Electricity, since its beginnings has been considered as the base of the social development. Implying a great utility for the development of the countries. since world energy consume is based on the burning of fossil fuels. The production of electricity has varied in the last decades, where the innovation process of such technologies have implied changes in the energetic matrix of the countries. In this way, the countries have changed the use of non-renowable, sources to renowable ones, diminishing the environment pollution. Thus, in this country, a series of hydroelectric projects have been generated. They provide a major efficiency. They do not cause loss in production.
Index Terms— Electricity, hydroelectric, turbine.
Para el ser humano ha sido un cambio radical el paso de utilizar lámparas de gas a utilizar lámparas eléctricas, esta transición no ha sido del todo fácil porque la energía eléctrica no es algo que está presente en la naturaleza empíricamente y se la pueda manipular, sino es una energía que se debe generar de alguna forma, la misma que será analizada posteriormente.
Gracias a los grandes inventores a través de la historia y de sus aportes e investigaciones desde Benjamin Franklin hasta Nikola Tesla, pasando Georg Simon Ohm, Alessando Volta, Michael Faraday, entre muchos otros grandes científicos, todos ellos lograron entender la electricidad y por ello lograron manipularla de alguna forma.
En nuestra época la energía eléctrica, que es una de las más importantes (), después de conocer un poco de la historia de la electricidad surge una pregunta: ¿Cómo se genera esta electricidad para poder manipularla y hacer de esta energía un beneficio para la sociedad?, pues para responder a esta incógnita debemos conocer que existen dos tipos de energías: la renovable y la no renovable, la energía no renovable es aquella que se encuentra en la naturaleza en cantidades limitadas y una vez que se haya consumido no se puede volver a sustituir, mientras que energía renovable es aquella energía que se obtiene de fuentes idealmente inagotables y que son capaces de regenerarse por medios naturales.
Las energías renovables pueden ser: eólica, geotérmica, hidroeléctrica, mareomotriz, solar, undimotriz, biomasa y los biocarburantes, la energía eléctrica, es la base de desarrollo de nuestra época, por ello nos centraremos en la generación hidroeléctrica que se basa en construir grandes represas en lugares estratégicos con mucha influencia fluvial, dentro de estas represas se encuentra el cuarto de máquinas que contiene grandes generadores de energía eléctrica, estos generadores van a depender de ciertos parámetros como la ubicación, potencia a generar, entre otros parámetros que veremos a continuación:
Una central Hidroeléctrica utiliza la energía hidráulica para la generación de energía eléctrica, la energía hidráulica se logra aprovechar gracias a un proceso de evolución, utilizaban este principio para moler trigo en la edad media.
Para la construcción de una central hidroeléctrica consiste en interceptar el cauce de un río con un flujo de agua constante para ello en un principio es necesario desviar el agua para la construcción del dique, una vez construido dicho dique vuelven a mandar el agua por cauce inicial pero este cauce va a pasar por las turbinas de generación, estas turbinas las hay de diferentes tipos que dependen de su ubicación geográfica, la potencia a generar los diferentes generadores de energía hidroeléctrica son: Turbina de rueda Pelton, Turbina Francis, Turbina Kaplan, Turbina Turgo, Turbina de Flujo cruzado.
2.1 Turbina de Rueda Pelton
Las turbinas Pelton se las conoce como turbinas de presión; La turbina Pelton actúa con la energía cinética del agua, en forma de chorro libre.
Las turbinas Pelton pueden ser de dos tipos: de eje horizontal cuando el número de chorros por rueda se reduce ya que la instalación de las tuberías de alimentación se complica notablemente. En las turbinas Pelton de eje vertical se facilita la colocación del sistema de alimentación en un plano horizontal lo que permite aumentar el número de chorros, de 4 a 6; y de esta manera se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia. [1][2]
2.1.1 Distribuidor
Se compone de varios equipos de inyectores de agua que dirigen un chorro de agua que se proyecta sobre el rodete, pero también regula el caudal preciso que ha de fluir hacia dicho rodete.
La cámara de distribución es la que conduce el caudal del agua y también sirve como soporte. [3][4]
2.1.2 Rodete
El rodete esta diseñado para recibir el chorro de agua directamente del distribuidor en las palas, el tamaño y número de palas dependen de las características de la instalación o de la velocidad específica. Las dimensiones de las palas dependerán directamente del diámetro del chorro. [3][4 ]
2.1.3 Carcasa
Es una envoltura metálica que cubre los inyectores, rodetes y demás elementos mecánicos de la turbina, la carcasa impide que el agua salga hacia el exterior ya que si esto sucediera por el gran caudal de agua que circula se produciría una inundación en el cuarto de máquinas. [3][4 ]
2.1.4 Cámara de Descarga
La cámara de descarga es la zona en donde el agua cae libremente hacia el desagüe, después de haber pasado por el rodete, Para evitar desgastes por el chorro de agua lo que se hace es colocar una bóveda con una altura de 2 o 3 metros de profundidad para acumular el agua. [3][4]
2.2 Turbina Francis
Las turbinas Francis son conocidas como turbinas de sobrepresión, tiene las componentes radial y circunferencial. A medida que el agua recorre la maquina, la componente radial se transforma gradualmente en componente axial: y la componente circunferencial se va reduciendo, de forma que a la salida del rodete el flujo es prácticamente axial.
