INTRODUCCIÓN

La generación de energía eléctrica es tal vez una de las principales fuentes de desarrollo y de mejoramiento de la

calidad de vida del hombre actual, ya que gracias a ella, hoy en día es posible llevar a cabo un sin número de actividades que contribuyen al crecimiento integral de la sociedad, tanto desde el punto de vista científico y tecnológico, como industrial, cultural y económico. Por esta razón, la energía eléctrica se ha convertido en uno de

los servicios sociales de mayor demanda e importancia en nuestro medio, haciéndose cada vez más indispensable para la ejecución de actividades de gran trascendencia.

En general puede decirse que la energía de origen hidráulico ha sido la de mayor acogida hasta el momento, a

pesar del surgimiento de otras formas de obtención de energía eléctrica a partir de diversas fuentes de generación, tales como la energía nuclear, la eólica, la solar, entre otras; y debido a esa gran aceptación o respuesta que se logró de la generación hidroeléctrica (por facilidades de construcción, economía, impacto ambiental y costos de

mantenimiento –pues utiliza como materia prima un recurso renovable-), y a la importancia de la electricidad, cada vez se ha vuelto más especializado el estudio de este proceso, convirtiéndose en un amplio campo de acción de la ingeniería, debido a la magnitud y frecuencia de problemas que suelen presentarse y que deben resolverse. Uno de

estos problemas, se presenta a la hora de determinar cuál es el tipo de turbina más conveniente para el funcionamiento de una central de generación en especial, pues debe lograrse realizar una instalación con la que se

obtenga el mejor aprovechamiento de los recursos, con facilidades de mantenimiento, y al precio más favorable. Por esta razón es de vital importancia detenerse en el proceso de selección de las turbinas que son los instrumentos claves para que sea posible la generación de energía eléctrica.

CRITERIOS DE SELECCIÓN

Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora de seleccionar el tipo de turbina a utilizar en una central, es la velocidad específica (Ns) cuyo valor exacto se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

ecuación 1

Donde: ne son revoluciones por minuto, N es la potencia del eje o potencia al freno y h es la altura neta. Estos son

los valores para el rendimiento máximo.

La velocidad específica Ns es el número de revoluciones que daría una turbina semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser instalada en un salto de altura unitaria. Esta velocidad

específica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificación. Se emplea en la elección de la turbina más adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la construcción de rodetes de turbinas. Los valores de esta

velocidad específica para los actuales tipos de turbinas que hoy en día se construyen con mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hélices y Kaplan) figuran en el siguiente cuadro:

Velocidad específica Ns Tipo de Turbina De 5 a 30 Pelton con un inyector De 30 a 50 Pelton con varios inyectores De 50 a 100 Francis lenta De 100 a 200 Francis normal De 200 a 300 Francis rápida De 300 a 500 Francis doble gemela rápida o express Más de 500 Kaplan o hélice

Tal como se mencionó anteriormente Ns sirve para clasificar las turbinas según su tipo. De hecho, Ns se podría denominar más bien característica, tipo o algún nombre similar, puesto que indica el tipo de turbina.

Al analizar la ecuación 1 se comprueba que a grandes alturas, para una velocidad y una potencia de salida dadas, se requiere una máquina de velocidad específica baja como una rueda de impulso. En cambio, una turbina de flujo axial con una alta Ns, es la indicada para pequeñas alturas. Sin embargo, una turbina de impulso puede ser

adecuada para una instalación de poca altura si el caudal (o la potencia requerida) es pequeño, pero, a menudo, en estas condiciones el tamaño necesario de la rueda de impulso llega a ser exagerado.

Además, de esta ecuación se observa que la velocidad específica de una turbina depende del número de revoluciones por minuto; cantidad que tiene un límite, y además debe tenerse en cuenta que para cada altura o salto existe un cierto número de revoluciones con el que el rendimiento es máximo. También depende de la

potencia N a desarrollar, función a su vez del caudal Q de que pueda disponer, y de la altura h del salto. Fijada la potencia y el caudal aprovechable, el valor de la velocidad específica indica el tipo de turbina más adecuado.

