Centrales Hidroelectricas

Centrales hidroeléctricas

José Manuel Arroyo Sánchez Área de Ingeniería Eléctrica Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, Automática y Comunicaciones Universidad de Castilla – La Mancha 1

Contenidos • Introducción • Clasificaciones de las centrales hidráulicas • Elementos de una central hidráulica • Configuraciones típicas • Presa • Turbina hidráulica • Ventajas e inconvenientes 2

Centrales hidroeléctricas • Principio de funcionamiento: La energía mecánica del agua (cinética o potencial) se transforma en energía mecánica de rotación mediante una turbina hidráulica La energía mecánica de rotación se emplea para accionar un generador eléctrico y obtener energía eléctrica

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Definiciones • Cota: Valor de la altura a la que se encuentra una superficie 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 de salto) • Caudal: Volumen de líquido que circula por cada una de las secciones de conducción 3 abierta o cerrada por unidad de tiempo (m /s) 4

Aprovechamiento hidráulico

5

Aprovechamiento hidráulico • Obtención de desnivel: ‰

Mediante un canal de derivación y tubería forzada

‰

Mediante una presa

‰

Mediante una combinación de ambos

P ≈ 10qhηT ηG (kW ) 6

Clasificaciones (I) • Según el salto de agua:

‰

De alta presión

‰

De media presión

‰

De baja presión

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Centrales de alta presión • Saltos grandes (> 200 m), pequeños caudales desalojados (20 m3/s) • Turbinas Pelton (principalmente) y Francis • Tuberías de gran longitud • Zonas de alta montaña 8

Centrales de media presión • Saltos medios (20-200 m), caudales medios 3 (200 m /s) • Turbinas Francis • Embalses grandes

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Centrales de baja presión • Saltos pequeños (< 20 m) y caudales grandes 3 (> 300 m /s) • Turbinas Francis y Kaplan (principalmente) • Valles amplios de baja montaña

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Clasificaciones (II) • Según el discurrir del agua:

‰

De agua fluyente

‰

De agua embalsada o de regulación

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Central de agua fluyente • No cuentan con reserva de agua (pequeña presa) • Gran caudal y pequeña altura • Potencia máxima en temporada de lluvias, mínima en tiempo seco • Centrales de base 12

Central de agua fluyente

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Central de agua embalsada • 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 14

Central de agua embalsada

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Elementos de una central hidráulica • Presa ⇒ Acumulación del agua (↑ cota) • Toma de agua ⇒ Captación del agua necesaria para el accionamiento de la turbina ‰

‰

Zona de obra Aperturas por donde entra el agua protegidas para evitar el paso de cuerpos en suspensión o flotación (limpieza periódica de rejillas) 16

Elementos de una central hidráulica • Canal de derivación o galería de conducción ⇒ Circulación del agua debida a los ligerísimos desniveles entre sus extremos ‰

Hechos de hormigón con juntas dilatación (cambio de temperatura)

‰

Velocidades pequeñas

‰

El agua no discurre a presión 17

de

Elementos de una central hidráulica Canal de derivación

18

Elementos de una central hidráulica • Chimenea de equilibrio o cámara de presión ⇒ Amortiguamiento del golpe de ariete ‰

‰

‰

Variación de carga en turbina ⇒ Variación de presión en tuberías Fluctuación del agua en su interior según la presión en las conducciones Situada en la zona de unión de la galería de conducción y la tubería forzada 19

Elementos de una central hidráulica Chimenea de equilibrio

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Elementos de una central hidráulica • Tubería forzada o de presión ‰

‰

Soporta grandes presiones en toda su superficie Hecha de acero con juntas de dilatación

• Central (casa turbinas)

de

máquinas,

• Canal de desagüe o socaz 21

cámara

de

Elementos de una central hidráulica • Válvulas • Compuertas • Desagüe de fondo • Aliviadero ‰

De superficie

‰

De coronación 22

Configuraciones típicas (I)

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Configuraciones típicas (II)

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Configuraciones típicas (III)

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Configuraciones típicas (IV)

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Configuraciones típicas (V)

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Configuraciones típicas (VI)

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Configuraciones típicas (VII) A pie de presa

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Ejemplo: Aldeadávila

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Central a pie de presa EMBALSE

