universidad tecnologica nacional facultad...

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO

DPTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA

5TO NIVEL

FUENTES NO CONVENCIONALES DE ENERGÍA

Docente: Ing. Pablo Bertinat

Adscripto: Chemes, Jorge

Bombeo de agua con paneles fotovoltaicos

y generación mini-hidráulica.

Alumnos: Diego Buttori.

Nicolás Di Ruscio.

Rosario, abril de 2012

•

ÍNDICE

RESUMEN..................................................................................................................................................1 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................1

OBJETIVOS Y MÉTODOS DE TRABAJO. ....................................................................................................1 RESULTADOS ESPERADOS. ......................................................................................................................1

CONSIDERACIONES PREVIAS. ...........................................................................................................2 APLICACIONES Y USO DEL AGUA. ...........................................................................................................2 CARACTERÍSTICAS DEL BOMBEO. ..........................................................................................................2 CARGA ESTÁTICA....................................................................................................................................2 CARGA DINÁMICA (FRICCIÓN). ..............................................................................................................3

1. BOMBEO FOTOVOLTAICO. .............................................................................................................5 1.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................5

1.1.1 Almacenamiento de energía.......................................................................................................5 1.1.2 Equipo de bombeo compatible con sistemas fotovoltaicos........................................................5

1.2 LA OTRA ALTERNATIVA: MOLINOS EÓLICOS. ..................................................................................6 1.3 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS. .....................................................................................................6

1.3.1 Bombas centrífugas....................................................................................................................6 1.3.2 Bombas volumétricas.................................................................................................................8

1.4 CLASES DE MOTORES. .....................................................................................................................11 1.5 CONTROLADORES. ..........................................................................................................................11 1.6 INSTALACIÓN, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.............................................................................11

2. MINI-HIDROELÉCTRICA................................................................................................................13 2.1 INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................................13

2.1.1 Tipos de centrales hidroeléctricas. ...........................................................................................13 2.1.2 Ventajas: ..................................................................................................................................13 2.1.3 Desventajas: .............................................................................................................................14 2.1.4 Ejemplo....................................................................................................................................15

2.2 LA TURBINA BANKI. ......................................................................................................................16 2.2.1 Autoconstrucción. ....................................................................................................................16 2.2.2 Características Operativas........................................................................................................16 2.2.3 Turbina de Alabe Regulador. ...................................................................................................17 2.2.4 Turbina de Compuerta Reguladora. .........................................................................................17

2.3 TURBINA PELTON............................................................................................................................17 2.3.1 Otra variante elaborada con caños plásticos. ...........................................................................18

2.4 CLASES DE MINI-TURBINAS COMERCIALIZADAS COMÚNMENTE. .................................................18 2.4.1 Mini-turbina hidroeléctrica Pelton ...........................................................................................18 2.4.2 Mini-turbina hidroeléctrica Pelton ...........................................................................................19 2.4.3 Mini-turbina hidroeléctrica Kaplan..........................................................................................19 2.4.4 Mini-turbina hidroeléctrica Francis,.........................................................................................20

3. DIVERSOS MODOS DE ACUMULACIÓN DE ENERGÍA...........................................................21 3.1 ENERGÍA POTENCIAL GRAVITACIONAL: ACUMULACIÓN DE AGUA. ..............................................21 3.2 ENERGÍA POTENCIAL QUÍMICA: BATERÍAS CONVENCIONALES. ....................................................22 3.3 ENERGÍA POTENCIAL QUÍMICA: PILAS DE HIDRÓGENO. ................................................................22

4. ESTUDIO DE COSTOS. .....................................................................................................................23 CONCLUSIÓN.........................................................................................................................................25 BIBLIOGRAFÍA:.....................................................................................................................................27

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO DTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA

Fuentes no Convencionales de Energía

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RESUMEN. Desde siempre se ha planteado la cuestión del almacenamiento de la energía eléctrica para su posterior utilización. Existen varias modalidades para realizarlo, algunas más económicas, otras más ecológicas y sustentables y pueden emplearse diferentes sustancias. Aquí nos hemos remitido al aprovechamiento de elementos muy básicos, como ser el Sol (energía fotovoltaica) y el agua (energía potencial gravitacional) para logar nuestra acometida. Se ha buscado y analizado bibliografía al respecto para determinar la factibilidad de implementación y desempeño de estos sistemas. Los resultados obtenidos son interesantes: aún hoy, el sistema más adecuado sigue siendo las baterías de estado sólido de plomo y la conveniencia dependerá de las circunstancias y de los recursos económicos y naturales disponibles en el lugar.

INTRODUCCIÓN. En el presente trabajo investigaremos sobre el empleo de energía fotovoltaica para alimentar bombas eléctricas, ya sea para el aprovechamiento directo del agua almacenada para consumo humano o animal o riego; o su posterior conversión en energía eléctrica mediante una mini-turbina utilizando la energía potencial acumulada. Además, compararemos lo anterior con otros métodos de acumulación de energía eléctrica, como son las baterías y las celdas de hidrógeno.

Objetivos y métodos de trabajo. La información empleada para la realización del informe será obtenida de bibliografía existente, como así también de catálogos técnicos y presupuestos solicitados a productores y comerciantes en el área en cuestión. El objetivo principal de este trabajo es estudiar la posibilidad de acumulación y generación de electricidad mediante la energía potencial del agua. En primer lugar, describiremos los sistemas de bombeo de agua con energía fotovoltaica y las variantes existentes; para pasar luego a los sistemas mini-hidráulicos. Después se desarrollará un estudio de costos (considerando los productos presentes en el mercado local) y se los comparará con otros sistemas utilizados convencionalmente.

Resultados esperados. Si bien tenemos presente que los sistemas fotovoltaicos tienen un costo inicial elevado (esa es la posible causa que desalienta a muchos proyectistas), esperamos que luego de este estudio los tiempos de amortización del equipamiento sean relativamente aceptables y que en unos pocos años la utilización masiva de energía fotovoltaica la haga económicamente más accesible y aumenten los rendimientos.