Las turbinas Francis se clasifican según la velocidad específica del rodete ya que el número de revoluciones depende de la característica de salto. [5]
Table 1:
Valores de velocidad específica para diferentes tipos de turbinas Francis[10]
Las turbinas Francis pueden ser instaladas con el eje en posición horizontal o vertical. Los componentes de la turbina Francis se observan en la figura 2
2.3 Turbina Kaplan
Las turbinas tipo Kaplan son unas turbinas de admisión total y de reacción, este tipo de turbina emplean saltos de pequeña altura y caudales medios y grandes aproximadamente de 15 m 3 /s en adelante. Este tipo de turbina Kaplan se las conoce como turbinas de doble regulación, por intervenir en el proceso de regulación.
La turbina Kaplan se la puede instalar el eje posición vertical, o el eje en posición horizontal pero la mas adecuada es de eje vertical. .[6][7]
2.4 Turbina Turgo
A diferencia de la turbina Kaplan esta emplea saltos medianos. La construcción de su rodete es mas barato que el de la turbina Pelton, no emplea una carcasa, tiene una velocidad especifica mas elevada y puede manejar un mayor flujo. A pasar el agua por la turbina esta no cambiara su nivel de presión así al salir el agua sale con un nivel menor de energía, así el agua saldrá un con un nivel menor de energía. El rodete de esta turbina es similar a un rodete de una turbina Pelton. El valor de velocidad que alcance dicha energía, pudiendo implementa mentar varios inyectores, incrementando el numero de inyectores la velocidad especifica. Caracterizado por poseer una curva de eficiencia mas llana que las demás turbinas por lo cual las turbinas Turgo y las Pelton son las mas empleadas en el ámbito de generacional.
El rodete de la turbina Turgo es similar al de la turbina Pelton, siendo el diámetro del rodete de esta turbina la mitad del rodete de la Pelton, doblando el valor de la velocidad especifica. Dicho valor de velocidad es un valor intermedio de las turbinas Francis y Pelton.
2.5 Turbina de Flujo cruzado
También conocida como turbina Banki, se estudio experimentalmente variando el numero de laminas y diámetro de las palas, al realizar dicha variación se aprecio que la eficiencia aumento en cualquier aumento del flujo. [8]
Por el diseño de sus palas el flujo de agua ingresara a esta tangencialmente, es decir por su borde, saliendo por el interior de la misma. Para obtener una eficiencia alta el flujo de agua debe pasar dos veces y de manera similar se limpiara la turbina de residuos.
Lo que la hace atractiva, frente a otras turbinas clásicas es la sencillez de su construcción y, para ciertos rangos de caída y caudal, su costo significativamente menor, la principal desventaja comparativa frente a aquellas es su bajo rendimiento [9]
Las turbinas de generación son la piedra angular de toda central hidroeléctrica pero como se analizó tenemos diferentes tipos de turbinas generadoras con varias características que las hacen únicas, para la elección de las turbinas una central hidroeléctrica es necesario un minucioso estudio de geografía, estudio fluvial, estudio de demanda energética, entre otros; Por esta razón la turbina de rueda Pelton es la mas utilizada ya que se la puede colocar de forma horizontal o vertical ademas de esto puede poseer varias entradas de agua, la potencia que genera es mayor en comparación con las otras turbinas, también tiene una gran ventaja ya que su instalación es relativamente fácil.
Las turbinas son dispositivos que toman la energía mecánica producida por la precipitación del agua proveniente de una represa, buscando aprovechar al máximo dicho flujo las turbinas deben ser de una aleación metálica resistente ya que esta debe soportar grandes presiones para poder vencer su inercia y proporcionar troque al generador las turbinas poseen un diseño que brinda diferentes cualidades a esta dependiendo de las diseccionan y construcción de sus paletas, entre las que se destaca el costo y eficiencia de la misma. La turbina Turgo y Pelton son similares si consideramos su rodete siendo el rodete de la turbina Pelton, siendo el diámetro del rodete de la turbina Turgo el doble de la Pelton
[1] H. Xiao and B. Yu, "3d-viscous flow simulation and performance
prediction of a complete model francis turbine," in Mechanic Automation
and Control Engineering (MACE), 2010 International Conference on,
June 2010, pp. 3942-3944.