VÁLVULA

ALTERNADOR TRANSFORMADOR RED DE TRANSPORTE

TURBINA

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Central de bombeo

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Central de bombeo • Dos embalses a distinta altura (almacenes de energía) • Demanda irregular: punta (turbinado), valle (bombeo) • Permite régimen más uniforme para centrales térmicas y nucleares, mejor rendimiento, mayor factor de utilización, menor coste del kW/h • Tiempo de arranque muy corto (pocos minutos) 33

Central de bombeo Energía suministrada por las centrales de bombeo

P(MW)

Curva de producción

Energía consum ida por las centrales de bom beo

0

6

12

18

34

24

Presa • Intercepta agua para desviar caudales (derivación) y/o almacenar agua (embalse) ‰

‰

Configuración del valle y características mecánicas del terreno Clasificacion según el material empleado: o

Presas de materiales sueltos

o

Presas de hormigón 35

Presas de materiales sueltos • También llamadas presas de tierra o presas de escollera

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Presas de hormigón Tipos • Presas de gravedad • Presas de contrafuertes o aligeradas • Presas de arco sencillo o de simple curvatura • Presas de bóveda o de doble arco • Presas de arco-gravedad • Presas de arcos múltiples 37

Presas de gravedad • Perfil triangular • Par de vuelco producido por el empuje del agua se compensa con el par de la reacción que el suelo ejerce sobre la presa • Estabilidad de la presa confiada a su propio peso y al esfuerzo del terreno sobre el que se apoya • Presa muy difundida y segura 38

Presas de gravedad

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Presas de contrafuertes • Uso en valles anchos • Perfil no constante (zonas de menor sección regularmente espaciadas) • Ahorro de material • Esfuerzo soportado por los contrafuertes 40

Presas de contrafuertes

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Presas de arco sencillo • Presa más ligera • Esfuerzo debido al empuje del agua se transmite hacia las laderas del valle • Curvatura necesaria para transmitir la componente horizontal del empuje hacia los laterales del valle • Gargantas estrechas y de gran altura 42

Presas de arco sencillo

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Presas de bóveda • Arcos horizontales y verticales • Menor solicitación del material • Valles estrechos y profundos • Admiten alturas superiores a las presas de gravedad 44

Presas de bóveda

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Presas de arco-gravedad • Combinación de las presas de arco y de gravedad

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Presas de arco-gravedad Presa de Aldeadávila (Duero)

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Presas de arcos múltiples • Variante de la presa de contrafuertes • Transmisión del empuje del agua de los arcos a los contrafuertes y a los estribos • Ahorro de material

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Turbina hidráulica • Convierte la energía cinética o potencial del agua en energía mecánica de rotación • Clasificación según la forma de actuar el agua en los álabes: ‰

Turbinas de acción ⇒ Pelton

‰

Turbinas de reacción ⇒ Francis y Kaplan

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Turbinas de acción • Efecto único de velocidad • Sentido de proyección del chorro de agua y sentido de giro del rodete coinciden • La presión de agua no varía en los álabes • Rodete no inundado 50

Turbinas de reacción • Efecto conjunto de velocidad y presión • Sentido de proyección del chorro de agua y sentido de giro del rodete no coinciden • Mayor presión de agua a la entrada que a la salida • Rodete inundado 51

Turbina Pelton

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Elementos de la turbina Pelton • Inyector: Transforma la energía de presión del fluido en energía cinética. Consta de:

‰

‰

Tobera ⇒ Boquilla con orificio de sección circular Válvula de aguja ⇒ Regulación del caudal

53

Elementos de la turbina Pelton Inyector

54

Elementos de la turbina Pelton • Cámara de distribución: Prolongación de la tubería forzada para conducir el agua hasta los inyectores • Distribuidor ⇒ 1-6 inyectores de agua

55

Elementos de la turbina Pelton • Rodete ‰

Rueda

‰

Álabes

‰

Carcasa

‰

Eje

‰

Cámara de descarga

‰

Sistema hidráulico de frenado 56

Elementos de la turbina Pelton Rodete

57

Funcionamiento turbina Pelton • Transformación de energía cinética en energía mecánica de rotación • Inyectores dirigen un chorro de agua cilíndrico, de sección uniforme y a presión atmosférica al rodete • Chorro de agua incide sobre arista central de los álabes ⇒ Se originan dos chorros que salen despedidos lateralmente 58

