecuacin de balance es necesario estimar el volumen de escorrenta de
aporte de la cuenca y la precipitacin y evaporacin en el embalse.
En los puntos siguientes se realiza una descripcin de la metodologa
empleada para estimar el volumen de escurrimiento de una pequea
cuenca no aforada en el lugar, y a partir de este realizar el
balance hdrico en el embalse.
1. 2. 2.1. 2.1.1. Volumen de escurrimiento de la cuenca de
aporte:Datos necesarios para la aplicacin del modelo.Para la
aplicacin del modelo en una cuenca determinada es necesario
disponer de los siguientes datos:
Precipitacin Mensual.Se debe disponer la serie histrica de
precipitaciones acumuladas mensuales del pluvimetro ms cercano a la
cuenca y se recomienda un perodo de 30 aos de los registros ms
recientes. Esta informacin est disponible en internet.
Pi: Precipitacin en la cuenca (mm/mes)
rea de la cuenca de aporte.Se delimita la cuenca de aporte y se
determina su superficie:
AC: Superficie de la cuenca de aporte (ha)
Agua Disponible.Se calcula la cantidad de agua disponible de los
suelos de la cuenca ponderando por las respectivas reas ocupadas de
cada unidad Cartogrfica de suelo (ver Cuadro 2.1).La Unidad
Cartogrfica de los Suelos se extrae de la versin digital de la
Carta de Reconocimiento de suelos del lugar actualmente preparada
para su uso con un sistema de informacin Geogrfico y disponible en
Internet.Asimismo, puede aproximarse un valor del agua disponible
de los suelos.
AD: agua disponible de los suelos (mm)
Ciclo anual medio de evapotranspiracin potencial.El ciclo anual
medio de evapotranspiracin potencial se calcula a partir del mapa
2.3. Localizando en l el baricentro de la cuenca, se determina:
ETPm: evapotranspiracin media mensual (mm/mes)
A partir de los coeficientes de distribucin del ciclo anual
medio (parte inferior del mapa 2.3) y multiplicando dichos valores
por ETPm se obtiene el ciclo anual medio de evapotranspiracin
potencial para esa localizacin:
ETPi: Ciclo anual medio de evapotranspiracin potencial
(mm/mes)
En la aplicacin del modelo estos valores de ciclo medio deben
ser repetidos en todo el perodo de clculo.
Estructura del modelo.El modelo de Temez es un modelo de balance
hdrico agregado, que estima el escurrimiento mensual de una cuenca
a partir de la precipitacin, el almacenamiento en el suelo y la
evapotranspiracin potencial. La estructura del modelo se observa en
la Figura 2.1: una parte del agua que precipita (P) forma el
excedente (T) y el resto de agua (Pt) es almacenada en la primer
capa de suelo, en la que se genera la evapotranspiracin real (ETR).
Del excedente (T) una parte es drenada y sale por el cauce como
escorrenta superficial (Asup) y el resto ingresa a un
almacenamiento subterrneo (v) a travs del cual se traspasa agua de
un mes a otro. La descarga del almacenamiento subterrneo (Asub) y
la escorrenta superficial (Asup) conforman la escorrenta total
(At). Para el clculo de los escurrimientos mensuales se debe seguir
la rutina establecida en el anexo a6, que puede ser implementada en
una planilla de clculo.
Figura 2.1 Modelo de Precipitacin Escurrimiento (Temez,
1977)
2.1.2. Balance hdrico mensual en un embalse:Geometra del vaso
del embalse.El relevamiento topogrfico de la zona de emplazamiento
del embalse debe realizarse como mnimo hasta la cota de
coronamiento de la presa. Se trazan las curvas de nivel por lo
menos cada 1 metro (cotas Hi, referidas al cero oficial del SGM) y
se determina la superficie (Ai) para cada curva de nivel.Luego se
debe obtener los coeficientes de las ecuaciones representativas de
las relaciones volumen-altura y rea-altura, ajustadas especialmente
para la zona de inters, que es entre los niveles de la obra de toma
y el vertedero. Para esto, se calcula una cota especial (H*)
utilizando las reas medidas(Ai) y las cotas (Hi) en ese rango de
niveles, que no ser necesariamente la cota correspondiente al fondo
real del vaso, donde el rea es cero.
