Memoria Central Hidráulica

HIDRO-TECH
Camilo Blasco Diosdado
Lidia Béjar Martín
Edgar Galiñanes García
Sergio Martín Gómez
2ºBach “A”

IES GREGORIO MARAÑÓN
ÍNDICE
0. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 3
1. BÚSQUEDA DE INFORMACIÓN 3
1. 1. FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA 3
1.1.1. Partes de una central hidroeléctrica 3
1.1.2. Funcionamiento de una central hidroeléctrica 4
1.1.3. Clasificación de centrales hidroeléctricas 4
1.2. CIRCUITOS ELÉCTRICOS 5
1.3 SISTEMAS DE CONTROL 6
2. FUNTES DE CONSULTA 11
3. DISEÑO 11
3.1. Perspectiva de conjunto 11
3.2 Circuitos eléctricos y electrónicos: 11
3.2.1 Circuito eléctrico 11
3.2.2. Arduino 12
4. PLANIFICACIÓN 14
4.1 Lista de Materiales 14
4.2 Lista de herramientas y máquinas 16
4.3 Presupuesto 17
4.4 Planificación temporal 18
5. CONSTRUCCIÓN 19
5.1 Diario de Construcción 19
5.2. Fotos de la solución. 23
5.3 Problemas y soluciones 25
6. Opinión Personal 25
2

0. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
Nuestro proyecto consiste en una maqueta didáctica de una central hidroeléctrica de
agua embalsada de bombeo puro, con sus partes correspondientes
-Toma de agua y compuerta
-Canales, camaras de carga y chimenea
-Presa (con aliviaderos)
-Edificio de la central
-Turbina (tipo Francis)
1. BÚSQUEDA DE INFORMACIÓN:
1.1 FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA.
La energía hidráulica es una energía renovable que consiste en la conversión de
la energía potencial del agua(debido a la altura) en cinética de rotación, a través de
turbinas hidráulicas; la fuente primaria de energía lo constituyen los ríos, lagos y
embalses.
Las centrales hidroeléctricas son aquellas instalaciones que transforman la
energía potencial del agua en energía eléctrica.
1.1.1 Partes de una central hidroeléctrica
·Toma de agua y compuerta: estructura que se construye para devolver el agua al
cauce del río y hasta el embalse o conductos que se dirigen hacia la turbina.
·Presa o represa: es una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales
sueltos, que se construye habitualmente apoyado en una montaña o desfiladero,
sobre un río o arroyo. Se encarga de retener el agua en el cauce fluvial con
diferentes finalidades: para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o
regadío; para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego;
para proteger una zona de sus efectos dañinos; o para la producción de energía
eléctrica.
Los tipos de presa más importantes son:
-Presas de gravedad, contrarrestan con su peso el empuje del agua.
-Presas de gravedad aligerada, usan una estructura hueca y muy elástica a
las dilataciones. Este tipo de presa hemos aplicado a nuestra maqueta.
-Presas arco o de bóveda: tienen su parte convexa dirigida aguas arribas.
Transmite el empuje del agua a los laterales.
3

·Embalse: es el volumen de agua que queda retenido, de forma artificial, por la
presa. Se suele colocar en un lugar adecuado geológicamente.
· Los aliviaderos: son los elementos que permiten regular y controlar los niveles del
embalse y por los que sale el agua sobrante directamente al río.
· Edificio de la central: edificios donde se encuentran las máquinas, turbinas y
alternadores.
·Turbinas: máquinas compuestas por un rodete con álabes unidas a un eje giratorio.
Su misión es transformar la energía cinética de rotación del eje. En las centrales
existen:
-Turbinas de acción: aprovechan únicamente la velocidad del agua, como por
ejemplo la rueda Pelton que se emplea en saltos elevados y de pequeño caudal. No
está sumergida en agua de impulsión, sino que el agua llega a ella a través de
inyectores.
-Turbinas de reacción: aprovechan tanto la velocidad el agua como la
presión, como por ejemplo la turbina Francis para saltos y caudales medianos (esta
turbina hemos introducido en nuestro proyecto) o la turbina Kaplan para saltos
pequeños y caudales grandes.
· Alternador: se encarga de generar energía eléctrica
·Transformadores: son el equipo que se encarga de convertir la corriente alterna
en una corriente de alta tensión y disminuir la intensidad de la corriente eléctrica. De
este modo, se pierde menos energía en su transporte.
·Líneas de Transporte de Energía Eléctrica: la electricidad producida se transporta
por cables de alta tensión a las estaciones de distribución, donde se reduce la
tensión mediante transformadores hasta niveles adecuados para los usuarios. Las
líneas primarias pueden transmitir electricidad con tensiones de hasta 500.000
voltios o más. Las líneas secundarias que van a las viviendas tienen tensiones de
220 y 110 voltios.
4

