Función que cumple cada parte de una central hidráulica:

Presas

Están encargadas de formar el embalse; pudiendo ser de gravedad, cuando su altura es mayor que su base y están asentadas sobre las paredes. Pueden ser rectas o curvas, con curvatura simple o doble, con o sin contrafuerte. Son caras, pero forman embalses de menor superficie de extensión, típicas de los ríos de montaña. En cambio, las presas Azud, típicas de los ríos de llanura tienen su base de mayor longitud que la altura y resulta más económica pues en la mayoría de los casos, alrededor de su núcleo central se afirman bien las piedras y si es necesario se las cubre con hormigón.

Embalse

Sirve para mantener un caudal constante, asegurar la generación de energía y obtener un caudal adicional, cuando funciona permanentemente.

Vertedero

Son las válvulas o el coronamiento de la presa cuya apertura evacua el caudal en exceso no turbinado en caudales muy grandes. Son compuertas radiales de accionamiento automático.

Caudal de derivación

Es la toma del río, cerrado o abierto, que lleva a turbinar a la cámara de carga donde filtros evitan el paso de sólidos flotantes y peces, mientras que el resto debe decantar en ésta. En algunos casos es necesario instalar filtros para retener la arena fina que aún se arrastra.

Tubería forzada

Es el último tramo de gran inclinación donde se reparte el agua a las turbinas.

Chimenea de equilibrio

Típicas de las centrales de montañas, es utilizada para equilibrar las presiones y evitar el golpe de “arriete” que produce el cerrado de las válvulas.

Casa de máquinas

Es el edificio donde se instalan los generadores, las turbinas y los equipos de control.

Transformador y playa de maniobras

Al lado de cada generador, en el exterior, un transformador eleva, en una o dos etapas, la tensión generada hasta que corresponda a la tensión de transporte. En la playa están instalados los interruptores e instrumentos de medición.

Canal de restitución

Devuelve las aguas al río y suele tener elementos disipadores de energía para evitar retrasos debidos a la formación de remolinos.

En sistemas encadenados o centrales de bombeo, ésta cañería es cerrada, en el primer caso para obtener menores desniveles y en el segundo porque el agua tiene que circular en ambos sentidos.

Referencias:

1.     Presa2.     Válvulas de alivio (cerrada). Vertedero (abierta)3.     Caudal 4.     Filtro 5.     Cámara de carga 6.     Cañerías 7.     Chimenea de equilibrio 8.     Casa de maquinas 9.     Transformadores 10.   Estación transformadora 11.   Caudal de restitución

Ventajas:

No contamina el ambiente

Emplea un recurso renovable

Genera potencia a baja temperatura

Las instalaciones auxiliares son reducidas

Arranque instantáneo con carga en pocos minutos

Desventajas:

Cada proyecto involucra un proyecto particular, según la ubicación

Los sitios de recursos aprovechables están lejos de los lugares de gran consumo, obligando la construcción de largas líneas que encarecen la obra

La creación de grandes lagos perjudica la flora y la fauna autóctona, modificando también el clima del lugar

Descripción de distintas turbinasTURBINA POT. UNIT. Q (m/seg.) N (R.P.M.) H(ALTURA)

Pelton 1 – 10 1 – 10 1500 – 600 >400

Francis * 1 – 1000 10 – 100 300 – 75 50 – 400

Kaplan 1 – 800 < 50 300 – 75 25 – 100

Hélice 1 – 100 10 – 50 300 – 150 25 – 100

Diagonal 1 – 100 10 – 50 300 – 150 <20

Straflo 5 – 20 1 – 20 75 – 45 <20

Bulbo 5 – 20 1 – 20 75 – 45 <20

Mini # 0,01 – 0,1 - - -

* Extra rápida – rápida – normal – lenta # Pelton – Francis – Kaplan

Turbina tipo BULBO

En la figura se ve el corte de una central con turbinas de tipo bulbo. En este tipo de central, el alternador está en un bulbo rodeado por el agua. La extracción de dicho bulbo se hace desagotando totalmente los conductos, por medio de las compuertas.

Turbina tipo KAPLAN

Salvo en las turbinas de tipo bulbo, en las restantes, se emplean grupos generadores de eje vertical. En la figura vemos que el estator del alternador se apoya en los elementos estructurales del edificio. Pero todo el conjunto rotante queda suspendido, transmitiendo los esfuerzos por medio del eje, al cojinete superior, llamado cojinete de empuje, de construcción muy particular.

El sistema está munido de tres cojinetes de guía para el eje y en el extremo inferior aparece la turbina.

