Generador Hidroeléctrico

Que es un generador hidroeléctrico

Un generador hidroeléctrico es un dispositivo que utiliza la energía cinética del agua en movimiento para generar electricidad. Funciona utilizando el potencial gravitacional del agua recolectada en una presa o arroyo natural y luego permitiendo que el agua fluya de manera controlada a través de turbinas conectadas a generadores eléctricos. El flujo de agua hace girar las turbinas, que a su vez produce energía mecánica, la cual se convierte en energía eléctrica.

Las centrales hidroeléctricas son una forma de producción de energía renovable y limpia, ya que no produce contaminación ni gases de efecto invernadero. Además, su capacidad de producción de electricidad se puede ajustar en función de la demanda eléctrica, lo que los convierte en una fuente de energía flexible y fiable.

Historia

La energía hidroeléctrica lleva mucho tiempo ayudándonos a conseguir energía limpia, más específicamente desde el siglo XIX, siendo la más antigua de todas las energías renovables.

La función básica de el generador hidroeléctrico es la de generar energía mediante el flujo de agua constante por el generador, para ello, usa turbinas acopladas a los alternadores, los cuales, según la potencia instalada, las centrales pueden ser de diferentes MW (Megavatio).

Tipos de central hidroeléctrica

Las centrales hidroeléctricas dependen de las características y particularidades del sitio de construcción. En base a esto se pueden distinguir tres modelos distintos:

Centrales de agua fluyente

En ríos con una pendiente pequeña y un gran caudal de agua normalmente se utiliza una central eléctrica de agua fluyente. En las cuales las turbinas funcionan de forma constante, lo que significa que pueden producir electricidad continuamente y tienen costes de funcionamiento muy bajos.

El agua del río fluye a través de una turbina que impulsa un generador produciendo la electricidad. En estas centrales eléctricas es suficiente una pendiente de pocos metros para funcionar, hay veces en que la presión es pequeña, por lo que en estos casos a menudo se utilizan turbinas Kaplan como turbinas tubulares. Durante las fuertes lluvias, llegan a utilizar su máxima capacidad por lo que en unos casos ​​dejan pasar el exceso de agua. Por otro lado, durante las estaciones de sequía, el agua del caudal disminuye llegando a ser casi nula en algunos ríos.

Centrales de embalses

Este tipo de centrales tienen una o más presas que forman lagos artificiales donde se almacena una cantidad importante de agua encima de las turbinas. El embalse puede producir electricidad durante todo el año, incluso si el río se seca por completo durante los meses de sequía. Estas instalaciones suelen requerir una inversión de capital mayor que la del agua fluyente. En esta central existen dos variantes:

Centrales a pie de presa: En la primera se construye una presa de cierta altura en un tramo del río con un desnivel importante. La sala de turbinas se encuentra después de la presa.

Centrales por derivación de las aguas: Las aguas del río son desviadas por una pequeña presa y transportadas a través del canal con la menor pérdida de altura posible. Luego, ingresan a un pequeño tanque llamado cámara de carga o presión. En esta parte es donde comienza una tubería reforzada la cual se dirige a la sala de turbinas. Luego, el agua regresa río abajo a través del canal de salida. El desnivel de este tipo de centrales es mayor que el de las centrales ubicadas al pie de una presa.

Centrales de bombeo o reversibles

Disponen de dos embalses ubicados en diferentes niveles. Cuando la demanda diaria de electricidad está en su punto máximo, estas plantas funcionan como una planta hidroeléctrica tradicional: el agua cae de un depósito superior, hace girar las turbinas y luego se almacena en un depósito inferior. En cambio, durante las horas de menor demanda, se bombea agua al depósito superior para repetir el ciclo de producción. En este tipo de instalaciones se utiliza de forma más racional los recursos hídricos.

Componentes principales de una central hidroeléctrica

Los componentes principales de una central hidroeléctrica son:

La presa

La presa es una parte fundamental de la central hidroeléctrica. Ya que es responsable de la conservación y almacenamiento del agua del río en el embalse. Su estructura crea un cierto nivel de agua antes del aislamiento y otro nivel después de dicho aislamiento. Este desnivel se aprovecha para generar energía. La forma de la prensa depende en gran medida de la superficie del terreno y del curso del agua donde se ubica.

Rebosaderos

Su función es liberar el agua almacenada cuando hay demasiada, como durante una inundación, para evitar que la presa se rompa o dañe la instalación.

Destructores de energía

Son aquellos que reducen la energía del agua para evitar que haya erosión o sobrecarga en el suelo. Los dos tipos principales que tiene son:

Los dientes o prismas de cemento: Provocan un aumento de la turbulencia y de los remolinos.

Los deflectores de salto de esquí: Disipan energía aumentando la fricción del agua con el aire y chocando con el colchón de agua que encuentra mientras cae.

