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MAESTRÍA EN INGENIERÍA DE LA ENERGÍA FACULTAD DE INGENIERÍA Universidad de la República
MAESTRÍA EN
INGENIERÍA DE LA
ENERGÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA
Universidad de la República
Fundamentos de
Generación Hidroeléctrica
Docente del curso:
MSc. Ing. Rodolfo Pienika IMFIA – Facultad de Ingeniería
Presentaciones realizadas por:
Ing. Daniel Schenzer IMFIA – Facultad de Ingeniería
Temario
• Aprovechamientos hidroeléctricos (generalidades)
• Instancias para implantar un aprovechamiento
• Turbinas: Tipos, diseño, regulación. Selección y ensayo
• Posibilidades en Uruguay
Aprobación del curso
• Informe monográfico tipo estudio pre-factibilidad
• Seleccionar un sitio del país donde instalar un aprovechamiento hidroeléctrica
• Diseños preliminares de obra civil y turbina/s
• Indicar estudios y relevamientos adicionales, impactos.
• Evaluación económico-financiera preliminar
Conceptos básicos:
• Capturar o confinar agua con energía
(potencial – cinética)
• Transformar energía disponible en el agua
en energía mecánica (eje en rotación)
• Habitualmente, luego, en eléctrica
(facilidad de transporte)
COMPONENTES
PRINCIPALES
CIVILES
(no tienen porqué existir todos)
• Represa
• Obra de toma
• Conducto de presión
• Evacuador de caudales
excedentes (vertedero)
• Disipadores de energía
• Sala de máquinas
COMPONENTES
PRINCIPALES
ELECTRO-
MECÁNICOS
• Turbina hidráulica y su
conducto de “restitución”
• Generador eléctrico
• Transformador
• Línea eléctrica
• Sistemas hidráulicos y
eléctricos de protección,
control y comando
Clasificación 1: según potencia
Grandes aprovechamientos: > 50 (30) MW
Pequeños aprovechamientos : 1 – 50 (30) MW
Mini-aprovechamientos: 100 (50) – 1000 kW
Micro aprovechamientos: < 100 (50) kW
Pico-aprovechamientos: < 5 (10) kW
(no hay consenso mundial, ni entre ONUDI y OLADE)
Clasificación 2:
según tipo
• Con embalse
• Sin embalse
Clasificación 2: con embalse
• Pequeño (centrales “de pasada” o “a pelo de
agua”): cuando el caudal de estiaje es que el
necesario para generar la demanda máxima
prevista (run-of-river, au fil de l’eau, a fio d’água)
• Grande (con reserva o almacenamiento,
“reguladora”): cuando la potencia generada
puede ser mayor o menor que la demandada
Clasificación 2: sin embalse
• De Salto (aprovechan una diferencia de nivel
natural en un curso de agua)
• Hidrocinética (aprovechan sólo la energía
cinética del curso de agua, sin diferencia de
nivel)
Clasificación 3 : según intercepción del curso
Derivación parcial
Intercepción total
Clasificación 3: otros nombres
• Central de represamiento
• Central de desvío: se desvía agua,
se restituye al mismo río
• Central de derivación: se desvía
agua, se restituye a otro río
Clasificación 4: según usos
Exclusivo generación eléctrica
Multipropósito
Otros usos posibles:
• Riego
• Abastecimiento a poblaciones
• Piscicultura
• Recreativos
• Regulación de caudales, control de crecientes
Conceptos y ecuaciones
básicas:
Energía y potencia
• Energía cinética y potencial
• Carga o salto
• Potencia intercambiada y aprovechable
Ecuaciones básicas
Ecuación del movimiento de los fluidos (L. Euler, 1755)
Para fluido perfecto (efectos viscosos despreciables) en flujo incompresible ( = cte.):
F : fuerzas por unidad de masa
(Caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes)
pFdt
vd
Si el flujo es irrotacional, estacionario y las
fuerzas de masa derivan de un potencial:
(ecuación de Bernoulli)
Si la única fuerza de masa es la gravedad:
U = g.z
Ecuación de Bernoulli (Daniel Bernoulli, 1738)
.2
2
ctep
U
v
.2
2
ctep
zg
v
UF
Carga
Trinomio de Bernoulli E :
energía por unidad de peso
potencia por unidad de gasto
“Carga” o “altura” [también: “salto” o “caída”]
Inglés: head
Francés: hauteur, charge, chute
Portugués: altura, queda
Italiano: prevalenza
Alemán: förderhöhe
pz
g
vE
2
2
Carga de la turbina
BALANCE DE ENERGÍA:
Idealmente:
Hturb = E1 – E2 = HB (Carga bruta o salto bruto)
