La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad.
En la figura se aprecia cómo el agua que llega a alta presión en la turbina, incide en sus álabes, haciendo girar su eje, el cual va conectado a un generador produciendo en éste energía eléctrica. Luego el agua sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y van conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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En esta imagen se aprecia un conjunto de generadores, bajo los cuales están conectadas turbinas que reciben el movimiento del agua. A su vez, los generadores están conectados a transformadores en donde se regula el voltaje necesario para posteriormente transmitir la corriente eléctrica..
Las centrales más grandes dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa, éstas son llamadas "Centrales de Embalse". El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante.En Chile hay importantes centrales de embalse como Rapel, Colbún, El Toro, Pehuenche, Antuco y la reciente central de Pangue. En la imagen de la izquierda podemos apreciar una central de embalse típica. Se trata de la Presa Norris, en Estados Unidos.
Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman "Centrales de Pasada", y no se afecta el caudal transporatdo del río en forma significativa. En general se obtiene de ellas una potencia instalada menor a la de las centrales de embalse. Una central de paso es la de las Cataratas del Niágara, situada en la frontera entre Estados Unidos y Canadá. En Chile están las centrales de Alfalfal, Maitenes, Los Molles, Sauzal, Sauzalito, Abanico, Florida (cerca de Santiago), etc.
Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman "Centrales de Pasada", y no se afecta el caudal transporatdo del río en forma significativa. En general se obtiene de ellas una potencia instalada menor a la de las centrales de embalse. Una central de paso es la de las Cataratas del Niágara, situada en la frontera entre Estados Unidos y Canadá. En Chile están las centrales de Alfalfal, Maitenes, Los Molles, Sauzal, Sauzalito, Abanico, Florida (cerca de Santiago), etc.
La Central Pangue se ubica a 85 km. al sureste de la ciudad de Los Angeles. La central hidroeléctrica aprovecha la fuerza de las aguas del río Bío-Bío. La expansión de las actividades económicas del país convierten a esta central en una respuesta adecuada a los requerimientos crecientes de energía eléctrica.
Características Técnicas
- Obras de toma : Consisten en dos bocatomas profundas, independientes entre sí, dispuestas en una excavación exterior en roca, al costado derecho de la presa. Cada una de ellas consta de rejas de tipo canastillo, una compuerta plana de servicio y una de emergencia, ambas de 4,5 m. de ancho por siete de alto.
- Plataforma de las obras de toma : Es una explanada o ensanche del camino de acceso al coronamiento de la presa. Desde esta plataforma se operan las compuertas de toma. Allí están, asimismo, la Casa de Servicios Auxiliares con el grupo de emergencia diesel de la central y otros equipos, como el control eléctrico de las obras de toma y del vertedero.
- Aducción y Zona de Caída : A continuación de las Obras de Toma se desarrolla la aducción, constituída por dos conductos en presión de 7 m. de diámetro con 160 m. de longitud media. El sector superior del túnel tiene revestimiento de hormigón y el inferior es blindado.
- Caverna de Máquinas : Subterránea gracias a la excelente calidad de la roca. Las aguas conducidas a través de los túneles de aducción alimentan a las turbinas situadas en el interior de la Caverna de Máquinas. Esta es de sección ovalada y aloja los dos equipos de generación, entre ellos las turbinas generadoras, transformadores de poder, subestación encapsulada, sala de mando y equipos y sistemas auxiliares, eléctricos y mecánicos........ ................ ..................Las turbinas son del tipo Francis y tienen una potencia nominal de 225 MW cada una, siendo su velocidad de giro de 125 rpm. Los generadores son sincrónicos con una potencia aparente nominal de 238 MVA cada uno y factor de potencia 0,95 ; en tanto que los transformadores de poder son de 13,8/220 kV, 258 MVA cada uno y factor de potencia 0,95. ........... ............................................ ............................................................................................ ..................La Caverna de Máquinas tiene una longitud de 100 m. en el piso principal, un ancho máximo de 26 m. y 50 m. de altura máxima. El túnel de acceso a la caverna de máquinas es de 285 m. de longitud, revestido parcialmente con hormigón proyectado y tiene una sección tipo herradura........................................................................................... .............. ...La Subestación es del tipo Encapsulada, con aislación en SF6. Esta tecnología se usa por segunda ves en Chile, siendo la precedente en Canutillar. La subestación está situada en una excavación o nicho lateral subterráneo, al costado de aguas abajo de la caverna de máquinas. Tiene 12 m. de ancho 12 m. de largo y 11,6 m.de altura. Aqui llegan los cables de poder procedentes de los transformadores de poder situados en el interior de la caverna de máquinas. Desde la subestación y a través de un pique salen los cables de poder hacia el patio de mufas.