El cojinete de empuje se apoya en el soporte superior, que es una pieza estructural que descarga en la estructura de material.

El tipo de turbina que una determinada central hidroeléctrica requiere, se elige con ayuda de la siguiente fórmula:

en la que:

P = potencia requerida a plena carga expresada en CVH = salto útil aprovechable en mN = velocidad nominal de rotación necesaria en RPMNe = velocidad específica en RPM

La llamada velocidad específica es un número teórico y es la velocidad a la que trabajaría una turbina homóloga (de la misma forma, pero reducida), desarrollando una potencia en el eje de 1 CV con un salto de 1 metro.

La velocidad nominal de rotación está estrechamente vinculada a la frecuencia de la corriente alterna que debe producir y es;

N = 60. f / p

en donde:

f = frecuencia de la corriente a producir en Hzp = número de pares de polos del rotorN = velocidad de rotación en RPM

La elección de la turbina tambien se puede hacer siguiendo el siguiente criterio:

Ne entre 0 y 25, ruedas Pelton con un solo inyector

Ne entre 25 y 50, ruedas Pelton con varios inyectores

Ne entre 50 y 100, turbinas Francis lentas con un rodete

Ne entre 100 y 250, turbinas Francis normales con un rodente

Ne entre 250 y 500, turbinas Francis rápidas con varios rodetes

Ne entre 500 y 1000, turbinas Helice o Kaplan

Algunos datos característicos que podríamos dar serían, según el “Plan Nacional de Equipamiento” extraído del libro “Ingeniería de la Energía Eléctrica” cuyo autor es Sobrevila, los costos por cada kilowatt y la potencia a instalar de futuras centrales.

APROVECHAMIENTO MW U$S / KW

Corpus (Argentina-Paraguay) 4020 574

Yacyretá (Argentina-Paraguay) 2700 1058

Paraná medio Patí 3300 1015

Paraná medio Chapetón 2304 1347

Roncador (Argentina-Brasil) 2500 425

Garabí (Argentina-Brasil) 2196 564

San Pedro (Argentina-Brasil) 745 1029

Zanja del Tigre 463 1895

Potrero del Clavillo 120 1332

Alicurá 750 714

Collón Curá 700 745

Piedra del Aguila 2100 386

Pichi Picun Leufú 400 622

Michinuao 600 723

Completamos con los principales datos de la central “Yacyretá” binacional

Area de la cuenca 97500 km.Caudal medio 11720 m3/sSuperficie embalse 1720 km2Cota normal de embalse 82 m.s.n.m.Salto bruto máximo 24.4 mSalto bruto mínimo 17 mPotencia instalada 2700 MwTurbinas 20 KaplanVelocidad 71.4 r.p.m.Potencia nominal generador

150 MVA

Centrales térmicas

Una central térmica produce energía eléctrica a partir de energía térmica de combustión.

Las centrales térmicas se clasifican en centrales de base y centrales de regulación. Las primeras tienen interés en utilizar combustibles baratos, por lo que se instalan a bocamina, etc.

Las segundas utilizan combustibles más nobles, tales como carbones industriales y aceites pesados. Están instalados cerca de centros importantes de consumo, que no pueden disponer en abundancia de energía hidráulica.

Las grandes centrales térmicas utilizan, casi exclusivamente, turbinas de vapor. También poseen varios turbo alternadores, de igual potencia, cada uno de los cuales constituye una unidad capaz de funcionar con autonomía completa. Solo se recurre a las turbinas de gas como aparatos motores en las centrales móviles suplementarias o auxiliares. Estas ocupan un espacio relativamente pequeño y su peso, por unidad de potencia, es muy reducido.

Qué es una central hidroeléctrica?

Una central hidroeléctrica es una instalación que permite aprovechar las masas de agua en

movimiento que circulan por los ríos para transformarlas en energía eléctrica, utilizando

turbinas acopladas a los alternadores.

Según la potencia instalada, las centrales hidroeléctricas pueden ser:

Centrales hidráulicas de gran potencia: más de 10MW de potencia eléctrica.

Minicentrales hidráulicas: entre 1MW y 10MW.

Microcentrales hidroeléctricas: menos de 1MW de potencia.  

  

2. Componentes principales de una central hidroeléctrica

La presa, que se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse.

Re bosaderos,elementos que permiten liberar parte del agua que es retenida sin que

pase por la sala de máquinas.

Destructores de energía, que se utilizan para evitar que la energía que posee el agua

que cae desde los salientes de una presa de gran altura produzcan, al chocar contra el

suelo, grandes erosiones en el terreno. Básicamente encontramos dos tipos de

destructores de energía:

o Los dientes o prismas de cemento, que provocan un aumento de la turbulencia y de

los remolinos.

o Los deflectores de salto de esquí, que disipan la energía haciendo aumentar la

fricción del agua con el aire y a través del choque con el colchón de agua que

encuentra a su caída.

