La microhidráulica es un tipo de energía hidroeléctrica que normalmente produce de 5 kW a 100 kW de electricidad utilizando el flujo natural de agua. Las instalaciones inferiores a 5 kW se denominan picohidráulicas . [1] Estas instalaciones pueden proporcionar energía a un hogar aislado o una pequeña comunidad, o algunas veces están conectadas a redes de energía eléctrica, particularmente donde se ofrece medición neta . Hay muchas de estas instalaciones en todo el mundo, particularmente en países en desarrollo, ya que pueden proporcionar una fuente de energía económica sin la compra de combustible. [2] Los sistemas microhidráulicos complementan los sistemas de energía solar fotovoltaica.porque en muchas áreas el flujo de agua, y por lo tanto la energía hidroeléctrica disponible, es mayor en el invierno cuando la energía solar es mínima. Micro hidro frecuencia se logra con una rueda Pelton para alta cabeza , suministro de agua bajo flujo. La instalación suele ser solo una pequeña piscina con represa , en la parte superior de una cascada, con varios cientos de pies de tubería que conducen a una pequeña carcasa de generador. En sitios de baja altura, generalmente se utilizan ruedas hidráulicas y tornillos de Arquímedes.
Construcción
Los detalles de construcción de una planta microhidro son específicos del sitio. A veces, un molino-estanque existente u otro depósito artificial está disponible y puede adaptarse para la producción de energía. En general, los sistemas microhidro se componen de varios componentes. [3] Los más importantes incluyen la toma donde el agua se desvía del arroyo natural, río o quizás una cascada. Se requiere una estructura de entrada, como una caja de captura, para filtrar los desechos flotantes y los peces, utilizando una pantalla o una serie de barras para mantener alejados los objetos grandes. En climas templados, esta estructura también debe resistir el hielo. La entrada puede tener una compuerta para permitir que el sistema se deshidrate para su inspección y mantenimiento.
Luego, la ingesta se lleva a través de un canal y luego a la bahía. La cámara de carga se utiliza para la retención de sedimentos. En la parte inferior del sistema, el agua se canaliza a través de una tubería ( compuerta ) hasta el edificio de la casa de máquinas que contiene una turbina . La compuerta acumula presión a partir del agua que ha bajado. En áreas montañosas, el acceso a la ruta de la compuerta puede presentar desafíos considerables. Si la fuente de agua y la turbina están muy separadas, la construcción de la compuerta puede representar la mayor parte de los costos de construcción. En la turbina, se instala una válvula de control para regular el flujo y la velocidad de la turbina. La turbina convierte el flujo y la presión del agua en energía mecánica; el agua que emerge de la turbina regresa al curso de agua natural a lo largo de un canal de desagüe. La turbina hace girar un generador , que luego se conecta a cargas eléctricas ; esto puede estar conectado directamente al sistema de energía de un solo edificio en instalaciones muy pequeñas, o puede estar conectado a un sistema de distribución comunitaria para varias casas o edificios. [3]
Por lo general, las instalaciones microhidroeléctricas no tienen presa ni embalse, como lo tienen las grandes centrales hidroeléctricas , y dependen de un caudal mínimo de agua para estar disponible todo el año.
Características de altura y flujo
Los sistemas microhidro se instalan típicamente en áreas capaces de producir hasta 100 kilovatios de electricidad. [4] Esto puede ser suficiente para alimentar una casa o una pequeña empresa. Este rango de producción se calcula en términos de "altura" y "caudal". Cuanto más alto sea cada uno de estos, más potencia disponible. La altura hidráulica es la medida de la presión del agua que cae en una tubería expresada en función de la distancia vertical a la que cae el agua. [4] Este cambio en la elevación generalmente se mide en pies o metros. Se requiere una caída de al menos 2 pies o el sistema puede no ser factible. [5] Al cuantificar la altura, deben tenerse en cuenta tanto la altura bruta como la neta. [5] La altura bruta se aproxima a la accesibilidad de la energía a través de la medición de la distancia vertical solamente, mientras que la altura neta resta la presión perdida debido a la fricción en la tubería de la altura bruta. [5] "Flujo" es la cantidad real de agua que cae de un sitio y generalmente se mide en galones por minuto, pies cúbicos por segundo o litros por segundo. [6] Las instalaciones de flujo bajo / altura alta en terreno empinado tienen costos de tubería significativos. Una compuerta larga comienza con una tubería de baja presión en la parte superior y una tubería de presión progresivamente más alta más cerca de la turbina para reducir los costos de tubería.