Hasta el momento, las ruedas de impulso se han utilizado para alturas tan bajas como 50 pies cuando la capacidad

es pequeña, pero es más frecuente que se utilicen para alturas mayores de 500 o 1.000 pies, pues normalmente operan con una economía máxima si la carga es mayor que 900 pies. La altura límite para turbinas Francis es cercana a 1.500 pies debido a la posibilidad de cavitación y a la dificultad para construir revestimientos con el fin de

soportar altas presiones; pero por lo general, suelen alcanzarse cargas de 900 pies con este tipo de turbinas. Para cargas de menos de 100 pies suelen usarse turbinas de hélice.

La figura 1 ilustra los intervalos de aplicación de diversas turbinas hidráulicas. 10000 Carga (m) 100

Potencia (kW) 102 103 104 105

Figura 1 Intervalos de aplicación para turbinas hidráulicas. (Cortesía de Voith Hydro, Inc.)

Eligiendo una velocidad alta de operación, y por tanto una turbina de velocidad específica elevada, se reducirán el tamaño del rodete y el coste inicial. Sin embargo, se produce alguna pérdida de rendimiento a velocidades específicas altas.

Generalmente, es recomendable tener al menos dos turbinas en una instalación para que la central pueda seguir funcionando en el caso de que una de las turbinas esté fuera de servicio por una reparación o debido a una

inspección, aunque la cantidad de turbinas disponibles dentro de una central también afecta la potencia establecida para las turbinas. La altura h está determinada principalmente por la topografía, y el flujo Q por la hidrología de la cuenca y las características del embalse o depósito. Por otra parte debe tenerse en cuenta que al seleccionar una

turbina para una instalación dada, se debe verificar la inmunidad contra la cavitación.

Realmente existe un número infinito de alternativas, lo que a su vez dificulta la toma de la decisión final sobre cuál turbina escoger; por esta razón se han señalado los siguientes conceptos para considerarlos durante el proceso de

selección: v La inmunidad frente a la cavitación: La siguiente figura permite determinar la altura

máxima a la cual debe colocarse la turbina conociendo su velocidad específica, (que de antemano permite

establecer el tipo de turbina).

Fig. 2 Límites recomendados de velocidad específica para turbinas a distintas alturas efectivas al nivel del mar siendo la temperatura del agua 80ºF. (Según Moody)

v Un rendimiento bastante elevado:

Fig. 3 Rendimiento máximo de la turbina y valores típicos de fe (factor de velocidad periférica), como funciones de la velocidad específica

Es importante tener presente que las ruedas de impulso tienen velocidades específicas bajas; mientras que las turbinas Francis tienen valores medios de Ns, y las de hélice valores altos. En la figura 2 se muestran valores típicos de máximo rendimiento y valores de fe para los distintos tipos de turbinas. Los valores de fe varían aproximadamente de la siguiente forma:

Ruedas de impulso

0.43

– 0.48

Turbinas Francis 0.7 –

0.8

Turbinas de hélice

1.4 – 2.0

v Un tamaño no demasiado grande: conociendo la velocidad tangencial de la turbina, se puede establecer su

tamaño. Por su parte la velocidad tangencial se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación:

Donde: u1 es la velocidad tangencial en un punto de la periferia del elemento rotativo; f es el factor de

velocidad-periférica para turbinas. v La flexibilidad en la elección se consigue mediante la variación en el número de unidades (y por tanto la

potencia al freno por unidad) y la velocidad de operación. La posibilidad de variar la elevación del eje

también aporta algo de flexibilidad al proceso de selección. v Igualmente en la elección debe estudiarse además, la simplicidad de la instalación, costos (en los que se

agregarán al de la turbina, los gastos de piezas, tuberías, camales, etc.), explotación y cuantas condiciones económicas deban considerarse en los diferentes casos que se presenten.

En ocasiones, una rutina de gran importancia dentro del proceso de selección de turbinas hidráulicas, es la

comparación de éstas. Para comparar dos turbinas, se refieren a un salto cuya altura es la unidad (un metro), llamada salto típico, y cuyo caudal es la unidad (un metro cúbico por segundo). En este estudio comparativo de turbinas hay ciertas magnitudes referidas a ese salto típico denominadas características, constantes unitarias, de

una turbina o valores específicos; características que, comparando las turbinas, son de suma aplicación práctica, ya que al indicar las condiciones de funcionamiento sometidas a la acción de un mismo salto, dan muy clara y aproximada idea del adecuado empleo en cada caso de los diferentes tipos de turbina utilizados actualmente para

anteproyectos de instalaciones hidráulicas con estos tipos normales. Ø Número específico de revoluciones n1: Llamado también velocidad de rotación característica o unitaria o

número de revoluciones característico o unitario, y es el número de revoluciones por minuto de una

turbina, cuando la altura de salto fuese de un metro.