Sala de máquinas

Contiene principalmente la maquinaria (turbinas, generadores, hidro turbina, eje y generador eléctrico) y los elementos de regulación y comando. Dispone de entradas y salidas para permitir el drenaje del área de la máquina sin agua durante reparaciones o desmontajes.

Turbina

La turbina es el elemento principal a través del cual se aprovecha la energía, transformando la energía cinética (resultado del movimiento del flujo de agua) en energía mecánica.

Alternador

En una central hidroeléctrica, el generador está conectado directamente a la turbina hidráulica, que gira a medida que el agua fluye a través de ella y transforma la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica.

Conducciones

El agua se suministra a las turbinas a través de una compleja tubería. En el caso de los canales necesarios, se pueden realizar excavando en el suelo o de forma artificial utilizando estructuras de hormigón. Su construcción siempre depende de las condiciones geográficas del entorno.

Válvulas

En una planta hidroeléctrica, las válvulas se utilizan para controlar y regular la circulación del agua a través de las tuberías.

Chimeneas de equilibrio

Son un tipo de estructuras auxiliares en los sistemas hidráulicos que actúan como válvulas de alivio de presión.

Funcionamiento básico

Una central hidroeléctrica tiene varias partes, pero las más importantes para su funcionamiento básico serian: Destructores de energía, sala de máquinas, turbina y alternador, con estos componentes un generador hidroeléctrico puede ser creado, ya sea a baja escala o a alta escala, solo que para alta escala se requerirán bastantes más cosas, pero el funcionamiento parcial se dará.

La complejidad de una presa hidroeléctrica es la parte de la construcción de la misma, y al estar siempre en contacto con el agua requerirá de diferentes métodos de construcción, y muchas inspecciones de seguridad, a su vez el mismo generador tendrá que ser muy resistente a altas presiones de agua, esto porque para que la turbina del generador pueda funcionar requerirá de que el agua tenga mucha presión, de esta manera lograra hacer que la turbina gire, provocando que el generador, cambie la energía mecánica a energía eléctrica, por esta razón es que siempre las presas tienen que estar en ubicadas en ríos o lugares de agua de alto flujo, para que de esta manera, solo dejando que el agua fluya generar energía, y los trabajadores solo tendrán que estar empeñados en otros trabajos, como el de mantenimiento general, principalmente de la presa y de el mismo generador.

Ventajas de los generadores hidroeléctricos

Es una fuente que da apoyo a la lucha del cambio climático, ya que evita el uso de sistemas o combustibles fósiles a la vez reduciendo las emisiones de dióxido de carbono y gases que alteran el entorno, así contrarrestando la contaminación y el efecto invernadero, del cual muchos científicos están tan preocupados en los tiempos actuales.

Como ocurre con otras fuentes parecidas a los generadores hidroeléctricos, se requiere hacer una mejora en las ventajas que tienen con el tiempo, para mejorar el rendimiento, la eficiencia, y otras áreas específicas. De tal manera que se reciclan materiales, se optimizan costes y de esa manera reduciendo el impacto sobre el medio ambiente. Como toda manera de conseguir energía autosustentable, tiene diferentes ventajas, como las siguientes.

Limpia y sostenible

Este tipo de energía es limpia, ya que genera electricidad sin generar gases ni otros contaminantes, a su vez contribuye con la disminución de combustibles fósiles, aporta a la reducción de contaminación y a mitigar el cambio climático.

Otra ventaja clara de este tipo de energía lo renovable que es, ya que es prácticamente imposible que se acabe su sustento de energía, es decir el agua, esto porque siempre se buscara ponerlo en un lugar de flujo constante de agua a la vez, por el ciclo natural del agua, nunca estará en un punto de pérdida o escases de agua.

Es un recurso flexible

Las centrales eléctricas requieren muy poca energía para su funcionamiento, y requieren de poco tiempo para general grandes cantidades de energía, esto de todas maneras dependerá del tipo de generador que sea, o por la turbina que use, pero en la mayoría de los casos, las centrales eléctricas tendrán una eficiencia bastante alta, aunque mejorable.

Estabiliza la red eléctrica

Muchas veces las centrales eléctricas de este tipo son usadas como baterías, de tal manera que pueden estar apagadas por un rato cuando llegan a su tope de almacenamiento, muchas veces las que más se usan son las eólicas o solares, y cuando estas no funcionan por las adversidades del clima, como, que no esté haciendo sol o no esté haciendo suficiente viento, entonces se activara la central hidroeléctrica, para dar abasto a los requerimientos de energía.

Reduce el riesgo de inundaciones

Esto sucede ya que al estar la central tapando el rio, caudal, o el lugar donde este ubicado, se tiene control casi total de como fluye el agua a través de la central, de esta manera se pueden evitar inundaciones agua abajo, también contribuye a las cosechas que estén abajo, ya que controla el nivel de agua, así provocando cambios en los cultivos.

