Tipos de Turbinas HidrulicasUna turbo mquina consta fundamentalmente de una rueda de alabes, rodete, que gira libremente alrededor de un eje cuando pasa un fluido por su interior. La forma de los alabes es tal que cada dos consecutivos forma un conducto que obliga al flujo a variar su cantidad de movimiento, lo que provoca una fuerza, esta fuerza al desplazarse el alabe provoca un trabajo. La clasificacin fundamental de una turbina (convierte la energa del flujo en una energa mecnica en el eje, lo contrario sera una bomba) es las de accin y las de reaccin.Turbinas de accin: Se llaman as cuando la transformacin de la energa potencial en energa cintica se produce en los rganos fijos anteriores al rodete (inyectores o toberas). En consecuencia el rodete solo recibe energa cintica. La presin a la entrada y salida de las cucharas (o alabes) es la misma e igual a la atmosfrica. Turbinas de reaccin: Se llama as (en el caso de pura) cuando se transforma la energa potencial en cintica ntegramente en el rodete. Este recibe solo energa potencial. La presin de entrada es muy superior a la presin del fluido a la salida. Esto ocurre en un aspersor. En la realidad no se ha desarrollado este tipo de turbina industrialmente. Se llaman as aun que habra que considerarlas como un tipo mixto.Otra clasificacin muy distinta es en funcin de la direccin del flujo en el rodete, lo que puede hacer que clasifiquemos a las turbomquinas en: Axiales: El desplazamiento del flujo en el rodete es paralelo al eje. Es axial y tangencial (giro). Radiales: El desplazamiento en el rodete es perpendicular al eje. No tiene componente axial. Mixtas: Tiene componente Axial, radial y tangencial.En la actualidad, las turbinas que dominan el campo en las centrales hidroelctricas son: Pelton (de accin) Francis (de reaccin) Hlice y Kaplan (de reaccin) Bulbo (de reaccin)El rendimiento de todas ellas supera el 90%. Podemos comparar sus rendimientos en funcin con el porcentaje del caudal nominal para las que fueron diseadas.Seleccin del Tipo de TurbinaLa siguiente figura corresponde a un baco para la seleccin del tipo de turbina dependiendo del salto (cabeza) y del caudal.

Se pueden observar como para saltos altos y caudales relativamente bajos, se aplican las turbinas tipo Pelton y para saltos medios y caudales relativamente altos se seleccionan turbinas tipo Francis, mientras que para cabezas extremadamente bajas y grandes caudales las turbinas Kaplan, resaltando estos tipos de turbinas como los ms representativos.

La potencia de la instalacin vendr determinada por la altura del salto y por el caudal del que se disponga en dicho salto, esto es, podemos conseguir potencia o por la altura o por el caudal, como podemos comprobar:Para todas las turbinas hidrulicas que son geomtricamente semejantes se mantiene constante la relacin entre la potencia de salida y la altura del salto, a esta constante, que diferencia a una familia de turbinas con otras se les llama velocidad especifica ns.La velocidad especfica ns de las turbinas es el parmetro clave para fijar el tipo de turbina y su diseo, viene expresada por la siguiente ecuacin:

