centrales hidraÚlicas la primera central...
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CENTRALES HIDRAÚLICAS
CENTRALES HIDRAÚLICAS
La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. En el año 1882, un mes después de entrar en funcionamiento la Central de Pearl Street, en Nueva Cork, primera central térmica dirigida por Edison, entraba en funcionamiento tambien la central hidroeléctrica en el estado de Wisconsin.El renacimiento de la energía hidraúlica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionnamiento de la turbina hidraúlica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generan ya una parte importante del total de la electricidad.En todo el mundo la producción electrica obtenida de aprovechamiento hidraúlicos representa una cuarta parte de la producción total de electricidad.
PARTES DE APROVECHAMIENTO HIDROELECTRICOReferencias:
1. Presa2. Válvulas de alivio (cerrada). Vertedero (abierta)3. Caudal4. Filtro5. Cámara de carga6. Cañerías7. Chimenea de equilibrio8. Casa de maquinas9. Transformadores10. Estación transformadora11. Caudal de restitución
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Centrales Hidraúlicas
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.
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CENTRALES HIDRAÚLICAS
EmbalseSirve para mantener un caudal constante, asegurar la generación de energía y obtener un caudal adicional, cuando funciona permanentemente.
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VertederoSon 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.
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Caudal de derivaciónEs 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.Este canal puede se una tubería en las centrales a pie de presa.
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Tubería forzadaEs el último tramo de gran inclinación donde se reparte el agua a las turbinas.
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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.
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Casa de máquinasEs el edificio donde se instalan los generadores, las turbinas y los equipos de control.
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Transformador y playa de maniobrasAl 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.
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Canal de restitución
Devuelve las aguas al río y suele tener elementos disipadores de energía para evitar retrasos debidos a la formación de remolinos.
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LA PRESA
La presa es el elemento estructural encargado de retener el agua que luego será aprovechada para producir energía. Como se aprecía en el mapa conceptual podemos clasificar las presas en función de su material de fabricación y tambien en función de su estructura.SEGÚN EL MATERIAL:
-Presas de hormigón: con este material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas. Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería. En España, el 67% de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón ya sea con o sin armaduras de acero. El hormigón está formado por cemento en polvo, arena, agua y grava. Tiene un gran aplicación en la construcción, para la fabricación de cimientos, forjados y columnas. Se caracteriza por tener una gran resistencia a la compresión, pero desafortunadamente, muy poca la tracción; por ello, cuando se usa para la fabricación de vigas se emplea el homigón armado. Este tipo de material consiste en introducir barras de acero en el interior de la masa de hormigón y dejar que se fragüe todo el conjunto. Así, el acero soporta los esfuerzos de tracción y el hormigón los de compresión. Este tipo de hormigón es el utilizado en las presas hidráulicas.
Según Construcción
Según Materiales
Presas
Bóveda Gravedad
Barro Madera Hormigón
Partes
Contrafuerte Escollera
• Presas de gravedad• Presas de contrafuertes o aligeradas• Presas de arco sencillo • Presas de bóveda o de doble arco• Presas de arco-gravedad• Presas de arcos múltiples
BOVEDA ESCOLLERA
CONTRAFUERTE GRAVEDAD
Presas de bóveda o presas en arco: son aquellas en las que su propia forma es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente. Constituyen las represas más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se necesita para su construcción.Cuando la presa tiene curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, también se denomina de bóveda. Para lograr sus complejas formas se construyen con hormigón y requieren gran habilidad y experiencia de sus constructores que deben recurrir a sistemas constructivos poco comunes.
Presas de gravedad: son aquellas en las que el propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Éstas son las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren.Su estructura tiene forma de triángulo isósceles, 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 de posición vertical.Existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa porque la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta forma, el muro tendrá que soportar más fuerza en el lecho del cauce que en la superficie.
VISTA SUPERIOR DE UNA CENTRAL CON ACCESO A CANAL DE REGADIO
SECCIÓN TRANSVERSAL
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LAS TURBINAS
La más antigua es la rueda hidraúlica.Los romanos conocían y usaban las ruedas hidráulicas como una fuente de fuerza mecánica, y la historia recoge el nombre de Vitruvius como el ingeniero que llevó a cabo tal modificación. Esta rueda gira lentamente pero utilizando un
Turbinas
T. de Acción T. de Reacción
Pelton
Turgo
FrancisKaplanHéliceCross-Flow
Derivan de:
Rueda Hidraúlica
Turbinas
T. de Acción T. de Reacción
Pelton
Turgo
FrancisKaplanHélice
Cross-Flow
Derivan de:
Rueda Hidraúlica
multiplicador se consiguen las revoluciones necesarias para hacer funcionar un alternador. La rueda hidráulica está formada en su periferia or una serie de cangilones de agua: inclinados en el sentido contrario al de giro y enfrentados en su boca a la corriente de agua; las ruedas pueden ser de alimentación superior o de alimentación inferior. Con esta turbina simple y clásica pueden conseguirse potencias eléctricas del orden de 10 Kw con un caudal de 0.5 metros, si es de alimentación superior.
