Energía hidráulica

La energía hidráulica es la que tiene el agua cuando se mueve a través de un cauce (energía cinética) o cuando se encuentra embalsada a cierta altura (energía potencial). Cuando se deja caer el agua, la energía potencial se transforma en energía cinética (velocidad), que puede ser aprovechada para diversos fines. Se trata de una energía renovable (no alternativa).
Hay dos aplicaciones fundamentales de la energía hidráulica:
··Desde, aproximadamente, el año 100 a.C. hasta casi finales del siglo xix, toda la energía hidráulica se transformaba en energía mecánica que, posteriormente, tenía aplicaciones específicas en nonas, molinos de grano, fraguas y forjas, industrias textiles, etcétera.
·A partir de principios del siglo xx se empleó también para la obtención de electricidad. La primera central hidráulica para esta aplicación se construyó en el año 1882 en Estados Unidos, para alimentar 250 lámparas eléctricas (inventadas por Thomas A. Edison).
En la actualidad, prácticamente toda la energía hidráulica se emplea para la obtención de electricidad.

A.Componentes de un centro hidroeléctrico

Embalse. Representa La totalidad del agua acumulada. Para ello dispone de un muro grueso de hormigón, denominado presa, cuya función es la de retener el agua. Básicamente existen dos tipos:
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Presa de gravedad

Con su peso contrarresta el empuje del agua. Suele ser recta o un poco cóncava (por el lado del agua). Su sección transversal es triangular, formando un ángulo recto entre la base y el lado del embalse.

Su construcción resulta cara (Fig. 6.2).

·Presa de bóveda

Trabaja de manera que el empuje del agua lo transmite a las laderas de la montaña. Suele ser convexa, de tal manera que, cuanto más empuja el agua del embalse, más se «clavan» los Lados de la presa en las laderas de la montaña. Esta característica reduce el tamaño de la presa, por lo que su construcción es más barata para la misma solidez que el caso anterior (véase Figura 6.3).

··Conductos de agua

Existen dos tipos de conductos:
··Compuertas (Fig. 6.6). Tienen como misión evacuar el agua que hay en el embalse sin que pase por La sala de máquinas (turbinas). Se utilizan cuando es necesario soltar agua por razones de riego o seguridad (lluvias excesivas).
·Tuberías de conducción (Fig. 6.4). Permiten transportar el agua desde el embalse hasta las turbinas. Hay dos partes importantes:

1..La toma de agua, que suele estar colocada a 1/3 de La altura de la presa con objeto de que los fangos, piedras y materiales diversos que arrastra el agua queden depositados en el fondo y no sean arrastrados a las turbinas, que se podrían romper. Además, suele disponer de una rejilla para evitar que se introduzcan en la tubería ramas, troncos, etcétera.
2.La chimenea de equilibrio, que consiste en un pequeño depósito, conectado a las tuberías de conducción, en el que hay agua acumulada. Con ello se evitan las variaciones de presión en el agua, cuando se regula el caudal a la salida.

Sala de máquinas

En la sala de máquinas (Fig. 6.5) se encuentran dos elementos muy importantes:
··Las turbinas, cuya función es la de transformar La energía cinética del agua en energía mecánica de rotación. En la página anterior se muestra, de manera resumida, La evolución de Las ruedas hidráulicas y de las turbinas. En la actualidad, las turbinas más empleadas son la Kaplan (con rendimientos bastante altos) y la Pelton mejorada.
··Características de la turbina Kaplan
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Se trata de una turbina de eje vertical y un rotor en forma de hélice, con aspas (generalmente 4 o 5) de inclinación variable, que va encerrada en una cámara cilindrica por cuya parte superior llega el agua.
·Se emplea para saltos de agua inferiores a 25 m y mucho caudal.
··Su rendimiento suele estar entre el 93% y el 95%.
··Es una de las turbinas que más se emplea en la actualidad.
··Características de la turbina Pelton
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Se trata de una rueda hidráulica muy perfeccionada, en la que en la periferia de una circunferencia se ha colocado una serie de «cucharas» que pueden soportar el choque de un potentísimo chorro de agua.
··Las cucharas reciben el agua en un sentido y la expulsan casi en sentido contrario (150°). En instalaciones muy grandes alcanzan empujes de hasta 50 toneladas.
··Se usa cuando se dispone de un gran salto de agua, pero no de mucho caudal. Su rendimiento puede llegar hasta el 90%.
··Gira más lentamente que la Kaplan (entre 300 a 1800 rpm). Para aumentar la potencia basta aumentar el número de chorros.
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Alternador

En las turbinas Pelton, el alternador suele estar solidario al eje de la turbina, ya que la velocidad de giro de aquél se puede regular colocando más o menos chorros. Las turbinas Kaplan suelen girar muy rápidamente, razón por la que es necesario intercalar un reductor de velocidad entre turbina y alternador.

