microturbinas_hidroelectricas

8/6/2019 microturbinas_hidroelectricas

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Microturbinas Hidroelctricas

En la Provincia de Misiones, se ha utilizado la energa hidrulica desde la llegada delos inmigrantes europeos en la primera mitad del siglo XX. Estos utilizaban martilloshidrulicos para moler yerba mate y maz, bombas de ariete para instalaciones deagua corriente y riego y ruedas hidrulicas para mover aserraderos y molinos depiedra, con el fin de producir harina de maz.Dichos antecedentes demuestran la capacidad de los cauces de agua que existenen la zona para su aprovechamiento, ya sea para la generacin de energamecnica o de energa elctrica. Cmo se logra esto? Mediante la implementacinde las denominadas microturbinas.La energa hidrulica es una energa renovable, prcticamente gratuita y limpia. Enla produccin de electricidad sustituye a los combustibles de origen fsil y nuclearcon todos los problemas de eliminacin de desechos que traen consigo. No hayforma ms limpia de producir energa elctrica que la basada en la energahidrulica, ya que el agua como combustible no se consume, solo es explotada a

su paso y no empeora su calidad ni se producen emisiones contaminantes.En muchos pases la hidrogeneracin ha sido empleada para disminuir ladeclinacin rural y desarrollar regiones aisladas.

En general cuando se habla de instalaciones hidroelctricas se piensa en grandesemprendimientos, es decir, grandes presas y reservorios, grandes extensiones deagua embalsada; y por supuesto ha habido muchos de tales proyectos en todo elmundo. Pero son otros en una escala ms pequea los que nos ocupan en estetrabajo. Muchos de estos pequeos proyectos son del tipo de pasada, esto es, sondiseados para usar el caudal del ro arroyo tanto como sea posible mediante unadesviacin del total parcial del caudal hacia un canal para dirigirse luego hacia la

turbina por medio de una tubera.


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A travs de este documento, el CEDIT busca brindar al pequeo productorconocimientos bsicos que le permitan:

Medir las caractersticas del curso de agua disponible, para as determinar laconveniencia de instalar una microturbina.

Conocer los sistemas y elementos comnmente utilizados.

Construir en un taller bsico de herrera, una microturbina adecuada a lascondiciones disponibles.

Se debe fomentar el uso de energas renovables como opciones energticas paralas zonas rurales aisladas, y poner particular nfasis en la promocin de lahidroenerga a pequea escala (micro y mini) como una opcin apropiada parafacilitar el acceso de un amplio sector de la poblacin rural a la electricidad


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Qu son las microturbinas?

La turbina es, bsicamente una rueda con paletas, en donde golpea el aguahacindola girar para luego transmitir la fuerza a la aplicacin necesaria. Almencionar micro se quiere decir que se trata de turbinas de pequeo tamao.

Son sistemas simples de construir?

Depende del caso. Las turbinas de poca potencia como la que se describe en esteapartado, pueden construirse en cualquier taller metalrgico, una vez realizados losclculos necesarios para su adecuacin al curso de agua donde ser instalada.Lo ms complejo, y por ende ms caro, es la generacin de energa elctrica, y alltenemos varias opciones:

Como se puede ver en el diagrama, las opciones mas simples y que se describirnseguidamente, son generar en corriente continua (puede utilizarse por ejemplo elalternador de un auto o un dnamo viejo) y consumir directamente lo que se estgenerando, o generar en corriente alterna utilizando un motor elctrico modificado atal efecto, segn veremos ms adelante, para tambin consumir directamente lo quese est generando.En estos dos casos, solamente podremos utilizar la energa generada parailuminacin o para resistencias elctricas, ya que para poder utilizar por ejemploheladeras, motores, o equipos electrnicos como un televisor, se necesitan sistemasde control que tornan muy caro el microemprendimiento.

Qu potencia puedo obtener del agua?

Si el interesado en este tipo de tecnologa se encuentra ubicado cerca de un cursopor donde baja una cantidad importante de agua, seguramente se trata de un buenlugar para la instalacin de una microturbina.

Pero de todas formas, como primer medida, debemos asegurarnos que la potenciaque podemos obtener sea suficiente para el fin que le queremos dar a lamicroturbina , aunque ms no sea para la obtencin de iluminacin elctrica. Porejemplo, si nuestro arroyo nos puede entregar una potencia de 400 W, podremosinstalar 6 focos de 60 W en nuestra casa.