1.1.2 Funcionamiento de una central hidroeléctrica
Básicamente el funcionamiento general de una central hidroeléctrica es el siguiente:
La estructura de la presa sirve de contención al agua acumulada en el embalse, que
llega a la sala de máquinas a través de una tubería forzada. En la entrada de dicha
tubería, unas compuertas regulan el caudal y filtran el agua que pasa a la turbina,
impidiendo así que se deterioren las álabes. Al llegar a la turbina, la presión y la
velocidad del agua hacen girar a la turbina, que a su vez hace girar al alternador
(conectados al mismo eje) y se produce electricidad.
1.1.3 Clasificación de centrales hidroeléctricas
·Centrales hidroeléctricas de agua fluyente: son las centrales hidroeléctricas que no
tienen zona de almacenaje del agua, por lo que necesitan que el caudal del río sea
lo suficientemente elevado y constante durante todo el año para generar energía. En
ellas el agua del río se desvía hacia un canal inclinado que la conduce hasta un
depósito que recibe el nombre de cámara de carga. Desde este se dirige el agua a
través de una tubería hasta la sala de máquinas donde se hace girar una turbina
para obtener energía eléctrica. Tras esto, el agua se devuelve de nuevo al río.
·Centrales hidroeléctricas de agua embalsada: en este caso, una presa es la que
forma una acumulación de agua artificial, donde llega a haber una cantidad amplia
de agua que se eleva sobre las turbinas. Con tal cantidad, se puede controlar la
5

cantidad de agua que pasa por ellas y la cantidad de energía que se produce.
Suelen utilizarse para producir energía regularmente cuando el caudal del río que
las abastece es variable. Pueden ser:
-Centrales de gravedad: constan de una presa y una vez que el agua ha
pasado a la turbina se devuelve al río.
-Centrales de bombeo: disponen de un embalse superior y otro inferior.
Cuando la demanda de energía es máxima, funcionan como cualquier central
hidroeléctrica llegando el agua tras pasar por la turbina al embalse inferior. Sin
embargo, cuando la demanda de energía es baja, se aprovecha la energía sobrante
de la central, para accionar en el edificio de la central unas potentes bombas que
elevan el agua a través de unas tuberías al embalse superior. Hay dos tipos de
centrales hidroeléctricas:
*De bombeo puro: estas centrales necesitan que se bombee
previamente el agua desde el embalse inferior, ya que al embalse superior no
llega ningún río.
6

*De bombeo mixto: estas centrales pueden producir energía con o sin
un bombeo previo desde el embalse inferior.
1.2. CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Descripción de los componentes de los circuitos eléctricos que vamos a realizar en
la maqueta
· Pila: convierte energía química en energía eléctrica y la suministra al circuito.
· Cables: conducen la energía eléctrica. Normalmente se fabrican de cobre ya que
es un excelente conductor, y están recubiertos de un material aislante o de un
protector de plástico.
· Motor:
Vamos a describir la construcción general de una máquina eléctrica:
Las máquinas eléctricas se pueden clasificar en:
Estáticas: no hay partes móviles. Ej. Transformadores
Rotativas: tienen una parte giratoria.
Las máquinas de corriente continua pueden actuar como motor y como generador,
sus partes son:
Estator: genera el campo magnético de excitación. Es la parte fija de la máquina.
Posee una culata magnética con unos salientes llamados polos que crean el campo
magnético al girar.
Rotor: es una pieza cilíndrica con ranuras, formada por chapas ferromagnéticas. En
las ranuras están las bobinas de cobre de la máquina.
Entrehierro: es una zona hueca entre las piezas anteriores que permite el giro del
rotor.
Colector delgas: son láminas de cobre que giran con el rotor, están conectadas a las
bobinas, con las que se puede conectar al exterior.
Escobillas y portaescobillas: las escobillas están fijas, y al deslizarse el colector
delgas se crea la corriente entre el devanado y los bornes. Las escobillas están
7

