Energia Hidroelèctrica
Que es una Central Hidroelèctrica?
Una central hidroelèctrica es una instal·lació que ens permet utilitzar la energia potencia d'un volum d'aigua emmagatzemat a certa alçada per a transformar-la en energia cinètica al fer-la passar per unes canonades que la condueixen fins a unes turbines hidràuliques situades a menor alçada, les quals, a la vegada, la transformen en energia elèctrica alterna mitjançant uns generadors alternadors solidaris al eix de rotació de les turbines.
Val a dir, que la energia hidràulica produïda a centrals hidroelèctriques, es una de les energies renovables mes eficients actualment.
font: Wikipedia
font: www.fundacionendesa.org
Tipus de centrals hidroelèctriques
Les centrals hidroelèctriques es poden classificar de diferents maneres.
En funció de la potència instal·lada podem tenir:
-
Centrals hidroelèctriques de gran potència (> 10MW de potència elèctrica).
-
Minicentrals hidroelèctriques (entre 1MW i 10MW de potència elèctrica).
-
Microcentrals hidroelèctriques (< 1MW de potència elèctrica)
En funció de la seva arquitectura poden ser:
-
Centrals a l'aire lliure, al peu d'una presa o relativament allunyades d'aquests i conectades mitjançant una canonada a pressió
-
Centrals en caverna, connectades a l'embassament habitualment mitjançant túnels, canonades a pressió o amb una combinació d'ambdues.
Segons l'ús que li donem a l'aigua per a la generació elèctrica, es poden classificar en:
-
Centrals de fil d'aigua o d'aigua fluent, que utilitzen part del flux d'un riu per a la generació d'energia elèctrica. Aquestes treballen de forma continua perquè no disposen d'embassament per emmagatzemar l'aigua; es a dir que, turbinen l'aigua disponible en cada moment i s'hi utilitzen turbines tant d'eix vertical si el riu te prou pendent o d'eix horitzontal quan el pendent no es tan pronunciat.
font: www.mind42.com
-
Centrals acoblades a un o mes embassaments, que utilitzen els embassaments com a reservori d'energia per tal de poder graduar l'aigua que passa per la turbina, i per tant, la energia que es genera (son les mes habituals), i tot i requerir una inversió major, es possible generar electricitat durant tot l'any (si les reserves son suficients)
font: www.mind42.com
-
Centrals de bombeig, que utilitzen els embassaments com a reservori d'energia per tal de poder graduar l'aigua que passa per la turbina, pero en aquest cas, la elevació de l'aigua es pot donar, íntegrament o parcialment deguda, a la impulsió de la mateixa mitjançant bombes utilitzant excedents d'energia produïts amb la mateixa presa en un moment donat, o el resultat d'excedents d'altres sistemes d'aprofitament de la energia (eòlica, solar, ...).
font: www.mind42.com
-
Centrals maremotrius, que aprofiten l'ascens i descens de l'aigua del mar i de les seves corrents davant l'acció gravitatòria de la Lluna i el Sol, per a general electricitat; tot i que es necessària una diferencia mínima de 5 metre d'alçada entre la plenamar i la baixamar per tal que resulti rentable la seva instal·lació. Podeu ampliar la informació aquí.
-
Centrals maremotrius submergides, que utilitzen la energia dels corrents submarins. Podeu ampliar la informació aquí.
-
Centrals que aprofiten les Onades o Ones marines: en aquest cas, el que s'aprofita es la energia produïda per el moviment de les onades, originat per el fregament de l'aire sobre la superfície del mar; per tant, es tracta d'una energia força irregular. Aquest fet, ha provocat la construcció de multitud de maquines diferents per tal d'aprofitar-ne el màxim d'energia possible depenent de les condicions i situació del lloc on s'instal·len. Podeu ampliar la informació aquí.
-
Centrals d'osmosis (o energia blava): es la energia que s'aconsegueix utilitzant la diferencia de concentració de la sal de l'aigua del mar i de l'aigua dels rius, a través dels processos d'osmosis. Podeu ampliar la informació aquí.
