CENTRALES HIDROELECTRICAS

CENTRALES HIDROELECTRICAS24-7-2014

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INTRODUCCIONDesde que el ser humano se volvi sedentario el consumo de alimentos fue la prioridad para una vida estable ya sea en su coleccin en grupos u hordas estos empezaron a convivir en comunidad pasando entre este desarrollo el descubrimiento del fuego por accidente, fue quiz este uno de los artfices para que el hombre se desarrolle, es el fuego les daba satisfaccin de calor en pocas de frio, luego de este hecho las hordas se convirtieron en comunidades donde imperaba el esclavismo, donde hubo seres humanos que mandaban a otros para la generacin de energa ya sea en las minas de carbn o recoleccin de lea lo que haca que el esclavista tenga una vida digna de sus tiempos, pasando luego por el feudalismo la situacin siempre fue la misma.El consumo de energa siempre ha sido fundamental para el ser humano desde sus inicios de desarrollo hasta nuestros tiempos, pero fue en el siglo XVII PRIMERA REVOLUCION INDUSTRIAL en el que se propago y se desarroll de manera exponencial, fue la mquina de vapor el invento el que creo el consumo de carbn y con este empez en gran desarrollo de nuestros tiempos. A medida que la humanidad creca y aumentaban los inventos la necesidad de energa creca no de manera igual a la del desarrollo sino que este aumento de personas era mayor que la creacin de energa como seria la el alumbrado pblico y otros es en este mbito que se descubre ella utilizacin de otros medios de creacin de energa elctrica como fueron con los usos de petrleo y sus derivados.

CAPITULO I1.-MARCO TEORICO 1.1 CENTRALES HIDROELECTRICAS:Las centrales hidroelctricas son uno de los medios de generacin de energa elctrica ms comunes en el PERU adems de aprovechar las cuencas hidrogrficas del territorio peruano este tipo de generacin es uno de los que menos contaminacin causan a nuestro territorio, las centrales hidroelctricas son instalaciones muy complejas no solo por su gran tamao sino tambin por su complejidad.En una central hidroelctrica se utiliza energa hidrulica para la generacin de energa elctrica. Son el resultado actual de la evolucin de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ros para mover una rueda.

En general, estas centrales aprovechan la energa potencial gravitatoria que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, tambin conocido como salto geodsico. El agua en su cada entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidrulica la cual transmite la energa a un generador donde se transforma en energa elctrica.

1.2.-RESERVORIO:Son depsitos de agua a presin atmosfrica, estos dependen en su tamao de la magnitud de la central hidroelctrica que demandara la acumulacin de energa en su depsito.

1.3.- CENTRAL ELECTRICA:Una central elctrica es una instalacin capaz de convertir la energa mecnica en energa elctrica.Las principales fuentes de energa son el agua, el gas, el uranio, el viento y la energa solar. Estas fuentes de energa primaria para mover los labes de una turbina, que a su vez est conectada en un generador elctrico.Hay que tener en cuenta que hay instalaciones de generacin donde no se realiza la transformacin de energa mecnica en electricidad.

1.4 TURBINA HIDRAULICA:Son aqullas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable a travs de su paso por el rodete o por el esttor; stas son generalmente las turbinas de agua, que son las ms comunes, pero igual se pueden modelar como turbinas hidrulicas a los molinos de viento o aerogeneradores.Dentro de este gnero suele hablarse de: Turbinas de accin: Son aquellas en que el fluido no sufre ningn cambio de presin a travs de su paso por el rodete. La presin que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presin atmosfrica en la corona directriz, mantenindose constante en todo el rodete. Su principal caracterstica es que carecen de tubera de aspiracin. La principal turbina de accin es la Turbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un nmero especfico de revoluciones bajo (nsFlujo diagonal; Hlice->Flujo axial) y turbinas con labes orientables (Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo axial). El empleo de labes orientables permite obtener rendimientos hidrulicos mayores.El rango de aplicacin (una aproximacin) de las turbinas, de menor a mayor salto es: kaplan-francis-peltonEl nmero especfico de revoluciones es un nmero comn para todas las turbinas/bombas geomtricamente semejantes (de menor a mayor es: pelton-francis-kaplan). Cuanto mayor es el nmero especfico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo de cavitacin de la turbina, es decir, una Turbina Kaplan tiene ms probabilidad de que se d en ella el fenmeno de la cavitacin que en una Turbina Francis o una Pelton.

