Cómo una presa hidroeléctrica produce electricidad
La energía hidroeléctrica utiliza la energía de la caída o el agua corriente. Una presa almacena el agua a la altura; su liberación a través de una turbina convierte la energía almacenada en electricidad.
En 60 segundos: cómo funciona
Una presa de energía hidroeléctrica utiliza la energía del agua que cae de una altura. El agua liberada del depósito gira una turbina, y la turbina gira un generador.
- La presa retiene un embalse, almacenando agua en lo alto de la central eléctrica.
- El agua se libera en una tubería grande llamada penstock y se precipita hacia abajo.
- Las puertas ajustables controlan cuánta agua llega a la turbina, que gira cuando el agua llega a ella.
- El eje de la turbina gira un generador, que produce electricidad.
- El agua sale de la turbina y fluye de vuelta al río bajo la presa.
- Un transformador eleva la tensión para que la energía pueda viajar a la red.
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Por Centrales eléctricas en todo el mundo · Lectura relacionada actualizada · Alcance de la preparación y el examen. Ilustraciones educativas; no se reclama revisión independiente de ingeniería por pares.
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Planta de embalses de presa de gravedad con dos unidades verticales Francis y generadores sincrónicos de red directa. Las secciones de la central eléctrica y la turbina revelan puertas de pivote, carcasas fijas, ejes, rodamientos y tubos de expansión. La cabeza bruta, la ley de flujo de puerta, las eficiencias y el ajuste de 24-pole/50 Hz son ilustrativos; el modelo en estado estacionario no es una aprobación hidráulica, estructural o de seguridad de presas. El movimiento se ralentiza para la inspección. Los recubrimientos de colores revelan flujo a través de equipos cerrados; los pulsos de oro muestran transferencia neta de energía eléctrica, no electrones individuales.
Cómo funciona
- Agua a un nivel superior
- Flujo de agua controlado
- Rotación de turbinas
- Electricidad de generadores
- Transformador y rejilla
La energía hidroeléctrica convierte la energía del agua que se mueve de un nivel más alto a uno más bajo en electricidad. Una toma admite el agua y un canal o penstock lo lleva a la turbina. En la máquina Francis ilustrada, las aletas guía controlan el flujo que entra en el corredor. El corredor gira un eje conectado a un generador, y el agua regresa río abajo. La energía disponible depende tanto del flujo como de la cabeza hidráulica: la energía disponible por unidad de peso del agua, después de las pérdidas en los conductos de agua.
Un embalse puede permitir que los operadores elijan cuándo liberar parte del agua, dentro de los límites de la gestión del agua y del medio ambiente. Una planta de corriente depende más directamente del flujo del río. Ninguna disposición crea agua, por lo que el flujo estacional y la sequía afectan la producción. Las turbinas se seleccionan para la cabeza y el flujo del sitio en lugar de simplemente sus megavatios instalados. El paso de peces, el movimiento de sedimentos y las condiciones de agua aguas abajo también conforman el diseño y las reglas de funcionamiento.
Sigue el agua, cuenta la energía.
Dos unidades verticales Francis, no máquinas Kaplan o Pelton. Cada una tiene su propio camino de agua y interruptor; ambos alimentan un colector y transformador de paso. Los pasajes principales del libro fueron revisados antes de esta actualización. Cada parámetro numérico es una opción de enseñanza ilustrativa, no una especificación de instalación real.
Seleccionado: todo el sistema.