Donde n es el número actual de revoluciones y h es la altura del salto. Ø Caudal específico Q1: Conocido también en el medio como caudal característico o unitario de la turbina, y

es la cantidad de agua que pasaría por un rodete instalado en un salto de un metro de altura.

Donde Q es el caudal actual de la turbina y h es la altura del salto donde está instalada la misma.

Ø Potencia específica, característica o unitaria: También llamada potencia característica o unitaria, y es la

potencia que desarrollaría la turbina instalada en un salto de un metro de altura.

Donde N es la potencia actual de la turbina y h es la altura del salto donde está colocada.

ELECCIÓN PELTON - FRANCIS

Turbinas hidráulicas Las turbinas hidráulicas se emplean para aprovechar la energía del agua en movimiento. La turbina Kaplan es semejante a la hélice de un barco. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta. La rueda Pelton es un modelo del siglo XIX cuyo funcionamiento es más parecido al de un molino de agua tradicional. La rueda gira cuando el agua procedente del conducto forzado golpea sus

paletas o álabes. El agua sale a gran presión por la tobera e impulsa los álabes que hacen girar un eje.

Con frecuencia, los dilemas en la elección del tipo de turbina se presentan entre las Pelton y las Francis, debido a

su buena comercialización y las condiciones de funcionamiento que ambas ofrecen. Por esta razón, resulta ser de gran ayuda hacer un análisis específico de estas dos clases de turbinas, el cual se presenta a continuación:

En la elección del tipo de turbina de reacción (Francis) o de acción (Pelton) se presenta una zona de indiferencia

cuando Ns se ubica en las proximidades de 50. Lo mismo puede decirse respecto a la elección entre turbinas rápidas y de hélice cuando Ns tiene un valor máximo de 400. Entonces la elección depende de otras consideraciones de economía o de circunstancias de explotación de la central. Por ejemplo, cuando las aguas

arrastran caudal sólido, que puede erosionar las turbinas, es más conveniente la turbina Pelton, en la que es muy fácil reponer la aguja y la boquilla de los inyectores a un bajo costo, mientras que en la Francis la reposición es más

costosa en coste y tiempo. Si una central está destinada a suministro de fuerza con carga muy variable, como los casos de tracción eléctrica, es preferible emplear la Pelton que la Francis, porque ésta, a carga fraccionaria tiene

mejor rendimiento.

En la figura 4 se indican los campos de aplicación propuestos por M. A. Puyo en su artículo “Pelton o Francis” para estos dos tipos de turbina, existiendo como ya se mencionó anteriormente una zona intermedia en la que decidirán sobre la elección entre Pelton y Francis las condiciones locales, como son: limpieza del agua, naturaleza de la carga

que ha de atender la central, etc. Pero vale la pena resaltar que esto no quiere decir que no existan turbinas Francis dentro de la zona señalada para las Pelton, funcionando en perfectas condiciones. El problema adquiere mayor complicación, si al mismo tiempo que está indeterminado el tipo de turbina, se puede variar el número de

grupos (cantidad de turbinas en la central).

En el Bulletin Technique de la Suisse Romande (14 de enero de 1950) se publicó un artículo de R. C. Collet, en que compara las turbinas Francis de gran altura de salto y las Pelton, ponderando las ventajas de las turbinas Francis.

Como resumen se presentan las ventajas de cada tipo de turbina, a fin de que puedan servir de guía en casos límite:

o Grandes alturas de salto (ventajas):

Turbinas Pelton Turbinas Francis

Más robustas Menos peligro de erosión de los álabes Reparaciones más sencillas Regulación e presión y velocidad más fácil Mejores rendimientos a cargas parciales Infraestructura más sencilla.

Menor peso Mayor rendimiento máximo Aprovechan mayor desnivel, debido al tubo de

aspiración Alternador más económico Dimensiones en planta de la central más reducidas

o Alturas medias de salto (ventajas):

Turbinas Francis Turbinas Kaplan Turbinas con hélices de palas fijas

Mayor economía en la turbina. Menos coste de excavación y

cimientos. Mejores rendimientos a cargas

parciales que las hélices de palas fijas.

Menor peligro de cavitación.

Mejores rendimientos a cargas parciales.

