Facultad de Ingeniería
Consejo Académico de Facultad
Directiva Nº:
04-12-2013/FI-UCV
Universidad César Vallejo
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Mecánica Eléctrica
Título del Proyecto Integrador
ENERGIA HIDRAULICA
INFORME DE FINAL DEL PROYECTO INTEGRADOR DEL I CICLO
Autores:
Alamo Peña Jose
Cabrera Rodriguez Luis
Francia Cochagne Fargo
Pairasaman Rodriguez Keler
Rojas Benites Walter
Asesores:
Ing. Inciso Vásquez Jorge Antonio
Trujillo, Perú
2013
ENERGIA HIDRAULICA
RESUMEN
En general, estas centrales aprovechan la energía potencial que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica.
En el presente trabajo se habla de un tipo de energía renovable y que no necesita de combustibles para ser adquirida, hablamos de la energía hidroeléctrica.
Esta es la gran pregunta que nos planteamos para hacer esta monografía: ¿La energía hidroeléctrica podría ser la energía de futuro? Esta pregunta se plantea con la base de que en la actualidad hay energía eléctrica pero mucha se casa contaminando.
El gran problema de la humanidad es el de la contaminación, ya que está destruyendo el planeta pero en el presente trabajo monográfico les damos una alternativa para extraer energía eléctrica.
Se podría decir que la energía hidroeléctrica no es contaminante, pues eso no es del todo cierto ya que la energía hidroeléctrica daña ecosistemas y es muy costosa, estas serían las desventajas que tiene.
Las centrales hidroeléctricas son las que extraen este tipo de energía, estas tienen un gran presupuesto y maquinas, las cuales no contaminan el ambiente ya que no necesitan combustible, pero estas necesitan sustancias para ser limpiadas estas sustancias hacen que el agua del rio no sea pura.
Terminamos este resumen agregando este tipo de energía tiene más de 2000 años de ser utilizada y que fue evolucionando de manera magnifica.
ABSTRAC
In general, these plants take advantage of the potential energy which has the mass of water of a natural runway by virtue of a difference in height, also known as jump geodetic survey. Water in its fall between two levels of the runway is passed through a hydraulic turbine which transmits energy to a generator where is transformed into electrical energy.
In this paper refers to a type of renewable energy and that does not require fuel to be acquired, are talking about the ENERGIA HIDROELECTRICA.
This is the big question that we ask to make this monograph: hydroelectric power could be the energy of the future? This question arises with the basis that currently there are electric power but much is married to polluting.
The great problem of humanity is the pollution, it is destroying the planet, but in this case study we give them an alternative to extract electrical energy.
You could say that hydropower is no pollutant, then is not entirely true as the hydropower damaged ecosystems and is very expensive, these would be the disadvantages that you have.
Hydroelectric plants are which extracted this type of energy, they have a big budget and machines, which do not pollute the environment since they do not need fuel, but these needed substances to be cleaned do these substances that the river water is not pure.
We ended this summary by adding this type of energy is more than 2000 years to be used and that it was evolving in a way magnificent.
INTRODUCCION
Todos sabemos la gran importancia que tiene el agua en nuestras vidas, ella está presente en variadas actividades de nuestra vida diaria, en nuestro cuerpo.
El hombre para poder atender las variadas necesidades que tiene, ha tenido que crear objetos, los cuales ayuden a satisfacer su necesidad, como todo esto hace que el hombre pueda solucionar muchos de sus problemas, se ha ido mejorando su calidad de vida.
La energía de una masa de agua en movimiento, que se desplaza entre dos puntos situados a diferente cota de nivel, es directamente proporcional a la altura existente entre los dos niveles en que se mueve el agua, o bien es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad con que el agua llega a la cota inferior que es donde se hace la recuperación energética. Se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura. La energía potencial, durante la caída, se convierte en cinética. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente, se convierte en energía motriz. Es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua, y una vez utilizada, es devuelta río abajo.
La energía hidráulica es la fuente renovable de electricidad más importante y más utilizada en el mundo. Representa un 19% de la producción total de electricidad, siendo Canadá el productor más importante de energía hidroeléctrica, seguido por los Estados Unidos y Brasil.
Aproximadamente dos tercios del potencial hidroeléctrico económicamente viable quedan aún por desarrollar. La energía hidráulica no aprovechada es todavía muy abundante en América Latina, África central, India y China.
Denominamos GRANHIDRAULICA a aquellas centrales con una P>10 MW; MINIHIDRAULICA, centrales con una potencia entre 1 MW y 10 MW; y micro-hidráulica, centrales con una P < 1 MW.
ANTECEDENTES
REALIDAD PROBLEMÁTICA
La salida de la crisis tiene uno de sus agujeros negros en el déficit energético que padece nuestro país. Es un problema de muy difícil solución a corto plazo. Sin embargo, las crisis, como la que actualmente soportamos, nos pueden llevar a pensar con calendarios de urgencia que solo sirvan para ahorrar hoy, hipotecando el futuro en un túnel sin salida.
Los dos conjuntos de factores básicos de los que depende la respuesta a la demanda energética son, de un lado, el acceso a los recursos básicos y, del otro, la competencia tecnológica para gestionarlos. Por lo que se refiere a los recursos básicos nuestra situación es altamente precaria, mientras que la ciencia no avance en campos como la fusión fría o el almacenamiento de energía disponible para su uso. Pero hay un recurso que a nuestro país le ofrece oportunidades de largo alcance: El hidráulico.