Con la serie de alturas virtuales calculadas por las diferencias
Hi - H* y las reas correspondientes, se obtiene la funcin Aemb ms
ajustada a la geometra del vaso en la zona de inters, calculando
los coeficientes y por mnimos cuadrados de las funciones
logartmicas:
Caracterizacin del volumen a embalsar.Definido el vaso del
embalse, el volumen de almacenamiento (Vmax) queda caracterizado
por el volumen entre la cota de toma (Ht) y la cota de vertido
(Hv).
Ht : Cota de ubicacin de la toma de extraccin de agua (m)Hv :
Cota de comienzo de vertido. (m)Vmax : volumen mximo de
almacenamiento til, entre Ht y Hv (Hm3)
Caracterizacin de la demanda.La demanda es una variable
determinada de acuerdo a las necesidades planteadas, que se expresa
como un volumen mensual. Generalmente se la considera con un ciclo
anual que se repite durante todo el perodo analizado. En el caso
que la demanda sea el riego de un cultivo, el volumen mensual
depende de: tipo de cultivo, mes del ao, rea a cultivar y
eficiencia del sistema de riego:
Vdi : Demanda de agua a extraer por mes (Hm3)
Evaporacin mensual en el embalse.La evaporacin es una demanda
climtica que tiene el embalse. Se estima multiplicando el valor de
Evaporacin de tanque A por un coeficiente de correccin
tanque-embalse:
: Evaporacin mensual en el tanque ms cercano (mm): Evaporacin
mensual en el embalse (mm)
Para su clculo se presentan los valores medios de Evaporacin
mensual de tanque en el periodo existentes en el lugar.
Aportes mensuales de agua al embalse.
: Escurrimiento de la cuenca (Hm3) : Precipitacin directa en el
embalse (mm)
El escurrimiento de la cuenca corresponde al estimado en el
apartado 2.1, mientras que la precipitacin en el embalse es la
misma que en la cuenca.
Balance Hdrico.La siguiente es la ecuacin de balance mensual y
el volumen de control donde se aplica:
Se recomienda simular el comportamiento del embalse con una
serie de datos de precipitaciones de 30 aos.Se calcula mes a mes
(i) el volumen que pudo entregar el embalse para el riego (Vr i), y
se realiza un anlisis de garanta de la obra (Ht y Hv) para cubrir
la demanda (Vdi).El volumen de agua por infiltracin en el vaso, las
filtraciones a travs del dique y su fundacin y el caudal de
servidumbre Vs i (Hm3), en una primera aproximacin se pueden
considerar nulos.
Figura 2.2 Elementos para el dimensionado del volumen a
embalsar
Satisfaccin de la demanda.
El grado de satisfaccin de la demanda se analiza estadsticamente
por el nivel de cumplimiento de la misma durante el perodo en que
se realiza el balance hdrico mensual en el embalse, caracterizado
ste por sus cotas de toma y de vertido.Cambiando las caractersticas
de la obra, esencialmente la cota de vertido, es posible contrastar
los beneficios asociados a la oferta de agua (posibilidad de
ampliar el rea cultivada) con el costo de la obra, conociendo el
riesgo de satisfaccin de la demanda en cada alternativa.A partir de
los volmenes que resulten disponibles para riego segn cada cota de
vertido analizada se puede describir un ndice de satisfaccin de la
demanda segn el rea regada (Ar), mediante:
ndice de Satisfaccin de la Demanda:
Las sumatorias se efectan sobre la planilla del balance hdrico
desde el inicio del primer ao hidrolgico completo.El grfico de la
Figura 2.3 ilustra un anlisis de la informacin obtenida para la
definicin de la cota del vertedero. Una vez definido este valor,
quedar determinado el volumen a embalsar as como el resto de las
dimensiones bsicas de las obras necesarias (ancho del vertedero,
cota de coronamiento de la presa, etc.)
