DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN DE UNA PICO CENTRAL HIDROELÉCTRICA EN LA FINCA MANUELITA SECTOR DE PINDOCHICO MARÍA DEL CARMEN CASTELO NAVEDA

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1 0 DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN DE UNA PICO CENTRAL HIDROELÉCTRICA EN LA FINCA MANUELITA SECTOR DE PINDOCHICO MARÍA DEL CARMEN CASTELO NAVEDA RAÚL ANÍBAL LEÓN TORRES TESIS DE GRADO PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE: INGENIERO MECÁNICO Escuela Superior Politécnica de Chimborazo FACULTAD DE MECÁNICA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA Riobamba Ecuador 008

2 1 CAPITULO I 1 GENERALIDADES 1.1 ANTECEDENTES La central hidroeléctrica es el conjunto de instalaciones electromecánicas y estructuras civiles, mediante el cual la energía hidráulica de una corriente fluvial es transformada en energía mecánica por medio de turbinas y luego en energía eléctrica a través de generadores. Las pico y micro centrales hidráulicas tienen su medio natural en zonas de baja densidad poblacional, constituidas de caseríos aislados del servicio nacional de electrificación y de estilo de vida simple. La demanda industrial procede de actividades desarrolladas en pequeña escala, tales como industrias caseras. Por tanto, la demanda de energía por unidad de área es baja y la provisión de energía desde las subestaciones venciendo grandes distancias y dificultades geográficas para distribuir a consumidores de baja demanda repartidos en grandes áreas, no resulta económicamente rentable. La coincidencia de estos factores trae como consecuencia que el 60% de la población rural de nuestro país, no se beneficie de las ventajas de la electricidad. Nuestro país cuenta con un potencial hídrico abundante, el que necesita ser aprovechado con la ejecución de proyectos hidroeléctricos en pequeña, mediana y gran escala, ya sean estos realizados con recursos del estado, privados o mixtos, con lo que se brinda grandes beneficios socio-económicos en actividades productivas y mejora la calidad de vida de las personas que habitan en sectores alejados, aportando para la conservación del medio ambiente con la generación de energías limpias.

3 1. JUSTIFICACIÓN 1..1 JUSTIFICACIÓN TÉCNICA Con una inspección de campo realizada, se reconoció la topografía del lugar, se observó que en el sitio existen los dos factores necesarios para el diseño, construcción e instalación de una pico central hidroeléctrica, como son: un caudal constante y una altura considerable del salto. Es así que se decidió viabilizar y poner en marcha este proyecto, con el que se demostrará el nivel académico de una manera práctica de los estudiantes que se forman en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la ESPOCH, a favor del desarrollo técnico y tecnológico de nuestro país. Los conceptos a exponerse pretenden orientar el desarrollo de las picocentrales hidráulicas, haciendo énfasis en el uso de recursos disponibles en la localidad en la que esta se ubica, con equipos construidos con materiales y técnicas nacionales. El propósito final de esta tendencia es el de reducir los costos de capital y la exigencia de divisas, además de procurar una elevación del conocimiento y tecnología local. La instalación de picocentrales hidráulicas combina las características de operación de las grandes centrales hidroeléctricas y fuentes de potencia descentralizadas. Tienen la ventaja de no exigir transmisiones costosas, no alteran el medio ecológico en el que se ubican, no dependen de combustibles fósiles y complejas operaciones de mantenimiento; y, siendo unidades energéticas descentralizadas, se prestan para administrarlas localmente, proponiendo la organización social de la comunidad beneficiaria. Otro justificativo técnico importante para el desarrollo de este tema es que la Ingeniería Mecánica no es una profesión aislada pues se apoya y complementa con las ingenierías Civil y Eléctrica siendo su conocimiento de vital importancia para el desenvolvimiento futuro en el campo profesional.

4 3 1.. JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA Este proyecto garantiza ser rentable en función de la inversión que sería baja si se hace la relación beneficio - costo ya que la implementación de la picocentral es el mayor rubro a cubrir pero se recupera la inversión con la energía generada y la optimización de las actividades que se desarrollan en esta propiedad. Cave recalcar que el propietario de la Finca tiene en ejecución un proyecto piscícola y de restaurante y la implementación de esta fuente generadora de energía es de gran beneficio para sus instalaciones. Otra justificación económica es que los costos de mantenimiento de la picocentral son mínimos y que el recurso hídrico está presente en el sector y debe ser aprovechado JUSTIFICACIÓN SOCIAL Este proyecto producirá un efecto positivo en la población de las zonas rurales aledañas, incentivándolas a participar en similares iniciativas para producir su propia energía provocando así la integración de la zona, involucrando trabajo comunitario, administración local, proponiendo la organización social de la comunidad y por ende el progreso de todo el sector. El aporte social que tiene la implementación hidroeléctrica en la finca es muy amplia, primeramente mejoraría la calidad de vida de quienes habitan en ella, se optimizarían varios de los trabajos que en esta se desempeñan y finalmente el proyecto turístico que tiene también apoyaría enormemente al desarrollo comunitario del sector JUSTIFICACIÓN ECOLÓGICA La utilización de fuentes de energía renovables no perecibles es una verdadera alternativa para la satisfacción energética, pues la energía proveniente de los hidrocarburos es limitada y tiene sus días contados, además de los problemas sociales, económicos y ambientales que producen, por consiguiente una manera de controlar estos factores incidentes, es la utilización de fuentes energéticas no convencionales, es por esto que se ha visto un oasis energético en las fuentes renovables de energía, entendiéndose que su carácter de poco contaminante es una alternativa para la conservación y cuidado del medio ambiente.

