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Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas Reversibles.

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Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas Reversibles.

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Profesores:

• Marcelo Rojas Coronel, Universidad Señor deSIPAN – Chiclayo – Perú,

• Jesús Alberto Pérez Mesa, EAFIT

• Víctor Hugo Sánchez, Argemiro Collazos yRamiro Ortiz F – UNIVALLE.

Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas

Reversibles.

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Contenido:1. Importancia de las MicroCHE en el desarrollo rural. 2. Las MicroCHE en el contexto rural de Perú. 3. Estudios y obras civiles de las MicroCHE .4. Aplicación de las máquinas reversibles en MicroCHE.5. La Bomba como turbina - PUT. 6. Modelación Numérica de una PUT.7. El motor asíncrono como generador. 8. Estabilidad electromecánica.

Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas

Reversibles.

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Agenda:

Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas

Reversibles.HORA JUEVES VIERNES

8 - 9 Importancia de las MicroCHE Modelación Numérica de una PUT

9 - 10 Las MicroCHE en el Perú Obras civiles de las MicroCHE

10 - 11 Estudios de las MicroCHE El motor asíncrono como generador

11 - 12 Las máquinas reversibles en MicroCHE.

Estabilidad electromecánica

RECESO

2 - 4 La Bomba como turbina - PUT Práctica de laboratorio.

4 - 6 Práctica de laboratorio. Práctica de laboratorio.

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Prof´s: Víctor Hugo Sánchez MsC, Argemiro Collazos MsC y Ramiro Ortiz F Ramiro Ortiz Flórez (PhD)

Laboratorio de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas.

Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica – [email protected],

[email protected],

[email protected];

Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas

Reversibles.

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Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM).

En la Cumbre del Milenio de las Naciones Unidasrealizada en septiembre del 2000, los líderesmundiales dieron al desarrollo un lugar centraldentro del plan de acción mundial al suscribir laDeclaración del Milenio, de la cual luegoextrajeron los Objetivos de Desarrollo delMilenio (ODM).

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Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM).

Los ODMs plantean metas concretas con plazosestablecidos para reducir drásticamente lascondiciones de extrema pobreza en susmúltiples dimensiones hasta el año 2015:pobreza de ingresos, hambre, enfermedades,exclusión, falta de infraestructura y refugio; almismo tiempo promueven la igualdad degénero, la educación, la salud y la sostenibilidaddel medio ambiente.

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Los Objetivos de Desarrollo del Milenio

1. Erradicar la pobreza extrema y el hambre.

2. Lograr la enseñanza primaria universal.

3. Promover la igualdad entre los géneros y laautonomía de la mujer.

4. Reducir la mortalidad infantil.

5. Garantizar la sostenibilidad del medio ambiente.

6. Fomentar una asociación mundial para eldesarrollo.

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Nuevo mandamiento

ELPAIS.com >Sociedad

El Vaticano considera "pecado grave" atentar contra el medio ambiente.El cardenal Martino dice que hace falta "un cambio de vida en Occidente" para comprender la importancia del equilibrio de la naturaleza EFE - Roma - 07/06/2007

http://www.elpais.com/articulo/sociedad/Vaticano/considera/pecado/grave/atentar/medio/ambiente/elpepusoc/20070607elpepusoc_3/Tes

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DESARROLLO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO SUS

RECURSOS HIDROENERGÉTICOS EN PEQUEÑA ESCALA.

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Tipo Potencia (kW) Usuario

Picocentrales (PicoCHE) 0,5 y 5 Finca o similar

Microcentrales (MicroCHE) 5 y 50 Caserío

Minicentrales (MiniCHE) 50 y 500 Cabecera municipal

Pequeñas Centrales (PCH) 500 y 10000 Municipio

Clasificación para pequeños aprovechamientos

hidroenergéticos según la capacidad instalada y el

tipo de usuario en las ZNI (fuente: OLADE).

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Proyecto PCH

Costos en miles Características

US$ US$/KwPotencia

(kW)

Caudal

(m3/s)

Caída

(m)

Taraira 225 7,5 30

La Chorrera 205,7 1,18 2*87.5 2,2 12

Pizarro 3900 5,9 3*220 17 4,9

Jurado 8000 8,0 1*500, 2*250 5,4 23,6

San Pedro 22150 1,38 2*8000 24 80

Guapi

(propuesto)25000 1,22 3*6000 23,7 91,1

Mitú 26397 14,6 1800 71 2,7

Costos de construcción de PCH´S realizados en las ZNI

(tomado de la página: www.ipse.gov.co/).

