Aprendiendo a diseñar pequeñas centrales hidroeléctricas (3ª PARTE)

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Sistemas de transmisión

Para poder generar electricidad de forma estable en voltaje y frecuencia, el sistema de transmisión necesita transmitir potencia desde la turbina al eje del generador en la dirección requerida y a la velocidad requerida. Los sistemas de transmisión típicos en las micro hidroeléctricas son los siguientes:

• Transmisión directa: Un sistema de transmisión directa es aquel en el que el eje de la turbina se conecta directamente al eje del generador. Los sistemas de transmisión directa se usan solamente para los casos donde la velocidad del eje del eje del generador y la velocidad de la turbina son compatibles. Las ventajas de este tipo de sistema son un bajo mantenimiento, alta eficiencia y bajo coste.
• Poleas y correas en V o cuña: (“V” or wedge belts and pulley)  Esta es la elección más común en los sistemas micro hidroeléctricos. Las correas de este tipo se usan ampliamente en todo tipo de pequeñas industrias y maquinarias.
• Correas de distribución y poleas dentadas: (Timing belt and sprocket pulley) Estas transmisiones se usan comúnmente en las transmisiones por árbol de levas de los vehículos y usan poleas y correas dentadas. Son eficientes y su funcionamiento es limpio y es interesante considerarlas especialmente para su uso en transmisiones de sistemas pequeños (menos de 3 kW) donde la eficiencia es crítica.
• Cajas de engranaje: Las cajas de engranaje se usan con las máquinas más grandes donde las transmisiones con correas serán demasiado pesadas e ineficientes. Las cajas de engranaje dan problemas de especificación, alineación, mantenimiento y coste, y esto las excluye de los sistemas micro excepto si se especifican como parte del conjunto generador-turbina.

Controladores de carga electrónicos

Las turbinas de agua, como ocurre con los motores diesel o gasolina, variarán en velocidad cuando se aplican o desconectan las cargas. Aunque no es un gran problema con máquinas que usan energía de eje directo, esta variación de velocidad afectará seriamente a la salida de voltaje y frecuencia del generador. Esto puede dañar al generador sobrecargándolo debido a la alta demanda de potencia y sobre-velocidad bajo condiciones de carga ligeras o sin carga. Tradicionalmente se han usado reguladores de velocidad hidráulicos o mecánicos complejos o costosos similares a los de los grandes sistemas hidro para regular el caudal de agua en la turbina cuando varía la demanda de carga. Pero en los últimos años se han desarrollado controladores de carga electrónicos (ELCs) que incrementan la simplicidad y fiabilidad de los sistemas microhidroeléctricos modernos.

Un ELC es un dispositivo de estado sólido diseñado para regular la salida de energía de un sistema micro hidro. Manteniendo una carga constante en la turbina se genera una frecuencia de voltaje estable. El controlador se compensa por variaciones en la carga principal variando automáticamente la cantidad de energía disipada en una carga resistiva, generalmente conocida como balasto, para mantener constante la carga total en el generador y la turbina. Un ELC constantemente siente y regula la frecuencia generada. La frecuencia es directamente proporcional a la velocidad de la turbina.

En los generadores síncronos no se requiere control de voltaje porque ya tienen un regulador de voltaje automático integrado. Sin un ELC, la frecuencia variaría cuando cambia la carga y sin carga sería mucho mayor que la frecuencia nominal. ELCs reaccionan tan rápido a los cambios de carga que los cambios de velocidad no son ni siquiera observables a menos que se apliquen cargas muy grandes. El principal beneficio de ELCs es que no tienen partes móviles, son fiables y virtualmente libres de mantenimiento. La llegada de los ELCs ha permitido la introducción de turbinas multi chorro simples y eficientes para los sistemas micro hidráulicos que no requieren el gobierno de los costosos sistemas hidráulicos.

ELCs pueden también utilizarse como sistemas de gestión de carga asignando una carga secundaria prioriza la predeterminada, tales como calentar agua, calentar espacios u otras cargas. De esta forma, puede usarse la energía disponible para otras alternativas en vez de tirar la en un balasto. Esto puede usarse para conectar cargas por secuencia de prioridad y podemos así controlar las cargas que sean cuatro o cinco veces superiores a la producción del sistema micro.

Hay varios tipos de ELC en el mercado que puedan regular sistemas tan pequeños como 1 kW o 100 kW. La elección del controlador depende del tipo de generador que utilicemos. ELCs son convenientes para generadores síncronos. Si tenemos un generador de inducción, necesitaríamos un controlador de generador de inducción (induction generator controller o IGC).  El trabajo con IGCs sigue un principio similar al usado por ELCs, pero un IGC controla el voltaje generado y desvía la energía sobrante a la carga.

Otros tipos de controladores se están introduciendo en el mercado basándose en principios similares. Por ejemplo, los controladores de carga inteligente distribuida (distributed intelligent load controllers DILCs), que distribuyen la corriente a varias cargas o al sistema de distribución. DILCs se conectan directamente a los aparatos para aplicaciones de refrigeración, calentamiento de espacio o calentamiento de agua en una secuencia priorizada. Detectan la frecuencia y el voltaje del sistema de generación y conmutan las cargas en consecuencia, sin riesgo de sobrecargar el sistema de generación. DILCS pueden usarse con otros controladores tales como ELC e IGC como parte de una solución de gestión de cargas o pueden usarse para desplazar completamente los controladores.

Debemos tener cuidado porque estos controladores pueden causar algún tipo de interferencia en la frecuencia de radio. Estos controladores se suministran usualmente con carcasas resistentes al agua que pueden contener medidores eléctricos, dispositivos de protección de seguridad e interruptores.

Bibliografía: Micro-Hydropower systems. A Buyer´s Guide. Natural Resources Canada

Palabras clave: pump-as-turbine, electronic load controller (ELC)