Explicación sencilla
Altura suministra energía; las puertas regulan el agua. La cabeza gruesa compara las superficies de agua del depósito y aguas abajo. El rack atrapa los escombros; la entrada admite el agua y el corral lo lleva a la carcasa espiral. Las paletas fijas de la estancia apoyan/dirigen el paso. [H1]
El corredor conduce una máquina eléctrica separada. El agua se dirige hacia el interior y se gira hacia abajo a través del corredor Francis de hoja fija. El rotor del corredor y el generador coaxial giran juntos; el cuerpo, el estator y los soportes de rodamientos permanecen fijos. Una unidad sincrónica conectada funciona a su velocidad de conexión de la red. [H1] [H2] [H4]
El agua y la energía eléctrica salen por diferentes rutas. El tubo de draft en expansión reduce la velocidad de salida y recupera parte de la cabeza de velocidad como presión, luego conduce a la racha. La corriente alterna trifásica (AC) pasa por cada interruptor de unidad, el colector y el transformador a la red. Las liberaciones de bypass evitan la generación. El tubo de draft no crea energía extra. [H1]
Saldo de operaciones actual
| Límite | Potencia |
|---|---|
| Entrada hidráulica bruta a través de ambas unidades generadoras | 12.210 |
| Ingestión / pérdida de penstock | 0.581 |
| Turbina agua no convertida / energía mecánica | 1.163 |
| Pérdida de generadores | 0.419 |
| Transformador / pérdida de colección | 0.151 |
| Exportación útil de la red | 9.896 |
La liberación de bypass se contabiliza por separado: 0.000 m3/s lleva 0.000 MW de potencial hidráulico bruto, con cero potencia atribuida del generador. Potencial hidráulico liberado total es 12.210 MW. Esto no es todo calor y no se incluye en la eficiencia de la vía de generación.
| Unidad | Shaft MW | Torque kN·m | Generator MWac | Frequency Hz |
|---|---|---|---|---|
| Francis 1 | 5.233 | 199.873 | 5.023 | 50 |
| Francis 2 | 5.233 | 199.873 | 5.023 | 50 |
Detalles de ingeniería
Cabeza y poder. Hg es la cabeza bruta (m), Q es la descarga por unidad (m3/s), hc es la pérdida de la cabeza de ingesta/pene (m), y Hneto = Hg − hc es la cabeza de energía total a través de la turbina completa. La cabeza representa la energía por unidad de peso; incluye términos de elevación, presión y velocidad. Aquí ambos cabezales de velocidad de superficie libre se descuidan. La cabeza de red no es la profundidad del corredor debajo del depósito, yneto no se presenta como una presión de corredor medida. [H1]
Pe = ρ g Q Hneto ηt ηg · Pgrid = (Pe,1 + Pe,2) ηtx
Pe is generator AC output (W); ρ is water density (1,000 kg/m³); g is gravitational acceleration (9.80665 m/s²); ηt es la eficiencia agregada de la turbina (0,90, incluidas las pérdidas de tubo de draft, agua y mecánicas); ηg es eficiencia del generador (0,96); ηtx es la eficiencia de transformador/colector (0,985). Las eficiencias y densidad se asumen constantes. No se multiplican en un segundo proyecto de rendimiento de recuperación de tubos: su rendimiento ya está dentro de ηt. [H1]
Ley de puertas ilustrativas, no una carta de Francis Hill. Deje que un comando ser gate / 100 para una unidad admitida, o cero para una unidad aislada independientemente de su comando almacenado. Qref = 10 m³/s at Href = 60 m net head, and k = 0.03 s²/m⁵. Assume Q = a Qref √(Hneto/Href) and hc = kQ². With A = a²Qref²/Href, algebra gives Q² = AHg/(1+kA). Each penstock is independent. These invented coefficients are not a friction factor, manufacturer gate curve, computed pipe hydraulics or tested efficiency map. Actual efficiency varies with head, discharge and speed; very small positive commands are conceptual examples, not recommended operation.
Sincronismo y torsión. n es velocidad mecánica en revoluciones por minuto (rpm), f es frecuencia eléctrica (Hz), p es recuento total de polos magnéticos, [H2]
n = 120 f / p = 120 × 50 / 24 = 250 rpm · ω = 2πn/60 · T = Peje/ω
El generador de campo de herida de 24 polos seleccionado se conecta directamente a la red de 50 Hz seleccionada. La velocidad constante es una suposición sincrónica constante, no una simulación de gobernador. Las unidades aisladas/de flujo cero se muestran estacionadas con puertas cerradas y abiertas; no se anima la sincronización, la ejecución, el costeo, el motor de escape o sin carga. 0.05 × physical rotation, then the display-speed multiplier.
