Exposicion de Jony Villalobos

Micro Central Hidráulica (MCH)

Ing.Jony Villalobos Cabrera

La energía del agua

• La energía del agua es una manifestación más de la energía

solar.

La energía aprovechable

depende de:

- la altura

- el volumen de agua que

circula (caudal)

Ing.Jony Villalobos Cabrera

Ing. Jony Villalobos Cabrera

El agua tiene energía por haber desnivel (caída de agua) o

por la corriente del río (caudal)

El agua hace girar una turbina

o rueda de agua

La turbina o rueda se puede conectar a diferente maquinaria:

A un generador eléctrico

A una bomba de agua

A maquinaria agrícola


Donde se encuentra la hidroeléctricidad?


Características de la energía

hidroeléctrica

- Tecnología tradicional y confiable

- Tecnología madura

- Menores costos específicos [US$/kWh]

- Mayor vida útil

- Mayor densidad energética


- Potencial para satisfacer demanda energética en

zonas rurales remotos

- Poblaciones dispersas y de baja capacidad de

pago no servido por la red

- Aprovechamiento de recursos hidráulicos

pequeños y medianos

Características de la energía hidroeléctrica


- A veces existen ya infraestructuras civiles como

canales de riego o sistemas de agua potable por

gravedad

- Oferta disponible de manufactura y productos

locales para MCHs

- Aceptación y confiabilidad de la tecnología

(también en institutos financieros)

Características de la energía hidroeléctrica


Central de flujo continuo de

baja potencia en el río

Urumea (150 kW)

Turbina de flujo continuo en el río

Amazonas, Perú (500 W). ITDG

2005


CLASIFICACION

HIDROELECTRICAS

Según la

potencia

Según la

caída

Picocentrales

0 - 5 kW

Microcentrales

5 - 100 kW

Mini

centrales

100 - 1000 kW

Baja caída

0 - 15 m

Mediana caída

15 - 200 m

Gran caída

2100 - 1000 m


Clasificación de las Microcentrales

Hidroeléctricas



Las pequeñas centrales

hidráulicas captan la e. cinética y

e. potencial del agua

convirtiéndola en e. eléctrica o

mecánica

e. cinética

e. potencial

e. eléctrica

e.

mecánica

La energía del agua.

Del cielo a la tierra


• En muchos casos, los sistemas demicrohidrogeneración no generanelectricidad. Por ejemplo, los molinos degranos a menudo son accionadosdirectamente por el eje de la turbina.

• En muchos países hay una necesidadcreciente de suministros de energía paralas áreas rurales, tanto para elabastecimiento de electricidad como parael apoyo a la industria y las autoridadesgubernamentales se enfrentan a loselevadísimos costos de la extensión delas redes de electricidad.

• Con frecuencia la microhidrogeneraciónconstituye una alternativa económica a lared, pues con los micro hidrosistemasindependientes se ahorra el costo de laslíneas de transmisión y, por otro lados,los sistemas de extensión de la red estándotados de equipo muy costoso, ademásde los costos de personal.


Futuro de las Micro Centrales Hidráulicas

(MCHs)

Energías renovables tienen buenas

perspectivas a nivel mundial!

MCH en Solomon Islands

1. Cambio climático: 80 % de

las emisiones CO2 tienen su

origen en procesos de la

conversión de energía.


MCHs tienen que compartir su gran futuro

con otras Energías Renovables!

...y la ‘mala’ noticia para las

MCHs:

Futuro de las Micro Centrales Hidráulicas

(MCHs)


Es toda la hidroenergía renovable y

sostenible?

Minicentral de 125 kW. Paccha (Perú). ITDGTurbina Francis,

Presa Grand Coulee de 6.5 GW (EEUU)

?


Gran hidráulica vs. minihidráulica

Minicentral. 80 kW

ITDG, 2005

Central de Itaipú entre

Brasil y Paraguay. 6500

MW elèctrics.


Razones para excluir a las grandes centrales

hidroelélectricas del club de las EE. RR.

Desarrollo sostenible:1. Grandes hidroeléctricas no son una fuente de energía descentralizada

y por lo tanto no contribuyen a la reducción de la pobreza

2. Los fondos dedicados a las energías renovables se ven drásticamentereducidos con el coste de las nuevas centrales

3. Los promotores de las centrales acostumbran a infravalorar los costesy a inflar los beneficios futuros

4. No hay transferencia de tecnología a las comunidades locales

Población y medio ambiente5. Impactos sociales y ecológicos negativos

6. Los esfuerzos para mitigar estos impactos normalmente no tienen éxito

7. Los promotores desestiman las medidas de prevención en laconstrucción de proyectos destructivos

8. Los grandes pantanos emiten gases de efecto invernadero y no sonrenovables debido a la sedimentación

Seguridad energética9. La gran hidroeléctrica es lenta, pesada, inflexible y cada vez más cara

10. Muchos países son demasiado dependientes de la energíahidroeléctrica


1.- ¿Qué y cuáles son las energías

renovables?Las fuentes renovables de energía se basan en los flujos y

ciclos naturales del planeta. Son aquellas que se regeneran

y son tan abundantes que perdurarán por cientos o miles de

años, las usemos o no; además, usadas con responsabilidad

no destruyen el medio ambiente.

