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Micro CentralesHidroelctricas

Ing. Daniel Muguerza

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Daniel Muguerza Microcentrales Hidroelctricas Pgina 2 de 81

ndice

Captulo 1: Introduccin 4

Captulo 2: Evaluacin de los Requerimientos Energticos2.1. Introduccin. 72.2. Destinos (usos) y Destinatarios (Sectores y Usuarios) 82.3. Un estudio de caso 82.3.1. En relacin con los requerimientos de electricidad 92.3.2. En relacin con la capacidad de pago 112.4. Generalizando el Anlisis sobre requerimientos y capacidad

de pago 132.5. La demanda de capacidad en la MCH 14

Captulo 3: Evaluacin del Recurso Hdrico

3.1. Las herramientas del Planificador 163.2. Anlisis Regional. Indicadores de Calidad de Cuenca 163.3. Potencial Hidroelctrico Terico Bruto (P.H.T.B.). 173.4. Densidad del P.H.T.B. 193.5. Potencial Hidroelctrico Tcnico Aprovechable (P.H.T.A.) 193.6. Potencial Hidroelctrico Tcnico Aprovechable a escala de

microgeneracin (P.H.T.A.m.) 203.7. Mtodos Para Evaluar el Potencial de un Emplazamiento 213.7.1. Seleccin de las Cuencas de Inters 213.7.2. Preseleccin de Emplazamientos en Gabinete 213.7.3. Verificacin y ajuste con estudios de campo. 223.8. Ajuste de la Oferta - Demanda. Caudal y Altura de Diseo. 25

Captulo 4: Tecnologa de conversin mediante MCH

4.1. Compromiso costo / calidad / sustentabilidad 274.2. Descripcin de los componentes tecnolgicos de una MCH 284.3. Caractersticas particulares de la tecnologa de MCH 294.4. Obras de captacin 294.4.1 Consideraciones generales 294.4.2. Toma de Agua sin Obra de Cierre 314.4.3. Tomas de Agua con Obra de Cierre 314.5. Obras de Conduccin 344.5.1. Canales 35

4.5.2. Cmara de carga 364.5.3. Tuberas de presin 374.6. La Microcentral 394.6.1. Conversin Hidromecnica 404.6.2. Acoplamiento y Multiplicacin de la Velocidad 534.6.3. Generacin de Electricidad 544.6.4. La regulacin de Tensin y Frecuencia 594.7. Obras de Distribucin Elctrica 64

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Captulo 5: Evaluacin Econmica de las MCH

5.1. Criterio para la Evaluacin de Proyectos con MCHs 665.2. Los Costos de Capacidad (Potencia) y de Energa 675.3. RETAIN Un caso de Evaluacin Econmica 685.4. Costo de Inversin de las MCHs (Misiones Argentina) 71

Captulo 6: Consideraciones Generales sobre Difusin de MCH6.1. Aspectos Institucionales. 736.2. Aspectos Ambientales. 786.2.1. Efectos Ambientales que deben controlarse en el diseo y

construccin de las MCH. 786.2.2. Efectos Ambientales que deben controlarse en la Operacin y

Mantenimiento de las MCH. 80

Bibliografa 81

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Captulo 1: Introduccin

El aprovechamiento del recurso hdrico para la generacin de energa comenzen tiempos antiguos con el uso de ruedas hidrulicas muy rudimentarias peroque permitan la produccin de fuerza motriz para aliviar el trabajo manual delhombre.

Ruedas hidrulicas mas evolucionadas acompaaron el nacimiento de la eraindustrial, aun antes de la llegada del motor a vapor. La revolucin industrialcon su fuerte demanda energtica moviliz el desarrollo tecnolgico de losprocesos de conversin de energa y la rueda hidrulica fue superada por laturbina a partir del inicio del siglo XIX.

Fuerza motriz primero y energa elctrica despus fueron los productosenergticos, con que el recurso hdrico contribuy, y lo contina haciendo en laactualidad, con el progreso econmico y la mejora de la calidad de vida de lapoblacin.

El proceso de conversin del recurso hdrico ms difundido en la actualidad esla produccin de energa elctrica.

El desarrollo de la tecnologa ha permitido alcanzar altsimos niveles deeficiencia en la conversin de la energa hidrulica en energa elctrica ascomo la instalacin de grandes mdulos de produccin elctrica. Basta comoejemplo mencionar el caso de la central hidroelctrica Itaip cuya potenciainstalada de 12.600 MW es mayor que la demanda mxima del SistemaArgentino de Interconexin en 1999.

Ahora bien, los sistemas elctricos han evolucionado permanentemente hacianiveles crecientes de interconexin, primero regionales, luego nacionales y

ahora internacionales.

Los mdulos de potencia de los productores elctricos que se vinculan a estossistemas interconectados son crecientes y las centrales trmicas hanincrementado fuertemente su participacin en el parque de la generacin,desplazando a las centrales hidrulicas de la oferta elctrica (excepcin hechade aquellos pases como Brasil, que tienen un muy alto potencial hdrico y muyescasos recursos de origen fsil).

Con excepcin de Europa Occidental y EE.UU. con sus recursos hdricosaprovechables fuertemente explotados, el resto del mundo mantiene aungrandes reservas hidrulicas aprovechables.

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No obstante, si la oferta hidrulica debe integrarse en sistemas elctricos queoperan grandes mdulos de potencia, debemos preguntarnos que papel cabea la generacin hidrulica de pequea escala?.

Para responder a esta pregunta debemos considerar la relacin entre eldesarrollo de los sistemas elctricos y la distribucin de la poblacin.

Los sistemas elctricos interconectados han resuelto el abastecimiento de loscentro urbanos y han penetrado parcialmente en las rea rurales. Quedan angrandes reas geogrficas sin servicio elctrico y la poblacin rural que las

habita se encuentra mayoritariamente en situacin precaria, con niveles deactividad econmica de subsistencia y altos ndices de necesidades socialesbsicas insatisfechas.

Es decir que existe una relacin directa entre los condiciones socioeconmicasde esta poblacin y la ausencia de una demanda que se exprese en trminosde mercado para promover su abastecimiento.

Amrica Latina, Asia y Africa concentran esta poblacin sin servicio elctrico.De los 6.000 millones de habitantes que poblaban el planeta al finalizar el sigloXX, haba 2.000 millones, que no contaban con servicio elctrico. Hoy en dalas proporciones son semejantes, con una leve tendencia a agravarse.

Si sta es la cruda realidad de fin de siglo, es mas grave an la perspectivafutura. Para el ao 2020 cuando la poblacin mundial se acerque a los 9.000millones, si los gobiernos no toman acciones para corregir lo que el mercado noresolver, se estima que la poblacin sin servicio elctrico crecer a 4.000millones.

Estas reas rurales con pobladores alejados de las redes de distribucin, conrequerimientos energticos insatisfechos, constituyen el mbito principal donde

Potencial Hdrico Mundial

45000

163000

250000

356000

358000

430000610000

2212000

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000

Oceana

Europa

URSS

Amrica del Norte

Africa

Amrica del SurAsia

Potencial Total Aprovechable

Regiones

MW

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la pequea hidrogeneracin elctrica encuentra su aplicacin potencial, entanto se cuente con recursos hdricos locales suficientes.

Si bien ste es el mbito principal donde las MCHs tienen un rol asegurado, noes el nico y excluyente. Factores tcnicos y ambientales le asignan a estatecnologa otros campos de aplicacin complementarios, a los que nos

referiremos en la ltima parte de este texto.Focalizado de esta manera el principal mbito de aplicacin de esta tecnologa,el desarrollo del tema estar estrechamente vinculado con el mismo.

En el segundo captulo discutiremos la forma en que se determinan losrequerimientos energticos de la poblacin rural y la capacidad y disposicin alpago asociados a dichos requerimientos.

En el tercer captulo trataremos de como evaluar el potencial hidrulico de unaregin y los indicadores de calidad hdrica que nos permitirn seleccionarzonas de inters para satisfacer el abastecimiento con esta fuente energtica.

En el mismo captulo analizamos como evaluar el potencial hidrulicoaprovechable en un emplazamiento determinado.

En el cuarto captulo haremos una descripcin de los componentestecnolgicos de una Micro Central Hidroelctrica, con particular nfasis enaquellos en que la tecnologa es menos conocida.

En el quinto captulo abordaremos el anlisis econmico, tipificando costos deinversin y de operacin y mantenimiento, analizando el precio de la energaresultante y su sensibilidad frente a la variacin de los factores que lo afectan.Se prestara especial atencin a la evaluacin social de proyectos y a criteriosde eficiencia econmica por tratarse de un marco de decisiones de inversiones

publicas.En el sexto y ultimo captulo describiremos los impactos ambientales de latecnologa y las medidas de mitigacin asociadas y algunas consideraciones deorden legal e institucional vinculadas a la difusin de la misma.

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Captulo 2: Evaluacin de los Requerimientos Energticos

2.1. Introduccin.

El tratamiento de los aspectos sociales y econmicos de la difusin de nuevasfuentes y de tecnologas energticas alternativas como las MCH debe apoyarse

en un tratamiento metodolgico, que asegure la confiabilidad en los resultadosde los estudios que fundamentarn las inversiones

El mtodo debe contemplar aspectos tales como:

Considerar la escala del requerimiento y el contexto socioeconmico dondese incorpora el esquema de abastecimiento del estudio. Esto implicaconsiderar al planeamiento energtico como parte integral de la estrategiade desarrollo de una regin determinada.

Analizar, en dicho contexto, los requerimientos de energa del poblador rural

por medios analticos para determinar los niveles de consumo por usos, ascomo las fuentes utilizadas para abastecerlo.

Permitir el anlisis y la comparacin desde el punto de vista econmico detodas las soluciones tcnicas de abastecimiento disponible, tanto en escalamicro como macroeconmica. De tal manera ya sea que se trate deproyectos de decisin privada o de inters pblico, el decisor tendrsuficientes elementos de juicio para adoptar la solucin que mejor convengaa sus objetivos.

En este marco el recurso hdrico y la tecnologa de las MCHs ser unaalternativa ms, que deber demostrar su competitividad frente a las

fuentes / tecnologas que, en la regin plan, estn disponibles paraabastecer los requerimientos de electricidad de la poblacin.