5 4 El impacto ambiental de la generación hidroeléctrica es mínimo pues no hay procesos de combustión que contaminen el medio ambiente, no se produce cambios significativos en la topografía ni en la vegetación como para que afecten a los cultivos y animales propios del lugar. Como el recurso utilizado es el agua, no se producen cambios en su composición, así que posteriormente puede ser utilizada en tareas agrícolas o actividades propias de la zona. El tipo de generación hidroeléctrica no aporta al calentamiento global que tanto está afectando a la vida del planeta Tierra, de esta manera se cree que la implementación de las centrales hidroeléctricas de diferentes capacidades es una medida urgente que deben tomar todos los países que cuentan con el recurso hídrico y lo estamos desaprovechando al no implementar las tecnologías limpias. 1.3 OBJETIVOS Objetivo general Diseñar, construir e instalar una Pico central hidroeléctrica en la Finca Manuelita sector de Pindochico Objetivos específicos Determinar los parámetros de diseño y funcionamiento de la picocentral. Maximizar el aprovechamiento de los recursos disponibles para producir energía eléctrica cerca del usuario. Dimensionar el sistema turbo-generador más adecuado para las características de funcionamiento presentadas. Construir la turbina y seleccionar los elementos y accesorios complementarios para la picocentral hidroeléctrica. Instalar el sistema y efectuar las respectivas pruebas de funcionamiento. Obtener las curvas características de funcionamiento.

6 5 CAPITULO II MARCO TEÓRICO INTRODUCCIÓN Y PRINCIPIOS BÁSICOS TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA El agua que se encuentre suspendida con cierta altura es trasformada a energía cinética el momento que el agua deja de estar suspendida y es trasportada por medio de un canal o tubería, lo que permite que el agua impacte en la turbina y que produzca energía mecánica motriz. La existencia de esta energía potencial se debe a la gravitación (fuerza de gravedad), su nombre más completo es energía potencial gravitatoria. Figura N..1 Salto, distancia vertical a lo largo de lo que cae el agua

7 6 ENERGÍA A PARTIR DEL AGUA [1] [3] [4] Un hidrosistema requiere de un caudal de agua y una diferencia de altura conocida como salto para producir potencia útil. Se trata de un sistema de conversión de energía, es decir, se toma energía en forma de caudal y salto y se entrega energía mecánica en el eje para trasformarla en electricidad. Ningún sistema de conversión puede entregar la misma cantidad de energía útil, pues una parte de la energía se pierde en el sistema, en forma de fricción, calor, ruido, etc. Figura Nº. Altura neta aprovechada en la turbina. La Ecuación de Conversión es: Potencia de entrada = Potencia de salida + pérdidas (.1) O también: Potencia de salida = Potencia de entrada * eficiencia de conversión (.) La ecuación (.) se expresa por lo general de una manera diferente, en la que interviene la potencia de entrada o potencia disponible, la potencia útil o potencia neta y la eficiencia total del sistema por lo que: P = *η (.3) neta P disp

8 7 La potencia disponible es igual al salto disponible multiplicado por el caudal y también multiplicado por un factor de 10, obteniéndose la ecuación fundamental de potencia hidráulica, por lo tanto se tiene la siguiente expresión: P = g * h Q (.4) disp disp * Entonces: P = 9.8 * h * Q η (.5) neta estimada disp * Donde: P = potencia expresada en Kw. η = rendimiento global del sistema % g = aceleración de gravedad expresada en m/s, (9,81 m/s ) Q = caudal de agua expresada en m 3 /s h disp = salto o desnivel expresado en m Para poder determinar la energía que sería capaz de entregar un sistema es necesario realizar la evaluación del recurso energético es decir realizar mediciones para determinar los valores de Salto y Caudal. EL salto depende de la topografía del terreno, y el caudal de las características del río o arroyo que se va a utilizar. Por lo dicho se hace necesario explicar los métodos existentes para la determinación de estos dos parámetros MEDICIÓN DEL SALTO [1][3][8] Se realiza mediciones en el lugar a fin de obtener total precisión, puesto que la caída es un parámetro importante en el diseño del sistema. Como se puede observar en la tabla Nº.1, existen varios métodos par medir el salto o caída. En esta tabla se incluyen también algunas observaciones sobre la precisión y otros detalles de cada método.

9 8 Tabla Nº.1 Comparación de técnicas para medición del salto A. B. C. D. E. F. G Fuente: Manual de Mini y Microcentrales Hidroeléctricas. ITDG

10 9 A. Método de manguera de nivelación Recomendado para lugares con pequeños saltos; es económico, razonablemente preciso y poco propenso a errores. En la figura Nº.3 se muestra el principio del método. Se recomienda eliminar las burbujas ya que podrían llevar a errores. Es necesario realizar dos o tres pruebas separadas para estar seguros de que los resultados finales sean correctos y confiables. De ser posible, hay que confrontar los resultados usando otros métodos. La precisión de este método puede ser sorprendente, incluso cuando la estatura de una persona es usada como altura referencial. El equipo para este procedimiento es: Una manguera de nylon de 4 a 10 mm. de diámetro, transparente o con extremos transparentes, llena de agua antes de ascender. Dos listones graduados, con marcas o también puede pegarse una cinta métrica en los listones de madera o usar un solo listón graduado con una marca fija. Hoja de papel y lápiz para tomar datos. Figura Nº.3 Método de la manguera de nivelación para medir el salto

11 10 B. Método de manguera y manómetro Es probablemente el mejor de los métodos simples disponibles, pero tiene dos posibles errores como la mala calibración del manómetro y la presencia de burbujas. Este método puede ser usado tanto en caídas altas como bajas, pero necesita manómetros con diferente escala. El equipo para este procedimiento es: Manguera plástica transparente se sugiere con diámetro entre 6 y 8 mm. Manómetro de presión, debe ajustarse bien a la manguera para evitar pérdidas de agua. Hoja de resultados. Figura Nº.4 Método de manguera y manómetro para medir el salto El procedimiento es el siguiente: Primero calibrar el manómetro. Cuando se esté tomando las mediciones, anotar las medidas de presión para transformarla a su magnitud de altura. Sumar todas las alturas.

12 11 C. Método del nivel de carpintero y tablas En principio este método es idéntico al de la manguera de nivelación. La diferencia es que la horizontalidad es establecida no por niveles de agua, sino por un nivel de carpintero o de burbuja colocado en una tabla de madera recta y fija. La figura Nº.5 muestra el principio. En pendientes suaves este método es muy lento, pero en pendientes fuertes es apropiado, especialmente si se trata de pequeñas caídas Figura Nº.5 Método con nivel de carpintero par medir el salto D. Método del altímetro El altímetro es un instrumento de medición fácil de usar pero relativamente costoso. La precisión de los resultados que se obtengan dependen principalmente de la destreza de quien lo emplee. El altímetro mide la presión atmosférica, la cual está directamente relacionada con la altura sobre el nivel del mar, aunque varía ligeramente debido al clima, la temperatura y la humedad relativa. Como estas variaciones pueden ser muy significativas para la evaluación del salto, a fin de obtener resultados aceptables es necesario tomar varias lecturas durante el día y luego estimar el valor final. En el caso de una microcentral, lo más conveniente sería utilizar un solo altímetro, tomar varias medidas durante el día, tanto en el lugar de la cámara de carga como en el de la casa de fuerza, confeccionar una tabla donde se registre la hora y las lecturas del altímetro.

