Cómo planificar un Mini Proyecto de Energía Hidroeléctrica

Cómo planificar un Mini Proyecto de Energía Hidroeléctrica

Componentes del esquema

La Figura 1 muestra los componentes principales de un esquema de microhidráulica de río. Este tipo de esquema no requiere almacenamiento de agua, sino que desvía parte del agua del río que se canaliza a lo largo del lado de un valle antes de ser «arrojada» a la turbina a través de una boquilla. En la figura 1, la turbina acciona un generador que proporciona electricidad para un taller. La línea de transmisión se puede extender a una aldea local para suministrar energía doméstica para iluminación y otros usos.

Figura 1: Diseño de un esquema microhidráulico típico

Hay varias otras configuraciones que se pueden usar dependiendo de las condiciones topográficas e hidrológicas, pero todas adoptan el mismo principio general.

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Agua en vatios

Para determinar el potencial de potencia del agua que fluye en un río o arroyo, es necesario determinar tanto el caudal del agua como la cabeza a través de la cual se puede hacer caer el agua. El caudal es la cantidad de agua que fluye más allá de un punto en un tiempo dado. Las unidades de caudal típicas son litros por segundo o metros cúbicos por segundo. El cabezal es la altura vertical, en metros, desde la turbina hasta el punto en el que el agua entra en la tubería de admisión o en el conducto de entrada.

La potencia potencial se puede calcular como: P = g * Q * H * feff
Ejemplo: Una ubicación con una altura de 10 metros, flujo de 300 litros / seg (=0,3 m3/s) tendrá una potencia potencial de 15 kW electricidad:
10 m / s2 * 0, 3 m3 / s * 10 m * 0,5 = 15 m5 / s3

= 15m5 / s3 * 1000 kg / m3 (densidad del agua)
= 15000 J/s
= 15000 W
= 15kW

Potencia en kW (P); Caudal en m3 / s (Q); Cabezal en m( H); Constante de gravedad = 9,81 m / s2 (g); Factor de eficiencia (feff) => 0.4 – 0.7 *

*Las turbinas de agua pequeñas rara vez tienen una eficiencia superior al 80%. La eficiencia de los generadores de ~ 90% y la potencia también se perderán en la tubería que transporta el agua a la turbina, debido a las pérdidas por fricción. Una guía aproximada utilizada para sistemas pequeños de unos pocos kW de potencia es tomar la eficiencia general como aproximadamente el 50%. Por lo tanto, la potencia teórica debe multiplicarse por 0,50 para obtener una cifra más realista

Si una máquina funciona en condiciones que no sean de carga completa o flujo completo, se deben considerar otras ineficiencias significativas. Es necesario conocer las características de flujo parcial y carga parcial del equipo para evaluar el rendimiento en estas condiciones. Siempre es preferible hacer funcionar todo el equipo en las condiciones de flujo y carga de diseño nominal, pero no siempre es práctico o posible cuando el flujo del río fluctúa a lo largo del año o cuando los patrones de carga diaria varían considerablemente.

Dependiendo de los requisitos de uso final de la energía generada, la salida del eje de la turbina se puede usar directamente como energía mecánica o la turbina se puede conectar a un generador eléctrico para producir electricidad. Para muchas aplicaciones industriales rurales, la potencia del eje es adecuada

(para procesamiento de alimentos, como molienda o extracción de aceite, aserradero, taller de carpintería, equipos de minería a pequeña escala, etc.).), pero muchas aplicaciones requieren conversión a energía eléctrica. Para aplicaciones domésticas, se prefiere la electricidad.

Esto se puede proporcionar:

• directamente a la casa a través de un pequeño sistema de distribución eléctrica o,
• se puede suministrar por medio de baterías que se devuelven periódicamente a la central eléctrica para su recarga, este sistema es común donde el costo de la electrificación directa es prohibitivo debido a la carcasa dispersa (y, por lo tanto, un sistema de distribución costoso),

Cuando se utiliza un generador, normalmente se produce electricidad de corriente alterna (a.c.). La potencia monofásica es satisfactoria en instalaciones pequeñas de hasta 20 kW, pero más allá de esto, la potencia trifásica se utiliza para reducir las pérdidas de transmisión y para ser adecuada para motores eléctricos más grandes. Una fuente de alimentación de aire acondicionado debe mantenerse a una velocidad constante de 50 o 60 ciclos / segundo para el funcionamiento fiable de cualquier equipo eléctrico que utilice la fuente. Esta frecuencia está determinada por la velocidad de la turbina, que debe regirse con gran precisión.