2.2. Destinos (usos) y Destinatarios (Sectores y Usuarios)

Algunos criterios tiles para determinar los requerimientos de energa elctrica,que debern ser satisfechos por una MCH, se describen a continuacin:

La eleccin del mtodo de relevamiento de informacin debe tener encuenta los resultados del anlisis socioeconmico de la regin y la insercindel sector energtico en el desarrollo regional, a los efectos de determinar:a) el universo objeto de investigacin, b) el tipo de informacin que se

necesita relevar.

Dado que la demanda de energa elctrica en las reas rurales secaracteriza por su baja densidad y su dispersin, resulta necesario evitar untratamiento individual de cada usuario potencial. Para ello ser til definirrangos de requerimientos de energa e incorporar a los mismos lasunidades de demanda identificadas. Esto implica el tratamiento de lasunidades agrupadas en mdulos homogneos (Ej. Por niveles de ingreso ocalidad de vivienda).

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Los mtodos de proyeccin de demanda basados en informacin histricade consumo no son aplicables a este tipo de regiones, por lo general no seregistran datos para la identificacin de los consumos (fuentes nocomerciales, usos, tipo de equipamiento, energa til). La proyeccin sebasa, entonces, en la simulacin de los comportamientos de cada modulohomogneo en el que se ha desagregado al sector rural, principalmente en

cuanto a la posibilidad de satisfacer determinados usos.

La determinacin de los requerimientos de energa por fuentes y usos delos mdulos homogneos, se realizar mediante encuesta. La informacinrelevada debe determinar la estructura actual por fuentes y usos de lasnecesidades de energa final y til, las posibilidades de sustitucin de otrasfuentes por la electricidad y la incorporacin de equipamiento domstico yproductivo dentro del perodo de estudio, as como la capacidad de pago delos potenciales usuarios y su actitud hacia la electricidad (disposicin alpago).

Como resultado de esta evaluacin deben identificarse para cada modulohomogneo:

La evolucin esperada del consumo de energa elctrica para el periodode estudio.

La curva de demanda de potencia elctrica para los usuariosindividuales o agrupados en un pequeos sistemas en el ao horizontedel estudio.

La parte de sus excedentes econmicos que los potenciales usuariosestn dispuestos a aplicar al pago del servicio elctrico.

2.3 Un estudio de caso

A fines de los 80, en el marco de una red internacional de centros deinvestigacin sobre fuentes renovables de energa, se desarrollo el proyectoRETAIN (Rural Energy Technology Assessment and Innovation Network). EnArgentina, el trabajo se centr, en general, en la formulacin de un mtodo deevaluacin para la toma de decisiones de inversin para el abastecimientoelctrico en reas rurales dispersas y en particular, en el estudio de la difusinde Micro Centrales Hidroelctricas. (ver referencias bibliogrficas)

Para ambos estudios se tom como caso de anlisis a la provincia de Misiones,

ya que presentaba un alto grado de ruralidad en su poblacin y un bajo gradode electrificacin, a la vez que dispone de un alto potencial del recurso hdrico.

Las encuestas realizadas sobre la poblacin rural (electrificada y noelectrificada) en la provincia de Misiones (Argentina), permite mostrar que losniveles de requerimientos son diferenciados segn la situacinsocioeconmicos del productor. Por ello el estudio consider tres mduloshomogneos denominados A, B y C con requerimientos decrecientes.

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Los mdulos A, B y C fueron definidos de acuerdo con caractersticas de lavivienda rural. Por un lado calidad y tamao de vivienda se asocia directamentecon niveles de requerimientos de electricidad para usos domsticos que semantienen dentro de rangos de baja dispersin si el mdulo homogneo(tipificacin de los indicadores de la vivienda) est correctamente definido. Porotro lado la informacin sobre viviendas disponible en el censo nacional de

poblacin y vivienda permita expandir los resultados del estudio sobremuestras encuestadas de los mdulos A, B y C, a toda la poblacin del reabajo anlisis.

Los principales resultados derivados de las encuestas se resumen acontinuacin:

2.3.1. En relacin con los requerimientos de electricidad

Los datos obtenidos en Misiones brindan la imagen de una estructurasocialmente diferenciada con una fuerte base en la agricultura familiar. Esnotable el contraste entre la poblacin no electrificada y los usuarios del

sistema rural abastecido por redes. En todos los indicadores, los pobladoressin servicio elctrico aparecen, consistentemente en una situacindesfavorable. En cuanto a los usuarios de Micro Centrales Hidroelctricas,tienden a aparecer en una situacin intermedia, con lo que es posibleinterpretar que esos emprendimientos han permitido el acceso a la energaelctrica, a sectores sociales que difcilmente pudieran haberlo hecho bajola modalidad centralizada.

Los usos de la energa elctrica son bsicamente domsticos y salvo quese provoque un impulso exgeno, no cabe esperar que los usuarios vayan autilizar la electricidad para fines directamente productivos en escalasignificativa.

En el caso en estudio, el anlisis del contexto socioeconmico, permitainferir la ausencia de usos productivos de la electricidad en las unidadesfamiliares rurales (viviendas). El tipo de produccin agrcola (forestacin,yerba mate, t, tabaco) no requiere procesamiento en la unidad deproduccin agrcola, sino que lo hace en establecimientos (secaderos,aserraderos, etc.) que concentran produccin de reas geogrficasimportantes y que usualmente estn abastecidos por redes.

A nivel de las unidades domsticas rurales alimentadas por redes, los usosproductivos detectados, fueron para el bombeo de agua (riego de almcigos

y viveros) y para mantenimiento de equipos y maquinaria agrcola(soldaduras, sierras elctricas, esmeril, etc.). No obstante, la presencia deambos usos no superaba el 15% de los casos encuestados.

El anlisis de los usos domsticos de la electricidad para las viviendas detipo A y B (alta y media calidad relativa) se realiz mediante encuestas a lospobladores rurales electrificados por redes. La casi totalidad de los mismosquedan incluidos en estos tipos de viviendas. En tanto los no electrificados

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se concentran en viviendas tipo B y C (media y baja calidad relativa). Deesta forma se pudo conformar una base de anlisis para el estudio desustitucin de otras fuentes energticas por la electricidad de las unidadestipo A y B, cuantificar las necesidades de potencia y energa, definir losusos finales de la electricidad detectados en el estudio y su penetracinpara unidades domesticas que, en promedio, haban sido conectadas a la

red entre 4 y 5 aos antes de la encuesta.

Tipo de ViviendaUsos de laElectricidad

A B

Valor ndice de Bpara A=1

Calentamiento delAgua

20.0 8.1 0.40

Calefaccin 13.3 0.0 00.0

Conservacin dealimentos

93.3 70.3 0.75

Acondicionamientode Aire (ventilador)

48.3 21.6 0.45

Bombeo de Agua 66.7 10.8 0.16

Iluminacin 100.0 100.0 1.00

T. V.

Plancha

Lavarropa

93.3

98.3

60.0

91.9

73.0

43.2

0.98

0.78

0.72

Las modalidades de consumo de la electricidad en las unidades domesticasencuestadas, permiti analizar la forma de la curva de carga, (horarios deuso de plancha, lavarropa, agua caliente, etc.).

Mediante el resultado de las encuestas a los usuarios electrificados, en el

caso de viviendas A y B, y del anlisis de las relaciones entre fuentesenergticas y usos finales de la energa en el caso de las viviendas tipo C,fue posible proyectar para un horizonte de consolidacin de 10 aos, losrequerimientos de energa y de potencia de los tres niveles de vivienda, losque se muestran en el cuadro siguiente.

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Requerimientos de Energa y de Potencias Proyectados

Indice de condiciones habitacionalesRequerimientos

Viviendas A Viviendas B Viviendas C

Energa (kWh-ao) 1278 764 450Potencia (Watts) 1760 1320 881

Fuente: RETAIN

La conclusin en relacin con los requerimientos de energa elctrica de lospobladores rurales del rea en estudio fue que: lo reciente de laelectrificacin rural, unido al bajo nivel econmico de gran parte de lasunidades domsticas y al escaso desarrollo de los usos productivos, hacenque las necesidades de electricidad de los pobladores del rea de resuelvanen bajos niveles de consumo y usos predominantemente domestico con un

muy bajo factor de carga de las instalaciones dedicadas a abastecerlos.2.3.2 En relacin con la capacidad de pago

En el estudio la capacidad de pago se defini, como la parte de losexcedentes monetarios que el productor esta dispuesto a invertir paradisponer de Energa Elctrica, en el marco del conjunto de prioridadesproductivas y de confort en que vive. Mediante encuestas al poblador ruralno electrificado se midi, en forma cuantitativa, su capacidad de ahorro(excedente monetario total) y en forma cualitativa, su disposicin a laelectrificacin (expresada en el nivel de inters). Los resultados alcanzadosse demuestran en el cuadro siguiente.

Excedentes monetariosGrados de Inters

Menos de30 U$S/mes

Ms de30 U$S/mes

Total

Escaso 22 % 25 % 47 %

Cierto 9 % 44 % 53 %

Total de casos 31 % 69 % 100 %Fuente: RETAIN

Estos datos permitieron, en el caso de Misiones, extraer las siguientesconclusiones:

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No ms del 80% de la poblacin no electrificada, rene condiciones bsicasque combinen inters y/o excedentes econmicos para incorporarse al plande electrificacin.

De la poblacin que rene estas condiciones aproximadamente un 30%dispone de excedentes pero requiere una motivacin o en su defecto puedeesperarse que se conecte al sistema luego de conocer, a travs de susvecinos, sobre los beneficios de la energa elctrica. El 70% restante tieneinters en la electrificacin y en su gran mayora estn dispuestos acontribuir con dinero o bien con trabajo personal o productos agrcolas. Parala ejecucin de las obras.

Las prioridades de asignacin del excedente monetario del poblador rural,as como los compromiso que tiene asumido en el momento de laelectrificacin restringen los importes que pueden destinar a financiar susuministro elctrico. En el caso de Misiones el resultado de las encuestasmostr como razonable fijar cuotas del orden del 25% del valor de la

mediana de los valores de los excedentes monetarios correspondientes acada categora habitacional, resultando valores de cuota de 10 U$S pormes para las viviendas C y 20 U$S por mes para vivienda B y A.

