UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FILIAL ABANCAY

facultad de ingeniera y arquitecturacarrera profesional de ingeniera ambiental

Diseo de una mini central de energa hidroelctrica en la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Abancay-Apurmac.

Docente: Arq. CONCHA FLORES, Adolfo Gustavo Alumnos: GUILLEN JUREZ, Fanny Domitila. AGUILAR ROBLES, Wilde. ROJAS GALVAN, Jess.

INDICE:INTRODUCCIN....................................................................................................................... 3 ANTECEDENTES E IMPORTANCIA .................................................................................... 3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ................................................................................. 4 DETERMINACIN DE OBJETIVOS ..................................................................................... 4 Objetivos generales. ...................................................................................................................... 4 Objetivos especficos. ................................................................................................................... 4 JUSTIFICACIN Y APLICACIN ......................................................................................... 4 CAPITULO I: GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA .............................................. 5 1.1 Aspectos Generales. ................................................................................................................ 5 1.2 Tipos De Centrales De Generacin De Energa Elctrica ....................................................... 5 1.3 Clasificacin De Las Centrales De Energa Elctrica ............................................................. 6 1.4 Energa Del Agua .................................................................................................................... 6 1.5 Principio De Bernoulli ............................................................................................................ 7 1.6 Mini Centrales Hidroelctricas................................................................................................ 8 1.7 Clasificacin De Las Mini Centrales Por La Potencia. ........................................................... 9 1.8 Clasificacin De Las Mini Centrales Por La Presa ............................................................... 10 1.9 Elementos De Una Mini Central Hidroelctrica ................................................................... 11 1.10 Obra Civil. ........................................................................................................................... 11 1.11 Equipos Auxiliares. ............................................................................................................. 12 1.12 Turbinas............................................................................................................................... 13 1.13 Problemas Con Las Turbinas. ............................................................................................. 15 1.14 Generadores......................................................................................................................... 15 1.15 Elementos De Regulacin. .................................................................................................. 16 1.16 Transformadores.................................................................................................................. 16 1.17 Celdas Y Cuadros Elctricos. .............................................................................................. 19 1.18 Lnea Elctrica De Interconexin. ....................................................................................... 19

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1.19 Sistema SCADA De Control Para Mini Centrales Hidroelctricas..................................... 19 CAPITULO II: DISEO Y APLICACIN DE MINICENTRALES. ................................. 20 2.1 Aspectos Generales. .............................................................................................................. 20 2.2 Requerimientos Necesarios Para La Instalacin De Una Mini Central. ............................... 20 2.3 Criterios Tericos Para El Diseo De Una Mini Central. ..................................................... 20 2.4 Mtodos Para Determinar Los Saltos Geodsicos ................................................................ 21 2.5 Calculo Del Caudal. ............................................................................................................. 23 2.6 Calculo Hidrulico. ............................................................................................................... 27 2.7 Dimensionamiento De Componentes. ................................................................................... 29 2.8 Turbinas................................................................................................................................. 29 2.9 Calculo De Los Diferentes Tipos De Turbina. ...................................................................... 30 2.10 Criterios Para La Eleccin Del Generador. ......................................................................... 34 2.11 Criterios De Eleccin Del Transformador........................................................................... 35 2.12 Clases De Cortocircuitos Producidos En Las Redes Elctricas .......................................... 37 2.13 Calculo De Protecciones ..................................................................................................... 39 2.14 Sistemas De Control De Las Redes Elctricas; Elementos De Control Y Proteccin. ....... 44 CAPITULO III: APLICACIN DEL CLCULO A LAS CONDICIONES FSICAS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES .............................................. 45 3.1 Diseo De La Mini Central Para La Planta De Tratamiento De Aguas Residuales ............. 45 3.2 Reconocimiento.................................................................................................................... 48 3.3 Diseo De La Mini Central A Instalar En La Planta De Tratamiento De Aguas Residuales.49 3.4 Eleccin Del Tipo De Turbina A Instalar En La Panta de tratamiento de aguas residuales . 51 3.5 Eleccin De La Turbina ........................................................................................................ 51 3.6 Calculo Referencial De Las Caractersticas De La Turbina. ................................................. 51 3.7 Esquema De Instalacin De Las Mini Turbinas En La Ptar.................................................. 53 3.8 Eleccin Del Generador ........................................................................................................ 53 CAPITULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ........................................ 57 4.1 Conclusiones. ........................................................................................................................ 57 4.2 Recomendaciones. ................................................................................................................. 58 BIBLIOGRAFA Y REFERENCIAS. .................................................................................... 59

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DISEO DE UNA MINICENTRAL DE ENERGA HIDROELCTRICA EN LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA CIUDAD DE ABANCAY INTRODUCCIN. La energa elctrica tiene una alta incidencia en las actividades diarias de los seres humanos debido a algunas ventajas tales como: Facilidad de empleo. Las reducidas emisiones que produce su consumo. La facilidad de transporte a grandes distancias. Se puede obtener a partir de varias fuentes de energa primaria. Energa renovable dependiendo de la energa primaria que se utilice para generarla.

