Hidroenergia Clases I.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA-SECCIÒN JAEN Curso: Hidroenergía Escuela Profesional de Ingeniería Civil Ing. Juan A. Olano Guzmán

JAEN -PERU

ENERGÍA Y ELECTRIFICACIÓN


1.1.Concepto

Se entiende por energía a la capacidad de realizar trabajos, fuerzas, movimientos, etc. No podemos verla directamente pero si vemos sus efectos. Es lo que permite que suceda casi todo en el universo: la vida, el movimiento, la corriente eléctrica, el fuego, el ruido, el viento, la generación de calor y es uno de los elementos más importantes para satisfacer las necesidades básicas humanas. Su utilización va desde la cocción de alimentos hasta el procesamiento de productos industriales. 1.2.Fuentes de Energía

Todas las energías, renovables y no renovables, provienen del sol. Las no renovables se formaron hace millones de años y tienen reservas limitadas. 1.3.Clasificación de las Fuentes de Energía

Se clasifican en energías no renovables y renovables. Las fuentes de energías no renovables son aquellas que existen en una cantidad limitada y que una vez empleadas en su totalidad no pueden sustituirse, ya que no existe sistema de producción o la producción es demasiado pequeña para resultar útil a corto plazo.

Las fuentes de energía no renovables son: el carbón, el petróleo, el gas natural y la nuclear. Las energías renovables engloban una serie de fuentes que en teoría no se agotarían con el paso del tiempo. Estas serían una alternativa a las otras llamadas no renovables y producirían un impacto ambiental mínimo ya que son permanentes y forman parte de los recursos naturales. Estas a su vez se clasifican en:

a. Energías renovables convencionales: constituida por la energía hidráulica de grandes potencias.

b. Energías renovables no convencionales: constituida por la energía: solar, eólica, biomasa, geotérmica e hidráulica de pequeñas potencias.

Entre las principales energías renovables no convencionales tenemos: a. Energía Eólica: se transforma de energía cinética obtenida del viento a energía

eléctrica a través de aerogeneradores (ver figura 2.1). Solo se puede aprovechar en zonas con vientos fuertes y constantes. Actualmente existen pequeñas instalaciones en todo el mundo, porque la tecnología necesaria esta en desarrollo. Una turbina eólica de 600 kW puede proveer de electricidad a cientos de hogares.

Figura 2.1.- Aerogenerador Vélter D de 500W


b. Energía Solar Térmica: es el aprovechamiento de la radiación del sol para el

calentamiento de un fluido (ver figura 2.2), que a su vez se utiliza según su temperatura, en la producción de agua caliente, vapor o energía eléctrica.

Figura 2.2.- Esquema de funcionamiento de una instalación solar térmica de agua caliente sanitaria

c. Energía Solar Fotovoltaica: es la que aprovecha la radiación solar mediante su transformación directa en energía eléctrica (ver figura 2.3).


Figura 2.3.- Aplicación de paneles fotovoltaicos a las telecomunicacionesd. Energía de Hidráulica de pequeña potencia: es la que se producida por centrales

hidroeléctricas de potencia inferior a 1MW y cuyas instalaciones transforman la energía cinética de una corriente de agua en energía eléctrica (ver figura 2.4).


Figura 2.4.- Microcentral Hidroeléctrica de Obrajillo, 1MW 24

e. Energía Biomasa: es aquella obtenida de residuos forestales (ver figura 2.5) o ganaderos, ya sea a través de la combustión directa o de procesos intermedios de transformación como el bioetanol, biodiesel, biogas y otros.

Figura 2.5.- Recogiendo residuos forestalesf. Energía Geotérmica: aprovecha el calor de yacimientos de agua subterránea a baja,

media o alta temperatura o bien de roca caliente seca para la obtención de agua caliente o vapor (ver figura 2.6).


Figura 2.6.- Central Geotérmica de Ribeira Grande1.4.Energía eléctrica

La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable 25 conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos. Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera el movimiento de electrones a través del cable conductor, las cargas que se desplazan forman parte de los átomos de la sustancia del cable, que suele ser metálica, ya que los metales, al disponer de mayor cantidad de electrones libres que otras sustancias, son los mejores conductores de la electricidad.


PRODUCCION Y DEMANDA ENERGETICA

2.1 Conceptos Básicos

Central eléctrica se llama al conjunto de maquinas motrices generadores aparatos de maniobra y protección que sirve para la producción de energía eléctrica, Las centrales eléctricas se pueden denominar:

Central Térmica: Cuando la energía eléctrica se produce por medio de maquinas motrices y térmica: (turbinas de vapor motrices diesel)

Central Hidráulica: Cuando la maquina motrices son turbinas hidráulicas.