No obstante los datos relevados en la encuesta muestran un elevado gradode dispersin.

Existe, sin embargo, un piso mnimo de contribucin del poblador ruralpara su electrificacin, que corresponde a las economas de sustitucin delas unidades domsticas. Estas economas de sustitucin corresponden ausos actuales, abastecidos por otras fuentes o tecnologas que sern luego

reemplazados a partir de la conexin elctrica.

Estas economas corresponden al consumo de kerosene y/o gas licuadopara la iluminacin y conservacin de los alimentos y a pilas o bateras paracomunicacin (radios y TV).

De acuerdo a los datos relevados y procesados, la contribucin de lasunidades domsticas al pago del servicio elctrico se estim segn lossiguientes valores:

CAPACIDAD DE PAGO

CATEGORAHABITACIONAL

NADA CUOTA 1

U$S 10/mes

CUOTA2

U$S 20/mes

A y B 10% 26% 64%

C 14% 54% 32%

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2.4 Generalizando el Anlisis sobre requerimientos y capacidad depago

Los patrones de requerimientos y de capacidad de pago de la poblacin rural

de Misiones no electrificada (relacionadas con las viviendas tipo C en elestudio del caso), podemos considerarlos representativos de la poblacin ruralalejada de las redes del Norte Argentino.

Los resultados obtenidos para Misiones no son distintos de los que serelevaron en el II plan de electrificacin rural que las Cooperativas Elctricasllevaron adelante entre los aos 1978 y 1981, con la asistencia financiera delBID. Tampoco se apartan de los valores que se presentan peridicamente enlos trabajos publicados por la CLER (Conferencia Latinoamericana deElectrificacin Rural).

Podemos entonces afirmar que la electrificacin de la poblacin rural dispersa

atiende en primer lugar a un concepto de calidad de vida y no de cambio enlas tecnologa de produccin.

Algunos usos productivos pueden ser incorporados directamente por losusuarios, como por ejemplo el caso del bombeo de agua para riego o paraconsumo animal, y otros usos productivos de mayor envergadura queimpliquen el uso de fuerza motriz o conservacin en fro para procesamientode la produccin del agricultor, podran ser incorporados con impulsosexgenos a travs de planes de desarrollo integrado para el sector rural.

No obstante, en reas con economas de subsistencia, con un alto ndice denecesidades bsicas insatisfechas, el uso de la electricidad estar

prioritariamente orientado a satisfacer requerimientos domsticos y noproductivos.

No podemos dejar de sealar que en una familia rural es difcil separar entrelos mbitos de lo econmico y lo domestico ya que ambos aspectos estnfuertemente imbricados al coincidir esencialmente equipo de trabajo y grupofamiliar, cualquier innovacin que se produzca en uno de los mbitos afectaranecesariamente al otro. As una reduccin del tiempo necesario para realizartareas domesticas permitir mayor disponibilidad para realizar actividadesproductivas o bien un desplazamiento de actividades domsticas hacia lanoche (con iluminacin de mejor calidad) permitir una mejor organizacin delas tareas productivas del grupo familiar. Tambin la comunicacin (TV) con

los canales especializados en actividades rurales introduce informacin yconocimientos tiles para el mejoramiento de la produccin.

Los requerimientos domsticos se ubican en general en una franja entre 40 y100 kWh/mes. Estos requerimientos atienden a la iluminacin con tubosfluorescentes convencionales, la incorporacin de la TV color, y distintosgrados de penetracin de la conservacin de alimentos y del uso deelectrodomsticos y de artefactos para calentamiento de agua.

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La caracterstica del equipamiento electrodomstico asociado a estosconsumos puede exigir altos niveles de capacidad en la red y en la unidad desuministro.

El factor de carga de las redes rurales que conectan unidades domsticas sinotro lmite de capacidad que el transformador de bajada en la chacra (5kVA)

se encuentra generalmente por debajo del 10% y disminuye an ms cuandolos usos de la electricidad se concentran en iluminacin y comunicaciones yen el uso de artefactos elctricos de bajo costo y de uso estacional comocalefones en lnea (2000W) o estufas elctricas de velas (1200W).

Por consiguiente no pueden fijarse, en forma racional y econmica,requerimientos de capacidad asociados a requerimientos de energa para lapoblacin rural si no se incorporan conceptos de gestin de demanda quepermitan abastecer los mismos usos con el mnimo de capacidad requerida.

Esto implica que un programa de abastecimiento rural de electricidad debeasignar esa cuota de potencia basada en equipamientos y formas de uso

racional de la electricidad. Los limitadores de potencia en la acometida a lasviviendas y la capacitacin del usuario son los instrumentos ms aptos paraajustar la demanda de capacidad sin restringir la satisfaccin de losrequerimientos de energa elctrica.

Bajo estos parmetros los requerimientos de capacidad asociados a los deenerga antes indicados, se ubican en una franja entre los 800W y 1600W.

En materia de capacidad de pago, existe un marcada dispersin, tanto intramuestra en el estudio de caso en Misiones como en la informacin relevadaen otros estudios en la Argentina y en Amrica Latina. Sin embargo estadispersin se ubica en una banda que siempre mantiene como piso las

economas de sustitucin (en general por encima de los U$S 5 por mes) ycomo techo valores del orden de los 30 U$S por mes.

2.5 La demanda de capacidad en la MCH

Los sistemas elctricos se disean en funcin de la capacidad (potencia)mxima que deben abastecer, tanto para la unidad de generacin como parael sistema de transporte y distribucin de la electricidad.

Los usuarios, como hemos analizado en los puntos anteriores expresanrequerimientos de energa y de potencia til, es decir asociada a los usosfinales de la electricidad ya sean estos domsticos o productivos.

Sin embargo en la cadena de produccin distribucin o uso de la electricidadexisten prdidas que deben ser suministradas por el generador en formaadicional a los requerimientos de energa til del usuario.

En cadenas complejas, estas perdidas pueden alcanzar un porcentaje muysignificativo de la capacidad de la utilidad de produccin de energa y debe seradecuadamente consideradas para determinar la demanda de potencia deuna MCH.

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A modo de ejemplo se muestran dos cadenas comparadas, una consuministro directo y otra con el mismo uso final pero con una cadena larga deconversiones elctricas.

Otro aspecto sustantivo que debe considerarse cuando la MCH atiende a unpequeo sistema aislado por redes, es el factor de simultaneidad. Este factorrefleja el comportamiento aleatorio del uso del equipamiento elctrico donde lademanda mxima simultanea de todos los usuarios siempre es menor que lasuma algebraica de la demanda de cada usuario individual.

De tal forma el clculo de la capacidad en bornes del generador debe partir dela sumatoria de la potencia mxima que requiere cada usuario individual,afectada por el factor de simultaneidad (demanda mxima del sistema) y conel agregado de todas las prdidas que ocurren en los procesos detransformacin, transporte y distribucin de la electricidad.

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Captulo 3: Evaluacin del Recurso Hdrico

3.1. Las herramientas del Planificador

Un programa de abastecimiento de electricidad en reas rurales, que incorporefuentes de energa diversificadas, debe contar con un anlisis territorial quecalifique la aptitud de las fuentes en las reas involucradas en el programa.

Para la fuente hdrica, tal aptitud se valora mediante indicadores de calidad delas cuencas que atraviesan la regin, estos indicadores permitirn alplanificador, determinar las zonas en que el recurso hdrico tiene un potencialadecuado para satisfacer los requerimientos elctricos de la poblacin local, yde este modo, incluir esta fuente como alternativa de suministro de talesrequerimientos.

Una vez seleccionadas las reas con aptitud hdrica, es necesario identificar los

sitios aptos para el emplazamiento de la MCH y en cada uno de ellosdeterminar la potencia y energa que puede obtenerse del mismo.

Es decir que la evaluacin del recurso hdrico, debe reconocer dos etapas, laprimera de carcter macro regional, para identificar la aptitud del recurso yseleccionar las reas de inters para su aprovechamiento con fineshidroelctricos y la segunda con carcter localizado para seleccionar y evaluarel potencial de distintos emplazamientos para MCHs en los cursos de aguadentro de las reas de inters identificadas.

3.2. Anlisis Regional. Indicadores de Calidad de Cuenca

Las cuencas hdricas estn alimentadas por las lluvias. El comportamientohidrolgico de una cuenca estar entonces influenciado por la distribucin,intensidad y duracin de las precipitaciones y tambin por la forma en que elmedio ambiente influye en la administracin del recurso. La acumulacin enforma de nieve, la evaporacin directa y la infiltracin, la capacidad del suelopara retener el agua, las cubiertas vegetales, los procesos de transpiracin yabsorcin de humedad son, entre otros, factores que afectan la forma en que elagua de lluvia discurre por la cuenca que la recibe.

Las precipitaciones, y la forma en que el medio ambiente las administra,determinan el comportamiento de los caudales de agua superficial que seconcentran en arroyos y ros y que se acumulan desde las altas cuencas

(nacientes) hasta que se cierra el ciclo hidrolgico regresando al mar.

El camino ideal para conocer el comportamiento de los caudales de unacuenca es contar con mediciones que registren la historia de la misma sobre unlargo perodo de tiempo (30 a 50 aos). An as, modificaciones ambientalesde carcter planetario como el calentamiento global o los cambios en lascorrientes marinas y an aquellas modificaciones localizadas como ladeforestacin de reas boscosas, introducen importantes cambios en el

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comportamiento hidrolgico de las cuencas, reduciendo la confiabilidad de lasproyecciones basadas en los datos de las crnicas histricas.

Sin embargo es probable que en muchas regiones no se cuente con registro dedatos de aforo de todas las cuencas. Cuando la informacin de caudales esparcial, siempre contamos con registros de lluvias.

La correlacin entre cuencas aforadas y cuencas sin registros, cuando suscaractersticas son similares, permite utilizar informacin de lluvias, junto conmediciones de campo limitadas en el tiempo, para extrapolar probablescomportamientos de los caudales de las cuencas sin registro, a partir de lainformacin de las cuencas aforadas.

El caudal especifico de la cuenca (litros/seg/km2) medido como el aporte decaudal que hace cada unidad de superficie de cuenca es el vector que permiteextrapolar datos desde cuencas aforadas a cuencas sin registro. Un segundoinput de informacin que se requiere para analizar los indicadores de calidadde la cuenca es la informacin topogrfica de la cuenca. En general esta

informacin esta disponible en cartas topogrficas o puede gestionarse enforma muy expeditiva con las tcnicas de relevamiento actuales.