Las velocidades especificas ns pueden abarcar desde ns= 10 hasta ns=1150. Para una potencia Pe y un nmero de revoluciones n, los saltos de alta presin nos llevan a una velocidad especfica ns baja. Por el contrario, los saltos de baja presin (baja altura) nos conducen a velocidades especificas ns altas.Turbinas PeltonEste tipo de turbina fue creada y patentada en 1889 por el norteamericano Lester Allan Pelton. El principio de funcionamiento es relativamente simple, ya que constituye una evolucin lgica de la antigua rueda hidrulica. Posee las mejores caractersticas para grandes alturas, y desde luego es la nica mquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m. Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. En la figura se muestra la disposicin tpica de una turbina Pelton. La tobera lanza a la atmsfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie de cucharas o labes montados en la periferia de una rueda. El par ejercido por el impacto y la desviacin del chorro provoca el giro de la rueda. Una vez transmitida su energa a la rueda, el agua sale de los labes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desage. Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel mximo de crecida para asegurar el derrame libre. En la turbina Pelton actual, la energa cintica del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubera a presin. La tobera est provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el rgano de alimentacin y de regulacin de la turbina. Encuentra justa aplicacin la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidrulicos donde la ponderacin de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el sistema mtrico y entre 2 y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo preferibles valores centrales entre estos lmites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial. Entre las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo 870 m de carga. Una instalacin tpica de microturbinas Pelton consta de los siguientes elementos:1-. Codo de entrada2-. Inyector: transforma la energa de presin en energa cintica. La velocidad del chorro a la salida del inyector en algunas instalaciones llega a 150 m/seg. y an ms. Consta de Tobera y Vlvula de Aguja. 3-. Tobera4-. Vlvula de Aguja5-. Servomotor6-. Regulador7-. Mando del deflector8-. Deflector o pantalla deflectora9-. Corro10-. Rodete11-. labes o cucharas12-. Freno de la turbina13-. Blindaje14-. Destructor de energaLa clasificacin ms general que puede hacerse de las turbinas Pelton es en tipos de eje horizontal y tipos de ejes vertical.1. Turbinas Pelton de Eje Vertical: En este tipo de turbinas Pelton el nmero de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalacin en un plano vertical de las tuberas de alimentacin y las agujas de inyeccin. Este sistema de montaje encuentra aplicacin en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable accin abrasiva. Con el eje horizontal se hace tambin posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales.2. Turbinas Pelton de Eje Horizontal:En este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocacin del sistema de alimentacin en un plano horizontal, lo que permite aumentar el nmero de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Se acorta la longitud del eje turbina-generador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir el dimetro de rueda y aumentar la velocidad de giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia. Esto hace que la utilizacin de esta disposicin en turbinas Pelton sea ms ventajosa que la disposicin horizontal. Su aplicacin es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspeccin y las reparaciones con este montaje se hacen ms difciles.Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican tambin en sencillas (un rodete y un chorro) y mltiples. Las turbinas Pelton se multiplican por el nmero de chorros, llamndose Pelton doble, triple, etc. Las turbinas Pelton sxtuples (1 rodete de eje vertical y 6 chorros) cayeron un tiempo en desuso, por la complicacin que entraa su duodcuple regulacin (6 inyectores y 6 pantallas deflectoras y por tanto, 12 servomotores).Turbinas FrancisEste tipo de turbina fue diseada por en ingeniero ingles James B. Francis (1815-1892). Era una turbina totalmente centrpeta totalmente radial. Podemos observar dos partes, el distribuidor que es una parte fija a travs de la que se admite el agua en el rodete que es mvil y solidario al eje.La turbina Francis es un motor hidrulico de reaccin, que se emplea para caudales y alturas medias. El agua procedente del embalse entra en una cmara espiral que se encarga de hacer uniforme la velocidad de agua por toda la periferia del distribuidor. Para alturas importantes esta caja espiral es metlica, mientras para pequeas alturas (de grandes secciones) se construyen de hormign.El distribuidor de la turbina Francis, y en general de todas las turbinas de reaccin, est formado por aletas de gua pivotadas. El agua es acelerada a una velocidad V1. Las aletas de gua giran sobre sus pivotes, para modificar la seccin transversal de los canales y as ajustar en todo momento el caudal a la carga de la central. El movimiento de las aletas gua o parlas directrices, se consigue con la accin de sus correspondientes bielas, unidas todas a un anillo. Este anillo gira ligeramente, por la accin de uno o dos brazos de un servomotor.Al girar las aletas forman un ngulo 1 con la direccin tangencial del rodete. Con 1=0 se considera para un caudal nulo y con 1=15 a 1=40 segn la velocidad especifica de la turbina para el caudal mximo.

En las centrales hidrulicas con saltos de pequea y mediana altura, la turbina Francis se monta con la cmara de descarga abierta. En las figuras se representan esquemticamente dos turbinas Francis, de eje vertical y de eje horizontal, respectivamente, montadas en cmara abierta. En este tipo de cmara el agua llega libremente hasta la turbina, quedando sta sumergida en el agua, tal como puede apreciarse con ambas figuras.

