LA ENERGIA HIDRÁULICA

MICROCENTRALES HIDROELECTRICAS

ANTECEDENTES GENERALES

La energía hidráulica tiene como fuente la energía potencial del agua que está a
cierta altura. Esta se transforma en energía mecánica al pasar por una turbina y
posteriormente en energía eléctrica por medio de un generador.

La energía hidráulica se ha usado durante años para la obtención tanto de energía
mecánica, como para uso directo en energía eléctrica. Las ventajas que presenta
este tipo de aprovechamiento energético son, su bajo costo de generación, bajo
costo de mantención, no requiere abastecimiento de combustibles, no presenta
problemas de contaminación, puede compatibilizarse con el uso del agua para otros
fines, y una larga vida útil. Tiene limitaciones en cuanto a la disponibilidad de los
recursos hidráulicos, dependencia de factores meteorológicos y estaciónales,
además se requiere de una importante inversión, considerando las obras civiles e
instalaciones de la micro-central.

Todos estos factores al ser analizados para un proyecto en particular, determinan la
factibilidad técnica y económica de la instalación de una micro-central
hidroeléctrica.

Cuando se habla de micro-central hidroeléctrica se entiende plantas con potencia
inferior a 100 kW.

DESCRIPCION DEL SISTEMA

El diseño de un sistema de generación hidroeléctrico comprende tres aspectos
fundamentales, estos son:
· Obras civiles.
· Equipamiento electromecánico
· Distribución eléctrica.

Las obras civiles tienen la finalidad de conducir un determinado caudal de agua,
guiarlo hasta la turbina y devolverlo al río.

Para ello se requiere de una bocatoma sobre el cauce principal del río, de modo de
facilitar la entrada del agua al sistema de conducción. Esta captación puede ser a
filo de agua, vale decir una desviación lateral, o bien con un pequeño embalse.

Diagrama esquemático de una micro-central hidroeléctrica

Luego, se conduce el agua por un canal de aducción hasta la cámara de carga. El
canal de aducción debe tener una pendiente pequeña (0,5 %), de modo de ir
ganando altura con respecto al río. La cámara de carga al final del canal de
aducción tiene la función de desarenador y empalme de la tubería de presión,
manteniendo un nivel constante.

La tubería de presión lleva el agua hasta la casa de máquinas donde se encuentra
la turbina y equipos eléctricos. Finalmente, a través de un canal se restituye el
fluido a su cauce natural.

El equipamiento eléctrico y mecánico requerido en una micro-central hidroeléctrica
se compone de los siguiente elementos:
·La turbina con válvula de corte principal
·El generador eléctrico.
·Tablero eléctrico con protecciones
·El regulador de velocidad.
·Un transformador, en caso de que la energía eléctrica se deba transportar una
gran distancia.
·Elementos de transmisión mecánica.
·Líneas de distribución eléctrica.

CUANTIFICACION DEL RECURSO HIDRAULICO

Para poder cuantificar la potencia que es posible obtener de un recurso hidráulico
es necesario medir el caudal disponible y la altura de caída aprovechable. Esto
ayuda además en la determinación del tamaño de la maquinaria e instalaciones,
que dependen principalmente del caudal; y por tanto del monto de la inversión
requerida.

Existen diversos métodos que pueden utilizarse para medir tanto el caudal como la
altura, unos más exactos que otros. Normalmente la exactitud está ligada a la
utilización de equipos e instrumentos muy sofisticados o de elevado costo. Por esta
razón, frecuentemente resulta conveniente y necesario sacrificar un tanto la
exactitud de la medición por la comodidad o por el bajo costo resultante de la
utilización de métodos artesanales.

MEDICION DE CAUDAL

UTILIZACION DE REGISTROS ESTADISTICOS

Siempre que sea posible se debe recurrir a los registros estadísticos de los recursos
hidráulicos existentes en la zona considerada, obtenidas por las oficinas encargadas
de ésta labor, como por ejemplo Dirección Nacional de Aguas.
Este método es cómodo y muy exacto, sin embargo, para recursos hídricos muy
pequeños normalmente no existen estadísticas o los instrumentos de medición
empleados no miden caudales menores que 50 lts / s.

MEDICION DE CAUDALES POR MEDIO DE VERTEDEROS

Este método se utiliza cuando la corriente posee un caudal tal que no permite usar
otro método y donde las condiciones del terreno lo permitan. Es el más adecuado
cuando se desea obtener registros de caudal de la corriente por periodos largos.
Consiste en hacer circular la corriente de agua a través de restricciones de
geometría y perfil conocido, de modo que, por medio de la medición de un

parámetro, normalmente la altura del agua sobre la cresta superior del vertedero,
es posible cuantificar la cantidad de agua que fluye.
Aunque existen distintas formas de vertederos, solo se especificaran las
características del vertedero triangular.

VERTEDERO DE REBAJO TRIANGULAR

Este vertedero se utiliza preferentemente para la medición de pequeños caudales,
inferiores a 300 lts/s (mínimo 3 lts/s), en canales de ancho reducido respecto a su
profundidad.
Este vertedero de puede apreciar en la siguiente figura.