Hechas estas consideraciones de carcter general, pasamos ahora a describirlos indicadores que nos permitirn evaluar el potencial hdrico de una regin.

3.3. Potencial Hidroelctrico Terico Bruto (P.H.T.B.).

Se define como la potencia total entregada por el caudal de agua al discurrirpor un cauce natural, desde una cota superior a una inferior y admitiendo queno hay perdida de ninguna naturaleza.

Representa un potencial tericamente disponible, pero prcticamenteinalcanzable, no solamente por las prdidas referidas, sino por la imposibilidadtcnica de aprovecharlo, por la incidencia de diferentes causas (geolgicas,econmicas, sociales, ecolgicas, etc.). As definido constituye el ndice queevala la magnitud hipottica de la potencia hidrulica de la cuenca en anlisis.

Dado que la magnitud del P.H.T.B. de una subcuenca depende de losdesniveles naturales existentes y de los caudales circulantes en el tramoanalizado, en su clculo intervendrn las superficies de aportes de las cuencas,las escorrentas especficas y los mencionados desniveles.

La potencia continua desarrollada en una cuenca aguas arriba de una dadaseccin de control, seria el resultado de integrar los productos de caudal ydesnivel que aportan las subreas en que se divida la subcuenca y luegoagregar todas las subcuencas que aportan sobre dicha seccin de control.

En el grfico siguiente se muestra el proceso de integracin de la potenciahidrulica bruta y de la energa media anual bruta desarrollada durante las8.760 horas del ao.

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El valor de Qij se obtiene como producto del caudal especifico que se hayapreviamente calculado o estimado, multiplicado por las fracciones de superficiede aporte hasta el punto de control de la subcuenca o tramo analizado.

El dato de caudal que se utiliza para este indicador es el que corresponde alvalor medio anual de la serie, es decir aquel cuya probabilidad de permanenciaes del 50% del tiempo.

A los efectos de ordenar el clculo del P.H.T.B. de una cuenca, puedeentonces seguirse la siguiente secuencia:

Fraccionar la cuenca en subcuencas, de acuerdo con la configuracin decursos tributarios, secundarios, terciarios, etc. Numerar subcuencas connomenclatura relativa a la cuenca en estudio.

Calcular las reas de las subcuencas determinadas.

Mediante clculos o estimaciones, adoptar el caudal especfico para cadasubcuenca.

Para cada subcuenca, sumar todos los caudales que pasaran por la seccinde control de la misma.

Calcular la diferencia de niveles entre la parte ms alta y ms baja del tramodel curso principal de cada subcuenca en estudio.

Por ampliacin de la formula (I), calcular la potencia continua para cadatramo o subcuenca.

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Proceder a efectuar el clculo acumulativo de cada subcuenca avanzadodesde nacientes hasta el final de la misma, determinando de esta forma elP.H.T.B. del total de la cuenca.

Mediante la frmula (II), calcular la Energa Terica Anual a PotenciaContinua para cada tramo, y por acumulacin total de la cuenca partiendode nacientes hasta el final de la misma.

3.4. Densidad del P.H.T.B.

El P.H.T.B. nos da un valor muy agregado que no permite una claravisualizacin de la calidad de la cuenca a los fines de su explotacinenergtica.

Por el contrario cuando referimos este potencial a la superficie de cuenca o a lalongitud del cauce asociadas al mismo, tenemos una idea de la forma en quese concentra en un rea o en un tramo del arroyo.

De tal forma los indicadores especficos como la densidad superficial delP.H.T.B. (kW/km2 de cuenca) y la densidad lineal del P.H.T.B. (kw/km de ro)nos permiten una mejor apreciacin de la oportunidad o probabilidad deencontrar emplazamientos aptos para hidrogeneracin.

Es decir que para dos cuencas con igual P.H.T.B. (ejemplo: con 500 MW depotencial bruto) aquella que tiene menos superficie tendr mayor densidad depotencial (ejemplo: con 1000 km2 tiene 500 kW/km2) y la de mayor superficietendr menor densidad de potencial (ejemplo: con 10000 km2 tiene 50kW/km2). Siguiendo el ejemplo, ser entonces ms probable encontraremplazamientos tcnica y econmicamente viables donde dispongamos de 500kW/km2 que donde solo contemos con 50 kW/km2.

3.5. Potencial Hidroelctrico Tcnico Aprovechable (P.H.T.A.)

Como el P.H.T.B. representa una cifra independiente de la tecnologa a utilizar,de los rendimientos a obtener, de la presencia de las obras o proyectospreexistentes, de las complicaciones geolgicas o topogrficas de losdiferentes tramos, de las posibilidades de regulacin mediante embalses, etc.,y adems supone implcitamente que todo el caudal disponible se destina a laproduccin de energa hidroelctrica, resulta mucho ms interesante, con vistasa planificar el equipamiento elctrico de una determinada regin, analizar eldenominado Potencial Hidroelctrico Tcnico Aprovechable (P.H.T.A.).

El P.H.T.A. que, por definicin, resulta el que realmente pudiera ponerse enservicio con factibilidad tcnica, aunque una cierta porcin de l pueda no sereconmicamente interesante o conveniente, al momento de su evaluacinparticular.

Usualmente no se dispone de la informacin o de la experiencia propianecesaria como para definir el P.H.T.A. por lo que suele recurrirse comoprimera aproximacin a metodologas desarrolladas para cuencas que hanagotado prcticamente su capacidad hidrogeneradora, y que permiten obtener

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ndices que relacionan la densidad del P.H.T.B. con un rango de porcentajesdel P.H.T.A.

El P.H.T.A. como porcentaje del P.H.T.B. puede obtenerse por ejemplo de latabla adjunta dada por la Comisin Econmica para Europa de las NacionesUnidas, con informacin de potenciales tcnicos mnimos y mximos respecto

de la densidad especfica del Potencial Bruto para las cuencas europeas.

Densidad del P.H.T.B.(KW/km2)

P.H.T.A.como porcentaje del P.H.T.B.

10 00-2550 00-30

100 05-35150 10-40200 15-45250 20-50300 25-55

350 30-60

3.6. Potencial Hidroelctrico Tcnico Aprovechable a escala demicrogeneracin (P.H.T.A.m.)

El P.H.T.A. se calcula tomando en consideracin las tecnologasconvencionales aplicadas a grandes, medianos y pequeos aprovechamientosenergticos y prescinde de cualquier clasificacin de los mismos en funcin desu magnitud.

De acuerdo con el objeto del tema que estamos tratando, definimos al

Potencial Tcnico Aprovechable a Escala de Microgeneracin como la fraccindel P.H.T.B. susceptible de ser aprovechada mediante la implementacin demicrocentrales, es decir, de aquellos emprendimientos de potencia inferior a300 kW.

Al igual que con el P.H.T.A., el clculo del P.H.T.A.m. permite cuantificar elpotencial tcnicamente factible de ser utilizado, aunque prescindiendo deconsideraciones econmicas o de cualquier otra ndole que determinen laconveniencia o viabilidad de construir microcentrales hidroelctricas en lascuencas en estudio.

El P.H.T.A.m. se ha concebido como aquel susceptible de ser aprovechado

mediante la instalacin de microturbinas.

Los lineamientos del clculo del P.H.T.B., se aplican al calculo del P.H.T.A.m.,a cuyos efectos se determinan porcentajes del mismo, en funcin deparmetros caractersticos que califiquen la aptitud energtica del tramo osubcuenca con vistas a su aprovechamiento energtico mediantemicroturbinas.

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Cuando la experiencia lo aconseje o relevamientos de campo lo fundamenten,los valores del P.H.T.A.m., podrn afectarse mediante coeficientes decorreccin o aproximacin. Dichos coeficientes dependern de parmetros ondices hidrogeomorfomtricos de las cuencas o subcuencas en estudio(densidad de drenajes, rea especfica de mximas pendientes, etc.).

Con lo expuesto el P.H.T.A.m. podr calcularse mediante una expresin de laforma:

P.H.T.A.m. = P x (P.H.T.B.) (III)

En la que P es un porcentaje obtenido mediante estudios bsicos de campo yde gabinete, en funcin de la densidad del potencial bruto (en kW/km2).

Para obtener la tabulacin de los porcentajes P en funcin de la Densidad dePotencial Bruto, la propuesta consiste en analizar subcuencas que se juzguenrepresentativa de la regin en estudio y efectuar un programa de relevamientode campaa lo ms exhaustivo posible, con visitas de campo a los sitios de

emplazamiento potencial, previamente seleccionados mediante apoyocartogrfico y aerofotogramtrico en el caso de disponerse.

Del anlisis puntual de cada emplazamiento relevado, podr obtenerse porcmputo el Potencial real a ser aprovechado en la subcuenca, el que podrluego relacionarse con el P.H.T.B. correspondiente de dicha subcuenca.

Cuando se juzgue que los valores obtenidos son transferibles o extrapolablespodr iniciarse la evaluacin del P.H.T.A.m. para otras cuencas o subcuencaspor simple asignacin de los valores tabulados, en funcin de la Densidad dePotencial Bruto.

3.7. Mtodos Para Evaluar el Potencial de un Emplazamiento

3.7.1. Seleccin de las Cuencas de Inters

En primer lugar debemos considerar que el recurso hdrico es aprovechable enun entorno del sitio de su emplazamiento. Es decir que la distribucin espacialde la demanda elctrica, es un dato relevante para predeterminar las reas queresulten de inters hidrulico.

De tal forma, las reas que, por sus indicadores de calidad de cuenca, resultanaptas para su aprovechamiento hidroenergtico deben coincidir con las reasdonde se localiza la demanda que debe ser abastecida.

3.7.2. Preseleccin de Emplazamientos en Gabinete

Una vez predeterminadas las reas de inters, con bases en la informacincartogrfica disponible, deben localizarse emplazamientos en cada ro o arroyo,donde se observen puntos de inters, a partir del apilamiento de lneas denivel que indiquen rpidos o saltos de agua en el curso.