Por ello, invitarles a reflexionar en el conjunto de factores que conforman nuestra actividad económica y la calidad de vida, desde el punto de vista de sus necesidades de energía.
PROBLEMA
¿Será necesario el estudio de la energía hidráulica con la finalidad de mejorar la calidad de vida del ser humano sin dañar la naturaleza?
OBJETIVOS
-objetivos generales
Comprender la importancia del estudio de la física en nuestras vidas, para lo cual es necesario realizar un recorrido por distintas nociones de esta disciplina.
-objetivos específicos
Mediante el uso de recursos accesibles se anhela la creación de un sistema capaz de convertir energía renovable encontrada en el medio ambiente para así aprovechar los recursos y mejorar la calidad de vida, ya que es un ciclo, una
Cadena, mientras la gente aprenda a consumir este tipo de productos no solo se ayuda al medio ambiente, también a la economía, a la apreciación y claro al avance científico.
EQUIPOS Y MATERIALES DE INVESTIGACION
Áreas determinadas de estudio:
Física
Matemáticas
Competencia comunicativa
Lenguaje
MARCO TEORICO
CONCEPTO
La fuerza del agua ha sido utilizada durante mucho tiempo para moler trigo, pero fue con la Revolución Industrial, y especialmente a partir del siglo XIX, cuando comenzó a tener gran importancia con la aparición de las ruedas hidráulicas para la producción de energía eléctrica. Poco a poco la demanda de electricidad fue en aumento. El bajo caudal del verano y otoño, unido a los hielos del invierno hacían necesaria la construcción de grandes presas de contención, por lo que las ruedas hidráulicas fueron sustituidas por máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carbón.
La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.
A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de energía hidroeléctrica eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas.
En todo el mundo, este tipo de energía representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay, se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y es una de las más grandes.
En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.
La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura. La energía potencial, durante la caída, se convierte en cinética. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores.
Es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua y, una vez utilizada, es devuelta río abajo. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Todo ello implica la inversión de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos. Sin embargo, el peso de las consideraciones medioambientales y el bajo mantenimiento que precisan una vez estén en funcionamiento centran la atención en esta fuente de energía.
CLASIFICACIÓN
Se pueden clasificar según varios argumentos, como características técnicas, peculiaridades del asentamiento y condiciones de funcionamiento.
En primer lugar hay que distinguir las que utilizan el agua según discurre normalmente por el cauce de un río, y aquellas otras a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano. Se denominan:
Centrales de Agua Fluente, Centrales de agua embalsada, Centrales de Regulación, Centrales de Bombeo.
Según la altura del salto de agua o desnivel existente:
Centrales de Alta Presión, Centrales de Media Presión, Centrales de Baja Presión
Centrales de Agua Fluente:
Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas.
No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío.
Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua.
Centrales de agua embalsada:
Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), conseguidos mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Este agua es utilizada según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.
Centrales de Regulación:
Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo.
Centrales de Bombeo:
Se denominan "de acumulación". Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su actuación consiste en acumular energía potencial. Pueden ser de dos tipos, de turbina y bomba, o de turbina reversible.
La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde otra central hidráulica, térmica o nuclear.
No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible.
Centrales de Alta Presión:
Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los 200 metros de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m3/s por máquina.
Situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud.
Centrales de Media Presión:
Aquellas que poseen saltos hidráulicos de entre 200-20 metros aproximadamente. Utilizan caudales de 200 m3/s por turbina.
En valles de media montaña, dependen de embalses.
Centrales de Baja Presión:
Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que puede superar los 300 m3/s.
Sin embargo, también tiene una serie de inconvenientes: las represas: obstáculos insalvables. Salmones y otras especies que tienen que remontar los ríos para desovar se encuentran con murallas que no pueden traspasar. "Contaminación" del agua, el agua embalsada no tiene las condiciones de salinidad, gases disueltos, temperatura, nutrientes, y demás propiedades del agua que fluye por el río. Privación de sedimentos al curso bajo. Los sedimentos se acumulan en el embalse empobreciéndose de nutrientes el resto de río hasta la desembocadura.
CENTRALES HIDROELÉCTRICAS EN EL PERÚ
Central hidroeléctrica de carhuaquero: Ubicada en la sierra norte del país, en el distrito de Llama, provincia de Chota, departamento de Cajamarca, a 377 metros sobre el nivel del mar.
Fue comenzada a construir por Electroperú en 1980, pero, por carencia de financiamiento, recién en 1991 pudo entrar en operación, con una potencia instalada de 75 Megawatts (MW), generada por tres turbinas Pelton de eje vertical de 25 MW cada una, movidas por las aguas del río Chancay, que llegan, con un caudal de 22.2 metros cúbicos por segundo, desde el embalse Cirato, primero a través de un túnel de aducción de 13.52 kilómetros, luego a través de un pique (estructura vertical de 350 metros de largo), y, por último, a través de un túnel de presión de un kilómetro.
La casa de máquinas, de tipo superficie, es de concreto armado.
La energía generada, de 10 kilovoltios (KV), es elevada a 220, y luego transportada, mediante una línea de transmisión de terna simple, de 220 KV, 85 kilómetros de largo y 150 MW de capacidad, hasta la subestación Chiclayo Oeste, alimentando así al sistema eléctrico nacional.
