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¿Cómo funciona la turbina hidroeléctrica?

marzo 19, 2022
¿Cómo funciona la turbina hidroeléctrica?

Energía hidroeléctrica británica

El tipo de turbina hidroeléctrica que se selecciona para un proyecto se basa en la altura del agua estancada -denominada «altura»- y el caudal, o volumen de agua a lo largo del tiempo, en el lugar. Otros factores decisivos son la profundidad a la que debe colocarse la turbina, su eficacia y su coste. Estas son algunas de las turbinas más utilizadas actualmente en Estados Unidos.

Una turbina de reacción genera energía a partir de las fuerzas combinadas de la presión y el agua en movimiento. Se coloca un rodete directamente en la corriente de agua, lo que permite que el agua fluya sobre los álabes en lugar de golpear cada uno de ellos individualmente. Las turbinas de reacción suelen utilizarse en lugares con menor altura y mayores caudales y son el tipo más común que se utiliza actualmente en Estados Unidos.

Una turbina de hélice suele tener un rodete de tres a seis palas. El agua entra en contacto con todas las palas constantemente. Imagínese la hélice de un barco circulando por una tubería. A través de la tubería, la presión es constante; si no lo fuera, el rodete estaría desequilibrado. El paso de las palas puede ser fijo o ajustable. Los principales componentes, además del rodete, son la caja de la hélice, las compuertas y el tubo de aspiración. Existen varios tipos de turbinas de hélice:

Generador de turbina de agua

La migración de las ruedas hidráulicas a las turbinas modernas duró unos cien años. El desarrollo se produjo durante la revolución industrial, utilizando principios y métodos científicos. También se utilizaron ampliamente los nuevos materiales y métodos de fabricación desarrollados en la época.

La palabra turbina fue introducida por el ingeniero francés Claude Burdin a principios del siglo XIX y deriva de la palabra griega «τύρβη» que significa «remolino» o «vórtice». La principal diferencia entre las primeras turbinas de agua y las ruedas hidráulicas es un componente de remolino del agua que transmite energía a un rotor que gira. Este componente adicional de movimiento permitía que la turbina fuera más pequeña que una rueda hidráulica de la misma potencia. Podían procesar más agua al girar más rápido y podían aprovechar cabezas mucho mayores. (Más tarde se desarrollaron turbinas de impulso que no utilizaban el remolino).

Las primeras turbinas de agua conocidas datan del Imperio Romano. En Chemtou y Testour, en la actual Túnez, se encontraron dos molinos de hélice de diseño casi idéntico, que datan de finales del siglo III o principios del IV d.C. La rueda hidráulica horizontal con aspas en ángulo estaba instalada en el fondo de un pozo circular lleno de agua. El agua del molino entraba tangencialmente en el pozo, creando una columna de agua en remolino que hacía que la rueda totalmente sumergida actuara como una verdadera turbina[1].

Generador hidroeléctrico

Las centrales hidroeléctricas aprovechan la energía de la caída del agua para generar electricidad. Una turbina convierte la energía cinética del agua que cae en energía mecánica. A continuación, un generador convierte la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica.

Supongamos que hay una pequeña presa en su zona que no se utiliza para producir electricidad. Tal vez la presa se utilice para suministrar agua para regar las tierras de cultivo o tal vez se construyó para hacer un lago para el recreo. Como ya hemos explicado, hay que saber dos cosas:

Lo bien que la turbina y el generador convierten la fuerza del agua que cae en energía eléctrica. En el caso de las centrales hidroeléctricas más antiguas y mal mantenidas, este porcentaje puede ser del 60% (0,60), mientras que en las más nuevas y bien operadas puede llegar al 90% (0,90).

El consumo medio anual de energía residencial en Estados Unidos es de unos 3.000 kilovatios-hora por persona. Así que podemos calcular a cuántas personas podría servir nuestra presa dividiendo la producción anual de energía entre 3.000.

Micro energía hidroeléctrica

La gente tiene una larga historia de uso de la fuerza del agua que fluye en arroyos y ríos para producir energía mecánica. La energía hidroeléctrica fue una de las primeras fuentes de energía utilizadas para la generación de electricidad, y hasta 2019, la energía hidroeléctrica fue la mayor fuente de generación total de electricidad renovable anual de Estados Unidos.

En 2021, la hidroelectricidad representó alrededor del 6,3% de la generación total de electricidad a escala de servicios públicos1 de Estados Unidos y el 31,5% de la generación total de electricidad renovable a escala de servicios públicos. La cuota de la hidroelectricidad en la generación total de electricidad en EE.UU. ha disminuido con el tiempo, principalmente debido al aumento de la generación de electricidad a partir de otras fuentes.

La cantidad de precipitaciones que se vierten en los ríos y arroyos de una zona geográfica determina la cantidad de agua disponible para producir energía hidroeléctrica. Las variaciones estacionales de las precipitaciones y los cambios a largo plazo en los patrones de precipitación, como las sequías, pueden tener grandes efectos en la disponibilidad de la producción hidroeléctrica.

Como la fuente de energía hidroeléctrica es el agua, las centrales hidroeléctricas suelen estar situadas en una fuente de agua o cerca de ella. El volumen del flujo de agua y el cambio en la elevación -o caída, y a menudo referido como cabeza- de un punto a otro determinan la cantidad de energía disponible en el agua en movimiento. En general, cuanto mayor sea el caudal de agua y la altura de elevación, más electricidad podrá producir una central hidroeléctrica.

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