··Transformadores y líneas de transporte

Los transformadores se encargan de elevar la tensión de salida de los alternadores (que normalmente es de unos 20000 V) hasta 400000 V, que suele ser la tensión utilizada para transportar la corriente entre puntos distantes. Si la central está conectada a la red nacional (que es lo lógico), debe estar sincronizada al conjunto de la red para que su aportación se sume a la de otras.
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C. Tipos de centrales

··-Minicentrales. Su potencia es menor de 10 MW. Históricamente han sido la base de producción de electricidad en pequeños pueblos y en empresas que se situaron próximas a los ríos.
··-Grandes centrales o centrales hidroeléctricas. Su potencia es superior a los 10 MW. Se sitúan en las cuencas de los ríos con caudales grandes.
··Existen dos tipos de centrales: de bombeo puro y de bombeo mixtas.
··Centrales de bombeo puro. Disponen de dos embalses (el inferior es natural y muy pequeño). Durante las horas de máxima demanda de energía eléctrica funcionan como cualquier central; es decir, el agua del embalse superior pasa por las tuberías hasta la turbina, haciéndola girar y generando corriente eléctrica. Cuando la demanda de energía es baja, se aprovecha la energía eléctrica sobrante, de esta central u otras centrales térmicas o nucleares, para bombear agua del embalse inferior al superior. Para poder obtener agua del embalse superior es necesario haberla bombeado previamente, ya que por ahí no pasa ningún río. Es decir, el embalse superior hace las veces de depósito.
·Centrales de bombeo mixtas. Pueden producir energía indistintamente con o sin bombeo previo. No se necesita bombear agua al embalse superior para producir energía, pues este embalse es alimentado por el cauce del río. Solamente cuando haya un excedente de energía eléctrica y el embalse superior disponga de poca agua, debido a que en ese momento el caudal del río sea pequeño, se puede bombear agua del embalse inferior al superior.
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D. Energía hidráulica y medio ambiente

··Este sistema de producción de energía es uno de los más limpios que existen, ya que no e emiten humos ni residuos a la atmósfera.
·Además, los embalses permiten regular el caudal de los ríos, evitando inundaciones e incluso desgracias personales y materiales en caso de lluvias abundantes o torrenciales, también contribuyen a almacenar agua que, posteriormente, será aprovechada para consumo humano y riegos.
·Los problemas mayores son que a la hora de hacer la presa y el embalse se suelen anegar extensiones fértiles de terreno o pueblos enteros en algunos casos, y que a veces se trastoca la vegetación y la fauna autóctona (hay que tener en cuenta que en ocasiones elembalse puede llegar a medir hasta 400 km de largo).
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6.2 Energía solar

··El Sol es la principal fuente de energía de la Tierra. A través de las reacciones nucleares que se originan en su interior, gran parte de la energía liberada llega a la Tierra en forma de ondas electromagnéticas.
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A. Aprovechamiento de la energía solar

··La energía solar tiene dos campos de aplicación fundamentales: conversión en energía eléctrica y transformación en energía térmica o calorífica. En el cuadro adjunto se muestran las máquinas más empleadas para llevar a cabo esta tarea.
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Conversión en energía calorífica: colectores o captadores planos

La conversión de energía solar en energía calorífica se basa en el hecho de que todo cuerpo expuesto al sol absorbe parte de los rayos solares que inciden sobre él. Dependiendo de su color, absorberá más o menos radiaciones.
··Teóricamente, un cuerpo de color negro mate absorbería todas las radiaciones, mientras que uno blanco brillante las reflejaría todas (quizás los espejos sean los materiales que mejor reflejen las radiaciones que sobre ellos inciden). Esto no es del todo cierto, pero, a efectos prácticos, se puede dar por válido.
·Los dispositivos empleados para la obtención de energía térmica o energía calorífica a partir de los rayos solares se denominan colectores o captadores.
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Un colector solar es una caja, normalmente metálica, en cuyo interior se ha dispuesto una serie de tubos, pintados de color negro, por los que circula agua . El interior del colector está pintado, igualmente, de color negro mate para absorber los rayos solares.
·En la parte superior dispone de un cristal, que permite el paso de los rayos y hace de aislante con el exterior. EL colector se orienta hacia el Sol para captar la máxima radiación solar.
··Se fabrican tres tipos de colectores:
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Hasta temperaturas de 35 °C