Fijando secciones de control en esos puntos, pueden calcularse caudalesmedios midiendo en cartografa las reas de cuenca de aporte aguas arriba de

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la seccin de control. Con los datos de caudal y desnivel localizado en cadaemplazamiento seleccionado, puede hacerse una primera estimacin de lapotencia continua disponible en los mismos.

Sobre la base de este anlisis se realiza una preseleccin de losemplazamientos que resultan de mayor inters para resolver el abastecimiento

de la demanda localizada en el rea.3.7.3. Verificacin y ajuste con estudios de campos.

Los emplazamientos preseleccionados en gabinete deben ser luegoidentificados y evaluados en campo. Si no se encuentran restricciones deimportancia que imposibiliten la utilizacin de dicho emplazamiento (situacionesgeolgicas, ambientales, afectacin de actividades socio econmicas, etc.) seprocede a realizar mediciones detalladas de caudal y desnivel, conforme a lossiguientes procedimientos.

3.7.3.1. Para evaluar el desnivel aprovechable

Para medir el desnivel aprovechable deben evaluarse, en campo, la ubicacinde la cmara de carga y de la sala de mquinas.

Como veremos en el captulo 4, la cmara de carga puede estar junto a la tomade agua, sobre el arroyo o bien en un punto alejado conectado a la toma deagua mediante un ducto cerrado o un canal abierto a nivel (en ambos casos sinpresin).

La medicin de desnivel se realizar desde el punto seleccionado para instalarla cmara de carga hasta el punto seleccionado para instalar la sala demquinas, donde el agua ser turbinada y devuelta a su curso natural.

Para medir el desnivel que puede lograrse dentro de longitudes aceptables delas obras de conduccin (canales y tuberas), se utilizar una manguera tiponivel de albail (25-35 metros de longitud), llena de agua, con un manmetrode rango apropiado para un mximo de 30 metros de columna de agua,conectado a su extremo.

Desde el nivel de cmara de carga hasta el nivel de sala de mquina, sefraccionar la medicin, colocando puntos intermedios de control en la formaque mejor se adapte a la topografa del terreno y a la longitud de la manguerautilizada.

Las medidas de desnivel deben realizarse apoyando el manmetro en el suelo

y con el nivel de agua en el extremo superior controlado con una reglacolocada en la vertical del punto.

3.7.3.2. Determinacin del caudal

Mtodo de la botella:

Consiste en calcular el tiempo que tarda una porcin de arroyo de 10 metros delargo en pasar por una seccin de control.

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Ubicar la seccin de control aguas arriba del punto de toma seleccionado, enun lugar preferentemente poco sinuoso, medir su ancho (L) en metros, de orillaa orilla, tendiendo un hilo sujetado con una estaca en cada margen.

Dividir L en diez partes iguales a lo largo del hilo y en cada una medir con unavara la profundidad (xi), en metros, del arroyo. La profundidad media del arroyo

en la seccin de control ser:Xm = (X1+ X2+ X3+ X4+ X5+ X6+ X7+ X8+ X9+ X10) / 10

A diez metros aguas arriba de la seccin de control, coloque otro hilo paraleloal primero, luego prepare una botella vaca bien tapada y djela flotar en elcentro del arroyo desde varios metros aguas arriba del segundo hilo. Controleel tiempo T en segundos que tarda la botella en recorrer los 10 metros queseparan ambos hilos. Repita las medidas y utilice el promedio de lasmediciones.

El rea A en metros cuadrados de la seccin de control ser:

A = Xm (profundidad en metros) x L (ancho en metros).

En el tiempo (T) habr pasado por la seccin de control un volumen de aguaigual a:

V(m3) = 10xA.

El caudal que circula en la seccin de control, al momento de la medicin ser:

Q (litros/seg) = V (m3) x 1000 (litros/m3) / T(seg)

Mtodo del Tambor:

Es un mtodo apropiado para emplazamientos que cuentan con saltoscompactos.

Consiste en transportar hasta el salto un tambor vaco de combustible de 200litros y sostenerlo bajo la cada de agua, midiendo el tiempo T en segundos quetarda en llenarse. La medicin debe repetirse varias veces y adoptar elpromedio.

Luego debe estimarse a vista la cantidad de tambores (N) que podrancolocarse juntos bajo el salto para llenarse simultneamente. (No sea optimistacon esta apreciacin, trate de estimar en menos antes que en mas el valor de

N).

El caudal medio resultar de realizar el siguiente clculo:

Q (litros/seg) = (200xN)/T

Una vez realizadas las mediciones por cualquiera de los mtodos disponible,sobre la base de consultas con los pobladores vecinos al arroyo, se deberdeterminar la frecuencia de ocurrencia del caudal medido en el total del ao,

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as como su valor relativo respecto de los momentos en que el arroyo trae loscaudales mximos y mnimos.

3.7.3.3. La curva de duracin de caudal

La curva de duracin de caudales nos indica el comportamiento de los

caudales a lo largo de un perodo anual y una serie de curvas anuales, nospermite visualizar el comportamiento de los caudales en aos particularescomo ricos, secos o extrasecos.

En la figura se muestra un curva tpica que nos indica la probabilidad de quedurante un % de tiempo del ao los caudales excedan los indicados en lacurva.

Estas curvas pueden construirse cuando existen registros (aforos) durantelargos perodos de tiempo. Tambin puede construirse para cuencas no

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aforadas, cuando existen registros en otras cuencas dentro de un rea generalde caractersticas ambientales homogneas mediante correlacin de caudales.

Este mtodo de determinacin de la curva de duracin de caudales porcorrelacin, requiere realizar mediciones (10 das como mnimo) distribuidasdurante un ciclo anual, con mayor densidad de medidas en la estacin seca, y

compararlos con los registros, de los mismos das en la cuenca aforada.Con una curva ajustada de correlacin entre los caudales circulantes en lacuenca aforada y los que circulan en la cuenca sin aforo, se puede construir lacurva de duracin de caudales de la cuenca en estudio a partir de los datos dela cuenca aforada.

Cuando no se dispone de informacin estadstica de cuencas aforadas, lomejor es recurrir a la memoria del poblador local. En este caso debe buscarseinformacin sobre el comportamiento del arroyo en las estaciones secas y enlas ms ricas.

Ambos datos son necesarios, ya que el proyecto de una MCH requiere un buenconocimiento del caudal mnimo que dispondr (para evaluar la potenciamnima firme) y del caudal mximo que deber evacuarse (seguridad de lasobras sobre el arroyo).

Para ello debe consultarse a los pobladores locales sobre los niveles quealcanza el arroyo en el lugar donde se mide el caudal, tanto en las mximascrecidas como las mayores sequas que recuerden.

La medicin realizada en el emplazamiento elegido, complementada con lainformacin suministrada por los pobladores locales y los registros de lluvias dela zona permitirn estimar valores para los caudales mnimo, mximo y medio

en el sitio del emplazamiento.3.8. Ajuste de la Oferta-Demanda. Caudal y Altura de Diseo.

Durante la fase de planificacin se asignar a los emplazamientosseleccionados, la demanda que debe ser satisfecha por cada uno de ellos.

La oferta de potencia y energa a suministrar por la MCH debe ajustarse adicha demanda.

El caudal de diseo (o de instalacin) que se requiera, se determinarconsiderando los rendimientos de transporte del agua y de su conversin deenerga hidrulica a energa elctrica.

Un valor conservativo del rendimiento para establecer el caudal de instalacines 50%. Por lo tanto resulta que

Qi (m3/seg) = P (kw) (potencia mxima demandada)5 x Hu (m) (altura til de diseo)

Si el valor de Qi as calculado se ubica por debajo de los caudales mnimos(estacin seca) del arroyo, se acepta como valor del proyecto.

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Si Qi se ubica en la franja de excedencia del 80% al 100% del tiempo, deberanalizarse si puede mejorarse la altura de diseo reduciendo de ese modo el Qinecesario o si se aceptar brindar un servicio con restricciones en la estacinseca o bien complementar el servicio con otras fuentes / tecnologa.

En el caso que el Qi requerido sea mayor del que se dispone en el arroyo

durante el 80% del tiempo, el servicio ser con restriccin o con respaldo deotras fuentes.

Se entiende que las restricciones pueden resolverse limitando los usos de laelectricidad o sin limitar los usos pero con horarios del servicio reducidos a ladisponibilidad del agua (incluyendo la que permita el almacenamiento medianteuna pequea obra de cierre para regulacin diaria).

Los caudales mnimos disponibles para el proyecto pueden ser aun menoresque los de la estacin seca, si razones o normas ambientales aconsejanmantener valores asegurados de escurrimiento por el cauce natural e impidenla derivacin del total del agua para la produccin de energa.

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Captulo 4: Tecnologa de conversin mediante MCH

4.1. Compromiso costo / calidad / sustentabilidad

Antes de ingresar en el estudio y seleccin de las tecnologas y criterios dediseo que proponemos utilizar en los proyectos, es necesario: a) definir el

compromiso entre costo y calidad del suministro elctrico que los usuarios y lacomunidad estn dispuestos a aceptar y b) considerar la relacin entre laconfiabilidad y el grado de automatismo que, conforme a la organizacininstitucional que se adopte para operar y mantener el sistema, asegure lasustentabilidad de los proyectos en el largo plazo.

En relacin con los costos, la solucin tcnica debe reducirlos al mnimocompatible con un abastecimiento continuo, dentro de los criterios desuministro adoptado por el proyecto. Estos criterios suelen referirse al tipo deservicios desde el continuo de 24 horas, a servicios interrumpibles con solo 6horas por da (servicio nocturno) y a los tiempos mximos de interrupcionesque pueden admitirse, originados por escasez del recurso hdrico, o bien porcontingencias electromecnicas o electromagnticas.

Tanto los tiempos de interrupcin aceptables como las variaciones de tensin yfrecuencia permitidas en estos pequeos sistemas, son menos rigurosos quepara los sistemas elctricos de alta concentracin de demanda.

Pretender estndares de calidad altos implicara proyectos con tecnologasofisticada, con fuerte impacto en los costos tanto de inversin como deoperacin y mantenimiento.

Por otra parte los requerimientos elctricos de la comunidad receptora de estetipo de proyecto corresponden al uso de artefactos y equipos y al desarrollo de

actividades que no necesitan altos estndares de calidad de servicio.

