Parámetros fundamentales para el diseño de una minicentral hidroeléctrica
La potencia eléctrica de una minicentral hidroeléctrica es directamente proporcional a dos magnitudes: el salto y el caudal de agua turbinado.
SALTO
El salto es la diferencia de nivel entre la lámina de agua en la toma y el punto del río en el que se restituye el agua turbinada.
En realidad, esta definición corresponde a lo que se denomina salto bruto (Hb). Además del salto bruto, se manejan otros dos conceptos de salto, el salto útil (Hu) y el salto neto (Hn). La figura 16 ilustra estos conceptos:
Figura 16. Esquema de un salto de agua.
Salto bruto (Hb): Diferencia de altura entre la lámina de agua en la toma y el nivel del río en el punto de descarga del agua turbinada.
Salto útil (Hu): Diferencia entre el nivel de la lámina de agua en la cámara de carga y el nivel de desagüe de la turbina.
Salto neto (Hn): Es el resultado de restar al salto útil (Hu) las pérdidas de carga (D H) originadas por el paso del agua a través de la embocadura de la cámara de carga y de la tubería forzada y sus accesorios.
El cálculo de las pérdidas de carga se realiza mediante fórmulas empíricas ampliamente difundidas. Una consideración aceptable es suponer que la pérdida de carga es del orden de un 5% a un 10% del salto bruto.
El salto bruto puede estimarse en primera instancia a partir de un plano topográfico. Sin embargo, una determinación más exacta requiere un levantamiento taquimétrico.
CAUDAL DE EQUIPAMIENTO
Para poder determinar la potencia a instalar y la energía producible a lo largo del año en una mi-nicentral hidroeléctrica, es imprescindible conocer el caudal circulante por el río en la zona próxima a la toma de agua.
Aforar es medir el caudal de una corriente de agua en un punto de la misma en un instante determinado. Existe una red de estaciones de aforo que proporcionan datos de caudales de un gran número de ríos. Su instalación y control dependen de organismos públicos y privados.
En aquellos aprovechamientos en los que no existe una estación de aforo próxima a la central, se realiza un estudio hidrológico aplicando un modelo matemático de simulación basado en los datos de precipitaciones sobre la cuenca y caudales de una cuenca de similares características.
También se pueden estimar los caudales que circulan por el río a partir de los caudales turbinados por una central próxima, siempre y cuando ambas centrales tengan más o menos la misma aportación y la central de la que se toman los datos esté bien dimensionada y además su caudal de equipamiento no esté condicionado por la infraestructura propia de la central (canal de derivación, tubería forzada etc).
En cualquier caso, se deben obtener datos de caudales correspondientes a una serie de años lo suficientemente amplia como para incluir años secos, normales y húmedos.
Para caracterizar hidrológicamente los años para los que se dispone de registro de caudales, se debe recopilar la información de lluvias de las estaciones meteorológicas del entorno, realizando un cálculo correlativo de lluvias y caudales para comprobar si existe relación entre la aportación de lluvias y los caudales registrados. En la figura 17 se muestra, un ejemplo de distribución de precipitaciones para una serie de 15 años.
Figura 17. Datos de precipitación anual clasificados
Una vez determinados los años normales se toman los caudales correspondientes a esos años y se calculan los caudales medios diarios. A partir de estos caudales medios diarios se construye la curva de caudales clasificados, que indica el número de días del año en los que circula un caudal determinado por el río. En la figura 18 pueden verse una curva de caudales medios diarios y su correspondiente curva de caudales clasificados.
Figura 18. Curvas de caudales medios diarios y de caudales clasificados
El caudal de equipamiento de la central se establece a partir de la curva de caudales clasificados. En esta curva hay que descontar el caudal ecológico, que es el caudal que debe circular como mínimo por el río durante todo el año.
El caudal ecológico suele indicarlo el Organismo de Cuenca o las Diputaciones Forales. En el caso de no ser así, una buena estimación es considerar el caudal ecológico igual al 10% del caudal medio interanual.
Una vez que se le ha descontado el caudal ecológico a la curva de caudales clasificados, se elige el posible caudal de equipamiento en el intervalo de la curva comprendido entre el Q80 y el Q100, siendo el Q80 el caudal que circula por el río durante 80 días al año y el Q100 el que circula durante 100 días al año (figura 19).
Figura 19. Curva de caudales clasificados.
Para los posibles caudales comprendidos en este intervalo, se hace una estimación de las horas de funcionamiento de la central, siempre teniendo en cuenta el tipo de turbina que se proyecte instalar.
Cada tipo de turbina tiene un rango de funcionamiento con un caudal máximo y otro mínimo por debajo del cual la turbina no funcionaría con rendimiento aceptable.
Este caudal mínimo es aproximadamente:
- Para turbinas PELTON : 10% Qequipamiento
- Para turbinas KAPLAN : 25% Qequipamiento
- Para turbinas FRANCIS : 40% Qequipamiento
Una vez que se ha elegido el tipo de turbina, se estiman las producciones que se obtendrían para cada posible caudal de equipamiento.
No siempre se elige el caudal que proporciona mayor producción, ya que hay que tener en cuenta también la inversión necesaria en cada caso. Puede ocurrir que la diferencia de kWh generados de una a otra variante, no compense el incremento de inversión que hay que realizar.
En ocasiones, el caudal de equipamiento está condicionado por la infraestructura existente en la minicentral. Este sería el caso de las minicentrales que tienen un canal de derivación con una capacidad de transporte inferior al caudal de equipamiento deducido a partir de la curva de caudales clasificados. En este caso, la inversión necesaria para acondicionar el canal puede hacer inviable la reconstrucción de la minicentral y por consiguiente, se opta por un caudal de equipamiento igual al caudal máximo que puede transportar el canal de derivación.
POTENCIA DE LA MINICENTRAL
La potencia eléctrica teórica que puede generar una minicentral, viene dada por la expresión:
P = 9,81 · Q · Hn
donde:
P : Potencia instalada en kW
Q : Caudal en m3/s
Hn : Salto neto en m
La producción de la minicentral puede estimarse, en una primera aproximación, multiplicando esta potencia por el número previsto de horas de funcionamiento.
Sin embargo la potencia a la salida de la minicentral es igual a:
P = 9,81 · Q · Hn · e
siendo e = ht · hg · htr
donde:
e : Factor de eficiencia de la minicentral
h t : Rendimiento de la turbina
h g : Rendimiento del generador
h tr : Rendimiento del transformador
Los rendimientos de las turbinas, generadores y transformadores son facilitados por los fabricantes de los propios equipos. En un primer estudio, sin embargo, puede tomarse como factor de eficiencia de la minicentral un valor próximo a 0,8.
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