Central nuclear: Cuando la energía Z en los núcleos atómicos de ciertos cuerpos.

2.1.1 Tipos y características de centrales eléctricas

Tipos:

1. Hidroeléctricas

2. Termoeléctricas

3. geotérmicas

4. Nucleares

5. Eólicas

6. Mareomotrices

7. Solares

Comparación entre central eléctrica

tipo(a)

Inversión inic/kw

(b)Operación y mantenimiento

(c )

confiabilidad

(d)comportamiento económico nacional

1.Hidroelectrica(con térmica)

alta bajos bajo Alta

2.Termoelectrica (Con hidroeléctrica)

baja Muy altos alta Muy baja

3. nuclear (con termoeléctrica) Muy alta altas Muy baja Muy baja casi

nula

2.1.2 Potencia de energía

Potencia es una medida escalar, que nos expresa la rapidez con la que se desarrolla el trabajo. También se le puede definir como la energía que transmite por unidad de tiempo.Matemáticamente la potencia median desarrollada se determina así:


Potencia: Trabajo/tiempo = energía/tiempo

P=W/T (potencia media)

Unidades

W: en joule (J)

T: en segundos (s)

P: en watts o vatio (W)

Equivalencias prácticas

1 kilovatio o kilowatts = 1 KW = 103 W

1 megavatio o megawatts = 103 KW = 106 W = 1 MW

1 caballo de fuerza = 1 horse-power = 1 H.P = 746 W

En nuestro país las centrales hidroeléctricas son las que nos proporcionan mayor cantidad de potencia eléctrica que aprovecha la altura de las aguas.

El flujo de estas aguas cae sobre las alabes de un grupo de turbinas acopladas a grandes alternadores que transformas la energía mecánica de rotación en energía eléctrica.

La potencia hidráulica instalada nos expresa la rapidez con la cual reciben energía potencial gravitatoria los álabes de la turbina. Se calcula así.

P= W/t = Ep.g/t = mH2O g H …. (1)

La masa de agua que ingresa a la turbine es mH2O = γ V

Remplazando en (1)

P= γ V g H / t…… (2)

V/t= Q caudal hidráulico

En (2)

P= γQgH

Siendo:

γ : densidad de agua, en kg/m3

h: altura de agua que cae en la turbina en m.

Q: caudal hidráulico en m3/s

P: potencia instalada o recibida por una turbina o desarrollada por una bomba hidráulica.


2.1.3 Potencia teórica y potencia real

P=γQgH (potencia teórica)

P=ϒQg (Hb-hf)

P=nϒQgH (potencia real)

n= Potencia real/potencia teórica

2.2. Tipos de Centrales Eléctricas

2.2.1 Centrales de base

Son aquellas destinadas a suministrar la mayor parte de la energía eléctrica de forma continua. Se llama también centrales principales son de gran potencia y utilizan generalmente como maquinas motrices maquinas a vapor a gas y turb. Hidráulicas.

2.2.2 Centrales de Punta

Exclusivamente proyectadas para cumplir la demanda de energía eléctrica en las horas de punta; en dichas horas de punta, se ponen en marcha y trabajan en paralelo con la central principal.

2.2.3 Centrales de Reserva

Tiene como objeto sustituir total o parcialmente a las centrales hidráulicas de base en casos de escases de agua o avería en el sistema eléctrico.

2.2.4 Centrales de emergencia o Zocorro

Tiene igual cometido que las centrales de reserva citadas anteriormente. Pero la instalación de aparatos y maquinas con móviles y pueden instalarse y desplazarse en el lugar donde sea necesario sus servicios. Estas centrales son de pequeña potencia y generalmente accionadas de motores disel.

2.2.5 Centrales de acumulación o de bombeo

Se aprovecha el sobrante de potencia de una central hidroeléctrica en las zonas de pequeñas demanda para elevar agua de un rio o lago bata en depósito mediante bomba centrifugas accionadas por los alternadores de la central que ese utilizan como motores.

hf

HHb

Línea de energía


2.3 Diseño de un sistema de Microhidrogeneración

Etapas

Capacidad y estudio de demanda. Estudio Hidrológico e Inspección del lugar. Estudio de Perfil Estudio de Pre-factibilidad. Estudio de factibilidad final.

2.3.1 Capacidad y estudio de demanda.

¿Cuánto de energía se necesita para un propósito determinado, cuando y donde se necesita?

¿Podrán financiar los consumidores probables una nueva fuente de energía?

Es imprescindible evaluar la capacidad organizativa de los usuarios de los sistemas.

Con frecuencia la micro hidro generación está pensando para las comunidades rurales donde la mayoría de la gente no usa maquinarias complejas.

