La energía hidroeléctrica es energía que se deriva de la fuerza o energía del agua en movimiento, ya sea del mar o de fuentes de agua dulce. Se puede utilizar para realizar trabajos mecánicos o para generar electricidad.
Un sistema de conversión de energía hidráulica (HECS), [1] o recolector de energía hidráulica es el término para la máquina utilizada para generar esta energía mecánica o eléctrica a partir de la energía capturada del agua en movimiento.
central hidroeléctrica típicaContenido
Análisis de la energía hidroeléctrica disponible
Cantidad de flujo de agua y altura de caída; lejanía de los consumidores
Cuando surge una necesidad de energía, debemos buscar uno o varios sitios que puedan albergar una central hidroeléctrica. Entendemos que la investigación comienza identificando todas las fuentes de energía como la eólica, solar, biomasa, etc. Nuestra propuesta considera que la conclusión de este inventario precede a la decisión de instalar una planta hidroeléctrica, quizás además de turbinas eólicas o colectores de energía solar.
Una central eléctrica exige una altura de caída y un caudal de agua (pérdida de carga). El reconocimiento del terreno en el campo o en un mapa topográfico señala la ubicación tanto del flujo de agua como de la pendiente del terreno. Estos lugares se identifican fácilmente en el terreno donde el río fluye torrencialmente, pero también pueden ser apropiados otros lugares. Un topógrafo puede determinar fácilmente la extensión de la caída mediante un teodolito. Sin embargo, la estimación del caudal de agua disponible es mucho más difícil debido a su variación según la estación (ver caudal medio). Es aconsejable subestimar la tarifa disponible porque la central eléctrica tampoco debería extraer toda el agua de la red. Por ejemplo, en caso de eliminación total, el biotopo acuático se verá gravemente perturbado por la falta de agua e imposibilitará el desove de los peces. Por lo tanto, se debe dejar una reserva de caudal en el río para evitar el agotamiento biológico. Es posible que otros usos del agua, ya autorizados, impongan un mayor caudal de reserva.
Cuando se identifican varios sitios, la lejanía del consumidor es otro criterio para su inclusión en el análisis de viabilidad. La lejanía significa una línea eléctrica más larga y dificulta el seguimiento de la planta. Una línea de energía eléctrica representa un gasto importante y es una fuente de pérdida de energía.
Caudal de agua medio
La cantidad de caudal instantáneo de agua de un sistema fluvial depende de la cantidad de lluvia, que depende de la estación. El caudal instantáneo de agua varía de un día a otro con un mínimo del mismo, situado generalmente al final de la estación seca si es marcado. El concepto de caudal medio no tiene interés en las centrales eléctricas "a lo largo de la corriente de agua"; sin embargo, permite estimar mejor la producción energética potencial de la infraestructura si se prevé una acumulación. El bajo caudal de agua, es decir el caudal mínimo del río durante 24 horas, determina el potencial mínimo de potencia de salida de una instalación. Si las observaciones hidrológicas (medidas del caudal del río) se hacen durante varios años, es posible determinar el caudal mínimo promedio alcanzado anualmente, o es posible observarlo cada 5 años, o -más raro aún-, cada 10 años. De hecho, la gravedad de la sequía varía según el año. Una medida de caudal durante 365 días no puede indicar si el mínimo observado es una velocidad excepcional (ya sea baja o alta) o más bien un mínimo promedio. Los datos hidrológicos pueden ser esenciales para el diseño de la pequeña central hidroeléctrica propuesta. La falta de caudal y, por tanto, de agua, provocará desilusión cuando la instalación esté funcionando debido a la gran diferencia entre la potencia esperada y la potencia real disponible. No es necesario buscar datos hidrológicos precisos si la producción de energía de la instalación propuesta está muy por debajo del uso máximo de energía del sitio elegido para el proyecto. Dado que la turbina se va a colocar cerca del río, es muy conveniente conocer las variaciones del nivel del agua para evitar que el agua invada las instalaciones durante las inundaciones.