Es por estas ventajas la energa elctrica se ha convertido en indispensable para el desarrollo de las actividades diarias de los seres humanos ya que sin energa elctrica no tendramos la posibilidad de desarrollar actividades como: trabajo, comunicacin, transporte etc. Como una consecuencia a la alta dependencia de la energa elctrica para los seres humanos hay una constante bsqueda de nuevas fuentes de energa primaria para convertirla en energa elctrica, en la actualidad la bsqueda de fuentes de energa primaria est tomando nuevas variables y condiciones fundamentales para considerar estas fuentes como viables, unos de los aspectos importantes es la sustentabilidad de las fuentes es decir el impacto ambiental y la durabilidad de la fuente de energa, tomando en consideracin estos aspectos se ha determinado la posibilidad de hacer un pequeo diseo y construccin para la generacin elctrica en base a energas primarias renovables que se encuentran en la naturaleza. ANTECEDENTES E IMPORTANCIA. En la actualidad el uso de energa obtenida a base de la combustin de hidrocarburos est generando grandes problemas al medio ambiente debido a las emisiones de gases de efecto invernadero, y los efectos que esto genera en el clima, es por esto de la necesidad de buscar y reemplazar la energa basada en la combustin de hidrocarburos por energas renovables que sean amigables con el medioambiente una de las alternativas que tenemos es la energa elctrica obtenida a partir de la energa cintica del agua comnmente conocida como energa hidroelctrica. Adems de buscar nuevas fuentes de energa tambin hay que optimizar el uso de los recursos disponibles, es por esto que al disear una mini central de energa elctrica para la planta de tratamiento de aguas residuales se pretende optimizar la infraestructura de la planta ya que las condiciones fsicas nos permiten generar energa elctrica. La mini central tendr como objetivo generar parte de la energa utilizada para el funcionamiento de la planta as como del aprovechamiento de la infraestructura instalada en la planta. Una de las ventajas que presenta la planta de tratamiento de aguas residuales es que gran parte de la infraestructura con la que cuenta la planta es la misma que se necesita para la implementacin de una mini central lo cual reducira los costos y aumenta la factibilidad del proyecto.

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. En poca de estiaje en nuestro pas se generan graves inconvenientes por la falta de energa elctrica es cuando se recurre a la generacin de energa, principalmente hidrocarburos como fuente de energa primaria, para evitar el uso de energa elctrica a partir de los hidrocarburos se est planteando un sin nmero de proyectos para la implementacin de mini centrales a lo largo de la geografa proyectos al realizar este proyecto de tesis pretendemos demostrar que si reutilizamos las instalaciones de tratamiento de agua es posible viabilizar los proyectos de mini centrales debido a la reduccin de costos por la construccin. DETERMINACIN DE OBJETIVOS Objetivos generales. Disear una mini central hidroelctrica en la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Abancay. Objetivos especficos. Obtener los parmetros necesarios para la construccin de una mini central de energa hidroelctrica en la planta de tratamiento de aguas residuales, a partir de una simulacin en escala. Plantear el uso eficiente de la energa generada en la mini central de energa hidroelctrica en la planta de tratamiento de aguas residuales. JUSTIFICACIN Y APLICACIN Las fuentes de energa no renovables y la mala utilizacin de la energa, est generando cambios climticos y degenerando el medio ambiente, por eso es necesario buscar fuentes de energa renovables como la energa hidroelctrica ya que es un recurso sumamente abundante en nuestro pas. Partiendo de que toda actividad que realizan los seres humanos tenemos, que la generacin hidroelctrica genera impactos en el medio ambiente ya conocidos, el uso del agua para las actividades diarias de los seres humanos tambin generan contaminacin en el agua, para el tratamiento de esta agua se estaba construyen una planta de tratamiento en la ciudad de Abancay , la misma que es transportada por una red de interceptores y ductos hacia la planta ubicada en el sector de Illanlla o Pachacha Alta. Este caudal de agua que se quiere aprovechar para generar energa hidroelctrica yaque la mayor parte de la infraestructura que se tiene en la planta es la que se necesita para la instalacin de mini centrales hidroelctricas. Las mini centrales como toda actividad generan un impacto el medio ambiente, pero en este caso la mini central ser instalada en un ecosistema que ya est modificado y se aprovechara la energa que este puede producir.