La central es operada y controlada desde Chiclayo, mediante un sistema de transmisión de información vía microondas.
En 1996 fue privatizada, pasando a manos de la empresa Dominion Energy, que en 1999 se la transfirió a la norteamericana Duke Energy Egenor.
En 1998, al aumentarse el diámetro de las boquillas de los inyectores (para incrementar el diámetro del chorro) y modificarse las tres turbinas existentes, amplió su potencia a 95 MW. También se amplió los generadores y transformadores.
En noviembre del 2007 fue inaugurado el proyecto de ampliación Carhuaquero IV, mientras que en abril del 2010 se hizo lo propio con Carhuaquero V (también conocido como Caña Brava, con 5.7 MW). Con ambos, se amplió a 112 MW la potencia instalada.
3.2. Cañón del Pato: Diseñada inicialmente para tener una capacidad final de 150 MW, La Central Hidroeléctrica de Cañón del Pato entró en operación en 1958. Su potencia original fue de 50 MW y posteriormente se amplió a 100 y 150 MW, en 1967 y 1981 respectivamente.
Las estructuras principales de la central están construidas en la margen derecha del río Santa, entre el río Quitaracsa y la quebrada de los Cedros, que forma parte de la Cordillera Blanca.
En 1999, Duke Energy terminó las obras de su plan de expansión de 100 MW, basado fundamentalmente en la ampliación de Cañón del Pato, de 150 MW a 247 MW de capacidad instalada. Actualmente la planta tiene una potencia efectiva de 263 MW.
La central aprovecha las aguas del río Santa, el cual tiene una cuenca de captación de 4,897 Km2. En 1992 se pusieron en servicio los embalses de las lagunas de Parón y Cullicocha; en el 2003 la laguna de Aguascocha y en el 2005 la laguna de Rajucolta que en conjunto aportan 70 millones de m3 en la época seca. Estos embalses constituyen un valioso aporte para incrementar la generación de la central.
Planta hidroeléctrica de Santiago de Antúnez de Mayolo: Ubicada en la provincia de Tayacaja, departamento de Huancavelica, es la parte fundamental del Complejo Hidroenergético del Mantaro y la central eléctrica más importante del país. Tiene una potencia de 798 megawatts (MW). Emplea las aguas del río Mantaro, que, luego de ser almacenadas en la represa de Tablachaca, son conducidas hasta aquí por un túnel de 19.8 kilómetros de largo y 4.8 metros de diámetro.
En esta quebrada, las aguas descienden por tres tubos de 3.3 metros de diámetro, experimentando una caída neta de 748 metros, y poniendo en movimiento siete turbinas Pelton (de eje vertical y cuatro inyectores), cada una de las cuales genera 114 MW.
Luego, las aguas turbinadas salen por el puente-tubo de 100 metros de largo que se observa en la parte baja izquierda de las fotos y son conducidas mediante un túnel de 800 metros de largo hasta la central Restitución, que conforma la segunda etapa (Mantaro 2) de este complejo hidroenergético, que suma, con el aporte de ambas, una potencia total de 1008 MW.
Central hidráulica del gallito Ciego: Está ubicada en la parte baja del aliviadero de demasías de la represa de Gallito Ciego. Posee una potencia instalada de 34 megawatts (MW) y una potencia efectiva de 38.14 MW. Su producción anual es de 150 gigawatts-hora.
Para generar la electricidad, cuenta con dos turbinas Francis de eje vertical, las cuales giran al recibir el agua que cae desde una altura bruta de 83 metros, con un caudal de 42 metros cúbicos por segundo.
Fue construida en 1997 y pertenece a la empresa SN Power Perú S.A.
Central hidroeléctrica Huinco: En Lima. Inaugurada en 1964, utiliza las aguas del río Santa Eulalia. Tiene una capacidad instalada de 258 MW. Es una obra maestra de la ingeniería, pues para instalarla se tuvo que contruir una gigantesca caverna en el interior de la montaña, de 108 metros de largo, 31 de ancho y 24 de alto.
Para llegar a ella se debe recorrer una galería de acceso de 858 metros de largo. En la parte central de la caverna está la sala de máquinas, al lado derecho los transformadores y cables de 220 KV, y al lado izquierdo la sección hidráulica con las válvulas. Debajo de esta última se halla el túnel de descarga. Fue la central más grande del país hasta que se construyó la del Mantaro.
Planta hidroeléctrica de machu picchu: En la provincia de Urubamba, departamento de Cusco. Genera energía a partir de las aguas del río Urubamba (llamado Vilcanota en la zona). Fue inaugurada en 1955, con una turbina Francis de 20 megawatts (MW), a la que en 1963 se le unió otra similar. Luego, en 1985 se le instalaron tres turbinas Pelton de 22.4 MW cada una, ampliando su potencia a 107 MW.
El agua, captada en una bocatoma, recorre un túnel de aducción de 3.3 kilómetros de largo, y luego cae a la central por dos tuberías forzadas, desde una altura de 365 metros.
En febrero de 1998, la central fue sepultada por un alud, que la dejó inoperativa hasta el año 2001, cuando quedó parcialmente rehabilitada con sus tres turbinas Pelton generando 30 MW cada una, con un total de 90 MW.
Actualmente está siendo ampliada con una inversión de US$ 148 millones, para producir, a partir de julio del 2012, 100 MW adicionales. Con ello, su potencia total llegará a 192 MW.