Medición del caudal y la altura de un arroyo
La pendiente del canal, ya sea casi horizontal o muy pronunciada, determina la "altura" disponible. La altura es la diferencia de elevación entre el punto donde se inicia la captación del agua (inicio del arroyo o desvío de agua) y donde se utiliza para la conversión de energía (donde se instala el sistema hidroeléctrico). Diferentes niveles de cabeza requieren diferentes tipos de ruedas. Los sistemas que requieren una altura alta incluyen: turbinas Pelton y Turgo, y ruedas hidráulicas de retroceso y de avance. Los sistemas que requieren poca altura y un alto caudal son las turbinas Crossflow y las ruedas hidráulicas de pecho. Finalmente, cuando no hay ningún cabezal disponible (chorro horizontal), se puede utilizar una rueda hidráulica inferior. [2]
El flujo de agua es la velocidad a la que el agua se mueve a través de la corriente en un momento dado. El flujo de agua debe ser constante a lo largo de todo el arroyo (suponiendo que el río tenga un aporte de agua). Dado que un sistema hidroeléctrico utiliza la fuerza del agua (dependiente de su masa) y su energía potencial (dependiente de su altura) para generar energía, el caudal es necesario al calcular la producción de energía de un sistema hidroeléctrico.
Para evaluar la cantidad de flujo y la altura disponible, es necesario medir ambos. La elevación de altura se puede medir utilizando un grifo medidor o un medidor de altura. El caudal se puede medir construyendo una presa temporal con una tubería. Al llenar un recipiente con un volumen conocido de agua mientras medimos el tiempo necesario para llenar este volumen con un cronómetro, podemos determinar el flujo. Por ejemplo, si sostenemos un balde de cinco galones directamente en el flujo de una corriente y tarda 4 segundos en llenarse, podemos determinar que el flujo es de cinco galones por cuatro segundos, o 75 galones por minuto.
Potencia mecánica
Antes de la disponibilidad generalizada de energía eléctrica comercial, se producía y utilizaba energía mecánica simple para el riego y el funcionamiento de diversas máquinas, como molinos de agua , máquinas textiles, aserraderos, grúas portuarias y ascensores domésticos.
Durante 2.000 años, la energía hidráulica se ha aprovechado para realizar trabajos útiles. Las norias desempeñaron un papel vital en las primeras etapas de la industrialización en Europa y América del Norte, impulsando una amplia variedad de empresas de fabricación y procesamiento descentralizadas. La turbina hidráulica de acero proporcionaba más energía en un sitio determinado que la rueda hidráulica, y en los EE. UU. muchos molinos impulsados por ruedas hidráulicas se convirtieron en turbinas hidráulicas a finales del siglo XIX y principios del XX. Herreros y fundidores produjeron las turbinas y modificaron los diseños durante este período de gran innovación y producción rentable. Los molinos impulsados por agua produjeron: "... productos domésticos como cubiertos y herramientas de corte, escobas y cepillos... muebles, papel... mina de lápiz... agujas y alfileres... relojes y hasta lavadoras .... Para la finca produjeron abonos, pólvora, ejes, implementos agrícolas, barriles, mangos de hachas, ruedas, carros. Había fábricas de lana, algodón, lino, lino... curtidurías, fábricas de botas y calzado.. .y fábricas que fabrican aparatos quirúrgicos e instrumentos científicos.
Durante siglos, la energía procedente de los recursos hidroeléctricos ha sido capturada por el hombre: en 1688, la máquina MARLY, construida con 14 ruedas y tubos, permitía bombear agua desde el Sena, situado a 162 m de altitud, para abastecer el necesidades de los estanques y fuentes de Versalles.
Parte del trabajo que se sabe que realiza es aserrar madera y moler grano. El agua suele transferirse de diversas formas; Ejes, poleas, ruedas, cables y engranajes. La energía hidroeléctrica se remonta a los griegos, que utilizaban ruedas hidráulicas de eje vertical ya en el año 85 a.C. y ruedas de eje horizontal a partir del 15 a.C. La energía hidroeléctrica era la única fuente, además de la energía eólica, para realizar un trabajo útil hasta que apareció la máquina de vapor a principios del siglo XIX.
Otro método utilizaba un trampantojo para producir aire comprimido a partir del agua que caía, que luego podría usarse para alimentar otras máquinas a cierta distancia del agua.