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CAPITULO I: GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA 1.1 Aspectos Generales. En la naturaleza se encuentran diferentes tipos de energas primarias que se pueden convertir en energa elctrica entre los tipos de energa que se encuentran en la naturaleza son: Energa trmica, mecnica, elctrica, luminosa, etc. Las fuentes de energa primaria se clasifican en dos tipos como son: fuentes renovables fuentes no renovables 1.1.1 Fuentes renovables. Son todas aquellas fuentes de energa que se pueden regenerar despus de su utilizacin ya sea de manera natural o por la accin de agentes externos implementados por los seres humanos entre las principales fuentes de energa renovable que encontramos en la naturaleza estn las energas directamente relacionadas con el sol como son: Energa elica. Energa cintica del agua. Energa luminosa. Energa termo solar.

Estas fuentes de energa estn en constante regeneracin en forma natural ya que se regeneran con los rayos del sol. Otras de las fuentes de energa consideradas renovables es la energa que se puede obtener de la combustin de vegetacin pero esta fuente de energa no es muy eficiente ya que el ciclo de regeneracin es ms alto y las emisiones de la combustin se vuelven altamente peligrosos ya que contribuyen con el efecto invernadero y por ende el cambio climtico. 1.1.2 Fuentes no renovables. Entre las fuentes de energa no renovables estn principalmente la energa que se obtiene de la combustin de hidrocarburos, esta es la principal fuente de energa que se utiliza en la industria, en el transporte, esta es una fuente de energa que no es renovable ya que los hidrocarburos se agotan, no hay como generarlos con algn proceso conocido por el hombre. 1.2 Tipos De Centrales De Generacin De Energa Elctrica. La energa elctrica es obtenida de la transformacin de energas primarias que se encuentran en la naturaleza, a lo largo de la historia la tecnologa ha ido evolucionando para encontrar diversas formas de transformar las energas que se encuentran en la naturaleza en energa elctrica, y con la evolucin de la tecnologa se han podido ir potenciando nuevas formas de obtener energa elctrica.

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1.3 Clasificacin De Las Centrales De Energa Elctrica. La clasificacin de las centrales de generacin de energa elctrica se puede hacer considerando varios aspectos como la capacidad de potencia generada, el tipo de energa primaria que utiliza para la generacin entre otras clasificaciones. 1.3.1 Por la potencia generada. Por la cantidad de potencia generada tenemos la siguiente clasificacin segn la Organizacin latinoamericana de energa. POTENCIA EN (KW) 0-50 50-500 500-5000 TIPO MICRO CENTRAL MINI CENTRAL PEQUEA CENTRAL

1.3.2 Por la energa primaria que utilizan. Hay diversas maneras de obtener energa elctrica a partir de las fuentes de energa que existe en el medioambiente a continuacin describiremos brevemente las ms importantes: Centrales termoelctricas.-Son las centrales que utilizan la energa trmica obtenida de la combustin de hidrocarburos principalmente para la generacin de vapor que se introduce en una turbina que va conectada a un generador de energa elctrica. Centrales elicas.- Estas centrales estn diseadas para aprovechar la energa del viento, mediante Hlices que transforman la energa cintica del viento en energa mecnica que en Combinacin con un generador transforman la energa del viento en energa elctrica. Centrales fotoelctricas.-Estas centrales transforman la energa lumnica del sol en energa elctrica mediante el uso de paneles solares, estas centrales tienen la particularidad de no utilizar el Generador en el proceso de la obtencin de la energa elctrica. Centrales nucleares.-Las centrales nucleares utilizan la energa trmica que genera la divisin o fusin de tomos, esta energa a su vez es transformada en vapor que luego se utiliza para mover una turbina para generar energa elctrica. Centrales termo solares.-El principio de funcionamiento de la central termo solar es obtener energa trmica de los rayos del sol para obtener vapor de agua y utilizarla en turbinas de la misma manera que una central trmica. Centrales hidroelctricas .Las centrales hidroelctricas son aquellas que transforman la energa cintica delAgua en energa mecnica que se utiliza en un generador para obtener la energa elctrica. Las centrales hidroelctricas son las ms utilizadas para la obtencin de energa elctrica debido a su alta eficiencia. 1.4 Energa Del Agua.