Se debe realizar un estudio cuyo informe debe cubrir los siguientes tópicos:

Un mapa croquis del proyecto mostrando las distancias y posiciones de todas las casas y las posibles actividades futuras tanto comercial y productivo.Un resumen de las diferentes instituciones, organizaciones líderes de negocios o miembros sobresalientes del pueblo que puede llegar a financiación y mantenimiento y operación de los nuevos sistemas.Una descripción completa de los sistemas de irrigación así como informe de cómo esperan los pobladores que la energía hidráulica afecten sus planes de irrigación.La cantidad de energía requerida para que se usa (uso domestico o negocios productivos) y cuando se necesita. Esta se debe presentar en forma de diagramas de demanda diaria anual.Una descripción de los artefactos hacer uso de la fuente de energía por ejemplo cocinas, equipos de producción de aceite)Un diagnostico de la posibilidad de distribución que pueden hacer uso de un beneficio efectivo y prolongado a partir del sistema para los miembros más pobres de la comunidad.Proponer algunas precondiciones organizacionales para elevar la capacidad a niveles requeridos por ejm. Formación de un comité de supervisión involucrando agencias locales, personal de banco y una precisión para el entrenamiento en contabilidad administración, operación y mantenimiento de máquinas.


Un plan para un sistema de administración explicando cómo las ganancias y tarifas serian recaudadas y acumuladas, como gastar, como se deberá realizar la operación y mantenimiento y planes de contingencias para como darse las posibles dificultades en las estructuras.

2.3.2 Estudio Hidrológico e inspección del lugar.

Esta etapa permite establecer el potencial hidroenergetico del lugar escogido. Muestra como el caudal del agua varia a lo largo del año y como se debe obtener el sistema más efectivo y barato, nos muestra además cuanta es la potencia disponible y cuando está disponible.

El estudio toma en consideración los diferentes usos del agua por ej. Cuando el agua para irrigación tiene prioridad sobre la hidrogene ración.

2.3.3 Estudio de Perfil y Pre-factibilidad.

Consiste en un rápido estudio de costos de un rango de opciones y fuente de energía rurales.

El diseñador de un sistema hidráulico por lo general identificara tres diferentes opciones para satisfacer la demanda del consumidor, por ejemplo puede haber dos diseños diferentes de microcentrales y otras posibilidades tales como la extensión de las líneas de las redes nacionales o el uso de un generador diesel, el estudio de prefactibilidad compara esas opciones con sus respectivas características principales compara también los resultados de los estudios de demanda de energía con el resultado del estudio hidrológico.

2.3.4 Estudio de Factibilidad final

Si el análisis realizado después del estudio de pre factibilidad indica que una de las soluciones propuestas es la mejor se procede entonces a los cálculos de ingeniería y de costos.

Se incluye también un estudio financiero, usando las indicaciones económicas.

También es importante no omitir un estudio de operación total o de mantenimiento.

La regla oro del estudio de factibilidad es:

Operación mas mantenimiento. (o+m)Economía y factor de planta, diseño de ingeniería al final. Es importante adoptar el diseño técnico para adecuar el nivel de las fuentes de operación y organización (técnicas, finanzas, accesibilidad técnicas de detalles de operaciones y herramientas) a la región.El informe de factibilidad debe contener lo siguiente Resumen presenta brevemente todas las conclusiones importantes alcanzadas en el informe incluye solicitud de financiamiento y comparación económica con otras operaciones energéticas.


