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División de Estudios y Desarrollo

FUNDAMENTOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS PEQUEÑAS Y SUS

OBRAS ANEXAS

MARCIAL GONZALEZ SALAS

INGENIERO CIVIL HIDRAULICO

JUNIO - 2008


Principios de Hidrogeneración

Carga y Caudal

La energía hidráulica se obtiene cuando un flujo de agua cae desde un nivel superior a uno inferior.

La caída vertical del agua o “carga” es esencial en la generación hidráulica. El escurrimiento rápido del agua por si sola no contiene energía suficiente para generación hidroeléctrica,

un curso de agua escurre por un cauce “cerro abajo”,

un río atraviesa una cascada

un río atraviesa una barrera artificial

un canal o embalse descarga el agua devolviéndola al río de origen


Por consiguiente:

La generación de energía hidroeléctrica requiere de dos elementos:

un Caudal de agua “Q”

y

una Carga “H”.


La “Carga Bruta”


La “Carga Neta”

( H )

es la caída vertical máxima de agua disponible, desde el nivel de captación en el río hasta el nivel de descarga al cauce.

Es la diferencia entre la Carga Bruta y la Carga Real.

La Carga Real o “Neta” de una turbina es algo menor que la “Carga Bruta”por las pérdidas producidas en el trayecto del agua hacia la Casa de Máquina.

Menor de 10 metros : “Carga Baja”.Entre 10 y 50 metros : “Carga Media”Sobre 50 metros : “Carga Alta”



El “Caudal” (Q) de un río es el volumen de agua que escurre por segundo, medido en (m3/s).

En el caso de aprovechamientos pequeños, el caudal se puede expresar en litros/segundo (l/s) en que 1000 l/s equivalen a 1 m3/s .


Potencia y Energía


“Energía”

“Potencia”

Es la cantidad de trabajo realizado, o la capacidad para realizar un trabajo (Joule) .

La “Electricidad” es una forma de energía, que se expresa en kilowatt-horas (KWh).

Es la energía generada por segundo.Se mide en Watts (1 Watt = 1 Joule/s)

1 Kilowatt (KW) son 1000 Watts.


todo lo anterior son datos para el Cálculo de la Potencia

P = η . ρ . g . Q . H P : es la potencia mecánica producida por el eje de la turbina (Kilowatts)

η : es la eficiencia hidráulica de la turbina(70% - 90%)

ρ : es la densidad del agua (1000 Kg/m3)

g : es la aceleración de gravedad ( 9,81 m/s2)

Q : es el Caudal que pasa por la turbina (m3/s)

H : es la Carga Neta del agua sobre la turbina (m)No se compliquen

Alguien lo calculará por Uds.

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Las hidroturbinas transforman la presión del agua en potencia mecánica axial, para hacer girar un generador eléctrico y producir energía eléctrica


Ventajas de las Centrales Hidroeléctricas Pequeñas

Una de las tecnologías de generación de energía limpia más:

económicas: Bajos costos de operación y mantenimiento

Confiables: larga vida útil

De alta eficiencia (70% - 90%) que supera ampliamente a las otras fuentes de generación eléctrica

Con un alto nivel de predicción que depende de los patrones anuales de precipitaciones

Con un factor de planta elevado (generalmente > 50%) si se compara con la eólica (generalmente < 30%) y la solar

Una baja tasa de variabilidad diaria con un cambio gradual en el tiempo

Un mínimo impacto ambiental por emplazamiento y operación

Amplia experiencia en este tipo de tecnología en el país

Escenario legal y ambiental favorable como fuente de ERNC


Centrales Hidroeléctricas Pequeñas Asociadas a Obras de Riego

Aspecto clave : Conocer las distintas variaciones en el entorno físico en que se ubican estas hidrocentrales, que inciden en sus costos:

aspectos geológicos y de mecánica de suelos para el emplazamiento de las obras,

el largo de los canales de aducción, la falta de caminos para trasladar los equipos, los lugares en que se ubican las bocatomas, la distancia de las líneas de transmisión, etc.


Ingeniería Básica

Aspectos Generales

1.- Barrera de captación2.- Rebalse3.- Canal de aducción4.- Aliviadero de emergencia5.- Desarenador6.- Cámara de carga7.- Aducción8.- Casa de Máquinas9.- Restitución al cauce10.- Cauce natural

El costo de construcción de una central hidroeléctrica de pasada depende tanto de la altura de caída como de los caudales disponibles.


Ingeniería Básica

Se acepta como norma general que las centrales hidroeléctricas pequeñas son tanto más económicas cuanto menor es su caudal de diseño y mayor es su altura de caída.

De acuerdo a la experiencia acumulada por especialistas en la materia, la composición media de los costos sería la siguiente:

a) Ingeniería : 20 %b) Obras Civiles : 30 %c) Equipos Electromecánicos : 50 %


Teniendo en cuenta todas estas variables, los costos totales de una central hidroeléctrica pequeña pueden fluctuar entre los US$1500 y los US$ 2500 por KW instalado.