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Energa potencial.-La energa potencial de un cuerpo es la capacidad de un sistema para realizar un trabajo en funcin a su posicin o configuracin en relacin a un plano de referencia Energa cintica.-La energa cintica de un cuerpo es la energa que proviene del movimiento de dicho cuerpo, est definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. En mecnica clsica se puede calcular por la ecuacin del trabajo de la segunda ley de newton: De aqu tenemos que la energa cintica se incrementa con el cuadro de la rapidez, es una medida dependiente del sistema de referencia. En la hidrodinmica la energa cintica de un fluido depende de la densidad del fluido entonces tenemos que:

Ecuacin para calcular el trabajo. De aqu tenemos que la energa cintica se incrementa con el cuadro de la rapidez, es una medida dependiente del sistema de referencia. En la hidrodinmica la energa cintica de un fluido depende de la densidad del Fluido entonces tenemos que:

Ecuacin de Clculo de la energa cintica de un fluido Dnde: P: densidad del fluido V: velocidad 1.5 Principio De Bernoulli. El estudio del movimiento de los fluidos en un sistema mecnico se denominada como hidrodinmica por el fsico suizo Daniel Bernoulli quien segn sus investigaciones determino que hay una relacin entre la presin, la altura y la velocidad de un fluido ideal (sin viscosidad y sin rozamiento) en circulacin y en un conducto cerrado, la energa del fluido es constante a lo largo del recorrido y depende de tres componentes: Cintica energa que posee debido al movimiento del fluido. Potencial gravitacional es la energa que posee debido a la ubicacin geomtrica del fluido. Energa del fluido es la energa que est relacionada con la presin que posee el fluido. La siguiente ecuacin es la ecuacin de Bernoulli en la que se relaciona los tres componentes:

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Ecuacin de Bernoulli Dnde: V: velocidad. g: aceleracin de la gravedad. z: altura en la direccin de la gravedad desde un punto de referencia. 1.5.1 Circulacin del agua en conductos cerrados. La frmula que vamos a utilizar para calcular la energa contenida en un fluido Incomprensible que circula en el interior de un tubo viene dada por la ecuacin de Bernoulli:

Ecuacin 1.4 Clculo de la energa contenida en un ducto cerrado Dnde: h: energa total. h: elevacin de la lnea de corriente sobre un plano de referencia. p: presin. : peso especfico del fluido. V: velocidad de la lnea de corriente. g: aceleracin de la gravedad. La energa total en el punto 1 es la suma de la energa potencial en el punto h1, La energa de presin y la energa cintica .

Un aprovechamiento hidrulico necesita dos componentes bsicos que son un determinado caudal y un determinado salto geodsico o desnivel en el cauce del flujo de caudal, se entiende por caudal a una masa de agua que fluye a travs de un cauce natural o construido por la mano del hombre al igual que el desnivel puede ser natural o por construccin del hombre. 1.6 Mini Centrales Hidroelctricas. 1.6.1 Definicin de mini central hidroelctrica. Las centrales hidroelctricas pueden definirse como instalaciones mediante las que se consigue aprovechar la energa contenida en una masa de agua situada a una cierta altura, transformndola en energa elctrica. Esto se logra conduciendo el agua desde el nivel en el que se encuentra, hasta un

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nivel inferior en el que se sitan una o varias turbinas hidrulicas que son accionadas por el agua y que a su vez hacen girar uno o varios generadores produciendo energa elctrica. En la siguiente figura se puede apreciar el esquema de transformacin de energa hidrulica en energa elctrica.

Figura 1. Esquema tpico de un aprovechamiento hidroelctrico 1.6.2 Antecedentes histricos de las mini centrales en Abancay. La mini central hidroelctrica en Abancay es la planta en el sector de Sara Ccata que empez a operar en el ao de 1965 la primera de sus dos turbinas, la segunda turbina fue instalada 22 aos despus juntas generan 6,2 MW de potencia. Es la nica en esta tierra que abastece una pequea parte de la cuidad de Abancay como: Av. Arenas, Das Brcenas, Arequipa y los Jr. Lima y Junn. 1.7 Clasificacin De Las Mini Centrales Por La Potencia. La organizacin Latinoamericana de energa clasifica de acuerdo a la potencia instalada como se muestra en el siguiente cuadro: POTENCIA EN (KW) 0-50 50-500 500-5000 TIPO MICRO CENTRAL MINI CENTRAL PEQUEA CENTRAL