El caudal circulante se cuantifica por la fórmula:

Q = 1,4 x h exp (5/2)

Donde Q es el caudal circulante en m3/s y h es la altura del agua sobre el vértice
del vertedero en metros.En la figura se ha dispuesto una tabla de la última fórmula
descrita, pudiendo obtenerse de allí directamente el valor del caudal
correspondiente al valor de h medido en centímetros. La exactitud entregada por
esta tabla es suficiente, pudiendo obtenerse mayor exactitud evaluando
directamente la fórmula anterior.

h en

cm

Caudal en

lts/s

5
6
7
8
9

10
11
12
13
14
15
16
17
18
20
22
25
30
35
40
45
50

0.8
1.2
1.8
2.5
3.4
4.4
5.6
6.9
8.5

10.2
12.2
14.3
16.7
19.2

25

31.8
43.8

69

100
140
187
244

MEDICION DE LA ALTURA DE CAlDA DISPONIBLE

La medición de la altura de caída disponible se efectúa entre el nivel de la cámara
de carga y el nivel de evacuación del agua de la turbina, o sea el nivel del canal de
evacuación. El nivel de la cámara de carga puede variar notoriamente de una época
a otra haciendo variar la potencia disponible.

ALTERNATIVAS TECNOLOGICAS

Dentro de los equipos señalados en la descripción del sistema, hay algunos que
presentan diversas posibilidades de diseño y construcción. Estas serán analizadas a
continuación.

TURBINAS

Las turbinas son los equipos encargados de transformar la energía hidráulica del
estero o río en energía mecánica, generalmente como torque y revoluciones.

TURBINAS DE ACCION

En este tipo de máquinas, toda la energía mecánica del flujo se convierte en
energía cinética en una tobera, antes de tener contacto con los alabes. La fuerza
resultante sobre el rodete, se obtiene como consecuencia del cambio de dirección
de la velocidad del fluido al pasar por los alabes.

Las turbinas de acción más conocidas son la turbina Pelton y la turbina Banki. La
turbina Turgo no ha sido muy difundida

Turbina Pelton

La turbina Pelton es de flujo tangencial, cuenta con una o más toberas y un rodete
provisto de un determinado número de cucharas. Se usa especialmente en grandes
saltos y caudales reducidos, pudiéndose obtener eficiencias del orden del 85%.

Turbina Banki

La turbina Banki, es una turbina de acción de flujo transversal, entrada radial y
admisión parcial, formada por un inyector rectangular y un rodete tipo tambor que
está provisto de un determinado número de alabes curvos. Su rango de aplicación
está comprendido entre las Pelton de doble tobera y las Francis rápida. Trabaja
especialmente con saltos y caudales medianos, alcanzando eficiencias del 80%. Su
geometría facilita su fabricación y se caracteriza como una máquina de bajo costo.

TURBINAS DE REACCION

En estas turbinas, una parte de la energía se transforma en energía cinética, al
pasar el fluido a través de una rueda de alabes directrices situada antes del rodete.
Todos los espacios de guía y móviles quedan llenos de agua a presión y conforme
esta escurre a través del rodete, su velocidad cambia en magnitud y dirección, con
lo cual aparece una fuerza sobre el rodete que hace a éste girar.

Existen dos tipos de turbinas de reacción, la turbina Francis y las turbinas axiales
Kaplan. Las turbinas axiales trabajan con saltos pequeños y grandes caudales,

además pueden alcanzar eficiencias de hasta 90%. Existen dos tipos de turbinas
Kaplan la primera posee alabes fijos, la segunda tiene los alabes del rodete
orientable, es decir, se puede variar el ángulo de los alabes para mantener la
velocidad de giro constante.

Turbina Francis

La turbina Francis trabaja con saltos y caudales medianos logrando eficiencias entre
80 y 90%. Se le conoce como una turbina de flujo mixto debido a que el fluido
entra en dirección tangencial al rotor y la descarga es paralela al eje de rotación.

Rodetes Turbina Kaplan

La turbina Kaplan tiene un costo mayor que la del tipo Francis, pero por otra parte
tiene la ventaja de que para iguales características de salto y caudal, funciona a
mayor velocidad permitiendo emplear alternadores más reducidos y de menor
costo.

Bomba Turbina

Una bomba centrífuga puede ser usada como turbina conectando la entrada de la
turbina a la salida de la bomba y viceversa. En la figura se puede observar uno de
estos equipos. Se obtiene así, una máquina hidráulica motora que funciona con el
principio de reacción, con entrada radial y salida axial.

CRITERIOS BASICOS PARA LA INSTALACION DE MICRO-CENTRALES
HIDROELECTRICAS

Previo a cualquier trabajo teórico especializado, se recomienda primeramente
visitar el lugar, realizar varias mediciones en el terreno y preguntar a los lugareños
extensivamente como se relaciona el flujo presente y su variación en el año o entre
años, especialmente a gente que esté usando la irrigación por gravedad, como es a
menudo el caso, y quienes tienen considerable conocimiento de "su" río.

En la investigación de un sitio, dentro de ciertos límites es una buena práctica
desarrollar la máxima altura de caída. Esto haría posible el uso de equipo menos
voluminoso y la salida estará menos afectada, por las variaciones de caudal. Si el
caudal supuesto en forma conservadora se prevé más favorable en los próximos
años, se podrán proponer proyectos de expansión, sólo con agregar otra turbina y
usar un caudal mayor.