Loss boundaries. Generación bruta de entrada gQHg igual a pérdida de conducto gQhc + turbine loss Σ(Pneto − Peje) + generator loss Σ(Peje − Pe) + transformer loss + grid export. A bypass release has its own ρgQderrameHg término, donde Qderrame Denota esta liberación no generadora prescrita, no un cálculo de la cresta-piel. Generando la eficiencia de la ruta es la exportación de la red dividida por la entrada hidráulica bruta a través de unidades generadoras, indefinida cuando esa entrada es cero. No se cuenta la energía dos veces.
Ejemplo comprobado · reiniciar entradas
Set 62,5 m cabeza bruta, ambos comandos de puerta 100%, ambas unidades admitidas, y flujo de bypass cero. Cada unidad pasa 9.960238 m3/s; la pérdida del conducto es 2.976190 m, leaving 59.523810 m cabezal de red. Cada eje entrega 5.233 MW a 250 rpm, dando 199.873 kN·m; cada generador entrega 5.023 MWac.
12.209572 MW = 0.581408 conduit + 1.162816 turbine + 0.418614 generator + 0.150701 transformer + 9.896032 grid.
La eficiencia de la vía de generación es 81.05%. Los valores anteriores se redondean para lectura; todos los valores de estado actual mostrados y la escena original del navegador usan el mismo cálculo no redondeado. Este es un balance algebraico comprobado con parámetros inventados, no una calificación de estación real o simulación de dominio de tiempo validado.
Lo que el corte hace y no muestra
- Los eslabones regulatorios mueven las puertas de las porras; las hojas de correderas fijas no se lanzan como las de un Kaplan. La sección original expone el equipo cerrado sin representar agujeros físicos en una planta de operación.
- Los rodamientos guían el eje y el empuje de soporte; los cimientos, anclajes de pluma y sillas de montar apoyan la maquinaria. Su geometría simplificada no valida cargas, vibraciones, fatiga, cimientos o estabilidad de presas.
- La cavitación se asocia con una presión local suficientemente baja; la presión de vapor del agua es una referencia importante, mientras que los núcleos y el gas disuelto afectan el inicio. Un cambio repentino en la velocidad de la pluma puede crear una onda de presión llamada martillo de agua. [H1] No se calcula campo de presión, margen de cavitación o transito de martillo de agua. Los cambios de puerta son estados de enseñanza instantáneos, no instrucciones de funcionamiento seguras.
- Alrededor de 5 m por unidad de escena; las distancias son comprimidas, los detalles del equipo se agrandan, las superficies de agua simplificadas. El coeficiente de pérdida numérica no se infiere de estas dimensiones.
- La energía hidroeléctrica depende de la disponibilidad de la cabeza y el agua. La operación del depósito también tiene limitaciones ambientales y de gestión del agua; este modelo asume suficiente entrada y no predice el agotamiento del depósito ni los efectos ecológicos.
Descargar la escena original de Blender editable. Los scripts de generación y verificación geométrica están incluidos en la fuente del proyecto; esto es visualización educativa, no un diseño de instalación aprobado.
Principales referencias de libros
- [H1] John S. Gulliver y Roger E. A. Arndt, editores. Manual de ingeniería de la energía hidroeléctrica. McGraw-Hill, 1991. ISBN 0-07-025193-2. Checked Arndt’s Chapter 4, printed 4.4–4.7, 4.15, 4.28–4.30 and 4.33–4.34, including equations (4.2), (4.9), (4.16a), in the University of Minnesota institutional scan. También comprobado capítulo 5, §5.5, impreso 5.55, para el mecanismo cualitativo de la apisonadora de agua. Estos son pasajes seleccionados, no una revisión de todo el libro.