Clasificacin de las mini centrales por la cada: TIPO Micro Mini pequea BAJA(m) H130

El ISA clasifica las centrales hidroelctricas de acuerdo a su potencia instalada de la siguiente forma: TIPOS Micro centrales Mini centrales Pequea central hidroelctrica POTENCIA(MW) Menores a 0.1 De 0.1 a 1 De 1 a 10

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1.8 Clasificacin De Las Mini Centrales Por La Presa. Existen dos tipos bsicos de mini centrales hidroelctricas: 1.8.1 Centrales de agua fluyente. En estas centrales, el agua a turbinar se capta del cauce del ro por medio de una obra de toma, y una vez turbinada, se devuelve al ro en un punto distinto al de captacin.

Figura1.1. Esquema de una central de agua fluyente Los elementos principales de estas instalaciones son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Azud Toma de agua Canal de derivacin Cmara de carga Tubera forzada Edificio con su equipamiento electromecnico Canal de salida.

1.8.2 Centrales a pie de presa. Son centrales con regulacin. El agua al turbinar se almacena mediante una presa. La siguiente figura presenta una central a pie de presa.

Figura1.2. Esquema de una central de pie de presa

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Los elementos principales de estas centrales son: 1. 2. 3. 4. 5. Presa Toma de agua Tubera forzada Edificio con su equipamiento electromecnico Canal de salida

1.9 Elementos De Una Mini Central Hidroelctrica. Una mini central est constituida por diversos componentes y equipos que pueden clasificarse en tres grandes grupos: 1.10 Obra civil. 1.10.1 Obras de captacin. Las obras de captacin del agua son las que estn relacionadas con la desviacin del caudal de agua hacia la mini central, adems de asegurar la confiabilidad del servicio y de la calidad del agua. Cuando se hace referencia a la calidad de agua se hace referencia a que las obras decaptacin de agua deben tener obras de filtracin de slidos que pueden afectar la vida til de la turbina y todos las partes electromecnicas de la central de generacin. 1.10.2 Bocatomas. Es la infraestructura ubicada en la entrada del canal de captacin su misin ser el de tomar una parte del caudal de una corriente de agua, aparte de la captacin de agua otro de los objetivos de la bocatoma ser el proveer de un caudal con la menor cantidad de sedimentos para minimizar los costos de operacin y mantenimiento. 1.10.3 Presa de derivacin. Tiene por objetivo captar una parte del caudal del rio para facilitar su ingreso a la bocatoma para su conduccin hacia la mini central. 1.10.4 Canales de conduccin. Son los encargados de transportar el caudal hacia la ubicacin de la casa de mquinas donde estarn ubicadas las turbinas. Depende del material del que se a construido el canal depende la velocidad de conduccin del agua hacia la turbina. 1.10.5 Aliviadero. El objetivo principal de construir una aliviadero es la de brindar seguridad a la mini central, este debe ir ubicado en un sitio estratgico ya que este est destinado a verter el exceso de caudal cuando este propase la capacidad del canal, as evitaremos la posibilidad de desbordes del canal cuando varen las condiciones normales de funcionamiento del canal 1.10.6 Desarenadores.

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La funcin que cumple el desarenador dentro de la mini central es fundamental ya que este tiene como misin eliminar las partculas de material solido que se encuentran suspendidas en el caudal de agua mediante la disminucin de la velocidad del caudal a 0,5 m/s. 1.10.7 Tanque de presin. Es la estructura destinada a combinar un sistema de baja presin con un sistema de alta presin adems est destinado a: Mantener un nivel de reserva de carga para cambios bruscos de carga. Evitar la llegada a la turbina de elementos slidos. Sirve como un control de caudal en condiciones atmosfricas adversas. Evitar la entrada de aire en la tubera.