13 1 E. Método del eclímetro Para este método son necesarias dos personas A y B de preferencia de alturas similares. Figura Nº.6 Uso del Eclímetro La persona A tomará el eclímetro en la posición indicada en la figura Nº.6 dirigiendo la línea de mira a los ojos de B. En esta posición deberá graduarse cuidadosamente el ángulo del eclímetro. Luego hay que medir la distancia entre A y B y registrar la distancia L 1 y el ángulo α 1. Hecha la primera medición, A se desplaza al lugar donde estuvo B en la primera medición, mientras que B se desplazará a una nueva posición para tomar los datos L y α y registrarlo. Después se repite el procedimiento cuantas veces sea necesario. También se puede aplicar este método colocando el eclímetro sobre unas estacas, dirigiendo la línea de mira a la parte final de la estaca siguiente, y registrando los datos que se obtengan. El cálculo de las alturas parciales se obtiene usando la relación: H 1 = L 1 x sen α 1 (.6) Para calcular la altura total o salto, se sumarán las alturas parciales obtenidas previamente H = H 1 + H + + H n (.7) F. Método del nivel del ingeniero El nivel de ingeniero es capaz de registrar 1 mm. de precisión; pero es caro y pesado, requiere operadores diestros. Por lo general, los errores se producen por las largas series de cálculos que hay que efectuar.

14 13 Figura Nº.7 Nivel del Ingeniero Debido a que es un método común, los equipos que emplea se alquilan fácilmente. Con él las distancias pueden ser medidas simultáneamente, pero no es apropiado para lugares escarpados o con muchos árboles. MEDICIÓN DEL CAUDAL [1][3][8] En razón de que el caudal de los ríos varía a lo largo del año, realizar una medida del caudal instantáneo resulta un registro aislado cuya utilidad es relativamente pequeña. Es probable que algunas veces no exista información para hacer un estudio de hidrología, entonces nos veremos forzados a recolectar datos propios a partir de mediciones instantáneas de caudal. Lo ideal es hacer mediciones a diario, aunque también se usan mediciones semanales y mensuales. Los métodos de medición a describirse son: A. Método de la solución de sal. B. Método del recipiente de volumen conocido. C. Método del área y velocidad. D. Método de la sección de control y regla graduada. E. Método del vertedero de pared delgada. Es necesario estudiar estos métodos a fin de utilizarlos adecuadamente aprovechando las ventajas que ofrecen en cada caso particular.

15 14 A. Método de la solución de sal Este método es fácil de usar y bastante preciso. Da errores menores al 5% y permiten hacer estimaciones de potencia y cálculos posteriores. Figura Nº.8 Método de la solución de Sal El método se basa en el cambio de la conductividad del agua (ohm -1 = Siemens) al cambiar el grado de concentración de sal. De este modo, si disolvemos una masa (M) de sal en un balde y vertemos la mezcla en una corriente de agua, dándole el tiempo necesario para diluirse, provocaremos un incremento de la conductividad que puede ser medido con un conductivímetro. B. Método del recipiente Este método es una manera muy simple de medir el caudal. Todo el caudal a medir es desviado hacia un balde o barril y se anota el tiempo que toma llenarlo. El volumen del envase se conoce y el resultado del caudal se obtiene simplemente dividiendo este volumen por el tiempo de llenado. La desventaja de este método es que todo el caudal debe ser canalizado entubado al envase. A menudo es necesario construir una pequeña presa temporal. Este método resulta práctico para caudales pequeños.

16 15 Figura Nº.9 Método del recipiente C. Método del área y velocidad Este método se basa en el principio de continuidad. Para un fluido de densidad constante fluyendo a través del área de una sección conocida, el producto del área de la sección por la velocidad media serán constantes: Área x V media = Q = Constante (m 3 /s) (.8) Donde: V media = velocidad promedio del agua en la corriente Este producto es igual al valor del caudal volumétrico (Q) en m 3 /s. D. El flotador Se dibuja el perfil de la sección del lecho del río y se establece una sección promedio para una longitud conocida de corriente como se indica en la figura Nº.10. Utilizamos una serie de flotadores, podría ser una serie de pedazos de madera, para medir el tiempo que se demoran en recorrer una longitud preestablecida del río. Los resultados son promediados y se obtiene la velocidad superficial del flujo del agua. Esta velocidad deberá ser reducida por un factor de corrección para hallar la velocidad media de la sección.

17 16 Este factor depende de la profundidad de la corriente. Multiplicando el área de la sección promedio por la velocidad del caudal promediada y corregida, se obtiene un estimado del valor del volumen del agua que fluye. Las imprecisiones de este método son obvias. Figura Nº.10 Área sección transversal de la corriente En general, escoja la mayor longitud posible del arroyo que tenga orillas paralelas con un área de la sección transversal uniforme a lo largo de esta longitud. Una sección de fondo rocoso con obstáculos al flujo, como piedras grandes, llevará a resultados erróneos. E. Medidores de corriente o correntómetros También llamados molinetes, consisten en un mango con una hélice o copas conectadas al final. La hélice rota libremente y la velocidad de rotación está relacionada con la velocidad del agua. Un contador mecánico registra el número de revoluciones del propulsor que se ubica a la profundidad deseada. Otros aparatos más sofisticados utilizan impulsos eléctricos. Con estos medidores es posible tomar muchas lecturas en una corriente y calcular la velocidad media. Los medidores de corriente son suministrados con una fórmula que relaciona la velocidad de la corriente. Generalmente estos aparatos son usados para medir velocidades de 1. a 5 m/s con un error probable de %. Al igual que otros medidores de velocidad, el molinete debe ser sumergido bajo el agua. A menudo el fabricante coloca una marca en el mango del medidor para indicar la profundidad de los álabes.