La electricidad, calefacción o refrigeración generados por las

fuentes de energías renovables, consisten en el

aprovechamiento de los recursos naturales como el sol, el

viento, los residuos agrícolas u orgánicos. Incrementar la

participación de las energías renovables, asegura una

generación de electricidad sostenible a largo plazo, reduciendo

la emisión de dióxido de carbono (CO2). Aplicadas de manera

socialmente responsable, pueden ofrecer oportunidades de

empleo en zonas rurales y urbanas y promover el desarrollo

de tecnologías locales en nuestro país.


1.- ¿Qué y cuáles son las energías

renovables?

Dentro de este contexto, en mayo de 2008 en el Perú se emitió el

Decreto Legislativo 1002 que promueve la inversión para la

generación de electricidad con el uso de energías renovables. De

acuerdo con esta norma, en su artículo 2, son recursos

energéticos renovables (en adelante “RER”) todos aquellos

recursos energéticos tales como la biomasa, eólico, solar,

geotérmico, mareomotriz y las pequeñas hidroeléctricas hasta

una capacidad instalada de 20MW.


El marco normativo sobre RER, está constituido básicamente

en: La Ley de promoción de la inversión para la

generación de electricidad con el uso de energías

renovables – Decreto Legislativo No. 1002 y el Reglamento

de la generación de electricidad con energías renovables

– Decreto Supremo No. 050-2008-EM.

Los principales objetivos del ordenamiento RER son:

(i) Procurar la diversificación de la matriz energética peruana,

mediante la promoción de la inversión y uso de recursos

renovables para la generación eléctrica,

(ii) Asegurar la generación de energía eléctrica suficiente

para el abastecimiento de energía al mercado eléctrico

peruano, el cual se estima necesitará más de 3,605 MW

adicionales a los actualmente generados para el año

2015.


En nuestro país las Centrales Mini Hidráulicas son

aquellas que cuentan con una potencia instalada

menor a 20 MW, según el Decreto Legislativo Nº 1002,

artículo 3.

Esta tecnología renovable es la forma más respetuosa

con el medioambiente que se conoce para la

producción de electricidad. Se puede transformar a

muy diferentes escalas, existiendo desde hace siglos

pequeñas explotaciones en las que la corriente de un

río mueve un rotor de palas y genera un movimiento

aplicado, por ejemplo, en molinos rurales.


Marco LegalHace falta un marco legal y pautas que unifiquen criterios para la

implementación de Micro Centrales Hidroeléctricas por parte del Estado.

Entre las principales normas relacionadas en este tema se mencionan: La

Ley Marco para el Crecimiento de la Inversión Privada, La Ley de Promoción

y utilización de Recursos Energéticos Renovables No Convencionales en

Zonas Rurales, Aisladas y de Frontera, la Ley General de Comunidades

Campesinas, etc.

En cuanto al subsector eléctrico podemos mencionar:

Ley de Concesiones Eléctricas

El Reglamento de Protección de las Actividades Eléctricas,

El Reglamento de Protección Ciudadana para la realización de

Actividades Energéticas,

La Ley Orgánica de Gobiernos Regionales

Ley Orgánica de Municipalidades,

La cual define y regula las funciones y obligaciones de cada uno de estos

organismos.


CONCESIÓN ELECTRICA


En la Ley de Concesiones Eléctricas y en suReglamento se establece el marco regulatorio para elservicio público de electricidad. Se necesita CONCESIÓNELÉCTRICA para:

• Generación Eléctrica que utilice recursos hidroeléctricos ygeotérmicos, cuando la potencia instalada mayor a 500 kW.

• Generación de energía eléctrica con recursos energéticos

renovables conforme a la Ley de la materia, con potencia

instalada mayor de 500 KW.

• Transmisión de energía eléctrica, cuando las instalacionesafecte bienes del Estado y/o requieran la imposición deservidumbre por parte de éste.

• Distribución de energía eléctrica con carácter de serviciopúblico de electricidad, cuando la demanda supere los 500KW.

Actividades de Generación, Transmisión y Distribución que norequieran de concesión ni autorización podrán ser efectuadaslibremente cumpliendo las normas técnicas y disposiciones deconservación del medio ambiente y del patrimonio cultural de laNación.


CONCESIÓN ELECTRICA RURAL


Referente a la competencia, hemos dicho que el Ministerio de

Energía y Minas otorgará las autorizaciones respectivas, pero

mediante Decreto Supremo 056-2009-EM, se traslada la facultad

relativa al otorgamiento de autorización para la generación de

energía eléctrica a los Gobiernos Regionales, cuya potencia

instalada sea mayor a 500 KW y menor a 10 MW.

Éste decreto supremo comprende el otorgamiento de

concesiones definitivas para generación con recursos

energéticos renovables (RER), con potencia instalada mayor a

500 KW y menor a 10MW, siempre que se encuentren en la

respectiva región.



CONCESIÓN DEFINITIVA




CONCESIONES TEMPORALES

De acuerdo con el artículo 23° de la LCE, esta

concesión permite utilizar bienes de uso público y el

derecho de obtener la imposición de servidumbres

para la realización de estudios de factibilidad de

centrales de generación (cuya potencia instalada

sea igual o superior a 750 MW y/o en caso

requieran servidumbres sobre bienes de terceros),

subestaciones o líneas de transmisión.



Art. 7.- El titular deberá informar

obligatoriamente al Ministerio de

Energía y Minas el inicio de la

operación y las características

técnicas de las obras e

instalaciones.