1.10.8 Tubera de presin. La tubera de presin es la ltima etapa del transporte del caudal hacia la turbina los criterios para la eleccin de la turbina de presin son: Considerar los materiales para las uniones Comparar los costos de mantenimiento y vida til de los diferentes materiales Considerar los dimetros de tubera disponibles en el mercado 1.10.9 Casa de mquinas. Es la estructura que aloja los equipos electromecnicos que transforman la energa cintica del agua en energa elctrica entre los equipos que estn ubicados en la casa de mquinas. Empalme entre la tubera de presin y vlvula de entrada. Vlvula dedicada a controlar el flujo de agua hacia la turbina. Turbina es la que transforma la energa cintica del agua en energa mecnica. Generador transforma la energa mecnica en energa elctrica. Subestacin eleva el voltaje de salida del generador para facilitar el transporte de la energa hacia los centros de consumo. Canal de salida es la estructura que conduce las aguas turbinadas hacia el rio o canal de riego 1.10.10 rgano de cierre de la turbina. Son vlvulas o compuertas que aslan la turbina en caso de parada y permiten el vaciado de la tubera y las labores de reparacin y mantenimiento. 1.11 Equipos Auxiliares. Estos equipos son tambin necesarios para el correcto funcionamiento de una mini central. Entre los ms comunes estn: Compuertas Reja y mquina limpiar rejas Gra para movimiento de mquinas

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Sistema contra-incendios Alumbrado. Caudalmetro. 1.12 Turbinas. Son mquinas capaces de transformar la energa hidrulica en energa mecnica en su eje de salida. Su acoplamiento mediante un eje a un generador permite, finalmente, la generacin de energa elctrica. Las turbinas hidrulicas utilizadas en mini centrales hidroelctricas, deben ser seleccionadas de modo que podamos obtener el mejor rendimiento con las caractersticas de caudal y salto especfico para cada caso, adems debe cumplir las siguientes caractersticas facilidad de operacin y mantencin las turbinas que se utilizan en las mini centrales tienen el mismo principio de funcionamiento que las turbinas que funcionan en las grandes centrales hidroelctricas a continuacin se detallaran algunos conceptos para la correcta eleccin de la turbina para una mini central. 1.12.1 Clasificacin de las turbinas. De acuerdo al cambio de presin en el rodete o al grado de reaccin: Turbinas de accin .-son aquellas en las que el fluido no sufre un cambio de presin al paso por el rodete Turbinas de reaccin.-son las que el fluido sufre un cambio de presin en el rodete. Por el diseo de rodete: Las caractersticas de estos tipos de turbina sern detalladas a continuacin Turbinas Pelton.-Esta turbina est dentro de las turbinas de accin, de flujo tangencial, con un rodete formado por varias cucharetas y un sistema de toberas que son las encargadas de inyectar la presin a la tobera.El rango de aplicacin de las turbinas Pelton es para velocidades de funcionamiento bajas, adems est diseada para trabajar con saltos grandes y bajos caudales su eficiencia es del 85%.

Figura1.3. Imagen de un rodete de una turbina Pelton.

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Turbinas Michel Bank .- Tambin estn dentro de las turbinas de accin, de flujo transversal, la entrada radial y flujo transversal, en este caso el rodete est formado por alabes curvos la inyeccin de caudal se lo hace con un inyector, tienen una eficiencia en el orden del 80% y generan hasta 1000kW, debido a su forma son fciles de construir reduciendo as su costo en relacin a otro tipo de turbinas.

Figura1.4. Imagen de rodete Michel Turbinas Francis.-Esta turbina fue desarrollada para trabajas con velocidades especificas medianas trabajando con saltos medianos y caudales de las mismas caractersticas su eficiencia oscila entre 83% y 90% su fabricacin es compleja subiendo su costo de fabricacin

Figura1.5. Imagen de rodete Francis Turbina axial.-Esta es una turbina de reaccin de flujo axial la velocidad especifica de funcionamiento es bastante alta puede trabajar con saltos bajos y caudales grandes alcanza hasta el 90% de eficiencia su construccin requiere herramienta especializada

Figura1.6. Imagen de rodete axial

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1.13 Problemas Con Las Turbinas. Los principales inconvenientes que tienen las turbinas son la cavitacin y el embalamiento. Cavitacin.- cuando un lquido es sometido a una presin mayor a las de su presin de evaporizacin, el lquido se evapora formando pequeas burbujas de vapor que al estallar producen graves daos en los rodetes. Embalamiento.-Cuando se produce por una variacin drstica de la carga en el eje de la turbina, la turbina toma una velocidad que puede daar los componentes de la turbina llegando hasta destruirlas, esta velocidad depende de las condiciones de cada instalacin. 1.14 Generadores. Estas mquinas rotativas que transforman la energa mecnica de rotacin que suministran las turbinas en energa elctrica, en sus bornes o terminales. Pueden ser de dos tipos: 1.14.1 Generadores sncronos.- generado en el rotor por la accin de una fuente de corriente continua externa y al girar el rotor se produce un campo rotatorio en las bobinas del estator, producindose a su vez la energa elctrica en los bornes de estas bobinas. Los generadores sncronos se dividen en: Por tipo de excitacin Auto excitados Excitacin externa Por tipo rotor Polos salientes Polos lisos

Los generadores sncronos suelen emplearse en centrales con potencia superior a 2.000 kVA conectadas a la red, o en centrales de pequea potencia que funcionan en isla (sin estar conectadas a la red).

