La energía hidroeléctrica consiste en convertir la energía hídrica de los ríos naturales en electricidad para el consumo humano. Existen diversas fuentes de energía utilizadas para la generación de electricidad, como la energía solar, la energía hidráulica de los ríos y la energía eólica generada por el flujo de aire. El costo de la generación hidroeléctrica mediante energía hidroeléctrica es bajo, y la construcción de centrales hidroeléctricas también puede combinarse con otros proyectos de conservación de agua. Nuestro país es muy rico en recursos hidroeléctricos y las condiciones son muy favorables. La energía hidroeléctrica desempeña un papel importante en el desarrollo de la economía nacional.
El nivel del agua aguas arriba de un río es más alto que el nivel aguas abajo. Debido a la diferencia en el nivel del agua del río, se genera energía hidráulica. Esta energía se llama energía potencial o energía potencial. La diferencia entre la altura del agua del río se llama caída, también llamada diferencia de nivel de agua o carga de agua. Esta caída es una condición básica para la formación de energía hidráulica. Además, la magnitud de la energía hidráulica también depende de la magnitud del flujo de agua en el río, que es otra condición básica tan importante como la caída. Tanto la caída como el flujo afectan directamente la energía hidráulica; cuanto mayor sea el volumen de agua de la caída, mayor será la energía hidráulica; si la caída y el volumen de agua son relativamente pequeños, la producción de la central hidroeléctrica será menor.
La caída se expresa generalmente en metros. La pendiente es la relación entre la caída y la distancia, lo que indica su grado de concentración. Al estar más concentrada, resulta más conveniente el uso de energía hidráulica. La caída utilizada por una central hidroeléctrica es la diferencia entre la superficie del agua aguas arriba y aguas abajo tras pasar por la turbina.
El caudal es la cantidad de agua que fluye en un río por unidad de tiempo y se expresa en metros cúbicos por segundo. Un metro cúbico de agua equivale a una tonelada. El caudal de un río cambia en cualquier momento, por lo que, al hablar de caudal, debemos explicar el tiempo del lugar específico por el que fluye. El caudal cambia de forma muy significativa con el tiempo. Los ríos de nuestro país suelen tener un caudal elevado en la época de lluvias de verano y otoño, y relativamente bajo en invierno y primavera. Generalmente, el caudal del río es relativamente bajo aguas arriba; debido a la confluencia de los afluentes, el caudal aguas abajo aumenta gradualmente. Por lo tanto, aunque la caída aguas arriba está concentrada, el caudal es pequeño; el caudal aguas abajo es grande, pero la caída está relativamente dispersa. Por lo tanto, suele ser más económico utilizar la energía hidráulica en los tramos medios del río.
Conociendo la caída y el caudal que utiliza una central hidroeléctrica, se puede calcular su producción mediante la siguiente fórmula:
N= GQH
En la fórmula, la N–salida, en kilovatios, también se puede llamar potencia;
Q–caudal, en metros cúbicos por segundo;
H – caída, en metros;
G = 9,8, es la aceleración de la gravedad, unidad: Newton/kg
Según la fórmula anterior, la potencia teórica se calcula sin deducir pérdidas. De hecho, en la generación de energía hidroeléctrica, las turbinas, los equipos de transmisión, los generadores, etc., presentan inevitables pérdidas de potencia. Por lo tanto, se debe descontar la potencia teórica; es decir, la potencia real que se puede utilizar debe multiplicarse por el coeficiente de eficiencia (símbolo: K).