Generar en corriente continua Generar en corriente alterna

Consumir la cantidad quese genera en el momento

Almacenar laenerga en bateras

Convertir de corrientealterna a continua

Consumir lo necesario segnlos artefactos conectados

Consumir lo necesario segnlos artefactos conectados

Consumir laCantidad que se

genera en el

Convertir de corrientecontinua a alterna


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La potencia disponible se puede determinar fcilmente conociendo dos parmetrosdel curso de agua:

Altura: Como mencionamos anteriormente, para disponer de potencia, unacantidad suficiente de agua debe estar disponible a travs de un salto. Ladistancia vertical entre dos puntos de un desnivel se denomina altura,

generalmente medida en metros. Caudal: La cantidad de agua se denomina caudal y es medido en metros cbicos

por segundo (m3/s), o litros por segundo (l/s).

Estos dos parmetros determinan la potencia instalable, mediante la siguientefrmula:

P = 0,6 x H x QH = Altura (en metros)Q = Caudal medio (en lts/seg)P = Potencia generada (en watt)

Generalmente se tiende a sobrestimar el potencial energtico de un recurso hdrico,por lo que se deben siempre realizar mediciones en el lugar que se estime adecuadopara la instalacin de la microturbina.A continuacin, se explican algunos mtodos prcticos para la determinacin enforma aproximada de Q y H en el cauce de agua.

Determinacin del caudal Q

Este valor suele variar en algunas regiones de acuerdo a las estaciones y a otrosfenmenos climticos. Es importante establecer que la medicin del caudal sea

representativa del valor medio.Por tal motivo, para estudiar el comportamiento de los arroyos, es de sumaimportancia la informacin que puedan aportar los pobladores, especialmente laspersonas que han vivido muchos aos en el lugar y que conocen por observacinlos niveles y variaciones en el caudal del arroyo, tanto los valores medios ynormales, como los de perodos de seca y de grandes crecidas. No es lo mismomedir caudales en perodos de poca precipitacin que en los de abundantes lluvias,y ambos valores no son representativos del mdulo, o caudal medio anual,necesario para estimar la potencia disponible.

Mtodo del llenado del tambor:

Se trata de desviar el caudal delcauce y medir el tiempo que tardaen llenarse. Conociendo lacapacidad (V) del tambor en litros yel tiempo (t) empleado, se puedeconocer el caudal de formaaproximada. Lgicamente estemtodo es til en pequeos caucesque puedan desviar su caudal de

una forma sencilla.

( )

( )segt

ltsV

segltsQ =


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Mtodo del verterdero:

Este mtodo fue desarrollado en Misiones por la Facultad de Ingeniera de Ober, yaplicado en los microemprendimientos realizados. Es un mtodo til para arroyos

medianos, de ms de 20 l/s.En primer lugar se ha de buscar un lugar propicio en el arroyo o cauce que se deseamedir. Se colocan unas tablas como dique de modo que se produzca un pequeoremanso, tapando con barro (preferentemente a) las juntas de las tablas, loscostados y por debajo, para evitar fugas. En la parte media de las tablas se ha derealizar previamente a su colocacin, un corte de un metro de largo. Por estagarganta verter el arroyo en forma de cascada. La abertura del vertedero debetener los cortes en forma sesgada, con los bordes agudos en el lado de la corrientearriba, es decir, en el lado en que va a quedar el agua estancada. Se han de colocardos tablas segn las indicaciones de la figura para poder medir la altura delsobreflujo (h) que atraviesa el vertedero.

El caudal Qdel arroyo se obtiene a travs de la tabla de valores adjunta, en funcinde la altura h que se obtiene midiendo la distancia entre el borde inferior delvertedero y el nivel de la superficie del espejo de agua del remanso.


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Mtodo del flotador:

Para ros, acequias, canalizaciones y corrientes de poca velocidad y gran caudal sepuede utilizar este sencillo mtodo.

En primer lugar se debe medir la seccin de cauce, de la siguiente forma: se

recomienda realizar una serie de mediciones como muestra la figura siguiente.Midiendo sus lados con ayuda de unas reglas graduadas, colocadas en la forma queindica la figura, el rea de la seccin mojada del cauce vendr dada por la ecuacin:

( ) ( )

++++=

n

hhhhcmbcmA n

...3212

Luego, se elige una parte del arroyo lo ms uniforme posible y se colocan doscordeles separados una distancia de 10 metros. Se echa un flotador (puede ser unabotella plstica vaca) ms arriba y en el centro del ro, y se mide el tiempo (t) quetarda en pasar la botella entre los cordeles.

b


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El caudal aproximado quedar determinado por:

( )( )segt

cmA

segltsQ

=

1000

75,02

siendo A la seccin del cauce en cm2. Se consigue as el valor de la velocidadsuperficial, es decir, de la capa de agua exterior en contacto con la atmsfera.El coeficiente 0,75 se introduce para corregir la velocidad superficial y aproximarla ala velocidad media, pues tanto en la orilla como en el fondo la velocidad es menor.