Ilustraciones claras por ejm un simple mapa esquemáticos de las casas del pueblo y posibles líneas de transmisión, diagramas de ubicación de turbinas, generador, cargas.Demanda- EnergíaResumen de los resultados de los estudios de capacidad y demanda con los perfiles de demanda de energía diarios y estacionales. La demanda futura para un mínimo de 15 a 20años (menos de 15 no se diseña).Demanda del Agua Estudio de la posible competencia en el uso del agua en actividades como riego agua potable y otros.Opciones de SuministrosPresentar un breve estudio y tablas de costos de varias opciones energéticas.Capacidad de AdministraciónDatos sobre la capacidad de los organizadores para modificación de la planta .Esto servirá para elaborar un plan de capacitación sobre administración, operación y mantenimiento de planta.Potencia HidráulicaEsta sección contiene dos elementos claves sobre el estudio de factibilidad.Un hidrograma y una curva de duración de caudal .El Hidrograma deben mostrar las demandas del agua de irrigación y otras no energéticas. En los casos de haya necesidad a trabajar a caudales parciales, se debe analizar el efecto sobre la capacidad de la planta.Diseño de la Micro central Hidroeléctrica (MCM)Esta sección se subdivide en los componentes de obras civiles, tuberías, presión, equipo electromecánico, distribución y uso de energía.Para cada componente seleccionar materiales acorde con la disponibilidad y con las necesidades de un mantenimiento simple.Factor de la Planta Calcular el F.P y discutir las tendencias futuras, sobre el posible crecimiento de la demanda por : expansión urbana , instalación de nuevos servicios (educación, salud)y usos de productivos.Operación y Mantenimiento Describe los requerimientos para entrenamiento, por y traducción del documento al lenguaje local, visitas fabricantes de equipos, usos de reforzamiento futuro de nuevo operadores reclutados.Estructuras de Administración y ProvisionesEsta referido de cómo debe realizar los procedimientos de operación y mantenimiento y el uso integrado del agua, así como quien efectúan los pagos a los operadores y como se sostiene el fondo de operaciones y mantenimiento.Costos de Mantenimiento Se debe requerir una financiación para cubrí los costos de entrenamiento debiéndose ser incluidas estas en análisis financiero. Plan de Operaciones Incluye el primer año de operación durante el cual se requiera todavía un control y entrenamiento de operación más mantenimiento.Análisis de Costos


Incluye costos corrientes, contingencias factor de planta y costos unitarios de energía.IngresosComentar las diferentes fuentes de ingreso por la venta de energíaBienestarComentar sobre el potencial del sistema de hidro generación para incrementar la seguridad del pueblo como un todo, introduciendo nuevos puestos de trabajo y trayendo beneficios a los miembros de la comunidad.Comenta sobre posibles pérdidas de puestos de trabajo debido a la sustitución de servicios existentes.Estructura Tarifaria.Las tarifas son los precios pagados por las familias y los empresarios por el uso de la electricidad.Las cantidades pagadas se calcula a partir de rubros tales como el pago de préstamos, costos de operación más mantenimiento y fondo de bienestar.Análisis FinancieroEsta sección presenta el futuro financiero del sistema por ejem, a través de un análisis de flujo de caja, y presentando indicadores económicos.Fuentes de FinanciamientoAnalizar las fuentes de financiamiento tomando en cuenta el costo del capital, tiempo de retorno etc.Viabilidad SocioeconómicaConclusiones de los aspectos vistos anteriormente sobre viabilidad financiera, capacidad de administración planos de operación mantenimiento y comentarios sobre factores que puedan afectar la oportunidad.

2.4 Información Necesario para elaborar un proyecto Hidroeléctrico.

2.4.1 Aspectos Físicos

2.4.2 Aspecto hidrográficos

2.4.3 Aspecto Socioeconómicos

2.4.1 Aspectos Físicos

Se trata de datos que permiten conocer la localización física del lugar del proyecto, las características topográficas del terreno su conformación natural y, la forma como llegar a la obra.

a) Localización.- Se hará en base a cartas geográficas planos de la región, fotos áreas, que nos permita determinar la latitud longitud, altura ubicación de las poblaciones más cercanas y hacer un trazo preliminar donde se ubicaran las diferentes obras.

b) Topografía y fisiografía se hará trabajos de reconocimiento del lugar levantamientos topográficos de todos los lugares donde se va ha construir tales como bocatoma, canal, tuberías de presión casa de maquinas, canal de desagüe etc. Requiriéndose en detallada en plano en escala 1:200 1:500 así como descripción fisiografía del lugar.


c) Geología y suelos. Se realizaran muestreos y perforaciones en los lugares

seleccionados debidamente con la finalidad de conocer las clases de rocas y suelos donde se va ha efectuar las diferentes obras.

d) Vías de Comunicación y Acceso. Se debe precisar en el proyecto las vías de comunicación que nos permita conocer la forma de cómo llegar al lugar, la distancia de recorrido, la calidad de las vías y en caso de no contar de una vía de acceso en la obra, presentar una propuesta de trazo

2.4.2 Aspectos Hidrográficos.

La información necesaria para estos estudios se ha de recoger a lo largo de muchos años que nos permitirá evaluar el potencial hidráulico de un curso de agua, la agencia de información hace posible una previsión acertada.

Para micro-centrales, cuando no se encuentra la información hidrológica requerida se recomienda realizar un mínimo de 2 años el aforo de la fuente de captación.

a) Características de la cuenca

Es necesario datos que nos permita conocer el área de terreno de donde son colectadas las agua, para formar el agua en estudio la curva de frecuencia de altitudes, el rectángulo equivalente el perfil long. Del curso de agua y la cobertura que muchas veces son necesarias para estudiar el comportamiento de cuencas similares.

b) Hidrometría.La cantidad de agua que existe en un cauce natural debe ser precisada en base a las mediciones diarias de los caudales permanentes y avenidas utilizando cualquiera de los métodos de aforo durante un tiempo suficiente.c) Climatología.Es importante conocer datos de temperatura, humedad relativa humedad del viento etc., que son importantes para su influencia en el diseño eléctrico y mecánico.

