Aprendiendo a diseñar pequeñas centrales hidroeléctricas (1ª PARTE)

La generación distribuida elimina costosos sistemas de distribución y de transformación de la energía eléctrica que soportan los sistemas tradicionales. Este es uno de los motivos del auge en la implantación de estos sistemas en todo el mundo.

Aportamos nuevo artículo centrado en la producción de energía hidroeléctrica a pequeña escala y en esta ocasión vamos a centrarnos en la descripción técnica de los equipos que necesitamos para acometer este tipo de proyectos.

Los componentes básicos de un sistema micro-hidro son los siguientes:

Componentes de ingeniería civil

Controlan el agua que pasa a través de la turbina y deben estar diseñados para alcanzar el rendimiento y estabilidad óptima.

Estos trabajos comienzan con una adecuada captación de agua que permita desviarla con seguridad a un canal de cabecera.

Entre los trabajos a desarrollar mencionamos también la colocación de rejillas adecuadas que impidan la entrada de grava o restos vegetales en la esclusa. Las trampas de grava a menudo ofrecen un mecanismo que permite desviar el exceso de agua al río. También se contempla la colocación de un aliviadero diseñado para manejar el agua de las inundaciones y proteger la entrada durante crecidas intensas.

El canal generalmente se construye paralelo al río a partir de una diferencia de elevación, que es la que proporciona la altura al sistema hidroeléctrico. El canal debe estar diseñado para minimizar las pérdidas y puede ser abierto o una tubería.

La represa es en muchas ocasiones la parte más cara del proyecto – tanto como un 40 % es común en instalaciones de elevadas alturas. Es por lo tanto importante optimizar su diseño para minimizar los costes.

La pérdida de carga como consecuencia de la fricción en las tuberías forzadas depende fundamentalmente de la velocidad del agua, rugosidad de la tubería y longitud y diámetro de la tubería. Las pérdidas decrecen sustancialmente conforme aumenta el diámetro de la tubería. A la inversa, los costes de la tubería forzada se incrementan profundamente con el diámetro. Por lo tanto, se requiere alcanzar un compromiso entre costes y rendimiento. La filosofía de diseño es primero identificar las opciones de tuberías forzadas disponibles, seleccionar una pérdida de carga objetivo del 5 o 10 % o menos de la altura bruta, y mantener la longitud tan corta como sea posible. Una tubería forzada puede ahorrar costes de capital, pero el incremento en la pérdida de carga conlleva que disminuya la cantidad de energía generada. En los sistemas más pequeños, la pérdida de carga permitida puede ser tan altas como 33 %.

Varios factores deben considerarse cuando decidimos el material que vamos a usar para una tubería han forzado en particular: presión de diseño, la rugosidad del interior de la tubería, método de unión, peso y facilidad de instalación, accesibilidad al sitio, mantenimiento, condiciones climáticas, disponibilidad, costes relativos y probabilidad del daño estructural. De una tubería viene dada normalmente La calificación de presión de la tubería forzada es crítica porque la tubería debe tener suficiente espesor como para resistir la máxima presión del agua; si no está calculada hay riesgo de rotura. La calificación de presión de una tubería normalmente viene dada en bares o PSI. La tubería es más costosa conforme aumenta su calificación de presión.

Los materiales más habituales usados con las tuberías forzadas son HDPE (polietileno de alta densidad), uPVP (policloruro de vinilo no plastificado) y acero dulce. Si la central está en un lugar muy frío debe contemplarse el riesgo de congelación, y la tubería debe ir enterrada. En general es preferible enterrar la tubería para protegerla de expansiones, animales y árboles cayendo.

Sala de máquinas

Turbinas

Una turbina consiste en un rodete conectado a un eje que convierte la energía del agua cayendo en energía mecánica o energía de un eje. La energía se conecta directamente al generador o se conecta por medio de engranajes o correas y poleas, dependiendo de la velocidad requerida por el generador. La elección de la turbine depende principalmente de la altura y el caudal de diseño para la instalación de energía micro hidroeléctrica. La selección también depende de la velocidad de funcionamiento deseada por el generador. Otras consideraciones tales como si la turbina puede producir bajo caudal parcial también juega un papel importante al elegir la turbina. Todas las turbinas tienden a funcionar más eficientemente a una combinación particular de velocidad, altura y caudal. Para adaptarse a una gran variedad de condiciones de altura y caudal, las turbinas se dividen en cuatro grupos (altura ultra-baja, baja, media y alta).

Dos turbinas comunes para su uso en proyectos micro son las turbinas Pelton y las Turgo. Son turbinas de tipo impulso. Estas turbinas son simples de fabricar, son relativamente baratas y tienen buena eficiencia y fiabilidad. Para ajustarse a las variaciones en el caudal, el flujo de agua en estas turbinas se controla fácilmente cambiando los tamaños de las toberas o usando toberas ajustables. Las turbinas Pelton se usan para sitios con bajos caudales y elevadas alturas.

La otra tipología de turbinas son las de reacción. La mayoría de las turbinas de reacción pequeñas no son fáciles de ajustar para acomodarse al caudal variable, y aquellas que son ajustables son caras por el uso de paletas de guía variable. Una ventaja de las turbinas de reacción es que pueden usar toda la altura disponible  en el sitio. Algunas de estas turbinas se están fabricando tan pequeñas que pueden generar potencia en alturas tan bajas como 1 m.La generación distribuida elimina costosos sistemas de distribución y de transformación de la energía eléctrica que soportan los sistemas tradicionales. Este es uno de los motivos del auge en la implantación de estos sistemas en todo el mundo.