Correspondería al modelo de colector más sencillo, ya que las tuberías no tendrían aislamiento alguno; es decir, se hallarían sin cristal, por lo que estarían en contacto con el exterior. Las aplicaciones más usuales son: climatización de piscinas, calefacción de invernaderos, secaderos, duchas al aire libre, etcétera.

·Hasta temperaturas de 60 °C

En este caso, el colector llevará un cristal exterior y en el interior irá aislado térmicamente, mediante fibra de vidrio o poliuretano. Su interior va pintado de negro mate, así como las tuberías. Se emplean para calentar agua caliente sanitaria, para la calefacción de viviendas, para usos industriales, etcétera.

·Hasta temperaturas de 120 °C

EL colector lleva en su interior un aislamiento al vacío. Por tanto, irá precintado para que no se pueda abrir. Se emplea para usos industriales en los que se necesite agua o alta temperatura.

··Conversión en energía calorífica: aprovechamiento pasivo

Hay muchísimas aplicaciones en las que se emplea este sistema. De hecho, el hombre y los seres vivos la llevan aprovechando desde siempre para calentarse. A título de ejemplo, se muestran dos aplicaciones de este tipo de aprovechamiento para usos industriales:

··Invernaderos

Los plásticos permiten la entrada de radiaciones electromagnéticas. Al incidir sobre el suelo, su longitud de onda varía y, al intentar salir del plástico, debido a la reflexión, quedan retenidas. El resultado es el aumento de la temperatura.
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Desalinizadora de agua marina

. Consta de dos recipientes separados y aislados exteriormente. Por un lado lleva un cristaL que tendrá una orientación de unos 45 ° con respecto a la horizontal. Al fondo, un material que refleje los rayos sobre el agua salada. Al evaporarse el agua del mar, queda en el fondo la sal. Las gotas de agua se condensan y caen al otro recipiente.

Campo de helióstatos

Está formado por una serie de helióstatos o espejos direccionales (1), de grandes dimensiones, que reflejan la luz solar hada una torre (3), concentrando los rayos solares sobre la caldera (2). El aporte calorífico es absorbido por el fluido de la caldera y conducido hacia el generador de vapor (5). Luego la energía se transmite a un segundo circuito, donde el agua que tiene se evapora y llega al grupo turbina-alternador (6), que produce electricidad. Finalmente el fluido es condensado en el aerocondensador (7) para repetir el ciclo.

Colectores cilíndrico-parabólicos

Concentran los rayos solares en una tubería que contiene un líquido (aceite). Con este sistema se pueden conseguir temperaturas de hasta 300 °C.
El fluido (aceite) transmite el calor desde los colectores hasta un intercambiador de calor que hay en la caldera. Con ese calor se consigue evaporar agua, que pasa a través de la turbina y La hace girar. El alternador, solidario a la turbina, se encarga de generar la corriente eléctrica.

Horno solar

Consiste en concentrar en una pequeña zona o punto Los rayos solares que inciden en una superficie muy grande en comparación con la zona anterior. Para ello se utiliza un espejo de forma parabólica, como se puede ver en la Figura 6.15. Las temperaturas que se pueden obtener son muy elevadas (llegando incluso a los 4000 °C) y principalmente se utilizan en investigación, como el estudio del punto de fusión de materiales. Su explotación comercial no es viable en la actualidad debido a su alto coste. El horno solar más grande del mundo se encuentra en Odeillo (Francia), con una potencia de un megavatio.

Placas fotovoltaicas

Cada módulo o placa fotovoltaica está formada por una serie de céluLas solares (normalmente 36 en serie), construidas a base de silicio como material base. Cuando la luz solar incide sobre las células, se genera una pequeña tensión (0,58 voltios) en los extremos de sus bornes. Las células se colocan en serie, consiguiéndose una tensión final de 18 V y una intensidad aproximada de 2 A. El rendimiento energético de estas placas suele llegar hasta el 25%, dependiendo de su orientación y de la temperatura a la que se encuentre sometida. El rendimiento disminuye a medida que aumenta su temperatura.

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