2.4.3 Aspecto Socio Económicos

El estudio del estado eléctrico nos lleva a la necesidad de información relacionada con la población su crecimiento no familiar niveles de culturales su idiosincrasia, etc. Así mismo se debe contar con la información sobre producción y agropecuaria artesanal minera tipo de ocupación, ingresos familiares proyectos comunales y regionales.

Procedimientos a seguir el Diseño de una Central Hidroeléctrica

Cálculo de la demanda energéticaDeterminación del caudal aprovechable.Determinación del caudal de máxima avenidaDeterminación de la caída netaDiseño Hidráulico de las obrasDiseño estructural de las Obras.Diseño electromecánico.


Estudio del Mercado Eléctrico

I. Introducción

La presente metodología de proyección del consumo de energía y determinación de demanda máxima fue desarrollada por un equipo de estudio Peruano Alemán, revisada posteriormente por una consultora para dirección general de electricidad del ministerio de energía y minas se basa en el establecimiento de una relación funcional presente entre el consumo de energía por el abonado domestico el número de abonados estimados para cada año.

Está considerada que la expansión urbana a consecuencia del incremento poblacional está íntimamente vinculada con el desarrollo de actividades productivas que conducen a mejorar los niveles de ingreso y por ende el crecimiento perca pita de energía eléctrica se ha definido en pequeño centro para el propósito de estudio como un capital de distrito con un estimado de población no menor de 20000 habitantes los mismos que pueden ser categorizados.

Integrados al sistema eléctricos Interconectados a corto plazo No interconectables a corto plazo.

II. Criterios Adoptados

1. Debido a la notable variación del consumo de electricidad en el país se opta por distribuir los 4 centros en 4 grupos.

Grupo Norte: Tumbes, Piura, Lambayeque, La Libertad, Ancash, Cajamarca y Amazonas

Grupo Centro: Lima, Ica, Huánuco, Pisco, Junín Huancavelica y Ayacucho.

Grupo Sur: Arequipa, Moquegua, Tacna Arequipa, Cuzco, Puno.

Grupo Oriente: San Martín, Loreto, Madre de Dios

2. La necesidad de carga se agrupa de la siguiente manera.

Cargas Domestica: Comprende la cantidad de energía que se necesita para el funcionamiento de todos los artefactos domésticos de una vivienda tales como tu radio, lavadora, etc.

Cargas de Alumbrado Público: Comprende el alumbrado público de calles avenidas o parques etc.

Carga comercial: Requerimiento de energía para el funcionamiento de los equipos y aparatos en el área comercial tales como calculadoras cajas registradoras, computadora etc.

Carga Industrial: Comprende el requerimiento de energía de las maquinas y equipo eléctrico usado en fábrica talleres modernos plantas:

Cargas especiales. Es la cantidad de energía requerida que no está comprendida en los sectores anteriores, tales como colegios, cuarteles, hospitales campos deportivos iglesias etc.


3._Se debe tener en cuenta que las variables que afectan los pronósticos son:

Crecimiento demográfico Características económicas y nivel de vida Posibilidades de expansión futura en zonas en estudio. Características geográficas y climatológicas.

4. El periodo de diseño queda definido como el tiempo comprendido por la vida útil de los equipos y instalaciones que permiten establecer un tiempo de valides para el proyecto el cual se puede estimar según el siguiente cuadro.

Tipos de Instalación Periodo (año)

1. Grandes presas y conductos de aducción 25-30

2. Posos sistema de destilación filtro estancadores 10-25

3. Tuberías de más de 12´ de diámetro 20-25

4. Tuberías de menos de 12´ de diámetro 15-20

5. Edificios y reservorios 30-40

6. Maquinas y equipos 10-20


III METODOLOGÍA PARA EL PRONÓSTICO DEL MERCADO ELÉCTRICO

Demanda Residencial: multiplicamos el número de viviendas por la potencia instalada estimada de cada una: DR= VxPIV Donde:

DR: Demanda Residencial V: Número de viviendas PIV: Potencia instalada por vivienda

Demanda doméstica: demanda residencial, estimando una potencia de entre 250 y 400 W/vivienda. Se toma en cuenta su ubicación geográfica, tamaño promedio de las viviendas, número y tipo de focos a utilizar, equipos electrodomésticos y otros.Fuente: ITDG

Ejemplo:En 35 viviendas y con una potencia instalada de 250W/vivienda, tenemos una Demanda Residencial de 8750W

Alumbrado Público: multiplicamos el número de lámparas por su potencia a considerar: AP= PLL Donde: AP: Demanda de Alumbrado Público L: Número de focos de alumbrado público PL: Potencia de cada lámpara

Ejemplo:

Para 15 lámparas y una potencia de 100W/lámpara, tenemos una demanda de alumbrado público de 1500WDemanda institucional: se estima una potencia en base a las instituciones existentes (escuelas, postas de salud, municipio, local comunal, iglesia).