Aportamos nuevo artículo centrado en la producción de energía hidroeléctrica a pequeña escala y en esta ocasión vamos a centrarnos en la descripción técnica de los equipos que necesitamos para acometer este tipo de proyectos.

Los componentes básicos de un sistema micro-hidro son los siguientes:

Componentes de ingeniería civil

Controlan el agua que pasa a través de la turbina y deben estar diseñados para alcanzar el rendimiento y estabilidad óptima.

Estos trabajos comienzan con una adecuada captación de agua que permita desviarla con seguridad a un canal de cabecera.

Entre los trabajos a desarrollar mencionamos también la colocación de rejillas adecuadas que impidan la entrada de grava o restos vegetales en la esclusa. Las trampas de grava a menudo ofrecen un mecanismo que permite desviar el exceso de agua al río. También se contempla la colocación de un aliviadero diseñado para manejar el agua de las inundaciones y proteger la entrada durante crecidas intensas.

El canal generalmente se construye paralelo al río a partir de una diferencia de elevación, que es la que proporciona la altura al sistema hidroeléctrico. El canal debe estar diseñado para minimizar las pérdidas y puede ser abierto o una tubería.

La represa es en muchas ocasiones la parte más cara del proyecto – tanto como un 40 % es común en instalaciones de elevadas alturas. Es por lo tanto importante optimizar su diseño para minimizar los costes.

La pérdida de carga como consecuencia de la fricción en las tuberías forzadas depende fundamentalmente de la velocidad del agua, rugosidad de la tubería y longitud y diámetro de la tubería. Las pérdidas decrecen sustancialmente conforme aumenta el diámetro de la tubería. A la inversa, los costes de la tubería forzada se incrementan profundamente con el diámetro. Por lo tanto, se requiere alcanzar un compromiso entre costes y rendimiento. La filosofía de diseño es primero identificar las opciones de tuberías forzadas disponibles, seleccionar una pérdida de carga objetivo del 5 o 10 % o menos de la altura bruta, y mantener la longitud tan corta como sea posible. Una tubería forzada puede ahorrar costes de capital, pero el incremento en la pérdida de carga conlleva que disminuya la cantidad de energía generada. En los sistemas más pequeños, la pérdida de carga permitida puede ser tan altas como 33 %.

Varios factores deben considerarse cuando decidimos el material que vamos a usar para una tubería han forzado en particular: presión de diseño, la rugosidad del interior de la tubería, método de unión, peso y facilidad de instalación, accesibilidad al sitio, mantenimiento, condiciones climáticas, disponibilidad, costes relativos y probabilidad del daño estructural. De una tubería viene dada normalmente La calificación de presión de la tubería forzada es crítica porque la tubería debe tener suficiente espesor como para resistir la máxima presión del agua; si no está calculada hay riesgo de rotura. La calificación de presión de una tubería normalmente viene dada en bares o PSI. La tubería es más costosa conforme aumenta su calificación de presión.

Los materiales más habituales usados con las tuberías forzadas son HDPE (polietileno de alta densidad), uPVP (policloruro de vinilo no plastificado) y acero dulce. Si la central está en un lugar muy frío debe contemplarse el riesgo de congelación, y la tubería debe ir enterrada. En general es preferible enterrar la tubería para protegerla de expansiones, animales y árboles cayendo.

Sala de máquinas

Turbinas

Una turbina consiste en un rodete conectado a un eje que convierte la energía del agua cayendo en energía mecánica o energía de un eje. La energía se conecta directamente al generador o se conecta por medio de engranajes o correas y poleas, dependiendo de la velocidad requerida por el generador. La elección de la turbine depende principalmente de la altura y el caudal de diseño para la instalación de energía micro hidroeléctrica. La selección también depende de la velocidad de funcionamiento deseada por el generador. Otras consideraciones tales como si la turbina puede producir bajo caudal parcial también juega un papel importante al elegir la turbina. Todas las turbinas tienden a funcionar más eficientemente a una combinación particular de velocidad, altura y caudal. Para adaptarse a una gran variedad de condiciones de altura y caudal, las turbinas se dividen en cuatro grupos (altura ultra-baja, baja, media y alta).

Dos turbinas comunes para su uso en proyectos micro son las turbinas Pelton y las Turgo. Son turbinas de tipo impulso. Estas turbinas son simples de fabricar, son relativamente baratas y tienen buena eficiencia y fiabilidad. Para ajustarse a las variaciones en el caudal, el flujo de agua en estas turbinas se controla fácilmente cambiando los tamaños de las toberas o usando toberas ajustables. Las turbinas Pelton se usan para sitios con bajos caudales y elevadas alturas.

La otra tipología de turbinas son las de reacción. La mayoría de las turbinas de reacción pequeñas no son fáciles de ajustar para acomodarse al caudal variable, y aquellas que son ajustables son caras por el uso de paletas de guía variable. Una ventaja de las turbinas de reacción es que pueden usar toda la altura disponible  en el sitio. Algunas de estas turbinas se están fabricando tan pequeñas que pueden generar potencia en alturas tan bajas como 1 m.

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