hidroenergia clases 1

7/22/2019 Hidroenergia Clases 1

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA-SECCIÒN JAEN Curso: Hidroenergía

Escuela Profesional de Ingeniería Civil Ing. Juan A. Olano Guzmán

JAEN PERU





ENERGÍA Y ELECTRIFICACIÓN1.1.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, elviento, la generación de calor y es uno de los elementos más importantes para satisfacer lasnecesidades 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 seformaron 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 totalidadno 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 losrecursos 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 enzonas con vientos fuertes y constantes. Actualmente existen pequeñas instalacionesen todo el mundo, porque la tecnología necesaria esta en desarrollo. Una turbinaeólica 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 elcalentamiento de un fluido (ver figura 2.2), que a su vez se utiliza según sutemperatura, 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 sutransformación 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 laenergía 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) oganaderos, ya sea a través de la combustión directa o de procesos intermedios detransformación 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 aguacaliente 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 decargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable 25conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador estéaplicando en sus extremos.Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera elmovimiento 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, aldisponer 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 centraleseléctricas 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 ymantenimiento

(c )

confiabilidad

(d)comportamientoeconómiconacional

1.Hidroelectrica(con térmica)

alta bajos bajo Alta

2.Termoelectrica(Conhidroeléctrica)

baja Muy altos alta Muy baja

3. nuclear (contermoeléctrica) 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=γQ gH (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 comomotores.

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.





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 delos 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 artesanalminera tipo de ocupación, ingresos familiares proyectos comunales y regionales.

Procedimientos a seguir el Diseño de una Central Hidroeléctrica

Cálculo de la demanda energética

Determinación del caudal aprovechable.

Determinación del caudal de máxima avenida

Determinación de la caída neta

Diseño Hidráulico de las obras

Diseño 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 posteriormentepor 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





institucionales e industriales las mantendremos constantes para una inicial evaluación coneconomía 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 leagregamos un 5% por pérdidas en las redes eléctricas. Finalmente la demanda al año 15 aconsiderar 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.





a. Apoyos y bloques de anclajeLas tuberías que se encuentran a ciclo abierto requieren de estructuras deconcreto para sostenerse y apoyarse según la pendiente del terreno. El perfil de la

tubería y el trazado permiten determinar la ubicación de apoyos y estructuras quela sostienen y permiten el desplazamiento longitudinal por variación de latemperatura. La ubicación de los anclajes está determinada por las variaciones delterreno y estos están sometidos a esfuerzos por las cargas transmitidas por latubería (ver figura 58).

Los pilares de soporte, los anclajes y los bloques de empuje cumplen la mismafunción básica: dar el peso necesario para contrarrestar las fuerzas de los fluidosque podrían hacer que la tubería se mueva y corra el peligro de romperse.

El soporte de tubería sostiene su peso y del agua que contiene. Los anclajessirven para mantener en tierra a la tubería, así como para fijarla y evitar losmovimientos laterales. El bloque de empuje se usa en codos de tuberías

enterradas, a fin de transmitir las fuerzas a la tierra circundante.Los apoyos o soportes deben construirse de manera tal que permitan elmovimiento longitudinal de la tubería al contraerse o dilatarse debido a cambios detemperatura.

Los soportes tienen que ser construidos sobre suelo firme y no en un relleno. La

superficie de contacto del apoyo con el suelo de cimentación debe estar calculada

para soportar el peso sin exceder el límite de capacidad de resistencia del suelo.

Además es necesario hacer canaletas de drenaje a lo largo de la tubería para

evitar la erosión de los cimientos de los soportes.

El número de apoyos es un criterio técnico-económico determinado por el espesordel material de la tubería. El número de anclajes lo determinan las variaciones dela pendiente.

Los bloques de apoyo se utilizan para soportar adecuadamente la tubería depresión. Estos deben ser dimensionados de tal forma que sean de bajo costo y defácil construcción. Los apoyos se diseñan para resistir el peso de la tubería llenade agua, pero no los empujes longitudinales.

Hay que calcular el máximo de espaciamiento entre los soportes de una tubería afin de que esta no se fracture o flexione excesivamente.

La tabla 24 da una serie de pautas para el espaciamiento de pilares basándose enla experiencia y en las recomendaciones de los fabricantes de tuberías. Por lo

general, y si se tienen dudas, se puede usar un soporte por cada pieza de tubería.