Represa de ItaipúSituada: Paraguay y BrasilRepresa de ItaipúSituada: Paraguay y Brasil
Represa de Itaipú
Situada: Paraguay y Brasil
Represa de Itaipú
Situada: Paraguay y Brasil
Además, dentro de su Fase II se construirá, junto a la actual, una nueva casa de máquinas, alimentada por una nueva tubería forzada, paralela a las dos actuales. Allí se instalará una turbina tipo Francis de eje vertical de 99 MW. Con ello, el Complejo Hidroeléctrico Machu Picchu generará un total de 300 MW. Y dado que se evalúa mejoras para generar 50 MW adicionales, la capacidad total podría alcanzar los 350 MW.
Los trabajos están siendo ejecutados por la empresa Graña y Montero. La central pertenece a la estatal Empresa de Generación Eléctrica Machu Picchu (EGEMSA).
Central hidráulica de San gabán II: Las obras se ubican entre los 2.055 y 1.402 m.s.n.m. La Central Hidroeléctrica aprovecha los recursos hídricos del Río San Gabán y la diferencia de nivel natural de las estribaciones de la ceja de selva en el Sur del Perú. La caída bruta de la Hidroeléctrica es de 678 m; el caudal estimado es de 19 m3/s. Las obras comprenden: Casa de Máquinas para dos turbinas de eje vertical, tipo Pelton, de 55MW cada una; Túneles de Acceso, carga, descarga y de cables, conducto forzado en subterráneo de 848m y 02 S.E.
Las obras preliminares ejecutadas fueron: Rehabilitación de la Carretera de Acceso, con una extensión de 14 Km.; construcción del Puente Tabinapampa (tipo Bayle), con longitud de 60 m y construcción de la Villa Residencial para Operadores de la Central, de 4.200 m2 de área techada.
VENTAJAS DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA
Son muchas las ventajas de la energía hidráulica, pero entre ellas destaca su potencial como energía renovable. Se trata de un recurso procedente del agua de la lluvia y, además, esa agua empleada en el proceso puede volver a utilizarse, pero existen muchos otros puntos a favor de esta fuente de energía.
La larga vida útil de este tipo de instalaciones las convierte en uno de los recursos renovables más utilizados en la actualidad. En el caso de países como España, ofrece una excelente vía para reducir la dependencia energética exterior ya que se puede producir en el propio país.
Además, ayuda a disminuir la emisión de gases de efecto invernadero, al servir como sustituto de otras fuentes más contaminantes para producir electricidad. Se calcula que cada kWh producido en una central hidroeléctrica evita la importación de unos 220 gramos de petróleo. En un año de producción hidroeléctrica media, España se ahorra anualmente la importación de unos siete millones de toneladas equivalentes de petróleo.
Los recursos hidráulicos facilitan la gestión de los picos de demanda energética, ya que el agua depositada en los embalses está disponible para su uso. Por tanto, es una fuente renovable que permite su almacenamiento, lo cual ayuda a la seguridad del suministro.
Disponibilidad: Es un recurso inagotable, en tanto en cuanto el ciclo del agua perdure.
No contamina" (en la proporción que lo hacen el petróleo, carbón, etc.): Nos referimos a que no emite gases "invernadero" ni provoca lluvia ácida, es decir, no contamina la atmósfera, por lo que no hay que emplear costosos métodos que limpien las emisiones de gases.
Produce trabajo a la temperatura ambiente: No hay que emplear sistemas de refrigeración o calderas, que consumen energía y, en muchos casos, contaminan, por lo que es más rentable en este aspecto.
4.1. Ventajas económicas
Aunque es necesaria una inversión muy importante para el desarrollo de las infraestructuras que componen una central hidroeléctrica, a la larga, este tipo de energía resulta barata. Si bien la energía hidráulica parte de un recurso natural -las corrientes de agua- su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Sin embargo, una vez superada esta fase, sus costes de explotación son bajos, y su mejora tecnológica hace que se aproveche de manera eficiente los recursos hidráulicos disponibles.
Además hay que tener en cuenta las ventajas económicas indirectas que la energía hidráulica puede tener para los habitantes de la zona donde se instala una central.
Los embalses de las centrales hidroeléctricas pueden servir para revitalizar económicamente una población, no sólo durante su fase de construcción.
Los embalses pueden convertirse en zonas de recreo(remo, bañarse, etc.), de atractivo turístico, lo que impulsará la creación de pequeñas empresas turísticas que generan empleo.
De forma adicional también las presas en los ríos, además de servir para producir energía eléctrica, son muy útiles para regular el caudal del río. De esta forma se pueden evitar crecidas peligrosas del caudal y se logra abastecer de agua a los cultivos y a la población en épocas de severa sequía.
DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA
A pesar de contar con muchas ventajas de la energía hidráulica también presenta algunos inconvenientes, derivados en su mayor parte del impacto ambiental de las infraestructuras necesarias para su explotación: embalses, conductos, en definitiva, las centrales hidroeléctricas.
Las principales desventajas de la energía hidráulica son:
Las centrales hidroeléctricas requieren de un importante desarrollo de la infraestructura que producirá la electricidad. Sin estas infraestructuras España sólo podría disponer de alrededor del 8-9% de las aportaciones hídricas naturales, frente al 37- 47% que podemos utilizar actualmente gracias a los 56.000 Hm3 de capacidad de los embalses. De ellos, aproximadamente el 40% corresponde a embalses construidos por empresas hidroeléctricas.
