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Bombas como turbinas (PAT)
Durante
muchos años ha habido interés en bombas convencionales que mediante ingeniería
inversa pueden trabajar como turbinas hidráulicas. La acción de una bomba
centrífuga opera como una turbina de agua cuando funciona a la inversa. Debido
a que las bombas se producen en masa, son más fácilmente disponibles y menos
caras que las turbinas. Se estima que el coste de una bomba trabajando como
turbina es al menos un 50 % menos costosa que una turbina equivalente. Sin
embargo, para obtener un rendimiento adecuado, una micro central hidroeléctrica
debe tener altura y caudal bastante constantes debido a que una bomba
trabajando como turbina tiene una eficiencia muy pobre trabajando con eficiencia
de caudal parcial. Es posible obtener una mayor eficiencia instalando unidades
múltiples, las cuales pueden encenderse o apagarse dependiendo de la
disponibilidad de agua.
Ruedas de agua
Las ruedas
de agua son el medio tradicional de convertir energía útil del agua fluyendo y
cayendo en energía eléctrica. Aunque no
tan eficientes como las turbinas, todavía son una opción viable para producir
electricidad para propósitos domésticos. Son simples de controlar, se prestan a hacerlas uno mismo y son
estéticamente agradables. La mayor desventaja es que se mueven con relativa
lentitud y requieren cajas de engranajes de alta relación u otros medios para
incrementar la velocidad si están conectadas a un generador. Estos equipos son
apropiados para potencias inferiores a 5 kW y alturas inferiores a 3 m.
Eficiencia de la turbina
Las
eficiencias típicas de las turbinas van del 65 al 95 %. Las turbinas se eligen
de acuerdo con las condiciones del sitio, y seleccionar la turbina correcta es
una de las partes más importantes de diseñar un sistema micro-hidro. La pericia
del ingeniero proyectista está en elegir la turbina más efectiva para una
aplicación tomando en consideración costes, variación en altura, variaciones en
el caudal, cantidad de sedimento en el agua y fiabilidad total de la turbina.
Selección de generadores
Los
generadores convierten la energía mecánica (rotativa) producida por la turbina
en energía eléctrica. Este es el corazón de cualquier sistema de
aprovechamiento hidroeléctrico. El principio de la operación del generador es
bastante simple: cuando una bobina se mueve a través de un campo magnético, se
induce un voltaje en los conductores. A los generadores de corriente alterna
(AC) también se les denomina alternadores. Generan voltajes variables, que
alternan por encima y por debajo del punto de voltaje cero. Mediante este
proceso se produce electricidad AC. Este mismo principio se usa en todos los
generadores eléctricos, desde las pequeñas plantas hidroeléctricas a los
alternadores de las plantas nucleares. La velocidad variará dependiendo del
tipo de generador utilizado.
Hay dos tipos
de generadores: síncronos y asíncronos. Los generadores síncronos son estándar
en la generación de energía eléctrica y se usan en la mayoría de las plantas de
generación. Os generadores asíncronos son más conocidos como generadores de
inducción. Ambos tipos de generadores están disponibles en sistemas trifásicos
o monofásicos. La capacidad del sistema, tipo de carga y longitud de la red de
transmisión/distribución dicta si debemos usar un generador o monofásico o
trifásico.
Los
generadores de inducción son generalmente apropiados para los sistemas más
pequeños. Tiene la ventaja de ser más robustos y baratos los generadores
síncronos. Generador de inducción es un motor de inducción en fase con
standard, configurado para operar como un generador. Se usan condensadores para
la excitación y son populares para los sistemas más pequeños que generan menos
de 10 a 15 kW.
Todos los
generadores deben trabajar a una velocidad constante para generar una energía
estable a la frecuencia 50/60 Hz. El número de polos en el generador determina
la velocidad, comúnmente indicada en r.p.m. Cuanto más aumentan las parejas de
polos, más baja la velocidad. El generador de dos polos con una velocidad de
3600 r.p.m., demasiado alta para un sistema micro hidroeléctrico. El generador
comúnmente usado es el de 1800 r.p.m. El coste de un generador es más o menos
inversamente proporcional a la velocidad; a velocidades más bajas se necesitan
carcasas de mayor tamaño para una producción equivalente. Por ese motivo, los
generadores que operan a menos de 1200 r.p.m. son costosos y demasiado grandes.
Para comprar la velocidad del generador a la velocidad más baja de la turbina,
puede necesitar se una correa y/o una caja de engranajes.
La energía
eléctrica puede generarse en corriente alterna AC o en corriente continua DC.
AC tiene la ventaja de permitir el uso de aparatos eléctricos comunes y es
mucho más económica la transmisión de energía. La corriente continua DC puede
usarse directamente o convertirse en AC a través de un inversor. La principal
ventaja de DC es que permite que la almacenamiento en baterías. Para almacenar
en DC se usan generadores especialmente diseñados para ello. Si no podemos
consumir toda la energía generada el uso de baterías posibilita el almacenamiento
e incluso conseguir absorber picos de demanda para los que la mini central no
tendría capacidad.
Eficiencia del generador
La
eficiencia a plena carga del generador síncrono varía entre el 75 y el 90 %,
dependiendo del tamaño del generador. Los generadores más grandes son más
eficientes, y los generadores trifásicos son generalmente más eficientes que
los monofásicos. La eficiencia se reducirá en unos puntos porcentuales cuando
se usen en carga parcial (por ejemplo al 50 % de la carga. Los generadores DC
de magnetismo permanente tienen eficiencias superiores al 80% a plena carga. Es
crucial tener en cuenta estas cifras cuando se selecciona un generador debido a
que la eficiencia total del sistema quedará afectada.
Hay otros
factores a considerar cuando se selecciona un generador para el sistema, tales
como la capacidad del sistema, tipos de cargas, disponibilidad de piezas de
repuestos, regulación de voltaje y costes. Si las porciones más altas de las
cargas son inductivas, tales como motores o iluminación fluorescente, un
generador síncrono será mejor que un generador de inducción. Los generadores de
inducción en aplicaciones estacionarias no pueden suministrar los altos picos
de potencia requeridos por las cargas del motor durante el arranque.
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