Ejemplo de energía hidroeléctrica
Para calcular la energía máxima teórica que se puede producir a partir de una planta microhidráulica, se necesitan algunos datos. Entre ellas se encuentra la ecuación de Hazen-Williams, que permite calcular la pérdida por fricción. La ecuación es la siguiente: f=0.2083*(100/c) 1.852 *Q 1.852 /d 4.8655 , donde c es el coeficiente de hazen-williams y es exclusivo de la tubería utilizada, Q es el flujo en galones por minuto y d es el diámetro de la tubería en pulgadas. El coeficiente c de Hazen-Williams es un indicador de qué tan "lisa" es la pared interior de una tubería; dado que c está en el denominador, un valor de c más alto se correlaciona con una menor fricción.
Por ejemplo, para encontrar la pérdida por fricción de un flujo de 500 gpm a través de una tubería de PVC de 8" con un valor de CA de 150, la ecuación de Hazen-williams proporciona una pérdida de 0,613 pies por tubería de 100 pies. Una vez que haya encontrado los pies, pérdida por 100 pies de tubería, puede multiplicar esta tasa por la longitud de la tubería para determinar la pérdida total en pies. Luego restaría la pérdida total en pies de la altura total para encontrar la altura neta H que usará en su Cálculo de la potencia final.
Para determinar la potencia de salida de dicho sistema, se utiliza la ecuación P=Q*H/k, donde Q es el caudal en galones por minuto, H es la pérdida de carga en pies y k es una constante de 5,310 gal* pies/(min*kW). Para un flujo de 500 galones por minuto y una pérdida de carga de 60 pies, la potencia máxima se encontraría como: (500 gal/min *60 pies)/5310 gal-ft/min*KW, lo que equivale a 5,65 kW.
Este máximo teórico se ve impedido por obstáculos del mundo real, como la eficiencia de las turbinas, la fricción de las tuberías y la conversión de energía potencial a cinética. Para determinar cuánta energía puede producir una planta con una eficiencia determinada, simplemente multiplique la eficiencia teórica por la eficiencia de la planta. La eficiencia de la turbina generalmente está entre el 50 y el 80 %. Por ejemplo, si la misma planta tuviera un 90% de eficiencia, 5,65 kW*0,9= 5,085kW.
Centrales hidroeléctricas
Tipos
- Plantas de energía undimotriz (equipadas con generador mecánico y eléctrico)
- Plantas de energía mareomotriz (equipadas con generador mecánico y eléctrico)
- Centrales eléctricas de corriente mareomotriz (equipadas con generadores mecánicos y eléctricos)
- Sistemas de conversión de energía térmica oceánica (equipados con generador mecánico y eléctrico)
- Centrales eléctricas osmóticas (equipadas con generador mecánico y eléctrico)
- Centrales eléctricas Vortex (equipadas con generador mecánico y eléctrico)
- Centrales eléctricas de flujo continuo (equipadas con generadores mecánicos y eléctricos) [3] [4] [5]
Tenga en cuenta que los 4 sistemas de conversión de energía principales son sistemas de conversión de energía oceánica (uso en mar abierto), la planta de energía osmótica se usa donde el agua dulce y el agua salada convergen (es decir, desembocaduras de ríos que terminan en el mar) y se usan los 3 sistemas de conversión de energía inferiores. en ríos (de agua dulce), arroyos o en cuencas/estanques.
Categorización de centrales eléctricas de agua dulce.
Categoría: las plantas también se pueden clasificar como "a lo largo de la corriente de agua" u "otras". El primero, “a lo largo de la corriente de agua”, recibe agua del río o arroyo sin infraestructura de acumulación (presa, balsa, estanque…). El volumen de agua disponible para la turbina depende del caudal instantáneo del río.
Referencias
- ^ Términos del sistema de conversión de energía hidráulica y oceánica.
- ^ Autosuficiencia práctica por Dick y James Strawbridge
- ^ Término del sistema de conversión de energía actual del río.
- ^ Término del sistema de conversión de energía mareomotriz.
- ^ Término del sistema de conversión de energía de las olas.
- Village Earth: Central hidroeléctrica de bricolaje: Energía del agua / Energía hidroeléctrica
- Planos y fabricantes de centrales hidroeléctricas.