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Ítem PCH (1,5 MW, 14 m)

Trabajos de montaje y

construcción.

30 –35

Equipo electromecánico. 50 – 60

Estudios y diseño. 10 - 15

Distribución porcentual de los costos de

construcción de una PCH (datos procesados y

tomados de la International Energy Commission).

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Costo por kilowatt instalado para Mini CHE en función de la caída (THERMIE)

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Zonas No Interconectada (fuente IPSE)

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2. Estudios de las MicroCHE.

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Proceso de conversión de energía

Regulador de caudal

Regulador de tensión

Energía mecánica

Energía hidráulica

Energía eléctrica

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Mini CHE en derivación de alta caída.

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Mini CHE en derivación de alta caída.

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la potencia hidráulica total ,

dada en kilowatts es igual a:

QHP estH 81,9

donde: Q es el caudal dado en

(m3/s) y H es la caída en (m).

La potencia hidráulica

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Tipos de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas

TipoCaída (m)

Baja Media Alta

Micro H>15 15<H<50 H>50

Mini H<20 20<H<100 H>100

Pequeña H<25 25<H<130 H>130

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Demanda de energía

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Cartografía

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PLANO GENERAL

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Medición de la caída.

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Clinómetro

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Plano cartográfico

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Opciones de aprovechamiento

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Perfil de la tubería.

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Hidrología

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Histograma

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 20 40 60 80 100 120 140

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Curva de frecuencia

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

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Curva de frecuencias y probabilidades.

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Medición de caudal.

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Potencia y Energía.

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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Energía firmeEnergía adicional

Hidroenergía

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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Energía firme

PotInst

Hidro

Adicc

Hidro

Firme

HidroHidro

E

EEFC

Energía adiccional

Factor de carga Hidroenergético

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3.Obras civiles de las MicroCHE

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MiniCHE en derivación

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Obras hidráulicas de la MiniCHE

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MiniCHE en derivación

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Mini CHE en derivación de baja caída.

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Bocatoma Tirol

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Bocatoma Tirol

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Bocatoma Tirol

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Bocatoma Tirol

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Bocatoma Tirol

La toma temporal sobre el río Misicuni es una toma de hormigón ciclópeo, tipo tirolesa, con capacidad de 1 m3/s, un vertedero lateral, canales, un desarenador, una cámara de distribución y dos líneas de tubería tipo alvenius de 400 mm de diámetro y de 450 m de longitud hasta el portal Bocatoma.

www.misicuni.net/.../images/toma-temporal-01.jpg

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Bocatoma lateral.

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Bocatoma lateral.

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Bocatoma lateral

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Bocatoma lateral.

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Bocatoma lateral

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Bocatoma lateral

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Desarenador

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Desarenador

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Desarenador

www.chavimochic.gob.pe/.../Fotos/Camara4.JPG

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Desarenador

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Desarenador

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Conducción.

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Canal

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Canal

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Canal

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Canal

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Rebosadero

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Tanque de carga

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Tanque de carga

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Tanque de carga

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Tanque de carga

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Conducción a presión.

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Conducción a presión.

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Conducción a presión.

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Conducción a presión.

www.panoramio.com/photo/20488870

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Conducción a presión.

www.panoramio.com/photo/20488870

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Conducción a presión.

hercules.cedex.es/.../Ecuador/phase_obras.htm

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Apoyos.

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Apoyos

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Anclajes.

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Anclajes.

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Selección del diámetro de la tubería.

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Accesorios.

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Válvulas

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Válvulas

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Equipo electro mecánico.

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Turbina Francis

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Turbina Francis

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Turbina Pelton

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Turbina Pelton

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Turbina Michel - Banki

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Turbina Michel - Banki

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Turbina Kaplan

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Turbina Kaplan

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Turbina de reacción y de acción.

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Rango de operación de las turbinas.

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Rango de operación de las turbinas.

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Generador eléctrico.

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Generador sincrónico.

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Generador asíncrono.

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4. BOMBAS COMO

TURBINAS

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Máquinas reversibles operando en modo motobomba y en modo turbina generador

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Costo por unidad de potencia para proyectos de generación hidroeléctrica en pequeña escala.