La construcción de las grandes presas hidroeléctricas, una vez puestas en operación, puede seguir ocasionando daños al medio ambiente, ya que modifican el hábitat ecológico de la vegetación del entorno y de los peces y demás especies que viven en el agua. En ocasiones, esto también puede afectar a la calidad del agua embalsada.
Otros inconvenientes están relacionados con la dificultad de preveer la producción de energía que serán capaces de generar las instalaciones, ya que dependen del caudal disponible en los ríos en cada momento.
Las sequías, el funcionamiento de la energía hidroeléctrica depende de las lluvias y el clima. Los embalses se vacían durante períodos de sequía. Esto impide la generación de energía por parte de la planta hidroeléctrica, lo que provoca cortes en el suministro eléctrico. Las regiones tropicales son especialmente propensas a este tipo de sequías durante el fenómeno climático del Niño.
Los desplazamientos de la población, la construcción de embalses y presas ocupa áreas extensas y habitad, incluso en zonas rurales. El desplazamiento de la población de estos lugares ha sido uno de los problemas más importantes relacionados con el desarrollo de la energía hidroeléctrica. El proyecto de la presa de las Tres Gargantas en China provocó el desplazamiento de 89.000 personas de la cuenca hidrográfica.
Por último, las centrales hidroeléctricas suelen estar en lugares retirados de los centros de consumo, lo que obliga a la ejecución de líneas de transporte. Esta necesidad, además de encarecer la inversión, provoca pérdidas de energía y un impacto ambiental que cada vez encuentra más detractores.
El riesgo de catástrofes, las fallas en las presas ponen en peligro a la población que habita río abajo. Esto puede provocar una catástrofe durante terremotos y circunstancias naturales extremas o a causa de fallas de ingeniería en el diseño de la presa.
TURBINAS HIDRÁULICAS
La función de una planta hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada en un lago, a una elevación más alta y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. Este proceso toma en consideración varios factores entre los cuales uno de los más importantes es la caída de agua (head). Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica que se instala en la planta.
La turbina hidráulica es la encargada de transformar la energía mecánica en energía eléctrica, por esto es de vital importancia saber elegir la turbina adecuada para cada sistema hidroeléctrico.
Las turbinas se pueden clasificar de varias maneras estas son:
1. Según la dirección en que entra el agua:
Turbinas axiales: el agua entra en el rodete en la dirección del eje.
Turbinas radiales: el agua entra en sentido radial, no obstante el agua puede salir en cualquier dirección.
2. Desacuerdo al modo de obrar del agua:
Turbinas de chorro o de acción simple o directa.
Turbinas de sobrepresión o de reacción.
3. Según la dirección del eje:
Horizontales.
Verticales.
Hay otras clasificaciones, según las condiciones de construcción, no obstante la clasificación más importante es la que las separa de acuerdo al modo de obrar el agua, estas son de reacción o de chorro.
Aunque hay muchas turbinas que entran en estas clasificaciones las más importantes son las turbinas Pelton, Francis y Kaplan.
Una caída alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, de impulso o tipo Pelton. Si la caída es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina de reacción tipo Francis. Para caídas bajas (menores de 200 pies) se utiliza un tipo de turbina de reacción tipo Kaplan.
TURBINAS DE CHORRO
Estas fueron las primeras turbinas que se utilizaron, sin embargo el desarrollo y el empleo de estas turbinas no empieza hasta la mitad del siglo XIX , primero se empleó la denominada rueda tangencial introducida por el ingeniero suizo Zuppinger en 1846, que bajo las formas modificadas de hoy se conoce como rueda Pelton, es importante anotar que son muy eficientes, el rendimiento de las ruedas tangenciales ha llegado hasta 95%.
En la turbina Pelton, el agua tiene una presión muy alta. La válvula de aguja, que se usa para controlar el flujo de agua, deja pasar un chorro de agua que choca con los álabes de la turbina transfiriéndole su energía y haciendo girar la turbina. Esta, a su vez, hace girar un generador que está acoplado al eje de la turbina para producir energía eléctrica, como medida de seguridad se usa una válvula esférica.
CLASES DE TURBINAS HIDRAULICAS
Las turbinas Pelton, conocidas también como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rotor, de chorro libre, de impulsión, de admisión parcial por atacar el agua sólo una parte de la periferia del rotor.
Así mismo entran en el grupo de las denominadas turbinas tangenciales y turbinas de acción.
Es utilizada en saltos de gran altura (alrededor de 200 m y mayores), y caudales relativamente pequeños (hasta 10 m3/s aproximadamente).
Son de buen rendimiento para amplios márgenes de variación del caudal (entre 30 % y 100 % del caudal máximo).
Pueden ser instaladas con el eje en posición vertical u horizontal, siendo esta última disposición la más adecuada.
COMPONENTES DE UNA TURBINA PELTON
Los componentes esenciales de una turbina Pelton, son:
El distribuidor
El rotor
La carcasa
La cámara de descarga
El sistema de frenado
El eje de la turbina
8.1. Distribuidor
Está constituido por uno o varios equipos de inyección de agua.
Cada uno de dichos equipos tiene como misión dirigir convenientemente un chorro de agua cilíndrico y de sección uniforme sobre el rotor.