Sala de máquinas. Construcción

donde se sitúan las máquinas

(turbinas, alternadores…) y

elementos de regulación y control

de la central.

Turbina. Elementos que

transforman en energía mecánica

la energía cinética de una corriente

de agua.

Alternador. Tipo de generador

eléctricodestinado a transformar la

energía mecánica en eléctrica.

Conducciones. La alimentación del agua a las turbinas se hace a través de un sistema

complejo de canalizaciones.

En el caso de los canales, se pueden realizar excavando el terreno o de forma artificial

mediante estructuras de hormigón. Su construcción está siempre condicionada a las

condiciones geográficas. Por eso, la mejor solución es construir un túnel de carga, aunque

el coste de inversión sea más elevado.

La parte final del recorrido del agua desde la cámara de carga hasta las turbinas se realiza a

través de una tubería forzada. Para la construcción de estas tuberías se utiliza acero para

saltos de agua de hasta 2000m y hormigón para saltos de agua de 500m.

Válvulas, dispositivos que permiten controlar y regular la circulación del agua por

las tuberías.

Chimeneas de equilibrio: son unos pozos de presión de las turbinas que se utilizan

para evitar el llamado “ golpe de ariete”, que se produce cuando hay un cambio

repentino de presión debido a la apertura o cierre rápido de las válvulas en una

instalación hidráulica.

La presa

La presa es el primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica. Se encarga

de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse.

Con la construcción de una presa se consigue un determinado desnivel de agua, que es

aprovechado para conseguir energía. La presa es un elemento esencial y su forma depende

principalmente de la orografía del terreno y del curso del agua donde se tiene que situar.

Las presas se pueden clasificar, según el material utilizado en su construcción, en presas de

tierra y presas de hormigón.

Las presas de hormigón son las más resistentes y las más utilizadas. Hay tres tipos de

presas de hormigón en función de su estructura: 

Presas de gravedad. Son presas de hormigón triangulares con una base ancha que

se va haciendo más estrecha en la parte superior. Son construcciones de larga

duración y que no necesitan mantenimiento. La altura de este tipo de presas está

limitada por la resistencia del terreno.           

Presa de vuelta. En este tipo de presas la pared es curva. La presión provocada por

el agua se transmite íntegramente hacia las paredes del valle por el efecto del arco.

Cuando las condiciones son favorables, la estructura necesita menos hormigón que una

presa de gravedad, pero es difícil encontrar lugares donde se puedan construir.

Presas de contrafuertes. Tienen una pared que soporta el agua y una serie de

contrafuertes o pilares de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga

del agua a la base.

En general, se utilizan en terrenos poco estables y no son muy económicas.

La turbina hidráulica

Las turbinas hidráulicas son el elemento fundamental para el aprovechamiento de la energía

en las centrales hidráulicas. Transforman en energía mecánica la energía cinética (fruto del

movimiento) de una corriente de agua.

Su componente más importante es el rotor , que tiene una serie de palas que son

impulsadas por la fuerza producida por el agua en movimiento, haciéndolo girar.

Las turbinas hidráulicas las podemos clasificar en dos grupos:

Turbinas de acción. Son aquellas en las que la energía de presión del agua se

transforma completamente en energía cinética. Tienen como característica principal que

el agua tiene la máxima presión en la entrada y la salida del rodillo. Un ejemplo de este

tipo son las turbinas Pelton.

Tu rbinas de reacción. Son las turbinas en que solamente una parte de la energía de

presión del agua se transforma en energía cinética. En este tipo de turbinas, el agua

tiene una presión más pequeña en la salida que en la entrada. Un ejemplo de este tipo

son las turbinas Kaplan .

Las turbinas que se utilizan actualmente con mejores resultados son las turbinas Pelton,

Francis y Kaplan. A continuación se enumeran sus características técnicas y sus aplicaciones

más destacadas:

Turbina Pelton. También se conoce con el nombre de turbina de presión. Son

adecuadas para lossaltos de gran altura y para los caudales relativamente

pequeños. La forma de instalación más habitual es la disposición horizontal del eje.

Turbina Francis. Es conocida como turbina de sobrepresión, porque la presión es

variable en las zonas del rodillo. Las turbinas Francis se pueden usar en saltos de

diferentes alturas dentro de un amplio margen de caudal, pero son de

rendimiento óptimo cuando trabajan en un caudal entre el 60 y el 100% del caudal

máximo.Pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o en posición vertical

pero, en general, la disposición más habitual es la de eje vertical.