Figura 2.3 Anlisis de satisfaccin de la demanda
GENERADORES HIDROELECTRICOS
Se trata de una aproximacin al dimensionamiento preliminar del
generador, fundamentado en el concepto de constante de energa o de
inercia y el nmero de polos como parmetro determinantes del diseo.
Constante que representa la energa almacenada por KVA y puede
calcularse a parir del momento de inercia y la velocidad de la
mquina.Se considera las principales dimensiones del generador,
tales como el dimetro interno del estator, el dimetro externo, la
longitud del ncleo del estator y las medidas ms representativas del
rotor.Se hace un anlisis elctrico en el cual se calculan las
caractersticas de estado estable y transitorio propias del
generador. La reactancia transitoria y subtransitoria, que permiten
describir el comportamiento de la maquina bajo condiciones
transitorias, se calculan desde el punto de vista de parmetros de
diseo.Adicionalmente, se revisan las caractersticas magnticas del
generador, con el objeto de calcular los amperios-vuelta, propios
de la reaccin de armadura para seguidamente determinar el valor de
entrehierro.Finalmente, se revisan caractersticas mecnicas del
generador, tales como, sistema de ventilacin y refrigeracin,
cojinetes, sistema de levantamiento y frenado, entre otros.
INFORMACIN PRELIMINAR:
En la etapa de diseo de una central hidroelctrica, los
consultores, los ingenieros electricistas y los ingenieros
diseadores de la turbina, requieren informacin preliminar
relacionada con el generador. El diseador de la turbina requiere
adems conocer, si para una velocidad y capacidad dada, el valor de
la constante de energa es obtenible de un generador normal y en
ciertos casos, si el rodete de la turbina puede descenderse a travs
del estator. El diseador tambin deber conocer la capacidad mxima
del generador a una determinada velocidad. Los ingenieros
electricistas, finalmente, necesitan informacin concerniente a los
valores de las reactancias transitorias que puedan esperarse
razonablemente para un generador con una capacidad y velocidad
determinadas.
Los MVA de salida por polo se usan como una medida de la
dificultad en el diseo y en la construccin de un generador grande.
Se puede demostrar que una medida ms exacta es la salida por polo
por pulgada de longitud de ncleo, denominada la salida especifica
por polo.
Se derivan ecuaciones aplicables a generadores con capacidad
igual o superior a 35 MVA, con voltajes entre 11 y 18 KV, con un
factor de sobrevelocidad de 1.85.
Entre la informacin preliminar que se requiere, adicional a la
relacionada en prrafos anteriores, se encuentra: capacidad nominal
[KVA], factor de potencia, nmero de fases, conexin, frecuencia,
velocidad [rpm]; (relacin de sobrevelocidad). Voltaje nominal,
aumento de temperatura, restricciones de H si se conocen.
El voltaje ser tan alto como la economa del diseo de la maquina
lo permita. A la fecha, se han construido generadores con voltajes
superiores a 16.5 KV, pero normalmente los fabricante recomiendan
el voltaje de 13.8 KV, para generadores hasta 250 MVA.
LA CONSTANTE DE ENERGIA (H):
Representa la energa almacenada en razn de la inercia del
generador por KVA. Es una medida de la aceleracin y desaceleracin
de la mquina, y numricamente, es igual a la mitad del tiempo
mecnico de arranque de la masa giratoria, Tm.
El valor del efecto volante o no tiene un gran significado si no
se lo relaciona con la velocidad y la salida del generador, la
relacin se define normalmente como:
(1.1)Donde:
: Constante de energa [KW.s/KVA] a factor de potencia 1.: Efecto
volante [lb/ft2].: Velocidad nominal del generador [rpm].: Potencia
nominal.
Para efectuar el anlisis es aconsejable expresar H en funcin de
parmetros ms generales del generador, tales como:
(1.2)Donde:: Factor de cuasidensidad del rotor.: Coeficientede
salida del generador.: Numero de polos del generador.
: Frecuencia del generador.
