Energía mediante el uso de turbinas

Podemos generar energía eléctrica con el agua mediante turbinas.

La energía del agua la aprovechan las turbinas hidráulicas, activadas por la masa de agua que pasa por su interior, y que transforman la energía potencial del agua en energía mecánica.
Ésta se utiliza para producir energía eléctrica, conectando el eje de la turbina con un generador de electricidad (alternador), que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

La potencia eléctrica que se puede obtener depende de la cantidad de agua canalizada a la turbina, de la presión y del rendimiento eléctrico del generador. El agua que sale de la turbina es devuelta a su curso original a un nivel más bajo respecto al que fue recogida. La propiedad más relevante de la energía hidráulica es que permite utilizarse a pequeña escala, de forma muy económica, con la aplicación de microturbinas y picoturbinas hidráulicas.

Microturbinas: Con potencias inferiores a 100 Kw, son muy adecuadas para suministrar electricidad a pequeñas granjas o explotaciones agrícolas. Para su funcionamiento necesitan una altura de 5 a 30 m.c.a. y un caudal que varía en función de la potencia a generar de 35 a 500 l/s.

Picoturbinas: Constructivamente iguales que las microturbinas sólo que con menor potencia, permiten utilizar la energía hidráulica de torrentes, canales o conducciones y suministrar electricidad a aplicaciones autónomas de pequeña potencia, inferiores a 5.000 W. Esta potencia permite electrificar una cabaña o granja, generando los vatios necesarios para iluminación, automatismos, pequeños motores o electrodomésticos, etc. Pueden funcionar con muy poca altura o con muy poco caudal. La altura mínima que necesitan para generar electricidad es de 1,5 m.c.a. y el caudal varía de 35 a 130 l/s. Si se dispone de más altura, de 3 a 15 m.c.a. el caudal necesario disminuye a 5 l/s.

Tanto las picoturbinas como las microturbinas, pueden generar corriente alterna a 220 V o corriente continua a 12 o 24 V. Este hecho es muy atractivo ya que pueden integrarse a un sistema híbrido autónomo, con paneles solares, aerogeneradores, diésel … y utilizar los mismos acumuladores de corriente continua.

También permiten trabajar, si el caudal de agua es siempre constante, como generadores a 220 V. ininterrumpidamente, prescindiendo de acumuladores y consumiendo la energía eléctrica que se está produciendo en el mismo momento.

Micro turbina Pelton: De fácil y sólida construcción, puede ser de eje horizontal o vertical, ocupa poco espacio y tiene un rendimiento óptimo, funciona a la presión atmosférica y no genera problemas de estanqueidad. Tiene palas de doble cuchara, con un número de chorros hasta 6. Las principales partes mecánicas están hechas de acero inoxidable y son las más adecuadas para aprovechar el potencial de caudales reducidos.

Mini turbina Francis: Es una turbina de reacción, con potencia aproximada de 100 Kw de máximo aprovechamiento y mínimo costo de mantenimiento, ideal para espacios con limitaciones, el concepto constructivo es muy parecido al de las turbinas para centrales más grandes.

Los sistemas micro hidráulicos encuentran su aplicación allá donde haya un suministro de energía que satisfacer y esté disponible un curso de agua, aunque limitado. Cuando hacen falta sólo algunos Kw para las necesidades mínimas de una granja, se puede insertar directamente en el cauce de un pequeño curso de agua una turbina y un alternador estancos, con el cable de la energía eléctrica que llega directamente a la explotación.

Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son:
•    La Potencia: Función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo turbinable, además de las características de la turbina y del generador.
•    La Energía: Esta debe estar garantizada en un lapso determinado, generalmente un año, que está en función del volumen útil del embalse, de la pluviometría anual y de la potencia instalada.

Esta forma de energía posee problemas medioambientales al necesitar la construcción de grandes embalses en los que acumular el agua, que es sustraída de otros usos, incluso urbanos en algunas ocasiones.

Actualmente se encuentra en desarrollo la explotación comercial de la conversión en electricidad del potencial energético que tiene el oleaje del mar, en las llamadas centrales mareomotrices. Estas utilizan el flujo y reflujo de las mareas. En general pueden ser útiles en zonas costeras donde la amplitud de la marea sea amplia, y las condiciones morfológicas de la costa permitan la construcción de una presa que corte la entrada y salida de la marea en una bahía. Se genera energía tanto en el momento del llenado como en el momento del vaciado de la bahía.

Tipos de centrales

1 Según utilización del agua, es decir si utilizan el agua como discurre normalmente por el cauce de un río o a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano. 

·        Centrales de Agua Fluente: 

Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas. No cuentan con reserva de agua, por lo que el caudal suministrado oscila según las estaciones del año.

En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío.

Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua.

·        Centrales de Agua Embalsada:

Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), conseguidos mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Este agua es utilizada según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.

·        Centrales de Regulación:

Tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que representan periodos más o menos prolongados de aportes de caudales medios anuales.

Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo.

·        Centrales de Bombeo:

Se denominan 'de acumulación'. Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su actuación consiste en acumular energía potencial. Pueden ser de dos tipos, de turbina y bomba, o de turbina reversible.

La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde otra central hidráulica, térmica o nuclear.

No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible.

2.      Según la altura del salto de agua o desnivel existente:

·        Centrales de Alta Presión:

Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los 200 metros de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m³/s por máquina.

Situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud. Utilizan turbinas Pelton y Francis.

·        Centrales de Media Presión:

Aquellas que poseen saltos hidráulicos de entre 200 - 20 metros aproximadamente. Utilizan caudales de 200 m³/s por turbina.

En valles de media montaña, dependen de embalses. Las turbinas son Francis y Kaplan, y en ocasiones Pelton para saltos grandes.

           

·        Centrales de Baja Presión:

Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que puede superar los 300 m³/s.  Las turbinas utilizadas son de tipo Francis y especialmente Kaplan

Clasificación de turbinas hidráulicas

  Por ser turbomáquinas siguen la misma clasificación de estas, y pertenecen, obviamente, al subgrupo de las turbomáquinas hidráulicas y al subgrupo de las turbomáquinas motoras. En el lenguaje común de las turbinas hidráulicas se suele hablar en función de las siguientes clasificaciones:

 De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción

Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Para clasificar a una turbina dentro de esta categoría se requiere calcular el grado de reacción de la misma. Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se produce en su interior.

De acuerdo al diseño del rodete Esta clasificación es la más determinista, ya que entre las distintas de cada género las diferencias sólo pueden ser de tamaño, ángulo de los àlabes o cangilones, o de otras partes de la turbomáquina distinta al rodete. Los tipos más importantes son:

Turbina Kaplan: son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de sus palas durante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con grandes caudales.(Turbina de reacción)

Turbina Hélice: son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a diferencia de estas, no son capaces de variar el ángulo de sus palas.

Turbina Pelton: Son turbinas de flujo transversal, y de admisión parcial. Directamente de la evolución de los antiguos molinos de agua, y en vez de contar con álabes o palas se dice que tiene cucharas. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeños. (Turbina de acción)

Análisis interno de turbinas de acción y de reacción.

De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción.

Turbinas de acción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Turbinas de reacción: Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

Las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reacción aprovechan además la pérdida de presión que se produce en su interior.

 Alumno: Miguel M. Medina G.

V-24399160

Tutor: Dr. Douglas Barraez