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CONSIDERACIONES PREVIAS. Los sistemas fotovoltaicos representan una solución aceptable para muchos usuarios alejados de las fuentes convencionales de energía eléctrica. Estos sistemas tienen algunas ventajas y desventajas que se deben considerar cuidadosamente:

Ventajas Desventajas No consumen combustible fósil Inversión inicial relativamente alta Larga vida útil (de 15 a 20 años) Acceso a servicio técnico limitado

Impacto ambiental mínimo Producción de agua variable dependiendo de condiciones meteorológicas

Bajos costos de operación y mantenimiento

Tabla 11 Durante el diseño, debemos considerar los siguientes puntos:

• La disponibilidad de otras fuentes de energía como la electricidad de la red de distribución, gas, diesel, viento, etc.

• La aplicación que se pretende dar al agua extraída, por ejemplo, bebederos para ganado, irrigación, consumo humano, etc.

• Las características del bombeo en términos de distancia, volumen, profundidad de la extracción y altura de descarga del agua.

• La disponibilidad del recurso solar, es decir, qué tanta energía solar hay en la región geográfica.

Aplicaciones y uso del agua. En los sistemas de bombeo fotovoltaico la demanda de agua se especifica por día, por lo que el siguiente factor en consideración es el uso que se pretende dar al agua bombeada. Las aplicaciones típicas y rentables son aquellas de relativa baja demanda como bebederos para ganado y consumo humano. El riego de cultivos por lo general no es rentable debido a su gran demanda de agua y bajo valor de las cosechas obtenidas.

Características del bombeo. El volumen de agua requerido diariamente no es suficiente indicador del tamaño y costo del sistema de bombeo. También debe conocerse la carga dinámica total, CDT (profundidad de bombeo + la altura de descarga + la carga de fricción en la longitud total de la tubería).

fricción] to[abatimien descarga] la de altura estático [Nivel CD CE CDT +++=+= Ecuación 1

Carga estática. La carga estática puede obtenerse con mediciones directas. Se trata de la distancia vertical que el agua se desplaza desde el nivel del espejo del agua antes del abatimiento del pozo hasta la altura en que se descarga el agua. La carga estática es entonces la suma del nivel estático y la altura de la descarga. A continuación, la figura muestra estos componentes hidráulicos que conforman la carga estática.

1 Fuente: Guía para el desarrollo de proyectos de bombeo de agua con energía fotovoltaica, Departamento de Energía de los Estados Unidos (USDOE) y la Agencia para el Desarrollo Internacional de los Estados Unidos (USAID), Laboratorios Sandia (SNL), Southwest Technology Development Institute (SWTDI), Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO)



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Figura 1

Carga dinámica (Fricción). Todos los pozos experimentan el fenómeno de abatimiento cuando se bombea agua. Es la distancia que baja el nivel del agua debido a la constante extracción. La carga dinámica, es el incremento en la presión causado por la resistencia al flujo al agua debido a la rugosidad de las tuberías y componentes como codos y válvulas. Esta rugosidad depende del material usado en la fabricación de las tuberías. Los tubos de acero producen una fricción diferente a la de los tubos de plástico PVC de similar tamaño. Además, el diámetro de los tubos influye en la fricción. Mientras más estrechos, mayor resistencia producida. Para calcular la carga dinámica, es necesario encontrar la distancia que recorre el agua desde el punto en que el agua entra a la bomba hasta el punto de descarga, incluyendo las distancias horizontales, así como el material de la línea de conducción y su diámetro. Con esta información se puede estimar la carga dinámica de varias maneras:

• Valor por omisión: La carga dinámica es aproximadamente el 2% de la distancia de recorrido del agua o lo que es equivalente a la longitud total L de la tubería.

• Tablas de fricción: Existen tablas publicadas por fabricantes que indican el porcentaje de pérdidas por fricción que debe considerarse en base al caudal, diámetro y material de las tuberías.

• Fórmula de Manning: Este es un método matemático que se puede realizar fácilmente con una calculadora de bolsillo. La fórmula de Manning se expresa así:

Hf = κ × L × Q2 Donde:

• Hf es el incremento en la presión causada por la fricción y expresada en distancia lineal (m). • κ es una constante empírica con unidades de (m3/s-2) • L es la distancia total recorrida por el agua por las tuberías en metros (m). • Q es el flujo expresado en metros cúbicos por segundo (m3/s).

Por ejemplo para un sistema con dos paneles fotovoltaicos de 12 Wp cada uno se tiene la siguiente tabla:

Cantidad de agua bombeada con 6 hs de sol. Altura de bombeo (m)

Soleado Parcialmente

nublado Nublado

5 m 636 378 168 10 m 462 294 138 15 m 372 222 108 20 m 264 168 72

Tabla 2



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El ciclo hidráulico definido como el producto del volumen diario (expresado en m3) por la CDT (expresada en metros). Este indicador nos permite determinar la rentabilidad económica del proyecto. La experiencia muestra que un proyecto es económicamente viable cuando el ciclo hidráulico no sobrepasa los 1500 m4. Los sistemas de bombeo de agua con sistemas de combustión interna o eólicos son más competitivos cuando se tiene un ciclo hidráulico mayor o igual a 1500 m4. La siguiente figura nos indica la tecnología más apropiada de acuerdo al volumen diario y la carga dinámica total:

Figura 2

Existen en la actualidad mapas y tablas que indican la insolación mensual promedio para diferentes zonas geográficas de Argentina. La insolación es la energía proveniente del sol. Una unidad común de insolación es el kWh/m2.

Figura 3 2

2 Fuente: Atlas de engría solar de la republica Argentina, Hugo Grosi Gallegos.



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1. BOMBEO FOTOVOLTAICO. 1.1 Introducción Un sistema de bombeo FV es similar a los sistemas convencionales excepto por la fuente de potencia. Un sistema FV típico se muestra en la figura de abajo. Los componentes principales que lo constituyen son: módulos FV, un controlador, un motor y una bomba. Los módulos FV se pueden montar en un seguidor pasivo para incrementar el volumen y el tiempo de bombeo. Se emplean motores de corriente alterna (CA) y de corriente continua (CC). Las bombas pueden ser centrífugas o volumétricas. Generalmente el agua se almacena en un tanque.