- Pique de Cables: La subestación encapsulada se conecta con el exterior a través de un pique vertical que tiene 85 metros de alto y una sección en forma elíptica de 3,7 metros de largo y 2,5 metros de ancho. En él se alojan los cables con aislación en aceite, que se desarrollan entre la subestación encapsulada y el Patio de Mufas.
- Patio de Mufas :Está ubicado en una plataforma de 900 metros cuadrados de superficie, aproximadamente, situada al exterior, directamente sobre la caverna de máquinas. En este patio se ha dispuesto el portal de origen de la línea de enlace eléctrico entre la Central y el SIC.
- Obras de Evacuación : Consiste en un túnel común de 14 m. de diámetro medio y 150 m. de longitud que recibe las aguas de ambos túneles difusores y la descarga directamente al río Bío-Bío, inmediatamente aguas abajo del pie de la presa..Hay además, una serie de galerías secundarias que cumplen funciones que van desde la ventilación hasta el drenaje y la circulación de personas.
Ecología y Protección del Entorno
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Los trabajos necesarios para levantar una central hidroeléctrica y sobre todo la creación de una represa, iban a afectar a un sector, por ejemplo, de alguno de los rápidos más apetecidos por los cultores del rafting. Y los 175 millones de mteros cúbicos de agua del embalse inundarían una superficie de 500 hectáreas.
La empresa que realizó los estudios preliminares recomendó, en lo ambiental, tomar medidas para mitigar, anular o revertir los impactos negativos y potenciar los aspectos positivos del proyecto.
La labor de la estación ecológica comenzó en 1992 con actividades en varios frentes. Una de las tareas más importantes consistió en la inspección ambiental durante la construcción de la central. Todos los contratos tienen cláusulas que prohíben arrojar aguas servidas a los cursos naturales, especifican el manejo de residuos tóxicos y contienen cláusulas que entre otros aspectos obligan a las empresas y contratistas a dejar los lugares de las instalaciones tal cual la empresa Pangue se las entregó.
Otras de las misiones prioritarias de la estación está destinada a la protección y reposición del bosque nativo de la cuenca del río. La diversidad de especies por hectárea existentes en la zona motivó a los responsables de la estación a llevar adelante un ambicioso plan de protección y reforestación para restaurar la vegetación original. El programa aspira, con el tiempo, a recuperar el hábitat del lugar para que la fauna asociada permanezca en el Alto Bío-Bío.
Durante cinco años la estación ecológica desarrolló un programa de rescate de árboles, arbustos y cubresuelos desde el área que iba a quedar bajo el agua de la represa. Paralelamente, se reprodujeron especies a partir de semillas. Con estas iniciativas se logró crear un vivero con 100.000 plantas, las que ya comenzaron a ser replantadas en las áreas que ocuparon las obras temporales del proyecto.
En cuanto al impacto de la central en el comportamiento del río y las especies que lo habitan, la estación inició un programa de monitoreo del río Bío-Bío y sus afluentes. Cada dos meses se extraen, desde Julio de 1993, muestras de un vasto sector. La enorme cantidad de información recopilada ha permitido conocer múltiples aspectos, hasta ahora desconocidos, del río Bío-Bío.
