La microcentral hidroeléctrica es un tipo de energía hidroeléctrica que normalmente produce de 5 kW a 100 kW de electricidad utilizando el flujo natural del agua. Las instalaciones por debajo de los 5 kW se denominan picocentrales hidroeléctricas . [1] Estas instalaciones pueden proporcionar energía a una casa aislada o una pequeña comunidad, o a veces están conectadas a redes de energía eléctrica, en particular donde se ofrece medición neta . Hay muchas de estas instalaciones en todo el mundo, en particular en países en desarrollo, ya que pueden proporcionar una fuente económica de energía sin la compra de combustible. [2] Los sistemas microhidroeléctricos 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. La microcentral hidroeléctrica se logra con frecuencia con una rueda Pelton para el suministro de agua de alto salto y bajo caudal. La instalación es a menudo [ ¿cuándo? ] [ ¿dónde? ] solo una pequeña piscina represada , 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 bajo salto, [ ejemplo necesario ] generalmente se utilizan ruedas hidráulicas y tornillos de Arquímedes . [ cita requerida ]
Los detalles de construcción de una planta microhidráulica dependen del lugar. A veces, ya existe un estanque de molino u otro depósito artificial que se puede adaptar para la producción de energía. En general, los sistemas microhidráulicos se componen de varios componentes. [3] Los más importantes incluyen la toma, donde se desvía el agua del arroyo natural, río o quizás una cascada. Se requiere una estructura de toma, 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 toma puede tener una compuerta para permitir que el sistema se desagote para su inspección y mantenimiento.
La toma se lleva luego a través de un canal y luego a un depósito de agua. El depósito de agua se utiliza para retener sedimentos. En la parte inferior del sistema, el agua se canaliza a través de una tubería ( tubería forzada ) hasta el edificio de la central eléctrica que contiene una turbina . La tubería forzada acumula presión a partir del agua que ha viajado hacia abajo. En las zonas montañosas, el acceso a la ruta de la tubería forzada puede presentar desafíos considerables. Si la fuente de agua y la turbina están muy separadas, la construcción de la tubería forzada puede ser la parte más grande 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 descarga. La turbina hace girar un generador , que luego se conecta a cargas eléctricas ; esto podría estar conectado directamente al sistema de energía de un solo edificio en instalaciones muy pequeñas, o puede estar conectado a un sistema de distribución comunitario para varias casas o edificios. [3]
Por lo general, las instalaciones microhidráulicas no cuentan con presa ni embalse, como las grandes centrales hidroeléctricas , y dependen de un caudal mínimo de agua para estar disponible durante todo el año.
Los sistemas microhidráulicos se instalan normalmente en áreas capaces de producir hasta 100 kilovatios de electricidad. [4] Esto puede ser suficiente para abastecer una casa o una pequeña empresa. Este rango de producción se calcula en términos de "altura" y "caudal". Cuanto mayor sea cada uno de estos, más energía disponible. La altura hidráulica es la medida de la presión del agua que cae en una tubería expresada como una función de la distancia vertical que cae el agua. [4] Este cambio de elevación se mide generalmente 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, se deben considerar tanto la altura bruta como la neta. [5] La altura bruta aproxima la accesibilidad a la energía a través de la medición de la distancia vertical únicamente, mientras que la altura neta resta la presión perdida debido a la fricción en la tubería de la altura bruta. [5] El "caudal" 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 bajo caudal y altura alta en terrenos empinados tienen costos de tuberías significativos. Una tubería forzada larga comienza con una tubería de baja presión en la parte superior y progresivamente con una tubería de mayor presión más cerca de la turbina para reducir los costos de las tuberías.
La potencia disponible, en kilovatios, de un sistema de este tipo se puede calcular mediante la ecuación P=Q*H/k, donde Q es el caudal en galones por minuto, H es la carga estática y k es una constante de 5310 gal*ft/min*kW. [7] Por ejemplo, para un sistema con un caudal de 500 galones por minuto y una carga estática de 60 pies, la potencia máxima teórica de salida es de 5,65 kW. El sistema no puede alcanzar una eficiencia del 100 % (obtener los 5,65 kW) debido a factores del mundo real, como: la eficiencia de la turbina, la fricción en la tubería y la conversión de energía potencial a cinética. La eficiencia de la turbina suele estar entre el 50 y el 80 %, y la fricción de la tubería se tiene en cuenta utilizando la ecuación de Hazen-Williams . [8]
Por lo general, un controlador automático opera la válvula de entrada de la turbina para mantener una velocidad (y frecuencia) constantes cuando cambia la carga en el generador. En un sistema conectado a una red con múltiples fuentes, el control de la turbina garantiza que la energía siempre fluya desde el generador hacia el sistema. La frecuencia de la corriente alterna generada debe coincidir con la frecuencia estándar local de la red eléctrica . 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 la turbina lo impulse a una velocidad superior a la velocidad sincrónica para que genere energía en lugar de consumirla. Otros tipos de generadores pueden utilizar sistemas de control de velocidad para la adaptación de frecuencias.