18 17 F. Método de la sección de control y regla graduada Es similar al método del vertedero. Se diferencia en que la característica física de la sección es utilizada para controlar la relación entre el tirante del agua y el caudal. El tirante del agua se refiere a la profundidad de ésta en la sección. Una sección de control se ubica donde un cambio dado en el caudal se traduce en un cambio apreciable en el tirante del agua en la sección de control. Deberá evitarse una sección de control ancha porque los cambios en el caudal resultarán en cambios pequeños en el tirante. Figura Nº.11 Regla graduada en una sección de control Si algún objeto obstruye la sección de control o la erosión hace que la pendiente cambie, entonces las lecturas siguientes no serán válidas. El medidor, típicamente un listón de madera graduado, deberá estar situado donde sea factible leerlo y no esté expuesto a daños. Este método es válido para comparar un caudal con otro, pero un caudal de referencia debe ser conocido y relacionado con la tabla graduada de modo de obtener una estimación cuantitativa del caudal. E. Método del vertedero de pared delgada Un vertedero es una estructura similar a un muro de baja altura ubicado a lo ancho de un río o canal. Un vertedero de medición de caudal tiene una muesca a través de la cual toda el agua en la corriente fluye. Los vertederos son generalmente estructuras temporales y son diseñados de modo que la descarga volumétrica pueda ser leída directamente o determinada por una simple lectura de la diferencia de altura entre el nivel de agua antes del vertedero y el vértice o cresta de este. Para alcanzar mejores resultados hay que utilizar vertederos de pared delgada y además evitar que el sedimento se acumule tras ellos. Estos vertederos se hacen de plancha de acero.

19 18 Figura Nº.1 Lectura de caudal para diversos tipos de vertederos Hay tres tipos de vertedero de uso más frecuente: a) El vertedero triangular, que mide descargas pequeñas con mayor precisión. b) Vertedero trapezoidal, llamado Cipoletti. Este puede compensar las contracciones en los bordes con caudales reducidos. c) Vertedero rectangular, que permite medir descargas mayores y su ancho puede ser cambiado para diferentes caudales. La figura a continuación muestra un gráfico de caudal versus altura para los tres tipos de vertedero. Figura Nº.13 Gráfico caudal vs altura para tres tipos de vertedero Los vertederos deben estar siempre orientados perpendicularmente al sentido de la corriente. En un punto donde la corriente sea uniforme y esté libre de remolinos. La distancia entre el fondo del lecho del río y la cresta del vertedero aguas arriba de éste, deberá ser al menos dos veces la altura máxima a medirse (carga del vertedero).

20 19.1 TURBINAS HIDRÁULICAS Y SU CLASIFICACIÓN [1] [4] [5] Las máquinas rotodinámicas o turbomáquinas aprovechan las variaciones de la energía cinética que el fluido experimenta a su paso por la máquina. Una turbina hidráulica es una turbomáquina hidráulica, en la cual el trabajo mecánico proviene de la variación de la cantidad de movimiento del agua al fluir a través de un sistema de álabes rotativos. En este sistema, denominado rodete, puede ocurrir una simple desviación del flujo de agua o, en otros casos una desviación y una aceleración de este flujo. FENÓMENOS EN LAS TURBINAS HIDRÁULICAS Velocidad de embalamiento Se entiende por velocidad de embalamiento, cuando la turbina descargada con el distribuidor abierto, suele ser 1,8 a, veces la velocidad de régimen según el tipo de turbina. Si se supone a la turbina en régimen estacionario (funcionamiento normal) y por cualquier circunstancia desaparece la carga y el regulador no actúa, la turbina se acelera. Cavitación Consiste en la formación, dentro de las masas líquidas, de espacios huecos o cavidades llenas de gas o vapor, producidas por una vaporización local debido a acciones dinámicas. Técnicamente, el fenómeno es más complejo, y se debe a reducciones de presión dentro del seno de los líquidos, cuando se mueven a grandes velocidades, manteniendo la temperatura ambiente, condiciones que favorecen la vaporización. Golpe de ariete Al interrumpir con rapidez la corriente de un líquido que circula con cierta velocidad a través de un conducto, se producen fuertes variaciones de presión sobre las paredes interiores de éste y del elemento que corta al caudal suministrado como consecuencia del cambio brusco en el movimiento del líquido.

21 0 Además de las deformaciones motivadas por las sobre presiones y depresiones mencionadas, se presentan vibraciones y otros efectos perjudiciales que pueden ocasionar roturas, aplastamientos y otros desperfectos. Efecto ventilante Se produce dentro de la carcasa, cuando se tiene un espacio muy grande entre la carcasa y el rodete, en este caso funcionará como ventilador, este aire frenará al rodete de la turbina por falta de un buen diseño de la carcasa. Las turbinas hidráulicas se pueden clasificar según diferentes criterios:.1.1 Según la variación de la presión estática a través del rodete a. Turbinas de acción o impulso, cuando la presión estática permanece constante entre la entrada y la salida del rodete. b. Turbinas de reacción, cuando la presión estática disminuye entre la entrada y la salida del rodete..1. Según la dirección del flujo a través del rodete Este tipo de clasificación determina la forma o geometría del rodete y será precisado en función del número específico de revoluciones, y son: a. Turbinas de flujo tangencial. b. Turbinas de flujo radial. c. Turbinas de flujo semi-axial. d. Turbinas de flujo axial..1.3 Según el grado de admisión del rodete Considerando la alternativa de que los álabes del rodete estén sometidos parcial o simultáneamente a la acción del flujo de agua: a. Turbinas de admisión parcial. b. Turbinas de admisión total.

