La energía hidroeléctrica consiste en convertir la energía del agua de los ríos en electricidad para el consumo humano. Existen diversas fuentes de energía para la generación de electricidad, como la energía solar, la energía hidráulica de los ríos y la energía eólica. La generación de energía hidroeléctrica es económica y la construcción de centrales hidroeléctricas puede combinarse con otros proyectos de conservación del agua. Nuestro país es muy rico en recursos hidroeléctricos y las condiciones son muy favorables. La energía hidroeléctrica desempeña un papel fundamental en el desarrollo de la economía nacional.
El nivel del agua en la parte alta de un río es mayor que en la parte baja. Debido a esta diferencia de nivel, se genera energía hidráulica, denominada energía potencial. La diferencia de altura entre las aguas del río se conoce como desnivel o caída de agua. Este desnivel es una condición fundamental para la generación de energía hidráulica. Además, la magnitud de la energía hidráulica depende del caudal del río, otra condición tan importante como el desnivel. Tanto el desnivel como el caudal afectan directamente a la energía hidráulica: cuanto mayor sea el desnivel, mayor será la energía; si ambos son relativamente pequeños, la producción de la central hidroeléctrica será menor.
La caída se expresa generalmente en metros. El gradiente es la relación entre la caída y la distancia, lo que indica el grado de concentración de la caída. Cuanto más concentrada esté la caída, más conveniente será el uso de la energía hidráulica. La caída utilizada por una central hidroeléctrica es la diferencia entre el nivel del agua aguas arriba de la central y el nivel del agua aguas abajo después de pasar por la turbina.
El caudal es la cantidad de agua que fluye por 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 varía constantemente, por lo que al hablar de él, debemos considerar el momento y el lugar específico donde fluye. El caudal cambia significativamente con el tiempo. Los ríos de nuestro país suelen tener un caudal elevado durante la temporada de lluvias en verano y otoño, y relativamente bajo en invierno y primavera. Generalmente, el caudal es relativamente bajo en la parte alta del río; debido a la confluencia de los afluentes, el caudal aumenta gradualmente en la parte baja. Por lo tanto, aunque la caída de agua en la parte alta está concentrada, el caudal es pequeño; en la parte baja, el caudal es grande, pero la caída de agua está relativamente dispersa. En consecuencia, suele ser más económico utilizar la energía hidráulica en el tramo medio del río.
Conociendo la caída y el caudal utilizados por una central hidroeléctrica, su producción se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
N= GQH
En la fórmula, N, la potencia de salida, en kilovatios, también puede denominarse 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. En realidad, durante la generación de energía hidroeléctrica, las turbinas, los equipos de transmisión, los generadores, etc., sufren pérdidas de potencia inevitables. Por lo tanto, es necesario descontar la potencia teórica; es decir, la potencia real que podemos utilizar debe multiplicarse por el coeficiente de eficiencia (símbolo: K).
La potencia de diseño del generador en la central hidroeléctrica se denomina potencia nominal, y la potencia real se denomina potencia real. En el proceso de transformación de energía, es inevitable perder una parte de ella. En el proceso de generación hidroeléctrica, existen principalmente pérdidas en turbinas y generadores (también hay pérdidas en las tuberías). Las diversas pérdidas en la central microhidroeléctrica rural representan aproximadamente el 40-50% de la potencia teórica total, por lo que la producción de la central hidroeléctrica solo puede utilizar realmente el 50-60% de la potencia teórica, es decir, la eficiencia es de aproximadamente 0,5-0,60 (de la cual la eficiencia de la turbina es de 0,70-0,85, la eficiencia de los generadores es de 0,85 a 0,90, y la eficiencia de las tuberías y equipos de transmisión es 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 aprovechar la fuerza del agua para impulsar una máquina, denominada turbina hidráulica. Por ejemplo, la antigua rueda hidráulica de nuestro país es una turbina hidráulica muy sencilla. Las diversas turbinas hidráulicas que se utilizan actualmente están adaptadas a diferentes condiciones hidráulicas específicas, de modo que puedan 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 manera que el rotor del generador gira con ella para generar electricidad. El generador se divide en dos partes: la parte que gira con la turbina y la parte fija. La parte conectada a la turbina y que gira se llama rotor del generador y tiene múltiples polos magnéticos a su alrededor; el círculo que rodea el rotor es la parte fija del generador, llamada estator, y el estator está envuelto en múltiples bobinas de cobre. Cuando los 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 eléctrica se transforma en energía mecánica (motor eléctrico o motor), energía luminosa (lámpara eléctrica), energía térmica (horno eléctrico), etc., 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 presas, compuertas de entrada, canales (o túneles), tanques de presión (o tanques reguladores), tuberías de presión, centrales eléctricas y canales de descarga, etc.