1.5.- GENERADOR ELECTRICO:Un generador elctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial elctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energa mecnica en elctrica. Esta transformacin se consigue por la accin de un campo magntico sobre los conductores elctricos dispuestos sobre una armadura (denominada tambin esttor). Si se produce mecnicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generar una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema est basado en la ley de Faraday.Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayora de los generadores de corriente alterna son de tres fases.

1.6.-TRANSFORMADOR:Se denomina transformador a un dispositivo elctrico que permite aumentar o disminuir la tensin en un circuito elctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin prdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las mquinas reales presentan un pequeo porcentaje de prdidas, dependiendo de su diseo y tamao, entre otros factores.

2.- DESCRPCION DE LA ZONA DE PUCARA:

2.1.-UBICACIN GEOGRAFICA:El distrito de Pucar, se ubica en la parte sur del valle del Mantaro, a 12,18 Km. al sur de la ciudad de Huancayo. Su clima es tpico de la sierra quechua, suni y puna, variando su temperatura ambiental entre los 9 C y 18 C. La topografa de su superficie se superpone en cuatro pisos altitudinales (quechua, suni, puna y cordillera).

2.2 RECURSOS HIDROGRAFICOS:Pucara es un distrito con un inmenso poder de riquezas con respecto a recursos hidrogrficos, cuenta con muchos ros que se generan en los deshielos de glaciares adems de sumarse a estos las lluvias que se generan en su territorio.

CAPITULO II

CALCULOS PARA LA SELECCIN DE UNA TURBINA Potencia actual.- es la potencia que nos brinda en un inicio la central trabajando con su mnimo caudal. POBLACION (HAB.)DEMANADA ACTUAL

500 -100015 - 35 Kw

1000 - 200035 - 80 Kw

2000 - 400080 - 180 Kw

4000 - 10000180 - 500 Kw

10000 - 20000500 - 1200 Kw

Entre los rangos de potencia que se requieren para cierta cantidad de habitantes esta la que se necesita para una pequea comunidad.

Nuestra investigacin se realizara en el Anexo de RAQUINA del distrito de PUCARA, la cual cuenta actualmente con una poblacin de 300 pobladores.De la cual de la tabla anterior se tomara en consideracin la demanda actual de 15 35 KW, para una poblacin de 500 personas, debido al crecimiento poblacional para un horizonte de 10 aos.Luego de obtener la potencia actual mnima de P0 = 15 Kw. Se realizara.Los clculos se realizara como consideracin de una turbina Pelton, ya se su fabricacin es la ms comn en las instalaciones de minicentrales hidroelctricas.DETERMINACION DE LA EFICIENCIA NOMINALLa eficiencia hidrulica real mxima calculable de una turbina Pelton est dada por la siguiente relacin.nh = 2KU (1+Kf cos1)(1-Ku/2): coeficiente de velocidad que depende de la superficie del inyector. (0.96 0.98)Kf: coeficiente de prdidas por efecto cinemtico de la capa limite en la cucharaKf = 0.951 = Angulo de salida del agua en la cuchara HUTTE da los siguientes valores.1 = 6 - 7ku: coeficiente que afecta la velocidad de la turbina provocando prdidas.Ku = 0.96Tomando los siguientes valores: = 0.97Kf = 0.951 = 6Ku =0.96Reemplazando tenemos:nh = (0.97)20.96(1+ 0.95 cos6)( 1- 0.96/2)nht =91. 35%Este valor se aproxima al valor mximo de la eficiencia en la curva dada por MONSOYI para una turbina Pelton grande.Adems este valor nos sirve como referencia al calcular la construccin de la curva.CONSTRUCCION DE LA CURVAPUNTO ACTUAL.- sabemos que la turbina Pelton opera con buenas eficiencias entre los 15 y 98 % del caudal mximo (Qmax). Considerando un corto plazo de proyeccin escogemos como punto actual 60 % de Qmax. En este punto la eficiencia hidrulica lo consideramos en 85% aproximadamente.Basndonos siempre en la curva de la turbina Pelton grande entonces:nha = 85%PUNTO NOMINAL.- en este punto se obtiene la mxima eficiencia y podemos asumirlo en 86%nhn = 86%PUNTO PROYECTADO.- E s un punto que sale del rango de buenas eficiencias de la turbina, basndonos en la misma curva anterior nos asumimos en 84% aproximadamente.nhp = 84%ya obtenidos estos puntos de los tres puntos construimos la curva de eficiencia aproximada para la turbina pequea.

