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Hidroelectricas
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INGENIERÍA ELÉCTRICA
INDUSTRIAL
ING. MIGUEL BENITES GUTIERREZ
CENTRALES HIDROELECTRICAS
RODRÍGUEZ VÁSQUEZ KAREN
1 Universidad Nacional de Trujillo Ingeniería Industrial
Ingeniería Eléctrica Industrial
1. MODELO MATEMÁTICO QUE PERMITE GENERAR ELECTRICIDAD
Un circuito de corriente alterna consta de una combinación de elementos:
resistencias, condensadores y bobinas y un generador que suministra la corriente
alterna.
Un alternador es un generador de corriente alterna que se basa en la inducción
de una f. e. m al girar una espira (o bobina) en el seno de un campo magnético
debida a la variación de flujo. Según va girando la espira varía el número de
líneas de campo magnético que la atraviesan.
Una f. e. m alterna se produce mediante la rotación de una bobina con
velocidad angular constante dentro de un campo magnético uniforme entre los
polos de un imán.
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MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
El magnetismo tiene que ver con los fenómenos de atracción y repulsión que se
dan con los imanes y con los materiales ferromagnéticos, y el electromagnetismo
con los fenómenos magnéticos que aparecen cuando los conductores y
bobinas son recorridos por una corriente eléctrica. La generación de
electricidad se fundamenta en el estudio de estas dos ciencias, ya que
aprovechando estos fenómenos se pueden construir un sinfín de aplicaciones.
IMANES
El fenómeno del magnetismo es una propiedad que se manifiesta en forma
natural en ciertas sustancias como el hierro, cobalto y níquel, principalmente,
y que se caracteriza por la aparición de fuerzas de atracción o de repulsión
entre imanes.
Al igual que una carga crea un campo eléctrico en su entorno y una masa
crea un campo gravitatorio, un imán crea un campo magnético a su
alrededor, que se detecta por la aparición de fuerzas magnéticas, y que se
puede representar mediante líneas de campo magnético o de fuerza
magnética; concepto acuñado en 1831 por Faraday.
El campo magnético se mide en cada punto mediante el vector intensidad
de campo magnético (�̅� ), que es tangente a las líneas de campo
magnético.
Estas tienen las siguientes propiedades:
• En el exterior del imán, cada línea se orienta desde el polo norte al polo
sur.
• A diferencia de las líneas de campo
eléctrico, las líneas de campo
magnético son cerradas y no se
interrumpen en la superficie del
imán.
• El vector de campo magnético en
cada punto del espacio es tangente
a la línea de campo que pasa por
ese punto.
• La cantidad de líneas por unidad de área en la vecindad de un punto, es
proporcional a la intensidad del campo en dicho punto.
• La líneas nunca se intersectan ni se cruzan en ningún punto del espacio.
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ELECTROMAGNETISMO
Los imanes producen un campo magnético considerable, pero para ciertas
aplicaciones este resulta todavía muy débil. Para conseguir campos más intensos
utilizamos bobinas fabricadas con conductores eléctricos, que al ser recorridos por
una corriente eléctrica desarrollan campos magnéticos, cuya intensidad depende
fundamentalmente de la intensidad de la corriente y del número de espiras.
Campo magnético creado por conductor cuando es atravesado por una corriente eléctrica
Si nosotros espolvoreamos limaduras de hierro sobre una hoja de papel que es
atravesada por un conductor por donde circula corriente eléctrica,
observaremos que las limaduras se orientas y forman un espectro magnético de
forma circular.
Esto demuestra que cuando un conductor es atravesado por una corriente
eléctrica, a su alrededor aparece un campo magnético se puede apreciar que
las líneas de fuerza toman la forma de círculos concéntricos que se cierran a lo
largo de todo el conductor.
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En un conductor recto muy largo por el que circula una corriente i, el campo
magnético alrededor de él es perpendicular a la corriente, y las líneas del
campo toman la forma de anillos concéntricos en torno al alambre, donde la
dirección del vector campo magnético es tangente en cada punto a esas
líneas. Su intensidad (módulo) (B) en un punto ubicado a una distancia (r) de él
se obtiene según:
El valor de (µ0) llamado permeabilidad magnética en el vacío es de 4π x 10–7
Tm/A. Para determinar el sentido de las líneas de fuerza de un campo
magnético generado por una corriente eléctrica, se utiliza la llamada “regla de
la mano derecha”. Esta consiste en apuntar el pulgar derecho en el sentido de
la corriente, y el sentido en el que cierran los demás dedos corresponderá al
sentido del campo magnético. Donde las líneas de campo estén más juntas el
campo es más intenso, y viceversa
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Inducción electromagnética
Además de producir fuerzas sobre cargas móviles y sobre conductores por los
que circula una corriente, el campo magnético produce otros efectos:
mediante un flujo magnético variable en el tiempo, es posible generar una
corriente en un conductor.
