¿Qué es la energía hidroeléctrica y los tipos de turbinas hidroeléctricas?

La energía hidroeléctrica es, con mucho, la forma de recurso de energía renovable más utilizada en el mundo. También es el método más antiguo de generación de energía. Estadísticamente, la electricidad mundial producida por energía hidroeléctrica es del 21%, y el número total de personas abastecidas por la energía generada por plantas hidroeléctricas es la asombrosa cifra de 1.250.000.000. Un récord de 25 países depende de la energía hidroeléctrica para el 90% de su electricidad. Todas estas estadísticas apuntan al hecho de que la energía hidroeléctrica seguirá gobernando el mundo, aunque otras formas renovables de energía, como la solar y la eólica, están cobrando fuerza rápidamente.

La energía hidroeléctrica es simplemente el proceso de aprovechar la energía cinética del agua en movimiento para producir energía. La energía hidroeléctrica se clasifica como una energía renovable debido a que el sol renueva continuamente el ciclo del agua. La energía hidroeléctrica se utilizó por primera vez en moliendas mecánicas como la molienda de granos. En el mundo moderno, las centrales hidroeléctricas utilizan turbinas y generadores para producir electricidad.

¿Cómo funciona una central hidroeléctrica?

Para que se genere poder, deben estar presentes tres cosas; agua corriente, una turbina y un generador. El agua que fluye de la presa o río arriba golpea la turbina, lo que hace que gire. La turbina está conectada al generador a través de un eje. Entonces, cuando la turbina gira, el eje también gira, lo que hace que el generador comience a funcionar y, finalmente, produzca energía.

El principio de la energía hidroeléctrica es similar al de la energía eólica que hace girar las ruedas de la turbina con su energía. La energía hidroeléctrica utiliza el flujo natural del agua para dar energía mecánica a las turbinas para producir electricidad. El agua fluye continuamente para proporcionar energía. La energía gravitacional le da al agua la energía cinética requerida para el flujo.

En casos normales, el flujo ordinario de agua es suficiente para que funcione como la electricidad de una casa; pero en otros casos se debe aumentar su flujo y eficiencia, lo que se puede hacer mediante la conducción de agua a lo largo de canales y tuberías forzadas, lo que aumentaría la producción.

El funcionamiento de un generador es sofisticado. Funciona según el principio de que cuando se empuja un imán a través de un conductor, provoca el flujo de electricidad. En un generador a gran escala, los electroimanes se desarrollan simplemente haciendo circular CC (corriente continua) a través de bucles de alambre envueltos alrededor de montones de láminas de acero magnético, conocidas como polos de campo. Estos polos de campo se colocan sobre el límite del rotor. El rotor normalmente está conectado al eje de la turbina y gira a una velocidad establecida. A medida que giran los rotores, activa los polos de campo, también conocidos como electroimanes, para ir más allá de los conductores colocados en el estator. Esto, eventualmente, da como resultado un flujo de electricidad. También da como resultado la generación de voltaje en los terminales de salida del generador.

Los componentes de una central hidroeléctrica a continuación explican en gran medida cómo funciona:

Componentes de una Central Hidroeléctrica

Las presas se construyen para elevar el nivel del agua del río con el fin de crear agua que cae. Una presa también controla el flujo de agua. El cuerpo de agua formado (reservorio) es, esencialmente, energía almacenada.

El agua que cae alberga mucha energía, de modo que cuando cae sobre la turbina, hace que ésta gire. Una turbina de agua tiene mucho en común con un molino de viento; es solo que la energía es suministrada por agua y no por viento. La turbina giratoria convierte la energía cinética (movimiento) del agua en energía mecánica.

El generador normalmente está conectado a la turbina a través de ejes. Cuando la turbina gira, los generadores también giran. El generador convierte la energía mecánica en electricidad. Los generadores de centrales hidroeléctricas funcionan de la misma manera que los generadores utilizados en otras centrales eléctricas.

Las líneas de transmisión transportan electricidad desde las centrales hidroeléctricas hasta los usuarios finales, como hogares y empresas.

Tipos de turbinas hidroeléctricas

Las turbinas hidroeléctricas se clasifican en dos; turbinas de impulsión y turbinas de reacción. El tipo de turbina seleccionada para un determinado proyecto depende en gran medida de la altura del agua estancada, comúnmente conocida como “cabeza”. A continuación se muestra un punto destacado de las dos clasificaciones principales de turbinas hidroeléctricas:

1. La turbina de impulso

Este es el tipo de turbina de nivel de entrada utilizado en la mayoría de las plantas de generación de energía hidroeléctrica. La funcionalidad de una turbina de impulso es bastante interesante. Un líquido que se mueve rápidamente pasa a través de una boquilla delgada en las palas de la turbina para permitir que las palas giren. Las palas instaladas en una turbina de impulso normalmente tienen forma de cubo, por lo que detienen el líquido y lo canalizan en ángulo.

