| Electricidad ENTREGA 1 Regulador electrónico para microturbina hidráulica Elaborado Por: Ing. Walter González El agua como recurso - El desarrollo en áreas rurales Desde tiempos remotos se utiliza la energía del agua para lograr trabajos mecánicos continuos. Esto ha sido fruto del ingenio aplicado por grupos de personas que buscaron potenciar tareas relacionadas a la obtención de alimentos, generando a la vez un desarrollo tecnológico y social para el entorno, motivado por el incremento de materias elaboradas. Aún en nuestros días, este tipo de aprovechamientos pesa en la evolución social y económica de un grupo de pobladores de manera significativa. Desde el punto de vista de la política de un país, como promoción sociocultural de sus habitantes, los programas de crecimiento para áreas de población rural juegan un papel relacionado al tema. En ellos se destinan fondos para la producción y/o el desarrollo social, con el objetivo de mejorar la calidad de vida y obtener mejores recursos en las áreas rurales. Esto incluye contemplar inversiones para instalación de centrales de energía, las cuales son necesarias para llevar adelante otros proyectos productivos. otras). En ellas se han fomentado numerosos tratados y experiencias sobre microcentrales hidráulicas. En los países en vías de desarrollo existen dos tercios del potencial energético hidroeléctrico no explotado del mundo, por ello abundan grupos a nivel nacional e internacional trabajando sobre el tema. A lo largo de años de trabajo estudiados, se sabe que un mismo recurso puede resultar en un buen aprovechamiento o pésimo, según se pueda determinar el mismo con criterios no sólo tecnológicos, sino también sociales y geográficos. El enfoque tecnológico de estos proyectos puede ser clásico o de alternativa. Un enfoque clásico se basa en la maximización del recurso para extraer la mayor cantidad de energía posible, haciendo exclusiva la rentabilidad a la amortización de las partes en función de la venta de la energía obtenida. Para el caso de pequeños aprovechamientos, esto deriva en proyectos complejos o costosos, relativos al uso final y fracasan sistemáticamente si los destinatarios no tienen protagonismo en la gestación, aunque sea en parte. a los pobladores y se les brinda herramientas para tener autonomía operativa, con capacitación desde quien brinda el proyecto inicial. Desde el inicio, debe realizarse el diagnóstico socio económico de los destinatarios, previo a la evaluación técnica, como en cualquier estudio de mercado. Debe existir también un seguimiento de resultados, mientras se integra el nuevo proyecto en la comunidad, considerando que esto puede generar cambios de adaptación tanto técnicos como económicos. Otro obstáculo al momento de implementar y difundir estas pequeñas instalaciones energéticas es el costo, determinado por tres factores principales. Ubicación geográfica La distancia entre el centro de carga y la central no debe ser grande, ya que puede añadir entre un 30 y 40% de capital al proyecto. Con frecuencia las centrales construidas sobre estudios de viabilidad técnica prometedores, resultan antieconómicas debido a la escasez de la demanda. Los usos finales Existen numerosas instituciones internacionales que promueven el desarrollo tecnológico (ITDG Grupo de Desarrollo de Tecnología Intermedia, GEF Facilidades para el Medio Ambiente Global, OLADE Organización Latinoamericana de Energía, CEPAL Comisión Económica para Latinoamérica y el Caribe pertenece a la ONU y 12 | El enfoque de alternativa se basa en la atención de la necesidad mínima con menos esfuerzo y costo, a costa de un menor rendimiento en el sistema. Se busca robustez, sencillez en la operación y en lo posible, los materiales deben ser de fácil reposición. En este caso, el desarrollo tiene buenas posibilidades si además se participa Si la central se destina a uso de alumbrado o consumo doméstico, la inversión será difícil de amortizar. Mejor es darle un destino productivo a la energía, asociándolo al desarrollo de pequeñas industrias locales (procesar la materia prima del lugar). Un proceso productivo implica continua disponibilidad de la energía, esto exige al equipamien- | Electricidad to tener mayor robustez, fácil mantenimiento y localización de repuestos. Esto no necesariamente sube costos. La producción desarrolla la demanda doméstica del lugar, dando mejor rentabilidad al proyecto y más beneficios al grupo humano. La proyección y