22 1. PARTES DE UNA TURBINA HIDRÁULICA [1] [3] Los elementos fundamentales de una turbina hidráulica son los siguientes:..1 El Distribuidor Es un elemento estático, pues no posee velocidad angular y en él no se produce trabajo mecánico. Sus funciones son: a. Acelerar el flujo del agua al transformar total (turbinas de acción), o parcialmente (turbinas de reacción) la energía potencial del agua en energía cinética. b. Dirigir el agua hacia el rodete, siguiendo una dirección adecuada. c. Actuar como un órgano regulador del caudal. El distribuidor adopta diferentes formas; puede ser del tipo inyector en las turbinas de acción, o de forma radial, semi axial y axial en las turbinas de reacción... El Rodete Llamado también rotor o rueda, este elemento es el órgano fundamental de las turbinas hidráulicas. Consta esencialmente de un disco provisto de un sistema de álabes, paletas o cucharas, que está animado por una cierta velocidad angular. La transformación de la energía hidráulica del salto en energía mecánica se produce en el rodete, mediante la aceleración y desviación, o por la simple desviación de flujo de agua a su paso por los álabes...3 Tubo de aspiración Este elemento muy común en las turbinas de reacción, se instala a continuación del rodete y por lo general tiene la forma de un conducto divergente; puede ser recto o acodado, y cumple las siguientes funciones:

23 a. Recupera la altura entre la salida del rodete y el nivel del canal de desagüe. b. Recupera una parte de la energía cinética correspondiente a la velocidad residual del agua en la salida del rodete, a partir de un diseño del tipo difusor. El tubo de aspiración, también llamado tubo de succión, se utiliza frecuentemente en las turbinas de reacción. Ocasionalmente se usa en las turbinas Michell-Banki, donde adopta la forma cilíndrica...4 Carcasa Este elemento tiene la función general de cubrir y soportar a las partes de la turbina en las turbinas de acción. En las turbinas Francis y Kaplan, por ejemplo, tiene la forma de una espiral y es un transformador de energía..3 TIPOS DE TURBINAS HIDRÁULICAS [1] [4] Existen dos grandes tipos de turbinas: de acción y de reacción; a estos dos grupos corresponden las turbinas modernas que hoy en día se emplean en las centrales hidráulicas, sean estas pequeñas o grandes. Turbinas de acción Turbinas Pelton de 1 o más inyectores. Turbinas Turgo. Turbinas Michell Banki. Turbinas de reacción Bomba rotodinámica operando como turbina. Turbina Francis, en sus variantes: lenta, normal y rápida. Turbina Deriaz Turbina Kaplan y de hélice Turbinas axiales, en sus variantes tubular, bulbo y de generador periférico.

24 3 En la tabla Nº., se resume las características de las turbinas ya mencionadas. Tabla Nº. Características principales de turbinas hidráulicas Fuente: Manual de Mini y Microcentrales Hidroeléctricas. ITDG

25 4.3.1 TURBINAS DE ACCIÓN Turbinas Pelton. [1][5] Figura Nº.14 Componentes de una turbina Pelton de eje horizontal, con dos inyectores. Fue inventada por Lester A. Pelton (EEUU, ) y patentada en Se define como una turbina de acción, de flujo tangencial y admisión parcial. Opera eficientemente en condiciones de grandes saltos y bajos caudales, y también en casos de cargas parciales. Distribuidor. Está constituido por uno o hasta 6 inyectores. Un inyector consta por lo general de una tobera de sección circular provista de una aguja de regulación que se mueve axialmente, variando así la sección del flujo. En el caso de que se requiera una operación rápida para dejar al rodete sin acción del chorro, se adiciona una placa deflectora; de este modo la aguja se cierra en un tiempo más largo, reduciendo así los golpes de ariete. (figura Nº.15 y figura Nº.16). En las turbinas pequeñas que se utilizan en microcentrales se puede prescindir de la aguja y operar con una o más toberas, con caudal constante, manteniéndose en algunos casos la placa deflectora. La operación de la aguja, así como de la placa deflectora, pueden hacerse en forma automática o manual.

26 5 Figura Nº.15 Turbina Pelton de 4 chorros y eje vertical. Rodete Es de admisión parcial, lo cual depende del número de chorros o de inyectores. Consta de un disco provisto de una serie de cucharas montadas en su periferia. Las cucharas pueden estar empernadas al disco, unidas por soldadura o fundidas en una sola pieza con el disco. (figura Nº.17) Este tipo de turbina puede instalarse en eje horizontal con 1 o inyectores y con el eje vertical con 3 o 6 inyectores. Se emplea en pequeñas y grandes centrales. Figura Nº.17 Rodete Pelton Figura Nº.16 Esquema de un distribuidor

27 Turbinas Turgo [1][3] Esta turbina fue diseñada por Eric Crewdson (Gran Bretaña) y patentada en 190. Posteriormente fue perfeccionada por E. Jackson (Gran bretaña) en (figura Nº.18). Se define como una turbina de acción de flujo axial y de admisión parcial. Distribuidor Consiste básicamente de un inyector del tipo Pelton que proyecta un chorro de agua inclinado respecto al rodete, en un ángulo de 0º a.5º. Rodete Se asemeja a un medio rodete Pelton, como si a éste se le dividiera mediante un plano que pase por las aristas de las cucharas y sea perpendicular al eje. Esta turbina puede ser montada con eje horizontal o vertical. Por lo general, se la emplea en pequeñas centrales. Si se compara esta turbina con la Pelton, ofrece la ventaja de que, a igualdad de diámetro del rodete, puede operar con un mayor caudal, ya que el chorro de agua ingresa por un lado y sale por el otro. En la turbina Pelton existe una limitación en el caudal debido a que, al abandonar una cuchara, el chorro puede interferir con las cucharas adyacentes. De este modo, par aun mismo diámetro de chorro, así como de potencia, el rodete resulta más pequeño que el de una Pelton, por lo que puede rotar a mayor velocidad; esto trae consigo la posibilidad de acoplar la turbina directamente al generador y disminuir así el costo del grupo. Esta turbina cubre el campo de aplicación de las turbinas Pelton rápidas, Michell Banki y Francis lenta y normal. Respecto a la Pelton, posee las mismas características: operación con buena eficiencia a cargas parciales, escaso riesgo de cavitación, fácil acceso a sus partes, buena tolerancia a la erosión, pero tiene el inconveniente de su baja eficiencia y la existencia de un empuje axial debido al chorro inclinado, por lo que es usada en pequeñas centrales.