Segons la seva alçada de caiguda, tenim:
-
Centrals d'alta pressió (high head): > 200m de desnivell (equipades amb turbines Pelton habitualment)
-
Centrals de mitja pressió: amb un desnivell entre 20 i 200 m (equipades habitualment amb turbines Francis, tot i que també poden fer servir turbines Kaplan).
-
Centrals de baixa pressió (low head): < 20m de desnivell (utilitzen turbines Kaplan habitualment).
-
Centrals de molt baixa pressió (very low head): habitualment < 4m de desnivell (equipades amb noves tecnologies).
Components principals d'una central hidroelèctrica
Infografia COMPONENTS PRINCIPALS d'una CENTRAL HIDROELÈCTRICA
-
Presa: conté l'aigua, habitualment d'un riu i l'emmagatzema en un embassament.
-
Embassament: aigua continguda per la presa que emmagatzema energia potencial al estar retinguda a certa alçada.
-
Sobreeixidors: sistemes de seguretat que permeten alliberar part de l'aigua emmagatzemada per evitar danys estructurals a la propia presa generalment, permetent que aquests passin per un circuït alternatiu a les canonades de les turbines.
-
Destructors o dissipadors d'energia: tenen la funció de disminuir la energia de l'aigua per tal de prevenir i/o reduir l'efecte erosiu d'aquests en certs punts del terreny, que podrien amb el temps malmetre les instal·lacions i la propia presa. N'existeixen de diversos tipus, com per exemple:
- Dents o primes de ciment: provoquen un augment de la turbulencia i els remolins
Dissipador de dents (font: https://twitter.com/luisbanon)
-
Canonada aigua a pressió: canonada que canalitza l'aigua del embassament fins a les turbines, fent que al perdre alçada, transformi la energia potencial que tenia en cinètica.
-
Sala de màquines: habitacle que conté les màquines (turbines, alternadors, ...) i elements de regulació del xoc de l'aigua.
-
Turbina: es un mecanisme que transforma la energia cinètica de la corrent d'aigua en energia mecànica.
-
Alternador: es un tipus de generador elèctric que ens permet transformar la energía mecànica en elèctrica.
-
Sistema de distribució de la electricitat: la electricitat generada, generalment es transportada a través d'unes torres a un centre de transformació per elevar-ne la tensió i ser transportades a grans distancies fins les zones de consum, on tornarà a ser transformada a mitja i baixa tensió per a ser utilitzada.
Components principals d'una central hidroelèctrica
A la imatge podem veure com l'aigua es recull per una canonada d'entrada i es distribueix per diversos punts de sortida mitjançant el distribuïdor. Els punts de sortida de l'aigua els anomenem toveres, que fan que l'aigua colpegi els àleps del rodet que fa girar l'eix de la turbina o rotor.
El rodet es bàsicament un disc proveït d'un sistema d'àleps, paletes o culleres (depenent del tipus de turbina) sobre les quals colpeja l'aigua.
L'aigua surt per una altra canonada de desguàs o difusor cap a la llera del riu.
Components principals d'una Turbina
Classificació de les Turbines Hidràuliques
Les Turbines hidràuliques les podem classificar segons:
-
La col·locació del seu eix en:
- horitzontal
- vertical
-
La direcció d'entrada d'aigua en:
- radials-axials (l'aigua entra de forma radial al rodet, canvia de direcció i surt paral·lela al eix de rotació de la turbina, es a dir, axial o en direcció del mateix eix)
- axials (l'aigua entra i surt paral·lela al eix de rotació de la turbina),
- tangencials (l'aigua colpeja el rodet perifèricament).
Classificació de les Turbines Hidràuliques
(font: https://www.areatecnologia.com)
Tipus de turbines principals i usos
Com a les turbines principalment mes utilitzades tenim:
-
Turbines Pelton: son turbines que treballen de forma mes eficaç quan mes alta es la presa amb elevades energies potencials, pero amb cabals mes baixos.
-
Turbines Francis: son les mes versàtils i les que funcionen amb un rang mes ampli d'alçades i cabals.
