Regulador electrónico para microturbina hidráulica

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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
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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-
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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:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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...