Figura 4

1.1.1 Almacenamiento de energía.

Debido a que Los sistemas FV sin almacenamiento no proveen agua cuando el sol no brilla es recomendable contar con un tanque de almacenamiento. Se recomienda almacenar el agua para tres días de abastecimiento. Almacenar agua en tanques es mucho más económico que almacenar energía en baterías. Las baterías tienen una vida útil de 10 a 15 años, con lo cual necesitan reemplazarse cada dicho período, mientras que la vida útil de un tanque de almacenamiento bien construido es de varias décadas. El almacenamiento por baterías normalmente se justifica sólo cuando el rendimiento máximo del pozo durante las horas de sol es insuficiente para satisfacer las necesidades diarias de agua y cuando se requiere bombear agua durante la noche. A largo plazo, podría ser más económico perforar otro pozo que añadir almacenamiento por baterías. La introducción de baterías en un sistema de bombeo FV podría reducir su confiabilidad e incrementar sus requerimientos de mantenimiento. En general no se recomienda utilizar baterías en sistemas de bombeo fotovoltaico.

1.1.2 Equipo de bombeo compatible con sistemas fotovoltaicos.

Las bombas comunes disponibles en el mercado han sido desarrolladas pensando en que hay una fuente de potencia constante. Por otro lado, la potencia que producen los módulos FV es directamente proporcional a la disponibilidad de la radiación solar. Es decir, a medida que el sol cambia su posición durante el día, la potencia generada por los módulos varía y en



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consecuencia la potencia entregada a la bomba. Por esta razón se han diseñado algunas bombas especiales para la electricidad fotovoltaica las cuales se dividen, desde el punto de vista mecánico, en centrífugas y volumétricas.

1.2 La otra alternativa: molinos eólicos. La fuente de energía (ya sea el viento en una bomba eólica o el sol en un sistema solar) depende de las condiciones del clima de la localidad. Sin embargo, las condiciones del lugar son generalmente constantes de un año a otro y varían sólo con la estación del año. Por ejemplo: la energía solar produce más agua en el verano, cuando el consumo de agua es alto. A la hora de realizar el análisis no solo habrá que tener en cuenta el promedio de las velocidades del viento, ya que un incremento pequeño en el viento aumentará mucho la energía eólica. La misma aumenta en proporción cúbica a la velocidad de viento. Esto demuestra que el recurso no es constante. A continuación se presenta una tabla comparativa entre las dos alternativas:

Factor Sistemas eólicos Sistemas solares Ventajas

Clima favorable Los vientos estables son los más productivos.

Bombean agua consistentemente todo el año.

Portabilidad Pueden ser portátiles y

armados en diferentes sitios.

Duración

Pueden exceder los 50 años, excepto la bomba de pistones, la cual requiere mantenimiento cada 1 ó 2 años.

Más de 20 años. La bomba dura menos tiempo.

Desventajas

Clima tempestuoso

Se desgasta más rápidamente con vientos fuertes. Los vientos destructores pueden arruinar el sistema.

Los paneles pueden dañarse por el granizo. El tiempo nublado y los días cortos reducen la producción de energía.

Requisitos de energía durante cada época del año

La producción de energía se detiene cuando la velocidad del viento es baja, esto ocurre en los meses cuando más se necesita el agua.

Costo inicial Costo inicial más bajo. Costo inicial más alto. Costo de mantenimiento Requiere más mantenimiento. Menos mantenimiento.

Tabla 3 3

1.3 Clasificación de las bombas.

1.3.1 Bombas centrífugas

Tienen un impulsor que por medio de la fuerza centrífuga de su alta velocidad arrastran agua por su eje y la expulsan radialmente. Estas bombas pueden ser sumergibles o de superficie y son capaces de bombear el agua a 60 m de carga dinámica total, o más, dependiendo del número y tipo de impulsores. Están optimizadas para un rango estrecho de cargas dinámicas totales y la salida de agua se incrementa con su velocidad rotacional. Las bombas de succión superficial se instalan a nivel del suelo y tienen la ventaja de que se les puede inspeccionar y dar servicio fácilmente. Tienen la limitante de que no trabajan adecuadamente si la profundidad de succión excede los 8 m.

3 Utilizando energía renovable para bombear agua, Juan Enciso y Michael Mecke, Sistema Universitario Texas A&M.



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Figura 5

Figura 6

Hay una gran variedad de bombas centrifugas sumergibles. Algunas de estas bombas tienen el motor acoplado directamente a los impulsores y se sumergen completamente. Otras, tienen el motor en la superficie mientras que los impulsores se encuentran completamente sumergidos y unidos por una flecha. Generalmente las bombas centrífugas sumergibles tienen varios impulsores y por ello, se les conoce como bombas de paso múltiple o de etapas. Todas las bombas sumergibles están selladas y tiene el aceite de lubricación contenido para evitar contaminación del agua. Otras bombas utilizan el agua misma como lubricante. Estas bombas no deben operarse en seco porque sufren sobrecalentamiento y se queman.



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Figura 7

Figura 8

Figura 9

1.3.2 Bombas volumétricas

Las bombas volumétricas o de desplazamiento positivo son adecuadas para el bombeo de bajos caudales y/o donde la profundidad es grande. Algunas de estas bombas usan un cilindro y un pistón para mover paquetes de agua a través de una cámara sellada.



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Otras utilizan un pistón con diafragmas. Cada ciclo mueve una pequeña cantidad de líquido hacia arriba. El caudal es proporcional al volumen de agua. Esto se traduce a un funcionamiento eficiente en un amplio intervalo de cargas dinámicas. Cuando la radiación solar aumenta también aumenta la velocidad del motor y por lo tanto el flujo de agua bombeada es mayor.