-
Turbines Kaplan: al contrari que les Pelton son mes indicades per a grans cabals i petites alçades
Tipus de tipus Pelton
Els primers models de la Turbina Pelton van ser construïts aproximadament cap al 1877 per l'inventor estatunidenc Lester Allan Pelton. Inicialment es van utilitzar per a la industria minera, aconseguint un gran èxit, que aviat es va traslladar a les centrals hidroelèctriques.
En aquest tipus de turbines, l'aigua cau des d'una alçada determinada per una galeria fins a arribar a un distribuidor, que dispara aigua a pressió al rodet mitjançant una o varies entrades.
El rodet està format per un anell central format pe àleps anomenats catúfols, que son com dues culleres unides per un dels seus vèrtexs.
En aquest tipus de turbines, el sentit de la projecció del xorro d'aigua coincideix amb el sentit de gir del rodet. La velocitat d'entrada i sortida del rodet es pràcticament la mateixa, patint poques pèrdues de càrrega.
_.jpg)
(font: www.areatecnologia.com)
Tipus de tipus Francis
La turbina Francis va ser desenvolupada al 1848 per l'enginyer estatunidenc James B. Francis i tot i que per aquella època ja existien altres tipus de turbines, aquesta va resultar ser la mes eficient.
Actualment continua essent una de les mes utilitzades donada la seva gran versatilitat.
A aquestes turbines el distribuidor està composat per àleps directrius mòbils que regulen el cabal d'aigua que es dirigeix al rodet, entrant de forma forçada per una canonada perpendicularment al eix de la turbina i sortint de forma paral·lela a ell.
.jpg)
Com es pot observar a la imatge anterior, les direccions d'entrada i sortida de l'aigua de la turbina no coincideixen amb el sentit de gir del rodet, donat que l'aigua, al passar per aquest cambia de direcció, velocitat i pressió. D'aquesta manera, la potencia produïda va en funció de la càrrega perduda per l'aigua en el seu desplaçament.
Tipus de tipus Kaplan
La Turbina Kaplan va ser dissenyada per l'enginyer austríac Viktor Kaplan l'any 1912. El principal valor afegit d'aquest tipus de disseny, va ser que els àleps del rodet eren orientables, fet que llavors conegudes com d'hèlix, no ho eren.
A les Turbines Kaplan, també conegudes com Turbines de Reacció, el distribuidor d'aigua està format per àleps fixos o regulables, anomenant-se semi-Kaplan si son fixos i Kaplan si permeten regulació.
Esquema de funcionament d'una Turbina Kaplan
Aquests utilitzen el mateix sistema d'energia cinètica de pressió que les Turbines Francis per moure el rodet, i la pressió de sortida del aigua es inferior a la d'entrada. Abans d'arribar al rodet, l'aigua cedeix part de la seva energia potencia per a guanyar energia cinètica al distribuïdor, generant així, energia elèctrica mitjançant un generador.
Actualment, n'existeixen diferents variacions, adaptades cadascuna a diferents situacions com les turbines de:
-
Bulb
-
Dériaz
-
Straflo
-
Pou
-
etc.
Que es i com es prevé el "Cop d'Ariet"?
Un cop d'ariete o pols de Zhukowski es, juntament amb la cavitació, el principal causant d'averies a les canonades i instal·lacions hidràuliques.
Aquest, es degut a un augment sobtat de la pressió a causa d'un augment de la velocitat del cabal de l'aigua dins d'una canonada, i s'anomena així, perquè acostumen a fer un soroll semblant al que fa una canonada quan es colpeja amb un martell.