Ing. CIP. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera

Impactos de las grandes hidroeléctricas

- Humanos

- Medioambientales

- Económicos


Diseño de un

Sistema

Diseño de un Sistema

El procedimiento para diseñar un sistema tiene cuatro etapas:

I. Capacidad y estudio de la demanda

II. Estudio hidrológico e inspección del lugar

III. Estudio de pre-factibilidad

IV. Estudio de factibilidad final

Energía a partir del agua

• Un hidrosistema requiere de un caudal de agua y

una diferencia de altura (conocido como “salto”)

para producir potencia útil.

• Se trata de un sistema de conversión de energía, es

decir, se toma energía en la forma de caudal y salto y

se entrega energía en forma de electricidad o

energía mecánica en el eje.

• Ningún sistema de conversión puede entregar la

misma cantidad de energía útil como la que se

absorbe, pues una parte de la energía se pierde en el

sistema mismo en forma de fricción, calor, ruido, etc.


Pneta = 10 x hdisp x Q x ŋo

h en metros, Q en m3/s


La ecuación de conversión es:

• Por ejemplo si el sistema recibe 200 kW y entrega 120 kW,entonces la pérdida es de 80 kW, La eficiencia es 60% (120 =200 x 60%).

• La potencia de entrada o potencia total disponible en el sistemahidráulico, es la potencia disponible. Pdisp.

• La potencia útil entregada es la potencia neta, Pneta

Potencia de entrada = Potencia de salida + pérdidas

Potencia de salida = Potencia de entrada x eficiencia de conversión

Pneta = Pdisp x ŋo

Pneta = 10 x hdisp x Q x ŋo

h en metros, Q en m3/s




ESTIMACIÓN DE LA POTENCIA DE LA MCH

Con los valores de caudal y altura que se encuentren, y la ayuda de una formula

estimamos la potencia

• C: es igual a 5 si la altura es menor a 40 m

• C: es igual a 6 si la altura es mayor a 40 m

1m3/s = 1,000 lt/s

1,000 watts = 1 kW (un kilo watt)

)( )()( 3

smCaudalmAlturaCkWPotencia



Evaluación del

Recurso

Hidroenergético


• Luego de haber hecho la estimación de la demanda,el siguiente paso consiste en hacer una evaluacióndel potencial de generación de energía en la zona,tratando de que la casa de fuerza se encuentre lomás próximo posible a la carga a servir.

• La capacidad de generación de energía mediante elempleo de agua está determinada por el salto ocaída (energía potencial) que se pueda obtener y delcaudal posible.

• El salto depende de la topografía del terreno, y elcaudal de las características del río o arroyo que seva a utilizar.


Medición del Salto


• Los mapas con curvas de nivel sirven para hacer una primera

estimación del salto disponible y pueden utilizarse para

estudios de prefactibilidad de microcentrales hidroeléctricas

(MCH).

• En los estudios de factibilidad y en los definitivos se hace

necesario realizar mediciones en el lugar a fin de obtener una

mayor precisión. Por lo general se requiere precisiones de 3%

o más, puesto que la caída es un parámetro importante en el

diseño del sistema.

• Es recomendable efectuar tres mediciones y analizar los

resultados en el lugar con el propósito de corregirlos u obtener

nuevas medidas en el caso que fuera necesario (p.e. si las tres

mediciones realizadas son demasiado discordantes)


- Método de la Manguera de Nivelación

- Método de Manguera y Manómetro

- Método del Nivel de Carpintero y Tablas

- Método del Altímetro

- Método del Eclímetro

- Método del Nivel de Ingeniero


Método de Manguera de

Nivelación

Materiales:

• Una manguera de nylon de4 a 10 mm de diámetro,transparente o conextremos transparentes.Llenarla da agua antes deascender.

• Dos listones graduados,con marcas al decímetro ocentímetro son suficientes.

• Hoja de papel y lápiz

• Dos personas comomínimo





Práctica de medición de altura,

método de la manguera


• Es recomendado para lugares con pequeños saltos; eseconómico, razonablemente preciso y poco propenso aerrores.

• Es recomendable eliminar las burbujas ya que podrían llevar aerrores.

• Es necesario realizar dos o tres pruebas separadas para estarseguros de que los resultados finales sean correctos yconfiables.

• La precisión de este método puede ser sorprendente, inclusola estatura de una persona es usada como altura referencial.


Método de manguera y

manómetro

• Este es probablemente el mejor de los métodos simplesdisponibles, pero tiene sus riesgos.

• Los dos posibles errores son la mala calibración y la presencia deburbujas en la manguera. Para evitar el primer error se deberácalibrar el medidor antes y después de cada prueba en ele lugar.Para evitar el segundo deberá usarse una manguera de plásticotransparente que permita ver si existen burbujas para podereliminarlas.

• Este método puede ser usado tanto en caídas altas como bajas,pero necesitará manómetros con diferente escala.


Equipo

• Manguera plástica transparente

• Curva de calibración

• Manómetro de presión

• Hoja de resultados


Procedimiento

• Primero calibre el manómetro

• Cuando esté tomando las mediciones:

• Calibración del manómetro

h(m) = P (kPa) /9,8

h (m) = P (PSI) x 0,7045



Método del nivel de carpintero y

tablas• Este método es idéntico al de la manguera de nivelación. La

diferencia es que la horizontabilidad es establecida no por nivelesde agua, sino por un nivel de carpintero o de burbuja colocado enuna tabla de madera recta y fija.

