TIPOS DE CENTRALES HIDROELECTRICAS
La influencia de la altura es aprovechada por las centrales hidroeléctricas para convertir la energía potencial del agua en energía eléctrica, utilizando las turbinas para tal fin, acoplando estas a los alternadores. En caso que el río tenga un aporte regular de agua, la energía cinética de éste puede aprovecharse sin necesidad de realizar embalses o bien, utilizando uno de pequeñas dimensiones ( a este tipo de centrales se las conoce como fluyentes).
Por condiciones climáticas el curso y caudal de los ríos resultan frecuentemente irregulares, lo que obliga a retener el agua mediante una presa, formándose así un lago o embalse que produce un salto de agua que libera fácilmente su energía potencial, almacenando agua para aquellas épocas de escasas lluvias (a estas centrales se denomina de regulación).
La estructura de la central puede ser muy diversa según le afecten los condicionantes orográficos de su ubicación, sin embargo se pueden reducir a dos tipos pero con variantes particulares.
El primer tipo es llamado aprovechamiento por derivación de agua, que consiste en una pequeña presa que desvía el agua hacia un pequeño depósito llamado de carga; de aquí pasa a una tubería forzada y posteriormente a la sala de máquinas de la central.
El segundo tipo es denominado aprovechamiento por acumulación de agua y consiste en la construcción de una presa de considerable altura en un lugar del río de condiciones orográficas adecuadas. El nivel del agua se situará en un punto cercano al extremo superior de la presa. A media altura se encuentra la toma de agua y en la parte inferior se encuentra la sala de máquinas con el grupo turbina-alternador. A la central de estas características se la conoce con el nombre de pie de presa.
Los elementos constructivos que forman una central hidroeléctrica son los siguientes: presa, aliviaderos y tomas de agua, canal de derivación, chimenea de equilibrio, tuberías de presión, cámaras de turbinas, canal de desagüe y sala de máquinas.
LA PRESA:
Es el elemento más importante de la central depende en gran medida de las condiciones orográficas de terreno, así como también el curso de agua donde se realiza la instalación.
Por los materiales que están constituídas las presas pueden se de: tierra, mampostería y hormigón.
Las presas más utilizadas son las de hormigón y pueden ser de gravedad o de bóveda.
Las primeras resiste la presión del agua por su propio peso. Las de bóveda necesitan menos materiales que la de gravedad y se suelen utilizar en gargantas estrechas.
LOS ALIVIADEROS:
Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tiene como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.
La misión de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego.
Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura; los aliviados se diseñan para que la mayoría se pierda en una cuenca que se encuentra en el pie de la presa, llamada de amortiguación.
Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas , de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según lo demande la situación. El diseño de estos requiere de cálculos muy complejos sobre el efecto destructivo del agua, que se pueden simular con modelos reducidos, aplicando posteriormente el factor de escala correspondiente.
TOMAS DE AGUA
Las tomas de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberías, se hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Estas tomas además de unas compuertas, para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc., puedan llegar a los álabes y producir desperfectos.
El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la prensa de derivación hasta las turbinas de la central. Generalmente es necesario hacer la entrada a las turbinas con turbinas forzadas siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde termina el canal y comienza la tubería. Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente las tuberías forzadas a las tomas de agua de las prensas.
Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberías forzadas y álabes de turbinas. A estas sobrepresiones se las denomina golpe de ariete .
Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente se produce una sobrepresión positiva , ya que el regulador automático de la turbina cierra la admisión de agua.
La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobre presión de agua encuentra menos resistencia para penetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará. Con ésto se consigue evitar el golpe de ariete.
Actúa de este modo la chimenea de equilibrio como un muelle hidráulico o un condensador eléctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energía.
Las estructuras forzadas o de presión, suelen ser de acero con refuerzos regulares a lo largo de su longitud, o de cemento armado, reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas al terreno mediante soleras adecuadas.