Protege la biodiversidad

Al tener presencia de gigantes masas de agua en sus embalses favorece a diferentes crecimientos de plantas y vegetación en general alrededor y en el embalse, esto atrayendo a diferentes animales, que pueden tener alimento de estas plantas, o animales que se alimentan de otros animales que buscan alimento de las plantas, de esta manera cumpliendo el ciclo de la vida, convirtiéndose en un lugar biodiverso.

Potencial energético

Para conseguir energía de las grandes masas de agua, se requiere que tengan o una presión muy grande o que caigan con mucha fuerza por las turbinas de los generadores, de esta manera el potencial de generación de energía se incrementa mucho, ya que en el planeta existen muchos lugares donde se puede aprovechar esta presión o gravedad del agua, de esta manera siendo las centrales hidroeléctricas, las más abundantes del mundo en cuestión de energía sustentable, de esta manera, pudiendo sustentar agua gigantescas masas de personas, pudiendo ser hasta millones de personas, y teniendo en cuenta que a lo largo del mundo existen diferentes ríos, solo es cuestión de una inversión para lograr tener energía sustentable en muchas partes del mundo.

El generador hidroeléctrico y su relación con los sistemas

Una central hidroeléctrica es parte del sistema energético global, el cual interactúa con otras fuentes de energía, las cuales contribuyen a la matriz energética del mundo.  La TGS nos ayuda a comprender mejor cómo puede encajar esta instalación en un sistema energético más amplio.

Interconexión de Componentes

 Desde la TGS podemos analizar cómo interactúan entre sí los componentes de la planta (como turbinas, generadores, tanques, etc.). No sólo examina cada elemento individualmente, sino también cómo su relación contribuye al funcionamiento eficiente del sistema. 

Adaptabilidad y Resiliencia

  La TGS enfatiza la importancia de la adaptación sistémica y la sostenibilidad. Con una central hidroeléctrica se puede analizar cómo responde a cambios en la demanda de energía, cambios en el caudal de los ríos o incluso eventos extremos como inundaciones. 

Ciclos de Retroalimentación

 Reconocer y comprender la retroalimentación es esencial. Por ejemplo, cómo afecta la producción de energía al medio acuático y cómo estos cambios pueden, a su vez, afectar el rendimiento de las plantas.

Feedback y Mejora Continua

 La TGS considera el medio ambiente de manera más amplia. Así, se investigarían los efectos ambientales y sociales de la central hidroeléctrica. Desde la calidad del agua hasta el impacto en las comunidades locales, la TGS nos ayuda a ver el panorama general.

Dinámica de los flujos de energía

 La TGS nos invita a analizar la dinámica de los flujos de energía en el sistema. Puede mapear y comprender cómo se mueve la energía entre los diferentes estados de un sistema, desde capturar energía cinética en el agua hasta convertirla en electricidad.

 Sincronización y Coordinación

 Es esencial una coordinación eficaz entre los diversos componentes de la planta (compuertas, turbinas, generadores). La TGS enfatiza la importancia de la sincronización para optimizar el rendimiento general y garantizar una generación de energía estable.

 Redes de Distribución

 Ampliando nuestra visión, la TGS nos anima a considerar la distribución de energía además de la producción de energía. ¿Cómo está conectada la estación a la red eléctrica más amplia? ¿Cómo afecta esta conexión a la estabilidad y confiabilidad del suministro de energía?

Modelado de Escenarios Futuros

La TGS se puede utilizar para desarrollar modelos que simulen escenarios futuros. ¿Cómo sería una central hidroeléctrica con relación al cambio climático? ¿Cómo pueden las innovaciones tecnológicas afectar su desempeño? Esto fomenta la planificación a largo plazo.

Ética y responsabilidad

 La TGS nos llama a considerar los aspectos éticos y las responsabilidades relacionadas con la operación de la central hidroeléctrica. ¿Cómo se gestionan los impactos ambientales? ¿Qué medidas se están tomando para minimizar el impacto en las comunidades locales? 

Innovación y adaptación tecnológica

 Desde la perspectiva de TGS es posible examinar cómo la institución se adapta a las innovaciones tecnológicas. ¿Existen formas de mejorar la eficiencia con las nuevas tecnologías? ¿Cómo puede evolucionar para afrontar los desafíos futuros? 

Comunicación y formación

 Con retroalimentación, la TGS recomienda la mejora continua. ¿Cómo puede adaptarse una planta para ser más eficiente, sostenible y útil para la sociedad? Esta perspectiva de sistemas ayuda a identificar áreas de mejora.  En resumen, la aplicación de la teoría general de sistemas a una planta hidroeléctrica significa que se la considera un componente interconectado en un sistema más grande, y sus efectos y contribuciones se consideran desde una perspectiva holística. ¿Hay aspectos específicos que le gustaría explorar más?

Créditos:

Autor: Johan Jesid Saltarin Brito, Cesar Camilo Becerra Herrera, Nicolás Trujillo Castillo

Editor: Carlos Iván Pinzón Romero

Código: UCPS-1

Universidad: Universidad Central

Fuentes:

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