Conclusiones
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En el desarrollo de este trabajo su pudo apreciar que la utilización de la energía hidroeléctrica sigue unos pocos principios físicos pero muy importantes, cuales son : Aprovechamiento de energía potencial y cinética, Funcionamiento de Turbinas y Principio de Inducción de Faraday. Con ellos y el correcto empleo de turbinas, es posible aprovechar el enorme potencial de la energía hidráulica. Por ello para un país con recursos hidráulicos importantes es muy conveniente el uso de esta tecnología para la generación de la energía eléctrica que requiere para su desarrollo económico. Tal es el caso de Chile, país que posee 3.177 MW de Potencia instalada en Centrales Hidroeléctricas, con 8 centrales de embalse y 20 centrales de pasada.
La construcción la Central Hidroeleéctrica Pangue significó una inversión de 450 millones de dólares. Si bien esta cifra puede parecer exagerada, el proyecto entrega innumerables beneficios que contribuirán al desarrollo del país : avances técnicos, económicos, sociales, etc. Se incorporó toda la tecnología disponible, los últimos avances en turbinas, generadores y equipos, los que han mejorado muchísimo gracias a diseños computacionales que les aportan mayor eficiencia. También desde el punto de vista del control se han usado equipos de última generación.
Por otra parte, en este proyecto, como debe serlo en todo proyecto de envergadura, se ha considerado el impacto ecológico tratando de minimizarlo, y dentro de lo posible, restaurarlo.
SALTO GRANDE Salto Grande es el primer aprovechamiento hidráulico de uso múltiple en América Latina. Su construcción fue realizada por la República Oriental del Uruguay y la República Argentina, transformándose de esta manera en el primer uso, para estos dos países, de los ríos de la Cuenca del Plata, que concentra el mayor potencial hidroeléctrico del mundo. El proyecto está ubicado en el curso medio, en la zona denominada "Ayuí", que en voz guaraní significa "agua que corre", pocos Kms. aguas arriba de la ciudad de Concordia (Argentina) y de la ciudad de Salto (Uruguay); 470 Kms. al norte de Buenos Aires y a 520 Kms. de Montevideo. Su influencia, directa e indirecta, alcanza una región con 19.000.000.- de habitantes, entre los dos países, en un área de 128.000.- Km2 de suelos muy permeables, ricos en materia orgánica y nutrientes, por lo que resulta de aptitud para la ganadería, la agricultura y la forestación. En esa extensa planicie se realizan casi el 80% de las actividades industriales y agropecuarias de la Argentina y el 100% de las del Uruguay.ES FUTURO La población de este amplio ámbito geográfico presenta una alfabetización del 90%, con un promedio que alcanza niveles de ingreso superior con relación a otras áreas de los dos países. Por todo esto, la región de Salto Grande está llamada a ser un polo de desarrollo, impulsada por una gran obra de infraestructura. | |
TIPOS DE CENTRALES HIDROELECTRICAS
La influencia de la altura es aprovechada por las centrales hidroeléctricas para convertir la energía potencial del agua en energía eléctrica, utilizando las turbinas para tal fin, acoplando estas a los alternadores. En caso que el río tenga un aporte regular de agua, la energía cinética de éste puede aprovecharse sin necesidad de realizar embalses o bien, utilizando uno de pequeñas dimensiones ( a este tipo de centrales se las conoce como fluyentes).Por condiciones climáticas el curso y caudal de los ríos resultan frecuentemente irregulares, lo que obliga a retener el agua mediante una presa, formándose así un lago o embalse que produce un salto de agua que libera fácilmente su energía potencial, almacenando agua para aquellas épocas de escasas lluvias (a estas centrales se denomina de regulación).