sujetas por los portaescobillas.
El principio de funcionamiento del motor eléctrico es el siguiente:
El estátor genera el campo magnético, si al rotor se le induce una corriente , este
girará, es decir, en el rotor se genera una fuerza F, que le hace girar .
· Conmutador: la corriente puede entrar por dos sitios y salir por cuatro.
Normalmente se usan para invertir el giro de un motor.
· Bombilla: produce luz mediante el calentamiento de un filamento metálico
(wolframio) al pasar la corriente eléctrica.
· Interruptor: permite controlar el paso de la corriente eléctrica. Podemos distinguir
el polo, que es por donde entra la corriente y en contacto, que es por dónde sale.
· Pulsador: permite controlar el paso de corriente, activando el efecto del pulsador
mientras se ejerza una presión sobre él. Se suelen usar, por ejemplo, en el timbre
de una casa.
1.3. SISTEMA DE CONTROL
Un sistema de control es un conjunto de elementos interrelacionados capaces de
realizar una operación dada o de satisfacer una función deseada.
Los sistemas de control se pueden clasificar en:
● Sistemas de control de lazo abierto:
Un sistema de control en lazo abierto es aquél en el que la señal de salida no influye
8

sobre la señal de entrada. La exactitud de estos sistemas depende de su
calibración, de manera que al calibrar se establece una relación entre la entrada y la
salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada.
El diagrama de bloque de un sistema en lazo abierto es:
● Sistemas de control en lazo cerrado:
Un sistema de control de lazo cerrado es aquél en el que la acción de control es, en
cierto modo, dependiente de la salida. La señal de salida influye en la entrada. Para
esto es necesario que la entrada sea modificada en cada instante en función de la
salida.
-Componentes:
·Placa Arduino UNO:
Placa de desarrollo de hardware para construir dispositivos digitales y dispositivos
interactivos que puedan detectar y controlar objetos del mundo real. Arduino se
enfoca en acercar y facilitar el uso de la electrónica y programación de sistemas
utilizados en proyectos multidisciplinarios. En nuestro caso usaremos dos placas,
una para controlar un sistema de iluminación con LEDs controlados con un sensor
de luminosidad LDR y otra placa para controlar un sensor de profundidad y una
pantalla LCD.
9

·Pantalla LCD: LCD viene del inglés Liquid Crystal Display. Esta pantalla permite
reflejar los datos obtenidos a través de otro tipo de sensor. En nuestro proyecto, la
pantalla LCD muestra el nivel de profundidad del embalse.
· Sensor de profundidad o de agua: es un sencillo sensor de agua / gotas de
lluvia, que produce una señal analógica proporcional a la humedad detectada, o al
nivel de agua que recoja. Es un sensor de pequeñas dimensiones pensado para
detectar el agua de lluvia o bien pequeñas modificaciones de nivel de agua (Un par
de cm) para detectar filtraciones o fugas de líquido. En nuestro proyecto está
situado en el embalse y mide el nivel de agua que hay en él, este refleja los datos
obtenidos en la pantalla LCD.
· LDR: un fotorresistor o fotorresistencia es un componente electrónico cuya
resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Su cuerpo está
formado por una célula fotorreceptora y dos patillas. El valor de resistencia eléctrica
de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50
ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios). En nuestra maqueta
estará controlado por una placa de Arduino que a su vez enciende o apaga los
LEDs del sistema de iluminación del puente según el nivel de luminosidad que
detecte el fotorresistor.
· LED: es un dispositivo electrónico que consiste en un diodo que emite luz.
Necesita estar en polarización directa para lucir.
· Placa BOARD: es un tablero con orificios conectados entre sí. Se utiliza para crear
circuitos electrónicos con mayor facilidad. Está hecho de un material aislante
(plástico) y un conductor que conecta los orificios entre sí.
10