Figura 10

Las bombas de diafragma son económicas. Cuando se instala una bomba de este tipo siempre se debe considerar el gasto que representa el reemplazo de los diafragmas una vez cada dos o tres años4. Más aún, muchas de estas bombas tienen un motor de corriente continua con escobillas. Las escobillas también deben cambiarse periódicamente. Los juegos de reemplazo incluyen los diafragmas, escobillas, empaques y sellos. La vida útil de este tipo de bomba es aproximadamente 5 años del uso. Las bombas más eficientes son las de desplazamiento positivo de pistón, pero no son recomendables para gastos medianos y grandes a baja carga dinámica total. Por ejemplo, una bomba de palanca puede llegar a tener una eficiencia de más del 40%, mientras que una bomba centrífuga puede tener una eficiencia tan baja como 15%. En la figura se indica el tipo de bomba adecuada que se recomienda en general según la carga dinámica total del sistema de bombeo y en la tabla se presentan las ventajas y desventajas de las diferentes bombas utilizadas en el bombeo FV.

Carga dinámica total [m] Tipo de sistema de bombeo Eficiencia [%] 5 Centrífuga de superficie 25 20 Centrífuga de superficie 15 20 Centrífuga sumergible 25 20 a100 Centrífuga de paso múltiple 35 50 a 100 Desplazamiento positivo 35 más de 100 Desplazamiento positivo (de palanca) 45

Tabla 4




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Figura 11

Bombas

Fotovoltaicas Características y ventajas Desventajas

Centrífugas Sumergibles

Comúnmente disponibles. Pueden tolerar pequeñas cantidades de arena. Pueden utilizar el agua como lubricante. Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA. Manejan flujos altos. Operan a cargas dinámicas grandes. Tienen un diseño modular que permite obtener más agua al agregar más módulos fotovoltaicos.

Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a la CDT. Se dañan si trabajan en seco. Deben extraerse para realizar el mantenimiento. Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentes corrosivas.

Centrífugas de succión superficial

Comúnmente disponibles. Pueden tolerar pequeñas cantidades de arena. Son de fácil operación y mantenimiento por ser superficiales. Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA. Manejan flujos altos. Manejan cargas dinámicas altas, aunque no son capaces de succionar más de 8 metros.

Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a la CDT. Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentes corrosivas. Pueden dañarse por el congelamiento en climas fríos.

Desplazamiento positivo de pistón

Soportan cargas dinámicas muy grandes. La producción puede variarse ajustando la carrera del pistón.

Requiere el reemplazo regular de sellos del pistón. No toleran arenas o sedimentos. La eficiencia se reduce a medida que el pistón pierde la capacidad de sellar el cilindro. Debe extraerse el pistón y el cilindro del pozo para reparar los sellos. No entregan grandes flujos.

Diafragma Operan a cargas menores de 40 metros. Son muy económicas.

No toleran arenas o sedimentos. No trabajan a cargas dinámicas grandes. Bajos flujos.

Tabla 5 5




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1.4 Clases de motores. La selección de un motor depende de la eficiencia, disponibilidad, confiabilidad, acoplamiento a bombas y costos. Comúnmente se usan dos tipos de motores en aplicaciones FV: De CC (de imán permanente y de bobina) y de corriente alterna CA. Debido a que los arreglos FV proporcionan potencia en CC, los motores de CC pueden conectarse directamente, mientras que los motores de CA deben incorporar un inversor CC-CA. Los requerimientos de potencia en Watt pueden usarse como una guía general para la selección del motor. Los motores de CC de imán permanente, aunque requieren reemplazo periódico de las escobillas, son sencillos y eficientes para cargas pequeñas. Los motores de CC de campos bobinados (sin escobillas) se utilizan en aplicaciones de mayor capacidad y requieren de poco mantenimiento. Aunque son motores sin escobillas, el mecanismo electrónico que sustituye a las escobillas puede significar un gasto adicional y riesgos de fallas. Los motores de CA son más adecuados para cargas grandes en el rango de diez o más caballos de fuerza. Los sistemas de CA son ligeramente menos eficientes que los sistemas CC debido a las pérdidas de conversión. Los motores de CA pueden funcionar por muchos años con menos mantenimiento que los motores CC.

1.5 Controladores. Los controles electrónicos pueden mejorar el rendimiento de un sistema de bombeo solar, bien diseñado, del 10 al 15%. Los controles se usan con frecuencia en áreas con niveles de agua y/o condiciones atmosféricas fluctuantes. Los controles electrónicos consumen del 4 al 7% de la energía generada por el arreglo. Es común que las bombas FV se vendan junto con el controlador adecuado para operarlas eficientemente. Generalmente se usan controladores de potencia máxima (los cuales operan el arreglo cerca de su punto de potencia pico).

1.6 Instalación, operación y mantenimiento. Las bombas superficiales usan una válvula de pié (válvula check) en el punto más bajo del tubo de succión para prevenir retroalimentación. La válvula de pié también se recomienda para las bombas de desplazamiento positivo. La presencia del agua en el tubo de succión es necesaria para que la bomba opere. Después de cebar la bomba, la válvula de pié debe mantener el tubo de succión completamente llena de agua, incluso cuando la bomba se pare por un tiempo. Si no se cuenta con una válvula de pié, el sistema requerirá cebado (llenar la succión del tubo con agua) en cada arranque. Si la línea de distribución del agua es muy larga es importante instalar también una válvula de pie en el lado de la descarga para evitar daños en la bomba por el golpe de ariete. La succión debe ser instalada lo suficientemente profunda para evitar que el nivel de agua caiga por debajo de la entrada de la bomba; también debe instalarse lo suficientemente lejos del fondo y las paredes del pozo para minimizar bombeo de lodo, arena y desechos, los cuales pueden dañar los componentes de la bomba. Si es probable que el nivel del agua caiga por debajo de la succión, es necesario instalar un interruptor (un flotador o electrodo) para evitar que la bomba opere en seco. La arena es una de las principales causas de fallas en las bombas. Si el pozo esta ubicado en un lugar donde puede penetrar tierra o arena a la bomba, se debe colocar un filtro de arena. La mayoría de las fábricas de bombas suministran filtros de esta clase o recomiendan métodos para reducir el riesgo de daño. Este mismo filtro es útil para impedir que las algas formadas dañen la bomba. Desde el punto de vista operacional, el requisito más importante es evitar la operación de una bomba en seco debido a que el motor se sobrecalentará y se quemará. El agua es necesaria para la lubricación y disipación de calor. En el caso de las bombas centrífugas superficiales, es necesario comprobar que no existan fugas en la tubería de succión o en la válvula check si la bomba frecuentemente necesita cebado. Las bombas de desplazamiento positivo usan más componentes sujetos a desgaste. Por esta razón, se le debe proporcionar más mantenimiento que a otras clases de bombas. Bajo condiciones apropiadas de operación, los diafragmas necesitan ser reemplazados cada 2 a 36