También regula el caudal preciso que ha de fluir hacia el rotor, llegando incluso a cortarlo totalmente cuando sea necesario.
El número de equipos de inyección, colocados circunferencialmente alrededor del rotor, depende de la potencia y características del generador y según las condiciones del salto de agua.
8.2. Partes Constitutivas Del Distribuidor
El distribuidor consta de las siguientes partes:
8.2.1. Cámara de distribución:
Es la prolongación de la tubería forzada, acoplada a ésta por una brida de unión. Entre la tubería forzada y la cámara de distribución se localiza la válvula de entrada a turbina. También es conocida como cámara de inyectores.
Tiene como misión fundamental conducir el agua hasta el inyector. Igualmente sirve de soporte a los demás mecanismos que integran el distribuidor
8.2.2. Inyector:
Es el elemento mecánico destinado a dirigir y regular el chorro de agua. Está compuesto por:
Tobera: constituye una boquilla, con orificio de sección circular de un diámetro entre 5 y 30cm., instalada al final de la cámara de distribución. Dirige el chorro de agua, tangencialmente hacia la periferia del rotor, de tal modo que la prolongación de la tobera forma un ángulo de 90º con los radios de rotor
Aguja: Constituye un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la tobera con movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos.
Deflector: Es un dispositivo mecánico que, a modo de pala o pantalla, puede ser intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del chorro de agua, entre la tobera y el rodete, presentando la parte cóncava hacia el orificio de tobera.
Equipo regulador de velocidad:
Está constituido por un conjunto de dispositivos a base de servomecanismos, cuya función es mantener constante la velocidad rotación.
Turbina Pelton de 6 inyectores
Turbina Pelton de dos inyectores
ROTOR O RODETE
Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua en energía mecánica. Esencialmente consta de los siguientes elementos.
Rueda motriz:
Está unida rígidamente al eje por medio de chavetas y anclajes adecuados. Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los cangilones.
Cangilones:
También denominados álabes, cucharas o palas. Están diseñados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior lo más afilada posible, de modo que divide al cangilón en dos partes simétricas Sobre esta arista donde incide el chorro de agua.
CARCASA
Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, el rotor y los otros elementos mecánicos de la turbina. Su principal objetivo es evitar que el agua salpique al exterior cuando, luego de abandonar los cangilones
CAMARA DE DESCARGA
La cámara de descarga, también conocida como como tubería de descarga, es la zona por donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido el rotor. Para evitar deterioros por la acción de los chorros de agua, y especialmente de los originados por la intervención del deflector, la cámara de descarga suele disponer de un colchón de agua de 2 a 3 m de espesor y blindajes o placas situadas adecuadamente
SISTEMA DE FRENADO
Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución. El agua, proyectada a gran velocidad sobre la zona convexa de los cangilones, favorece el rápido frenado del rodete, cuando las circunstancias lo exigen
EJE
Esta rígidamente unido al rotor y situado adecuadamente sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de rotación al eje del generador.
PRINCIPIOSDE FUNCIONAMIENTODE UNA TURBINA PELTON
La arista del cangilón corta al chorro de agua, seccionándolo en dos láminas de fluido, simétricas y teóricamente del mismo caudal.
Estos chorros de agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los cangilones que lo forman, obteniéndose el trabajo mecánico deseado.
Las formas cóncavas de los cangilones hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales, sin ninguna incidencia posterior sobre los cangilones sucesivos.
De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rotor, donde queda transformada instantáneamente en energía mecánica.
- Microturbinas Pelton
Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es la única máquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m. La velocidad específica es baja, entre 10 y 60 en el sistema métrico, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial.
Entre las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont-Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo 870 m de carga.
Turbinas Pelton de Eje Vertical:
Con la disposición de eje vertical, se facilita la colocación del sistema de alimentación en un plano horizontal, lo que permite aumentar el número de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad.
Turbinas Pelton de Eje Horizontal:
El número de alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, dependiendo de la velocidad específica de la turbina. Para alta velocidad específica el número de alabes es menor.
TURBINAS DE REACCION
Las turbinas de reacción son de dos tipos: Francis y Kaplan. En ellas ocurre un proceso similar, excepto que la presión es más baja, la entrada a la turbina ocurre simultáneamente por múltiples compuertas de admisión (wicket gates) dispuestas alrededor de la rueda de álabes (runner) y el trabajo se ejerce sobre todos los álabes simultáneamente para hacer girar la turbina y el generador.
TURBINA FRANCIS Y PROPELLER
Estas turbinas se caracterizan por lo siguiente:
Están formadas por una espiral que va a alimentar al rodete.
Se utilizan para caídas medianas.
Tienen un distribuidor que orienta el agua hacia el rodete.
Asemejan una bomba centrífuga.
El agua no está a la presión atmosférica.
Descargan a contra presión.
Generalmente están provistas de una válvula mariposa como medida de prevención.
TURBINA DE KAPLAN
Esta se caracteriza por lo siguiente:
Se utilizan para caídas bajas.
El rodete recuerda la forma de una hélice de barco.
El ángulo de inclinación de las palas del rodete es regulable.
Se utilizan para gastos muy grandes.
La regulación se efectúa por medio de un distribuidor como en las Francis y además con el ángulo de inclinación de las palas en el rodete.
TABLA DE COMPARACION ENTRE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS.