2. FUENTES DE CONSULTA:
IDEA URL DE CONSULTA
Sensor de profundidad https://www.prometec.net/sensor-agua/
Pantalla LCD (cuatro pines) https://www.prometec.net/bus-i2c/
Arduino+LDR+LED https://www.youtube.com/watch?
v=2FeCKmrgUUk
COMPONENTES DEL CIRCUITO Y
SISTEMAS DE CONTROL
Libro de Tecnología Industrial II. 2º de
Bachillerato, Ed Everest
Wikipedia
Funcionamiento y partes de una central
hidráulica
Libro de Tecnología Industrial I, 1º de
bachillerato Editorial Everest
http://www.seprem.es/presases.php
https://ecovive.com/elementos-
principales-de-una-central-
hidroelectrica/
https://comofuncionaque.com/como-
funciona-una-central-hidroelectrica/
3. DISEÑO
3.1. Perspectiva de conjunto
11

3.2 Circuitos eléctricos y electrónicos:
3.2.1 Circuito eléctrico
El siguiete esquema representa la parte eléctrica de la maqueta, por una parte las
bombillas están dispuestas en la maqueta para que se vea mejor a la hora de la
explicación didáctica de la central. El diodo led representa una tira led que hay
dentro de la presa. El motor con el conmutador, corresponde a la apertura y cierre
de la compuerta de la presa y los dos motores de abajo representan las bombas de
subida del agua del embalse inferior al superior.
3.2.2. Arduino:
- Esquema Fritzing
El siguiente esquema realizado con el programa fritzing, corresponde a un circuito
de iluminación automática con una resistencia ldr y luces led y un sistema de control
de la profundidad del agua en la presa, usando una pantalla LCD y un sensor de
nivel de agua.
12

- Programa:
Este es el programa que hace funcionar el circuito anterior, está realizado con el IDE
de Arduino, que está basado en Processing
#include <Wire.h>
#include <LCD.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#define I2C_ADDR 0x27
LiquidCrystal_I2C lcd(I2C_ADDR,2, 1, 0, 4, 5, 6, 7);
int sensorReading;// Pin analígico referido a la LDR en espera
void setup()
{
lcd.begin(16,2); // Inicializar el display con 16 caraceres 2 lineas
lcd.setBacklightPin(3,POSITIVE);
lcd.setBacklight(HIGH);
Serial.begin(9600);
13

pinMode(6,OUTPUT); //señalamos el led como salida
}
void loop()
{
lcd.home (); // ir a la línea (0,0)
lcd.print("Nivel");
lcd.setCursor ( 0, 1 ); // ir a la segunda línea
lcd.print(analogRead(A0)); // en el AO tenemos conectado el sensor-agua
delay (1000);
sensorReading=analogRead(A1); //Instrucción para obtener dato analógico de la LDR
if (sensorReading<200)
{
digitalWrite(6,HIGH); // enciende el led
delay (1000);
}
if (sensorReading>200)
{
digitalWrite(6,LOW); // apaga el led
delay(1000);
}
Serial.println(sensorReading);
}
4. PLANIFICACIÓN
4.1 Lista de Materiales
Denominación Material Propiedades
principales
Imagen
Panel de
contrachapado
Madera Dura y fáćil de
trabajar
14

Alambre Hierro Fácil manejo y se
deforma de
manera fácil y
mantiene la forma
Pegamento
termofusible
Silicona Bajo punto de
fusión y gran
adhesivo
Tubo de plástico Polietileno Hueco y flexible
Listones de
madera
Madera Dura y fácil de
trabajar
Poliespán Poliestireno Ligero, resistente a
la humedad y con
capacidad de
absorción de
impactos.
Cable Cobre con
cobertura de
plástico
Gran conductor de
electricidad
15