El fluid, tot i que generalment es considera no compresible, es lleugerament elàstic, i com a conseqüencia, quan es tanca bruscament una vàlvula o aixeta del extrem d'una canonada amb certa longitud, les partícules del fluid que han quedat frenades per la vàlvula o aixeta son colpejades per el fluid que ve darrera, que encara segueix amb certa velocitat i energia cinètica; això origina una sobrepressió per la canonada a una velocitat que pot superar la del sò a través del fluid. Aquest sobrepressió provoca que el fluid es comprimeixi reduint-ne el seu volum i dilatant lleugerament la canonada, i quan aquest es frena, al parar l'impuls que el comprimia, el fluid es torna a expandir i la canonada tendeix a recuperar la seva dimensió original. Aquests efectes, provoquen una ona de pressió en sentit contrari, pero al estar la vàlvula tancada, es produeix una depressió, al reduir la pressió, el líquid pot passar a estat gasós formant una bombolla mentre la canonada es contrau, i al arribar a l'altre extrem, si la ona no es dissipa (per exemple amb un dipòsit a pressió atmosfèrica), aquesta s'anirà dissipant progressivament per la propia resistencia a la compressió del fluid i la dilatació de la canonada.
Aquests cops, poden fer esclatar les canonades, trencar les juntes i provocar greus danys als elements de la instal·lació, per tant, cal intentar evitar-los mitjançant un o mes dels següents mecanismes:
-
diàmetres adequats de les canonades, per tal que les velocitats siguin petites,
-
estrangular gradualment el corrent del fluid al tancar les vàlvules,
-
utilització de tancs pneumàtics amb cambra d'aire comprimit, torres piezomètriques o vàlvules de molla que puguin absorbir ones de pressió mitjançant un dispositiu elàstic (casos imprevistos com fallades brusques d'una bomba elèctrica),
-
col·locació de ventoses d'airejamnet, preferiblement trifuncionals per introduir aire evitant la generació de vuïts, extreure les bosses d'aire (grans i petites) que es generin,
-
ús de tancs hidropneumàtics amb membrana, que eliminen les pressions negatives, eliminant la necessitat d'utilitzar compressors,
-
utilització de torres piezomètriques o xemeneies d'equilibri (per a grans volums com a les centrals hidroelèctriques) que es conecten a pressió atmosfèrica o a vàlvules de seguretat.
Que es i que provoca la "Cavitació"?
La cavitació o aspiració en vuit es un efecte hidrodinàmic que es produeix quan es creen cavitats de vapor dins d'un fluid en estat líquid sobre el qual actuen forces de baixa pressió, com succeeix quan un fluid passa a gran velocitat per una aresta esmolada produint una descompressió del fluid degut a la conservació de la contant de Bernoulli.
Pot passar que el líquid assoleixi la pressió de vapor, de forma que les seves molècules canviïn a estat vapor formant bombolles o "cavitats", i aquestes es desplaçaran a zones de major pressió on implosionaran tornat al estat líquid de forma sobtada aixafant-se bruscament i produint una estela de gas de gran energia sobre les superficies sòlides que es poden esquerdar amb el xoc.
La implosió causa ones de pressió que viatgen a velocitats molt properes a les del so independentment del fluid on han estat creades, i tant es poden dissipar com xocar contra alguna superficie, i si la zona on xoquen es la mateixa, aquesta te tendencia a debilitar-se estructuralment i s'erosiona, provocant a l'hora que danya, que sigui una superficie de major pèrdua de pressió, i per tant, focus de formació de mes bombolles de vapor.
Si les bombolles de vapor es troben a prop o en contacte amb una paret sòlida quan implosionen, les forces exercides per el líquid al aixafar la cavitat provoquen pressions localitzades molt elevades, ocasionant picadures sobre la mateixa, i depenent del material, aquest es pot oxidar i deteriorar-se.
Aquest fenomen va acompanyat usualment d'un soroll i unes vibracions, semblant al que faria la grava colpejant a diferents parts de la màquina.
Apareix la cavitació a d'altres elements com hèlix de vaixells i avions, bombes i teixits vascularitzats d'algunes plantes i es sol anomenar corrosió per cavitació quan mitjançant aquest fenòmen s'arranca la capa d'oxit (passivat) que cobreix el metall i el protegeix, de forma que entre aquesta zona (ànode) i la que continua passivada (coberta d'òxid) es forma un parell galvànic i l'ànode (el que es corroeix) es el que ha perdut la capa d'òxid i el càtode el que la manté.
Mes informació, noticies i novetats
Podeu consultar mes informació sobre la energia hidràulica a: