1. Panorama general de la generación de energía hidroeléctrica
La generación de energía hidroeléctrica consiste en convertir la energía del agua de los ríos en energía eléctrica para el consumo humano. Las centrales hidroeléctricas utilizan diversas fuentes de energía, como la solar, la hidroeléctrica y la eólica. El costo de la generación hidroeléctrica es bajo y la construcción de centrales hidroeléctricas puede combinarse con otros proyectos de conservación del agua. China cuenta con abundantes recursos hídricos y excelentes condiciones para ello. La energía hidroeléctrica desempeña un papel fundamental en el desarrollo económico del país.
El nivel del agua aguas arriba de un río es más alto que el nivel aguas abajo. Debido a esta diferencia de nivel, se genera energía hidráulica, también conocida como energía potencial. La diferencia de altura entre la superficie del agua se denomina 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, que es otra condición fundamental tan importante como el desnivel. Tanto el desnivel como el caudal afectan directamente la magnitud de la energía hidráulica: cuanto mayor sea el desnivel, mayor será la energía hidráulica; si el desnivel y el caudal son relativamente pequeños, la producción de la central hidroeléctrica será menor.
La caída de agua se expresa generalmente en metros. El gradiente de la superficie del agua es la relación entre la caída y la distancia, lo que indica el grado de concentración de la caída. Si la caída es relativamente concentrada, el aprovechamiento de la energía hidráulica resulta más conveniente. La caída de agua utilizada por una central hidroeléctrica es la diferencia entre la superficie del agua aguas arriba de la central y la superficie del agua aguas abajo después de 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 varía constantemente, por lo que al hablar de él, debemos considerar el momento y el lugar específicos donde fluye. El caudal cambia significativamente con el tiempo. En general, los ríos en China presentan un caudal elevado en verano, otoño y la temporada de lluvias, pero un caudal menor en invierno y primavera. El caudal varía de un mes a otro, y el volumen de agua varía de un año a otro. El caudal de los ríos suele ser relativamente pequeño en la parte alta; a medida que los afluentes convergen, el caudal en la parte baja aumenta gradualmente. Por lo tanto, aunque la caída de agua en la parte alta está concentrada, el caudal es pequeño; aunque el caudal en la parte baja es grande, 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 con la siguiente fórmula:
N= GQH
En la fórmula, N – salida, 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, 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 una central hidroeléctrica se denomina potencia nominal, y la potencia real se denomina potencia real. En el proceso de transformación de energía, es inevitable que se produzcan algunas pérdidas. En la generación hidroeléctrica, las principales pérdidas se dan en las turbinas hidráulicas y los generadores (incluidas las pérdidas en las tuberías). En las microcentrales hidroeléctricas rurales, las diversas pérdidas representan entre el 40 % y el 50 % de la potencia teórica total, por lo que la producción de las centrales hidroeléctricas solo puede aprovechar entre el 50 % y el 60 % de la potencia teórica; es decir, la eficiencia es de aproximadamente 0,5 a 0,60 (incluida la eficiencia de la turbina de 0,70 a 0,85, la eficiencia del generador de 0,85 a 0,90 y la eficiencia de las tuberías y los 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 – 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 × flujo × caída × nueve coma ocho
El uso de la energía hidroeléctrica consiste en utilizar el agua para accionar una máquina llamada turbina hidráulica. Por ejemplo, la antigua rueda hidráulica china es una turbina hidráulica muy simple. Las diversas turbinas hidráulicas que se utilizan actualmente se adaptan a diferentes condiciones hidráulicas específicas, de modo que puedan 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 su rotor gire junto con ella, generando así electricidad. El generador se divide en dos partes: la que gira con la turbina hidráulica y la parte fija. La parte que gira con la turbina hidráulica 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, que se llama estator. El estator está envuelto en múltiples 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 eléctrica se transforma a partir de diversos equipos eléctricos en energía mecánica (motor o generador), energía luminosa (lámpara eléctrica), energía térmica (horno eléctrico), etc.
2. Composición de la central hidroeléctrica
La central hidroeléctrica consta de estructuras hidráulicas, equipos mecánicos y equipos eléctricos.
(1) Estructuras hidráulicas
Incluye presa (represa), compuerta de entrada, canal (o túnel), embalse (o tanque regulador), tubería forzada, central eléctrica y canal de descarga, etc.