POTENCIA MAXIMA.- Es la potencia que nos dara en un futuro la turbina trabajando con su mximo caudal.Sabemos que PMAX = ( QMAX./QMIN)(.NPROY./NMIN).PMINPMIN = 15 KWQMIN = 60%NPROY = 84%NMIN = 85%Por lo tanto :PMAX = (1/0.6)(0.84/0.85).15 =24.6 KW.POTENCIA NOMINALEs la potencia que nos brinda la turbina trabajando en ptimas condiciones, vemos que la eficiencia en este punto se encuentra entre los 60 y 70 % del caudal mximo podemos tomar 70%.Luego:QN = 0.7QMAXPN = (QN/ QMAX)(NN/NMAX)PMAX

PN = 0.7x(86/84)x24.6PN = 17.63 KWLa siguiente expresin ser la que se dar en el eje de la turbina.

DETERMINACION DEL NS Y SALTO NETOLa turbina Pelton opera en un rango de NS = 5-30 para un chorro de eleccin del NS se har en base a varias alternativas variando NS con HN neta.Sea: P: potencia nominal en HPN: RPMH: altura neta.Entonces:Ns = N*P1/2/H5/4..1POR LO TANTO:N = NS*H5/4/P1/2Tambin sabemos que la velocidad tangencial est dada por:U2 = D2N/60ADEMAS:U2 = Ku*Ci/2 = Ku(2gHu)1/2/2Igualando y despejando D2 se tiene:D2 = 30Ku(2g)1/2*(Hu)1/2/N*n

D2 = Kp*Hu/N = 0.96Ku = 0.96Kp = 39Por lo tanto:D2 = 39 Hu1/2/N2Recurriendo al grfico y asumiendo H: Cte. para un rango gradual de NS y combinando 1 y 2

Del grafico seleccionamos:Ns= 25N= 1206 rpmD= 0.27 m = 270 mmDETERMINACION DEL CAUDALCAUDAL MXIMO.- conociendo la potencia a la salida de la turbina como as fue considerada ya la eficiencia en dicho punto tenemos:PMAX = QMAX. H. NH/102Por lo tanto:Qmax = 102/(1000*70*0.84)*24.6Qmax =0.0427m3/sCAUDAL NOMINAL.- Anteriormente supusimos que:QN = 0.7QMAXQN = 0.7*0.0427QN = 0.0298 m3/s

CAUDAL MINIMO.-Con este caudal la turbina empezara a trabajar, anteriormente hemos calculado:QMIN = 0.6 QMAXQMIN = 0.6 *0.0427QMIN =0.0256m3/sSELECCIN DEL GENERADORLa seleccin del generador se har en base a la potencia mxima que llegue al generador considerando transmisin tenemos:

T

G

La potencia que llega al generador es: P = Pmax. NTREstimamos como eficiencia de transmisin:NTR = 0.98Luego:P = 24.6*0.98P = 24.1 KWCon esta potencia seleccionamos el generador:P(Kw)ModeloKvangRPMHz.Cos

25B354b31.2587.51800600.8

CATALOGO ALGESA. (Ver en anexos)CORRIENTE TRIFASICALuego la expresin de la altura ser:P = Q.H.nt.ng/102HU = P/7.23 QCorrigiendo la altura til tenemos:Hu=25/7.23*0.0427Hu=81 mNUMERO DE AOS DE PROYECCIONLa potencia proyectada est dada por la relacin siguiente:P = Po (1+i)nP: potencia de proyeccin (Pmax)Po: potencia actual (Pmin)I : tasa de crecimiento (3-10%)n = nmero de aos.Considerando una tasa de crecimiento anual en pucara y sus anexos de 5%I = 5%P = 24.6 KWPo = 15 KWNUMERO DE HABITANTESLo tomaremos en base a la potencia actual y y estimando un consumo de acuerdo a las caractersticas de las ciudades entre 30 60 W/persona.Para nuestro trabajo asumimos 30W/p (pequea comunidad con desarrollo artesanal)La potencia actual a la salida del generador ser:Po = 15000 nTR. ngLuego el nmero de habitantes ser:N = 15000*0.98*0.875/30N = 428 habitantes.

TRAZO DE LA TUBERIA DE PRESIONLa tubera de presin depende de la configuracin del terreno y est determinada por los cambios de direccin y la longitud, no se debe sobrepasar el rango permisible, de lo contrario producir grandes prdidas de carga resultando antieconmica.En tuberas de presin se admite el siguiente rango de prdidas de carga:(0.5 2) m/100m de longitud(0.005 0.02 ) m/ m de longitud.Podemos hacer lo siguiente:Caso A:Llamamos Kro = 0.005Se debe cumplir que:hf/L>= Krode dondeL =