Figuras1.7. Imagen del estator y del rotor de un generador sncrono 1.14.2 Generador asncrono.- El generador asncrono, por el contrario, debe estar siempre conectado a la red elctrica, de la que toma la energa necesaria para producir su magnetizacin. Es usual emplearlos en centrales de menos de 500 kVA, siempre acopladas a la red. Para centrales con

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potencia aparente entre 500 y 2.000 kVA la eleccin de un generador sncrono o asncrono, depende de la valoracin econmica, del sistema de funcionamiento y de los condicionantes tcnicos exigidos por la compaa elctrica.

Figura1.8. Imagen de un generador asncrono 1.15 Elementos De Regulacin. Son aquellos que regulan los componentes mviles de las turbinas y pueden ser de dos tipos: Hidrulicos y electrnicos. Su misin es conseguir adecuar la turbina a las circunstancias existentes en cada momento (caudal turbinable, demanda elctrica....) para que pueda trabajar con el mejor rendimiento energtico posible en cada circunstancia.

Figura1.9. Vlvula de control 1.16 Transformadores.

Figura1.10 Transformador de transmisin El transformador es uno de los elementos ms importantes para el equipamiento elctrico de la mini central, dependiendo del trabajo del generador este podr ser baja/media; o media/alta tensin.

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El objetivo de del trasformador es aumentar la tensin a nivel de la red comercial con el fin de transmitir dicha energa con las mnimas perdidas posibles. Segn las caractersticas de uso, constructivas, por la funcin que realizan, por la clase de servicio a que se destinan, etc.; se podra clasificar los transformadores como se detallan a continuacin: Por su operacin: Esto hace referencia a la tensin o la potencia que tenga que ser conectado en la red. Transformadores de distribucin: Son los que manejan potencias que van desde 5 hasta 500 Kva, ya sean estos monofsicos o trifsicos. Transformadores de potencia: Son aquellos que manejan tensiones superiores a los 500 Kva. Por el nmero de fases: Monofsicos: Pueden ser transformadores de potencia o de distribucin los cuales cuentan con solo un devanado tanto de baja como de alta, los mismos se encuentran conectados a una fase y un neutro o tierra.

Figura1.11 Bobinado de transformador monofsico Trifsicos: Pueden ser tanto de distribucin como de potencia constan de tres bobinados tanto en alta como en baja y los mismo pueden o no se conectados a tierra o neutro como (dependiendo de la conexin o Y).

Figura1. 12 Bobinado de un transformador trifsico Por su utilizacin: De acuerdo a su uso dentro del sistema elctrico. Transformadores para generador: Son los transformadores de potencia que se encuentran colocados a la salida del generador. Transformadores de subestacin: Son aquellos que se conectan al final de la lnea de transmisin para reducir la tensin a nivel de sub transmisin.

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Transformadores de Distribucin: Este tipo de transformadores reducen la tensin de las redes de transmisin en tensiones de distribucin o de consumo general 110 o 220v. Transformadores especiales: Se pueden considerar dentro de esta categora: Transformadores Reguladores de Energa. Transformadores para arco Elctrico. Transformadores para fuentes de corriente continua, etc. Transformadores de Instrumentos: Dentro de esta categora se podrn encontrar todos aquellos que se utilizan para los distintos tipos de mediciones ya sean de potencial o de corriente, as como aquellos utilizados para los distintos tipos de control y de seguridad. En funcin de las condiciones de Servicio: Para instalacin a la intemperie. Para Instalacin en interiores. En funcin del lugar de instalacin: Para Instalacin en poste. Tipo subestacin Tipo pedestal. Tipo bveda o sumergible.