Turbinas Kaplan Las turbinas tipo Kaplan fueron diseado por el Dr. tcnico Vctor Kaplan (1876-1934) en el principio del siglo 20. A diferencia de los otros tipos de turbinas se puede ajustar ambas alabas (los del rotor y los alabas de gua) para adaptar la turbina a diferentes niveles del caudal. Los ejes son de orientacin horizontal o vertical. Se usa este tipo de turbina en plantas de presin baja y mediana. En la planta "Schwelld" se encuentra una turbina de tipo Kaplan con rbol vertical y con caja de concreto.La Turbina Kaplan es una turbina de hlice con labes ajustables, de forma que la incidencia del agua en el borde de ataque del labe pueda producirse en las condiciones de mxima accin, cualesquiera que sean los requisitos de caudal o de carga.Los rganos principales de una turbina Kaplan son, como en la Francis, la cmara de alimentacin o caracol, el distribuidor, el rodete mvil y el tubo de desfogue , ya que es tambin turbina de reaccin. La cmara de alimentacin suele ser de concreto en muchos casos, debido a la gran capacidad de gasto que admite la turbina Kaplan. La seccin toridal puede ser circular o rectangular. El rotor de la turbina de forma de hlice, est constituido por un robusto cubo, cuyo dimetro es el orden del 40% al 50% del dimetro total al extremo de los labes, en el cual van empotrados los labes encargados de efectuar la transferencia de energa del agua al eje de la unidad.Las turbinas Kaplan son de hlice con alabes ajustables para que el agua en el borde de ataque del alabe pueda producirse en la forma de mxima accin cuales quiera que sean los requisitos del caudal o de la carga, as se logra mantener una velocidad especifica alta, un rendimiento elevado a diferentes valores de la potencia caracterstica, importantsima para una turbina o rotor de hlice, y son utilizadas para manejar cargas de hasta 60m o menos y caudales medios y grandes alrededor de 15m3/s en adelante, siendo menos voluminosas que las turbinas Francis. La turbina DERIAZ es, en esencia, una turbina Francis de labes orientables; dato cronolgico: La turbina Kaplan fue presentada en el ao 1925, la turbina Deriaz en 1956

Turbinas de HliceEn las turbinas tipo Hlice o Propeller, el receptor toma la forma de hlice de propulsin El distribuidor mantiene el aspecto que tienen en las turbinas tipo Francis, si bien la distancia entre los alabes del receptor y las del distribuidor es bien mayor.

Turbinas de Bulbo Son un modelo especial de las Kaplan. Son aptas para aprovechar saltos de muy poca altura y gran caudal. El alternador queda dentro de la envolvente. El agua que circula entre esta y la otra pared concntrica de mayor dimetro, pasa en primer lugar por los canales que forman unas aletas gua fijas, que sirven de soporte estructural, a continuacin por el canal de las aletas gua pivotadas para la regulacin, y por ltimo atraviesan un rodete tipo Kaplan. El conjunto queda sumergido como si fuera un submarino. Se accede a l a travs de un pozo con diseo exterior aerodinmico para evitar obstaculizar el paso el agua. La velocidad especifica de una turbina bulbo es muy alta de entre 600 y 1150, solapndose parcialmente con las turbinas tipo Kaplan. Su nmero de revoluciones es pequeo, por lo que obliga a tener un alternador con un gran nmero de polos, y en consecuencia un gran dimetro.

