Cálculo de aprovechamiento y dimensionamiento

El cálculo de aprovechamiento y dimensionamiento hace parte de la adecuada planeación y estructuración previa al desarrollo de energías renovables.

facultad de ingeniería
viernes, 29 de julio de 2022
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Se abordarán en este artículo los parámetros de cálculo de aprovechamiento y dimensionamiento. Esto, en primer lugar, trata el concepto de potencia teórica disponible, el que depende de las condiciones del cauce en un punto particular, es decir, el caudal y la altura de carga. Luego de que el agua pasa a través de la turbina y el generador, se incorpora el concepto de potencia eléctrica, el que lleva intrínseco el rendimiento de estos dos equipos más el del transformador para la transmisión de la energía. Finalmente, la producción de la central se determina basándonos en el tiempo de funcionamiento de la central, para una potencia dada. Este tiempo de funcionamiento se denomina factor de planta. A continuación, se describe en detalle cada uno de estos conceptos, junto con las expresiones matemáticas para su cálculo.

Potencia disponible, caudal y altura

En una cuenca hidrográfica, el agua que cae en forma de lluvia o producto del derretimiento de nieve, se desplaza hacia un punto bajo por acción de la gravedad a través de los cauces de drenaje. En cada cauce de una cuenca hidrográfica, considerando una condición hidrológica dada, la potencia teórica disponible, también denominado potencia bruta, es la potencia máxima que se puede extraer. Esta potencia bruta se determina utilizando la siguiente expresión: Pb=ρ.g.Q.Hb [kW] Donde: ρ: Densidad del agua = 1.000 kg/m3. g: Aceleración de gravedad = 9,8 m/s2. Q: Caudal [m3/s]. Hb: Altura de carga bruta [m].

Por su lado, la altura bruta (Hb) corresponde a la diferencia de nivel desde el nivel superior de agua del embalse o de la cámara de carga, hasta el nivel de descarga de la turbina. La altura bruta no es totalmente aprovechable para generación, dado que en el transcurso del agua a través de estos dos puntos existen pérdidas de cargas, las que descontadas a la altura bruta resulta en altura neta (H_n).

Las pérdidas de carga o energía pueden ser por fricción del flujo de agua con la sección de la conducción, o también por singularidades en el trayecto asociados a cambios de dirección, paso a través de rejas, válvulas, compuertas, angostamientos y ensanches de sección, entre otros. Las pérdidas de carga son del orden del 5 al 10 % de la altura bruta, como una primera aproximación. De esta manera, la potencia teórica disponible para generación, denominada también potencia neta. Se obtiene descontando las pérdidas de energía (Λs, Λf) a la potencia bruta. Por lo tanto, la expresión de la potencia neta (P_n) se expresa de la siguiente forma: Pn=ρ.g.Q.(Hb-Λf-Λs) [kW].

Potencia eléctrica

La potencia eléctrica (Pe) es la potencia que se obtiene en la salida del transformador de la central hidroeléctrica. Dado que el agua ha pasado por la turbina y se ha transformado la energía hidráulica en energía mecánica por medio del generador y finalmente elevado la tensión a través del transformador, la potencia eléctrica se obtiene incorporando el rendimiento de la turbina (ηT), el rendimiento del generador (ηG) y el rendimiento del transformador (ηt ) a la potencia neta.

La potencia eléctrica, por lo tanto, se puede expresar de la siguiente manera: Pe=(ρ.g.Q.Hn).ηT.ηG.ηt [kW] El producto del rendimiento de todos los equipos de generación de la central, es decir, turbina, generador y transformador, se denomina factor de eficiencia de la central. Como valor preliminar, el factor de eficiencia de una minicentral es del orden del 85 %.

Rendimiento y producción

Un concepto importante apara tener en cuenta es la denominada potencia instalada, que corresponde a la potencia máxima de producir en forma continúa considerando el caudal máximo a ser captado por las obras civiles. Por otro lado, el factor de planta de una central hidroeléctrica es la razón de la potencia media generada por una central y la potencia instalada. El factor de planta, por lo tanto, mide el nivel de aprovechamiento de sus obras civiles y equipos basado en los recursos hidráulicos disponibles. Respecto a la demanda de electricidad, conviene definir el concepto de factor de carga, que corresponde a un índice que mide la variabilidad de la demanda sobre la demanda máxima

El factor de carga de las centrales hidroeléctricas es del orden del 40 %. El rendimiento de las turbinas hidráulicas (ηT) depende del tipo de turbina, su tamaño y el punto de la operación de la misma. Como se indicaba anteriormente, el punto de operación definirá el rendimiento específico de cada tipo de turbina; por eso es importante analizar diversos caudales, para la determinación de la turbina óptima en los rangos de operación proyectados. Como se aprecia en los gráficos anteriores, las turbinas de acción Pelton y de Flujo Transversal mantienen un rendimiento relativamente constante ante las fluctuaciones de caudales.

Esta tendencia es diferente en el caso de las turbinas de reacción Francis y Kaplan, donde el rendimiento depende mucho del caudal turbinado. En la salida de los generadores, normalmente se conectan generadores para alimentar consumos de los sistemas auxiliares de la central. Mismos como son refrigeración, iluminación, sistemas de control, etc., los que son del orden del 1 %.

Cálculo de aprovechamiento y dimensionamiento: tensión

Por otro lado, los transformadores se utilizan para elevar la tensión después del generador, reduciendo de esta manera las pérdidas de carga en la transmisión. El rendimiento de estos equipos depende de su tamaño. Como aproximación, los rendimientos de las turbinas (ηT) y de los generadores (ηG) generalmente están del orden de los siguientes valores:

  • Rendimiento turbinas (ηT) > 85 %
  • El rendimiento generadores
    • Rendimientos generadores (ηG) > 95 %
  • Rendimiento transformador (ηt ) > 99 %

Estos valores varían según el tipo de equipo y el fabricante; por lo que para una mayor precisión se deberá ajustar en una etapa más avanzada de ingeniería. Finalmente, la producción media (E) de la central hidroeléctrica se determina multiplicando la potencia eléctrica generada (Pe) por la cantidad de horas de funcionamiento (T), tal como se expresa a continuación. E=Pe.T [kWh].

En los sistemas eléctricos con factores de carga inferiores a 1,0, es necesario crear un incentivo. Esto para la instalación de unidades suficiente para garantizar el suministro de energía durante los períodos de demanda máxima. Si solo se estableciera un precio por la venta de energía, existirían solamente centrales diseñadas para la demanda media o similar. De esta manera se fija en general un precio por la potencia ofrecida en los períodos de demanda máxima.

En centrales hidroeléctricas, la potencia máxima no solamente depende de la potencia instalada, sino también, del caudal disponible. Por este motivo, el precio de venta incorpora el efecto probabilístico del caudal, incorporando de este modo el denominado Potencia Firme. Esta potencia corresponde a la que es capaz de generar la central durante las horas de mayor demanda, u horas punta, con una probabilidad igual o mayor al 95 %.

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