La potencia disponible, en kilovatios, de dicho sistema se puede calcular mediante la ecuación P = Q * H / k, donde Q es el caudal en galones por minuto, H es la altura estática y k es una constante de 5310 gal * pies / min * kW. [7] Por ejemplo, para un sistema con un flujo de 500 galones por minuto y una altura estática de 60 pies, la salida de potencia máxima teórica es de 5,65 kW. El sistema no tiene una eficiencia del 100% (de obtener los 5,65 kW) debido al mundo real, como: eficiencia de la turbina, fricción en la tubería y conversión de energía potencial a cinética. La eficiencia de la turbina es generalmente entre 50-80% y la fricción de la tubería se toma en cuenta usando la ecuación de Hazen-Williams . [8]
Regulación y operación
Normalmente, un controlador automático opera la válvula de entrada de la turbina para mantener una velocidad (y frecuencia) constante cuando la carga cambia en el generador. En un sistema conectado a una red con múltiples fuentes, el control de la turbina asegura que la energía siempre fluya del generador al sistema. La frecuencia de la corriente alterna generada debe coincidir con la frecuencia de la red eléctrica estándar local . En algunos sistemas, si la carga útil en el generador no es lo suficientemente alta, se puede conectar automáticamente un banco de carga al generador para disipar la energía que no requiere la carga; Si bien esto desperdicia energía, puede ser necesario si no es posible controlar el flujo de agua a través de la turbina.
Un generador de inducción siempre funciona a la frecuencia de la red independientemente de su velocidad de rotación; todo lo que se necesita es asegurarse de que sea impulsado por la turbina más rápido que la velocidad síncrona para que genere energía en lugar de consumirla. Otros tipos de generadores pueden usar sistemas de control de velocidad para igualar la frecuencia.
Con la disponibilidad de la electrónica de potencia moderna, a menudo es más fácil operar el generador a una frecuencia arbitraria y alimentar su salida a través de un inversor que produce una salida a la frecuencia de la red. La electrónica de potencia ahora permite estabilizar el uso de alternadores de imanes permanentes que producen CA salvaje. Este enfoque permite que las turbinas de agua de baja velocidad / baja carga sean competitivas; pueden funcionar a la mejor velocidad para la extracción de energía, y la frecuencia de la energía es controlada por la electrónica en lugar del generador.
Las instalaciones muy pequeñas ( pico hidro ), de unos pocos kilovatios o menos, pueden generar corriente continua y cargar baterías para las horas pico de uso. [ cita requerida ]
Tipos de turbinas
Se pueden utilizar varios tipos de turbinas de agua en micro instalaciones hidroeléctricas, la selección depende de la altura de agua, el volumen de flujo y factores tales como la disponibilidad de mantenimiento local y el transporte de equipos al sitio. Para regiones montañosas donde puede estar disponible una cascada de 50 metros o más, se puede usar una rueda Pelton . Para instalaciones de baja altura, se utilizan turbinas tipo Francis o de hélice . Las instalaciones de muy poca altura de sólo unos pocos metros pueden utilizar turbinas de tipo hélice en un foso, o ruedas hidráulicas y tornillos de Arquímedes. Las pequeñas micro instalaciones hidroeléctricas pueden utilizar con éxito bombas centrífugas industriales, funcionar en reversa como motores primarios; Si bien la eficiencia puede no ser tan alta como la de un corredor especialmente diseñado, el costo relativamente bajo hace que los proyectos sean económicamente viables.
En instalaciones de baja carga, los costos de mantenimiento y mecanismo pueden ser relativamente altos. Un sistema de carga baja mueve grandes cantidades de agua y es más probable que encuentre escombros en la superficie. Por esta razón, una turbina Banki también llamada turbina Ossberger , una rueda hidráulica de flujo cruzado autolimpiante presurizado, a menudo se prefiere para sistemas microhidráulicos de baja altura. Aunque menos eficiente, su estructura más simple es menos costosa que otras turbinas de baja altura de la misma capacidad. Dado que el agua fluye hacia adentro y luego hacia afuera, se limpia solo y es menos propenso a atascarse con escombros.
- Turbina de tornillo (tornillo de Arquímedes inverso): dos esquemas de cabeza baja en Inglaterra, Settle Hydro y Torrs Hydro utilizan un tornillo de Arquímedes, que es otro diseño tolerante a los desechos. Eficiencia 85%.
