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Una detallada explicación sobre las características y funcionamiento de turbinas hidroeléctricas en centrales hidroeléctricas. El texto aborda tipos de centrales hidroeléctrica, funcionamiento de una central hidroeléctrica, tipos de turbina hidroeléctrica, como son la turbina francis, pelton y kaplan, y el papel que desempeñan en la generación de energía eléctrica renovable. Además, se abordan los impactos ambientales de estas centrales.
Tipo: Apuntes
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Bolaños Huillca Robert Borda Bermúdez Christian Florez Ayquipa Hilary Briguitte
Quillabamba – Perú
un túnel de carga, aunque el coste de inversión sea más elevado. La parte final del recorrido del agua desde la cámara de carga hasta las turbinas se realiza a través de una tubería forzada. Para la construcción de estas tuberías se utiliza acero para saltos de agua de hasta 2000 m y hormigón para saltos de agua de 500m. Válvulas. Dispositivos que permiten controlar y regular la circulación del agua por las tuberías. Chimeneas de equilibrio. Pozos de presión de las turbinas que se utilizan para evitar el llamado “golpe de ariete”, que produce cuando hay un cambio repentino de presión debido a la apertura o cierre rápido de las válvulas. Tipos de central hidroeléctrica Las centrales hidroeléctricas dependen de las características y peculiaridades del lugar donde se construyen. En base a ello, se pueden distinguir tres modelos: Centrales de agua fluyente. El terreno no presenta mucho desnivel. Es necesario que el caudal del río sea lo suficientemente constante como para asegurar una potencia determinada durante todo el año. En la temporada de precipitaciones abundantes, desarrollan su máxima potencia y dejan pasar agua excedente. En cambio, durante la época seca, la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en verano. No tiene embalse. Centrales de embalses. Cuentan con una o más presas que forman lagos artificiales donde se almacena un volumen considerable de agua por encima de las turbinas. El embalse puede producir energía eléctrica durante todo el año, aunque el río se seque completamente durante algunos meses. Estas centrales exigen, generalmente, una inversión de capital más grande que la de agua fluyente. Existen dos variantes de este tipo de centrales: o Centrales a pie de presa. En un tramo de río con un desnivel apreciable se construye una presa de una altura determinada. La sala de turbinas se sitúa después de la presa. o Centrales por derivación de las aguas. Las aguas del río se desvían mediante una pequeña presa y se conducen mediante un canal con una pérdida de desnivel tan pequeña como sea posible. Después, llegan hasta un pequeño depósito llamado cámara de carga o de presión. De esta sala arranca una tubería forzada
que va a parar a la sala de turbinas. Posteriormente, el agua se devuelve río abajo, mediante un canal de descarga. Los desniveles de este tipo de centrales son más grandes que en las centrales a pie de presa. Centrales de bombeo o reversibles. Disponen de dos embalses situados a niveles diferentes. Cuando la demanda diaria de energía eléctrica es máxima, estas centrales trabajan como una central hidroeléctrica convencional: el agua cae desde el embalse superior haciendo girar las turbinas y después queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día de menor demanda, el agua se bombea al embalse superior para que vuelva a hacer el ciclo productivo. Este tipo de central utilizan los recursos hídricos de una forma más racional. Funcionamiento de una central hidroeléctrica La presa se sitúa en el curso de un río donde, artificialmente, acumula un volumen de agua para formar un embalse. Eso permite que el agua adquiera una energía potencial que después se transformará en electricidad. Para ello, la presa se sitúa aguas arriba, con una válvula que permite controlar la entrada de agua a la galería de presión; previa a una tubería forzada que conduce el agua hasta la turbina de la sala de máquinas de la central. El agua a presión de la tubería forzada va transformando su energía potencial en cinética (es decir, va perdiendo fuerza y adquiere velocidad). Al llegar a la sala de máquinas, el agua actúa sobre los álabes de la turbina hidráulica, transformando su energía cinética en energía mecánica de rotación. El eje de la turbina está unido al del generador eléctrico, que al girar convierte la energía rotatoria en corriente alterna de media tensión. El