Aprendiendo a diseñar pequeñas centrales hidroeléctricas (2ª PARTE)

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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.

PATs son más eficientes en el rango de 13 a 75 m de altura bruta. En las alturas mayores, el coste por kW es menor; este generalmente es el caso con todas las turbinas.

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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