Hydropower/es

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La energía hidroeléctrica es la energía derivada de la fuerza o energía del agua en movimiento, ya sea del mar o de fuentes de agua dulce. Puede utilizarse para realizar trabajo mecánico o para generar electricidad.

Un sistema de conversión de energía hidroeléctrica (HECS), ^{[ 1 ]} o recolector de energía hidroeléctrica es el término para la máquina utilizada para generar esta energía mecánica o eléctrica a partir de la energía capturada del agua en movimiento.

Análisis de la energía hidroeléctrica disponible

Cantidad de caudal 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, la solar, la biomasa, etc. Nuestra propuesta considera que la conclusión de este inventario es un paso previo a la decisión de instalar una central hidroeléctrica, quizás además de aerogeneradores o colectores solares.

Una central eléctrica requiere una altura de caída y un caudal (pérdida de carga). El reconocimiento del terreno en campo o en un mapa topográfico señala la ubicación tanto del caudal como de la pendiente. Estos puntos se identifican fácilmente en el terreno donde el río fluye torrencialmente, pero otras ubicaciones también pueden ser apropiadas. La extensión de la caída es fácil de determinar para un topógrafo mediante un teodolito. Sin embargo, la estimación del caudal disponible es mucho más difícil debido a su variación según la estación (véase caudal medio). Es prudente subestimar la tasa disponible, ya que la central eléctrica tampoco debe extraer toda el agua de la red. Por ejemplo, en una extracción completa, el biotopo acuático se verá gravemente afectado 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 caudal de reserva mayor.

Cuando se identifican varios sitios, la lejanía del consumidor es otro criterio a considerar en el análisis de viabilidad. Esta lejanía implica una línea eléctrica más larga y dificulta la monitorización de la planta. Una línea eléctrica representa un gasto importante y es una fuente de pérdidas de energía.

Caudal medio de agua

El caudal instantáneo de un sistema fluvial depende de la cantidad de lluvia, la cual a su vez depende de la estación. El caudal instantáneo varía diariamente, con un mínimo que suele ubicarse al final de la estación seca, si esta es pronunciada. El concepto de caudal medio no resulta útil para las centrales eléctricas ubicadas a lo largo del curso de agua; sin embargo, permite estimar mejor la producción energética potencial de la infraestructura si se prevé una acumulación. El estiaje, es decir, el caudal mínimo del río durante 24 horas, determina el potencial de producción energética mínima de una instalación. Si las observaciones hidrológicas (mediciones del caudal del río) se realizan durante varios años, es posible determinar el caudal mínimo promedio alcanzado anualmente, o observarlo cada 5 años o, incluso con menos frecuencia, cada 10 años. De hecho, la severidad de la sequía varía según el año. Una medición de caudal durante 365 días no puede indicar si el mínimo observado es una velocidad excepcional (baja o alta) o, más bien, un mínimo promedio. Los datos hidrológicos pueden ser esenciales para el diseño de la minicentral hidroeléctrica propuesta. La falta de caudal, y por ende, la escasez de agua, generará desilusión durante el funcionamiento de la instalación debido a la gran diferencia entre la potencia prevista y la potencia real disponible. No es necesario buscar datos hidrológicos precisos si la potencia de la instalación propuesta es muy inferior al consumo máximo de energía del emplazamiento elegido para el proyecto. Dado que la turbina se ubicará 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 caída disponible. La caída es la diferencia de elevación entre el punto donde se comienza a captar el agua (inicio del arroyo o desviación) y el punto donde se utiliza para la conversión de energía (donde se instala el sistema hidroeléctrico). Diferentes niveles de caída requieren distintos tipos de ruedas. Los sistemas que requieren una caída alta incluyen: turbinas Pelton y Turgo, y ruedas hidráulicas de tiro inverso y de tiro superior. Los sistemas que requieren poca caída y un caudal elevado son las turbinas de flujo cruzado y las ruedas hidráulicas de tiro inferior. Finalmente, cuando no hay caída disponible (arroyo horizontal), se puede utilizar una rueda hidráulica de tiro inferior. ^{[ 2 ]}

El caudal es la velocidad a la que el agua se mueve por el arroyo en un momento dado. El caudal debe ser constante a lo largo del 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 para calcular la producción energética de un sistema hidroeléctrico.

Para evaluar el caudal y la altura disponibles, es necesario medirlos. La altura se puede medir con un grifo o un altímetro. El caudal se puede medir construyendo una presa temporal con una tubería. Al llenar un recipiente con un volumen conocido de agua y medir el tiempo necesario para llenarlo con un cronómetro, podemos determinar el caudal. Por ejemplo, si colocamos un cubo de cinco galones directamente en la corriente de un arroyo y tarda cuatro segundos en llenarse, podemos determinar que el caudal es de cinco galones cada cuatro segundos, o 75 galones por minuto.

Potencia mecánica

Antes de la amplia disponibilidad de energía eléctrica comercial, se producía y utilizaba energía mecánica simple para riego y el funcionamiento de diversas máquinas, como molinos de agua , máquinas textiles, aserraderos, grúas de muelle y ascensores domésticos.