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Curva de eficiencia de la bomba en modo directo e inverso

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Cuidados en el uso de PUT.

Por ello deben verificarse las siguientescondiciones de operación en modo turbina yelementos de diseño:• Velocidad de embalamiento..• Cavitación.• Requerimientos en el diseño. cambiar el

sentido de las roscas, chequear los límites depresión de la carcasa, verificar que el eje puedaresistir el torque ejercído y que los cojinetes seajustan a la nueva velocidad.

• Regulación de la potencia mecánica.

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Sentido de las roscas

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Velocidades a la entrada y salida de la turbina.

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Velocidades a la entrada y salida de la bomba.

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Métodos a partir de las características hidráulicas en el modo bomba

Los autores de este método, indican que las condiciones de caudal, altura y eficiencia

entre el modo bomba y modo turbina, están relacionados a través de coeficientes, de la

siguiente forma:

BQT QKQ , BHT HKH y BT K;

donde:

TQ y BQ son los caudales en el punto de óptima eficiencia como turbina y como bomba.

TH y BH son las alturas en el punto de óptima eficiencia como turbina y como bomba.

T y B son las eficiencias hidráulicas como turbina y como bomba.

QK , HK y K son los coeficientes de caudal, altura y eficiencia que relacionan los dos

modos respectivamente

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Coeficientes para caudal, altura y eficiencia en función de eficiencia de la bomba.

Referencia QK HK

K

Stephanoff [1] B

1

B

1

1

Mc. Claskey [1] B

1

B

1

1

Sharma- Williams

[2] 8.0

1

B 2.1

1

B 1

BUTU [1] 205.02

385.085.05.9

5

B

B

385.085.0

15

B B

03.01

MICI [3] 0,9 - 1,0 1,56 - 1,78 0,75 - 0,80

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Métodos a partir de la velocidad específica en el modo bomba.

Los investigadores Mijailov 0. Audicio y Augusto Nelson Carvalo han encontrado

que las condiciones de caudal, altura y eficiencia entre el modo bomba y modo turbina,

están relacionados a través de la velocidad específica qBn . La cual se determinan

prácticamente de igual forma, pero con diferentes unidades, de la siguiente forma:

Mijailov: 75.0

B

BB

qBH

Qnn ; donde Bn [rpm], BQ [m³/s] y BH [m].

Audicio: 75.01673B

BB

qBH

Qnn ; donde Bn [rpm], BQ [l/s] y BH [m].

Carvalo: 75.0

310

gH

Qnn

B

BB

qB ; donde Bn [rps], BQ [m3/s] y BH [m].

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Coeficientes para caudal, altura y eficiencia en función de la velocidad específica

Referencia QK HK

K

Mijailov

[5] 292.3078.0 qBn

112.3078.0 qBn

96.00014.0 qBn

0. Audicio

[4] 25.0

21.1 B 3.028.0

ln6.0121.1 qBB n

25.027.0ln5.0195.0 qBB n

Carvalo

[6]

2246.10114.010*5225

qBqB nn

7688.00214.010*2

225

qBqB nn N.A.

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Características de caudal y altura de la bomba a seleccionar, eficiencia y potencia en el modo

turbina.

Referencia Sn QK

HK

K

BQ [l/min

]

BH [m]

T [%]

TP [Kw]

HP [Kw

]

Tipo

Stephanoff N.A. 1,17 1,37 1,0 940 33 0,73 5,9 8.9 2.0*2.0*9.5

Mc.

Claskey N.A. 1,37 1,37 1,0 803 33 0,73 5,9 8.9 2.0*2.0*9.5

Sharma-

Williams N.A. 0,78 0,69 1,0 1415 66 0,73 5,9 8.9 5*6*13.5

BUTU N.A. 1,94 1,78 0,96 568 25 0,70 5,7 8.9 2.0*2.0*9.5

MICI N.A. 0,9 1,56 0,75 1222 29 0,55 4,4 8.9 3.0*3.0*11.0

Mijailov 13,6 4,36 4,18 0,98 253 11 0,71 5,8 8.9 1.5*1.5*5.5

0. Audicio 1,65 1,31 1,97 0,64 840 23 0,47 3,8 8.9 2.0*2.0*9.5

Augusto

Carvalo 42,2 0,86 0,83 1 1279 54 0,73 5,9 8.9 5*6*13.5

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Worthington, D – 814 3*2*8

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Resultados de las pruebas realizadas a la bomba (Worthington, D – 814 3*2*8)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