En Funcin del tipo de Refrigeracin: Tipo Sumergidos en aceite. Tipo OA Tipo OA/FA Tipo OA/FA/OFA Tipo OFA Tipo OW Tipo OFW

Tipo refrigeracin en Seco. Normalmente se instalan en el interior del edificio o de la central, minimizando la obra civil asociada a la subestacin. Presenta el inconveniente de tener una baja evacuacin del calor por la tanto las prdidas debidas a este factor son alta por lo que se recomienda usar sistemas de refrigeracin alternas mediante la circulacin de aire forzado. 1.16.1 Dimensionamiento del transformador. Para calcular los datos del transformador se tienen que tomar en consideracin todas las cargas que se encuentren conectados en la red, por lo que el clculo de la capacidad de un transformador para alimentar a un cierto nmero y tipo de cargas se debe hacer sobre ciertos conceptos, de manera tal que el transformador no opere con sobredimensionado (poca carga), o bien se sature rpidamente por insuficiencia. La Capacidad nominal de un transformador est definida como los Kva que su devanado secundario debe ser capaz de operar por un cierto tiempo, en condiciones de tensin y frecuencia de diseo (valores nominales), sin que a una temperaturaambiente promedio de 30C y mxima de 40 C, la temperatura promedio en sudevanado exceda a 65C.

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Se deben considerar, si las cargas por alimentar son monofsicas o trifsicas como tambin si estas son resistivas, capacitivas o inductivas. 1.17 Celdas Y Cuadros Elctricos. Suelen instalarse generalmente en el interior de la mini central y estn constituidos por diversos componentes elctricos de regulacin, control, proteccin y medida. 1.18 Lnea Elctrica De Interconexin.

Figura 1.13 Red elctrica Fuente: Encarta Se denomina red elctrica al conjunto de medios formado por generadores elctricos, transformadores, lneas de transmisin y lneas de distribucin utilizados para llevarla energa elctrica a los elementos de carga. Con este fin se usan diferentes tensiones para limitar la cada de tensin en las lneas. Usualmente las ms altas tensiones se usan en distancias ms largas y mayores potencias. Uno de los componentes elctricos ms importantes es el transformador mediante el cual se obtiene bajar la tensin a un nivel de voltaje de tipo residencial. El sistema de suministro elctrico siempre comprende el conjunto de medios y elementos tiles para la generacin, el transporte y la distribucin de la energa elctrica. Este conjunto est dotado de mecanismos de control, seguridad y proteccin. Constituye un sistema integrado que adems de disponer de sistemas de control distribuido, est regulado por un sistema de control centralizado que garantiza una explotacin racional de los recursos de generacin y una calidad de servicio acorde con la demanda de los usuarios, compensando las posibles incidencias y fallas producidas. 1.19 Sistema SCADA De Control Para Mini Centrales Hidroelctricas. Un sistema SCADA (supervisory control and data acquisition) que es una combinacin de adquisicin de datos y telemetra un sistema SCADA puede funcionar a unos cuantos metros como a miles de kilmetros. Este sistema proporciona los datos de funcionamiento en tiempo real de los aparatos que se estn monitoreando, esto permite realizar la supervisin de la mini central.

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Figura1.14 Sistema SCADA

CAPITULO II DISEO Y APLICACIN DE MINICENTRALES. 2.1 Aspectos Generales. En el diseo de mini centrales hidroelctricas uno de los aspectos de anlisis son las condiciones fsicas del lugar en donde se quiere implementar la mini central, ya que de estas dependern la potencia y la confiabilidad del servicio que se pueda generar uno de los inconvenientes que se ha encontrado en la implementacin de mini centrales de generacin es el aspecto econmico ya que como sabemos el costo de inversin inicial en los proyectos hidroelctricos es bastante alto pero a largo plazo son los ms rentables adems del financiamiento el tiempo de construccin y puesta en marcha es una de las dificultades que este tipo de proyectos ha encontrado en el camino. 2.2 Requerimientos Necesarios Para La Instalacin De Una Mini Central. Bsicamente los requerimientos de una mini central no son diferentes a los de una central de generacin a gran escala los requerimientos son: Caudal de agua Salto geodsico 2.2.1 Caudal de agua. Se necesita un caudal de agua constante para garantizar la continuidad de funcionamiento de la mini central, este caudal nos va a proveer de energa primaria para el movimiento de la turbina de la planta de generacin hidroelctrica. 2.2.2 Salto geodsico. El salto geodsico es el desnivel en el cauce del caudal de agua, en el salto geodsico se produce la energa cintica del agua, energa que es aprovechada por las turbinas para generar el movimiento en el generador. 2.3 Criterios Tericos Para El Diseo De Una Mini Central. 2.3.1 Alturas de salto neto. Es la distancia vertical medida entre la lmina de agua de la toma de agua y la del canal de descarga, de acuerdo con las caractersticas de cada turbina se ha obtenido la siguiente tabla:

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TIPO DE TURBINA HORQUILLAS DE SALTO EN METROS Kaplan y hlice 2