La estructura de la central puede ser muy diversa según le afecten los condicionantes orográficos de su ubicación, sin embargo se pueden reducir a dos tipos pero con variantes particulares.
El primer tipo es llamado aprovechamiento por derivación de agua, que consiste en una pequeña presa que desvía el agua hacia un pequeño depósito llamado de carga; de aquí pasa a una tubería forzada y posteriormente a la sala de máquinas de la central.
El segundo tipo es denominado aprovechamiento por acumulación de agua y consiste en la construcción de una presa de considerable altura en un lugar del río de condiciones orográficas adecuadas. El nivel del agua se situará en un punto cercano al extremo superior de la presa. A media altura se encuentra la toma de agua y en la parte inferior se encuentra la sala de máquinas con el grupo turbina-alternador. A la central de estas características se la conoce con el nombre de pie de presa.
Los elementos constructivos que forman una central hidroeléctrica son los siguientes: presa, aliviaderos y tomas de agua, canal de derivación, chimenea de equilibrio, tuberías de presión, cámaras de turbinas, canal de desagüe y sala de máquinas.
LA PRESA:
Es el elemento más importante de la central depende en gran medida de las condiciones orográficas de terreno, así como también el curso de agua donde se realiza la instalación.Por los materiales que están constituídas las presas pueden se de: tierra, mampostería y hormigón.
Las presas más utilizadas son las de hormigón y pueden ser de gravedad o de bóveda.
Las primeras resiste la presión del agua por su propio peso. Las de bóveda necesitan menos materiales que la de gravedad y se suelen utilizar en gargantas estrechas.
LOS ALIVIADEROS:
Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tiene como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.La misión de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego.
Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura; los aliviados se diseñan para que la mayoría se pierda en una cuenca que se encuentra en el pie de la presa, llamada de amortiguación.
Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas , de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según lo demande la situación. El diseño de estos requiere de cálculos muy complejos sobre el efecto destructivo del agua, que se pueden simular con modelos reducidos, aplicando posteriormente el factor de escala correspondiente.
TOMAS DE AGUA
Las tomas de agua de las que parten varios conductos hacia las tuberías, se hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. Estas tomas además de unas compuertas, para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc., puedan llegar a los álabes y producir desperfectos.El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la prensa de derivación hasta las turbinas de la central. Generalmente es necesario hacer la entrada a las turbinas con turbinas forzadas siendo por ello preciso que exista una cámara de presión donde termina el canal y comienza la tubería. Es bastante normal evitar el canal y aplicar directamente las tuberías forzadas a las tomas de agua de las prensas.
Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberías forzadas y álabes de turbinas. A estas sobrepresiones se las denomina golpe de ariete .
Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente se produce una sobrepresión positiva , ya que el regulador automático de la turbina cierra la admisión de agua.
La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobre presión de agua encuentra menos resistencia para penetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará. Con ésto se consigue evitar el golpe de ariete.
Actúa de este modo la chimenea de equilibrio como un muelle hidráulico o un condensador eléctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energía.
Las estructuras forzadas o de presión, suelen ser de acero con refuerzos regulares a lo largo de su longitud, o de cemento armado, reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas al terreno mediante soleras adecuadas.
CAMARA DE TURBINA
En la cámara de turbinas se encuentran los elementos auxiliares de control, y la propia turbina. Según las características de los saltos de agua, de la altura del caudal, estas se pueden clasificar en tres tipos; de PELTON; de KAPLAN o de FRANCIS.Las primeras se utilizan en grandes saltos y caudales regulares, las de Francis en centrales de saltos intermedios y caudales variables, y las Kaplan en sitios de poca altura y caudales variables.
El eje de la turbina en todos los casos es solidario con el del generador, de tal manera que al presionar el agua sobre los alabes de la turbina este girará induciendo una alta corriente y una baja tensión en el generador.