Flujo magnético
El concepto de flujo lo introdujo Karl Friedrich Gauss y fue aplicado por Faraday
para estudiar el electromagnetismo, explicando con ello los fenómenos de
inducción a partir de los cambios que experimentaban las líneas de campo
magnético. De esta manera, el flujo magnético (φm) corresponde al número de
líneas de campo magnético que atraviesan una superficie arbitraria (como la
cantidad de gotas de lluvia que intercepta un paraguas plano en distintas
orientaciones). Se designa con la letra griega φm y se expresa de la siguiente
forma:
en que A es el área de la superficie,
es el campo magnético uniforme
donde la superficie se encuentra
inmersa, θ es el ángulo formado por
el vector de campo con el vector
normal a la superficie ( ). En el SI, la
unidad de medida para el flujo
magnético es el weber (Wb)
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Ley de Faraday
En las experiencias de Faraday y, paralelamente, en las de Henry, se prueba
que si el flujo magnético cambia bruscamente (por ejemplo, al mover el imán
rápidamente), la intensidad de corriente inducida aumenta. Para cuantificar lo
anterior, Faraday propuso una expresión llamada ley de inducción o ley de
Faraday, que sostiene que la f.e.m. (fuerza electromotriz) inducida (ε) es
proporcional a la rapidez de cambio del flujo magnético que atraviesa un
circuito :
En el SI, la f.e.m. inducida se expresa en volt. Por tanto:
Si tenemos una bobina de N espiras, la ley de Faraday resulta:
El signo menos, se explica por la ley de Lenz que veremos más adelante.Es
importante notar que esta ley es experimental y no se puede demostrar
matemáticamente. Además, mientras mayor sea el cambio del flujo, mayor será
el valor de la corriente eléctrica que se inducirá en el alambre conductor.
Debido a que Faraday no tuvo una preparación matemática adecuada, pues
no accedió a la educación superior, no pudo desarrollar la teoría matemática
del campo electromagnético, hecho que tuvo que esperar hasta Maxwell. Sin
embargo, tuvo el genio extraordinario para describir esta idea de manera
gráfica.
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Inducción electromagnética en un conductor móvil
La ley de inducción implica la existencia de una f.e.m. cuando el flujo de
campo magnético cambia en el tiempo a través del conductor. Es importante
determinar si ocurre lo mismo cuando la variación del flujo se debe al
movimiento o cambio de la longitud del conductor sin que varíe el campo
magnético. Una barra conductora de longitud l y resistencia R se mueve hacia la
derecha con velocidad constante, sobre dos rieles conductores fijos de
resistencia despreciable. Esto ocurre en presencia de un campo magnético �̅�
externo uniforme y perpendicular al plano, tal como se muestra en la figura A. Si
x es la longitud horizontal variable, tenemos que, en un instante dado, el flujo
magnético a través de la espira es:
Debido al movimiento de la barra, se produce un flujo magnético variable en la
espira (N = 1), generándose una f.e.m. inducida, cuyo módulo, de acuerdo a la
ley de Faraday, será:
resultando una expresión que permite obtener la f.e.m. en el caso de un
conductor móvil.
Supongamos que tenemos una bobina (con N = 1 para el análisis) que gira en un
campo magnético constante. Cuando la espira rota hay un cambio en el
número de líneas de campo que pasan por ella –según se muestra en la
figura B– y por tanto, según la relación φ = BA cosθ –donde el ángulo θ y el
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área expuesta cambian–, se produce una variación del flujo magnético a través
de la superficie generando una corriente inducida alterna. La rotación de un
circuito en un campo magnético es uno de los métodos para producir una f.e.m.
alterna, como veremos más adelante.
Inductancia o autoinductancia
Según las leyes de inducción de Faraday y Lenz, una corriente variable en un
conductor induce en él una f.e.m. que se opone a la f.e.m. que la produjo,
fenómeno denominado autoinducción o simplemente inducción.