15 20 25 30 35 40 45

Q(H

), V

(H),

P M

ec (

H)

y E

ficie

ncia

H (m)Q (m3/min) v (m3/s) P Mec (kW) Ef iciencia (H/E)

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Resultados de la simulación con CFD para la (bomba Worthington, D – 814 3*2*8)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

15 20 25 30 35 40 45

Q(H

), V

(H),

Po

t M

ec (

H)

y E

ficie

ncia

(H

)

H (m)Q [m3/min] V [m/s] Pot Mec [KW] Ef iciencia

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Bomba Halberg NOWA, tipo 8020, 4*3*8

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Adecuaciones para reducir flujos parásitos en la bomba centrifuga (bomba Halberg NOWA, tipo

8020, 4*3*8)

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Resultados de la simulación con CFD (bombaHalberg NOWA, tipo 8020, 4*3*8).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10 15 20 25 30

Q(H

), V

(H),

Po

t M

ec (

H)

y E

ficie

ncia

(H

)

H (m)Q (m3/min) V (m/s) Pot Mec (KW) Eficiencia

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Re manufacturación del Impeler

El resultado del rediseño y la manufactura de losimpelers para las dos bombas del laboratorio noarrojó los mejores resultados. El impeler que mejorcomportamiento por unidad de potencia lo obtuvoel modelo convergente, que se aproximó a lapotencia generada por el impeler original de labomba.

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Re manufacturación Worthington, D –814 3*2*8

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Re manufacturación Worthington, D –814 3*2*8

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Re manufacturación Halberg NOWA, tipo 8020, 4*3*8

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El Generador Asíncrono.

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Motor asíncrono operando en modo generador

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Generador asíncrono GA.

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Generado asíncrono GA.

La máquina asíncrona se caracteriza por surobustez y bajo costo por unidad de potencia.Como generador se destaca, porque no requiereequipo de sincronización, posee capacidad desobrevelocidad y protección inherente contracortocircuitos; no obstante su principaldesventaja es que requiere de una fuenteexterna de reactivos.

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GA con condensador de excitación.

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Diagrama equivalente y característica en vacío de autoexcitación GA

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Motores asíncronos de prueba.Marca ABB WEG Siemens

Equipo Nuevo Nuevo Usado

Tipo Alta eficiencia Normal Normal

No de fases 3 3 3

Referencia M2QA112L4A 1001748767 XX

FP 0,84 0,83 0,80

Tensión (V) 220/440 220/440 220/440

Corriente máx (A) 20,4/10,2 26,6/13,3 15/7,5

Corriente vacío (A) 9,50 6.0 2,90

Potencia (kW) 5,50 7,40 5,50

Velocidad (rpm) 1730,00 1760,00 1730,00

Número de devanados 6 6 6

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Pruebas de vacío y corto para los motores asíncronos

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Capacitores requeridos según la carga

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Condensadores mínimos necesarios para excitar los generadores

Motor

Cg (µF). Cg” (µF).

Calcula

do

Registrado

(interconectado)

Prueba

(aislado)Calculado

Prueba (aislado)

Con flujo Sin

flujo

Siemens 13.50 12.57 16.0 2.7 10 40

ABB40.10 44.42 76.0 8.0 35 90

WEG 26.06 47.32 23.5 5.2 20 60

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Deslizamiento en función de la relación entre la potencias como generador y

motor.

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GA auto excitado y auto regulado.

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Caída de tensión en los condensadores serie

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GA auto excitado y auto regulado con TI´s.

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Condensadores para la autoregulacióncon TI´s (100/1).

Relació

n en el

TI

Condensador para autoregulación y corriente en el

secundario del TI

Siemens ABB WEG

Ck2 (µF)Ik2

(Amp)Ck2 (µF)

Ik2

(Amp)

Ck2

(µF)

Ik2

(Amp)

1 1109,7 20,4 1364,1 26,6 542,6 15,00

5 44,4 4,08 54,6 5,32 21,7 3,0

10 11,1 0,41 13,6 0,53 5,4 0,3

20 2,8 0,02 3,4 0,03 1,4 0,02

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GA auto excitado y auto regulado con TI´s.

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Generador aislado.

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Generador aislado.

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Generador aislado.