Turbina Kaplan. Son turbinas de admisión total y de reacción. Se usan en saltos de

pequeña altura con caudales medianos y grandes. Normalmente se instalan con el

eje en posición vertical, pero también se pueden instalar de forma horizontal o inclinada.

En el siguiente juego interactivo puedes comprender mejor la relación entre el caudal y la

altura en las centrales hidroeléctricas.

3. Tipos de centrales hidroeléctricas 

Hay muchos tipos de centrales hidroeléctricas, ya que las características del terreno donde

se sitúa la central condicionan en gran parte su diseño.

Se podría hacer una clasificación en tres modelos básicos:

Centrales de agua fluyente. En este caso no existe embalse, el terreno no tiene

mucho desnivel y es necesario que el caudal del río sea lo suficientemente constante

como para asegurar una potencia determinada durante todo el año. Durante la

temporada de precipitaciones abundantes, desarrollan su máxima potencia y dejan pasar

agua excedente. En cambio, durante la época seca, la potenciadisminuye en función del

caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en verano.

Centrales de embalses. Mediante la construcción de una o más presas que forman

lagos artificiales donde se almacena un volumen considerable de agua por encima de las

turbinas.

El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Con el embalse

puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque

completamente durante algunos meses, cosa que sería imposible con una central de agua

fluyente.

Estas centrales exigen, generalmente, una inversión de capital más grande que la de agua

fluyente. Dentro de estos tipos existen dos variantes de centrales:

Centrales a pie de presa: en un tramo de río con un desnivel apreciable se

construye una presa de una altura determinada. La sala de turbinas está situada

después de la presa.

Centrales por derivación de las aguas: las

aguas del río son desviadas mediante una

pequeña presa y son conducidas mediante un

canal con una pérdida de desnivel tan

pequeña como sea posible, hasta un pequeño

depósito llamado cámara de carga o de

presión. De esta sala arranca una tubería

forzada que va a parar a la sala de turbinas.

Posteriormente, el agua es devuelta río abajo,

mediante un canal de descarga. Se consiguen

desniveles más grandes que en las centrales a pie de presa. 

Centrales de bombeo o reversibles. Son un tipo especial de centrales que hacen

posible un uso más racional de los recursos hidráulicos.

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

energía eléctrica es máxima, estas centrales trabajan como una central hidroeléctrica

convencional: el agua cae desde el embalse superior haciendo girar las turbinas y después

queda almacenada en el embalse inferior.

Durante las horas del día de menor demanda, el agua es bombeada al embalse

superior para que vuelva a hacer el ciclo productivo.

4. Funcionamiento de una central hidroeléctrica

La presa, situada en el curso de un río, acumula artificialmente un volumen de agua para

formar un embalse. Eso permite que el agua adquiera una energía potencial que después se

transformará en electricidad.

Para esto, la presa se sitúa aguas arriba, con una válvula que permite controlar la entrada

de agua a la galería de presión; previa a una tubería forzada que conduce el agua hasta la

turbina de la sala de máquinas de la central.

El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en

cinética (es decir, va perdiendo fuerza y adquiere velocidad). Al llegar a la sala de máquinas

el agua actúa sobre los álabes de la turbina hidráulica, transformando su energía cinética en

energía mecánica de rotación.

El eje de la turbina está unido al del generador eléctrico, que al girar convierte la energía

rotatoria en corriente alterna de media tensión.

El agua, una vez ha cedido su energía, es restituida al río aguas abajo de la central a través

de un canal de desagüe. 

5. Ventajas e inconvenientes de las centrales hidroeléctricas

Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son:

No necesitan combustibles y son limpias.

Muchas veces los embalses de las centrales tienen otras utilidades importantes: el

regadío, como protección contra las inundaciones o para suministrar agua a las

poblaciones próximas.

Tienen costes de explotación y mantenimientos bajos.

Las turbinas hidráulicas son de fácil control y tienen unos costes de mantenimiento

reducido.  

En contra de estas ventajas podemos enumerar los inconvenientes siguientes:

El tiempo de construcción es, en general, más largo que el de otros tipos de centrales

eléctricas.

La generación de energía eléctrica está influenciada por las condiciones meteorológicas y

puede variar de estación a estación.

Los costes de inversión por kilovatio instalado son elevados.

En general, están situadas en lugares lejanos del punto de consumo y, por lo tanto, los

costes de inversión en infraestructuras de transporte pueden ser elevados.