La energía (por unidad de peso de líquido circulante)
que el fluido pierde es la que la turbina
dispone para transformar en energía eléctrica
1
2
Hturb
Hay pérdidas de carga
(de energía por unidad de peso): (en el interior de la turbina y en
las instalaciones anexas)
Hturb = E1 – E2 - 1-2 = HB - 1-2 < HB
NO TODA LA ENERGÍA QUE DISPONE EL LÍQUIDO ES APROVECHABLE PARA GENERAR
ENERGÍA ELÉCTRICA
2
turb
1-21
Energía cinética (por unidad de peso)
• Energía potencial (por unidad de peso)
Según que aprovechen la energía cinética o la potencial:
Turbinas hidrocinéticas
Turbinas de salto
g
vEC
2
2
pzEP
pz
g
vE
2
2
Turbinas de salto
Aprovechan la energía potencial de un
líquido
O bien se utiliza un desnivel
preexistente (“salto”) , o se lo crea (represamiento)
Salto y potencia
pz
g
vE
2
2
Q : caudal (m3/s)
.Q : gasto (kgf/s)
Trinomio de Bernoulli E :
energía por unidad de peso
potencia por unidad de gasto
Idealmente: Ht = E1 – E2
Ht = Pt / .Q 2
turb
1-21
POTENCIA (1ª APROXIMACIÓN)
Potencia intercambiada entre turbina y líquido:
- proporcional al caudal Qt
- proporcional al salto Ht
ttt HQP
POTENCIA (2ª APROXIMACIÓN)
La máquina desaprovecha parte de la energía
disponible
Rendimiento: cociente entre energía
aprovechada y energía disponible
(o entre potencias)
< 1
HQP
GRADO DE REACCIÓN DE UNA TURBINA
(del rotor)
Ht = E1 – E2
Definición:
Grado de reacción:
g
vvzz
pp
zzpp
2
2
2
2
121
21
2121
zg
vpE
2
2
2
turb
1-21
Clasificación 5: GRADO DE REACCIÓN DE LA TURBINA
≈ 0 : turbinas “de acción” o “de impulso”:
requieren alta velocidad de acceso v1
≈ 1 : turbinas “de reacción”:
diferencia de velocidades despreciable
frente a presiones y/o alturas
g
vvzz
pp
zzpp
2
2
2
2
121
21
2121
2
turb
1-21
Clasificación 5 : según grado de reacción
Relación caudal / salto condiciona el tipo de turbina (velocidad específica)
Clasificación 5 : según grado de reacción
Turbinas de acción o de impulso:
- agua a presión en tubería
- tobera emite chorro a alta velocidad
- agua incide sobre empaletado de un rotor (a patm)
Turbinas de
acción o de
impulso:
Pelton
Turbinas de acción
o de impulso
Pelton (1880)
- Una tobera
- Multi-tobera Saltos : 100 m - 1300 m
Turgo (1919)
Saltos: 20 m – 300 m
Turbinas de
acción:
Captación en
la altura
Tuberías de
presión
Tobera
Turbinas de acción o de impulso:
Michel – Banki o de flujo cruzado (1903-1918)
Saltos : 2m , 4 m → 80 m
Ruedas hidráulicas clásicas:
de impulso
(water wheels)
Lo único hasta 1550 DC
Ruedas hidráulicas
clásicas:
de impulso
(water wheels)
• de tobera (nórdico)
• de alimentación superior (overshot): utiliza también el salto
• de alimentación inferior (undershot)
• Conducto de entrada (“tubería de presión”)
• Cámara espiral o “caracol”
• Direccionador del flujo hacia el rotor (corona de álabes o “distribuidor”)
• Rotor o rodete
• Conducto de salida (difusor o “tubería de
aspiración”)
Turbinas de reacción
Turbinas de reacción
Radiales o de flujo mixto, álabes fijos:
Francis (James Francis, USA,1849)
Saltos :
40 m – 400 o 500 m
Turbinas de
reacción :
Francis
de eje horizontal
Turbinas de reacción:
Francis de eje vertical
Con álabes del rotor de ángulo variable: Deriaz (Paul Deriaz, Inglaterra, 1952)
Saltos: 20 m – 180 m
Turbinas de reacción:
Deriaz
Turbinas de reacción:
Axiales
Axiales de álabes fijos (“hélice” o “propeller”)
Axiales con álabes del
rotor de ángulo
variable: Kaplan (Viktor Kaplan, Austria, 1912)
Saltos: 5 ó 10 m - 40 o 50 m
Turbinas de reacción:
Axiales
Kaplan
de eje vertical
(Salto Grande, Palmar, Baygorria, Rincón del Bonete)
Corte de una Central con turbina Kaplan (Salto Grande)
Turbinas
“en S”
Turbinas Bulbo:
generador sumergido
Turbinas hidrocinéticas
Transforman la energía cinética del
cauce en energía mecánica de un
eje en rotación
(sin generar un desnivel, sin embalse)
Turbinas hidrocinéticas:
distintos tipos
• De empuje sobre un empaletado
• De flujo axial • Flujo abierto
• Flujo confinado
Turbinas hidrocinéticas:
con rotor Savonius (Finlandia, 1922)
De acción.