Mejores rendimientos con alturas de salto variables.

Menos obra de fábrica que las hélices de palas fijas.

Alternador más barato.

Buen rendimiento máximo.

Más baratas que las Kaplan.

Gran admisión con saltos pequeños.

Alternador más barato.

Las propiedades anteriores no deberán considerarse como absolutas, sino más bien como las más probables con alturas de salto en que pueden quedar duda de emplear uno u otro tipo de turbina.

En una forma más general, puede decirse que estando definido el campo de aplicación por la altura del salto principalmente y por el caudal, deberá emplearse el tipo normal y rápido Francis para saltos de pequeña y regular altura (hasta 200m) aún con grandes caudales, y Francis lenta para altura grande y gran caudal, y para mucha

altura (mayor de 60m) y pequeños caudales la rueda tangencial Pelton.

Igualmente debe mencionarse la elección previa de la turbina, que se efectúa en el anteproyecto o proyecto

provisional, en la que se determinan aproximadamente las dimensiones de la turbina y de las obras de fábrica que la rodean, a fin de estimar el coste de éstas y organizar los trabajos; de la elección definitiva de las turbinas, que únicamente se podrá realizar después de haber consultado a las casas constructoras.

Finalmente, en la consulta dirigida a las casas constructoras se indicarán todos los datos que se hayan determinado de antemano, como son: número de grupos, alturas de salto máxima, media y mínima; caudales máximo y mínimo para un salto determinado llamado crítico, utilización de la energía en el día y en el año, niveles máximo y mínimo

de agua abajo, naturaleza del agua, impurezas, temperatura, cota sobre el nivel del mar, etc. Se examinarán las ofertas recibidas, comparando precios de turbinas y alternadores, rendimientos y obras de fábrica necesarias, efectuando un estudio económico para ver qué solución resulta más ventajosa, o sea para cuál es mínima la suma

de gastos de conservación anuales, coste de la energía perdida en el año e interés y amortización del capital invertido.

OTRAS ALTERNATIVAS A CONSIDERAR EN EL MOMENTO DE LA ELECCIÓN DE LAS TURBINAS

Actualmente se cuenta con dos tipos especiales de instalaciones no convencionales llamadas minihidro y

microhidro, las cuales han revolucionado el sector de la generación de energía eléctrica, no sólo en países en desarrollo, sino también en países industrializados como Estados Unidos, donde el costo de la energía ha aumentado y se han implementado programas de incentivos para promover su uso. La clasificación como

microhidro se refiere a unidades con una capacidad de menos de 100 kW, mientras que minihidro se refiere a una capacidad del sistema de 100 a 1000 kW.

Por otra parte, hoy en día se está convirtiendo en práctica común de los fabricantes desarrollar una unidad de turbina estandarizada. Además de las unidades especializadas Pelton, Francis y de hélice pequeñas, se emplea la

turbina de flujo cruzado; la cual consta de una turbina de impulso con una velocidad de rotación más alta que la de otras turbinas de impulso.

Otra alternativa a considerar en la elección de este tipo de maquinaria hidráulica, es usar una bomba comercial y

operarla en la dirección inversa, pero debe tenerse presente que en el modo de turbina, el punto operativo de eficiencia óptima para la bomba, requiere una carga y un flujo más grandes que cuando ésta opera con eficiencia óptima en el modo de bombeo.

Se emplean unidades de bomba/turbina reversibles en instalaciones hidroeléctricas de bombeo/almacenamiento. Se bombea agua de un depósito más bajo a uno más alto durante periodos de baja demanda para las plantas

eléctricas convencionales. Después, el agua se libera del depósito superior y las bombas se hacen girar en reversa para generar potencia durante periodos de alta demanda de energía eléctrica. Tales unidades requieren consideraciones de diseño especiales para operar de manera eficiente en cualquiera de los dos modos. Para este fin

es preciso hacer que una enorme masa de agua que se mueve a través de todo el sistema se mueva en la dirección opuesta; lo cual a su vez requiere desarrollar una técnica especial que se convierte en uno de los retos de la ingeniería.

Tipos de Centrales Los diferentes tipos de centrales eléctricas dependen de las distintas materias primas empleadas para obtener la energía eléctrica. Se diferencian en la energía potencial primaria que origina la transformación

Hidráulicas o Hidroeléctricas

El costo de construcción de estas centrales es elevado pero se compensan con los bajos gastos de explotación y mantenimiento luego la puesta en marcha de las mismas. Como consecuencia de esto, las centrales hidráulicas son las más rentables en comparación con los restantes tipos.