: Velocidad perifrica del rotor a velocidad nominal
[ft/minx10-3]
Recurdese que es la relacin de sobrevelocidad:
(1.3)
El factor de densidad del rotor . Tambin denominado factor de
cuasidensidad del rotor. Hace referencia a la homogeneidad del
material de construccin del cuerpo del rotor. Si los rotores se
construyeran como un disco solido de acero tendran un valor de .
Pero el rotor de un gran generador hidroelctrico est muy lejos de
ser un disco slido y realmente, consiste en lminas apilonadas de
material fabricado con base en el hierro dulce. Por lo tanto tendr
valores sustancialmente menores que 1.Para calcular H, se tomara un
valor de 11 para .Con el objeto de lograr resultados ms precisos y
acordes con la realidad del diseo de generadores, se deben
construir varias curvas de H dividiendo los valores de en funcin de
p (figura 1) y en funcin de p (figura 2), en nueve grillas y
posteriormente reemplazando los valores obtenidos en la ecuacin
(5.2).
Con los valores obtenidos para y se puede construir una familia
de curvas de H, en funcin del nmero de polos, as mismo una vez se
determina el valor de H que cumpla restricciones o clculos para
maquinas similares, se define la curva que cumple y seguidamente se
calcula el dimetro del estator .
CALCULO DE DIMENSIONES DEL ESTATOR:
Calculo de dimetro del estator (). Se puede hacer una
determinacin grafica del dimetro del estator, construyendo una
familia de curvas para reemplazando los 9 valores. Entonces, con el
nmero de polos y el valor de la grilla para la cual cumple el valor
de H, se obtiene el valor del dimetro del estator.
(1.4)
[Pulgadas](1.5)
Calculo de longitud del ncleo (). Para el clculo de este
parmetro tomamos de referente la siguiente ecuacin, de la cual es
despejado. (1.6)Con y expresadas en pulgadas.Dado que se asume ,
despejando de la ecuacin (1.6) se obtiene:(1.7)Existen lmites para
y se deber cumplir:(1.8)Donde:: Es el paso polar.El lmite
superior:(1.9)El lmite inferior:(1.10)Otras dimensiones se enuncian
a continuacin.
Dimetro del ncleo (. Se obtiene a con la siguiente
ecuacin:(1.11)Dimetro de la carcasa (). El dimetro de la carcasa
del generador incluye el espacio ocupado por los radiadores o
intercambiadores de calor.(1.12)Dimetro del recinto del generador
(). Dimetro que permitir el desplazamiento cmodo de las personas
sin interferir con cajas de control del generador que van adosadas
al interior del recinto.(1.13)
Procedimiento para el dimensionamiento preliminar.1. Determinar
el nmero de polos p.2. De las curvas para H vs p a 60 Hz mostradas
en la figura 3, hallamos la grilla que cumpla las restricciones de
H (normalmente impuesta por especificaciones) o valores de H para
generadores similares.3. Se obtiene para la grilla del paso 2 y
seguidamente se calcula el dimetro interno del estator .4.
Determine y .5. Calcular limites superior e inferior de .
Altura total del generador (L). La altura total de un generador
desde la parte extrema del lado ms bajo hasta la parte superior est
dada por:(1.14)
Cabeza de bobina. Depende del paso polar , y se obtiene mediante
la ecuacin:(1.15)Donde esta dado por:(1.16)
: Ancho de la barra aislada ms el espacio de aire, constituye un
valor tpico.: Valor medio, que es igual a 2.875 pulgadas.(1.17)
CALCULO DE LAS DIMENSIONES DEL ROTOR:
Longitud radial del entrehierro.Si no se conocen los valores
especificados para las reactancias , reactancia sincrnica y ,
reactancia de dispersin de armadura; para un de 0.9 puede asumirse
los siguientes valores para un anlisis preliminar y El valor de la
reaccin de armadura puede calcularse as:(1.18)Donde:: Corriente de
fase.: Vueltas efectivas por fase del arrollamiento del estator.:
Factor de amplitud .: numero de polos. : Factores para el clculo
del flujo de dispersin entre polos. : Se denomina factor de paso.