Durante 2000 años, la energía hidráulica se ha aprovechado para realizar trabajos útiles. Las ruedas hidráulicas desempeñaron un papel vital en la industrialización temprana de Europa y Norteamérica, impulsando una amplia variedad de empresas descentralizadas de fabricación y procesamiento. La turbina hidráulica de acero proporcionaba más energía en un lugar determinado que la rueda hidráulica, y en Estados Unidos, muchos molinos accionados por ruedas hidráulicas se convirtieron a turbinas hidráulicas a finales del siglo XIX y principios del XX. Herreros y fundidores fabricaron las turbinas y modificaron los diseños durante este período de gran innovación y producción rentable. Los molinos hidráulicos producían: "... artículos domésticos como cuchillería y herramientas de corte, escobas y cepillos... muebles, papel... minas de lápiz... agujas y alfileres... relojes e incluso lavadoras... Para la agricultura producían fertilizantes, pólvora, ejes, aperos agrícolas, barriles, mangos de hacha, ruedas y carruajes. Había molinos de lana, algodón, lino y lino... curtidurías, fábricas de calzado y calzado... y molinos que producían aparatos quirúrgicos e instrumentos científicos".

Durante siglos, la energía de los recursos hidroeléctricos ha sido captada por el hombre: en 1688, la máquina MARLY, construida con 14 ruedas y tuberías, permitió rebombear agua del Sena, situado a 162 m de altitud, para abastecer las necesidades de los estanques y fuentes de Versalles.

Algunas de las funciones que se le atribuyen son aserrar madera y moler grano. El agua suele transferirse mediante diversos medios: ejes, poleas, ruedas, cables y engranajes. La energía hidroeléctrica se remonta a los griegos, quienes utilizaban ruedas hidráulicas de eje vertical desde el año 85 a. C. y ruedas de eje horizontal desde el año 15 a. C. La energía hidroeléctrica fue la única fuente, además de la eólica, capaz de realizar trabajo útil hasta la llegada de la máquina de vapor a principios del siglo XIX.

Otro método utilizaba una trompeta para producir aire comprimido a partir del agua que caía, que luego podía usarse para alimentar otras maquinarias a distancia del agua.

Ejemplo de energía hidroeléctrica

Para calcular la energía máxima teórica que puede producirse en una microcentral hidroeléctrica, se necesita cierta información. Entre ellas se encuentra la ecuación de Hazen-Williams, que permite calcular las pérdidas 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 específico de la tubería utilizada, Q es el caudal en galones por minuto y d es el diámetro de la tubería en pulgadas. El coeficiente de Hazen-Williams c indica la suavidad de 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 calcular la pérdida por fricción de un caudal 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 cada 100 pies de tubería. Una vez calculada la pérdida por cada 100 pies de tubería, se puede multiplicar esta tasa por la longitud de la tubería para determinar la pérdida total. Luego, se resta la pérdida total a la altura total para obtener la altura neta H que se utilizará en el cálculo final de la potencia de salida.

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 5310 galones por pie cúbico/(minuto*kW). Para un caudal de 500 galones por minuto y una pérdida de carga de 60 pies, la potencia máxima se calcularía como: (500 galones por minuto*60 pies)/5310 galones por pie cúbico/minuto*kW, lo que equivale a 5,65 kW.

Este máximo teórico se ve impedido por obstáculos reales, como la eficiencia de la turbina, la fricción de las tuberías y la conversión de energía potencial a cinética. Para determinar cuánta energía puede producir una planta con una eficiencia dada, simplemente multiplique el valor teórico por la eficiencia de la planta. La eficiencia de la turbina generalmente se encuentra entre el 50 y el 80 %. Por ejemplo, si la misma planta tuviera una eficiencia del 90 %, 5,65 kW*0,9 = 5,085 kW.

Centrales hidroeléctricas

Tipos

• Plantas de energía undimotriz (equipadas con generadores mecánicos y eléctricos)
• Centrales maremotriz (equipadas con generadores mecánicos y eléctricos)
• Centrales eléctricas de corrientes de marea (equipadas con generadores mecánicos y eléctricos)
• Sistemas de conversión de energía térmica oceánica (equipados con generadores mecánicos y eléctricos)
• Centrales osmóticas (equipadas con generador mecánico y eléctrico)
• Centrales eléctricas Vortex (equipadas con generadores mecánicos y eléctricos)
• Centrales eléctricas de flujo continuo (equipadas con generadores mecánicos y eléctricos) ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Tenga en cuenta que los 4 principales sistemas de conversión de energía son los sistemas de conversión de energía oceánica (uso en mar abierto), la planta de energía osmótica se utiliza donde convergen el agua dulce y el agua salada (es decir, las desembocaduras de los ríos que terminan en el mar) y los 3 sistemas de conversión de energía inferiores se utilizan en ríos (de agua dulce), arroyos o en cuencas/estanques.

centrales eléctricas de agua dulce

Categoría: Las plantas también pueden clasificarse como "a lo largo del curso de agua" u "otras". La primera, "a lo largo del curso de agua", recibe agua del río o arroyo sin infraestructura de acumulación (presa, charca, estanque, etc.). El volumen de agua disponible para la turbina depende del caudal instantáneo del río.

Referencias

• Tierra Aldea: Planta hidroeléctrica hágalo usted mismo: Energía a partir del agua / Energía hidroeléctrica
• Planos y fabricantes de centrales hidroeléctricas

Véase también

• Comparación de rotores de palas para HECS
• recolección de energía
• Sistema de conversión de energía eólica
• Mareas
• Escalera de peces