expansión El proyecto será más rentable cuando más experiencia haya acumulado para poder ser aplicado a otros lugares con necesidades semejantes. Por lo tanto, se valorizará la normalización de partes, diseños, y procedimientos de fabricación. Se puede realizar un fraccionamiento del proyecto de microcentral en módulos sucesivos, a fin de arriesgar menor inversión inicial y ampliando las instalaciones en función del paulatino aumento de la demanda. Microcentrales - Aspectos prácticos de diseño La expresión general del potencial hidráulico disponible para un tramo de un curso de agua, puede expresarse como: Figura 1. Esquema de un aprovechamiento y pérdidas de energía Turbinas de Acción En estas máquinas, el giro es producido por el impacto del agua sobre el elemento rotacional o rodete (rueda con un determinado número de elementos transversales o álabes). El agua, a presión dentro de la tubería, es proyectada e impacta en un punto apropiado, a fin de inducir movimiento a la rueda de álabes. Para encausar el agua, tienen una boquilla o inyector que según el tipo de turbina es de sección circular (Pelton, Turgo) o rectangular (MichellBanki o ruedas de gravedad). Turbinas de reacción Considerando el rendimiento del sistema en forma práctica (figura 1). Existen diferentes tipos de turbinas, pero obedecen a dos principios de funcionamiento: 14 | En ellas, el rodete posee un perfil hidrodinámico apropiado y es atravesado por el flujo de agua bajo presión, que le induce el giro como reacción al paso. El campo de velocidad del agua es conformado mediante un distribui- dor, transmitiendo el giro de manera más eficiente. El agua es restituida al cauce a través de un tubo sumergido en el canal de salida (tubo de aspiración), con presión distinta a la atmosférica. Esto crea un efecto de succión y, eleva el rendimiento. Solicitan bajos saltos o grandes caudales, ya que se extrae la cantidad de movimiento de la masa de agua. Son más costosas pero dan rendimientos excelentes. Pertenecen a esta clasificación turbinas Francis, Kaplan, Hélice, Bulbo, S, axiales. El diagrama muestra los rangos de caudal y salto apropiados para cada tipo de microturbina. Luego hay que tener en cuenta la fabricación de la máquina y la obra que necesita, sacrificando puntos de rendimiento equivalentes a sólo algunos watts adicionales. Electricidad | | 15 | Electricidad El rodete, es la pieza clave en el rendimiento y en la robustez de la turbina. Su diámetro determina la velocidad de giro. Conviene asesorase respecto de la tecnología del material a utilizar (acero inoxidable), y del proceso de elaboración de alabes (fundición y maquinados). Los esfuerzos sobre los alabes son fuerza de impacto, torsión y fatiga, ya que el empuje en ca- da uno será pulsante. Iguales cuidados necesita el inyector o distribuidor y si la máquina posee control de caudal, habrá un importante costo necesario para dar movimiento al sistema. Turbina Michell Banki (de acción): El eje, debe tener el diámetro y material adecuados para soportar la torsión y las vibraciones, según la longitud del árbol de rotación. El balanceo del conjunto es crucial para evitar daños en los rodamientos: a mayor número de revoluciones éste se torna más sensible, aunque se evita el costo y las pérdidas de un sistema de transmisión. También llamada de flujo cruzado. Este modelo es el que más se utiliza en pequeños aprovechamientos. Su facilidad de construcción y amplitud de la curva de eficiencia la hacen adaptar satisfactoriamente a situaciones variadas. La carcaza en turbinas de reacción debe trabajar bajo presión y acompañar al encauce del flujo de agua. Son más caras que en las turbinas de acción. Es común que se presenten filtraciones en los sellos, en la bulonería o las soldaduras si no están bien hechas. Si bien esto no afecta al funcionamiento, mantiene agua o humedad en la sala de máquinas, con consecuentes problemas en el generador, tableros, incluso en las terminaciones del edificio, por precario que sea. Los rodamientos Sus fallas pueden causar serios pro- Característica de la turbina Turbina Hélice (de reacción) Es similar a la turbina Kaplan pero su distribuidor es fijo. Esta variedad es de construcción muy compleja ya que el paso de hélice se regula por medio de un accionamiento en el interior de eje. El modelo Kaplan cuenta además con distribuidor de alabes móviles (denominado Fink), lo que le otorga doble regulación, y una excelente adaptación a variedad de caudales con muy buenos rendimientos, aunque también a altos costos. 