• En pendientes suaves este método es muy lento, pero enpendientes fuertes es apropiado, especialmente si se trata depequeñas caídas.



Método del altímetro

• El altímetro es un instrumento de medición fácil de usar perorelativamente costoso.

• El altímetro mide la presión atmosférica , la cual estárelacionada con la altura sobre el nivel del mar, auque varíaligeramente debido al clima, la temperatura y la humedadrelativa.

• Como estas variaciones pueden ser muy significativas para laevaluación del salto, a fin de obtener resultados aceptables esnecesario tomar varias lecturas durante el día y luego estimar elvalor final.


• En el caso de una microcentral, lo más conveniente seríautilizar un solo altímetro, tomar varias medidas durante el día,tanto en el lugar de la cámara de carga como en el de la casade fuerza, confeccionar una tabla donde se registre la hora ylas lecturas del altímetro, luego graficar estos resultados,trazar líneas promedio y determinar las diferencias de altura(salto).

• El tiempo que transcurra entre la lectura en la casa de fuerzay la lectura en la cámara de carga para una hora determinadadebe ser lo más corto posible.


Método del eclímetro

• Para aplicar este método es necesario la participación de dospersonas: Una persona A usará el eclímetro y una persona B loapoyará. Es recomendable que la talla de ambos sea lo másparecida posible a fin de no incurrir en errores por diferencia detamaños.

• También se puede aplicar este método colocando el eclímetrosobre unas estacas, dirigiendo la línea de mira a la parte finaldel a estaca siguiente, y registrando los datos que se obtengan.

• El cálculo de las alturas parciales se obtiene usando la relación:

H1 = L1. Sen α1

Para calcular la altura total o salto, se sumarán las alturasparciales obtenidas previamente:

H = H1 + H2 + H3 + . . . + Hn

Ing. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera

b) PROCEDIMIENTO

Se explica en el gráfico


Método del nivel de ingeniero

• El nivel de ingeniero es capaz de registrar 1 mm de precisión;pero es caro y pesado, y requiere operadores diestros. Por logeneral, los errores se producen por las largas series decálculos que hay que efectuar.

• Debido a que es un método común, los equipos que emplea sealquilan fácilmente y a precios aceptables.

• Con el las distancias pueden ser medidas simultáneamente,pero no es apropiado para lugares escarpados o con muchosárboles.


Es un método similar al

anterior, se usa equipo

topográfico de precisión.

a) EQUIPO

- Nivel topográfico

- Trípode

- Miras

- Machete

- Mínimo 2 personas

b) PROCEDIMIENTO

Se explica en el gráfico



En la tabla 2.1, podemos apreciar varios métodos para medir el salto o

caída. Esta tabla se incluyen también algunas observaciones sobre la

precisión y otros detalles de cada método:



Medición del

Caudal


MEDICION DE CAUDAL

• METODOS :

»1.- Del recipiente

»2.- Del flotador

»3.- De la sal

»4.- Del vertedero


1.- METODO DEL RECIPIENTE

a) EQUIPO

1.- Recipiente de capacidad

conocida en litros, puede ser

un balde, un cilindro, etc.

2.- Cronómetro con precisión en

segundos.

3.- Pico

4.- Pala

5.- Manta de plástico, o una

plancha de calamina o un

tubo

de PVC.

6.- Lapicero

7.- Libreta de anotaciones


b) PROCEDIMIENTO

1.- Formar un canal y aprovechar un desnivel para

formar el chorro.

2.- Medir con el cronómetro el tiempo en llenarse

el

recipiente ( repetir un mínimo de 3 veces)

3.- Aplicar la fórmula: Q= V/t

Q: Caudal

V: Volumen del recipiente

t: Tiempo de llenado



2.- METODO DEL FLOTADOR

• Consiste en determinar el área de una sección

transversal del río, riachuelo o de un canal y la

velocidad del agua, para luego aplicar la fórmula

Q= k.A.V

Donde:

A= área promedio de

la sección transversal

en m2

V= velocidad

superficial del agua en

m/s

k= Factor de

corrección de

velocidad según la

relación S/p (tabla 1

ver manual)


a) EQUIPO

Pico, pala, estacas, cordel, machete

Wincha de 30m y 3 m

Cronómetro

Flotador, regla graduada

Lapicero y libreta de campo

b) PROCEDIMIENTO

1.- Seleccionar un tramo recto y sección homogénea

2.- Medir una longitud determinada (L)

3.- Atar el cordel a las estacas transversalmente

4.- Determinar la velocidad superficial en el tramo ( V= L/t )

5.- Determinar el área de la sección transversal A ( m2 )

6.- Determinar el caudal con la fórmula siguiente: Q= k.A.V

k= Factor de corrección que está relacionado con la velocidad, depende del tipo de río o canal y la profundidad del mismo.


Diferentes alturas en

el lecho del río


Práctica de medición de caudal,

método del flotador








3.- METODO DE LA SOLUCION DE SAL

Se basa en el cambio de la conductividad del agua,

se produce cuando se le agrega una solución salina.

a) EQUIPO Y MATERIALES

- Sal

- Balanza de precisión en gramos

- Conductivímetro

- Cronómetro

- Termómetro

- Calculadora

- Papel milimetrado

- Machete

- Pico

- Pala


b) PROCEDIMIENTO

1.- Estimar el caudal de la fuente a medir

2.- Pesar una cantidad de sal en gramos (1gr/lt)

3.- Medir la temperatura del agua y registrarla en el conductivímetro

4.- Seleccionar un tramo del río uniforme (L mayor a 20m)

5.- Disolver la sal en un balde de agua (recomendable 10lt)

6.- Ubicar lugares de colocación de la solución salina y donde se

tomarán las medidas.