La f.e.m. autoinducida es directamente proporcional a la rapidez con que
cambia la corriente. La constante de proporcionalidad es conocida como
inductancia o autoinductancia de una bobina y se simboliza con la letra (L). La
expresión que permite calcular la f.e.m. inducida es:
En el SI, la inductancia se expresa en volt x segundo/ampere, unidad llamada
henry (H) en memoria del físico norteamericano Joseph Henry. El signo menos
indica que la f.e.m. se opone al cambio de corriente. Así, si la corriente
aumenta, ∆i/∆t es positivo y ε se opone a la corriente, y si la corriente disminuye,
∆i/∆t es negativo y ε actúa en la misma dirección que la corriente (se opone a la
disminución de la corriente).
Cuando dos circuitos eléctricos por los que fluye una corriente variable se sitúan
muy próximos entre sí, cada uno induce en el otro una f.e.m. que, según la ley
de Lenz, tiende a oponerse a la f.e.m. que produce la corriente original del
circuito. Este fenómeno se conoce como inducción mutua.
Circuitos de corriente alterna
Los generadores de corriente continua se llaman dínamos. Los de corriente
alterna se llaman alternadores, estos entregan una f.e.m. cuya polaridad se va
alternando regularmente en el tiempo. En ambos casos se transforma la energía
mecánica en eléctrica, al contrario de los motores eléctricos.
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• El alternador
Los generadores de corriente alterna o alternadores están compuestos
básicamente por una bobina que gira (rotor) en presencia de un campo
magnético fijo y uniforme (estator), debido a la acción de un agente
externo. Los terminales de la bobina se encuentran unidos a sendos anillos
conductores en contacto con dos cepillos o escobillas de carbón.
El funcionamiento del generador a.c. se basa en la inducción electromagnética
definida por Faraday. Al hacer rotar con una velocidad angular constante una
bobina de N espiras, con áreas A iguales, en presencia de un campo magnético
�̅� perpendicular al eje de giro, se produce una variación del flujo magnético
que induce una f.e.m. en el rotor.
Recordando que en el movimiento circular uniforme se cumple que θ = ωt =2πft,
entonces, según la ley de Faraday, la f.e.m. inducida V en la bobina será:
Esta relación indica que la f.e.m. inducida
varía sinusoidalmente a medida que transcurre
el tiempo, tomando alternadamente valores
positivos y negativos. Su máximo valor V0 es 2πf
NBA y se obtiene cuando la normal al plano de
la bobina es perpendicular al vector de
campo magnético creado por el estator.
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2. PARTES DE UNA CENTRAL
La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua
almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. El
esquema general de una central hidroeléctrica puede ser:
Un sistema de captación de agua provoca un desnivel que origina una cierta
energía potencial acumulada. El paso del agua por la turbina desarrolla en la
misma un movimiento giratorio que acciona el alternador y produce la corriente
eléctrica.
Las principales partes de una central de este tipo son:
La presa, que se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en
un embalse.
Rebosaderos,elementos que permiten liberar parte del agua que es retenida
sin que pase por la sala de máquinas.
Destructores de energía, que se utilizan para evitar que la energía que posee
el agua que cae desde los salientes de una presa de gran altura produzcan,
al chocar contra el suelo, grandes erosiones en el terreno. Básicamente
encontramos dos tipos de destructores de energía:
o Los dientes o prismas de cemento, que provocan un aumento de la
turbulencia y de los remolinos.
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o Los deflectores de salto de esquí, que disipan la energía haciendo
aumentar la fricción del agua con el aire y a través del choque con el
colchón de agua que encuentra a su caída.
Sala de máquinas. Construcción donde se sitúan las máquinas (turbinas,
alternadores…) y elementos de regulación y control de la central.
Turbina. Elementos que transforman en energía mecánica la energía
cinética de una corriente de agua.
Alternador. Tipo de generador eléctrico destinado a transformar la energía
mecánica en eléctrica.
Conducciones. La alimentación del agua a las turbinas se hace a través de
un sistema complejo de canalizaciones.
Válvulas, dispositivos que permiten controlar y regular la circulación del
agua por las tuberías.
Chimeneas de equilibrio: son unos pozos de presión de las turbinas que se
utilizan para evitar el llamado “ golpe de ariete”, que se produce cuando hay
un cambio repentino de presión debido a la apertura o cierre rápido de las
válvulas en una instalación hidráulica.
La presa
La presa es el primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica.
Se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse.
Con la construcción de una presa se consigue un determinado desnivel de
agua, que es aprovechado para conseguir energía. La presa es un elemento
esencial y su forma depende principalmente de la orografía del terreno y del
curso del agua donde se tiene que situar.
