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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)