El principal salto cualitativo que percibe esta comunidad, es la diferencia entrecontar y no contar con electricidad. Si su evolucin socioeconmica le permiteacceder a equipamientos electrodomsticos o productivos sofisticados,seguramente contar tambin con ingresos suficientes para invertir en lamejora de calidad que requieran.

En relacin con la sustentabilidad, la localizacin de los proyectos en las reasalejadas de los centros ms desarrollados requiere de tecnologas sencillasque puedan atenderse localmente tanto en lo referido a operacin, como areparacin o reposicin de componentes y partes de equipos e instalaciones.

No obstante le decisin final sobre criterios de diseo tcnico de los proyectosdepender de la figura institucional que se adopte para operar y mantener lossistemas.

Este punto que discutiremos ms ampliamente en el ltimo captulo, implicaque los criterios de diseo podrn definirse segn que la explotacin seaaltamente descentralizada en la comunidad local (requiere tecnologas ms

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sencillas) o que se realice con formas ms centralizadas en estructuras degestin tcnica (admite mayor complejidad tecnolgica)

4.2. Descripcin de los componentes tecnolgicos de una MCH

En una Micro Central Hidroelctrica se pueden distinguir cuatro partes

componentes principales.

La Obra de Cierre y Captacin

Consistente en la construccin destinada a producir el cierre paraalmacenamiento de agua, o la simple elevacin del tirante para su derivacinhasta la microcentral, o simplemente una toma para captar una parte del caudalque circula por el ro o arroyo.

La Obra de Conduccin o de Derivacin

Son las instalaciones que deben transportar los caudales desde las Obras deCaptacin hasta la turbina para su aprovechamiento energtico. Pueden estarconstituidas por tuberas cerradas solas o combinadas con canales a cieloabierto.

La Micro Central o Sala de Maquinas

Est constituida por el espacio y las estructuras en que se aloja elequipamiento hidroelectromecnico, y que consiste habitualmente en unapequea habitacin, que por su ubicacin prxima a los arroyos requiere serplaneada para afrontar los cambios en el nivel de restitucin, provocados porlas crecidas extraordinarias.

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Incluye la totalidad del equipamiento consistente en la microturbina, suregulador de velocidad, el generador, y el tablero de comandos y control.

Las Obras de Distribucin (Redes Elctricas)

Que permiten el transporte de la energa elctrica hasta los usuarios y que

incluyen las estaciones de transformacin y las lneas de media y baja tensinmono y trifsicas.

4.3. Caractersticas particulares de la tecnologa de MCH

Como dijimos anteriormente la utilizacin de MCH como tecnologa deabastecimiento dentro de un programa rural de electrificacin, incorporaalgunos rasgos caractersticos que la diferencian de otros planes deconstruccin de obras pblicas. Tales rasgos distintivos son los siguientes:

Las MCH tienen dos componentes particulares, turbinas y reguladores,que no cuentan con una oferta de mercado de alta difusin y para los

que es conveniente desarrollar proveedores locales que pueden en elfuturo atender reparaciones y nuevos suministros. La ingeniera utilizadaen estos componentes, debe ser lo suficientemente sencilla como parapermitir su construccin con las mquinas, equipos e instrumentos y conlos niveles de calificacin de mano de obra, con que habitualmente secuenta en regiones rurales alejadas de los centros urbanosdesarrollados. Se requiere garantizar condiciones preestablecidas decalidad en las prestaciones de tales componentes y utilizar criterios deestandarizacin que faciliten la rpida y sencilla reposicin total o parcialde los mismos.

Las Obras de Captacin y Conduccin del agua hasta la sala demquinas, si bien siguen lineamientos ms convencionales, deben serconcebidas con criterios tcnicos que, sin perder seguridad, reduzcanlos costos de inversin y permitan tanto la integracin de materialeslocales como la participacin de los futuros beneficiarios en suejecucin. Debe siempre recordarse que las Micro CentralesHidroelctricas no son centrales grandes y en consecuencia no debenaplicarse a ellas tcnicas ni modalidades constructivas y contractualesde las grandes obras.

Las Obras de Distribucin, deben adecuarse a los criterios de reduccinde costos con que se desarrolla el conjunto de los micro

aprovechamientos, estableciendo estndares de calidad adecuados alos mismos. Para ello es necesario revisar aquellas normas tcnicas queprivilegian la calidad antes que el costo y que suelen utilizarse en redesrurales de regiones mas desarrolladas.

4.4. Obras de captacin

4.4.1. Consideraciones generales

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La captacin de agua en un ro o arroyo debe considerar principios bsicosasociados a la calidad del agua que se deriva a la micro central y a laseguridad de las obras que se ejecutan en el cauce natural.

La calidad del agua debe asegurarse mediante la separacin de piedras, ramasu otros objetos que, de ingresar a las obras de conduccin, obstruirn el flujo

de agua y en caso de llegar hasta la turbina provocarn daos severos einterrupcin del servicio.

Debe tambin asegurarse la separacin de arenas u otras partculas slidasque por su tamao provoquen erosin en los ductos y en la tubera, reduciendosu vida til.

La seleccin del lugar para ejecutar las obras de toma de agua requiereconsiderar el comportamiento de la carga de slidos en suspensin en el flujode agua. En tramos rectos de los arroyos el flujo es uniforme y en su parte altacontiene menor cantidad de slidos en suspensin en el flujo de agua.

En los tramos curvos, en cambio, se produce un flujo en forma de espiral, queerosiona de arriba hacia abajo la margen externa de la curva y se mueve deabajo hacia arriba a la salida del codo depositando el material en suspensinen la margen interna de la curva (ver figura).

Sobre la base de este comportamiento del flujo de agua y de los slidos ensuspensin, las recomendaciones para ejecutar la toma de agua son lassiguientes:

Si el emplazamiento elegido se encuentra en un tramo curvo del arroyo,la toma debe ejecutarse en la salida aguas abajo del codo o curva y dellado cncavo de la misma (margen exterior). De este modo la porcin deslidos en el agua que se deriva ser menor a la media del arroyo.

Curso del ro Toma de agua

DESARROLLO DE FLUJO ESPIRAL EN EL LECHO DEL RIO

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Si el emplazamiento se encuentra en un tramo recto del arroyo convineejecutar una toma frontal y, en este caso, la proporcin de slidos en elagua que ingresa a la toma ser la misma que la media del arroyo.

La seguridad debe garantizarse cuando se realizan obras de cierre en el cursodel arroyo. Adems de observar especificaciones de materiales y tcnicas

constructivas que atiendan a la seguridad de las presas, debe prestarseespecial atencin a la evacuacin de crecidas y a la proteccin de la erosin delas mrgenes del entorno de la presa.

En las nacientes del arroyo o en las zonas con suelos de poca retencin o congrandes pendientes, cuando hay estaciones de fuertes precipitaciones, elcaudal mximo puede ser varios centenares de veces mayor que el caudalmedio. En tales situaciones, las obras de cierre deben estar previstas parasoportarlo y evacuarlo.

4.4.2. Toma de Agua sin Obra de Cierre

Se realizan cuando el caudal de instalacin es inferior al mnimo caudal delarroyo.

Son obras muy sencillas realizadas en el curso del arroyo o sobre una de susmrgenes que permiten inundar una cmara de carga a travs de una reja.

En la figura se muestra una toma del tipo tirols para instalar en el lecho del ro.

1. Lecho del ro2. Cmara de captacin (de hormign o de mampostera de piedra). El piso es inclinado hacia el tubo de salida.3. Marco metlico anclado al borde de la cmara4. Reja de planchuelas con cierre perimetral. La separacin entre planchuelas es de 6 a 12 mm. La pendiente de la

reja en la direccin del flujo es de 15 como mnimo.5. Tubo de descarga a la cmara de carga y desarenado

4.4.3 Tomas de Agua con Obras de Cierre

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Cuando el caudal de instalacin es menor que los mnimos caudales de laestacin seca, es necesario realizar un cierre del arroyo. La ejecucin de lascentrales con cierre del arroyo distribuye al igual que las centrales de mayorpotencia dos grandes grupos:

4.4.3.1. Centrales de pasada

Que aprovecha los caudales disponibles en las corrientes, desvindolos desdelos causes hasta la unidad generadora mediante sencillas instalaciones desobreelevacin de agua para su adecuada captacin.

Los caudales aprovechables corresponden a los de alta permanencia anual enel cauce (75 a 95% de permanencia en la Curva de Duracin de Caudales), ypor lo tanto son habitualmente inferiores al Caudal modulo o Medio en esepunto.

Los coeficientes de "enpuntamiento (relacin del caudal de instalacin/caudalde modulo) son inferiores a la unidad. Por esta razn, las obras de cierre, de

pequea significacin, deben permitir el paso de importantes caudalesexcedentes.

4.4.3.2. Centrales de Regulacin

Adaptadas al concepto de regulacin diaria y cuyas instalaciones sedimensionan para resolver situaciones donde la potencia a proveer requieremayores caudales que los habitualmente disponibles en el arroyo. Para estepropsito requieren la conformacin de un reservorio de acumulacin devolmenes lquidos para su utilizacin plena en los horarios de mayorconsumo.

Ello se logra a expensas de una obra de cierre de mayor importancia relativaimportancia, que debe igualmente prever las estructuras de alivio necesariaspara descargar los caudales de crecidas ordinarias y extraordinarias quesuperan la capacidad del reservorio o vaso.

Para la regulacin del tipo diaria se necesita calcular el volumen de masaliquida en reserva, el que a su vez determina la altura de las obras de cierre, deacuerdo con la topografa del vaso del embalse.

4.4.3.3. Materializacin de las Obras de Cierre (Tipos y CuidadosConstructivos)

Obras de Cierre de Pantalla con Contrafuertes:

Se compone de una pantalla inclinada, que oficia de cierre, ejecutada enmadera dura o con placas premoldeadas de hormign armado,convenientemente impermeabilizadas en toda la superficie y con particularcuidado en crear estanqueidad en la juntas.

La pantalla se asienta sobre contrafuertes constituidos por placas triangularesde pared delgada ejecutadas en hormign armado, mampostera o bien porestructuras triangulares reticuladas de madera dura.