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años. Los sellos de las bombas de pistón pueden durar entre 3 y 5 años7. Los diafragmas y sellos fallan prematuramente cuando hay exceso de arena lo cual desgasta más rápido los componentes y cuando trabajan a presiones más altas. La mayoría de las bombas de desplazamiento positivo pueden ser reconstruidas varias veces en el campo antes de desecharlas. Los motores CA y CC sin escobillas no requieren de mantenimiento en el campo y pueden durar entre 10 y 208años bajo condiciones ideales de operación. Los motores con escobillas requieren reemplazo periódico de las escobillas.

7 Fuente: Guía para el desarrollo de proyectos de bombeo de agua con energía fotovoltaica, Departamento de Energía de los Estados Unidos (USDOE) y la Agencia para el Desarrollo Internacional de los Estados Unidos (USAID), Laboratorios Sandia (SNL), Southwest Technology Development Institute (SWTDI), Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO) 8 Ídem anterior.



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2. MINI-HIDROELÉCTRICA. 2.1 Introducción Usualmente las nano-turbinas se emplean para pequeños sistemas de energía hidráulica que aprovechan la fuerza de pequeños ríos y quebradas, principalmente para generar energía mecánica. Además se pueden acoplar estas turbinas con alternadores o generadores de capacidad en el rango de 300 W a 12 V, hasta 1 kW a 110 V, dependiendo del caudal del agua, la demanda de electricidad y el financiamiento disponible. Estos sistemas son aplicados, por lo general, para aquellas poblaciones o pequeñas ciudades que en el presente no están interconectadas a las líneas de un sistema de transmisión. El confort energético, logrado con estos sistemas, permite un nivel de electrificación similar a cualquier vivienda cuyo suministro eléctrico sea la red convencional.

2.1.1 Tipos de centrales hidroeléctricas.

Se pueden distinguir principalmente dos tipos de centrales hidroeléctricas: • Centrales de agua embalsada o centrales de pie de presa: son los emprendimientos

hidroeléctricos que almacenan los aportes de un río mediante un embalse. En estas centrales, se regulan los caudales de salida para utilizarlos cuando sea necesario.

• Centrales a filo de agua: son aquellas instalaciones que mediante una obra de toma, captan una parte del caudal del río y lo conducen hacia la central para su aprovechamiento y después lo devuelven al cauce del río. Esta disposición es característica de las centrales medianas y pequeñas, en las que se utiliza una parte del caudal disponible en el río.

Tamaño / Potencia Aplicaciones

Nano o pico-hidroeléctricas: menos de 1 KW Para uso familiar y aplicaciones mecánicas.

Micro-hidroeléctricas: de 1 a 100 KW Para una red eléctrica comunal (sistema aislado).

Mini-hidroeléctricas: de 100 a 1.000 KW Para varias comunidades dentro de un radio de 10 a 40 km, y/o conexión a la red nacional.

Pequeña central: de 1 a 5 MW Para una pequeña ciudad y comunidades aledañas, además de conexión a la red.

Tabla 69

2.1.2 Ventajas10:

• Fuente limpia y renovable de energía: no consume agua, sólo la utiliza. No emite gases de efecto invernadero y los impactos locales no son significativos. Además es un recurso inagotable, en tanto y cuando el ciclo del agua perdure y se conserve la cuenca. • Bajos costos de operación: no se requiere de combustibles y las necesidades de mantenimiento son relativamente bajas por lo que los gastos de operación son bajos. • Disponibilidad de energía: la generación de energía generalmente es continua y su disponibilidad es predecible. • Funciona a la temperatura ambiente: no hay que emplear sistemas de refrigeración o calderas que consumen energía y, en muchos casos, contaminan. • Eficiencia: la tecnología tiene una alta eficiencia en la conversión de la energía potencial en el agua a energía mecánica y eléctrica (entre 75% y 90%), mayor que la eficiencia de otras tecnologías. • Solidez: la tecnología es robusta y tiene una vida útil larga. Los sistemas pueden funcionar 50 años o más sin requerir mayores inversiones que para reemplazar componentes. • Combinación con otras actividades: se puede combinar con otro tipo de actividades económicas, como la irrigación de suelos para siembra.

9 Fuente: Manuales sobre energía renovable, hidráulica a pequeña escala, BUN-CA, FOSER, PNUD, GEF. 10 Ídem anterior.



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2.1.3 Desventajas11: • Alto costo inicial: la inversión requerida está muy concentrada en el desarrollo inicial del proyecto, como por ejemplo en la ejecución de estudios, construcción de la obra civil, y la compra del equipo electromecánico. • Disponibilidad local: la tecnología depende de las condiciones topográficas e hidrológicas, entonces no está disponible en cualquier sitio. Las posibilidades de transmisión de la energía a largas distancias son limitadas por los costos de éste. • Potencia máxima: ésta es limitada y definida por el recurso natural en un sitio. Limita las posibilidades de expansión a largo plazo para atender al crecimiento de la demanda. • Variabilidad del caudal: los caudales de agua pueden variar considerablemente durante las diferentes temporadas, lo que tiene impacto en la generación de energía. • Necesidad de estudios: Los pequeños proyectos hidroeléctricos, en particular las pequeñas centrales, requieren de estudios técnicos elaborados para conocer el potencial disponible y la factibilidad técnica. Esto implica un costo y un plazo significativo en la puesta en marcha del proyecto. En nuestro caso, estudiaremos la posibilidad de obtener energía eléctrica a partir del agua contenida en un depósito que se encuentra a determinada altura, la cual fue bombeada previamente por algunos de los métodos descriptos con anterioridad. Definido el caudal por utilizar en la unidad generadora y con la caída neta disponible, se puede calcular la potencia hidráulica estimada en kW, de la siguiente forma:

[kW] Q H y PH ××=

Ecuación 2 Donde:

• PH: potencia hidráulica • y: peso específico del agua (9,8). • H: caída o salto vertical entre la toma de agua y la turbina (en metros). • Q: flujo o caudal de agua (metros cúbicos por segundo)

La potencia de salida de un generador en kW se puede resumir en la siguiente ecuación:

[ ]kWQHNP turbinagen ηη ××××= 8,9 Ecuación 3

Donde: • P: potencia de generación. • HN: caída aprovechable por la turbina (metros de distancia vertical). • Q: flujo o caudal de agua (metros cúbicos por segundo). • nturbina: eficiencia de la turbina hidráulica. • ngen: eficiencia del generador eléctrico.

11 Ídem anterior.



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2.1.4 Ejemplo para proveer de energía a un sistema de 1000 W durante 1 hora necesitaremos:

Figura 12

Figura 13

Fuente: http://www.ecogaia.com/ TURBINA TH-641

litrosmssmtQV

sm

HNPQ

turbinagen

300.283,2836000,00786

0,0078659,0228,9

18,9

33

3

==×=×=

=××

=×××

=ηη

Ecuación 4



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2.2 LA TURBINA BANKI. 12 13 Las Turbinas Banki son turbo máquinas hidráulicas motoras de flujo radial-transversal, admisión parcial y doble efecto. El agua que llega por la tubería de presión, es conducida hacia el rodete por una tobera convergente de sección transversal rectangular denominada inyector, la que esta provista de un órgano regulador de flujos, que permite regular el caudal según las exigencias de la demanda. En el rotor (o rodete) ocurre la conversión de la energía hidráulica en mecánica. El mismo está conformado por un conjunto de alabes axialmente rectos, soportado solidariamente al eje por medio de dos discos laterales.

2.2.1 Autoconstrucción.

El aspecto del rodete es similar al de las jaulas de ardillas y su desarrollo geométrico bidimensional con alabes axiales de radio de curvatura constante, hace posible la construcción sin necesidad de contar con tecnología altamente especializada.14 La simplicidad de este diseño permite una realización apropiada del mismo. El elemento principal, el rodete, consta de un par (o más) discos en los que se sueldan los alabes, que son de curvatura lineal. Tanto el rodete como el ingreso de agua se pueden fabricar con láminas de acero soldadas requiriendo herramientas y técnicas de armado simples, con lo que cualquier taller agrícola podría hacer frente a su construcción. Puede construirse con materiales de desecho, como planchuelas, planchas y tuberías de acero, y de una manera sencilla si se dispone de un taller suficientemente equipado. Las palas o alabes son diseñadas para transformar la energía de dos etapas. En efecto, el agua proveniente del inyector ingresa al rodete siendo desviada por la corona de alabes, de tal manera que la variación en la cantidad de movimiento en el fluido, origina la rotación de la máquina. Atraviesa luego el espacio interno de la jaula, para salir de ella sufriendo una nueva desviación.

Figura 14

2.2.2 Características Operativas.

Las máquinas en cuestión se adaptan perfectamente a un amplio rango de saltos y caudales, cubriendo una gran región del plano H/Q, sin variar su geometría genérica. En las figuras que continúan, se muestra la configuración geométrica de dos diseños de turbinas Banki desarrolladas en Misiones (Argentina) y ensayados en laboratorio.

12 Fuente: Microcentrales Hidroeléctricas, Daniel Muguerza. 13 Fuente: Microturbinas Hidroeléctricas, CEDIT, Misiones, Argentina. 14 Fuente: Microcentrales Hidroeléctricas, Daniel Muguerza.



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2.2.3 Turbina de Alabe Regulador.

Figura 15: Turbina de Alabe Regulador.

Dicha turbina tiene un rendimiento máximo del 70% y, para cualquier gasto superior al 25% del máximo, mantiene su eficiencia por encima del 50%.

2.2.4 Turbina de Compuerta Reguladora.

Figura 16: Turbina de Compuerta Reguladora.

Esta turbina tiene un pico de rendimiento máximo del 75% y se da para un caudal del 50% del máximo, manteniendo su rendimiento superior al 70% en carga parciales entre el 25% y 80% del caudal máximo.

2.3 Turbina Pelton. Las turbinas Pelton cuentan con una o más toberas que producen un chorro regulable mediante válvulas de aguja. Este chorro incide sobre las cazoletas de la turbina, tal y como aparece en la imagen, transfiriendo su energía cinética a la turbina. En el ámbito de las micro-centrales, se utilizan generalmente para saltos de más de 75 metros. Su rendimiento funcionando con caudal de diseño es cercano al 80% 15.

15 Estudio sobre el impacto social, económico y ambiental de pequeñas centrales hidroeléctricas implantadas en comunidades rurales de La Paz, Bolivia, Andrés Hueso González.



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2.3.1 Otra variante elaborada con caños plásticos.

Figura 17: Mini-turbina Pelton de plástico.

Figura 18: Mini-turbina Pelton de plástico con generador y cubierta.16

2.4 Clases de Mini-turbinas comercializadas comúnmente.17 A continuación presentamos algunos productos que pueden encontrarse en el mercado: 2.4.1 Mini-turbina hidroeléctrica Pelton de 1200 Watts con palas de plástico y generador trifásico síncrono con imanes permanentes. Es ideal para la instalación de refugios de montaña y no sólo porque puede trabajar en la presencia de bajo caudal de agua (1 litro a 10 litros por segundo), sino también, con una caída neta de 3 metros a 100 metros.

