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Una guía práctica para el diseño y construcción de una pequeña central hidroeléctrica (pch), dirigida a estudiantes de ingeniería. Abarca desde la selección del sitio hasta la puesta en marcha, incluyendo aspectos como la selección de equipos, la obra civil, la tubería de presión y el análisis económico.
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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FACULTAD DE MECÁNICA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
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.
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.
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.
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.
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.
1.3.1 Objetivo general
1.3.2 Objetivos específicos
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 2.2 Altura neta aprovechada en la turbina.
La Ecuación de Conversión es:
Potencia de entrada = Potencia de salida + pérdidas (2.1)
O también:
Potencia de salida = Potencia de entrada * eficiencia de conversión (2.2)
La ecuación (2.2) 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:
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:
Pdisp = g * hdisp * Q (2.4)
Entonces:
Pneta (^) estimada = 9. 8 * hdisp * Q * η (2.5)
Donde: P = potencia expresada en Kw. η = rendimiento global del sistema % g = aceleración de gravedad expresada en m/s^2 , (9,81 m/s 2) 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 2.1, 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.
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 2.3 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:
Figura Nº 2.3 Método de la manguera de nivelación para medir el salto
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:
Figura Nº 2.4 Método de manguera y manómetro para medir el salto
El procedimiento es el siguiente:
E. Método del eclímetro
Para este método son necesarias dos personas A y B de preferencia de alturas similares.
Figura Nº 2.6 Uso del Eclímetro
La persona A tomará el eclímetro en la posición indicada en la figura Nº 2.6 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 2 y α 2 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 (2.6)
Para calcular la altura total o salto, se sumarán las alturas parciales obtenidas previamente
H = H 1 + H 2 +… + Hn (2.7)
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.
Figura Nº 2.7 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.
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.
Figura Nº 2.9 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 Vmedia = Q = Constante (m^3 /s) (2.8)
Donde: Vmedia = 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 2.10. 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.
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 2.10 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 1.2 a 5 m/s con un error probable de 2%.
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.
Figura Nº 2.12 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 2.13 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).
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
Se entiende por velocidad de embalamiento, cuando la turbina descargada con el distribuidor abierto, suele ser 1,8 a 2,2 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.
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.
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.