Los canales de desagüe están encargados de recoger el agua a la salida de la turbina, teniendo que devolverla al cauce del río, pero debido a que la velocidad del agua es importante, resulta peligroso su poder de erosión, por lo que hay que revestir adecuadamente las paredes parar su protección.
En la sala de máquinas se encuentran los grupos generadores de energía eléctrica, así como también los elementos auxiliares, pudiendo ser éstos exteriores o subterráneos.
TURBINAS Y ALTERNADORES
Las turbinas del tipo de acción, como la Pelton, constan de un inyector que transforma la energía de presión del agua en energía cinética. La velocidad de salida del chorro del fluído llega en ocasiones a 150 metros por segundo, de tal manera que es necesario que estén fabricados en acero muy duro para lograr una duración satisfactoria. A pesar de ello y a causa de las ocasiones en que el agua llega mezclada con impurezas hace que se limite su vida útil a 4.000 horas tanto en los elementos móviles de inyector como para la válvula de aguja.Precisamente esta válvula de aguja del inyector es la encargada de variar el flujo del agua que llega a los álabes o cucharas de la turbina de una manera automática para conseguir que la velocidad de giro sea constante. El elemento sensor suele ser el conocido como de bolas, que se mueve en sincronismos con la turbina. A girar el eje, la fuerza centrífuga hace subir las bolas, actuando sobre el circuito de presión de aceite de la válvula del inyector.
En las turbinas de tipo de reacción de álabes fijos Francis, la regulación de velocidad se consigue de la misma forma que en la anteriormente descrita, pero la actuación del elemento de control se realiza sobre el distribuidor, variando el flujo de agua del rodete, consiguiéndose de esta manera que la velocidad se estabilice independientemente de las variaciones de la carga.
Las turbinas de tipo Kaplan tienen los álabes móviles, estando el sistema de servocontrol en el mismo cuerpo de la turbina. El rendimiento de estas turbinas es óptimo, aunque su costo es superior al de los otros por la complejidad de su construcción.
El alternador, o grupo de alternadores acoplados al eje de la turbina genera una corriente alterna de alta intensidad y baja tensión, esta corriente posteriormente pasa a un transformador que la convierte en alta tensión y baja corriente, apta para su transporte a grande distancias con un mínimo de pérdidas. Más tarde, en los centros de consumo, un nuevo transformador la transforma en una corriente de baja tensión para su aplicación directa a los receptores domésticos e industriales.
Solidario con el eje de la turbina y del alternador, gira un generador de corriente contínua llamado excitatriz, que se utiliza para excitar magnéticamente los polos del estator del generador, creando un campo magnético que posibilita la generación de corriente alterna en el rotor.
LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS DE BOMBEO
Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicas de un país.Disponen de dos embalases situados a diferente nivel con lo que se compensan las diferencias ocasionadas , debido a que la demanda de energía a lo largo del día es muy variable .Al alcanzar esta su máximo requerimiento, las centrales de bombeo funcionan como una central convencional generando energía. Al caer el agua almacenada en el embalse superior hace girar el rodete de la turbina asociada a un alternador. Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor (horas de valle) el agua es bombeada al embalse superior para que pueda hacer el ciclo productivo nuevamente. Por ello la central dispone de grupos de motores-bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores.
Estas centrales mejoran el factor de potencia del sistema, trabajando como cargas en las horas de escasa demanda.
MINICENTRAL HIDROELECTRICA
El agua es elemento central de la naturaleza, de nuestra vida. El agua que, dentro del círculo hidrológico, fluye por los ríos al descender de un nivel superior a un nivel inferior genera una energía cinética que el hombre lleva siglos aprovechando.
Hace más de cien años, esa energía, que hasta entonces se usaba fundamentalmente para moler el trigo, comenzó a emplearse en la generación de electricidad. De hecho, fue hasta mitad del siglo XX la principal fuente de que se sirvió el hombre para producirla a gran escala
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