16 http://www.aidg.org/component/option,com_jd-wp/Itemid,34/p,1232/ 17 http://www.accessecosolar.com/it/mini_e_micro-idroelettrico/



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Figura 19: Mini-turbina Pelton comercial.

Características: El generador de la turbina hidroeléctrica puede ser configurado en función de la exigencia de la salida en 12/24/48 volts CC. 2.4.2 Mini-turbina hidroeléctrica Pelton con cuatro boquillas con láminas de plástico, caja de acero inoxidable y generador trifásico síncrono de imanes permanentes. Especificaciones:

• Diferencia Neta: de 15m a 50m • Capacidad: 0.5 l / s hasta 2,5 l / s • Tensión de la batería: 12 V • Potencia: 50 VA y 350 VA

Figura 20: Mini-turbina Pelton comercial.

2.4.3 Mini-turbina hidroeléctrica Kaplan a reacción para explotar saltos medio-bajos (2-40m), pero con elevados flujos, adaptándose muy bien a las instalaciones de agua corriente. Normalmente se emplean en instalaciones de potencia superior a los 100 kw. Desde el punto de vista constructivo, el impulsor posee la forma helicoidal característica, similar a las hélices de las naves, con hojas regulables según el flujo de agua. La posibilidad de orientar las hojas permite mantener altos rendimientos (alcanzando el 90%) incluso al 25% del flujo nominal.



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Figura 21: Mini-turbina Kaplan.

2.4.4 Mini-turbina hidroeléctrica Francis, es adecuada para potencias de por lo menos 100 kw, para explotar saltos de agua que varían entre 10 y 350 metros. Se trata de una turbina a reacción.

Figura 22: Mini-turbina Francis.



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3. DIVERSOS MODOS DE ACUMULACIÓN DE ENERGÍA.

3.1 Energía potencial gravitacional: acumulación de agua. Como ya hemos visto en este informe, es posible bombear agua hasta un depósito localizado a cierta altura y luego emplear una mini-turbina para obtener nuevamente energía eléctrica. En estas condiciones suponiendo un rendimiento del 85 % para el motor, bomba, turbina y generador, la eficiencia global sería:

%2,52522,085,085,085,085,0 ==×××=

×××=

η

ηηηηη generadorturbinabombamotor

Ecuación 5

Figura 23 Conexión a la Red Domiciliaria.

Figura 24 Emplazamiento de mini-turbina.



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Ahora si consideramos el empleo de un molino de viento para bombear el agua, con un rendimiento de su bomba del 80%:

%8,57578,085,085,080,0 ==××=

××=

η

ηηηη generadorturbinabomba

Ecuación 6

3.2 Energía potencial química: baterías convencionales. La eficiencia del proceso de carga de las baterías de plomo es del 85% y 93% las de litio, mientras que para el proceso de descarga tenemos 95% para las primeras y 93% las segundas. Entonces el rendimiento global que podemos esperar será:

%5,86865,093,093,0%75,808075,095,085,0

argarg

==×===×=

×=

Li

Pb

adescac

ηη

ηηη

Ecuación 7

Figura 25

3.3 Energía potencial química: pilas de hidrógeno. El proceso de almacenamiento de energía mediante pilas de combustibles contempla otros elementos: en primer lugar el electrolizador tiene una eficiencia del 70%, luego el hidrógeno debe ser comprimido (90% de rendimiento del compresor) y finalmente la celda de hidrógeno (considerando las tecnologías actuales económicamente accesibles) tiene una eficiencia del 40%. Para el sistema completo tendremos:

%2,25252,040,090,070,0 ==××=

××=

η

ηηηη hidrógenodeceldacompresoriselectrólis

Ecuación 8



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4. ESTUDIO DE COSTOS. Precios del Dólar (1 U$s = $ 4,35) y del Euro (1 € = $ 5,54) al día 25/01/2012. KIT Bomba Sumergible Solar U$S 5.500 = $ 23.925 Sistema Apto para: KIT01_2: 20 metros de profundidad y 8 mil litros diarios c/bomba Grundfos SQF 2,5A-2

Bomba GrundFos Solar Línea SQFlex 4 Paneles Solares Solartec SG43T Soporte p/los 4 paneles solares Caja de interruptores Sensor de Tanque Cableado acorde al kit

Fuente: http://www.solaryeolica.com.ar/ KIT Bomba Sumergible Solar hasta 70 metros de profundidad € 1.990 = $ 11.223

2 paneles monocristalinos de 100 watios Bomba sumergible Shurflo 93025 Controladora de bomba Shurflo LCB-G75 100 metros de cable de 2x4 mm Prensas. Abrazaderas y conexiones de puntas de

conexionado Caudal de unos 3 metros cúbicos/día Instrucciones y esquemas de montaje

Fuente: http://www.solarlugo.com/ TURBINA TH-641 con regulador € 7.884 = $ 44.465 Características:

Tuberías de entrada y salida: 2” (2 pulgadas) Potencia eléctrica máxima de trabajo continuo: 1 Kw Tensión de trabajo: [24 – 30] V.c.c. Presión hidráulica máxima de trabajo: 4 kg/cm2 Caudal volumétrico máximo: 10 l/s (36 m3/h) Regulador de carga: 24 V.c.c. – 50 A.

Fuente: http://www.ecogaia.com/

De acuerdo a los costos vistos arriba, consideramos que la acumulación de electricidad por energía potencial del agua es totalmente inviable, debido a que la cifra requerida sería demasiado elevada. No debemos olvidar que además se debe considerar el monto de dinero necesario para la obra civil del depósito acumulador de agua a gran altura. De todos modos, en caso de disponer de un salto de agua natural, podría ser viable la autoconstrucción de una mini-turbina Banki o Pelton, las cuales pueden ser elaboradas en plástico (para pequeños prototipos) o en metal (se requiere la disponibilidad de un pequeño taller con herramientas adecuadas). Se debe prestar mucha atención con el diseño elegido, ya que el rendimiento puede verse disminuido enormemente si no se respetan las formas y dimensiones adecuadas.