7.- Introducir el conductivímetro y registrar la conductividad base del

agua.

8.- Verter la solución salina en el punto de inicio y en el otro extremo

registrar la conductividad cada 5 seg.

9.- Procesar los datos obtenidos en el papel milimetrado

10.- Graficar la conductividad vs. Tiempo

11.- Calcular el área bajo la curva

12.- Determinar el factor de conversión por temperatura utilizando el

grafico 1.

13.- Aplicar la fórmula Q= k.M/A

Donde:

k= el factor de corrección por temperatura

M= masa de la sal en miligramos

A= área bajo la curva


Matemáticamente el caudal será:

Q = K x M / A

Donde:

Q = caudal (lt/s)

M = masa de sal (mg)

K = factor de conversión (µS / (mg/lt))

A = Area bajo la curva (µS s)


Procedimiento

• Haga indagaciones sobre el caudal aproximado. Resultaconveniente ver el río o quebrada antes de planear lasmediciones para llevar las cantidades adecuadas de sal. Larecomendación es usar aproximadamente 100 gr de sal porcada 0,10 m3/s

• Tomar una cierta cantidad de sal de mesa y secarla a fin deeliminar el error del peso por humedad. Luego pesar pequeñascantidades en bolsitas plásticas siguiendo la regla de 100 gr porcada 0,1 m3/s.

• Medir la temperatura del agua y registrarla.

• Escoger un tramo del río o quebrada donde haya una velocidadmás o menos uniforme. Evitar los remansos porque estosretardan el paso de la “nube” de sal afectando las medidas.


• Una persona A disolverá una solución de una primera bolsita

de sal en un balde de unos 10 a 12 litros de capacidad y lo

llenará con agua hasta no más de ¾ de su capacidad.

• Seleccione el lugar de aplicación de la solución y el de la

ubicación del medidor de conductividad. La distancia entre

ambos puntos puede ir a 30 a 50 metros.

• Coloque el medidor de conductividad y un reloj con precisión

de segundos y prepare su registro para tomar los datos.

• Ordene la aplicación de la solución y observe el medidor hasta

que empiece a elevarse la conductividad.

• Registre los valores de la conductividad cada 5 segundos.


• Procedimiento de resultados

• Graficar conductividad vs. Tiempo

• Calcular el área encerrada por la curva y trazar una línea recta

que une la conductividad base (primer punto leído) con el último

punto.

• Encontrar el factor de corrección en µs/ (mg/l))

• Utilizar la expresión: Q = K (M/A)







• Un vertedero es una estructura similar a un muro de baja

altura ubicado a lo acho 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.

• Para alcanzar mejores resultados hay que utilizar vertederos

de pared delgada y además de evitar que el sedimento se

acumule tras ellos. Estos vertederos se hacen de planchas

de acero.

4.- METODO DEL VERTEDERO


4.- METODO DEL VERTEDERO


ESTIMACION DE LA POTENCIA DE LA MCH

Con los valores de caudal y altura que se encuentren, y la ayuda de una formula estimamos la potencia

• C: es igual a 5 si la altura es menor a 40 m

• C: es igual a 6 si la altura es mayor a 40 m

1m3/s = 1,000 lt/s

1,000 watts = 1 kW (un kilo watt)

)( )()( 3

smCaudalmAlturaCkWPotencia


Hidrología


• La cantidad de agua que escurre en un río varía a lo largo delaño.

• Esta variación del caudal obedece a múltiples factores entre losque destacan: el área de la cuenca, las condiciones climáticasexistentes, la topografía del terreno y las característicasgeológicas de la cuenca.

• Las mediciones ocasionales del caudal son referenciasimportantes que deben tomarse en cuenta, pero por sí solas noson suficientes para informarnos si el año será muy seco o muylluvioso, o qué a niveles de caudal puede bajar el río en épocade estiaje y hasta qué niveles podría subir en tiempo deavenidas.

• Un estudio hidrológico de la cuenca podría contestar estaspreguntas y muchas otras, pero debido a que la hidrología no esuna ciencia exacta, por lo general las respuestas se dan enforma probabilística de ocurrencia.


• El Hidrograma muestra como varía el caudal a través del año y

también podemos ver en cuántos meses al año se excede un

cierto caudal.



• En la tabla 2.4 se puede observar el procesamiento estadístico de los datos. En laprimera columna se encuentran los rangos de caudales, en la segunda lafrecuencia absoluta de cada rango; en la tercera la frecuencia relativa en términosde porcentaje y, finalmente, en la cuarta está la frecuencia relativa acumulativa enporcentaje.

• En la primera columna los datos se han ordenado de mayor a menor a fin defacilitar la interpretación de la curva de duración y al gráfica misma.


Curva de duración de caudales

• Nos da la probabilidad como un porcentaje de tiempo de todo el

período de aforos, en el cual el caudal es igual o menor al

caudal correspondiente a dicho porcentaje de tiempo.

• Ejemplo: En la siguiente figura se puede decir que el 70% de

tiempo se producen caudales menores o iguales a 2,5 m3/s.

• En términos prácticos, la frecuencia relativa acumulativa viene a

ser la duración en términos de porcentaje.