Construir una presa en el río para bloquear su curso, elevar el nivel del agua y formar un embalse. De esta manera, se crea una caída concentrada desde la superficie del agua del embalse sobre la presa hasta la superficie del río bajo la misma, y luego el agua se introduce en la central hidroeléctrica a través de tuberías o túneles. En cauces de ríos con fuerte pendiente, el uso de canales de derivación también puede crear una caída. Por ejemplo, si la pendiente de un río natural es de 10 metros por kilómetro, al abrir un canal en el extremo superior de este tramo para introducir agua, se excavará un canal a lo largo del río y la pendiente será plana. Si la pendiente del canal es de solo 1 metro por kilómetro, el agua fluirá 5 kilómetros por el canal y caerá solo 5 metros, mientras que en un río natural caería 50 metros después de recorrer 5 kilómetros. En este momento, el agua del canal es conducida de vuelta a la central eléctrica por el río mediante tuberías o túneles, y hay una caída concentrada de 45 metros que puede utilizarse para generar electricidad.
Una central hidroeléctrica que utiliza canales de derivación, 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 canal de derivación, que es una disposición típica de las centrales hidroeléctricas.
(2) Equipos mecánicos y eléctricos
Además de las obras hidráulicas mencionadas anteriormente (presa, canal, embalse, tubería forzada y central eléctrica), la central hidroeléctrica también necesita el siguiente equipamiento:
(1) Equipos mecánicos
Hay turbinas hidráulicas, reguladores, válvulas de compuerta, equipos de transmisión y equipos que no generan 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. Si la central hidroeléctrica de baja altura de caída, con una altura de agua inferior a 6 metros, generalmente adopta el método de canal de derivación y cámara de derivación de canal abierto, no habrá embalse ni tubería forzada. La central eléctrica con un alcance de suministro de energía pequeño y una distancia de transmisión corta adopta la transmisión directa sin transformador. Las centrales hidroeléctricas con embalses no necesitan construir presas. Se adopta la entrada de agua profunda, y no se requiere el uso de tuberías internas (o túneles) ni aliviaderos de la presa, así como estructuras hidráulicas como vertederos, compuertas de entrada, canales y embalses.
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 lograr un buen diseño, es imprescindible 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 pueden garantizar tras comprender y analizar estas condiciones.
Los componentes de las pequeñas centrales hidroeléctricas presentan diversas formas según el tipo de central.
3. Levantamiento topográfico
La calidad del levantamiento topográfico influye enormemente 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 ribera del río, sino también determinar la solidez de los cimientos de la sala de máquinas, lo cual afecta directamente la seguridad de la central hidroeléctrica. Si la presa, con un volumen de embalse determinado, se destruye, no solo se dañará la central, sino que también se producirán enormes pérdidas humanas y materiales aguas abajo. Por lo tanto, la selección geológica del embalse 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 tamaño del caudal del río afecta el diseño del aliviadero de la central hidroeléctrica, y una subestimación de la gravedad de la inundación puede provocar la destrucción de la presa. En el peor de los casos, los sedimentos arrastrados por el río pueden llenar rápidamente el embalse. Por ejemplo, la entrada de agua al canal provocará su sedimentación, y los sedimentos gruesos pasarán por la turbina hidráulica y causarán su desgaste. Por lo tanto, la construcción de centrales hidroeléctricas debe contar con 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 futura demanda de electricidad en la zona de suministro. Asimismo, se debe evaluar la situación de otras fuentes de energía en la zona de desarrollo. Solo después de estudiar y analizar estas condiciones se podrá determinar si es necesario construir la central hidroeléctrica y cuál debería ser su escala de construcción.
En general, el objetivo de los estudios hidroeléctricos es proporcionar datos básicos precisos y fiables necesarios para el diseño y la construcción de centrales hidroeléctricas.
5. Condiciones generales del emplazamiento de la estación seleccionada
Las condiciones generales para seleccionar la ubicación de la estación se pueden describir en los siguientes cuatro aspectos:
(1) El emplazamiento seleccionado para la central hidroeléctrica deberá permitir el uso más económico de la energía hidráulica y ajustarse al principio de ahorro de costes; es decir, tras la finalización de la central, se minimizará el gasto y se generará la máxima potencia. 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 las distintas demandas de energía, el coste y la inversión no deben limitarse a valores específicos.
(2) El emplazamiento seleccionado para la central hidroeléctrica debe poseer condiciones topográficas, geológicas e hidrológicas óptimas, y ser viable en su diseño y construcción. La construcción de pequeñas centrales hidroeléctricas deberá ajustarse, en la medida de lo posible, al principio de uso 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 deben aprovechar al máximo las estructuras hidráulicas existentes. Por ejemplo, se puede utilizar el caudal del agua para construir centrales hidroeléctricas en canales de riego, o bien, se pueden construir centrales hidroeléctricas cerca de embalses para generar electricidad utilizando el flujo 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: 25 de octubre de 2022