Las presas se pueden clasificar, según el material utilizado en su construcción, en
presas de tierra y presas de hormigón.
Las presas de hormigón son las más resistentes y las más utilizadas. Hay tres tipos
de presas de hormigón en función de su estructura:
Presas de gravedad. Son presas de hormigón triangulares con una base
ancha que se va haciendo más estrecha en la parte superior. Son
construcciones de larga duración y que no necesitan mantenimiento. La
altura de este tipo de presas está limitada por la resistencia del terreno.
Presa de vuelta. En este tipo de presas la pared es curva. La presión
provocada por el agua se transmite íntegramente hacia las paredes del valle
por el efecto del arco. Cuando las condiciones son favorables, la estructura
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necesita menos hormigón que una presa de gravedad, pero es difícil
encontrar lugares donde se puedan construir.
Presas de contrafuertes. Tienen una pared que soporta el agua y una serie de
contrafuertes o pilares de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten
la carga del agua a la base.
En general, se utilizan en terrenos poco estables y no son muy económicas.
La turbina hidráulica
Las turbinas hidráulicas son el elemento fundamental para el aprovechamiento
de la energía en las centrales hidráulicas. Transforman en energía mecánica la
energía cinética (fruto del movimiento) de una corriente de agua.
Su componente más importante es el rotor , que tiene una serie de palas que son
impulsadas por la fuerza producida por el agua en movimiento, haciéndolo
girar.
Las turbinas hidráulicas las podemos clasificar en dos grupos:
Turbinas de acción. Son aquellas en las que la energía de presión del agua
se transforma completamente en energía cinética. Tienen como
característica principal que el agua tiene la máxima presión en la entrada y
la salida del rodillo.
Un ejemplo de este tipo son las turbinas Pelton.
Turbinas de reacción. Son las turbinas en que solamente una parte de la
energía de presión del agua se transforma en energía cinética. En este tipo
de turbinas, el agua tiene una presión más pequeña en la salida que en
la entrada.
Un ejemplo de este tipo son las turbinas Kaplan.
Las turbinas que se utilizan actualmente con mejores resultados son
las turbinas Pelton, Francis y Kaplan. A continuación se enumeran sus
características técnicas y sus aplicaciones más destacadas:
Turbina Pelton. También se conoce con el nombre de turbina de presión.
Son adecuadas para lossaltos de gran altura y para los caudales
relativamente pequeños. La forma de instalación más habitual es
la disposición horizontal del eje.
Turbina Francis. Es conocida como turbina de sobrepresión, porque la
presión es variable en las zonas del rodillo. Las turbinas Francis se pueden
usar en saltos de diferentes alturas dentro de un amplio margen de caudal,
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pero son de rendimiento óptimo cuando trabajan en un caudal entre el 60
y el 100% del caudal máximo.
Pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o en posición vertical
pero, en general, la disposición más habitual es la de eje vertical.
Turbina Kaplan. Son turbinas de admisión total y de reacción. Se usan
en saltos de pequeña altura con caudales medianos y grandes.
Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, pero también se
pueden instalar de forma horizontal o inclinada.
En el siguiente dibujo podemos ver las partes de una central hidroeléctrica.
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3. PRINCIPALES CENTRALES DE GENERACIÓN EN EL PAÍS
Inventario de centrales hidroeléctricas del Peru
nombre Potencia Instalada Hidráulica (MW)
Producción de Energía (GW.h)
Empresa
Cañón del Pato 264.4 1 446.20 Duke Energy
Carhuaquero 95 592.4 EGENOR
Galito Ciego 38.1 64.3 EGENOR
Yanango 42.8 205.6 EDEGEL
Huinco 258.4 861.6 EDEGEL
Huanchor 20 130.5 S.M. CORONA
Cahua 43.1 205.6 CAHUA
Huampani 31.5 213.7 EDEGEL
Callahuanca 75.1 547.8 EDEGEL
Matucana 128.6 748.4 EDEGEL
Moyopampa 69 518.3 EDEGEL
Yaupi 108 824.1 Electro Andes
Malpaso 54.4 134.1 Electro Andes
Chimay 153 938 EDEGEL
S. A. de Mayolo 798 4 965.80 Electroperu
Restitución 210 1 605.80 Electroperu
Machupicchu 90 718.5 EGEMSA
Sab Gaban II 113.1 789.3 SAN GABAN
Charcani V 145.4 629.3 EGASA
Aricota 1 24.3 56.8 EGESUR
nombre Potencia Instalada Hidráulica (MW)
Producción de Energía (GW.h)
Empresa
