Per generar energia hidràulica, cal aprofitar el moviment de grans quantitats daigua a través dun salt daigua, el que permet moure una turbina. Una de les turbines més utilitzades en generació hidroelèctrica és la turbina Kaplan. Aquest tipus de turbina es fa servir en salts d'aigua petits, de fins a algunes desenes de metres, on el cabal és elevat.
En aquest article, detallarem en què consisteix la turbina Kaplan, les característiques principals i com s'utilitza en la generació d'energia hidràulica.
Què és la turbina Kaplan
La turbina Kaplan és un tipus de turbina de raig hidràulic, dissenyada per funcionar en entorns amb gradients petits, d'uns pocs metres fins a unes poques desenes. Necessita, a més, grans cabals, entre 200 i 300 metres cúbics per segon, la qual cosa la converteix en una turbina molt eficient per a la generació denergia hidràulica, una font denergia renovable.
Va ser inventada pel professor austríac Viktor Kaplan el 1913, i la seva innovadora estructura la fa especialment apta per a situacions on el flux daigua és variable. Una de les característiques clau d'aquesta turbina és que les pales es poden orientar segons la direcció del flux, optimitzant-ne el rendiment encara que el cabal sigui tan sols d'un 20-30% del flux nominal.
Una característica addicional de moltes turbines Kaplan és que formen part de sistemes de generació denergia que inclouen estators fixos, que optimitzen el flux daigua que alimenta la turbina, millorant així la capacitat de generació delectricitat. L'eficiència de la turbina Kaplan pot mantenir-se elevada en un ampli rang de cabals, cosa que la converteix en una peça clau en moltes centrals hidroelèctriques.
Principi de funcionament
El principi de funcionament de la turbina Kaplan és senzill però eficient. L'aigua arriba a la turbina mitjançant un conducte en forma d'espiral, cosa que permet alimentar la turbina per tota la seva circumferència. Després, l'aigua passa per un distribuïdor, que dóna al flux un moviment rotacional essencial per al funcionament de la turbina.
Quan l'aigua entra a la turbina, aquesta provoca que el impulsor giri, desviant el flux d'aigua en un angle de 90° per després invertir-ho axialment. Aquesta acció permet que la turbina aprofiti l'energia cinètica de l'aigua per augmentar-ne l'eficiència en la generació d'energia.
La turbina Kaplan té la capacitat de recuperar part de l'energia gràcies a un difusor al sistema d'escapament, cosa que no és comú en totes les turbines hidràuliques. Aquest difusor contribueix a millorar el rendiment de la turbina en aplicacions on la pressió de laigua no és elevada, com en petits salts daigua.
Característiques principals i avantatges
Un dels avantatges més significatius de la turbina Kaplan és la capacitat per ajustar les pales segons la direcció del flux d'aigua. Això permet que la turbina mantingui una alta eficiència en una varietat de condicions de cabal i de pressió.
A diferència de les turbines convencionals, com les turbines d'hèlix, la Kaplan compta amb reguladors de flux que poden ajustar tant les pales del rodet com l'angle de les fulles del distribuïdor. Això la converteix en una de les turbines més versàtils del mercat, capaç de treballar a amplis rangs de cabal i altura, amb una eficiència de fins al 90%.
El camp d?operació de la turbina Kaplan inclou caigudes màximes d?uns 80 metres d'alçada i cabals de fins 50 metres cúbics per segon. Encara que comparteix alguns aspectes amb les turbines Francis, la Kaplan és especialment eficient en condicions de cabals elevats i baixes altures de caiguda, on altres turbines perdrien eficiència.
Com funcionen les turbines en energia hidràulica
En una central hidroelèctrica, la regulació del voltatge de sortida és fonamental per garantir un subministrament elèctric constant. Això vol dir que la velocitat de la turbina ha de romandre constant, fins i tot quan les condicions de flux d'aigua varien. Les turbines Kaplan estan dissenyades per adaptar-se a aquests canvis mantenint constant el flux d'aigua gràcies a sistemes de control avançats.
Les turbines hidroelèctriques, ja siguin Kaplan, Francis o Pélton, tenen diversos sistemes de control per garantir que es mantinguin estables en enfrontar-se a canvis en la pressió de l'aigua. En particular, les turbines Kaplan solen tenir broquets de derivació, que redirigeixen eficientment l'excés d'aigua per evitar danys pel que es coneix com a martell d'aigua, un augment sobtat de la pressió que pot ser molt perjudicial per a les instal·lacions.
Les turbines hidràuliques es classifiquen segons el tipus de salt daigua i el cabal que manegen:
- Salts grans amb cabals petits: es fan servir les turbines Pelton.
- Salts mitjans amb més cabal: s'empren les turbines Francis.
- Salts petits amb cabals grans: s'utilitzen les turbines Kaplan i d'hèlix.
La quantitat daigua que passa per la turbina es regula segons la demanda elèctrica de cada moment. El romanent de l'aigua es dirigeix per canals de descàrrega per evitar qualsevol pèrdua al sistema. A les instal·lacions hidroelèctriques modernes, els sistemes de control garanteixen un ús òptim del cabal disponible, ajudant a mantenir una producció d'energia eficient i sostenible.
Aquest article cobreix detalladament el funcionament, els avantatges i les característiques de les turbines Kaplan, una de les tecnologies més avançades i eficients per a l'aprofitament d'energia hidràulica. Donat el seu alt rendiment i versatilitat, són una de les opcions més utilitzades al sector de generació d'energia a partir de l'aigua.