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A continuación analizamos otras alternativas para la acumulación de energía eléctrica. Comenzaremos por las baterías clásicas de plomo de descarga profunda. BATERIA TROJAN ciclo profundo 12V 85 Ah U$S 250 = $ 1.087

Fuente: http://www.solaryeolica.com.ar

Sin lugar a dudas, las baterías de plomo ofrecen grandes ventajas respecto a la eficiencia frente al otro sistema que emplea agua. Para acumular cantidades de energías equivalentes, el primer sistema es de bajo costo, tamaño reducido y respuesta instantánea; mientras que el segundo además de ocupar un gran espacio y su elevado costo, sería muy difícil de adaptar a las necesidades que pudiésemos tener. En este informe no incluimos los precios de las baterías de litio, ni de las celdas de hidrógeno, ya que comercialmente es muy difícil encontrar estos productos que satisfagan las condiciones consideradas en el ejemplo analizado.



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CONCLUSIÓN. El objetivo principal de este informe era la acumulación y generación de electricidad mediante la energía potencial del agua. Como resumen de la información presentada, mostramos las siguientes tablas en las que se pueden visualizar las características generales de las bombas de agua aconsejables para bombeo fotovoltaico; y los diversos métodos propuestos de almacenamiento de energía (según criterios que hemos adoptado):

Bombas Fotovoltaicas

Características Eficiencia [%]

Centrífugas Sumergibles

Manejan flujos altos. Operan a cargas dinámicas grandes.

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Centrífugas de succión superficial

Manejan flujos altos. No son capaces de succionar más de 8 metros.

15-25

Desplazamiento positivo de

pistón Soportan cargas dinámicas muy grandes. 35

Diafragma Operan a cargas menores de 40 metros.

Son muy económicas. -

Tabla 7: Comparativa de bombas

Modos de acumulación de energía Eficiencia [%] Bomba eléctrica - Miniturbina 52,2

Acumulación de agua Molino - Miniturbina 57,8

Batería convencional (plomo) 80,75 Batería convencional (litio) 86,5 Energía potencial química

Pila de hidrógeno 25,2 Tabla 8: Comparativa de métodos de acumulación

Como consecuencia del análisis, llegamos a la conclusión de que por cuestiones económicas y de rendimiento, prácticamente no tiene sentido bombear agua y luego emplear una mini-turbina, ya que la eficiencia global es bastante reducida y la obra civil que debe construirse tiene un gran tamaño (debido a la altura y volumen del tanque de acumulación) y un costo económico elevado. Además, no debemos olvidarnos que el automatismo de control de la mini-turbina debería ser bastante complejo y muy elaborado para poder responder rápida y efectivamente a la demanda eléctrica en cuestión. Esto es consecuencia de la inercia inherente del agua. Otras de las dificultades observadas es que se requiere de un depósito enorme para satisfacer el gran caudal necesario durante el tiempo que se solicite. Otra alternativa para el empleo de las mini-turbinas hidroeléctricas sería disponer de un salto de agua natural con un caudal suficiente. Queda claro que aquí no se trataría de acumulación de energía, sino simplemente, se refiere a la utilización de la energía hidráulica disponible directamente desde un curso de agua natural. Por otro lado, en las áreas agrícolas comúnmente se han empleado desde el comienzo los clásicos molinos de viento para bombeo de agua. Probablemente se debe a que los mismos son de fácil construcción y pueden producirse localmente; mientras que la tecnología fotovoltaica requiere procesos productivos muy avanzados. Quizás en un futuro, cuando se abaraten los costos y la tecnología fotovoltaica llegue al alcance del público en general, el sistema de bombeo solar fotovoltaico podrá ir reemplazando paulatinamente al sistema tradicional. Actualmente, el sistema más adecuado para acumulación de energía eléctrica en sistema de gran demanda siguen siendo las baterías de estado sólido de plomo. Si bien están ampliamente difundidas las celdas de litio en dispositivos pequeños, es necesario sortear ciertos problemas tecnológicos y económicos para emplearlas en potencias mayores. De todos modos, esperamos que el desarrollo de estas tecnologías sea pronto lo que permitiría un empleo masivo en diversas áreas.



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Las pilas de hidrógeno están en pleno desarrollo y evolución, pero parece que tendremos que esperar bastante tiempo para que los materiales, costos, eficiencia y prestaciones sean los adecuados para que se popularice la utilización masiva de estos sistemas. Con el paso del tiempo veremos que tecnología vencerá y superará al resto. De todos modos esperamos que la energía eléctrica siga siendo la forma más eficiente y versátil.



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BIBLIOGRAFÍA: • Guía para el desarrollo de proyectos de bombeo de agua con energía fotovoltaica,

Southwest Technology Development Institute, New Mexico State University, 2001. • MANUAL DE PEQUEÑA HIDRÁULICA: Como llevar a buen fin un proyecto de

minicentral hidroeléctrica, 1998, Dirección General de Energía (DG XVII) de la Comisión de las Comunidades Europeas

• Manuales sobre energía renovable: Hidráulica a pequeña escala / Biomass Users Network (BUN-CA), 2002.

• Microcentrales Hidroeléctricas, Daniel Muguerza. • Microturbinas Hidroeléctricas, CEDIT, Misiones, Argentina. • Estudio sobre el impacto social, económico y ambiental de pequeñas centrales

hidroeléctricas implantadas en comunidades rurales de La Paz, Bolivia, Andrés Hueso González.

SITIOS WEB • http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_de_combustible • http://lamiradadelmendigo.blogspot.com/2008/09/el-coche-hidrgeno.html • http://www.biodisol.com/biocombustibles/factibilidad-del-hidrogeno-como-energia-

que-es-el-hidrogeno-energias-renovables-fuentes-de-energia-energias-alternativas/ • http://energiaunam.wordpress.com/2010/03/12/celdas-de-hidrogeno/ • http://solarlugo.com/bomsolar/bombesolar.html • http://www.solaryeolica.com.ar/solaryeolica/ • http://www.ecogaia.com/

Autores: [email protected] y [email protected] .

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