6. Impacto ambiental de las centrales hidroeléctricas

Siempre se ha considerado que la electricidad de origen hidráulico es una alternativa

energética limpia. Aun así, existen determinados efectos ambientales debido a la

construcción de centrales hidroeléctricas y su infraestructura.

La construcción de presas y, por extensión, la formación de embalses, provocan un impacto

ambiental que se extiende desde los límites superiores del embalse hasta la costa. Este

impacto tiene las siguientes consecuencias, muchas de ellas irreversibles:

Sumerge tierras, alterando el territorio.

Modifica el ciclo de vida de la fauna.

Dificulta la navegación fluvial y el transporte de materiales aguas abajo (nutrientes y

sedimentos, como limos y arcillas).

Disminuye el caudal de los ríos, modificando el nivel de las capas freáticas, la

composición del agua embalsada y el microclima.

Los costes ambientales y sociales pueden ser evitados o reducidos a un nivel aceptable si se

evalúan cuidadosamente y se implantan medidas correctivas. Por todo esto, es importante

que en el momento de construir una nueva presa se analicen muy bien los posibles

impactos ambientales en frente de la necesidad de crear un nuevo embalse.

TIPOS DE PRESA

  Las presas se clasifican según la forma de su estructura y los materiales empleados. Las grandes presas pueden ser de hormigón o de elementos sin trabar. Las presas de hormigón más comunes son de gravedad, de bóveda y de contrafuertes. Las presas de elementos sin trabar pueden ser de piedra o de tierra. También se construyen presas mixtas para conseguir mayor estabilidad. La elección del tipo de presa más adecuado para un emplazamiento concreto se determina mediante estudios de ingeniería y consideraciones económicas ( el costo de la presa depende de la disponibilidad de los materiales para su construcción y de las facilidades para su transporte). Las características también son factor determinante a la hora de elegir el tipo de estructura. 

Presas de gravedadLas presas de gravedad son estructuras de hormigón de sección triangular; la base es ancha y se va estrechando hacia la parte superior; la cara que da al embalse es prácticamente vertical. Vistas desde arriba son rectas o de curva suave. La estabilidad de estas presas radica en su propio peso. Es el tipo de construcción más duradero y el que requiere menor mantenimiento. Su altura suele estar limitada por la resistencia del terreno. Un ejemplo de este tipo de presas es la presa Grande Dixence, en Suiza (1962), la cual tiene una altura de 284 m y es una de las más grandes del mundo. 

Presas de bóvedaEste tipo de presa utiliza los fundamentos teóricos de la bóveda. La curvatura presenta una convexidad dirigida hacia el embalse, con el fin de que la carga se distribuya por toda la presa hacia los extremos. En condiciones favorables, esta estructura necesita menos hormigón que la de gravedad, pero es difícil encontrar emplazamientos donde se puedan construir. 

Presas de contrafuertes Las presas de contrafuertes tienen una pared que soporta el agua y una serie de contrafuertes o pilares, de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga del agua a la base. Hay varios tipos de presa de contrafuertes: los más comunes son de planchas uniformes y de bóvedas múltiples.

En las de planchas uniformes el elemento que contiene el agua es un

conjunto de planchas que cubren la superficie entre los contrafuertes.En las de bóvedas múltiples, éstas permiten que los contrafuertes estén más espaciados.

Estas presas precisan de un 35 a un 50% del hormigón que necesitaría una de gravedad de tamaño similar aunque a pesar del ahorro de hormigón las presas de contrafuertes no son siempre más económicas que las de gravedad, ya que el costo de las complicadas estructuras para forjar el hormigón y la instalación de refuerzos de acero suele equivaler al ahorro en materiales de construcción. Este tipo de presa es necesario en terrenos poco estables. 

Presas de elementos sin trabarLas presas de tierra y piedra utilizan materiales naturales con la mínima transformación, aunque la disponibilidad de materiales utilizables en los alrededores condiciona la elección de este tipo de presa. El desarrollo de las excavadoras y otras grandes máquinas ha hecho que este tipo de presas compita en costos con las de hormigón. La escasa estabilidad de estos materiales obliga a que la anchura de la base de este tipo de presas sea de cuatro a siete veces mayor que su altura. La cuantía de filtraciones es inversamente proporcional a la distancia que debe recorrer el agua; por lo tanto, la ancha base debe estar bien asentada sobre un terreno cimentado. Las presas de elementos sin trabar pueden estar construidas con materiales impermeables en su totalidad, como arcilla, o estar formadas por un núcleo de material impermeable reforzado por los dos lados con materiales más permeables, como arena, grava o roca, el núcleo debe extenderse hasta mucho más abajo de la base para evitar filtraciones.