CCeennttrraalleess hhiiddrrooeellééccttrriiccaass

JJoosséé MMaannuueell AArrrrooyyoo SSáánncchheezz

ÁÁrreeaa ddee IInnggeenniieerrííaa EEllééccttrriiccaa DDeeppaarrttaammeennttoo ddee IInnggeenniieerrííaa EEllééccttrriiccaa,, EElleeccttrróónniiccaa,, AAuuttoommááttiiccaa yy CCoommuunniiccaacciioonneess

UUnniivveerrssiiddaadd ddee CCaassttiillllaa –– LLaa MMaanncchhaa

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

3

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 abierta o cerrada por unidad de tiempo (m3/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

( )kWqh10P GT≈ η η

6

Clasificaciones (I) • Según el salto de agua:

De alta presión

De media presión

De baja presión

7

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

(200 m3/s) • Turbinas Francis • Embalses grandes

9

Centrales de baja presión • Saltos pequeños (< 20 m) y caudales grandes

(> 300 m3/s) • Turbinas Francis y Kaplan (principalmente) • Valles amplios de baja montaña

10

Clasificaciones (II)

• Según el discurrir del agua:

De agua fluyente

De agua embalsada o de regulación

11

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

13

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

15

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 de dilatación (cambio de temperatura)

Velocidades pequeñas

El agua no discurre a presión

17

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

20

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 de máquinas, cámara de

turbinas) • Canal de desagüe o socaz

21

Elementos de una central hidráulica

• Válvulas • Compuertas

• Desagüe de fondo • Aliviadero

De superficie

De coronación 22

Configuraciones típicas (I)

23

Configuraciones típicas (II)

24

Configuraciones típicas (III)

25

Configuraciones típicas (IV)

26

Configuraciones típicas (V)

27

Configuraciones típicas (VI)

28

Configuraciones típicas (VII) A pie de presa

29

Ejemplo: Aldeadávila

30

Central a pie de presa

EMBALSE

VÁLVULA

ALTERNADOR TRANSFORMADOR

RED DE TRANSPORTE

TURBINA

31

Central de bombeo

32

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

P(MW)

Energ í a suministrada por las centrales de bombeo

Curva de producci

Energ í a consumcentrales de bom

6 12 18 24

ó n

ida por las beo

0

P(MW)

Energ í a suministrada por las centrales de bombeo

Curva de producci

Energ í a consumcentrales de bom

6 12 18 24

ó n

ida por las beo

0

34

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

36

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

39

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

41

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

43

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

45

Presas de arco-gravedad

• Combinación de las presas de arco y de gravedad

46

Presas de arco-gravedad Presa de Aldeadávila (Duero)

47

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

48

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

49

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

52

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

60

Funcionamiento turbina Pelton

Central con turbina Pelton

61

Turbina Francis

62

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

65

Funcionamiento turbina Francis

66

Central con turbina Francis

67

Turbina Kaplan

68

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

70

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)

71

Funcionamiento turbina Kaplan

72

Central con turbina Kaplan

73

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

75

• Acoplamiento temporal ⇒ Dependencia de las

lluvias • Acoplamiento espacial ⇒ Dependencia de la

operación de centrales situadas aguas arriba

Sistema hidroeléctrico del Duero

76

Otros problemas: Golpe de ariete

• Disminuye bruscamente la potencia demandada al generador

• Ocasiona deformaciones y vibraciones • Soluciones:

Chimenea de equilibrio

Accionamiento lento y progresivo de válvulas

77

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

Potencia (MW) Embalse Capacidad Primera

conexión a red (hm3) J. M. Oriol 915 Alcántara 3137 1970 Villarino 810 Almendra 2474 1970 Aldeadávila 810 Aldeadávila 115 1962 Cedillo 440 Cedillo 260 1976 Aldeadávila II 421 Aldeadávila 115 1986 Tajo Encantada 360 Tajo Encantada 3 1977 Aguayo 339 Mediajo 10 1966 Mequinenza 324 Mequinenza 1566 1964 Puente Bibey 285 Bao 238 1964 Saucelle II 285 Saucelle 169 1989 San Esteban 265 San Esteban 213 1955

79

Ejemplo

80