• Para calcular la frecuencia relativa de cada rango se divide el

número de ocurrencias entre el número total de aforos:

fr(%) = (F / N) x 100


• El caudal medio se determina mediante la siguiente

expresión:

Qm = Σ Qi x fr / 100

• Aunque lo más relevante para análisis hidrológico es

la curva de duración, la curva de frecuencias

relativas también tiene cierta importancia ya que nos

permite visualizar a priori la mayor o menor

concentración de datos (aforos para cada caudal o

rango de caudales).



El hidrograma se convierte en una Curva de duración de

Caudales, en una forma simple, tomando todos los requisitos de

caudal de muchos años y colocando los valores más altos al lado

izquierdo y los valores más bajos progresivamente al lado

derecho.


Ejemplo: En la figura 2.20 se puede observar que el caudal de

mayor persistencia es el de 1,5 m3/s.


• Una vez obtenida la curva de duración, dependerá del proyectistadecidir sobre el caudal de diseño. Evidentemente, si queremos que lacentral trabaje el 100% de tiempo a plena carga, el caudal de diseñoserá muy pequeño (0,4 m3/s).

• Si esto no es importante y queremos que trabaje un 70% de tiempo aplena carga, el caudal de diseño o disponible para el diseño, serámucho mayor (2,5 m3/s).

• Además del caudal de diseño, hay que analizar el tipo de turbina quese utilizará.

• Ejemplo: Si para el caso anterior tenemos una altura de 120 m yconsideramos una eficiencia total del sistema de 60% (entregados a lared), obtenemos la siguiente tabla de duración de potencias y lasenergía posibles de generar para las diferentes rangos de caudales.


P = γ x Q x H x η (kW)

1000

Energía = Pot. x Duración x 8760 [ kWh ]

100 año


Curva de duración de potencias

• En algunos casos es importante conocer la cantidad de energía

posible de generar utilizando uno u otro valor de caudal de

diseño; es decir saber cuántos kWh al año podría general.

• Un caso típico podría ser, por ejemplo, si la red nacional

asegura la compra de toda la energía producida. Esto significa

que debemos buscar un caudal tal que produzca un máximo de

kWh al año sin importar si se produce en 6 u 8 meses. Incluso

durante los meses restantes la central podría estar parada.


• Para trazar la curva de duración de potencias basta en convertir

el eje de ordenadas de la curva de duración en eje de potencias

multiplicando γ x Q x H x η . Conservando los valores del eje de

ordenadores, podemos realizar la gráfica:



Factor de planta• El factor de planta de una central eléctrica es el cociente entre

la energía real generada por la central eléctrica durante un

período (generalmemte de forma anual) y la energía generada

si hubiera trabajado a plena carga durante ese mismo período,

conforme valores nominales placa de identificación de los

equipos. Es una indicación de la utilización de la capacidad de

la planta en el tiempo.

• Los factores de planta o factores de capacidad varían

grandemente dependiendo del tipo de combustible que se utilice

y del diseño de la planta. El factor de planta no se debe

confundir con el factor de disponibilidad o con eficiencia.

Factor de Planta


http://es.wikipedia.org/wiki/Cociente_(aritm%C3%A9tica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Generaci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica



http://es.wikipedia.org/wiki/Combustible

http://es.wikipedia.org/wiki/Factor_de_disponibilidad





Causas de reducción del factor de

plantaEn la práctica, el factor de planta no es nunca del 100%.

Se ve disminuido por:

Las operaciones de mantenimiento, los fallos más o menos

largos de equipamientos, etc.

La ausencia de demanda de electricidad que obliga a los

administradores de red a disminuir o parar la producción

en algunas unidades.

La intermitencia o irregularidad de la fuente de energía

como es, por ejemplo, el caso de la energía solar o la

energía eólica, respectivamente


http://es.wikipedia.org/wiki/Mantenimiento

http://es.wikipedia.org/wiki/Demanda_(econom%C3%ADa)

http://es.wikipedia.org/wiki/Red_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica

Factores de planta típicosParque eólico: 20-40%.

Panel fotovoltaico: 10-15%.

Central hidroeléctrica: 60%.

Central nuclear: 60%-98%.

Central termoeléctrica a carbón: 70-90%.

Central de ciclo combinado: 60%


http://es.wikipedia.org/wiki/Parque_e%C3%B3lico

http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico

http://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Central_nuclear

http://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_combinado

Factor de Planta

• Supongamos que un ingeniero instala un sistema hidráulicopara proveer de electricidad a un pueblo. El costo del sistemaes $10,000.00. El número total de casas del pueblo es 50, peroal empezar sólo 25 casas del pueblo tienen conexiones parailuminación consumiendo cada casa 200 watts de electricidad.La instalación ha sido dimensionada para proveer a 50 casascon 200 watts, de modo que desde el primer día su capacidadde potencia es de 50 x 200 =10 kW. Durante los primeros cincoaños se usarán realmente sólo 25 x 200 = 5 kW.