16 | blemas al eje. Para su selección debe mantenerse el equilibrio entre el régimen de velocidad con las fuerzas o presiones de empuje (radial o axial, según el caso) por un lado, y el tipo de lubricante o refrigerante a utilizar por otro. En el cuadro se presenta un resumen que permite comparar los tipos de máquina, más allá de su rendimiento. Se puede concluir que habrá una máquina conveniente para cada situación. El modelo Banki es el más utilizado por su adaptación a mayor disponibilidad de salto y caudal. Algunos fabricantes han logrado estandarizar otros modelos, reduciendo la brecha de costos, en los rangos de trabajo de su aplicación. Para pequeños aprovechamientos hidráulicos Desventajas Ventajas De ACCION en general Reducida posibilidad de cavitación. Buen rendimiento en cargas parciales Bajos picos de eficiencia comparadas con las de REACCION. Las turbinas deben operar sobre el nivel de restitución. Banki Amplio margen de velocidad de diseño, sólo variando el ancho. Eficiencia entre el 70% y el 80% son más bajos que los de las Pelton, Francias y Turgo. Pelton Los daños por erosión son fácilmente reparables. Requiere múltiples inyectores para caudales grandes. Rango de aplicación similar al de las Pelton con múltiple inyector. Diseños más compactos para igual potencia nominal. Altos picos de rendimiento. El uso del tubo de aspiración permite mejor aprovechamiento del recurso. Fabricación estandarizada por varios fabricantes. Las axiales ofrecen ventajas cuando se aplican a presas existentes Bajo costo y amplio stock Grandes cargas axiales sobre los cojinetes. Turgo De REACCION en general Francis Kaplan, Hélice, Axiales Bombas utilizadas como turbinas Requiere diseño elaborado de sellos, mantenimiento más complicado y caro. Aplicación y operación más limitada por cavitación. Eficientecia relativamente baja en cargas parciales. Altas velocidades de embalamiento Bajo rendimiento a cargas parciales. Faltan datos de aplicación. Electricidad | | 17 | Electricidad Para definir la regulación, es normal dudar sobre la conveniencia de controlar sobre el caudal o la carga eléctrica. Como en el resto de las partes que componen un proyecto de pequeña escala, existen especiales consideraciones en relación a las centrales grandes. Según las normas constructivas, el regulador debe garantizar que la frecuencia se mantenga dentro del 1%, para escalones de carga de hasta el 10% de la potencia nominal. En centrales de generación de potencias considerables (por encima de los 10000kVA), esto significa 1000kW, potencia cuya probabilidad de ocurrencia simultánea es muy baja. Sin embargo, en microcentrales donde las potencias nominales corrientes son de hasta 50kW, el 10% (5kW) lo tiene cualquier motor utilizado para trabajos rurales. Por ende, los frecuentes escalones de potencia serán de magnitud considerable. 18 | Motorreductor de regulación de compuerta Sensor de proximidad para medición de velocidad Rueda dentada para generación de pulsos Sensores de proximidad para detección de final de carrera de compuerta Para una regulación de caudal, este régimen de trabajo produce desgaste considerable en las piezas móviles, sellos y mayor solicitación de presión a la tubería. La turbina deberá tener partes móviles ejecutadas con materiales nobles, lo cual incrementa los costos de fabricación, mano de obra de elaboración y complica la puesta en marcha (ver figura más arriba). Con la regulación de carga eléctrica se evita esta situación, debido a que las variaciones del consumo son reemplazadas por cambios en una carga auxiliar, la cual puede absorber potencia desde cero a la nominal. De esta forma se eliminan los transitorios en el sistema hidráulico y mecánico, lo que prolonga la vida útil de los componentes, además de bajar costos. Tanto la fabricación como el mantenimiento de la turbina y tubería se simplifican, pudiéndose elaborar con mano de obra menos calificada que en el caso de mecanismos de regulación móviles. La desventaja a la vista es la del manejo del recurso, ya que gran parte del caudal se evacúa para disipación en la carga auxiliar. Sobre este punto conviene estudiar la forma de dar utilidad al agua caliente mediante diseños adecuados con fines de calefacción, uso doméstico o alguna aplicación productiva. Para el producto a desarrollar se ha seleccionado el método de regulación de absorción. Continuará...