CAMARA DE TURBINA
En la cámara de turbinas se encuentran los elementos auxiliares de control, y la propia turbina. Según las características de los saltos de agua, de la altura del caudal, estas se pueden clasificar en tres tipos; de PELTON; de KAPLAN o de FRANCIS.
Las primeras se utilizan en grandes saltos y caudales regulares, las de Francis en centrales de saltos intermedios y caudales variables, y las Kaplan en sitios de poca altura y caudales variables.
El eje de la turbina en todos los casos es solidario con el del generador, de tal manera que al presionar el agua sobre los alabes de la turbina este girará induciendo una alta corriente y una baja tensión en el generador.
Los canales de desagüe están encargados de recoger el agua a la salida de la turbina, teniendo que devolverla al cauce del río, pero debido a que la velocidad del agua es importante, resulta peligroso su poder de erosión, por lo que hay que revestir adecuadamente las paredes parar su protección.
En la sala de máquinas se encuentran los grupos generadores de energía eléctrica, así como también los elementos auxiliares, pudiendo ser éstos exteriores o subterráneos.
TURBINAS Y ALTERNADORES
Las turbinas del tipo de acción, como la Pelton, constan de un inyector que transforma la energía de presión del agua en energía cinética. La velocidad de salida del chorro del fluído llega en ocasiones a 150 metros por segundo, de tal manera que es necesario que estén fabricados en acero muy duro para lograr una duración satisfactoria. A pesar de ello y a causa de las ocasiones en que el agua llega mezclada con impurezas hace que se limite su vida útil a 4.000 horas tanto en los elementos móviles de inyector como para la válvula de aguja.
Precisamente esta válvula de aguja del inyector es la encargada de variar el flujo del agua que llega a los álabes o cucharas de la turbina de una manera automática para conseguir que la velocidad de giro sea constante. El elemento sensor suele ser el conocido como de bolas, que se mueve en sincronismos con la turbina. A girar el eje, la fuerza centrífuga hace subir las bolas, actuando sobre el circuito de presión de aceite de la válvula del inyector.
En las turbinas de tipo de reacción de álabes fijos Francis, la regulación de velocidad se consigue de la misma forma que en la anteriormente descrita, pero la actuación del elemento de control se realiza sobre el distribuidor, variando el flujo de agua del rodete, consiguiéndose de esta manera que la velocidad se estabilice independientemente de las variaciones de la carga.
Las turbinas de tipo Kaplan tienen los álabes móviles, estando el sistema de servocontrol en el mismo cuerpo de la turbina. El rendimiento de estas turbinas es óptimo, aunque su costo es superior al de los otros por la complejidad de su construcción.
El alternador, o grupo de alternadores acoplados al eje de la turbina genera una corriente alterna de alta intensidad y baja tensión, esta corriente posteriormente pasa a un transformador que la convierte en alta tensión y baja corriente, apta para su transporte a grande distancias con un mínimo de pérdidas. Más tarde, en los centros de consumo, un nuevo transformador la transforma en una corriente de baja tensión para su aplicación directa a los receptores domésticos e industriales.
Solidario con el eje de la turbina y del alternador, gira un generador de corriente contínua llamado excitatriz, que se utiliza para excitar magnéticamente los polos del estator del generador, creando un campo magnético que posibilita la generación de corriente alterna en el rotor.
LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS DE BOMBEO
Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicas de un país.
Disponen de dos embalases situados a diferente nivel con lo que se compensan las diferencias ocasionadas , debido a que la demanda de energía a lo largo del día es muy variable .Al alcanzar esta su máximo requerimiento, las centrales de bombeo funcionan como una central convencional generando energía. Al caer el agua almacenada en el embalse superior hace girar el rodete de la turbina asociada a un alternador. Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor (horas de valle) el agua es bombeada al embalse superior para que pueda hacer el ciclo productivo nuevamente. Por ello la central dispone de grupos de motores-bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores.
Estas centrales mejoran el factor de potencia del sistema, trabajando como cargas en las horas de escasa demanda.
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