La potencia diseñada del generador en la central hidroeléctrica se denomina potencia nominal, y la potencia real, potencia efectiva. Durante la transformación de la energía, es inevitable perder parte de ella. En la generación hidroeléctrica, se producen principalmente pérdidas en turbinas y generadores (también en tuberías). Las diversas pérdidas en las microcentrales hidroeléctricas rurales representan aproximadamente el 40-50% de la potencia teórica total, por lo que la producción de la central solo puede utilizar el 50-60% de la potencia teórica; es decir, la eficiencia se sitúa entre el 0,5 y el 0,60 (de la cual la eficiencia de las turbinas es de 0,70 a 0,85, la de los generadores de 0,85 a 0,90, y la de las tuberías y equipos de transmisión de 0,80 a 0,85). Por lo tanto, la potencia real (producción) de la central hidroeléctrica se puede calcular de la siguiente manera:
K–la eficiencia de la central hidroeléctrica, (0,5～0,6) se utiliza en el cálculo aproximado de la microcentral hidroeléctrica; este valor se puede simplificar como:
N=(0,5～0,6)QHG Potencia real=eficiencia×caudal×caída×9,8
El uso de la energía hidroeléctrica consiste en utilizar la fuerza del agua para impulsar una máquina, llamada turbina hidráulica. Por ejemplo, la antigua rueda hidráulica en nuestro país es una turbina hidráulica muy simple. Las diversas turbinas hidráulicas que se utilizan actualmente se adaptan a diversas condiciones hidráulicas específicas para girar con mayor eficiencia y convertir la energía del agua en energía mecánica. Otro tipo de maquinaria, un generador, se conecta a la turbina, de modo que el rotor del generador gira con ella para generar electricidad. El generador se puede dividir en dos partes: la parte que gira con la turbina y la parte fija del generador. La parte que está conectada a la turbina y gira se llama rotor del generador, y está rodeada por numerosos polos magnéticos; un círculo alrededor del rotor es la parte fija del generador, llamada estator, y el estator está envuelto por numerosas bobinas de cobre. Cuando muchos polos magnéticos del rotor giran en el centro de las bobinas de cobre del estator, se genera una corriente en los cables de cobre y el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
La energía eléctrica generada por la central se transforma en energía mecánica (motor eléctrico o motor eléctrico), energía luminosa (lámpara eléctrica), energía térmica (horno eléctrico) y así sucesivamente mediante diversos equipos eléctricos.
La composición de la central hidroeléctrica
La composición de una central hidroeléctrica incluye: estructuras hidráulicas, equipos mecánicos y equipos eléctricos.
(1) Estructuras hidráulicas
Cuenta con azudes (presas), compuertas de toma, canales (o túneles), tanques de presión (o tanques reguladores), tuberías de presión, casas de máquinas y aliviaderos, etc.
Se construye una presa en el río para bloquear el agua y elevar la superficie del agua para formar un embalse. De esta manera, se forma una caída concentrada entre la superficie del agua del embalse en la presa y la superficie del agua del río debajo de la presa, y luego el agua se introduce en la central hidroeléctrica mediante tuberías o túneles. En ríos relativamente empinados, el uso de canales de derivación también puede formar una caída. Por ejemplo: generalmente, la caída por kilómetro de un río natural es de 10 metros. Si se abre un canal en el extremo superior de esta sección del río para introducir el agua del río, el canal se excavará a lo largo del río y la pendiente del canal será más plana. Si la caída en el canal se realiza por kilómetro, solo cayó 1 metro, de modo que el agua fluyó 5 kilómetros en el canal y la superficie del agua solo cayó 5 metros, mientras que el agua cayó 50 metros después de recorrer 5 kilómetros en el canal natural. En ese momento, el agua del canal se devuelve a la central a través del río mediante una tubería o túnel, creando un desnivel concentrado de 45 metros que puede aprovecharse para generar electricidad. Figura 2
El uso de canales de derivación, túneles o tuberías de agua (como tuberías de plástico, tuberías de acero, tuberías de hormigón, etc.) para formar una central hidroeléctrica con una caída concentrada se denomina central hidroeléctrica de canal de derivación, que es una disposición típica de las centrales hidroeléctricas.
(2) Equipos mecánicos y eléctricos
Además de las obras hidráulicas mencionadas anteriormente (presas, canales, patios, tuberías de presión, talleres), la central hidroeléctrica también necesita los siguientes equipos:
(1) Equipo mecánico
Hay turbinas, reguladores, válvulas de compuerta, equipos de transmisión y equipos no generadores.
(2) Equipos eléctricos
Hay generadores, paneles de control de distribución, transformadores y líneas de transmisión.
Sin embargo, no todas las pequeñas centrales hidroeléctricas cuentan con las estructuras hidráulicas y los equipos mecánicos y eléctricos mencionados anteriormente. Si la caída de agua es inferior a 6 metros en las centrales hidroeléctricas de baja caída, generalmente se utilizan canales de conducción de agua y canales abiertos, sin necesidad de pozas de presión ni tuberías de agua a presión. En centrales con un suministro de energía limitado y una distancia de transmisión corta, se adopta la transmisión directa de energía, sin necesidad de transformador. Las centrales hidroeléctricas con embalses no requieren la construcción de presas. El uso de tomas profundas, tuberías internas de presas (o túneles) y aliviaderos elimina la necesidad de estructuras hidráulicas como vertederos, compuertas de toma, canales y pozas de presión.