Determinacin de la altura H del salto

Tomaremos como altura H la diferencia de altura que existe entre el nivel de lasuperficie del agua y el nivel de la salida de agua de la turbina..Una manera rudimentaria para medir la altura, es utilizando dos elementos: un nivelde albail para fijar el plano horizontal y una caa o vara de cuatro o cinco metros de

largo, en cuya punta se atar un pao rojo para facilitar la visualizacin (ver Figuraanexa).

Por medio de sucesivas mediciones parciales, se llega a valores aceptables comopara tener una estimacin ms real de la altura del salto.

La Turbina

El elemento que transforma la energa contenida en el agua a la energa que esrequerida, ya sea para mover un generador elctrico o para accionar algunaherramienta, bomba de agua, etc.El tipo ms adecuado para las caractersticas de los pequeos arroyos de la zona esel diseo denominado Michell-Banki, por el nombre de sus inventores. Este tipo deturbinas posee un buen funcionamiento con caudales de 20 a 9000 l/s y cadas de 1a 200 mts.Diseos de este tipo se encuentran funcionando correctamente en losemprendimientos desarrollados por la Facultad de Ingeniera de Ober.

A continuacin y antes de entrar en el diseo de un modelo apropiado, obsrvenselas partes constitutivas de un modelo de fabricacin comercial. Consta de muchoselementos optimizados, pero en la fabricacin apropiada se utilizarn losestrictamente necesarios.


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Descripcin de una turbina Michell-Banki:

Una vez que el agua hace su entrada, la pala directriz mvil, o distribuidor, regula lacantidad de fluido que penetra en el interior, segn gire sobre su eje, habilitando unaentrada mayor o menor. Adems se encarga de direccionar el flujo para el aguaincida sobre el rodete, sobre los primeros labes o paletas que encuentra en sucamino, propiciando as el giro del mismo. Una vez atravesados estos labes, elfluido contina su camino en el interior y reincide sobre los labes inferiores,ayudando al giro.El rodete consta de dos o ms discos paralelos, entre los que se montan, cerca delborde, unas laminas curvadas que hacen el papel de alabes, por lo que suconstruccin artesanal es factible, aunque naturalmente nunca alcanzarn losrendimientos de las unidades construidas con los medios tcnicos adecuados.Un aspecto muy atractivo derivado de la constitucin de la mquina y su forma defuncionamiento consiste en que el follaje, hierbas, lodos, etc. que durante la entradadel agua se quedan entre los labes, vuelven a ser expulsados despus de medio

giro del rodete con el agua de salida por el efecto de la fuerza centrfuga. De estemodo el rodete tiene un funcionamiento poco sensible a elementos no deseados,que es una de las ventajas que posee respecto a otras turbinas.Los rulemanes de las turbinas son del tipo de rodillos. Es importante que a la horade disear la carcasa se tenga muy en cuenta el aspecto de aislamiento de losrodamientos respecto al paso del agua. Por ello la carcasa est preparada conalojamientos y un sistema de prensaestopas que evita las fugas de forma eficiente.Excepto el cambio anual de grasa, los cojinetes no requieren ningn trabajo deconservacin.Obsrvese que la simplicidad de este diseo permite una realizacin apropiada delmismo. El elemento principal, el rodete, consta de un par (o ms) discos en los que

se sueldan los labes, que son de curvatura lineal. Tanto el rodete como el ingresode agua se pueden fabricar con lminas de acero soldadas requiriendo herramientasy tcnicas de armado simples, con lo que cualquier taller agrcola podra hacer frentea su construccin.


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La forma de instalacin puede adoptar dos disposiciones: Entrada horizontal deagua o entrada vertical del agua:

Proceso de fabricacin:

La turbina Michell-Banki puede construirse con materiales de desecho, comoplanchuelas, planchas y tuberas de acero, y de una manera sencilla si se dispone

de un taller suficientemente equipado. En cualquier caso se debe proceder segn elmaterial utilizado, la disponibilidad de un taller con ms o menos medios, y laexperiencia de los trabajadores.A continuacin se dar una gua de los procedimientos y mtodos que se puedenemplear para la fabricacin de la turbina.El rodete de la turbina de flujo cruzado est compuesto de dos placas lateralescirculares entre las que se intercalan el eje y los labes, que suelen ser numerosos,generalmente ms de 18.