- Gorlov : flujo libre de turbina helicoidal de Gorlov o flujo restringido con o sin presa, [9]
- Francis y turbinas de hélice. [10]
- Turbina Kaplan : Es una turbina tipo hélice de alto flujo y baja altura. Una alternativa a la turbina tradicional de Kaplan es una turbina VLH de flujo abierto inclinado, de imán permanente, de giro lento y de gran diámetro con eficiencias del 90%. [11]
- Rueda hidráulica: las ruedas hidráulicas avanzadas y la turbina de reacción hidráulica de la parte de la rueda pueden tener eficiencias hidráulicas del 67% y 85% respectivamente. La eficiencia máxima de la rueda de agua de sobreimpulso (eficiencia hidráulica) es del 85%. [12] [13] Las ruedas hidráulicas inferiores pueden funcionar con una carga muy baja, pero también tienen eficiencias por debajo del 30%. [14]
- Planta de energía de vórtice de agua por gravedad : parte del flujo del río en un vertedero o caída de agua natural se desvía hacia una cuenca redonda con una salida central en el fondo que crea un vórtice. La energía cinética mueve un rotor simple (y un generador conectado). Eficiencias del 83% al 64% a 1/3 parte del flujo. [ cita requerida ]
Usar
Los sistemas Microhydro son muy flexibles y se pueden implementar en varios entornos diferentes. Dependen de la cantidad de agua que fluye la fuente (arroyo, río, arroyo) y de la velocidad del flujo de agua. La energía puede almacenarse en bancos de baterías en sitios que están lejos de una instalación o usarse además de un sistema que está conectado directamente para que en momentos de alta demanda haya energía de reserva adicional disponible. Estos sistemas pueden diseñarse para minimizar el impacto comunitario y ambiental causado regularmente por grandes represas u otros sitios de generación hidroeléctrica masiva. [15]
Potencial de desarrollo rural
En relación con el desarrollo rural , la simplicidad y el bajo costo relativo de los sistemas microhidráulicos abren nuevas oportunidades para algunas comunidades aisladas que necesitan electricidad. Con solo un pequeño flujo necesario, las áreas remotas pueden acceder a la iluminación y las comunicaciones para hogares, clínicas médicas, escuelas y otras instalaciones. [16] Microhydro puede incluso ejecutar un cierto nivel de maquinaria para apoyar a las pequeñas empresas. Las regiones a lo largo de la Cordillera de los Andes y en Sri Lanka y China ya tienen programas activos similares. [16] Un uso aparentemente inesperado de tales sistemas en algunas áreas es evitar que los miembros jóvenes de la comunidad se muden a regiones más urbanas para estimular el crecimiento económico. [16] Además, a medida que crece la posibilidad de incentivos financieros para procesos menos intensivos en carbono, el futuro de los sistemas microhidro puede volverse más atractivo.
Las instalaciones microhidráulicas también pueden proporcionar múltiples usos. Por ejemplo, los proyectos microhidráulicos en las zonas rurales de Asia han incorporado instalaciones de procesamiento agrícola como molinos de arroz, junto con la electrificación estándar, en el diseño del proyecto.
Costo
El costo de una microcentral hidroeléctrica puede oscilar entre 1000 y 5000 dólares estadounidenses por kW instalado [ cita requerida ]
Ventajas y desventajas
Ventajas
La energía microhidro se genera a través de un proceso que utiliza el flujo natural de agua. [17] Esta energía se convierte más comúnmente en electricidad. Sin emisiones directas resultantes de este proceso de conversión, hay pocos o ningún efecto dañino en el medio ambiente, si se planifica bien, suministrando energía de una fuente renovable y de manera sostenible . Microhydro se considera un sistema de " pasada de río ", lo que significa que el agua desviada del arroyo o río se redirige al mismo curso de agua. [18] A los posibles beneficios económicos de la microhidrogenación se suma la eficiencia, la fiabilidad y la rentabilidad. [18]
Desventajas
Los sistemas microhidro están limitados principalmente por las características del sitio. La limitación más directa proviene de fuentes pequeñas con un flujo minúsculo. Asimismo, el flujo puede fluctuar estacionalmente en algunas áreas. Por último, aunque quizás la principal desventaja es la distancia entre la fuente de energía y el lugar que necesita energía. Este problema de distribución, así como los demás, son clave cuando se considera el uso de un sistema microhidráulico.