agua, una vez ha cedido su energía, vuelve al río aguas abajo de la central a través de un canal de desagüe. Ventajas e inconvenientes de las centrales hidroeléctricas Las centrales hidroeléctricas se caracterizan por ser limpias y por no necesitar combustible para funcionar. Además, sus embalses se pueden utilizar para suministrar agua a las poblaciones cercanas, como protección contra las inundaciones o para regar. También es importante señalar que las centrales tienen costes de explotación y mantenimientos bajos, y que las turbinas hidráulicas son de fácil control y mantenimiento. A pesar de todas estas ventajas, las centrales hidroeléctricas también presentan varios inconvenientes, como, por ejemplo, su elevado tiempo de construcción o los elevados costes de infraestructuras y de inversión por kilovatio
Tipos de turbina hidroeléctrica Hay tres tipos principales de turbina, dependiendo del caudal de agua y de la diferencia de altura son la turbina Francis, la turbina Pelton y la turbina Kaplan. La turbina Francis Fue desarrollada en 1848 por el ingeniero angloamericano James B. Francis y es el tipo de turbina hidráulica más utilizado. Es una turbina de flujo centrípeto en la que el agua llega al rotor a través de un conducto en espiral; después, un rodillo en la parte fija dirige el caudal para invertir las palas del rotor. Se utiliza para saltos de altura media (de 10 a 300/400 metros) y caudales de agua de 2 a 100 metros cúbicos por segundo. La turbina Pelton Fue introducida en 1879 por el carpintero e inventor americano Lester Allan Pelton. Su principio de funcionamiento refleja el de la clásica noria con paletas de los antiguos molinos de agua, reelaborada para aumentar su eficiencia: el agua se transporta a la tubería forzada, que cuenta con una boquilla en el extremo, una obturación que aumenta la velocidad del agua. El chorro de agua que sale de la boquilla golpea las palas del rotor, que tienen forma de cuchara. La turbina Pelton se utiliza para grandes saltos (entre 300 y 1400 metros) y caudales de menos de 50 metros cúbicos por segundo, con el fin de obtener mayores velocidades. La turbina Kaplan Que vio la luz en 1913 gracias al profesor austriaco Viktor Kaplan, sigue el principio de las hélices de un barco. La turbina Kaplan es una turbina de tipo axial en la que el caudal de agua hace que los álabes de la hélice giren hacia adentro y hacia afuera en dirección axial con respecto al eje de rotación de la hélice. Gracias a la posibilidad de ajustar el ángulo de incidencia de las palas, tiene la ventaja de proporcionar un excelente rendimiento con pequeños saltos, pero también con grandes variaciones en el caudal (desde 200 metros cúbicos por segundo para subir). Para que sirve una turbina hidráulica Para entender para qué sirve la turbina hidráulica tenemos que hablar de la Energía hidráulica.
Se trata de aquella energía que se produce a partir del aprovechamiento de la energía potencial y cinética del agua, en saltos de agua o el mar. Para poder utilizarla, se transforma a distintos niveles. La energía de los ríos ha sido utilizada por los humanos desde hace ya muchos años, y, en la actualidad, la energía hidráulica es una de las propuestas de fuente de energía renovable que más peso va ganando. Normalmente, encontramos centrales hidroeléctricas en ubicaciones donde la lluvia y desniveles geográficos facilitan la construcción de presas y la creación de energía. Gracias a estos desniveles, se genera energía cinética y potencial a partir de la masa de agua. En su caída, el agua debe pasar por una turbina hidráulica, la cual se utiliza para transmitir la energía a un generador que la convierte en electricidad. También se consigue a través de la conducción del agua de un arroyo a una tubería cerrada donde se encuentra la turbina. El agua termina por recogerse en una presa y, gracias a los cambios de altura, se genera energía. En otros casos se construye una presa para desviar una parte del caudal del río y así conseguir que el cauce del río gane unos kilómetros de nivel. En todos los casos anteriores, la turbina se mantiene conectada a un generador que se encarga de producir la electricidad. Cada central hidroeléctrica puede tener varias turbinas hidráulicas instaladas. La función de una turbina hidráulica es generar, a partir de la energía del fluido, que pasa a través de ella para generar energía de rotación. De este modo, pasa de energía dinámica a eléctrica y lo hace gracias al generador que transforma esta energía. CONCLUSIONES