Teoría: empuje (drag) diferencial
entre parte cóncava y convexa
Turbinas hidrocinéticas:
con rotor Darrieus (Francia, 1931)
(de reacción) Eólicas :
Hidráulicas:
Turbinas hidrocinéticas:
con rotor Gorlov (1997)
Modificación del rotor
Darrieus
(evitar pulsaciones y
vibraciones)
Turbinas hidrocinéticas:
con rotor axial, flujo
confinado
Turbinas hidrocinéticas: con rotor
axial, flujo no confinado
(se piensan más para energía
mareomotriz)
Requieren grandes diámetros
(profundidad)
Diseños varios, en varias fases
de madurez: En torre
Sub-plataforma, asociada con
eólica off-shore
Con balsa anclada
Con sujeción por gravedad en
el fondo
Turbinas para
muy bajo salto
Turbinas para muy bajo salto
D: 3500 a 5600 mm; P: 100 a 500 kW
Q: 10 a 30 m3/s ; H: 1,4 a 3,2 m
Turbinas para muy bajo salto
Hydrostatic Pressure Machine (adaptación de water wheels)
Proyecto HYLOW (http://www.hylow.eu/)
Turbinas en cañerías
Donde hay instaladas Válvulas Reguladoras de Presión
Turbinas en cañerías
D: 600 a 1500 mm; P: 18 a 50 kW
Q: 1 a 10 m3/s ; H: 1,4 a 3,2 m
http://lucidenergy.com/
Turbinas en cañerías Para micro y pico aprovechamientos
(p. ej. líneas de distribución de agua potable)
Rotores contra-rotantes
Generador de imanes
permenentes
Rotor de palas fijas sin distribuidor
EPFL/HES-SO (Suiza)
IST Lisboa (Portugal)
Bomba como
turbina (PAT)
Datos básicos de grandes
centrales Kaplan uruguayas
Central Nº de
turbinas Condiciones nominales
potencia / turbina
(MW) Salto (m)
Diámetro
rotor (m)
Caudal nominal
por máquina
(m3/s)
Rincón del
Bonete 4 38 28 4.84 160
Baygorria 3 36 14.7 6.70 276
Palmar 3 111 27.15 7.59 458
Salto
Grande 14 (*) 135 25.3 8.50 615
(*) 7 para Uruguay, 7 para Argentina
Bibliografía general
• J. Fritz: “Small and mini hydropower systems”; McGraw-Hill, USA,
1984, ISBN 0-07-022470-6; 1984.
• L. Monition, M. Le Nir, J. Roux: “Micro Hydroelectric Power Stations”,
Wiley&Sons,1984, ISBN 0471902551
• RetScreen International “Small Hydro Project Analysis”; Minister of Nat.
Resources, Canada; ISBN 0-662-35671-3; 2003
• ESHA (European Small Hydropower Association): “Guía para el
desarrollo de una pequeña central hidroeléctrica”; 2006
• “Guide pratique pour la réalisation des petites centrales hydrauliques”;
Office fédéral des questions conjoncturelles; Suisse, 1992
Bibliografía general
• Z. de Souza, A. Moreira, E. da Costa: “Centrais Hidrelétricas.
Implantação e comissionamento”; Editora Interciencia, Brasil, 2009
• A. Harvey: “Micro-Hydro Design Manual”; Practical Action
Publishing, UK, 1993
• Ministério de Minas e Energia, CEPEL, Brasil: “Manual de
Inventário Hidroelétrico de Bacias Hidrográficas”; ed. 2007
(versión en inglés: “Manual for Hydropower Inventory Studies of
River Basins”, 2007 edition)