Ejemplo:

Cargas Institucionales Potencia Capilla 500W Escuela 1000W Albergue turístico 1500W TOTAL 3000W


Demanda industrial: se basa en las industrias y su posible tecnificación con el apoyo de la energía eléctrica (bodegas, hoteles, carpinterías, aserraderos, peladoras de arroz). En pequeños centros poblados, esta demanda es mínima o nula, sin embargo de acuerdo a las características del centro poblado, su ubicación y producción se puede estimar una demanda de potencia.

Ejemplo.

Cargas Industrial Potencia Molino de Granos 2000W Taller de carpintería 3000W TOTAL 5000W

Toda esta información es vaciada en una tabla en la que se incluirán factores de simultaneidad y uso (ver tabla 2). No todas las demandas se producen simultáneamente y es claro que de acuerdo al grado de pobreza o desarrollo, el consumo industrial variará durante la noche. Esto nos lleva a considerar una demanda diurna y una nocturna. Hay dos factores a considerar:

• Factor de simultaneidad (fs): es la posibilidad de que un número de usuarios utilicen el mismo equipo en el mismo momento, varía entre 0 y 1

• Factor de uso (fu): es la intensidad en el uso de los equipos, varía entre 0 y 1

Ejemplo:


Al resultado final, la mayor potencia hallada en uno de los horarios (diurno o nocturno), se suman las pérdidas en las redes de transmisión eléctrica (entre 5 y 10 %), lo que nos dará la demanda actual a considerar en el diseño del sistema.

Ejemplo.


Con estos datos construiremos nuestro diagrama de carga diario:

De acuerdo al diagrama de carga tenemos una demanda máxima de 6542 W. A este resultado le agregamos un 5% por pérdidas en las redes eléctricas. Finalmente la demanda actual a considerar en el diseño del sistema sería 6870 W. La energía que se consumiría diariamente sería de 93.5 kWh y la potencia media de 3897 W. Si asumimos que la central se paralizará por 4 semanas para el mantenimiento anual se tendría 335 días de actividad y la energía consumida anual sería de 31332 kWh.

Estimación de la Demanda Futura Es el pronóstico del crecimiento de la demanda potencial o actual en energía y/o potencia en un periodo de tiempo preestablecido por el diseñador del sistema de la microcentral hidroeléctrica. Un método sencillo para la estimación de la demanda futura es la aplicación de fórmulas estadísticas que incluyen como variables la demanda actual, la tasa de crecimiento y el número de años de proyección. El método considera un crecimiento uniforme a lo largo del periodo considerado. Para ello usamos la siguiente fórmula:

P=Po(1+i)n

Donde: Pn = Potencia proyectada al año “n” (kW)

Po = Potencia estimada para el año “0” (kW)

i = Índice o tasa de crecimiento considerado n = Número de años de proyección (15 años) Para hacer la proyección usaremos una tasa de crecimiento de 0.5% (por efectos de migración) para la demanda residencial y el alumbrado. En el caso de las demandas


institucionales e industriales las mantendremos constantes para una inicial evaluación con economía estacionaria. En la tabla 4.5 veremos la proyección de la demanda durante los siguientes 15 años:

Ahora, con las potencias para el año 15 y los factores mencionados anteriormente, desarrollaremos el diagrama de carga para este año y se muestra en la figura 4.4. Se observa que la máxima demanda para el año 15 será de 11804 W. A este resultado le agregamos un 5% por pérdidas en las redes eléctricas. Finalmente la demanda al año 15 a considerar será 12394 W.

La energía consumida diariamente en este año será de 130 kWh, la potencia media será 5423 W y la energía consumida anual será de 43598 kWh. Se requiere una potencia de 12.4kW para satisfacer la demanda durante los 15 años siguientes.


CONSTITUCION Y CARACTERISTICAS GENERALES DE UNA CENTRAL

HIDROELECTRICA

3.1.-GENERALIDADES

3.2.-CLASIFICACION

A.- Centrales de corriente

Se constituye en los sitios que la energía hidráulica disponible puede utilizarse directamente para accionar las turbinas de tal forma que, de no existir la central de energía hidráulica se desperdiciaría.