Turbinas de VaporEl xito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la turbina para extraer energa del vapor de agua. Mientras que la mquina de vapor de vaivn desarrollada por Watt utilizaba la presin del vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar tambin la energa cintica de ste. La turbina puede ser ms pequea, ms ligera y ms barata que una mquina de vapor de vaivn de la misma potencia, y puede ser de un tamao mucho mayor que las mquinas de vapor convencionales. Desde el punto de vista de la mecnica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algn otro medio de convertir la energa de vaivn en energa rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor ha reemplazado a las mquinas de vaivn en las centrales generadoras de energa elctrica, y tambin se utiliza como una forma de propulsin a chorro. Las turbinas de vapor se utilizan en la generacin de energa elctrica de origen nuclear y en la propulsin de los buques con plantas nucleares. En las aplicaciones de cogeneracin que requieran tanto calor (el utilizado en un proceso industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y se extrae desde la turbina a la temperatura y la presin que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor pueden utilizarse en ciclos (escalones) combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdera. Las unidades industriales se utilizan para poner en movimiento mquinas, bombas, compresores y generadores elctricos. La potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300MW. La turbina de vapor no fue inventada por una nica persona, sino que fue el resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de los participantes ms notables en este desarrollo fueron el britnico Charles Algernon Parsons y el sueco Carl Gustaf Patrik de Laval. Parsons fue responsable del denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expanda en varias fases, aprovechndose su energa en cada una de ellas. De Laval fue el primero en disear chorros y palas adecuados para el uso eficiente de la expansin del vapor.

Turbina monoetapa:Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de ms simple construccin son las ms robustas y seguras, adems de acarrear menores costes de instalacin y mantenimiento que las multietapa. Turbina multietapa:El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes prxima al valor optimo con relacin a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presin de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, sera necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sera viable mecnicamente por las dimensiones que debera tener el reductor (caja de engranajes que ajustara la velocidad final del eje a la deseada)

Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, adems pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presin, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de accin y las finales de reaccin. Turbina de flujo axial: Es el mtodo ms utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina. Turbina de flujo radial:El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina. Turbina con extraccin de vapor: Se realiza en etapas de alta presin, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor tambin puede ser extrado de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales. Turbina de contrapresin: La presin del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosfrica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obtenindose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento trmico posterior. Turbinas de condensacin: El vapor sale ana presin inferior a la atmosfrica, en este diseo existe un mayor aprovechamiento energtico que a contrapresin, se obtiene agua de refrigeracin de su condensacin. Este diseo se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.

Se denomina grado de reaccin a la fraccin de la expansin producida en la corona mvil respecto a la total, un grado de reaccin 1 indica que la turbina es de reaccin pura, mientras que para el valor cero ser una turbina de vapor de accin. Turbina de vapor de accin: Una turbina de vapor de accin con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de: Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misin es transformar la energa trmica del vapor puesta a su disposicin, total (accin), o parcialmente (reaccin), en energa cintica. Una corona mvil, fija sobre un eje, cuyos labes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energa mecnica de rotacin, la energa cintica puesta a su disposicin.Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a travs de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energa cintica del vapor en expansin, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que est unida. Las turbinas de accin habituales tienen varias etapas, en las que la presin va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.

Turbinas ElicasUna turbina elica o turbina de viento es una turbina accionada por la energa elica. Se trata de una turbomquina motora que intercambia cantidad de movimiento con el viento, haciendo girar un rotor. La energa mecnica del eje del rotor puede ser aprovechada para diversas aplicaciones como moler, en el caso de los molinos de viento; bombear agua, en el caso de las aerobombas; o para la generacin de energa elctrica, en los aerogeneradores.Las turbinas elicas se clasifican, segn la orientacin del eje del rotor, en verticales y horizontales.Turbinas de eje vertical Turbinas SavoniusLas turbinas Savonius son un tipo de turbinas de eje vertical usadas para convertir el poder del viento en torsin sobre un eje rotatorio. Fueron inventadas por el ingeniero fins Sigurd J. Savonius en 1922.Puede arrancar con poco viento, siendo muy sencilla su fabricacin; tiene una velocidad de giro pequea y su rendimiento es relativamente bajo.

Turbinas DarrieusDebe su nombre al ingeniero francs Georges Darrieus, quien patent el diseo en 1931. Requiere vientos de 4 a 5m/s, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen rendimiento.Est constituida por 2-4 palas de perfil biconvexo unidas la una con la otra produciendo el giro del eje al que estn unidas.