28 7 (a) Chorro tangencial (b) Rodete Figura Nº.18 Turbina Turgo Turbinas de flujo cruzado Michell-Banki [1][3] Fue inventada por A. G. Michell (Australia) y patentada en Posteriormente Donat Banki (Hungría), 1917 y 1919 fue estudiada (figura Nº.19a). Turbina de acción, de flujo radial centrípeto centrífugo, de flujo transversal, de doble paso y de admisión parcial. Aunque se dice que tiene cierto grado de reacción en el primer paso, a causa de una presión ligeramente superior a la atmosférica, debido a la cercanía del inyector al rodete (figura Nº.19b). Distribuidor Consiste en una tobera de sección rectangular que abarca el rodete en un cierto ángulo de admisión parcial. Esta dotado de una paleta directriz para la regulación del caudal. Se puede operar manual o automáticamente. Rodete El rodete tiene forma de tambor o cilindro, consta de dos o más discos paralelos, entre los que se montan, cerca del borde, unas láminas curvadas que hacen el papel de álabes. Estos rodetes se prestan a una construcción artesanal en países en vía de desarrollo.

29 8 La característica de las turbinas Michell Banki consiste en que un amplio chorro de agua de sección rectangular incide dos veces, cruzando el interior, sobre los álabes del rodete. La diferencia fundamental respecto a otras turbinas es que no hay deflexión axial del chorro, ya que el flujo discurre sobre planos perpendiculares al eje. La eficiencia es buena dentro de un amplio rango de caudal, aunque no muy alta si se la compara con las turbinas Pelton y Francis. Sin embargo, debido a su bajo costo y fácil construcción local, es una alternativa para pequeñas centrales. (a) Figura Nº.19 Turbina Michell Banki (b).3. TURBINAS DE REACCIÓN.3..1 Bombas que operan como turbinas [1] A las bombas rotodinámicas se las puede hacer operar como turbinas mediante la inversión del sentido del flujo y de la rotación. Debido a que las bombas carecen de un distribuidor, pueden operar a plena carga; al regulación se realiza mediante disipación de energía, calentando agua o irradiando calor al ambiente, operación que es controlada por un regulador electrónico de carga. Al parecer, la ventaja de usar bombas es la reducción del costo en comparación con el de las turbinas, ya que son fáciles de adquirir y de reparar por ser producidas en serie; sin embargo es necesario señalar que se requiere una adecuada selección. La eficiencia no es muy alta, por lo que su uso es recomendable en bajas potencias.

30 9.3.. Turbinas Francis [1][4][5] Inventada por Samuel Hows (EEUU) y posteriormente perfeccionada por James B Francis (gran Bretaña, , hacia 1948) (figura Nº.0b) Son turbinas de reacción de flujo mixto, centrípeto y admisión total. Consta de una serie de álabes colocados entre un disco y una corona exterior; por lo general poseen doble curvatura. El agua ingresa radialmente por la periferia externa y abandona el rodete en dirección axial para dirigirse hacia el tubo de aspiración. El distribuidor consta de una serie de álabes de posición variable, conformando conductos convergentes del tipo tobera. De este modo el flujo del agua se acelera y orienta hacia el rodete bajo diferentes ángulos de inclinación y permite una regulación del caudal (figura Nº.0a). (a) Álabes del distribuidor Figura Nº.0 Turbina Francis (b) Rodete.3..3 Turbinas Kaplan y de hélice Turbina desarrollada por Víctor Kaplan (Austria ) en la Universidad de Burno y patentada en 191 (figura Nº.1a). Son turbinas de reacción de flujo axial, de reacción y de admisión total. La principal característica consiste en que el rodete tiene álabes del perfil de ala de avión orientables mediante un mecanismo situado en el interior del cubo.

31 30 Debido a los álabes del rotor orientables, puede operar con muy buena eficiencia dentro de un amplio rango de caudal. La turbina de hélice es una variante de la turbina Kaplan, pues posee un rodete con los álabes fijos (figura Nº.1b). Con ello se abarata el rodete pero decrece la eficiencia a cargas parciales por la imposibilidad de contar con una doble regulación como en las turbinas Kaplan convencional cuyo rodete tiene álabes orientables. Esta turbina se caracteriza porque tanto los álabes del rodete como los del distribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el caudal y el salto son prácticamente constantes. (a) Turbina Kaplan (b) Turbina de Hélice Figura Nº.1 Turbina Kaplan y de Hélice.3..4 Turbinas axiales. [1] [3] Estas turbinas utilizan un rodete Kaplan con un distribuidor Fink adaptado al flujo axial. En lugar de la cámara espiral poseen una carcasa tronco cónica de sección convergente en la dirección del flujo. Se presentan en tres versiones a describirse a continuación: Turbina Tubular Se caracteriza porque el accionamiento del generador se hace mediante una extensión del eje hasta la sala de máquinas, lo cual constituye una dificultad por el alto costo de la obra

32 31 civil (figura Nº.). Sin embargo, este diseño se utiliza con éxito en turbinas de baja potencia, donde la extensión del eje es más corta (figura Nº. 3). Figura Nº. Turbina Axial del tipo Tubular Figura Nº.3Turbina Axial del tipo Tubular de baja potencia Turbinas tipo bulbo También utiliza un rodete Kaplan. El generador está ubicado dentro del cubo, con lo cual se ahorra una gran extensión del eje de la turbina tubular. El resultado es un grupo más compacto y más barato (para grandes potencias), así como menor riesgo de vibración en el eje. (figuras Nº.4 y.5).

33 3 Figura Nº.4 Turbina axial tipo bulbo Figura Nº.5 T. axial tipo bulbo con sifón Turbina de generador periférico Reduce notablemente la distancia axial del grupo, ya que el rotor del generador va instalado en la periferia del rodete, eliminándose el eje de transmisión; con ello se logra una notable reducción de los costos de la obra civil, entre otras ventajas, por lo que es usado en medianas y grandes centrales (figura Nº.6) Figura N..6 Turbina axial de generador periférico

34 33.4 CLASIFICACION DE LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS [][3][4] Cada central hidroeléctrica constituye un proyecto distinto de los demás. La central se adapta a la configuración del terreno y a las características que ofrece el salto en la naturaleza. Porque la naturaleza no ofrece simplemente una potencia hidráulica bruta, sino que esta misma potencia en veinte sitios distintos del globo la ofrece en configuraciones de terreno distintas y con caudales y saltos brutos distintos, por tanto, ni las centrales, ni las turbinas de estos veinte lugares pueden ser iguales. El coste absoluto de una central hidroeléctrica orientativamente podría en algunos casos repartirse así: 55% la presa, 0% el equipo o maquinaria, 15% el terreno, y 10% las estructuras de la central; pero estos porcentajes pueden oscilar muchísimo, según el tipo de instalación y su magnitud. Como el coste absoluto de una central depende de la potencia, para comparar costes se atiende al coste de kilovatio instalado. Este disminuye al aumentar la potencia instalada en la central. Así orientativamente podemos decir que si el coste por Kw. en una central grande es 1, en una central pequeña será 3 y en una microcentral 6. En función de los puntos señalados y de los parámetros diversos que intervienen, se presenta la clasificación de las centrales hidroeléctricas. Según el tipo de embalse: Centrales de agua fluyente Centrales con embalse Centrales de acumulamiento por bombeo Según la potencia: Picocentrales hidroeléctricas Microcentrales hidroeléctricas Minicentrales hidroeléctricas Pequeñas Centrales hidroeléctricas. Centrales de gran potencia.