La central de agua de corriente puede construirse para el mínimo disponible de caudal, pero entonces en las épocas de abundante caudal, el exceso es desaprovechado.

B.- Centrales de agua embalsada

Se constituye utilizando un embalse mediante una presa situados en lugares apropiados del rio.

C.- Centrales de alta presión

Cuando la altura de salto hidráulico es superior a 200m. Como maquinas motrices utilizan generalmente turbinas pelton o para saltos de menor altura turbinas Francis lenta.

D.- Centrales de mediana presión

Alturas de salto hidráulico comprendidas entre 20 y 200m. las maquinas motrices son las turbinas francis medias intermedias y rápidas.

C.- Centrales de baja presión

Alturas de salto hidráulico menores de 20m. es la zona de utilización de las turbinas francis extra rápidas, las turbinas de elise y sobre todo las turbinas kaplan.

3.3.- ALTURA DE SALTO APROVECHABLE

El salto es la diferencia de nivel entre la lámina de agua en la toma y el punto del río en el que se restituye el agua turbinada.

En realidad, esta definición corresponde a lo que se denomina salto bruto (Hb). Además del salto bruto, se manejan otros dos conceptos de salto, el salto útil (Hu) y el salto neto (Hn). La figura ilustra estos conceptos:


Esquema de un salto de agua

Salto bruto (Hb): Diferencia de altura entre la lámina de agua en la toma y el nivel del río en el punto de descarga del agua turbinada.

Salto útil (Hu): Diferencia entre el nivel de la lámina de agua en la cámara de carga y el nivel de desagüe de la turbina.

Salto neto (Hn): Es el resultado de restar al salto útil (Hu) las pérdidas de carga (DH) originadas por el paso del agua a través de la embocadura de la cámara de carga y de la tubería forzada y sus accesorios.

El cálculo de las pérdidas de carga se realiza mediante fórmulas empíricas ampliamente difundidas.

Una consideración aceptable es suponer que la pérdida de carga es del orden de un 5% a un 10% del salto bruto.

El salto bruto puede estimarse en primera instancia a partir de un plano topográfico. Sin embargo, una determinación más exacta requiere un levantamiento taquimétrico.

3.4.- CAUDAL DE EQUIPAMIENTO


Para poder determinar la potencia a instalar y la energía producible a lo largo del año en una minicentral hidroeléctrica, es imprescindible conocer el caudal circulante por el río en la zona próxima a la toma de agua.

Aforar es medir el caudal de una corriente de agua en un punto de la misma en un instante determinado.

En la CAPV existe una red de estaciones de aforo que proporcionan datos de caudales de un gran número de ríos. Su instalación y control dependen de organismos públicos y privados (senamhi)

En aquellos aprovechamientos en los que no existe una estación de aforo próxima a la central, se realiza un estudio hidrológico aplicando un modelo matemático de simulación basado en los datos de precipitaciones sobre la cuenca y caudales de una cuenca de similares características.

También se pueden estimar los caudales que circulan por el río a partir de los caudales turbinados por una central próxima, siempre y cuando ambas centrales tengan más o menos la misma aportación y la central de la que se toman los datos esté bien dimensionada y además su caudal de equipamiento no esté condicionado por la infraestructura propia de la central (canal de derivación, tubería forzada etc).

En cualquier caso, se deben obtener datos de caudales correspondientes a una serie de años lo suficientemente amplia como para incluir años secos, normales y húmedos.

Para caracterizar hidrológicamente los años para los que se dispone de registro de caudales, se debe recopilar la información de lluvias de las estaciones meteorológicas del entorno, realizando un cálculo correlativo de lluvias y caudales para comprobar si existe relación entre la aportación de lluvias y los caudales registrados. En la figura se muestra, un ejemplo de distribución de precipitaciones para una serie de 15 años.

Datos de precipitacion anual clasificados

Una vez determinados los años normales se toman los caudales correspondientes a esos años y se calculan los caudales medios diarios. A partir de estos caudales medios diarios se construye la curva de caudales clasificados, que indica el número de días del año en los


que circula un caudal determinado por el río. En la figura 18 pueden verse una curva de caudales medios diarios y su correspondiente curva de caudales clasificados.

Curva de caudales medios diarios y de caudales clasificados

El caudal de equipamiento de la central se establece a partir de la curva de caudales clasificados.

En esta curva hay que descontar el caudal ecológico, que es el caudal que debe circular como mínimo por el río durante todo el año.