Las placas laterales se cortan en forma circular. Si se utiliza el corte acetilnicomanual, para conseguir dicha forma ser necesaria la utilizacin de pivotes yaparejos. Seguir la forma curva exterior manualmente es bastante complicado.

Boca de entrada de chapa

Alabes

Cubo para el eje

Placa lateral


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Los labes se fabrican tomando secciones de tubos de acero. En primer lugar sehace un corte al tubo, creando tramos de tubo con la longitud deseada (el ancho dela turbina) y posteriormente se realiza el corte longitudinal de los labes, de maneraque se perfilen con una seccin circular de un ngulo aproximado a 72.

CORTAR

Preparacin de los labes

La entrada de la turbina, est hecha a base de placas (lminas) de acero. All se hade instalar una vlvula de entrada, que cumplira en cierta medida la funcin de la

pala directriz, ya que su fabricacin puede ser complicada. Su misin es regular lacantidad de agua de entrada, y con ello la velocidad de rotacin. Puede utilizarsealgn tipo de vlvula para tubera cerrada, mientras no sea una vlvula de asiento,pues esta genera mucha prdida de carga.Tambin se debe tener una vlvula de vaciado de carcasa, con el fin de eliminar losrestos de agua que puedan quedar antes de la realizacin de una operacin demantenimiento.Una vez que se tienen las piezas se procede al montaje. En principio la unin de loslabes se puede realizar de dos formas diferentes.Se puede optar por la soldadura directa de los labes a la placa lateral. Ello llevaasociada la necesidad de plantillas para facilitar el correcto posicionamiento. A la

vez, ser necesario el uso de aparejos que proporcionen la sujecin en formaalineada de las piezas durante la soldadura. Se puede reducir en gran medida estadificultad de montaje realizando ranuras o bien muescas en las placas laterales enlas que encajen los labes. Ello lleva un mayor esfuerzo en la preparacin y creacinde dichas ranuras curvas, pero es compensado por facilitar los registros de laspiezas durante el montaje y soldadura. En el caso de que se opte por realizarranuras, la soldadura puede ser externa, facilitando mucho el montaje.Antes de proceder a la soldadura se ha de comprobar que los labes no estndeformados, y una vez encajados en las placas, comprobar la perpendicularidadmediante una escuadra.Tras el montaje se debe proceder al equilibrado de la turbina. Se colocan los

soportes de giro con los rodamientos y cojinetes, tal y como quedara el montaje finaly se procede a girar manualmente la turbina dejndola deslizar. Si existe un defectoen el equilibrado, se ir parando, y al final habr un vaivn, un balanceo.Con el fin de asegurar si realmente est desequilibrado, se ha de repetir variasveces la prueba, marcando el lugar final en el que queda estacionada la rueda.La parte que queda inferior est ms cargada que la superior. Para equilibrar sedebe aadir masa en la placa lateral en la parte que qued arriba. Por medio deimanes de diferentes tamaos se puede aproximar de forma muy cmoda lacantidad de masa a aadir. Posteriormente slo ser necesario pesar los imanesaadidos y soldar ese mismo peso a las placas.Con esto se soluciona el equilibrado esttico. El equilibrado dinmico, no se puederealizar sin equipamiento adecuado, por lo que se deber trabajar en formaexperimental.


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Clculos para la fabricacin:Una vez presentado el mtodo de fabricacin, se deben determinar los tamaos decada elemento con el fin de satisfacer una determinada demanda. De aqu enadelante se describe una propuesta concreta de realizacin con los clculospertinentes de dimensiones.Para el diseo se recomienda utilizar una turbina de 30 cm de dimetro exterior ya

que este dimetro resulta adecuado para la mayora de saltos.Si se expresa la altura del salto (H) y el dimetro exterior (DR) en metros, lavelocidad de rotacin en r.p.m. de la turbina (n) viene dada por la siguienteexpresin:

RD

Hn

=

39

Podemos hacer la multiplicacin hacia el generador, que aproximadamente debegirar a 1500 rpm (segn se determine dependiendo del tipo de generador) por medio

de correas trapezoidales, una caja de cambios de moto, etc.El ancho de la turbina (b) se determinar en funcin de las rpm calculadas, el caudalQ en m3/seg (1 m3 = 1000 litros) y la altura H en metros, segn la siguiente frmula:

H

Qnb

=

036,0

Para casos de pequea potencia (1 o 2 kW) el rotor se puede construir con placaslaterales de 3 mm de espesor, con cubos de refuerzo para el eje unidos mediantesoldadura. El rotor lleva de 18 a 24 labes tambin de 3 mm de espesor.Los labes de esta turbina se pueden fabricar con tubos de acero de 10 cms de

dimetro, teniendo cada uno una seccin de 72 como fue indicado anteriormente.

