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

rpienika@fing.edu.uy

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)