Barras de metal Aluminio Rígidas
Tablero mdf Fibras de madera Duro y estable
Plástico
transparente
Metacrilato Duro, transparente
y rígido
4.2 Lista de herramientas y máquinas
HERRAMIENTA USO
Regla y escuadra Medir y marcar objetos
Taladro Hacer agujeros
Sierra de calar Cortar madera
Lijadora eléctrica Lijar trozos grandes de madera
Sargento Sujetar la madera sobre la mesa
Barrena Hacer pequeños agujeros
Pistola termofusible Pegar piezas de madera y demás
Tornillo de banco Sujetar listones y piezas
Alicates Sujetar pequeñas cosas
16

Sierra de mano Cortar tableros
Taladro eléctrico Hacer agujeros
Escofina Desbastar
Sierra de costilla Cortar madera
Tijera de electricista Cortar y pelar cables
Pistola termofusible Fijar mediante silicona
Herramientas TIC: IDE arduino y
sensores
Controlar de manera automática el
proyecto
4.3 Presupuesto
Nombre Cantidad Precio por unidad Precio total
Arduino UNO rev 3 2 24.95 49,90
Bombilla 10 3,12 3,12
Interruptor palanca 1 1,13 1.13
Pulsador
normalmente
abierto
2 1,12 2,24
Interruptor flexo 10 1,25 12,49
Latiguillos macho-
hembra
1 3.63 3.63
Cable 10m 11,17 11,17
Tubería grande 10m 1,20 12,10
Motor con
reductora
1 6,70 6,70
Bomba 2 15 30
Metacrilato
120x2x240
3 1.65 4.95
Contrachapado 2 2.15 4.30
17

400x3x200
Pegamento
termofusible
1 18.12 18.12
Brocha plana 1 0.95 0.95
Témpera roja 1 4.95 4.95
Témpera azul 1 4.95 4,95
Témpera negra 1 4.95 4.95
Témpera blanca 1 4.95 4.95
Sensor de
profundidad
1 13.25 13.25
Estaño 1 3.95 3.95
LED blanco 10 6,50 6,50
LDR 1 0,95 0,95
Pantalla LCD 1 12,10 12,10
Total 217,35
4.4 Planificación temporal
18

5. CONSTRUCCIÓN
5.1 Diario de Construcción
Fecha Alumno Tarea
17/01/19 Todos Buscar información sobre
las centrales hidráulicas
21/01/19 Todos Buscar información sobre
las centrales hidráulicas
22/01/19 Todos Comenzar con la memoria
del proyecto
28/01/19 Todos Hacer la memoria del
proyecto
proyecto
proyecto(Primera parte 1-
4)
31/01/19 Sergio, Camilo y Edgar Buscar información sobre
la construcción de una
central hidráulica
31/01/19 Lidia Buscar información sobre
el sensor de profundidad
con Arduino
con Arduino
04/02/19 Camilo, Edgar y Sergio Buscar información sobre
central hidráulica
con Arduino
19

05/02/19 Sergio, Camilo y Edgar Buscar información sobre
central hidráulica
06/02/19 Sergio, Camilo y Edgar Trazar y medir partes de
la presa
con Arduino
07/02/19 Camilo, Edgar y Sergio Trazar y medir partes de
la presa
con Arduino
11/02/19 Edgar y Camilo Trazar y medir partes de
la presa
11/02/19 Sergio Cortar piezas de la presa
11/02/19 Lidia Programar sensor de
profundidad Arduino
profundidad Arduino
12/02/19 Sergio y Camilo Cortar y pegar partes de
la presa
12/02/19 Edgar Construir compuerta para
el recipiente del agua
13/02/19 Sergio y Camilo Trazar y cortar partes del
recipiente del agua
Edgar Construir compuerta para
el recipiente del agua
profundidad Arduino
14/02/19 Sergio y Camilo Corregir y solucionar
fugas del recipiente y
conectar tira LED
20