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La concepcin estructural del conjunto pantalla - contrafuerte constitutivos estal que posibilita la auto estabilidad de la estructura tanto al vuelco como aldesplazamiento. De tal forma se evita utilizar el peso de la presa comoelemento estabilizante, ya que se aprovecha el peso de la cua de agua que sedescarga sobre la plantilla.

El dimensionado de la fundacin debe adecuarse a la caracterstica de lossuelos y se ejecuta en forma corrida en toda la extensin del cierre.

En los extremos la insercin de las obras de cierre en las mrgenes del vaso seejecuta mediante estribos macizos de hormign.

El vertedero es central y se conforma por un conjunto de vasos cuyoscontrafuertes y pantallas tiene una altura menos que en los laterales.

La descarga del fondo para eliminacin de sedimentos y vaciado parareparacin puede hacerse realizando completamente las placas o maderas deuno de los vasos.

La obra de toma se realiza como compacto independiente en el sitio que se juzgue necesario y consta de bloque de anclaje con la salida a tubera o acanal, la compuerta de control y la reja de proteccin.

Obras de Cierre de Terrapln

El cuerpo principal de la presa es un terrapln construido por compactacin encapas de suelos locales. La compactacin debe considerar las caractersticasde las tierras disponibles y en funcin de las mismas se adoptaran los mediosmecnicos y los procedimientos constructivos y de control necesarios para quela tierra compactada alcance los niveles de estanqueidad y de resistenciamecnica que requiere el proyecto.

Estos cierres se ejecutan preferentemente combinados con vertederosindependientes de la presa, materializados con forma cilndrica, aguas arribadel cierre. Estos vertederos operan como un embudo cuya cota superior estapor debajo del nivel de coronamiento de la presa. Cuando la presa de terraplnse combina con vertederos independientes, su ejecucin es continua y nopresenta interfases del terrapln con otros materiales. De esta forma seincrementa la seguridad y adicionalmente puede utilizarse el coronamiento dela presa como camino vecinal (puente entre las mrgenes).

Si se estiman que crecidas extraordinarias pueden superar la capacidad deevacuacin, una parte del coronamiento de la presa puede ejecutarse a unnivel inferior de manera que opere como vertedero fusible. Estos vertederosfusible se ejecutan sobre una de las mrgenes y en caso de que elcoronamiento se use como puente, se le da forma de badn para no impedir lacirculacin. Si ocurriera una crecida extraordinaria, mayor que la del diseo, losdaos de erosin se concentraran en la zona del fusible y el proceso dereparacin sera mas rpido y econmico. Tambin puede ejecutarse elvertedero de tipo frontal macizo en uno de los laterales de la presa. Estosvertederos se ejecutan en hormign ciclpeo de fragmentos de roca o bien con

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mampostera de piedra. La vinculacin entre presa y vertedero esta constituidapor un muro de ala de gravedad que a su vez protege al terrapln de la accinde la corriente que circula por el vertedero. Este vertedero puedecomplementarse tambin con un vertedero fusible sobre el terrapln constituidosobre la margen opuesta.

La obra de toma como en el caso anterior, se ejecuta en forma independientede la toma. Del mismo modo se ejecutan las obras para facilitar el vaciado delembalse (descargador de fondo).

Los ductos de evacuacin de vertedero independiente, de la toma y deldescargador de fondo se ejecuta con tubos de hormign que atraviesan elcuerpo del terrapln. Debe prestarse especial atencin al control de lacaptacin de la tierra alrededor de los tubos, ya que cualquier filtracin, con eltranscurso del tiempo se convierte en un grave dao a la presa.

Obras de Cierre de Enrocado

Se materializa en forma similar a la de terrapln pero utilizando fragmentos depiedra colocados por medios mecnicos. El enrocado se coloca en capas, demanera de obtener una estructura resistente. Una solucin equivalente seobtiene con el uso de gaviones, que son cestas de alambre tejido rellenas conpiedras que facilitan su transporte y colocacin en obra. La obra de enrocadoresuelve bien los aspectos estructurales, pero es completamente permeable.Para lograr la estanqueidad, se ejecuta una pantalla impermeable sobre eltalud aguas arriba del terrapln. Esta pantalla se realiza en hormign y puedecompletarse con membranas que mantengan la estanqueidad an cuandoocurran pequeos asentamientos en el cuerpo de la presa.

Si el vertedero se resuelve en forma frontal, se ejecuta sobre una de las

mrgenes, en hormign o mampostera, con un muro de ala en el mismomaterial para la transmisin con el pedrapln.

Toma y descargador se resuelven en forma similar a los dos anteriores.

Obras de cierre de gravedad

Consiste en un muro de gravedad continuo de hormign o mampostera, elvertedero central se forma elevando los laterales del coronamiento de gravedaddel muro, mediante sendas pantallas verticales que pueden ejecutarse enmadera, hormign premoldeado o mampostera.

La toma y el descargador de fondo estn en este caso integrados en la obracivil del muro de gravedad con sus respectivas compuertas.

4.5. Obras de Conduccin

Las obras de conduccin comienzan en la toma de agua construida sobre elarroyo o el embalse y terminan en el ingreso del agua a la sala de mquinas.

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En el caso mas general estn integradas por tres componentes que son: i)canales a cielo abierto o ductos cerrados a nivel, ii) una cmara de carga y iii)la tubera de presin.

La necesidad de reducir el importante efecto que este componente de lasobras, sobre los costos totales, nos sugiere considerar las siguientes

cuestiones:

Estudiar cuidadosamente la localizacin del cierre y de la sala de maquinas,de modo de alcanzar la mxima altura neta con el menor costo. Tal solucinpuede lograrse trazando canales a cielo abierto por lneas de nivel, que sonde bajo costo para ubicar una cmara de carga y la tubera de presin y loslugares de fuerte pendiente, reduciendo su longitud y en consecuencia sufuente de incidencia en los costos.

Realizar el estudio tcnico econmico previo de los distintos tipos detuberas disponible en el mercado local (acero, Fibrocemento, PVC, PlsticoReforzado con Fibra de Vidrio, etc.) con el objeto de preseleccionar el demayor conveniencia para la regin.

4.5.1. Canales

Los canales a cielo abierto constituyen una solucin muy ventajosa para reducircostos de tubera. No obstante deben estar adecuadamente diseados paraevitar mayores costos de mantenimiento.

El diseo del canal debe resolver un correcto escurrimiento del agua sin perderinnecesariamente altura til en el proyecto. Para ello se recomienda ejecutar elcanal con una pendiente de 1/1000. Los canales se construyen con seccintrapezoidal. La solucin que optimiza costos, es decir que implica mnimo

permetro para igual caudal (o seccin de flujo de agua) es aquella en que labase y las paredes laterales a 45 son tangentes a una circunferencia cuyodimetro se ubica en la cota superior del agua del canal.

Desde el punto de vista constructivo si los suelos son permeables es necesariodarles estanqueidad.

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Ejecutada la excavacin del canal, el mtodo convencional deimpermeabilizado es el recubrimiento de concreto. Si este recubrimiento seejecuta con encofrado tradicional, el espesor necesario para el escurrimiento ycompactacin del hormign alcanza a 4.

Sin embargo la experiencia reciente en obras ejecutadas en Per indican la

conveniencia de utilizar el mtodo de los bastidores. Estos bastidores secolocan primero cada 10 m. en tramos rectos (guas) y cada 5 m. en los curvos,cuidando ajustar su nivel, escuadra, alineacin y aplomado. Una vez fijados losbastidores gua se colocan bastidores intermedios manteniendo la alineacin,el nivel ajustado a la pendiente del canal, la escuadra con el eje del canal y elplomo. Una vez presentados los bastidores se coloca en los costados una capade cemento de 2 de espesor (igual al marco del bastidor) que se alisamediante reglas apoyadas entre los bastidores (2,5 m de separacin).

Terminados los lados se ejecuta el piso del canal, los bastidores se retirandespus de 24 horas y en su lugar se ejecutan las juntas de expansin.

El curado se realiza manteniendo el canal inundado durante por lo menos 10das.

Esta solucin reduce en un 50% el costo de materiales y 30% en el costo demano de obra.

En zonas con derrumbes o gran intrusin de ramas y hojas deben ejecutarseprotecciones especiales con maderas o losas premoldeadas que tapen elcanal. Del mismo modo deben preverse pasos para animales por sobre elcanal. Tambin pueden ejecutarse pantallas deflectoras hacia el vertedero dela cmara de carga, para desviar el materia en flotacin que pueda llegar a lamisma por el canal.

4.5.2. Cmara de carga

Es necesario para aquietar el agua y permitir la decantacin de arenas ypartculas slidas.

La cmara de carga debe tener dimensiones adecuadas, para cumplir estafuncin y estar constituida en hormign o mampostera de piedra.

Tiene bsicamente cuatro vas de movimiento de fluido. La primera es laacometida por donde ingresa el canal o ducto que trae el agua desde la toma.La segunda es un vertedero o tubo para eliminar los excedentes de caudal queno sern turbinados. La tercera es un descargador de fondo que permitir elvaciado y limpieza de partculas sedimentadas. La cuarta es la alimentacinmediante malla de filtrado o rejas a la tubera de presin que conduce el agua ala turbina.

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4.5.3. Tuberas de presin

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La seleccin de la tubera ms conveniente requiere como primer pasodeterminar el dimetro de la misma y la presin de trabajo que deber soportar.

Estos parmetros y las condiciones de suministro local de materiales y tubosprefabricados y sus costos determinarn la solucin ms conveniente. Parauna misma potencia instalada, las combinaciones caudal / altura del

aprovechamiento indican si se requiere mayor dimetro (Q) y menor presin detrabajo (H) o viceversa.

Conocido el caudal de instalacin la seccin de tubera depender de lavelocidad mxima admisible para el agua que circula en su interior.

Esta velocidad mxima a su vez depende de la prdida de altura que puedaadmitir el proyecto.

Es deseable seleccionar velocidades que no introduzcan prdidas mayores al2% o 3%. No obstante si el recurso hdrico es abundante se debe encontrar lasolucin que minimice costos, atendiendo a los dimetros comerciales de

plaza, aunque las perdidas sean mayores (5%-10%).Para un caudal de instalacin determinado la velocidad que corresponde a unnivel de prdidas prefijado depende a su vez del material (rugosidad) y deldimetro de la tubera.