Estas centrales suelen ubicarse lejos de los grandes centros de consumo y el lugar de asentamiento de las mismas está condicionado por las características del terreno.

Las turbinas hidráulicas son accionadas por el agua como consecuencia de la energía cinética o a la de presión que ha desarrollado en su descenso. Anteriormente, el agua es retenida, encauzada y controlada.

Los modelos más relevantes de estas máquinas motrices son las turbinas Pelton, Francis, kaplan y de hélice.

Turbinas Hidráulicas

Nucleares

La producción de energía se logra mediante la transformación previa de la energía nuclear.

Un combustible nuclear, el uranio, y un reactor nuclear reemplazan a los combustibles y a la caldera de la central térmica. En el reactor tiene lugar la fisión del uranio (rotura en cadena de los núcleos de los átomos de este elemento químico), que al liberar una gran cantidad de energía origina el calor preciso para la obtención del vapor de agua.

Los tres combustibles fisionables conocidos son: uranio 235, plutonio 239 y uranio 233. El primero de estos combustibles es el único que se encuentra disponible en la naturaleza.

Las centrales nucleares o termonucleares utilizan las turbinas de vapor como maquinas motrices.

El reactor y los sistemas de instalación deben ser sometidos a una continua refrigeración, por lo tanto, la localización de estas centrales depende de la disponibilidad de caudales de agua de valor determinado y regular.

La presente demanda de energía puede ser satisfecha en forma suficiente con el rendimiento logrado por las centrales hidráulicas, térmicas y nucleares.

Las siguientes centrales presentan una serie de dificultades económicas y técnicas. Los rendimientos obtenidos con las mismas son bajos en comparación con las centrales anteriores. Estas centrales se construyeron con el propósito de aprovechar al máximo los recursos energéticos naturales, pero presentan un alto costo de construcción y una escasa prestación de energía eléctrica.

Mareomotrices

La energía eléctrica es consecuencia de la energía de las mareas. Parten del cambio de nivel periódico y las corrientes de agua de mares, océanos, lagos, etc.

Cuando la marea está alta, se retiene agua del mar en la zona de embalse; al bajar la marea, el agua retorna al mar a través de las maquinas, haciendo funcionar las mismas.

El conjunto de "máquina motriz – generador" se denomina grupo-bulbo y en su interior se ubican un generador, los equipos correspondientes y una hélice (turbina eléctrica del tipo Kaplan de eje horizontal o inclinado).

Geotérmicas

Las altas temperaturas que existen en el interior del globo terráqueo producen un vapor natural a 200°C aproximadamente. Esta energía térmica acciona directamente las turbinas de vapor de las centrales geotérmicas.

El subsuelo terrestre es una reserva de energía prácticamente inagotable, pero es de difícil acceso y por lo tanto poco aprovechable.

Eólicas

Estas centrales utilizan a los vientos o corrientes de aire para generar la energía eléctrica.

Su utilización se limita a situaciones especiales debido a que la obtención de energía eléctrica a través de estas centrales, tiene un elevado costo.

Turbina Eólica

El viento puede ser aprovechado a partir de ciertas velocidades (mínima 6 m/s), solo en las centrales eólicas de un tamaño considerable.

Los aerogeneradores o turbinas eólicas son aquellas máquinas que superan algunas decenas de kW. Aún se desconoce la manera de regular la producción que estas máquinas aportan.

Parque Eólico

Solares o Heliotérmicas

En un primer procedimiento, la energía luminosa y térmica proveniente del Sol en forma de radiación electromagnética es transformada en energía eléctrica mediante el empleo de células.

La irradiación solar equivale a 1 kW/m2 siempre que el tiempo se encuentre despejado. La obtención de este tipo de energía es muy irregular, debido a que depende de las variaciones horarias y estacionales y de las modificaciones en la nubosidad

Hidrotérmicas

Estas centrales producen la energía a través del aprovechamiento de la energía térmica de grandes extensiones de agua.

El lugar de emplazamiento de estas centrales suele ser en los mares y océanos.

Térmicas

El alimento de estas centrales está constituido por los distintos combustibles sólidos (carbón mineral); líquidos (gas-oil y fuel-oil, originados en la refinación del petróleo crudo); y gaseosos (gas natural).