- [H2] Herbert H. Woodson y James R. Melcher. Dinámica electromecánica, Parte I. Wiley, 1968; MIT OpenCourseWare reedición legal, 2009. Verificado Capítulo 4, §4.1.8, ecuación (4.1.95) y ejemplos de velocidad sincrónica en el MIT-hosted chapter. Nuestra ecuación utiliza polos totales en lugar de los pares de polos del libro.
Inicio de los libros de texto · sólo lectura posterior
[H3] Theodore Wildi. Máquinas eléctricas, accionamientos y sistemas de energía, 6a edición, Pearson New International Edition, publicado 2013 / ©2014. Sólo el publisher metadata and contents H2 es la fundación de libros de máquinas eléctricas realmente comprobada.
Documentación técnica complementaria
[H4] Departamento de Energía de los Estados Unidos. Types of Hydropower Turbines, sección Francis: hojas fijas, carcasa de pergamino, puertas de wicket y tubo de reclutamiento. Identificación complementaria, no evidencia de nuestras dimensiones o eficiencias.
Fuentes de actualización comprobadas . Explicaciones y diagramas originales; ninguna ilustración de libro de texto copiado. Software, fuentes y verificación de geometría rígida no establecen revisión independiente de ingeniería por pares, cumplimiento de normas, seguridad de presas o aprobación de diseño.
Dentro de la ingeniería
Siga la maquinaria, los fluidos de trabajo y la conexión eléctrica.
Mecánica
Las paletas fijas preceden a las puertas de las porras conectadas, que regulan la descarga en los corredores Francis de hoja fija. Los ejes coaxiales accionan los rotores del generador; los rodamientos guía/avanzado y sus carcasas permanecen fijos. Los tubos de draft separados se conectan continuamente a las rachas de cola.
Termal y químico
La cabeza bruta compara las superficies aguas arriba y aguas abajo; las pérdidas de conducto reducen la cabeza neta disponible de cada unidad. La turbina completa convierte la entrada hidráulica en potencia del eje, incluyendo la recuperación de tubos de corriente dentro de su eficiencia agregada. El agua regresa aguas abajo sin ser quemada ni hervida. La derivación de bajo nivel sumergida separada no añade generación alguna; el vertedero de cresta está cerrado y sin calificación.
Electricidad
Cada generador sincrónico de 24 polos funciona a 250 rpm en el estado de generación de 50 Hz seleccionado. Los cambios de puerta alteran el par y la salida, no la velocidad sincrónica. Los interruptores por unidad alimentan un colector trifásico, transformador y red. Las unidades aisladas o de flujo cero están estacionadas con interruptores abiertos; se omiten la sincronización, los auxiliares, la potencia reactiva y la protección.
Principales tipos y variaciones
El modelo muestra una planta convencional con turbina Francis. Las tres primeras variaciones describen cómo la planta maneja el agua; las tres últimas describen los diseños de la turbina. Estas son opciones complementarias: una planta de embalse o de corriente continua todavía necesita una turbina adecuada a su sitio.
Depósitos o instalaciones de embargo
Una presa contiene agua en un depósito sobre la central eléctrica. Los operadores liberan agua a través de los conductos de turbina, utilizando la diferencia entre los niveles de agua aguas arriba y aguas abajo. El almacenamiento puede cambiar la generación a un tiempo diferente de la llegada del flujo del río, sujeto a los límites del depósito y otros usos del agua.
¿Qué cambios en la práctica?
El almacenamiento añade flexibilidad operativa, pero la producción de electricidad debe compartir el agua con necesidades como la gestión de inundaciones, riego, ecosistemas y suministro de agua.
Planta de aguas residuales o de desviación
Una desviación canaliza parte de un río a través de una vía fluvial y una turbina antes de devolverlo río abajo. Utiliza la caída natural del río y puede tener un vertedero o estanque limitado en lugar de un gran depósito de almacenamiento. Generación por lo tanto sigue el flujo del río disponible más de cerca.