Se construye una presa en el río para bloquear el agua y elevar su superficie, formando así un embalse. De esta manera, se crea una caída de agua concentrada entre la superficie del embalse y la del río aguas abajo de la presa, y luego el agua se introduce en la central hidroeléctrica mediante tuberías o túneles. En ríos con pendientes pronunciadas, también se puede crear una caída de agua mediante canales de derivación. 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 este tramo del río para introducir agua, el canal se excava a lo largo del río y su pendiente se suaviza. Si la caída en el canal es de solo 1 metro por kilómetro, el agua que recorre 5 kilómetros en el canal solo desciende 5 metros, mientras que en un canal natural el descenso es de 50 metros. En este momento, el agua del canal se conduce de vuelta a la central eléctrica a través del río mediante una tubería o túnel, y hay una caída concentrada de 45 metros que se puede utilizar 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 ya mencionadas (presas, canales, zonas de aforo, tuberías de presión, talleres), la central hidroeléctrica también necesita el siguiente equipamiento:
(1) Equipos mecánicos
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.
Pero no todas las pequeñas centrales hidroeléctricas cuentan con las estructuras hidráulicas y los equipos mecánicos y eléctricos mencionados anteriormente. Si la altura de caída de agua es inferior a 6 metros en una central hidroeléctrica de baja altura, generalmente se utilizan canales de conducción de agua y canales abiertos, y no hay ni depósito de presión ni tuberías de agua a presión. Para centrales eléctricas con un alcance de suministro de energía reducido y una distancia de transmisión corta, se adopta la transmisión directa de energía y no se requiere transformador. Las centrales hidroeléctricas con embalses no necesitan construir presas. El uso de tomas profundas, tuberías (o túneles) internas de la presa y aliviaderos elimina la necesidad de estructuras hidráulicas como vertederos, compuertas de toma, canales y depósitos de presión.
Para construir una central hidroeléctrica, es fundamental realizar un estudio y un diseño minuciosos. El diseño consta de tres etapas: diseño preliminar, diseño técnico y detalles constructivos. Para un buen diseño, es necesario llevar a cabo un estudio exhaustivo, es decir, comprender a fondo las condiciones naturales y económicas locales: topografía, geología, hidrología, capital, etc. La precisión y fiabilidad del diseño solo se garantizan tras comprender y analizar estas condiciones.
Los componentes de las pequeñas centrales hidroeléctricas tienen diversas formas dependiendo del tipo de central hidroeléctrica.
3. Levantamiento topográfico
La calidad del trabajo de levantamiento topográfico influye enormemente en el diseño de ingeniería y en la estimación de las cantidades de obra necesarias.
La exploración geológica (el conocimiento de las condiciones geológicas), además del conocimiento general y la investigación sobre la geología de la cuenca hidrográfica y del curso del río, también requiere determinar la solidez de los cimientos de la sala de máquinas, lo cual afecta directamente la seguridad de la central eléctrica. Si la presa, con un volumen de embalse determinado, se destruye, no solo se dañará la central hidroeléctrica, sino que también se producirán 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 formación de hielo, los datos meteorológicos y los datos de los estudios de inundaciones. El tamaño del caudal del río afecta el diseño del aliviadero de la central. Subestimar la gravedad de la inundación provocará daños en la presa; en el peor de los casos, los sedimentos arrastrados por el río pueden llenar rápidamente el embalse. Por ejemplo, el canal de entrada se llenará de sedimentos, y los sedimentos de grano grueso pasarán por la turbina y la desgastarán. Por lo tanto, la construcción de centrales hidroeléctricas debe contar con 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 eléctrico y la demanda futura de electricidad. Asimismo, debemos evaluar la situación de otras fuentes de energía en la zona. Solo después de investigar y analizar esta situación podremos decidir si es necesario construir la central hidroeléctrica y cuál debería ser su tamaño.
En general, el objetivo de los estudios topográficos para centrales hidroeléctricas es proporcionar información básica precisa y fiable, necesaria para el diseño y la construcción de dichas centrales.
5. Condiciones generales para la selección del emplazamiento
Las condiciones generales para seleccionar un emplazamiento pueden explicarse desde los siguientes cuatro aspectos:
(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 construcción de la central, debe minimizarse el gasto y maximizar la generación de electricidad. Esto suele medirse estimando los ingresos anuales por generación de energía y la inversión en la construcción de la central para determinar el plazo de recuperación del capital invertido. Sin embargo, las condiciones hidrológicas y topográficas varían en cada lugar, al igual que las necesidades de electricidad, por lo que el coste de construcción y la inversión no deben limitarse a valores preestablecidos.
(2) Las condiciones topográficas, geológicas e hidrológicas del emplazamiento seleccionado deben ser relativamente óptimas, y deben existir posibilidades de diseño y construcción. En la construcción de pequeñas centrales hidroeléctricas, el uso de materiales de construcción debe ajustarse, en la medida de lo posible, al principio de "materiales locales".
(3) El sitio seleccionado debe estar lo más cerca posible del área de suministro de energía y procesamiento para reducir la inversión en equipos de transmisión de energía y la pérdida de energía.
(4) Al seleccionar el emplazamiento, conviene aprovechar al máximo las estructuras hidráulicas existentes. Por ejemplo, se puede utilizar el desnivel del agua para construir una central hidroeléctrica en un canal de riego, o bien, se puede construir una central hidroeléctrica junto a un embalse para generar electricidad a partir del caudal de riego, etc. Dado que estas centrales hidroeléctricas cumplen el principio de generar electricidad cuando hay agua, su importancia económica es más evidente.
Fecha de publicación: 19 de mayo de 2022
