Diseño de una central hidroeléctrica

Conceptos fundamentales para el diseño

Para el cálculo de la potencia necesaria en una central hidroeléctrica, es necesario conoce la altura del salto y el caudal turbinado, ya que la potencia es proporcional a estas dos variables.

Determinación del caudal

Es necesario elaborar una curva de caudales con los siguientes parámetros: 

1. QM: caudal máximo alcanzado en el año o el caudal de crecida. 
2. Qm: caudal mínimo del año o estiaje.
3. Qsr: caudal de servidumbre que hay que dejar en el río por su cauce normal. Incluye el caudal ecológico y el necesario para otros usos. Lo fija el Organismo de Cuenca pero, si no lo conociéramos, podríamos considerarlo igual al 10% del caudal medio interanual. 
4. Qmt: caudal mínimo técnico. Es directamente proporcional al caudal de equipamiento con un factor de proporcionalidad “K”, que depende del tipo de turbina.

Determinación del salto neto

Tenemos que conocer los siguientes conceptos: 

1. Salto bruto (Hb): altura que existe entre el punto de la toma de agua del azud y el punto de descarga del caudal turbinado al río. 
2. Salto útil (Hu): desnivel que existe entre la superficie libre del agua en la cámara de carga y el nivel de desagüe en la turbina. 
3. Salto neto (Hn): diferencia entre el salto útil y las pérdidas de carga producidas a lo largo de todas las conducciones. Representa la máxima energía que se podrá transformar en trabajo en el eje de la turbina. 
4. Pérdidas de carga (Hp): pérdidas por fricción del agua contra las paredes del canal y sobre todo en la tubería forzada, más las pérdidas ocasionadas por turbulencia, al cambiar de dirección el flujo, al pasar a través de una rejilla o de una válvula... Se miden como pérdidas de presión (o altura de salto) y se calculan mediante fórmulas derivadas de la dinámica de fluidos.

Determinación de la potencia a instalar

Para el cálculo de la potencia a instalar, podemos usar la siguiente expresión:

P = 9,81 * Q * Hn * e

Donde: 

1. P: potencia en kW. 
2. Q: caudal de equipamiento en m3/s. 
3. Hn: salto neto existente en metros. 
4. e: factor de eficiencia de la central, que es igual al producto de los rendimientos de los diferentes equipos que intervienen en la producción de la energía: e = Rt * Rg * Rs. 
5. Rt: rendimiento de la turbina.
6. Rg: rendimiento del generador. 
7. Rs: rendimiento del transformador de salida.

El rendimiento dependerá del equipo y del fabricante pero, si no disponemos de datos para un primer cálculo, podemos usar un factor de eficiencia de 0,85.

Determinación de la producción

Una vez que ya conocemos la potencia, podemos calcular la producción media como la multiplicación de la potencia en cada momento por las horas de funcionamiento de la central.

También se puede utilizar la siguiente expresión para realizar el cálculo de una forma más precisa:

E (kWh) = 9,81*Q*Hn*T*e*η

Donde:

1. T = número de horas de funcionamiento (con Hn y Q fijos)
2. η = coeficiente de imponderables que refleja las pérdidas de energía debidas al mantenimiento y reparación de la central, incluso la disponibilidad del agua y la necesidad del mercado eléctrico

Centrales y minicentrales hidráulicas

Las características del lugar y la topografía son dos aspectos condicionantes a la hora de ubicar las centrales y minicentrales hidroeléctricas y van a influir en la obra civil y en la maquinaria necesaria para su construcción.

Se pueden clasificar las centrales hidroeléctricas en función de su emplazamiento: 

1. Centrales de agua fluyente: aquellas que cogen una parte del caudal del río para llevarlo hacia la central o minicentral y, después de utilizarlo, lo devuelven al río.
2. Centrales de pie de presa: aquellas que están situadas debajo de los embalses utilizados para uso hidroeléctrico u otro uso, aprovechando el desnivel que ha creado la presa.
3. Centrales en canal de riego o de abastecimiento: este tipo de centrales pueden ser de dos tipos:
   1. Las que utilizan el propio desnivel del canal.
   2. Las que utilizan el desnivel que existe entre el canal y el curso del río que se encuentre más cercano.