¿Qué cambios en la práctica?
El nombre describe el arreglo del agua; no significa que cada proyecto esté libre de presas o no tenga efecto sobre el río.
Energía hidroeléctrica de almacenamiento en bombeo
La electricidad impulsa las bombas que mueven el agua de un depósito inferior a uno superior. Más tarde, el agua fluye de vuelta a través de turbinas para generar. Algunas plantas utilizan turbinas de bomba reversibles y motores-generadores; otras separan el equipo de bombeo y generación. La energía almacenada está asociada con el agua elevada.
¿Qué cambios en la práctica?
Se trata de almacenamiento de energía: devuelve menos electricidad que el bombeo consumido. Cambia la energía a través del tiempo en lugar de suministrar una nueva fuente de energía primaria.
Turbina de reacción Francis
Una carcasa en espiral distribuye agua presurizada alrededor del corredor. Las aletas guía ajustables la dirigen hacia el interior a través de hojas de corredor curvadas, después de lo cual sale a lo largo de la dirección del eje a través de un tubo de arrastre.
¿Qué cambios en la práctica?
Las turbinas Francis se adaptan a una amplia gama de cabezas medias y superiores. Las hojas de corredor son normalmente fijas; las aletas guía regulan el agua entrante.
Turbinas de hélice y de Kaplan
El agua pasa principalmente a lo largo del eje de un corredor en forma de hélice. Una turbina Kaplan ajusta tanto el paso de la hoja de rodadura como la posición de la barra de guía para adaptarse a las condiciones cambiantes. Una turbina de hélice de hoja fija utiliza la misma dirección general de flujo, pero tiene un rango de funcionamiento más estrecho y eficiente.
¿Qué cambios en la práctica?
Estas turbinas de reacción son útiles cuando la cabeza es relativamente baja y el flujo es alto. Las cuchillas ajustables ayudan a una máquina Kaplan a responder a las condiciones cambiantes del agua.
Turbina de impulso Pelton
Las boquillas convierten el agua de alta presión en chorros rápidos. Cada chorro golpea los cubos divididos alrededor del borde del corredor y cambia de dirección, transfiriendo el impulso al eje. El corredor opera en una carcasa llena de aire en lugar de un paso de agua totalmente presurizado, y el agua gastada se drena.
¿Qué cambios en la práctica?
Las máquinas Pelton se adaptan a sitios de alta cabeza con flujo relativamente modesto. Sus chorros y cubos requieren un arreglo de potencia diferente de un corredor de reacción sumergido.
Vale la pena saber
- Las plantas de la cuenca utilizan el flujo del río con poco o ningún almacenamiento.
- Plantas de almacenamiento bombean agua cuesta arriba cuando la electricidad es abundante y la liberan más tarde.
- La producción depende de las precipitaciones y de la fundición de nieve, por lo que cambia de año en año.
Ver ejemplos reales
El atlas incluye 9.244 registros hidroeléctricos en todo el mundo.
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Referencias de libros de texto
Los antecedentes técnicos sugeridos para este tema. Estos libros son lectura adicional, no prueba de que cada explicación fue verificada en cada edición. bibliografía completa y ámbito de aplicación del examen.
- Hydropower Engineering HandbookTipos de turbinas, tapones, vertederos y planta hidroeléctrica (gratuitamente descargable).
- Renewable and Efficient Electric Power SystemsCabeza, flujo y la ecuación de energía para las centrales hidroeléctricas.
Fuentes
- EIA: Hydropower explained ↗
- US DOE: Hydropower turbines ↗
- US DOE: Head, tailwater and hydropower terminology ↗
Los cortes revelan el equipo cerrado. Los diseños, dimensiones, materiales y velocidades de animación son ilustrativos; este es un modelo educativo, no un diseño de planta o una simulación termodinámica.