PELTON
FRANCIS
KAPLAN
Microturbinas Pelton
-Se usan en zonas rurales, donde se aprovechan los recursos hidroenergéticos que existen en pequeños ríos.
Miniturbinas Pelton
-Según las normas europeas las minicentrales hidroeléctricas son aquellas que están comprendidas en el rango de 100kW a 1000Kw de potencia.
-Según la organización Latinoamericana de Energía clasifica en el rango de 50kW a 500kW.
-Los modelos desarrollados por ITDG cubren el rango de 50kW a 1000kW.
Picoturbinas Pelton
-El rango de picocentrales está por debajo de los 10kW.
-se aprovechan por los recursos hidráulicos existentes en quebradas muy pequeñas, manantiales u otras fuentes.
Las turbinas Francis de Pozo
-Son utilizadas con bajas caídas de aproximadamente 1,5 m - 10 m y grandes volúmenes de agua.
Las turbinas Francis espiral
-Son empleadas predominantemente en instalaciones con potencias mayores, alturas de caídas de 5 m hasta aproximadamente 250 m y donde no varía mucho el caudal de agua.
-Por sus elevados números de revoluciones se puede lograr casi siempre la velocidad síncrona de un generador, permitiendo un acople directo entre la turbina y el generador.
La importancia de las turbinas Hélice y Kaplan en pequeños saltos con grandes caudales.
Empleadas tanto en centrales maremotrices como en algunas minicentrales hidráulicas.
La tendencia a la construcción de turbinas cada vez más rápidas, para velocidades específicas NS mayores de 450.
La aguja, gobernada por el regulador de velocidad, cierra más o menos el orificio de salida de la tobera, consiguiendo modificar el caudal de agua que fluye por ésta, a fin de mantener constante la velocidad del rotor, evitándose embalamiento o reducción del número de revoluciones.
DESARROLLO
-objetivo general
Comprender la importancia del estudio de la física en nuestras vidas, para lo cual es necesario realizar un recorrido por distintas nociones de esta disciplina.
-objetivo especifico
1. Buscar una forma de generar electricidad sin dañar el ecosistema.
2. Aprovechar los recursos naturales.
3.Mejorar la calidad de vida de las personas de nuestro entorno.
CONCLUSIONES
Es importante agregar que el 65% de la energía eléctrica que llega a nuestras casas son alimentados por centrales hidroeléctricas. Las cuales transforman la energía potencial del agua para generar energía eléctrica.
La energía eléctrica ayuda para hacer de muchos de nuestros trabajos algo más fáciles con la ayuda de los objetos tecnológicos que pueden funcionar gracias a ella.
En conclusión diremos que el agua cumple un rol protagónico en la vida del hombre, tanto como para facilitar su actividad diaria.
El consumo actual de energía eléctrica en las instalaciones del Tecnológico de Monterrey es adecuado a los equipos actualmente instalados. Sin embargo, estos equipos son de muy baja eficiencia, es decir, por su diseño intrínseco desperdician gran cantidad de energía, para cubrir los requerimientos de ergonomía y seguridad que deben tener toda instalación.
La mayoría de los circuitos de toma corriente, de la parte administrativa, están compuestos por equipos electrónicos: computadoras personales, fotocopiadoras, impresoras, los cuales producen un consumo a la institución.
Los equipos de moderna tecnología, descritos en el desarrollo de este trabajo, coinciden en aumentar la eficiencia y reducir el consumo de energía eléctrica.
Se presenta la posibilidad de sustituir todas estas luminarias por unas de más eficiencia, que permitirá un ahorro considerable de energía, del orden del 30 %. Además las nuevas luminarias permiten un menor costo en mantenimiento, en comparación con las ya instaladas.
Se encontraron niveles de iluminación muy bajo, zonas de trabajos fuera de la línea de luz, entre otras.
RECOMENDACIONES
A continuación se enumeran una serie de recomendaciones cuya implementación son vitales para mejorar la operabilidad de los sistemas energéticos de la región, promover la producción sostenible los combustibles derivados de la biomasa forestal y estimular el uso eficiente de los mismos.
Entre ellas, por ejemplo, cabe citar las siguientes:
* Incluir en la planificación energética los requerimientos energéticos de la población humana considerada generadora de demanda "no solvente", lo que implica incorporar en las consideraciones de abastecimiento a las fuentes con las cuales ésta satisface parcialmente aquellos. O sea, incluir en la planificación la totalidad de los requerimientos y de los abastecimientos. Esto posibilitaría, por ejemplo, el tratamiento integral de los recursos naturales y una modificación en los comportamientos formales de los sectores de Ciencia y Tecnología respecto al desarrollo de tecnologías simples para aumentar la eficiencia en el uso de las fuentes energéticas que abastecen la llamada demanda "no solvente".
* Analizar las posibilidades de que los bioenergéticos pudieran continuar abasteciendo requerimientos de energía crecientes en el medio rural y aún en ciertos usos en el medio urbano, como por ejemplo en los establecimientos de algunas ramas industriales localizadas en este medio, deberían ser seriamente evaluadas.
* Establecer grupos interinstitucionales y multidisciplinarios para considerar la competencia existente entre diversas funciones resultantes del uso de Biomasa como fuente energética y motivar a los directivos de las instituciones de investigación a dar respuestas correctas que integren las problemáticas del desarrollo, el medio ambiente y la energía, atendiendo las preocupaciones puestas de manifiesto en la ECO '92.