[2] J. Chang and J.-S. Zhong, "Nonlinear simulation of the francis turbine
neural network model," in Machine Learning and Cybernetics, 2004.
Proceedings of 2004 International Conference on, vol. 5, Aug 2004,
pp. 3188-3191 vol.5.
[3] S. Na and K. Takashi, "Curved surface of pelton bucket based on
differential geometry," in Power and Energy Engineering Conference
(APPEEC), 2012 Asia-Pacific, March 2012, pp. 1-4.
[4] H. Kayser, "Energy generation from sea waves," in Engineering in the
Ocean Environment, Ocean "74 – IEEE International Conference on,
Aug 1974, pp. 240-243.
[5] O. G. M. Panchi, "Modelacion y diseño digital para microcentrales de
generación hidroeléctrica," Master"s thesis, Escuela politécnica nacional,
Diciembre 2008.
4
[6] R. Johnson, J. Chow, and M. Dillon, "Pelton turbine deflector overspeed
control for a small power system," Power Systems, IEEE Transactions
on, vol. 19, no. 2, pp. 1032-1037, May 2004.
[7] P. Gohil and R. Saini, "Cfd: Numerical analysis and performance
prediction in francis turbine," in Non Conventional Energy (ICONCE),
2014 1st International Conference on, Jan 2014, pp. 94-97.
[8] M. L. A. Shahram Khosrowpanah, "Experimental study of cross flow
turbine," vol. 114, no. 3, MARCH 2008.
[9] E. a. P. H. . C. A. P. G. Jorge Iván Gómez Gómez, "La turbina mochell
banki y su presencia en colombia," Avances en Recursos Hidraulicos,
no. 17, pp. 33-42, Mayo 2008.
[10] R. Florez and J. Jimenez, "Reversibles hydromaquines aplicated to
microhydropower," Latin America Transactions, IEEE (Revista IEEE
America Latina), vol. 6, no. 2, pp. 170-175, June 2008.
[11] Y. N. J. Fukutomi, "A study of turbine for wave power generation,"
1990.
[12] J. S. Anagnostopoulos and D. E. Papantonis, "Flow modeling and runner
design optimization in turgo water turbines," INTERNATIONAL JOUR-
NAL OF APPLIED SCIENCE, ENGINEERING AND TECHNOLOGY,
vol. 4, no. 3, 2007.
[13] A. I. A. L. LAGOS, "DiseÑo, montaje y pruebas de un prototipo
de microcentral hidroelectrica con turbina pelton," MEMORIA PARA
OPTAR AL T ? ITULO DE INGENIERO CIVIL MEC ? ANICO,
UNIVERSIDAD DE CHILE, ENERO 2007.
[14] R. T. Z. Maricela, "Diseño de un biodigestor aplicado a las centrales
hidroelectricas mediante la utilizacion de lirio acuatico," Tesis de
Pregrado, Universidad politécnica salesiana, Mayo 2007. [Online].
Available: http://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/268
[15] A. H. E. H. M. S. O. B. Yaakob, Yasser M. Ahmed, "A review on
micro hydro gravitational vortex power and turbine systems," Teknologi,
vol. 69, no. 7, March 2014.
[16] D. E. P. Phoevos K. Koukouvinis, John S. Anagnostopoulos, "Sph
method used for flow predictions at a turgo impulse turbine: Comparison
with fluent," World Academy of Science, Engineering and Technology,
vol. 5, Julio 2011.
[17] G. Ranjitkar, J. Huang, and T. Tung, "Application of micro hydropower
technology for remote regions," in EIC Climate Change Technology,
2006 IEEE, May 2006, pp. 1-10.
[18] W. Song, H. Wang, and J. Li, "Simulated calculation of interblade vortex
in francis turbine"s whole flow passage," in Consumer Electronics, Com-
munications and Networks (CECNet), 2011 International Conference on,
April 2011, pp. 4392-4396.
[19] N. M. A. V. R. Desai, "Parametric evaluation of cross?flow turbine
performance," Energy Engineering, vol. 120, no. 1, 1994.
[20] A. Yahya, W. Munim, and Z. Othman, "Pico-hydro power generation
using dual pelton turbines and single generator," in Power Engineering
and Optimization Conference (PEOCO), 2014 IEEE 8th International,
March 2014, pp. 579-584.
[21] Y. Yaoyao, H. Wang, R. Gong, X. Wei, and W. Liu, "Numerical study of
francis turbine flow field under small opening condition," in Electronic
and Mechanical Engineering and Information Technology (EMEIT),
2011 International Conference on, vol. 4, Aug 2011, pp. 1675-1678.
Autor:
José Roberto Toledo Illescas
Mateo Santiago Valverde Jara
Universidad Politécnica Salesiana Sede Cuenca