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Condiciones adecuadas para la generación de energía hidroeléctrica a pequeña escala

Las mejores zonas geográficas para la explotación de la energía hidroeléctrica a pequeña escala son aquellas en las que hay ríos escarpados que fluyen durante todo el año, por ejemplo, las zonas montañosas de países con altas precipitaciones durante todo el año, o las grandes cadenas montañosas y sus estribaciones, como los Andes y el Himalaya. Las islas con climas marinos húmedos, como las Islas del Caribe, Filipinas e Indonesia también son adecuadas. Las turbinas de baja altura se han desarrollado para la explotación a pequeña escala de ríos donde hay una altura pequeña pero un caudal suficiente para proporcionar energía adecuada.

Para evaluar la idoneidad de un sitio potencial, es necesario conocer la hidrología del sitio y llevar a cabo un estudio del sitio para determinar los datos reales de flujo y cabeza. La información hidrológica se puede obtener del departamento de meteorología o de riego, que normalmente administra el gobierno nacional. Estos datos ofrecen una buena imagen general de los patrones de lluvia anuales y las probables fluctuaciones en las precipitaciones y, por lo tanto, de los patrones de flujo. El estudio del sitio proporciona información más detallada de las condiciones del sitio para permitir que se realice el cálculo de la potencia y comience el trabajo de diseño. Los datos de caudal deben recopilarse durante un período de al menos un año completo, siempre que sea posible, a fin de determinar la fluctuación del caudal de los ríos a lo largo de las diversas estaciones. Existen muchos métodos para llevar a cabo mediciones de flujo y cabeza, que se pueden encontrar en los textos pertinentes.

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Turbinas

Una turbina convierte la energía del agua que cae en potencia de eje. Hay varios tipos de turbinas que se pueden clasificar de una de varias maneras. La elección de la turbina dependerá principalmente del cabezal de presión disponible y del flujo de diseño para la instalación hidroeléctrica propuesta. Como se muestra en la tabla 2 a continuación, las turbinas se dividen ampliamente en tres grupos; cabeza alta, media y baja, y en dos categorías: impulso y reacción.

Tabla 2: Clasificación de los tipos de turbinas:

La diferencia entre impulso y reacción se puede explicar simplemente afirmando que las turbinas de impulso convierten la energía cinética de un chorro de agua en aire en movimiento golpeando cubos o palas de turbina; no hay reducción de presión, ya que la presión del agua es atmosférica a ambos lados del impulsor. Las palas de una turbina de reacción, por otro lado, están totalmente sumergidas en el flujo de agua, y el momento angular y lineal del agua se convierte en potencia del eje: la presión del agua que sale del canal se reduce a atmosférica o inferior.

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Factor de carga

El factor de carga es la cantidad de potencia utilizada dividida por la cantidad de potencia disponible si la turbina se utilizara de forma continua. A diferencia de las tecnologías que dependen de fuentes de combustible costosas, el «combustible» para la generación de energía hidroeléctrica es gratuito y, por lo tanto, la planta se vuelve más rentable si se ejecuta durante un alto porcentaje del tiempo. Si la turbina solo se utiliza para iluminación doméstica por las noches, el factor de la planta será muy bajo. Si la turbina proporciona energía para la industria rural durante el día, satisface la demanda doméstica durante la noche y tal vez bombea agua para riego por la noche, el factor de la planta será alto.

Es muy importante garantizar un alto factor vegetal para que el plan sea rentable y esto debe tenerse en cuenta durante la fase de planificación. Muchos sistemas utilizan una carga de descarga (junto con un controlador de carga electrónico, véase más adelante), que es efectivamente una demanda de energía de baja prioridad que puede aceptar energía excedente cuando se produce un exceso, por ejemplo, calentamiento de agua, calentadores de almacenamiento o cocinas de almacenamiento.

Reguladores de control de carga

Las turbinas de agua, como los motores de gasolina o diesel, variarán en velocidad a medida que se aplique o alivie la carga. Aunque no es un gran problema con la maquinaria que utiliza potencia directa del eje, esta variación de velocidad afectará seriamente la frecuencia y la salida de voltaje de un generador. Tradicionalmente, los reguladores de velocidad hidráulicos o mecánicos complejos alteraban el flujo a medida que variaba la carga, pero más recientemente se ha desarrollado un controlador de carga electrónico (ELC) que ha aumentado la simplicidad y la fiabilidad de los conjuntos microhidráulicos modernos. El ELC evita las variaciones de velocidad agregando o restando continuamente una carga artificial, de modo que, en efecto, la turbina funciona permanentemente a plena carga. Otra ventaja es que el ELC no tiene partes móviles, es muy fiable y prácticamente no requiere mantenimiento. El advenimiento del control electrónico de carga ha permitido la introducción de turbinas de chorro múltiple simples y eficientes, que ya no están sobrecargadas por costosos gobernadores hidráulicos.

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