• Considerando la relación de potencia usada a la capacidad depotencia:

Relación de potencia = Potencia usada

Potencia Instalada


Si en lugar de la relación de potencia se usa una relación deenergía, multiplicando por el tiempo durante el cual la potencia estádisponible o es usada, llegamos al factor de planta (también llamado“factor de capacidad”)

En los primeros cinco años:

Factor de planta = 5 kW x 6 horas = 0,125

10 kW x 24 horas

En los segundos cinco años:

Factor de planta = 10 kW x 6 horas = 0,25

10 kW x 24 horas

Factor de planta = Potencia usada x tiempo de potencia usada

Potencia instalada x periodo considerado

= energía usada

energía disponible


En la práctica, el ingeniero diseñador se mostraría reacio a continuarcon tal proyecto pues un buen diseño debería plantearse para unfactor de carga por encima de 0,4 durante los primeros añosdespués de las instalaciones, y por encima de 0,6 en los añossubsiguientes.

Esto se debe a que un bajo factor de cargo significa energía costosae indica también que otras fuentes de energía podría ser masconveniente para los pobladores.

Por consiguiente:

DISEÑE PARA EL FACTOR DE PLANTA MAS ALTO POSIBLE


Factor de Carga

• El término “factor de carga” a veces se toma erradamente comosi fuese lo mismo que el “factor de planta”.

• Cuando se planea un sistema de suministro de energía (ycuando se usa un sistema de tarifas). Ud. puede encontrar quees muy útil usar el término “factor de carga” en un sentidocorrecto:

Factor de Carga = Energía total usada por los consumidores

Capacidad total de energía conectada a

los consumidores




Equipo

Electromecánico


Turbinas


Selección de turbinas


Las turbinas hidráulicas tienen como misión transformar laenergía potencial y cinética del agua en energía mecánica derotación.

La selección de la turbina más adecuada para unaprovechamiento particular depende de las características dellugar, los factores dominantes, siendo éstos la altura, el caudaldisponibles y la potencia requerida.

La selección también depende de la velocidad a la cual esdeseable que gire el generador ú otros dispositivos que cargana la turbina. Otras consideraciones tales como que se espereque la turbina trabaje a cargas parciales ó no, juegan un papelimportante en la selección.


La figura muestra un rango de turbinas con sus alturas de

operación, de la cual se desprende que puede haber varios tipos

de turbinas que se pueden aplicar en un sitio particular.

Criterios de Clasificación

Por cómo se produce la transformación de la energía en la

turbina

La energía potencial se transforma en energía cinética,

mediante un chorro de gran velocidad, que es proyectado

contra unos álabes, fijos en la periferia de un disco. A este tipo

de turbinas se las conoce como turbinas de acción

La presión del agua actúa directamente sobre los álabes del

rodete, disminuyendo de valor a medida que avanza en su

recorrido. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas

de reacción


Turbinas de Acción :TURBINA PELTON

La Turbina Pelton se caracteriza por el hecho que la presión del fluidono varia a lo largo de la rueda.

La turbina Pelton consta de: inyector, rotor y carcaza. Tiene uno o másinyectores cuyos chorros libres inciden sobre una serie de cucharasmontadas sobre la periferia de un disco. El torque es generado por ladeflexión del chorro en las cucharas del rotor. Es por esto que la turbinaPelton es también llamada Turbina de Chorro Libre


La fundición por separado de disco y

alabes ha sido la forma más

tradicional, ya que no sólo se facilita la

construcción (fundición, maquinado y

pulido de piezas) sino que también

hace posible la reposición de cucharas

averiadas por la erosión. Sin embargo,

modernamente se advierte una gran

tendencia a fundir el disco y alabes en

una sola pieza, sobre todo cuando se

trata de ruedas de alta velocidad

específica. Se consigue con este

procedimiento mayor rigidez y solidez;

uniformidad en la resistencia y montaje

rápido; para la misma potencia, las

ruedas resultan más ligeras. Existen

métodos modernos de fundición y de

control de calidad (Magnaflux,

Magnaglo, ultrasonidos, etc.) que

permiten obtener piezas sin grietas ni

fisuras en el templado.


El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y a la

erosión. Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la fundición

de grafito laminar. Si las condiciones de trabajo son más drásticas debe

recurrirse al acero, al carbono aliado con níquel (0.7 a 0.1)-molibdeno

(0.3). Aceros con 13% de cromo y los aceros austeno-ferríticos (Cr 20, Ni

8, Mo 3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitación y la

abrasión. El material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado.


Turbinas de Acción :TURBINA PELTON


Turbina PELTON



RODETE, CUCHARAS Y VOLANTE DE LA TURBINA PELTON


ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN EL INYECTOR DE LA TURBINA




Turbinas de Acción :Turbinas de flujo cruzado

o Michell-BankiBasa sus ventajas fundamentalmente en un sencillo diseño y fácil construcción lo

que la hace especialmente atractiva en el balance económico de un

aprovechamiento en pequeña escala

Las principales características de esta máquina son las siguientes:

· La velocidad de giro puede ser seleccionada en un amplio rango.

· El diámetro de la turbina no depende del caudal.

· Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeñas turbinas.

· Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un álabe ajustable.

Se utiliza con una gama muy amplia de caudales (entre 20 l/seg y 10 m3/seg) y

una gama de saltos entre 1 y 200 m. Su rendimiento máximo es inferior al 80%,

pero se mantiene casi constante cuando el caudal desciende hasta el 16% del

nominal, y tiene un mínimo técnico inferior al 10% del caudal de diseño.


La turbina consta de dos elementos principales: un inyector y un rotor.