Tiene que ver con la reduccin de la f.e.m. debida al desplazamiento
entre las capas superior e inferior de los bobinados.: Se denomina
el factor de dispersin y se puede calcular para cualquier
armnicoPara este clculo se puede asumir: Para calcular se debe
determinar el flujo por polo (1.19)Donde:: Flujo por polo.:
Longitud del ncleo.: Densidad media de flujo en el entrehierro
[Wb/m2].: Paso polar.Inicialmente se puede asumir que , valor
equivalente a 42000 lnea/pulgadas2.Se determina como:(1.20)Tambin
se conoce la siguiente relacin de flujo por polo:(1.21)Con esta
ltima formula es posible hallar ; con =1.1Se pueden calcular los
amperios vuelta del entrehierro (de circuito abierto), con la
siguiente formula:(1.22)Donde (reactancia de reaccin de
armadura).Reemplazando los valores de supuestos inicialmente, se
obtiene:(1.23)Donde:: Flujo en el entrehierro total.Pero para un ,
y considerando a como:(1.24)Donde:: Entrehierro efectivo sobre el
arco polar.Se obtiene a en funcin de , como sigue:(1.25)
Altura del polo. La altura del polo () depende del paso polar ()
y del factor de altura del polo ().(1.26)
TABLERO DE CONTROL
La empresadisea y programa el tablero de control para diversas
tareas. El mismo sirve para monitorear yregularla frecuencia en
funcin del caudal de agua y el consumo energtico, entre otras.En el
interior del tablero se observa a grandes rasgos las placas driver
y MCU. Las protecciones trmicas y el rel de seguridad de voltaje y
frecuencia.En el exterior de del tablero seencuentrael analizador
de fases y la llave trmica para el consumo.Poseen control de
compuerta, y control de flujode caera de alimentacin. La caja
multiplicadora de velocidades se coloca para adaptar la velocidad
de trabajo de la turbina, a la velocidad del generador.En el
interior del tablero se observa por un lado la parte de potencia en
donde se puedeapreciar la parte trasera de dicha llave con barras
colocadas con sus respectivos trasformadores de medicin. Por otro
lado se ve la parte de comando conformado en su mayor parte por un
PLC.
PLANOS DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICA
PLANO 1
Plano en planta de la Presa en el que se pueden ver una enorme
cantidad de detalles. En lneas continuas se tiene las estructuras
que se pueden ver a simple vista y en lnea discontinua las
estructuras interiores que no se pueden apreciar desde fuera. Con
la disposicin de las dos turbinas bajo las rampas de los
aliviaderos, el tnel de desage de fondo, el de entrada a la central
hidroelctrica, el de desvo del ro durante su construccin y el par
de ataguas que se utilizaron para evitar que el ro entrara en las
obras, una aguas arriba y otra aguas abajo.PLANO 2
Plano del perfil de la Presa con otra inmensidad de detalles. Lo
que quiz ms llama la atencin es el tnel de entrada de agua a las
turbinas con sus 3,60 metros de dimetro, desde la entrada cuadrada
hasta su salida al ro. Interesante ver tambin la gran cantidad de
galeras perimetrales que hay y que recorren la Presa por dentro
conectando las diferentes dependencias. Un ltimo detalle que ya
hemos comentado y es el hecho de que la central hidroelctrica,
justo encima de la turbina, est como "pegada" al resto al ser
edificada con posterioridad, cuando la Presa ya contaba con 30
metros de altura construidos.PLANO 3
Plano de perfil con un corte por la central hidroelctrica. Esta
se ubica justo debajo de las tres rampas del aliviadero ocupando
totalmente el ancho de la presa a esta altura. Este tnel de desvo
del ro a la izquierda con sus 5 metros de ancho, en el lado opuesto
otro tnel rectangular que es el de entrada a la central y un
orificio redondo a la izquierda de este ltimo, que es el
correspondiente al desage de fondo. Con un gran tamao de las
turbinas.29
