1、 Visión general de la generación de energía hidroeléctrica
La generación de energía hidroeléctrica consiste en convertir la energía hídrica de los ríos naturales en energía eléctrica para el consumo humano. Las fuentes de energía que utilizan las centrales eléctricas son diversas, 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 otras iniciativas de conservación del agua. China es rica en recursos hídricos y cuenta con excelentes condiciones. La energía hidroeléctrica desempeña un papel importante en el desarrollo económico nacional.
El nivel del agua aguas arriba de un río es más alto que aguas abajo. Debido a la diferencia de nivel, se genera energía hidráulica. Esta energía se denomina energía potencial. La diferencia de altura de la superficie del agua del río se denomina caída, también llamada diferencia de nivel o carga hidroeléctrica. Esta caída es una condición fundamental para la energía hidráulica. Además, la magnitud de la energía hidráulica depende del caudal del río, que es una condición tan importante como la caída. Tanto la caída como el caudal influyen directamente en la magnitud de la energía hidráulica: cuanto mayor sea la caída, mayor será la potencia 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 de la superficie del agua es la relación entre la caída y la distancia, lo que indica su grado de concentración. Si la caída está relativamente concentrada, resulta más conveniente aprovechar la energía hidráulica. La caída que utiliza una central hidroeléctrica es la diferencia entre la superficie del agua aguas arriba y aguas abajo tras pasar por la turbina hidráulica.
El caudal es la cantidad de agua que fluye por un río en una unidad de tiempo, expresada en metros cúbicos por segundo. Un metro cúbico de agua equivale a una tonelada. El caudal de un río cambia en cualquier momento y lugar, por lo que cuando hablamos de caudal, debemos explicar el tiempo del lugar específico por donde fluye. El caudal cambia significativamente con el tiempo. En general, los ríos en China tienen un caudal grande en verano, otoño y temporada de lluvias, pero un caudal pequeño en invierno y primavera. El caudal varía de mes a día, y el volumen de agua varía de año en año. El caudal de los ríos en general es relativamente pequeño en la parte alta; a medida que convergen los afluentes, el caudal aguas abajo aumenta gradualmente. Por lo tanto, aunque la caída aguas arriba está concentrada, el caudal es pequeño; aunque el caudal aguas abajo es grande, la caída está relativamente dispersa. Por lo tanto, a menudo es más económico utilizar la energía hidráulica en los tramos medios del río.
Conociendo la caída y el caudal aprovechado por una central hidroeléctrica, su producción se puede calcular con la siguiente fórmula:
N= GQH
En la fórmula, N – potencia, unidad: kW, también llamada potencia;
Q — caudal, en metros cúbicos por segundo;
H — Caída, en metros;
G=9,8, es la aceleración de la gravedad, en Newton/kg
La potencia teórica se calcula según la fórmula anterior y no se deduce ninguna pérdida. De hecho, en la generación de energía hidroeléctrica, las turbinas hidráulicas, 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 una central hidroeléctrica se denomina potencia nominal, y la potencia real, potencia efectiva. Durante la transformación de la energía, es inevitable que se produzcan pérdidas. En la generación de energía hidroeléctrica, se producen principalmente pérdidas en las turbinas hidráulicas y los generadores (incluidas las pérdidas en las tuberías). En las microcentrales hidroeléctricas rurales, las pérdidas representan entre el 40 % y el 50 % de la potencia teórica total, por lo que la producción de las centrales hidroeléctricas solo puede utilizar entre el 50 % y el 60 % de la potencia teórica; es decir, la eficiencia se sitúa entre el 0,5 % y el 0,60 % (incluidas las eficiencias de la turbina, entre 0,70 % y 0,85 %, la del generador, entre 0,85 % y 0,90 %, y la de las tuberías y los equipos de transmisión, entre 0,80 % y 0,85). Por lo tanto, la potencia real (producción) de la central hidroeléctrica se puede calcular de la siguiente manera:
K – eficiencia de la central hidroeléctrica (0,5-0,6) se adopta para el cálculo aproximado de la microcentral hidroeléctrica. La fórmula anterior se puede simplificar como:
N=(0,5 ～ 0,6) Potencia real de QHG = eficiencia × caudal × caída × nueve coma ocho
El uso de la energía hidroeléctrica consiste en usar el agua para impulsar una maquinaria llamada turbina hidráulica. Por ejemplo, la antigua rueda hidráulica china era una turbina hidráulica muy simple. Las diversas turbinas hidráulicas que se utilizan actualmente se adaptan a diversas condiciones hidráulicas específicas para girar con mayor eficacia y convertir la energía del agua en energía mecánica. Otra máquina, el generador, se conecta a la turbina hidráulica para que el rotor gire con ella, generando así electricidad. El generador se divide en dos partes: la que gira junto con la turbina hidráulica y la parte fija. Esta última se denomina rotor y está rodeada por numerosos polos magnéticos; la parte fija, llamada estator, está rodeada por numerosas bobinas de cobre. Cuando los polos magnéticos del rotor giran en el centro de la bobina de cobre del estator, se genera corriente en el cable de cobre, y el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
La energía eléctrica generada por la central se transforma desde diversos equipos eléctricos en energía mecánica (motor o motor), energía luminosa (lámpara eléctrica), energía térmica (horno eléctrico), etc.
2、 Composición de la central hidroeléctrica
La central hidroeléctrica está compuesta por estructuras hidráulicas, equipos mecánicos y equipos eléctricos.
(1) Estructuras hidráulicas
Incluye presa, compuerta de toma, canal (o túnel), cámara de carga (o tanque regulador), tubería forzada, casa de máquinas y canal de descarga, etc.
Construir una presa en el río para bloquearlo, elevar la superficie del agua y formar un embalse. De esta manera, se forma una caída concentrada desde la superficie del agua del embalse en la presa hasta la superficie del agua del río debajo de la presa, y luego el agua se introduce en la central hidroeléctrica a través de tuberías o túneles. En el cauce empinado del río, el uso de canales de derivación también puede formar una caída. Por ejemplo, la caída de un río natural es de 10 metros por kilómetro. Si se abre un canal en el extremo superior de esta sección del río para introducir agua, el canal se excavará a lo largo del río y la pendiente del canal será plana. Si la caída en el canal es de solo 1 metro por kilómetro, el agua fluirá 5 kilómetros en el canal y el agua caerá solo 5 metros, mientras que el agua caerá 50 metros después de caminar 5 kilómetros en el río natural. En ese momento, el agua del canal es conducida de regreso a la central eléctrica por el río con tuberías o túneles, y se forma una caída concentrada de 45 m que puede aprovecharse para generar electricidad.
Una central hidroeléctrica que utiliza canales de desviación, túneles o tuberías de agua (como tuberías de plástico, tuberías de acero, tuberías de hormigón, etc.) para formar una caída concentrada se denomina central hidroeléctrica de tipo canal de desviación, que es una disposición típica de las centrales hidroeléctricas.
(2) Equipos mecánicos y eléctricos
Además de las obras hidráulicas mencionadas anteriormente (presa, canal, cámara de carga, tubería forzada y casa de máquinas), la central hidroeléctrica también necesita los siguientes equipos:
(1) Equipo mecánico
Hay turbinas hidráulicas, reguladores, válvulas de compuerta, equipos de transmisión y equipos que no son de generación de energía.
(2) Equipos eléctricos
Hay generadores, paneles de control de distribución, transformadores, líneas de transmisión, etc.
Sin embargo, no todas las pequeñas centrales hidroeléctricas cuentan con las estructuras hidráulicas y los equipos mecánicos y eléctricos mencionados anteriormente. Si las centrales hidroeléctricas de baja caída de agua, con una caída de agua inferior a 6 metros, generalmente adoptan el método de canal de derivación y cámara de derivación de canal abierto, no contarán con cámara de carga ni tubería forzada. Las centrales con un suministro eléctrico limitado y una distancia de transmisión corta utilizan transmisión directa sin transformador. Las centrales hidroeléctricas con embalses no requieren la construcción de presas. Se adopta la entrada de agua profunda, y la tubería interna (o túnel) y el aliviadero de la presa no requieren el uso de estructuras hidráulicas como vertedero, compuerta de toma, canal ni cámara de carga.