Turbinas de eje horizontalLas turbinas elicas modernas, conocidas tambin como aerogeneradores tienen su origen en Dinamarca en la dcada de 1980. Hoy en da la industria elica utiliza generadores con rotores de hasta 126 metros de dimetro fabricados con alta tecnologa.Son usadas en parques elicos para la produccin comercial de electricidad.La gran mayora tiene tres palas, estn pintadas de un tono claro, tienen una eficiencia alta y estn controladas por computadora. ComponentesLas turbinas elicas modernas o aerogeneradores tienen una serie de componentes:1. rotor: contiene las aspas o palas y el hub2. nacelle o gndola: es una especie de caja que se conecta al rotor y dentro de ella est la caja de engranes y generador. En algunos modelos de turbinas elicas de grandes dimensiones incluso puede aterrizar un helicptero.3. caja de engranes o gearbox: se encarga de multiplicar la rotacin del rotor para que el generador reciba el nmero de revoluciones por minuto suficientes para poder transformar energa elctrica en elica. Existen sistemas de aerogeneradores que utilizar otras tecnologas en lugar de caja de engranes4. generador elctrico: contiene una serie de imanes y bobinas que al rotar generarn energa elctrica.5. torre del aerogenerador: estructura de soporte, sostiene a la gndola y al rotor. Su interior se usa tambin para poder subir a la turbina y llevar el cableado. La torre tiene un motor que permite que la turbina pueda girar en direcciones de viento favorable.[

Costos de energa renovablesCuando se habla de costos de la energa, se toma como referencia los costos de conversin de la energa primaria en energa elctrica, por ser la energa secundaria ms utilizada en el mundo. Todas las formas de energa primaria, o casi todas, pueden convertirse en elctrica mediante algn equipo o proceso.La energa nuclear es la nica energa alternativa a los combustibles fsiles que no produce CO2 y que se mide en teravatios. En el mundo hay aproximadamente 440 plantas instaladas y se trata de una energa que otorga alta confiabilidad, un factor de servicio muy alto y plantas de muchos aos de durabilidad.La energa solar fotovoltaica es sumamente costosa en inversin, con lo que su precio de generacin tambin lo es. Sirve para casos aislados, por ejemplo, para dar corriente a pobladores y a escuelas en sitios a los que no llegan los cables de energa elctrica.]Costos de generacin elctrica a partir de diferentes energas alternativas. (Valores internacionales)

IGCC : Integrated Coal-Gasification Combined Cycle Basado en Report #:DOE/EIA-0554(2009) Release date:March 2009 y otras fuentes. (1) http://www.world-nuclear.org/info/inf02.html. Depende del perodo de amortizacin.

Los costos de combustible (en su mayora para el carbn y el gas natural) representan la mayor parte de los costos de generacin en las facturas de electricidad de los consumidores. En 2013, el carbn represent el 44% y el gas natural represent el 42% de los costes totales de combustible para la generacin de electricidad. En el caso AEO2015 de referencia, el carbn representa el 35% y el gas natural para el 55% de los costos totales de combustible en 2040. Los precios del carbn se elevan en promedio un 0,8% por ao los precios y el gas natural un 2,4% / ao en el caso de la referencia, en comparacin con 1,3% / ao y 3,1% / ao, respectivamente, en el caso de alta de Precios del Petrleo y el 0,5% / ao y 0,2% / ao, respectivamente, en el caso de alta Petrleo y recursos Gas.

U.S. Energy Information Administration | Annual Energy Outlook 2015La mayor parte del crecimiento es en el consumo de gas natural y las energas renovables. La energa hidroelctrica, la mayor categora de la generacin de electricidad renovable en 2013, contribuye poco al aumento en el consumo de combustible renovable. La generacin de energa elica, la segunda mayor categora de la generacin de electricidad renovable en 2013, se convierte en el mayor contribuyente en 2038 (incluyendo la generacin elica en los servicios pblicos y los usuarios finales en el sitio). Sin embargo, la energa solar fotovoltaica (6,8% / ao), geotrmica (5,5% / ao), y la biomasa (3,1% / ao) todo aumento a tasas promedio anuales ms rpido que el viento (2,4% / ao), incluyendo todos los sectores.

El aumento en el uso de la energa solar se ha debido por una disminucin en su costo, para 2040 podra desplazar a los otros tipos de energa.