El agua es restituida mediante una descarga a presión atmosférica. El

rotor está compuesto por dos discos paralelos a los cuales van unidos

los álabes curvados en forma de sector circular. El inyector posee una

sección transversal rectangular que va unida a la tubería por una

transición rectangular - circular. Este inyector es el que dirige el agua

hacia el rotor a través de una sección que toma una determinada

cantidad de álabes del mismo, y que guía el agua para que entre al rotor

con un ángulo determinado obteniendo el mayor aprovechamiento de laenergía.

Turbinas de Acción :Turbinas de flujo cruzado

o Michell-Banki




Características

Principales de

Turbinas Hidráulicas


Turbinas Pelton Michell-Banki Francis Kaplan

Preferentemente

para caudales:

Pequeños a

grandes

Pequeños a

medianos

Grandes Grandes

Preferentemente

para desniveles:

Medianos a

grandes

Pequeños a

medianos

Medianos y

grandes

Medianos y

grandes

Costo comparativo

de la instalación

Menor Menor Mayor Mayor

Michell-Banki

Características Principales de Turbinas

Hidráulicas


Turbina Pelton Turbina Francis Turbina

Kaplan

Turbina Michell-Banki

- Más robustas y

duraderas

- Menos peligro que

se dañen las

cucharas

- Reparaciones más

sencillas

- Regulación más

fácil

- Mejores

rendimientos

trabajando a

caudales mas

pequeños

- Instalación

sencilla.

De grandes saltos:

- Menor peso

- Mayor rendimiento

máximo

- Aprovechan mas la

energía de caída del agua

- Generador de electricidad

más barato

- Dimensiones de la central

más reducidas

De saltos medios:

- Se puede hacer más

potencia

- Menos costos en la

instalación inicial.

- Mejores

rendimientos

cuando trabaja

a caudales

más pequeños

- Mejores

rendimientos

con saltos

variables.

- Generador de

electricidad

más barato.

- Se puede escoger la

velocidad de giro.

- El tamaño de la turbina, a

diferencia de las demás, no

depende del caudal.

- Se alcanza un nivel de

rendimiento aceptable con

pequeñas turbinas.

- Se puede regular el caudal y

la potencia por medio de un

mecanismo sencillo.

- Diseño e instalación sencilla.

Michell-Banki

Características Principales de Turbinas

Hidráulicas


Selección de Turbinas Hidráulicas


Rango de Aplicación de Turbinas





Ejemplo de Selección de Turbinas




MOTORES COMO

GENERADORES


En sistemas aislados de micro generación de energía, por lo

general utilizan generadores síncronos.

Actualmente se están utilizando motores de inducción como

generadores (generadores de inducción), con muy buenos

resultados.


Los generadores de inducción han demostrado ser considerablemente más confiables que los generadores

síncronos

VENTAJAS

• Disponibilidad

• Costo

• Solidez

DESVENTAJAS

• Rangos de voltaje

• Cálculos requeridos

• Arranque de motores


Operación del Motor de Inducción• Cuando un motor de inducción es conectado a una fuente de

energía crea un campo magnético rotatorio en la máquina

que se traduce en un movimiento giratorio, “Torque”.

• En este proceso, la velocidad del campo magnético es mayor

que la del rotor. A esta diferencia de velocidades se llama

deslizamiento.

S: Deslizamiento

ns: velocidad de sincronismo (campo magnético)

nr: Velocidad del rotor (del motor)


Operación como Generador en la Red• Si el mismo motor de inducción, conectado a sistema, se

hace girar por encima de la velocidad de sincronismo, la

máquina actúa como generador suministrando energía a la

Red.

• El deslizamiento como generador a carga nominal tiene un

valor similar al deslizamiento como motor pero de signo

negativo.

• Sin embargo, esta aún toma su corriente de magnetización

de la fuente, ya que es necesaria para crear el campo

rotatorio.


Operación como Generador en un

Sistema Aislado

• En este caso, no existe una fuente que suministre la corriente

de magnetización para el funcionamiento del generador.

• Este problema, se soluciona con la instalación de

condensadores como única fuente externa que suministra la

corriente de magnetización.

• Estos condensadores o el valor de la capacitancia deben ser

cuidadosamente elegidos.


Número de Polos

nº de polos 50 Hz 60 Hz nº de polos 50 Hz 60 Hz

2 3000 3600 16 375 450

4 1500 1800 18 333 400

6 1000 1200 20 300 360

8 750 900 22 272 327

10 600 720 24 250 300

12 500 600 26 231 277

14 428 540 28 214 257


Selección del generador y capacitores

• El arreglo mas conveniente para obtener mayor eficiencia es

la utilización de un motor trifásico con generación monofásica

• En demandas pequeñas de energía por lo general el

suministro de corriente es monofásico.

• Este arreglo se logra con la conexión “C-2C”


Protocolo de pruebas para

recepción de obras en

Microcentrales

Hidroeléctricas


En obras civiles


En el Sistema de Regulación y control hidráulico


En la tubería forzada y regulador de

velocidad de la turbina


En la Turbina


En el equipo electromecánico



Decisiones Costo-Beneficio

• Los costos de un sistema microhidroenergético se ubican dentrode dos grandes categorías: costos de capital y costoscorrientes.

• En resumen, el análisis de costo beneficio es una parteimportante del trabajo de un ingeniero de microhidrogeneración.

• Mantenga registros de cuadros de costos

• Incluya observaciones de costo-beneficio

• Concentre su trabajo donde el potencial de reducción de costossea el más grande

• Concentre su trabajo donde los beneficios sean mas altos.








Documents

Exposicion de Jony Villalobos