Para construir una central hidroeléctrica, primero se debe realizar un estudio y diseño minuciosos. El diseño consta de tres etapas: diseño preliminar, diseño técnico y detalles 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 la fiabilidad del diseño solo se pueden garantizar tras comprender y analizar estas condiciones.
Los componentes de las pequeñas centrales hidroeléctricas tienen diversas formas según los diferentes tipos de centrales hidroeléctricas.
3、 Levantamiento topográfico
La calidad del levantamiento topográfico tiene una gran influencia en el diseño del proyecto y en la estimación de cantidades.
La exploración geológica (comprensión de las condiciones geológicas) requiere no solo un conocimiento general e investigación de la geología de la cuenca y la geología ribereña, sino también la solidez de la cimentación 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. Por lo tanto, la selección geológica de la cámara de carga suele ser prioritaria.
4、 Hidrometría
Para las centrales hidroeléctricas, los datos hidrológicos más importantes son los registros del nivel del agua del río, el caudal, la concentración de sedimentos, la formación de hielo, los datos meteorológicos y los datos de los estudios de inundaciones. El caudal del río afecta el trazado del aliviadero de la central hidroeléctrica, y la gravedad de la inundación se subestima, lo que puede provocar la destrucción de la presa. Los sedimentos transportados por el río pueden llenar el embalse rápidamente en el peor de los casos. Por ejemplo, la entrada de agua en el canal provocará su sedimentación, y los sedimentos gruesos pasarán por la turbina hidráulica, 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, es necesario investigar y estudiar la dirección del desarrollo económico y la demanda futura de electricidad en la zona de suministro. Al mismo tiempo, se debe evaluar la situación de otras fuentes de energía en la zona de desarrollo. Solo después de estudiar y analizar las condiciones mencionadas, se podrá decidir si es necesario construir la central hidroeléctrica y la escala de su construcción.
En general, el propósito del estudio hidroeléctrico es proporcionar datos básicos precisos y confiables necesarios para el diseño y construcción de centrales hidroeléctricas.
5. Condiciones generales del sitio de la estación seleccionada
Las condiciones generales para la selección del sitio de la estación se pueden describir en los cuatro aspectos siguientes:
(1) El emplazamiento seleccionado para la central deberá permitir el máximo aprovechamiento de la energía hidráulica y cumplir con el principio de ahorro de costes, es decir, tras la finalización de la central, se minimizará el coste y se generará la máxima energía. Generalmente, esto se puede medir estimando los ingresos anuales derivados de la generación de energía y la inversión en la construcción de la central para determinar el plazo de recuperación del capital invertido. Sin embargo, debido a las diferentes condiciones hidrológicas y topográficas, así como a la diferente demanda de energía, el coste y la inversión no deben limitarse a determinados valores.
(2) El emplazamiento de la central debe poseer condiciones topográficas, geológicas e hidrológicas óptimas, y ser viable en cuanto a diseño y construcción. La construcción de pequeñas centrales hidroeléctricas se ajustará, en la medida de lo posible, al principio de "materiales locales".
（3） El sitio de la estación seleccionada deberá estar lo más cerca posible del área de suministro y procesamiento de energía para reducir la inversión en equipos de transmisión y la pérdida de energía.
(4) Al seleccionar el emplazamiento de la central, se aprovecharán al máximo las estructuras hidráulicas existentes. Por ejemplo, se pueden construir centrales hidroeléctricas en canales de riego, o cerca de embalses para generar electricidad mediante el caudal de riego. Dado que estas centrales hidroeléctricas cumplen con el principio de generar electricidad en presencia de agua, su importancia económica es más evidente.
Hora de publicación: 25 de octubre de 2022