Estas cifras pueden variar significativamente dependiendode la complejidad de las obras civiles y de la distancia a las líneas de transmisión eléctrica.


Costos de la Ingeniería Básica

Los costos anuales de una central hidroeléctrica :Fijos: derivados de la operación y mantenimiento Variables: derivados directamente de las inversiones involucradas

(dependen de las tasas de interés, depreciaciones, impuestos, seguros, etc.)

Los costos de operación:las remuneraciones del

personal (sistemas automatizados de bajo requerimiento de personal )

los costos de mantenimiento reducidos (no sobrepasa anualmente el 2 % del costo de construcción.)


Ingeniería Básica Antecedentes GeneralesPara el estudio y diseño de una central hidroeléctrica pequeña se requiere la siguiente información básica:

HidrologíaTopografíaAspectos Geológicos y GeotécnicosAspectos Medioambientales


Hidrología

Es necesario conocer las variaciones diarias, estacionales e interanuales del caudal disponible para la central hidroeléctrica para determinar su potencia y la energía media generable.

Además, se requiere determinar los caudales extremos de la fuente de abastecimiento, de modo de elaborar diseños seguros que permitan sortear adecuadamente las crecidas.


Topografía

Se deberá determinar las alturas de caídasexistentes a partir de la información disponible, ya sea de planos elaborados por organismos estatales tales como la CNR, DOH, IGM o CIREN, o directamente por las organizaciones de regantes.

Si éstos no existieren o fueran inadecuados para estos propósitos, se deberá efectuar levantamientos especiales que sean compatibles con las obras a diseñar.


Aspectos Geológicos y Geotécnicos

Se deberá conocer las características del terreno en que se fundarán las obras hidráulicas y las estructuras hidromecánicas y eléctricas, para poder determinar su estabilidad frente a sismos, vientos, nieve, erupciones volcánicas, etc.

Dependiendo del tamaño de la central hidroeléctrica se deberá ser más riguroso en el alcance de los estudios geológicos, geomorfológicos, geotécnicos y sísmicos.


Aspectos Medioambientales

Las centrales hidroeléctricas pequeñas están consideradas como fuentes de generación amigables para el medioambiente, pero pueden producir algunas alteraciones que es preciso determinar para implementar medidas de mitigación:

Durante la construcción, se deberá cuidar la instalación de faenas, movimientos de tierra, modificación de taludes naturales, disposición de desechos, tránsito de vehículos, etc.

Durante la explotación, se deberá tomar los resguardos por las disminuciones de caudales que se puedan originar en tramos del cauce natural del cual se derivó el canal alimentador, o de los terrenos inundados por una eventual obra de regulación en bocatoma.


Obras CivilesObras hidráulicas necesarias para disponer del caudal que escurre por un cauce natural captándolo, conduciéndolo hacia las turbinas y devolviéndolo a dicho cauce.

Obras de CaptaciónDesarenadorObras de AducciónCámara de Carga o Chimenea de EquilibrioTuberías en PresiónCasa de MáquinasObras de Restitución


Equipos Hidromecánicos

Son los equipos destinados al Control del Caudal que escurre por el acueducto, tales como compuertas, válvulas, rejillas y sus elementos de accionamiento.

Destacan las Turbinas y sus equipos y elementos de Protección y Control, que transforman la Energía Hidráulica en Mecánica.

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TurbinasPueden ser:

De impulso o acción ( Pelton, Turgo y Mitchell-Banki o de flujo transversal)

De reacción. (Francis y las de Hélice.)

Cada una de las cuales tiene un campo de aplicación bien específico, que depende de la altura de caída existente y del caudal disponible.


Equipos de protección y control

Las válvulas de corte de entrada para reparaciones

Reguladores de velocidad para mantener una velocidad constante de rotación o evitar embalamientos cuando se desconecta el generador en una emergencia


Campo de aplicación de cada uno de los Tipos de Turbinas:

Disponiendo de la altura de caída y el caudal de diseño del proyecto en estudio, es posible seleccionar con este gráfico el tipo de turbina más adecuado como también la potencia generada.


Equipos Eléctricos

Son los destinados a transformar la energía mecánica en eléctrica, su transporte y el control de ambos procesos. Entre éstos cabe mencionar:

Generador Transformador de PoderEquipos Eléctr. AuxiliaresEquipos de ConexiónSistemas de Enlace


Centrales Hidroeléctricas Pequeñas en Chile

PGH Las Cascadas: 172 kW ; Bocatoma - Lago Yelcho



PGH Las Cascadas: 172 kW ; Equipos



PGH Canal Eyzaguirre : 1,9 MW – Sociedad Canal del Maipo


PGH Canal Eyzaguirre, Turbina Ossberger : 1,9 MW – Soc. Canal del Maipo




PGH Puntilla – Río Maipo : 8,5 MW, Sociedad Canal del Maipo



PGH Puntilla - Río Maipo; Arribo turbina Francis a la Planta



PGH Puntilla – Río Maipo; Montaje Turbina Francis : 8,5 MW


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