Instalacin:

A continuacin se presentan dos posibilidades de instalacin para la toma de aguacuando se tiene una altura muy baja:

Con una pequea represa Con canal lateral


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En el caso de mayores alturas de salto, es conveniente derivar el agua mediante unatubera forzada.


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Generacin de electricidad

En este punto, como se ha visto antes, existen varias opciones y la solucin estarestrechamente relacionada con los recursos disponibles.

Como se ha adelantado, alimentar la energa necesaria para cargas variables dentro

de una casa, como puede ser la heladera, luces que se prenden y apagan oartefactos electrnicos no es una cuestin simple de lograr.

Esto es as porque al aumentar la carga elctrica conectada al generador, la turbinase frena, por lo que hay que hacer ingresar ms agua a la misma de forma quemantenga constante su velocidad, para mantener constante el voltaje y la frecuenciagenerada segn los requerimientos de la instalacin. Lo inverso ocurre al disminuirel consumo elctrico de la instalacin. De tal forma, para estos casos se requiere deun control, ya sea electrnico o mecnico, que permita mantener constante lavelocidad de la turbina, regulando la entrada de agua a la misma. Todo esto,incrementa apreciablemente los costos de la instalacin, disminuyendo as la

conveniencia de la misma.

Por tal motivo, se consideran las dos opciones ms simples.

Generacin en Corriente Continua

El sistema ms econmico, por no requerir de elementos auxiliares ni ser muycomplicada su instalacin, puede ser utilizar un alternador de automvil, generandoen 12 Volts y cargar bateras para luego alimentar focos de auto instalados enlugares convenientes de la casa.

Si utilizamos esta opcin deberemos asegurarnos que el alternador posea suregulador de voltaje y que gire a una velocidad suficiente para obtener la tensinadecuada. Una buena velocidad es 1500 rpm. Para lograr esta velocidad podemostrabajar con los dimetros de las poleas que conectan el eje de la turbina con el ejedel alternador. Primero calculamos la velocidad de giro de la turbina segn laformula escrita anteriormente. Supongamos que nos da 250 rpm, para que elalternador gire a 1500 rpm, la polea de la turbina debe ser 6 veces ms grande en

dimetro que la del alternador ( 62501500 = Se pueden agregar segn la disponibilidad de recursos, medidores de voltaje,indicador de carga, etc.

Vlvula de cierre

Cuerpo de turbina

Alternador


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Generacin en Corriente Alterna

Tambin se puede generar de manera simple en corriente alterna, pero solamentepara iluminacin, utilizando como generador un motor elctrico monofsico otrifsico.

Para esto se deben utilizar los motores denominados de jaula de ardilla que son losmotores que comnmente se encuentran en los artefactos como lavarropas, bombasde agua, ventiladores, etc.

Cmo se modifica un motor para utilizarlo como generador?

No es necesario realizar ninguna modificacin interna, solamente se realiza unconexionado exterior, conectando capacitores en paralelo con los bornes del motorcomo se muestra a continuacin.

Los capacitores deben ser del tipo utilizado para correccin del factor de potencia, yno los denominados capacitores de arranque de motores. El valor de los mismos(que se mide en microfaradios) depender del tipo y potencia del motor a utilizar, porlo que en este punto se requiere un poco de experimentacin. Variando el valor de elo los capacitores tendremos una variacin del voltaje generado. Como reglaemprica podemos tomar que para un motor de 1 CV de potencia o menos, sern

necesarios alrededor de 200 F (microfaradios) para obtener 220 V, pero se debernrealizar pruebas hasta hallar el valor adecuado para el motor seleccionado.Se debe tener en cuenta que los capacitores soporten adems el voltaje degeneracin, para que no se quemen.

El generador deber funcionar a una velocidad un poco mayor que la especificada

en la placa identificatoria del motor. Por ejemplo, si el motor es de 1500 rpm, altrabajar como generador debe hacrselo girar a unas 1600 rpm. Esto se logramodificando la relacin de poleas entre turbina y generador, como se ha explicadoanteriormente.

En este caso, como se trabaja con un nivel de tensin mas alto y peligroso, sedeben instalar los elementos de proteccin adecuados (fusibles o interruptorestermomagnticos).

CargaMotor utilizadocomo generador

Capacitores

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