Ver también
- Pequeña hidroeléctrica hasta 10.000 kW
- Pico hidro hasta 5 kW
- Energía hidroeléctrica
- Energía renovable
- Energía sostenible
- Ruedas de agua
- Poder de vórtice
- Energía de vórtice de agua de gravedad
Referencias
- ^ TECNOLOGÍAS DE ENERGÍAS RENOVABLES: SERIE DE ANÁLISIS DE COSTOS (PDF) (Informe). Agencia Internacional de Energías Renovables . Junio de 2012. p. 11 . Consultado el 14 de enero de 2017 .
- ^ "Micro Hydro en la lucha contra la pobreza" . tve.org . TVE / ITDG. Noviembre de 2004. Archivado desde el original el 30 de julio de 2007 . Consultado el 14 de enero de 2017 .
- ^ a b "Cómo funciona un sistema Microhydro" . NOSOTROS DOE . Consultado el 28 de noviembre de 2010 .
- ^ a b "Sistemas Microhidroeléctricos" . NOSOTROS DOE . Consultado el 28 de noviembre de 2010 .
- ^ a b c "Micro sistemas hidroeléctricos" . DOE de Oregon. Archivado desde el original el 29 de noviembre de 2010 . Consultado el 1 de diciembre de 2010 .
- ^ "Determinación del flujo de un sitio potencial de microhidroenergía" . NOSOTROS DOE . Consultado el 28 de noviembre de 2010 .
- ^ "Preparando su terreno para la energía hidroeléctrica - Energía renovable" . motherearthnews.com . Noticias de la Madre Tierra . Febrero de 1986 . Consultado el 14 de enero de 2017 .
- ^ Pitt, Robert; Clark, Shirley (sin fecha). "Módulo 3e: Comparación de ecuaciones de flujo de tubería y pérdidas de carga en accesorios" (PDF) . eng.ua.edu . Facultad de Ingeniería de la Universidad de Alabama . Consultado el 14 de enero de 2017 .
- ^ Gorlov AM , Desarrollo de la turbina hidráulica de reacción helicoidal . Informe técnico final, Departamento de Energía de EE. UU., Agosto de 1998, Puente de información del Departamento de Energía (DOE): Información científica y técnica del DOE .
- ^ Premios Ashden. "Micro-hidro" . Archivado desde el original el 26 de abril de 2009 . Consultado el 29 de junio de 2009 .
- ^ "Hydrovision 2015" . vlh-turbine.com . Tecnologías MJ2. nd Archivado desde el original el 16 de enero de 2017 . Consultado el 14 de enero de 2017 .
- ^ Quaranta y Revelli (2015). "Potencia de salida y estimación de pérdidas de potencia para una rueda hidráulica sobrecargada". Energía renovable . 83 : 979–987. doi : 10.1016 / j.renene.2015.05.018 .
- ^ Quaranta y Muller (2017). "Ruedas hidráulicas Sagebien y Zuppinger para aplicaciones hidroeléctricas de muy baja carga". Investigación Hidráulica .
- ^ "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 26 de diciembre de 2017 . Consultado el 25 de diciembre de 2017 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ "Microhidro" . Instituto de Investigación en Energía Sostenible . Consultado el 9 de diciembre de 2010 .
- ^ a b c "Micro-hidro" . Premios Ashden a la Energía Sostenible. Archivado desde el original el 1 de noviembre de 2010 . Consultado el 20 de noviembre de 2010 .
- ^ "Microhydropower" (PDF) . NOSOTROS DOE . Consultado el 20 de noviembre de 2010 .
- ^ a b "Micro Hydro Power - Pros y contras" . Red de noticias de energía alternativa . Consultado el 24 de noviembre de 2010 .
enlaces externos
- Portal de energía microhidro
- SMART - Estrategias para promover la producción de electricidad hidroeléctrica a pequeña escala en Europa (proyecto financiado por la Comisión Europea, involucra a Italia, Croacia, Noruega, Grecia y Austria)
- Información de Micro Hydro , solicitud de rancho Dorado Vista
- Asociación europea de pequeñas centrales hidroeléctricas
- Micro Hydro Association Reino Unido
- Prospector de energía hidroeléctrica , Laboratorio Nacional de Ingeniería de Idaho
- Ganadores de los Premios Ashden de energía hidroeléctrica
- Ejemplo de un nuevo sistema microhidráulico de las Tierras Altas de Escocia
- Proyecto micro hidroeléctrico construido en casa
- Microhydro en Afganistán con dibujos de equipos
- Microhidráulica transportable Kourispower