Gracias a la disponibilidad de la electrónica de potencia moderna, suele ser más fácil hacer funcionar el generador a una frecuencia arbitraria y enviar su salida a través de un inversor que produce una salida a la frecuencia de la red. La electrónica de potencia permite ahora el uso de alternadores de imanes permanentes que producen corriente alterna descontrolada para estabilizarla. Este enfoque permite que las turbinas de baja velocidad y baja caída de agua sean competitivas; pueden funcionar a la mejor velocidad para la extracción de energía y la frecuencia de la potencia está controlada por la electrónica en lugar del generador.
Las instalaciones muy pequeñas ( picohidráulicas ), de unos pocos kilovatios o menos, pueden generar corriente continua y cargar baterías para las horas de uso pico. [ cita requerida ]
En las microcentrales hidroeléctricas se pueden utilizar varios tipos de turbinas hidráulicas , cuya selección depende de la altura de caída del agua, el volumen del caudal y factores como la disponibilidad de mantenimiento local y el transporte de equipos hasta el lugar. En las regiones montañosas donde puede haber una cascada de 50 metros o más, se puede utilizar una rueda Pelton . En las instalaciones con poca altura de caída, se utilizan turbinas Francis o de hélice . En las instalaciones con poca altura de caída, de sólo unos pocos metros, se pueden utilizar turbinas de hélice en un pozo, o ruedas hidráulicas y tornillos de Arquímedes. En las microcentrales hidroeléctricas pequeñas se pueden utilizar con éxito bombas centrífugas industriales que funcionan en sentido inverso como motores primarios; aunque la eficiencia puede no ser tan alta como la de un rodete construido especialmente, el coste relativamente bajo hace que los proyectos sean económicamente viables.
En instalaciones de baja presión, los costos de mantenimiento y de mecanismos pueden ser relativamente altos. Un sistema de baja presión mueve mayores cantidades de agua y es más probable que encuentre residuos en la superficie. Por esta razón, una turbina Banki, también llamada turbina Ossberger , una rueda hidráulica de flujo cruzado autolimpiante presurizada, suele ser la preferida para los sistemas microhidroeléctricos de baja presión. Aunque menos eficiente, su estructura más simple es menos costosa que otras turbinas de baja presión de la misma capacidad. Dado que el agua fluye hacia adentro y luego hacia afuera, se limpia a sí misma y es menos propensa a atascarse con residuos.
Los sistemas microhidráulicos son muy flexibles y pueden implementarse en distintos entornos. Dependen de la cantidad de caudal de agua que tenga la fuente (arroyo, río, corriente) y de la velocidad del flujo de agua. La energía puede almacenarse en bancos de baterías en sitios que estén lejos de una instalación o usarse además de un sistema que esté conectado directamente, de modo que en épocas de alta demanda haya energía de reserva adicional disponible. Estos sistemas pueden diseñarse para minimizar el impacto ambiental y comunitario que suelen causar las grandes represas u otros sitios de generación hidroeléctrica masiva. [15]
En relación con el desarrollo rural , la simplicidad y el bajo costo relativo de los sistemas microhidroeléctricos abren nuevas oportunidades para algunas comunidades aisladas que necesitan electricidad. Con solo un pequeño caudal de agua, las áreas remotas pueden acceder a iluminación y comunicaciones para hogares, clínicas médicas, escuelas y otras instalaciones. [16] La microhidroeléctrica puede incluso hacer funcionar un cierto nivel de maquinaria que apoya a las pequeñas empresas. Las regiones a lo largo de las montañas 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 aumenta la posibilidad de incentivos financieros para procesos menos intensivos en carbono , el futuro de los sistemas microhidroeléctricos puede volverse más atractivo.
Las instalaciones microhidráulicas también pueden ofrecer múltiples usos. Por ejemplo, en los proyectos microhidráulicos en las zonas rurales de Asia se han incorporado instalaciones de procesamiento agrícola, como molinos de arroz, junto con la electrificación estándar, en el diseño del proyecto.
El coste de una microcentral hidroeléctrica puede estar entre 1.000 y 5.000 dólares estadounidenses por kW instalado [ cita requerida ]
La energía microhidráulica se genera mediante un proceso que utiliza el flujo natural del agua. [17] Esta energía se convierte más comúnmente en electricidad. Dado que no hay emisiones directas resultantes de este proceso de conversión, los efectos nocivos para el medio ambiente son mínimos o nulos, si se planifica bien, suministrando así energía a partir de una fuente renovable y de manera sostenible . La microhidráulica se considera un sistema de " flujo de agua ", lo que significa que el agua desviada del arroyo o río se redirige nuevamente al mismo curso de agua. [18] A los posibles beneficios económicos de la microhidráulica se suman la eficiencia, la confiabilidad y la rentabilidad. [18]
Los sistemas microhidroeléctricos están limitados principalmente por las características del lugar. La limitación más directa proviene de las pequeñas fuentes con un caudal minúsculo. Asimismo, el caudal puede fluctuar estacionalmente en algunas zonas. Por último, aunque quizás la desventaja más importante sea la distancia entre la fuente de energía y el lugar donde se necesita energía. Esta cuestión de distribución, así como las otras, son clave a la hora de considerar el uso de un sistema microhidroeléctrico.
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