* Incorporar al conjunto de variables utilizadas en la evaluación del desarrollo, las que expresan los efectos de las actividades productivas sobre los recursos naturales. En este sentido debería promoverse la elaboración de las cuentas del patrimonio natural como parte de las cuentas nacionales, lo que conduce al conocimiento de la cuantía, el flujo y las relaciones eco sistémicas de los principales recursos que integran los ecosistemas.
* Promover estudios en profundidad de las interrelaciones de los ecosistemas forestales con el resto de los ecosistemas que integran unidades espaciales-territoriales interdependientes y promover las medidas necesarias para lograr sistemas dendro energéticos optimizados.
El conocimiento de dichas interrelaciones también implicará un aporte necesario a la toma de decisiones sobre expansión "hacia afuera" de la "frontera agrícola", así como en la elección de especies exóticas para programas o planes de reforestaciones y/o forestaciones.
En el primero de los casos, dicho conocimiento podría recomendar la aplicación de mayores esfuerzos en la expansión "hacia adentro" de la "frontera agrícola", procurando incrementos de producción a partir de la difusión de adecuados métodos de producción o tecnologías.
En el segundo de los casos, el citado conocimiento posibilitará superar las restricciones actualmente planteadas por la incorporación de especies exóticas "desconocidas" desde el punto de vista de los impactos sobre el funcionamiento productivo de los ecosistemas, optando seguramente en muchos casos por la adopción de un adecuado manejo de las especies nativas.
* Disminuir la presión sobre los recursos forestales, en zonas con déficit de abastecimiento de leña, hasta límites compatibles con criterios de desarrollo sostenible con la participación de los habitantes de las zonas involucradas e involucrando además al conjunto de la sociedad. Promover la aplicación de regímenes que posibiliten la reducción de la presión sobre los recursos forestales, ya sea incrementando la oferta de leña y/o reduciendo el consumo mediante la adopción de artefactos de conversión de leña en energía más eficientes. Donde sea necesario, promover el uso de fuentes de energía alternativas, sea hasta la recuperación de la capacidad productiva de los ecosistemas forestales, o bien procurando una mayor diversidad de fuentes de energía.
* Apoyar a los países en el diseño y ejecución de planes o programas de forestación, reforestación y/o manejo integral de los recursos forestales, con fines energéticos. Mediante esta acción se obviarían los errores cometidos históricamente en países que, sin una previa evaluación de los impactos sobre el medio ambiente, asumieron ofertas tecnológicas no adecuadas a los citados fines. Esta acción debería desarrollarse en el marco de una "transición energética" de la situación actual hacia Sistemas Dendroenergéticos y de otras fuentes renovables debidamente optimizados en relación con los intereses de los países. Esto implicaría la sustitución de fuentes altamente contaminantes por fuentes menos agresivas, entre las que se destacan las bioenergéticas en general y los recursos forestales en particular.
* Formular y ejecutar políticas dendroenergéticas nacionales, bajo criterios ambientales y de desarrollo sostenible. Tales políticas, además de lo ya expuesto, implican:
* La recolección sistemática y continua, y la correspondiente divulgación de la información sobre los recursos, la oferta y la demanda de Biomasa Forestal como fuente de energía en sus diversas aplicaciones.
* El reforzamiento institucional de los países para la elaboración y promoción de planes o programas para el uso racional de la dendroenergía, tanto a nivel nacional, como regional y local en los casos necesarios.
* la intensificación de los esfuerzos de investigación, desarrollo y demostración de tecnologías dendroenergéticas, orientadas principalmente a las poblaciones localizadas en zonas críticas desde el punto de vista del abastecimiento energético.
REFERENCIAS LINKOGRAFICAS
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www.edu.xunta.es/centros/iescatabois/system/files/4fq05.pps
http://prezi.com/zbg9y6449ziz/exposicion-proyecto-de-energia-hidraulica/
http://electivaycontexto.wdfiles.com/local--files/ambiental/HIDRAULICA.pdf
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http://www.slideshare.net/tyfaxsahrawia/energia-hidraulica-8171924
http://www.slideshare.net/sharongonzalez351/presentacin2-25691657
http://www.slideshare.net/TecnologiaIndustrial93/trabajo-energia-hidraulica
http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2010/10/energia-hidraulica.pdf
http://exterior.pntic.mec.es/pvec0002/e_hidraulica.htm
http://comunidad.eduambiental.org/file.php/1/curso/contenidos/docpdf/capitulo17.pdf
Manuale dell'Ingegnere. Edición 81. Editado por Ulrico Hoepli, Milano, 1987. ISBN 88-203-1430-4
Handbook of Applied Hydraulics. Library of Congress Catalog Card Number 67-25809.
Engenharia de Recursos Hídricos. Ray K. Linsley & Joseph B. Franzini. Editora da Universidade de Sao Paulo e Editora McGraw-Hill do Brasil, Ltda. 1978.
Handbook of Applied Hydrology. A Compendium of Water-resources Tecnology. Ven Te Chow, Ph.D., Editor in Chief. Editora McGraw-Hill Book Company. ISBN 0-70107742. 1964.
Hidráulica de los Canales Abiertos. Ven Te Chow. Editorial Diana, México, 1983. ISBN 968-13-1327-5
ANEXOS