35 34 Según la altura de salto: Saltos de pequeña altura Saltos de mediana altura Saltos de gran altura Según la economía de la explotación: Centrales independientes Centrales interconectadas Según el lugar de instalación: Centrales de agua fluyente Centrales de pie de presa Centrales subterráneas.4.1 SEGÚN EL TIPO DE EMBALSE Centrales de Agua Fluyente No tienen embalse propiamente dicho. El agua o se utiliza en las turbinas o se derrama por el aliviadero central. Son las más frecuentes y entre ellas se cuentan las centrales de más potencia. Son centrales de llanura. Se caracterizan por un gran caudal y poca altura. La central es instalada en el curso mismo del río o en un canal desviado, después de interceptar el mismo por un dique de contención. Se pueden subclasificar en centrales con reserva, diaria o semanal (la reserva no supone propiamente un embalse) o sin reserva. En las primeras se ensancha algo el curso del río para una cierta acumulación del agua Centrales con Embalse Estas centrales constan de presa, canal de derivación que aprovecha un meandro del cauce natural del río, tubería forzada o conocida también como tubería de presión y central o casa de máquinas. El canal se construye con poca pendiente y gran sección transversal para disminuir

36 35 las pérdidas y aprovechar al máximo la energía. El embalse tiene por objeto regular las aportaciones del caudal de los ríos Centrales de Acumulamiento por Bombeo Su principio básico es: en los períodos de poca demanda de energía, se utiliza energía sobrante de la red, para bombear agua del nivel aguas abajo al nivel de aguas arriba. Estas centrales funcionan entre dos embalses superior e inferior, acumulando energía con el bombeo y produciendo energía con la turbinación..4. SEGÚN LA POTENCIA Las microcentrales, que constituyeron un día la solución para proveer económicamente de electricidad a granjas, poblados pequeños, etc., y que perdieron interés cuando las redes eléctricas nacionales cubrían prácticamente la geografía del país, vuelven a considerarse en muchas naciones al revalorizarse con la crisis energética aun los más pequeños recursos. Las microcentrales y más generalmente las centrales de pequeña potencia de 50 a 5000 kw. despiertan hoy día un crecido interés. Según la potencia las centrales hidroeléctricas se dividen en: Picocentrales hidroeléctricas Potencia de 0.5 a 5 kw. Microcentrales hidroeléctricas Potencia de 5 a 100 kw. Minicentrales hidroeléctricas. Potencia de 100 a 999 kw. Pequeñas Centrales hidroeléctricas. De 1000 a 9999 kw. Centrales de gran potencia. Potencias superiores a kw..4.3 SEGÚN LA ALTURA DE SALTO Se entiende por salto a la altura neta, esta clasificación es la más importante ya que es la altura neta más que ninguna otra característica la que determina la obra civil (presa, canal de derivación tubería de presión, central), el tipo de turbina, la velocidad del grupo y el tipo de alternador. A continuación se presentan las centrales según el tipo de salto:

37 36 Saltos de pequeña altura. Altura neta, H < m. Saltos de mediana altura < H < m. Saltos de gran altura. H > 50 m..4.4 SEGÚN LA ECONOMÍA DE EXPLOTACIÓN Las centrales se clasifican en: Centrales independientes Alimentan una red individual no conectada a otras centrales.4.4. Centrales interconectadas Alimentan una red común junto con otras centrales hidráulicas, térmicas, convencionales o nucleares. La tendencia moderna es crear una red nacional única, con interconexión de todas las centrales, en ciertos casos incluso las pequeñas..4.5 SEGÚN EL LUGAR DE INSTALACIÓN Centrales de agua fluyente La central intercepta el curso del río Centrales de pie de presa La central se construye al pie del embalse Centrales subterráneas Se desarrollaron grandemente en Suecia, en la última guerra mundial para protección contra los ataques aéreos; en la actualidad, gracias a la técnica de construcción de túneles, han adquirido un gran auge en el mundo entero y en muchos casos constituyen la solución más económica.

38 37.5 MICROCENTRALES HIDROELÉCTRICAS [1][][3][8][9] Introducción a la tecnología Micro y Pico hidro (MCH & PCH) [] Las centrales micro-hidro cubren una gama de potencia de Kw., y las centrales picohidro tienen potencias menores a kw y ciertamente menores a 5kW. La gama de potencias más común para las centrales PCH es de 00 a 1000W, y se usa para iluminación doméstica y electrodomésticos y/o carga de baterías. Las unidades son pequeñas, baratas e instaladas y utilizadas por una sola familia, de ahí que son también conocidas como central familiar. Las PCH cubren un rango de distintas tecnologías de turbinas, aplicables a caídas diferentes, como por ejemplo: Pequeñas ruedas Pelton para sitios entre 0 y 50m de altura que solo requieren una manguera como tubería de presión. Turbinas pequeñas de flujo cruzado experimentadas para caídas pequeñas de entre 5 y 0 metros. Variaciones de turbinas Turgo para sitios de media y alta caída, para sitios remotos que se encuentran fuera de la red interconectada. Turbinas de hélice, adecuadas para caídas de solo 1-m, y pequeñas Turgo para 5 0m de caída. Los sitios de baja caída (<5m) son los mas comúnmente encontrados, los hay en canales de riego, riachuelos, regiones montañosas y también planas. Estos sitios en general no tienen las dificultades legales de cruzar tierras que no pertenezcan a la familia que está instalando la central familiar. Hay un gran potencial hídrico no explotado en el sudeste asiático, Sudamérica y del subcontinente indio para unidades PCH que pueden servir a familias, grupos pequeños, para