La energía eléctrica surge como consecuencia de la energía térmica de combustión.

La proximidad a un yacimiento de carbón, o a una refinería de petróleo o a un grupo industrial son algunos de los

condicionantes del lugar donde estas centrales pueden ubicarse.

El vapor de agua producido en una caldera posibilita el funcionamiento de las turbinas de vapor (máquinas

motrices) al hacer girar el eje de dichas máquinas.

En el caso de que las turbinas sean accionadas por gas proveniente de la combustión del gas natural, gas de altos

hornos o aceite de petróleo destilado, se trata de turbinas de gas.

Clasificación de las Centrales

Las Centrales Eléctricas pueden clasificarse dependiendo del servicio que brinden:

Centrales de Base o Centrales Principales

Su función es suministrar energía eléctrica en forma permanente; la instalación suele estar en marcha durante largos períodos de tiempo y no debe sufrir interrupciones de la instalación.

Este tipo de centrales se caracterizan por su alta potencia, y generalmente, se trata de centrales nucleares, térmicas e hidráulicas.

Centrales de Punta

Estas centrales tiene como principal función cubrir la demanda de energía eléctrica cuando existen picos de consumo, o sea horas punta. Trabajan en espacios cortos de tiempo durantes determinadas horas, su funcionamiento es periódico.

Debido a la capacidad de respuesta necesaria, generalmente suelen ser centrales hidráulicas o térmicas.

Las centrales de punta sirven de apoyo a las centrales de base.

Centrales de Reserva

El concepto de reserva económica implica la disponibilidad de instalaciones capaces de sustituir, total o parcialmente, a las centrales de base en las siguientes situaciones: escasez o falta de materias primas (agua, carbón, fuel-oil, etc.).

El concepto de reserva técnica comprende la programación de determinadas centrales para reemplazar a las centrales de producción elevada en el caso de fallas en sus maquinarias. Las centrales a las que se suele recurrir en esos casos son las hidráulicas o con turbinas de gas debido a la rápida capacidad de respuesta.

Centrales de Socorro

Si bien tienen el mismo propósito que las centrales anteriores, se diferencian en que estas son pequeñas centrales autónomas y transportables en camiones, trenes o barcos.

Suelen ser accionadas por motores Diesel.

Interpretación de Gráficos de Carga

El concepto de energía se encuentra ligado con los factores tiempo y potencia. Esta última es la energía provista durante un segundo (unidad de tiempo).

Se denomina carga de una central a la potencia que ésta brinda o le es solicitada en un momento determinado. El concepto energía producida se refiere a la cantidad de potencia aportada por el sistema de consumo durante un determinado número de unidades de tiempo.

El consumo de energía para una período determinado de tiempo en una zona de utilización dada, no es constante sino que presenta fuertes oscilaciones. Ese consumo se encuentra supeditado al número y potencia de los receptores conectados a la red.

El gráfico de cargas se obtiene graficando en el eje de las abscisas intervalos de tiempo, y en el de las ordenadas las sucesivas potencias requeridas a una instalación.

La superficie coloreada del gráfico representa la totalidad de la energía suministrada en el lapso de tiempo marcado.

El valor de potencia media que se observa en el gráfico se obtiene dividiendo el total de la energía suministrada por el tiempo en tuvo lugar ese suministro.

Centrales Hidroeléctricas

El costo de construcción de estas centrales es elevado pero se compensan con los bajos gastos de explotación y mantenimiento luego la puesta en marcha de las mismas. Como consecuencia de esto, las centrales hidráulicas son las más rentables en comparación con los restantes tipos.

Estas centrales suelen ubicarse lejos de los grandes centros de consumo y el lugar de asentamiento de las mismas está condicionado por las características del terreno.

Las turbinas hidráulicas son accionadas por el agua como consecuencia de la energía cinética o a la de presión que ha desarrollado en su descenso. Anteriormente, el agua es retenida, encauzada y controlada.

Los modelos más relevantes de estas máquinas motrices son las turbinas Pelton, Francis, kaplan y de hélice.

Esquema de una Turbina Pelton

Imagen de una Turbina Pelton

Clasificación de C. Hidroeléctricas

Centrales de Pasada

Esta clase de centrales utiliza el agua mientras ésta fluye normalmente por el cauce de un río.