Funcionamiento turbina Pelton • Chorros resultantes caen al canal de fuga por la fuerza de la gravedad • Regulación mediante válvula de aguja que obtura más o menos el orificio de salida • Para caudales mayores ⇒ Varias toberas en diversas posiciones del rodete 59

Funcionamiento turbina Pelton

60

Central con turbina Pelton

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Turbina Francis

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Elementos de la turbina Francis • Cámara espiral en forma de caracol • Antedistribuidor de álabes fijos • Anillo distribuidor de álabes móviles ‰

‰

Giro alrededor de un eje paralelo al eje de la máquina Movimiento de cierre solidario

• Rodete 63

Funcionamiento turbina Francis • Agua a presión va a la cámara espiral en forma de caracol ⇒ Reparto del caudal por toda la periferia del rodete • Álabes fijos canalizan las líneas de flujo del agua • El distribuidor regula el caudal sin que las venas líquidas sufran desviaciones bruscas o contracciones ⇒ Rendimiento elevado incluso con cargas reducidas 64

Funcionamiento turbina Francis • Parte de la energía potencial gravitatoria del agua embalsada se convierte en energía cinética • La energía cinética aumenta al pasar por las palas fijas del antedistribuidor y por las palas móviles del distribuidor provocando el giro del rodete

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Funcionamiento turbina Francis

66

Central con turbina Francis

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Turbina Kaplan

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Elementos de la turbina Kaplan • Cámara espiral con distribuidor regulable análogo al de las turbinas Francis, pero los álabes están a una altura menor • Rodete: Hélice de eje vertical con pocos álabes y gran sección de paso entre ellos. Similar a la hélice de un barco (aleaciones especiales) • Palas: Libertad de movimiento (pueden girar sobre sus asientos situados en el núcleo del rodete). A mayor salto más palas 69

Elementos de la turbina Kaplan • Llamadas turbinas de doble regulación: palas en el rodete y en el distribuidor

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Funcionamiento turbina Kaplan • El agua entra al rodete desde la cámara espiral ⇒ Flujo prácticamente axial • Ángulo de incidencia óptimo de las venas líquidas para caudal variable ⇒ Inclinación de álabes del rodete • Movimiento simultáneo de todas las palas (complejo sistema de bielas dentro del rodete)

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Funcionamiento turbina Kaplan

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Central con turbina Kaplan

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Ventajas de las centrales hidráulicas • Energía renovable • Menor contaminación ⇒ No crea residuos • Conversión energía mecánica-mecánica ⇒ No hay calor ⇒ ↑ rendimiento (80-90%) • Coste del combustible • Flexibilidad para su conexión y desconexión (5 minutos) • Suministro en las horas de punta de demanda 74

Inconvenientes de las centrales hidráulicas • Fuerte inversión y gran tiempo de construcción • Inundación de grandes superficies geográficas de embalse • Acoplamiento temporal ⇒ Dependencia de las lluvias • Acoplamiento espacial ⇒ Dependencia de la operación de centrales situadas aguas arriba 75

Sistema hidroeléctrico del Duero

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Otros problemas: Golpe de ariete • Disminuye bruscamente demandada al generador

la

potencia

• Ocasiona deformaciones y vibraciones • Soluciones: ‰

‰

Chimenea de equilibrio Accionamiento válvulas

lento 77

y

progresivo

de

Otros problemas: Cavitación • Espacios huecos (cavidades llenas de gas o vapor) por 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 del alternador, produce ruidos y vibraciones en las superficies en contacto con el líquido, así como corrosión 78

Centrales hidráulicas en España Nombre J. M. Oriol Villarino Aldeadávila Cedillo Aldeadávila II Tajo Encantada Aguayo Mequinenza Puente Bibey Saucelle II San Esteban

Potencia (MW) 915 810 810 440 421 360 339 324 285 285 265

Capacidad Primera (hm3) conexión a red Alcántara 3137 1970 Almendra 2474 1970 Aldeadávila 115 1962 Cedillo 260 1976 Aldeadávila 115 1986 Tajo Encantada 3 1977 Mediajo 10 1966 Mequinenza 1566 1964 Bao 238 1964 Saucelle 169 1989 San Esteban 213 1955 Embalse

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Ejemplo

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