39 38 cargar baterías, etc. Los sistemas podrían también ser utilizados para mover maquinarias agrícolas, máquinas de taller, en definitiva varias actividades que les generen ingresos. Los sistemas de microgeneración no suministran energía eléctrica a las redes nacionales. Se usan en áreas apartadas a donde no llega la red, en algunos casos dan energía a ciertas pequeñas industrias alejadas y comunidades alejadas. Su rango de potencia varía desde 00 W, suficiente para la provisión de iluminación doméstica o un grupo de casas mediante un sistema de carga de baterías, hasta 300 KW; éste último se usa en pequeños talleres y para el abastecimiento de una mini red local independiente de energía que no sea parte de la red nacional. En muchos países como el nuestro hay una necesidad creciente de suministros de energía para las áreas rurales, tanto para el abastecimiento de electricidad como para el apoyo a la industria y las autoridades gubernamentales se enfrentan a los elevadísimos costos de la extensión de las redes de electricidad. Con frecuencia la microgeneración constituye una alternativa económica a la red, pues con los micro hidrosistemas independientes se ahorra el costo de las líneas de transmisión y por otro lado, los sistemas de la extensión de la red están dotados de equipo muy costoso, además de los costos de personal. Por el contrario, los sistemas de micro hidrogeneración pueden ser diseñados y construidos por personal local y organizaciones más pequeñas cumpliendo con requisitos menos estrictos y usando componentes fabricados en serie y maquinaria fabricada localmente. Este tipo de enfoque es conocido como enfoque localizado. Una Microcentral está dentro de las tecnologías alternativas de generación eléctrica ya que su diseño y construcción ocasionan bajos impactos ambientales. Dependiendo de la organización que se tome como referencia, sea la ONUDI o la OLADE, las centrales de generación pequeñas según su potencia se clasifican así:

40 39 Tabla Nº.3 Clasificación de M.C.H. según la potencia REGIÓN INSTITUCIÓN MICRO CENTRAL MINI CENTRAL PEQUEÑA CENTRAL Mundial ONUDI (*) < 100 kw kw kw Latinoamericana OLADE (**) < 50 Kw kW kw (*) Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (**) Organización Latinoamericana de la Energía Fuente. ITDG, Manual de Mini y Microcentrales Hidráulicas Según su caída se clasifican en: Tabla Nº.4 Clasificación según su caída Caída en metros Baja Media Alta Micro H < < H < 50 H > 50 Mini H < 0 0 < H < 100 H > 100 Pequeña H < 5 5 < H < 130 H > 130 Fuente. Ortiz R, Pequeñas Centrales Hidroeléctricas.5.1 SISTEMAS EMPLEADOS EN LA CAPTACIÓN DE AGUA Central en Derivación Un sistema de derivación no detiene al caudal del río sino que desvía parte del caudal a un canal y una tubería y luego hacia una turbina. La gran mayoría de los sistemas de MCH son del tipo de derivación. La desventaja es que el agua no se puede almacenar para una estación seca del año. La ventaja es que el sistema se puede construir localmente a un bajo costo y su simplicidad proporciona una mejor confiabilidad a largo plazo. Desde el punto de vista ambiental son mejores pues aguas abajo de las instalaciones no provoca alteraciones ni se necesita inundar los valles aguas arriba de la instalación. (figura Nº.7)

41 40 Figura Nº.7 Microcentral de derivación.5.1. Central de Embalse Este sistema hace uso de un dique para detener el caudal del río, formándose un reservorio desde donde fluye el agua hacia las turbinas cuando se necesita energía. La ventaja de este método es que el agua puede acumularse en época de lluvias para generar potencia en épocas secas del año. Tiene la desventaja de ser más costosos, se pueden encontrar problemas muy serios con los sedimentos que se acumulan años después, provocando la degradación del reservorio y su mantenimiento es muy caro y el sistema termina generando menos energía de la esperada. (figura Nº.8) Figura Nº.8 Microcentral de embalse

42 41.5. Componentes de un Sistema de Microhidrogeneración Figura Nº.9 Componentes principales de un sistema de Microhidrogeneración.5..1 Bocatoma Es la obra mediante la cual se toma el caudal que se requiere para obtener la potencia de diseño; su construcción es sólida, ya que debe soportar las crecidas del río..5.. Obra (Canal) de conducción Se encarga de conducir el caudal desde la bocatoma hasta el tanque de presión, posee una pequeña pendiente; en la mayoría de los casos suele ser un canal, aunque también un túnel a una tubería Desarenador Es necesario que las partículas en suspensión que lleva el agua sean decantadas, por ello al final de la obra de conducción se construye un tanque de mayores dimensiones que el canal, para que las partículas pierdan velocidad y caigan al fondo del desarenador.

43 Tanque de presión o Cámara de Carga En esta obra, la velocidad del agua es prácticamente cero, empalma con la tubería de presión, sus dimensiones deben garantizar que no ingresen burbujas de aire en la tubería de presión, permitir el fácil arranque del grupo turbina-generador y amortiguar el golpe de ariete Aliviadero Con estas obras se elimina el caudal de exceso que se presenta en la bocatoma y en el tanque de carga, y se regresa al cauce del aprovechamiento Tubería de presión Mediante la tubería de presión se conduce el caudal de diseño hasta la turbina; está apoyada en anclajes que le ayudan a soportar la presión generada por el agua y la dilatación que le ocurre por variación de temperatura Casa de máquinas En ella se transforma la energía hidráulica en mecánica, la mecánica en eléctrica y, mediante el sistema de transmisión se lleva la energía al usuario (figura Nº.30). Está conformada por: Turbina: Motor hidráulico que convierte la energía del agua en energía mecánica. Regulador de velocidad: Servomecanismo que mantiene constante la velocidad de giro de la turbina y consecuentemente la frecuencia de la energía eléctrica generada. Generador: Máquina eléctrica que convierte la energía mecánica en el eje en energía eléctrica. Regulador de voltaje: Sistema electrónico que mantiene el voltaje generado a un nivel constante. Transformador: Equipo eléctrico utilizado para voltaje que permite el transporte de energía a distancias requeridas.