Para construir una central hidroeléctrica, es necesario, en primer lugar, realizar un estudio y diseño minucioso. El diseño consta de tres etapas: diseño preliminar, diseño técnico y detalle de construcción. Para un buen diseño, es necesario realizar un estudio exhaustivo, es decir, comprender plenamente las condiciones naturales y económicas locales, como la topografía, la geología, la hidrología, el capital, etc. La exactitud y fiabilidad del diseño solo se pueden garantizar tras comprender y analizar estas situaciones.
Los componentes de una pequeña central hidroeléctrica presentan diversas formas dependiendo del tipo de central hidroeléctrica.
3. Levantamiento topográfico
La calidad del trabajo de levantamiento topográfico tiene una gran influencia en el diseño de ingeniería y la estimación de la cantidad de ingeniería.
Exploración geológica (comprensión de las condiciones geológicas): además de la comprensión general y la investigación de la geología de la cuenca hidrográfica y a lo largo del río, también es necesario determinar la solidez de los cimientos de la sala de máquinas, lo cual afecta directamente la seguridad de la propia central. Una vez destruida la presa con un cierto volumen de embalse, no solo dañará la propia central hidroeléctrica, sino que también causará enormes pérdidas humanas y materiales aguas abajo.
4. Prueba hidrológica
Para las centrales hidroeléctricas, los datos hidrológicos más importantes son los registros del nivel del agua del río, el caudal, el contenido de sedimentos, las condiciones de engelamiento, los datos meteorológicos y los datos de los estudios de inundaciones. El caudal del río afecta la disposición del aliviadero de la central. Subestimar la gravedad de la inundación causará daños en la presa; en el peor de los casos, los sedimentos transportados por el río pueden llenar rápidamente el embalse. Por ejemplo, el canal de entrada provocará la sedimentación, y los sedimentos de grano grueso pasarán a través de la turbina, provocando su desgaste. Por lo tanto, la construcción de centrales hidroeléctricas requiere datos hidrológicos suficientes.
Por lo tanto, antes de decidir construir una central hidroeléctrica, debemos investigar la dirección del desarrollo económico en la zona de suministro de energía y la demanda futura de electricidad. Al mismo tiempo, debemos evaluar la situación de otras fuentes de energía en la zona de desarrollo. Solo después de investigar y analizar la situación anterior, podremos decidir si es necesario construir la central hidroeléctrica y su escala.
En general, el propósito del trabajo de estudio de energía hidroeléctrica es proporcionar información básica precisa y confiable necesaria para el diseño y construcción de centrales hidroeléctricas.
5. Condiciones generales para la selección del sitio
Las condiciones generales para la selección de un sitio se pueden explicar a partir de los cuatro aspectos siguientes:
(1) El emplazamiento seleccionado debe permitir el aprovechamiento de la energía hidráulica de la forma más económica y cumplir con el principio de ahorro de costes, es decir, una vez finalizada la central, se invierte el mínimo necesario y se genera la mayor cantidad de electricidad posible. Esto suele medirse estimando los ingresos anuales por generación de energía y la inversión en la construcción de la central para determinar el tiempo en que se puede recuperar el capital invertido. Sin embargo, las condiciones hidrológicas y topográficas varían según el lugar, al igual que las necesidades de electricidad, por lo que el coste de construcción y la inversión no deben limitarse a valores determinados.
(2) Las condiciones topográficas, geológicas e hidrológicas del emplazamiento seleccionado deben ser relativamente óptimas, y debe haber posibilidades de diseño y construcción. En la construcción de pequeñas centrales hidroeléctricas, el uso de materiales de construcción debe ajustarse al principio de "materiales locales" en la medida de lo posible.
(3) El sitio seleccionado debe estar lo más cerca posible del área de suministro y procesamiento de energía para reducir la inversión en equipos de transmisión de energía y la pérdida de energía.
(4) Al seleccionar el sitio, se deben aprovechar al máximo las estructuras hidráulicas existentes. Por ejemplo, se puede aprovechar la caída de agua para construir una central hidroeléctrica en un canal de riego, o construir una central hidroeléctrica junto a un embalse para generar electricidad a partir del caudal de riego, etc. Dado que estas centrales hidroeléctricas cumplen con el principio de generar electricidad cuando hay agua, su importancia económica es más evidente.
Fecha de publicación: 19 de mayo de 2022