profundidad Arduino
14/02/19 Edgar Construir soporte de la
compuerta para el
recipiente del agua
18/02/19 Edgar Construir soporte del
motor de la compuerta
profundidad Arduino
18/02/19 Sergio Conexión recipiente-
turbina
18/02/19 Camilo Construcción edificios
turbina y generador
19/02/19 Sergio Construir farolas con
LEDs
profundidad Arduino
19/02/19 Edgar Construcción embalse
inferior
19/02/19 Camilo Trazar, medir y cortar
carretera
20/02/19 Camilo, Lidia y Sergio Pintar presa y carretera
20/02/19 Edgar Construcción turbina
20/02/19 Sergio Conexión recipiente-
turbina con bombas
21/02/19 Edgar y Sergio Construir, pegar y
barnizar aliviaderos
21/02/19 Lidia y Camilo Pintar presa
25/02/19 Sergio y Camilo Colocar y fijar bombas
21

25/02/19 Lidia Acabar de programar el
sensor de profundidad
25/02/19 Edgar Construir generador
26/02/19 Sergio, Camilo y Edgar Arreglar problemas de
fuga de la turbina y
construcción de una
nueva
26/02/19 Lidia Acabar de programar el
sensor de profundidad
27/02/19 Todos Pegar y conectar todas
las partes del proyecto
04/03/19 Lidia Programar LDR-LEDs
04/03/19 Camilo, Sergio y Edgar Conectar bombillas e
interruptores
07/03/19 Camilo, Sergio y Edgar Conectar bombillas e
interruptores
11/03/19 Edgar Construcción de la
estructura del mando
11/03/19 Sergio y Camilo Conectar bombillas e
interruptores
13/03/19 Edgar, Camilo y Sergio Conectar bombillas e
interruptores
18/03/19 Edgar, Camilo y Sergio Conectar bombillas e
interruptores
22

19/03/19 Todos Reconstruir y mejorar el
sistema de iluminación y
sus conexiones
20/03/19 Todos Reconstruir y mejorar el
sistema de iluminación y
sus conexiones
21/03/19 Todos Primera prueba del
proyecto en conjunto
26/03/19 Todos Ultimar detalles y
perfeccionar el proyecto
26/03/19 Todos Prueba final del proyecto
y grabar audio del video
27/03/19 Todos Grabar video didáctico del
proyecto
28/03/19 Lidia Hacer gráfica de la
planificación
28/03/19 Camilo Montar video
28/03/19 Sergio Acabar memoria(Segunda
parte 4.4-6)
Fotos de la solución:
23

Enlace del vídeo de nuestro proyecto terminado: Explicación central hidráulica
de bombeo puro
24

5.3 Problemas y soluciones
-El primer problema que nos encontramos fue construir la estructura de la turbina ya
que tenía pérdidas de agua. Lo solucionamos construyendo un nuevo recipiente
hexagonal sin fugas.
-Otro problema fue que la bomba del embalse inferior no tenía fuerza para subir el
agua a través de tubos y tuvimos que meterla dentro del embalse directamente.
-La compuerta también nos causó problemas además de se rompió el mecanismo
de la cuerda y decidimos eliminarla del proyecto.
-El sensor de profundidad junto con la pantalla LCD fue un problema que
solucionamos al cambiar la librería del programa tras varios intentos anteriores.
-El problema más frustrante al que nos hemos enfrentado fue a la conexión de las
bombillas al mando y los interruptores, teniendo que cambiar las conexiones
repetidas veces. Incluso añadimos barras de cobre para disminuir el enredo de los
cables además de hacer trenzas con cada par de cables para facilitar la instalación.
6. Opinión Personal
El funcionamiento del grupo ha sido bueno porque ha habido buena relación de
compañerismo y buena comunicación. Desde el primer momento el proyecto nos
ilusionó pero poco a poco nos costó mucho acabarlo debido a los numerosos
problemas que surgían y la dificultad de crear los programas. En nuestra opinión, a
pesar de comenzar este proyecto con la frustración que produce que no salgan las
cosas, hemos terminado con éxito el proyecto cumpiendo perfectamente la función
de una maqueta didáctica automatizada con Arduino.
25

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