Se sitúan en los lugares en que la energía hidráulica ha de emplearse en el momento mismo que se tiene disposición de ella, con el fin de accionar las turbinas hidráulicas.

El caudal suministrado varía dependiendo de las estaciones del año. Cuando las precipitaciones son abundantes (temporada de aguas altas), estas centrales producen su máxima potencia y el agua excedente sigue de largo. En la temporada de aguas bajas, cuando el tiempo es seco, la potencia desarrollada disminuye notablemente.

Generalmente son construidas formando presa sobre el cauce de los ríos, con el objetivo de mantener un desnivel constante en el caudal de agua.

Centrales de agua embalsada

Estas centrales utilizan el agua que llega oportunamente regulada, desde un lago o pantano artificial, denominados embalses, logrados a partir de la construcción de presas.

Un embalse tiene la capacidad de hacinar los caudales de los ríos afluentes. El agua almacenada se utiliza mediante los conductos que la dirigen hacia las turbinas.

Se clasifican en :

Centrales de Regulación

Esta clase de central de embalse se caracteriza por los volúmenes de agua que son capaces de acumular en el embalse, los cuales representan períodos de aportes de caudales medios anuales, mas o menos duraderos.

Esta característica le da la posibilidad de asistir cuando los caudales se encuentran bajos, así como también cubrir eficientemente las horas punta de consumo.

Centrales de Bombeo o Centrales de Acumulación

Son centrales de embalse que aglomeran caudales a través del bombeo.

Según sea la altura del salto de agua existente, o desnivel, las centrales también pueden clasificarse en:

Centrales de alta presión

Son aquellas centrales que tienen un valor de salto hidráulico mayor a los 200 m aproximadamente. Los caudales desalojados a través de estas centrales son pequeños, de solo 20m3/s por máquina.

El lugar de emplazamiento suele ser en zonas de alta montaña, debido que aprovechan el agua de torrentes que desemboca en los lagos naturales.

Estas centrales sólo emplean turbinas Pelton y turbinas Francis, las cuales reciben el agua mediante conductos de extensa longitud.

Centrales de media presión

Los saltos hidráulicos que forman estas centrales, poseen una altura de entre 200 y 20 m aproximadamente. Esta característica les permite desaguar caudales de hasta 200 m3/s por cada turbina. El funcionamiento de estas centrales está condicionado por embalses de gran tamaño, formados en valles de media montaña.

En estas centrales, las turbinas empleadas son de tipo Francis y Kaplan; en el caso de los saltos de mayor altura, puede que sean utilizadas turbinas Pelton.

Centrales de baja presión

Se consideran como tales, las centrales que poseen saltos hidráulicos inferiores a 20 m.

Suelen asentarse en valles amplios de baja montaña y cada turbina está alimentada por caudales que superan los 300 m3/s.

Debido a las alturas y a los caudales deben utilizarse turbinas de tipo Francis y Kaplan

Componentes de las Centrales

Estos componen se dividen en dos grupos:

A. Las centrales hidroeléctricas están compuestas por todo tipo de obras, equipamientos, etc., que tienen como función almacenar y encaminar el agua para lograr una acción mecánica.

Este grupo suele denominarse Presa – Embalse y engloba los siguientes elementos: embalse; presa y

aliviaderos; tomas y depósito de carga; canales, túneles y galerías; tuberías forzadas y chimeneas de

equilibrio.

B. El segundo grupo está compuesto por los edificios, equipos, sistemas, etc., cuya misión es la obtención de energía eléctrica luego de las necesarias transformaciones de la energía.

Este conjunto constituye la Central y abarca: turbinas hidráulicas; alternadores; transformadores; sistemas eléctricos de media, alta y muy alta tensión; sistema eléctrico de baja tensión; sistema eléctrico de baja tensión; sistema eléctrico de corriente continua; medios auxiliares y cuadros de control.

En la construcción de las centrales hidroeléctricas, se tiene en cuenta las características del emplazamiento y de los resultados que quieren obtenerse, y luego se efectúa una combinación de los componentes nombrados.

Conceptos Hidráulicos

Nivel y Cota

Se denomina nivel a la horizontalidad de la superficie de un terreno, o la que logra la superficie libre de los líquidos. También se define como nivel a la altitud de aquellas superficies o de un punto cualquiera respecto de otro u otros puntos de referencia.

Por cota se entiende el valor de la altura de una superficie o punto respecto del nivel del mar.