El caudal ecológico suele indicarlo el Organismo de Cuenca o las Diputaciones Forales. En el caso de no ser así, una buena estimación es considerar el caudal ecológico igual al 10% del caudal medio interanual.

Una vez que se le ha descontado el caudal ecológico a la curva de caudales clasificados, se elige el posible caudal de equipamiento en el intervalo de la curva comprendido entre el Q80 y el Q100, siendo el Q80 el caudal que circula por el río durante 80 días al año y el Q100 el que circula durante 100 días al año (figura ).


Curva de caudales clasificados

Para los posibles caudales comprendidos en este intervalo, se hace una estimación de las horas de funcionamiento de la central, siempre teniendo en cuenta el tipo de turbina que se proyecte instalar.

Cada tipo de turbina tiene un rango de funcionamiento con un caudal máximo y otro mínimo por debajo del cual la turbina no funcionaría con rendimiento aceptable.

Este caudal mínimo es aproximadamente:

• Para turbinas PELTON : 10% Qequipamiento

• Para turbinas KAPLAN : 25% Qequipamiento

• Para turbinas FRANCIS : 40% Qequipamiento

Una vez que se ha elegido el tipo de turbina, se estiman las producciones que se obtendrían para cada posible caudal de equipamiento.

No siempre se elige el caudal que proporciona mayor producción, ya que hay que tener en cuenta también la inversión necesaria en cada caso. Puede ocurrir que la diferencia de kWh generados de una a otra variante, no compense el incremento de inversión que hay que realizar.

En ocasiones, el caudal de equipamiento está condicionado por la infraestructura existente en la minicentral. Este sería el caso de las minicentrales que tienen un canal de derivación con una capacidad de transporte inferior al caudal de equipamiento deducido a partir de la curva de caudales clasificados. En este caso, la inversión necesaria para acondicionar el canal puede hacer inviable la reconstrucción de la minicentral y por consiguiente, se opta por un caudal de equipamiento igual al caudal máximo que puede transportar el canal de derivación.


3.5.- POTENCIA DE SALTO

La potencia eléctrica teórica que puede generar una central, viene dada por la expresión:P = 9,81 · Q · Hn

donde:P : Potencia instalada en kWQ : Caudal en m3/sHn : Salto neto en m

La producción de la minicentral puede estimarse, en una primera aproximación, multiplicando esta potencia por el número previsto de horas de funcionamiento.Sin embargo la potencia a la salida de la minicentral es igual a:

P = 9,81 · Q · Hn · esiendo e = ht · hg · htrdonde:e : Factor de eficiencia de la minicentralht : Rendimiento de la turbinahg : Rendimiento del generadorhtr : Rendimiento del transformador

Los rendimientos de las turbinas, generadores y transformadores son facilitados por los fabricantes de los propios equipos. En un primer estudio, sin embargo, puede tomarse como factor de eficiencia de la minicentral un valor próximo a 0,8.

3.6.- TIPO DE CENTRALES

1.- SEGÚN LAS INSTALACIONES

A) Centrales de agua fluyentes

En estas centrales, el agua a turbinar se capta del cauce del río por medio de una obra de toma, y una vez turbinada, se devuelve al río en un punto distinto al de captación.

Centrales pueden ser alimentadas atraves de un canal o galeria a pelo libre. Termina en una camara de carga conectadas con las turbinas por intermedio de una o mas tuberias forzadas.

Y centrales alim,entadas atraves de una galeria a presión.


Esquema de una central de agua fluyente

Los elementos principales de estas instalaciones que pueden observarse en la figura anterior son:

1 Azud2 Toma de agua3 Canal de derivación4 Cámara de carga5 Tubería forzada6 Edificio con su equipamiento electromecánico (casa de maquinas)7 Canal de salida

b) Centrales a pie de Presa (de paso o flujo regulado)

Son centrales con regulación. El agua a turbinar se almacena mediante una presa.


No tienen tuberias forzadas por encontrarse las turbinas en una central ubicada en el mismo rio.

Esquema de una central de pie de presa

Son elementos principales de estas centrales:

1 Presa2 Toma de agua3 Tubería forzada4 Edificio con su equipamiento electromecánico5 Canal de salida

B.- SEGÚN LA MAGNITUD DEL SALTO

a. Poca altura hasta 20m.


b. Altura media 20-50m.

c. Gran altura > 50m.

C) SEGÚN LA POTENCIA

a. Microcentrales Pmax. 99Kw.

b. pequeñas centrales Pmax. 100-999Kw.

c. medianas centrales Pmax. 1000-9,999 Kw.

d. Grandes Centrales Pmax. >10,000 Kw.

Hidroenergia Clases I.docx

Documents

Transcript of Hidroenergia Clases I.docx