En otros escenarios; el líquido redirigido a donde se originó. Sucede así porque el proceso ofrece la mejor transferencia de energía del líquido a la turbina. En pocas palabras, el líquido se ve obligado a golpear la turbina a velocidades supersónicas. Esos impulsos de energía constante son los fundamentos del funcionamiento de la turbina de impulso.

La mayoría de las turbinas de agua giran alrededor de la turbina de impulso, aunque otras utilizan el modelo de turbina de reacción. Las turbinas de impulso son las más preferidas porque son fáciles de desarrollar, tienen diseños sencillos y son mucho más fáciles de mantener. La turbina de impulso se subdivide en:

• Turbina de flujo cruzado: Tiene forma de tambor. La mayoría de las turbinas de agua cuentan con flujos axiales y radiales. Sin embargo, en una turbina de flujo cruzado, el fluido pasa a través de la turbina en diagonal oa través de las palas. Lo único de este tipo de turbina es que permite que el agua fluya dos veces a través de sus aspas. Durante el primer paso, el agua fluye desde los extremos exteriores de las paletas hacia el interior, mientras que el segundo flujo es desde el interior de las paletas hacia afuera. El flujo cruzado también presenta una paleta guía en el punto de entrada de la turbina, que canaliza el flujo de líquido a un área limitada del rodete. El flujo cruzado fue diseñado para absorber enormes flujos de agua y alturas más bajas en comparación con el Pelton.

• Peltón: Esta turbina de agua tipo impulso recolecta energía del impulso del agua que fluye. Sus componentes principales incluyen chorro rompedor, tobera, correderas, cangilones y carcasa. Se utiliza principalmente para esquemas de energía hidroeléctrica de cabeza alta. Viene con el beneficio de tamaño pequeño, estructura compacta, alta eficiencia, bajo costo de operación y mantenimiento. La disposición del eje es horizontal o vertical y puede venir con boquilla única, boquilla doble o boquilla múltiple. El eje viene con atributos como buena estructura, gran capacidad, cabezal alto y boquillas múltiples.

Componentes de la turbina de impulso

• Rotor: También se conoce como la rueda y se encuentra en el eje. Todas las palas de la turbina están unidas al rotor. Las fuerzas aplicadas a la pala por el agua que cae se transfieren a los rotores, lo que aumenta la velocidad de la turbina giratoria.

• Cuchillas: las cuchillas de forma cóncava normalmente están unidas a la rotativa. El agua que cae golpea las aspas y cambia su dirección.

• Boquilla: La función principal de la boquilla es regular el flujo de agua. Una aguja de lanza o trabajo cónico se coloca dentro de la boquilla en dirección axial. La boquilla difusora es responsable de convertir la energía de la presión del agua en energía cinética ayudando en la formación de chorros de agua. Los chorros de agua de alta velocidad golpean las palas de la turbina y, por lo tanto, la hacen girar.

• Boquilla para hornear: Está situada en sentido contrario a la boquilla principal. La tobera de frenado se utiliza principalmente para reducir la velocidad de la rueda o detenerla por completo.

• Caja: Esta es la capa exterior de la turbina que protege la turbina del duro entorno externo. La función clave de la carcasa es mitigar la descarga de agua a la carrera de cola desde la paleta.

2. Turbinas de reacción

Las turbinas de reacción funcionan de forma ligeramente diferente a las turbinas de impulso. Aquí, las palas se colocan en un volumen de fluido mucho mayor y giran a medida que el fluido fluye a través de ellas. Este tipo de turbina no altera la dirección del flujo de fluido instantáneamente como lo hace la turbina de impulso. Simplemente gira mientras el fluido fluye a través de las aspas. Las características de la turbina de reacción tienen mucho en común con la turbina eólica. Un ejemplo de una turbina que cae dentro de las turbinas de reacción es la turbina de hélice.

Turbinas de hélice

Consiste en un corredor junto con 3 a 6 palas, que continuamente entran en contacto con el agua. Los componentes principales de la turbina de reacción, aparte del rodete, incluyen la caja espiral, el tubo de tiro y las compuertas de wicket. Los diferentes tipos de turbinas de hélice incluyen straflo, turbina de bulbo, Kaplan y turbina de tubo. Las turbinas de hélice se subdividen en:

Turbinas de energía cinética: También se conocen como turbinas de flujo libre. Producen electricidad como resultado de la energía cinética contenida en el agua que cae en lugar de la energía de la cabeza. Estos tipos de turbinas pueden funcionar en ríos, canales artificiales, corrientes oceánicas o aguas de marea. Los sistemas de turbinas cinéticas utilizan la vía natural de los arroyos. No requieren ninguna forma de desvío de agua a través de tuberías, lechos de ríos o canales hechos por humanos. Tampoco necesitan obras civiles de gran envergadura. No obstante, pueden utilizar estructuras existentes como canales, desagües y puentes.

Turbinas Francis: Las turbinas Francis consisten en un corredor junto con cubos o paletas fijos, normalmente 9 o más. La introducción de agua justo por encima de la corredera hace que gire. Otros componentes del Francis además del corredor incluyen puertas de wicket, tubo de tiro y puertas de desplazamiento.

Crédito de la imagen: russmac