Turbinas: Cronología
Inicio de su desarrollo sigloXVIIISiglo XIX nacen en los EEUU las turbinas PELTON y FRANCISSiglo XX se consolida su desarrollo y aparecen las turbinas de gran velocidad.
1905.- Turbinas Francis girando a 250 rpm1915.- Creación de la turbina Kaplan.1914.- Creación turbina Turgo.1918.- Creación de la turbina Banki.1950.- Creación de la turbina Deriaz1970.- Creación de la turbina Bulbo.
Turbinas de acción o Impulso:En estas la energía potencial del flujo del agua se convierte en energía cinética a presión igual a la atmosférica. Pelton, francis y Turgo.La velocidad del rodete se regula variando la sección del chorro mediante válvula de aguja.
Pelton(1889): Grandes caídas hasta 2000m.Michell- Banki : o de flujo transversal.(minicentrales)
Turbinas de Reacción:Se basan el funcionamiento del molinete hidraúlico.En estas la energía potencial del flujo se convierte en E. cinética pero a presión mayor que la atmosférica.Francis (1849): caidas entre 50 y 800m.Kaplan 1912): hasta 50 metros de caida y altos caudales.Hélice (1930):caidas hasta 20 m.
Selección de tipo de Turbina
500
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50.5 1 5 10 20
Caudal de descarga (m3/s)
Pelton o Turgo
Francis
Kaplan
Flujo cruzado
PELTON
Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, para conseguir rendimientos máximos. Cazoletas En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros. Cuando el agua sale de la cazoleta, cae libremente a una cierta altura, pasando al cauce inferior. Inyector El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada debajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica. La variación del caudal del chorro para regular la potencia se consigue mediante una aguja de forma especial, con su accionamiento se puede estrangular la sección de salida de la boquilla; su regulación puede ser manual o automática mediante un servomotor. Tiene además otro sistema de regulación por desviación del chorro, que consiste en una superficie metálica llamada deflector, que se introduce en medio del chorro, dividiéndolo y desviando una parte del mismo, de forma que en vez de dirigirse contra las cazoletas, sale lateralmente sin producir ningún efecto útil.
Gran salto y poco caudal
La turbina CROSSFLOW es una turbina radial de reacción y con admisión de flujo parcial. El agua entra a través de la tubería de carga, dividiéndose el flujo en dos cámaras espirales para su posterior entrada al rodete, lo que sirve para regular el caudal de entrada y conseguir un rendimiento óptimo para caudales variables. El flujo incide tangencialmente sobre los álabes del rodete, cambiando su dirección radial al paso del mismo y cayendo posteriormente al tubo de aspiración por gravedad. Este tipo de turbinas son de eje horizontal y según su velocidad específica se clasifican como turbinas de “rotación lenta”.
FRANCIS
Gran variedad de alturas desalto y Caudal
EL GENERADOR
El generador, alternador o grupo de alternadores acoplados al eje de la turbina, generan al ser esta movida por la acción del agua, una tensión alterna baja y una corriente alta.
En el mismo eje del alternador-turbina se acopla un generador de corriente continua llamada excitatriz que proporciona alimentación electrica a los bobinados del estator del alternador.
El funcionamiento del alternador se basa en las leyes físicas del electromagnetismo enunciadas por Faraday y Lenz. (Ley de inducción)
Ley de inducción de Faraday
ε =-Ndφ
dt
Flujo Magnético
t
ε =ε 0 sen ω t
En pequeñas centrales La F.E.M. (fuerza electromotriz inducida) = 380-500 VEn centrales medianas La F.E.M. (fuerza electromotriz inducida) = 3000-6000 VEn grandes centrales La F.E.M. (fuerza electromotriz inducida) = 6000-15000 V
Las partes del generador:- Estator o Inductor:Generalmente alimentado por una excitatriz- Rotor o inducido:Conectado a la turbina
GeneradorTransformadorelevador de V
380V-15000V
400kV
T
El generador o alternador utilizado es de tipo trifásico
Proceso de montaje del rotorde un alternador
Tipos de generador:
Síncrono: Aquel en el que la producción de corriente se lleva a cabo a velocidad constante llamada de sincronismo.
n= 60fp
Frecuencia de la señal
Pares de polos
Velocidad del eje (rpm)
Asíncrono: constituido por un motor de AC funcionando en modo generador.
En spaña la frecuencia de red es de 50Hz, en paises como EEUU la frecuencia de red es de 60Hz. Esto implica modificaciones en el diseño de los generadores, ya que se gún la expresión de arriba la frecuencia se encuentra condicionada por el valor de la velocidad y el número de pares de polos del generador.
EL TRANSFORMADOR
Son los elementos encargados de elevar la tensión que obtenemos del generador para que se encuentre en condiciones para ser transportada por la red de distribución con las menores pérdidas posibles.
Estos transformadores suelen estar en una zona exterior a la zona de producción y requieren una refrigeración adecuada debido a las altas temperaturas alcanzadas durante el proceso de elevación de la tensión.