Figura 87. Fuerzas debidas a la presión dinámica en una curva

Reducción de diámetro del tubo: si hay un cambio del diámetro de la tubería, lapresión hidrostática que actúa en el área expuesta crea una fuerza F9 que actúaen dirección del tubo de diámetro menor (ver figura 88)

Figura 88. Fuerzas en una reducción del diámetro de tubo

Si la sección de una tubería se localiza cerca de una corriente (cauce de agua) ypuede ser sumergida durante una inundación, se debe considerar otra fuerza: lafuerza que proviene de la flotabilidad si la tubería permanece vacía durante unainundación. Esta fuerza podría ser contrarrestada encerrando esta sección de latubería con hormigón. Este también protege la tubería de los cantos rodados y

otros escombros que arrastra la crecida. Aunque también se pueden usar gaviones





La magnitud y la dirección de la fuerza principal que actúa en un bloque de empuje

están definidas por la fuerza F3 en la tabla 79. Como el tubo enterrado no está sujeto

a grandes cambios de temperatura, no se usan juntas de expansión y las fuerzas F2,

F5, F6, y F7 no se tienen en cuenta. A causa de las bajas velocidades en una tubería,

la fuerza F9 causada por la presión dinámica en una curva es despreciable. Las

fuerzas F1 y F4 que resultan del peso del tubo son distribuidas a lo largo de la longitud

de la tubería y resistidas por el suelo.

Un bloque de empuje es comúnmente un bloque de hormigón vertido después de que

el tubo está en su lugar. Se coloca en una posición tal que transmita la fuerza que

actúa sobre él a la tierra. El bloque de empuje no debería ser más alto que la mitad de

la distancia de la superficie de la tierra a su base (figura 83). La cara del bloque de

empuje debe ser aproximadamente perpendicular a la fuerza que debe transmitir.

Reducción de las fuerzas que actúan en una estructura A modo de procedimiento de cálculo de las fuerzas que intervienen en la sujeciónde una tubería, el siguiente paso es diseñar cada una de estas estructuras pararesistir a estas fuerzas. Primero es necesario simplificar el problema reduciendotodas las fuerzas que actúan en la estructura a una única fuerza que actúa en unpunto específico. Cuando se ha hecho esto, se puede determinar la estabilidad deun diseño dado.

A fin de explicar el procedimiento para simplificarlo tanto como sea posible, asumaque la única curva en un anclaje está en un plano vertical. Si este no fuera el caso,las fuerzas tendrían que ser resueltas en dos planos verticales perpendiculares. Un

plano por lo general incluye el tubo que entra en el anclaje. Cada fuerza tendríaque resolverse con cuidado a lo largo de tres direcciones perpendiculares. En estecaso, la reducción de fuerzas y condiciones para la estabilidad todavía seríanválidas, pero la aplicación de estas ideas se hace más compleja.

Asuma que una estructura está siendo sometida a las fuerzas mostradas en el

primer dibujo de la figura 90. Además de las fuerzas antes descritas, también se

incluye el peso combinado (W) de la masa de hormigón, así como de la masa del

tubo y del agua dentro de este, que actúa en el centro de gravedad del anclaje

también.





La ecuación anterior también muestra que si la fuerza de reacción sobre laestructura actúa fuera del tercero medio, es decir e> l/6 o e <-l/6, la presión defundación mínima pf será negativa. Claramente, esto no es posible pues laestructura se volcaría.

En la determinación de la estabilidad de una estructura, los casos más adversos

deben ser considerados, casos en los cuales la sumatoria de las fuerzas omomentos se maximice.





En este tipo de turbinas la admisión del agua se realiza a gran velocidad

tangencialmente al rodete (3) a través de la tubería de distribución (1) y el inyector (2),

que puede considerarse como el distribuidor de la turbina Pelton.

El inyector (2) está equipado de una válvula de aguja y un deflector o pantalla

deflectora.

La válvula de aguja, con un desplazamiento longitudinal controlado bajo presión de

aceite por un grupo oleohidráulico, permite la regulación del caudal de agua a turbinar

así como el cierre estanco del inyector (2).

El deflector, por su parte, impide el golpe de ariete y el embalamiento de la turbina

durante las fases de parada programada o de emergencia de la turbina.





Turbinas Kaplan

Las turbinas Kaplan se adaptan óptimamente a los aprovechamientos caracterizados

por pequeños saltos, en general inferiores a 30 m, y caudales altos.

La gama de funcionamiento es muy amplia siendo capaz de turbinar hasta el 25% del

caudal nominal de la turbina.

No admite muchas posibilidades de instalación reduciéndose, en la práctica, a turbinas

con eje vertical u horizontal.

La admisión del agua es regulada por un distribuidor (1) con funcionamiento idéntico al

instalado en las turbinas Francis.

El rodete (3) tiene forma de hélice siendo orientables los álabes mediante unservomotor gobernado por un grupo oleohidráulico





SELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA

Para preseleccionar el tipo de turbina a instalar en una minicentral, se utilizan unos

ábacos que suelen facilitar los fabricantes de turbinas. Con ellos, se determina el tipo

de turbina a partir de los parámetros de salto y caudal.

Tal y como puede verse en la figura 15, entrando en abcisas con el salto en m y en

ordenadas en el caudal de agua en m3/s, se obtendría el tipo de turbina más adecuado

para la instalación.

No obstante, para elegir la turbina definitiva garantizando la máxima rentabilidad de la

minicentral, se deberán tener en cuenta la curva de caudales clasificados,

imprescindible para determinar el caudal de equipamiento, y la infraestructura

existente del aprovechamiento.

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