Para un anlisis mas detallado del proceso de seleccin se recomienda verHydraulics Engeneering Manual.

A modo de ejemplo se muestra una tabla de relacin entre velocidad y dimetropara un tubo de polietileno de alta densidad.

Tubos de Polietileno (presin nominal 10at.)

Dimetro exterior[mm]

Dimetro interior[mm]

Velocidad del agua[m/s]

Caudal Q[lt/s]

Potencia para altura Neta 100m[kW]

32 26.2 0.6 0.3 0.2

40 32.6 0.7 0.6 0.4

50 40.8 0.8 1.0 0.7

63 51.4 0.9 1.8 1.3

75 61.4 1.0 3.0 2.1

90 73.6 1.2 5.1 3.6

110 90.0 1.4 8.9 6.2

125 102.2 1.5 12.3 8.6

140 114.6 1.6 16.5 12

160 130.8 1.8 24 17180 147.2 2.0 34 24

200 163.6 2.1 44 31

225 184.0 2.3 61 43

250 204.6 2.4 79 55

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El uso de tuberas plsticas se recomienda cuando los dimetros son inferioresa 300 mm. Requieren proteccin a la accin de la radiacin ultravioleta.

Las tuberas de plstico se adaptaran muy bien a las variaciones del terreno, secolocan enterradas o apoyadas directamente sobre la superficie y cubiertas contierra.

La tuberas de acero permiten manejar un rango muy amplio de solucionesestructurales. En general se construyen localmente utilizando chapas, unidascon soldadura helicoidal. En el trazado de este tipo de tubera deben evitarsecurvas y codos que obliguen a incrementar los bloques de apoyo y la juntas dedilatacin. Los bloques de apoyo y anclaje deben ejecutarse con separacionesacorde a la topografa del terreno y el anlisis estructural del tubo.

El diseo de la tuberas de presin debe considerar eventuales sobrepresionespor golpe de ariete.

Estas sobrepresiones se originan por el cambio brusco de energa cintica apotencial que se produce cuando se cierra bruscamente la circulacin de aguade la tubera (cierre intempestivo del regulador de caudal de la tubera). Estasituacin genera una onda de presin que viaja aguas arriba a la velocidad delsonido y que puede, en situaciones extremas, ser varias veces superior a lapresin de diseo.

En el caso de las microturbinas, los dispositivos de control que evitan loscierres instantneos mantienen la sobrepresin en valores que no superan el

50% o 100% de la presin del diseo. La onda de sobrepresin es disipadamediante chimeneas de equilibrio o en la misma cmara de carga.

4.6. La Microcentral

Esta constituida por un sala de dimensiones reducidas, construida enmampostera, en donde se aloja el equipamiento que realiza las conversionesde energa hidrulica a mecnica y de mecnica a elctrica.

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El producto energa elctrica resultante del proceso de conversin, tienerequisitos de calidad tcnica que deben ser satisfechos. Tales requisitos seexpresan en valores de tensin y de frecuencia que deben ser mantenidosdentro de un rango de tolerancia admitido.

Es adems conocido que este producto (energa elctrica) debe entregarse en

forma instantnea al usuario o consumidor y que este vara su demanda casien forma permanente a lo largo del tiempo.

Por su parte la energa hidrulica que ingresa por la tubera de presin a la salade maquina, lo hace en forma de energa cintica del agua y las cantidades deenerga puestas en juego (oferta hidrulica) dependen del caudal y de la alturade la carga.

Esta energa cintica del agua se convierte en energa mecnica en el eje deuna turbina. La energa mecnica es transferida a un generador elctrico que,para mantener las condiciones de calidad exigidos al producto elctrico, deberotar a velocidad constante.

Para producir esta transferencia de energa es necesario entonces, adems dela turbina y el generador, agregar dispositivos de conversin de velocidad derotacin entre el eje de la turbina y el del generador, y un sistema de regulacinpara adaptar la potencia hidrulica que se entrega con la potencia elctrica quese demanda.

El equipamiento electromecnico constituido por turbina, generador, conversorde velocidad y sistema de regulacin, se complementa con la instalacinelctrica de salida de la sala de mquina y un tablero de control con registrosde tensin, frecuencia y energa suministrada a la red.

La disposicin del equipamiento puede hacerse en una sola planta o en dosplantas.

En este segundo caso, se trata de instalaciones donde la sala de mquinas (yel tipo de turbina utilizada) admite quedar expuesta a inundaciones durante lasmximas crecidas, en este caso el equipamiento elctrico se instala en laplanta alta y la turbina (para aprovechar el mximo desnivel) queda en la plantabaja.

Si bien la obra civil de cierre de la sala de mquinas es muy sencilla, debeprestarse adecuada atencin al pozo de descarga del agua turbinada y aldimensionamiento y ejecucin de las fundaciones que aseguran la estabilidadde la sala durante las mximas crecidas.

4.6.1. Conversin Hidromecnica

La masa de agua que es conducida desde la altura de carga de la central,transfiere su energa cintica a energa mecnica de rotacin en la turbina.

Desde la rueda hidrulica, utilizada por los romanos y los griegos para molertrigo en la antigedad, hasta hoy, diversas mquinas han sido desarrolladaspara aprovechar la energa del agua.

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Sin embargo, el gran impulso de la innovacin tecnolgica en este campo seproduce con el desarrollo de las turbinas asociado al crecimiento de lademanda de electricidad del siglo XX.

Existe una variedad de diseos de turbinas cuya distincin principal es la formaen que se adaptan a la condicin del caudal y altura disponibles en el

aprovechamiento y al rendimiento o eficiencia con que realizan la conversinenergtica.

El concepto de adaptacin de las diferentes mquinas a las condiciones decaudal - altura esta asociado a la velocidad de rotacin que consiguen alcanzarpara su mejor rendimiento bajo una dada combinacin caudal altura y altamao y costo de mquinas con que resuelven la transferencia de potenciapuesta en juego en forma eficiente.

En el campo de potencias de mquinas utilizadas desde las pequeas hastalas grandes centrales (0,3 MW a 300 MW por mquina) las tecnologas msutilizadas son las Pelton, Francis y Kaplan.

Las turbinas Pelton operan en la franja de bajos caudales y grandes cadas. Enel otro extremo con grandes caudales y pequeas cadas operan las turbinastipo Kaplan. En tanto que en una amplia gama de combinaciones intermediasen caudal - altura de cada, operan las turbinas Francis.

A medida que aumenta el mdulo de potencia de las mquinas, la sofisticacintecnolgica tanto en diseo como en fabricacin es creciente. Esta inversintecnolgica est orientada a conseguir los mximos rendimientos de lasmquinas tanto a plena carga como a cargas parciales, as como a garantizarla mxima disponibilidad de las mismas durante su vida til. Un sencilloejemplo explica las razones de esta tendencia: La central de Yacyret esta

equipada con turbinas Kaplan de 150 MW de potencia, cada 1% de rendimientode esta turbina implica 1,5 MW x 8760 hrs. = 13.140 MWh/ao por mquinaque vendidos a 25 $/MWh y por las 20 turbinas, resulta en un total de6.570.000 $/ao.

Pero la lgica de decisin tecnolgica aplicada a las centrales de mayor porte,no debe trasladarse al mbito de las MCH.

Las turbinas para MCH, deben mantenerse dentro de rendimientos adecuados,pero mientras las turbinas de grandes centrales operan con rendimientos delorden del 95%, las que equipan MCHs lo hacen con rendimientos entre 75 al80%. Esto obedece a dos causas principales: i) el diseo y los mtodos de

fabricacin para las turbinas de MCH debe adaptarse a la tecnoestructura de laregin donde los proyectos se implantan, y ii) los costos incrementales demejoras crecientes de la tecnologa, no pueden ser absorbidos por losbeneficios incrementales, en proyecto de pequea escala y bajo nivel dedifusin (no cuentan ni con economas de escala ni con economas de serie).

En el campo de las potencias de las mquinas de las micro y mini centrales (1a 300 kW), las tecnologas mas difundidas son las turbinas Pelton, Michell -Banki y Hlice.

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Al igual que para grandes centrales, pero construidas con tecnologas massencillas, las turbinas Pelton cubren el rango de grandes alturas de cada (50 a500 metros).

En el otro extremo las turbinas tipo hlice, resuelven bien el aprovechamientode pequeos desniveles (menos de 10 metros de cada).

Cubriendo una amplia combinacin de valores de caudal altura de losaprovechamiento se ubica la turbina Michell Banki que rene adems otrasventajas comparativas, tales como rendimiento ms alto tanto a cargasparciales como a plena carga, mayor sencillez constructiva y menor costo porunidad de potencia instalada. Estas turbinas permiten aprovechar saltos entre 3y 80 metros de desnivel en forma muy competitiva frente a las otrastecnologas.

4.6.1.1. La Turbina Pelton

Esta turbina constituye la expresin actual de la rueda hidrulica, donde las

palas han sido reemplazadas por cucharas que reciben el impacto de un chorrode agua de alta velocidad que se proyecta desde un inyector.

En estas turbinas, de chorro libre, la conversin de la energa cintica amecnica, se realiza a presin atmosfrica y solo se modifica el vector develocidad del agua. Es una turbina de impulso donde la variacin de cantidadde movimiento del agua en las cucharas provoca el impulso de rotacin (parmotor o torque) de la rueda. Todo el proceso de conversin se realiza a presinatmosfrica.

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Los componentes tecnolgicos de las turbinas son bsicamente cinco: i)Inyector, ii) Deflector, iii) Cucharas, iv) Rotor y v) Carcaza.

El inyector y la forma en que proyecta el chorro sobre las cucharas puede verseen la siguiente figura.

El inyector es un tubo de pequeo dimetro que recibe el agua de la tubera depresin. Dentro del tubo se dispone un vstago mvil que, operado

externamente, regula el caudal que se inyecta mediante una aguja en suextremo y una boquilla en el extremo del tubo que lo contiene. La operacin delinyector es generalmente, automtica, comandada por el sistema de regulacinde la MCH.

El diseo del conjunto aguja boquilla se ejecuta atendiendo a minimizar lasperdidas, lo que implica acelerar el chorro en el menor recorrido posible. Estetramo donde se produce el estrangulamiento entre aguja y boquilla debe estarlibre de imperfecciones superficiales para no introducir perturbaciones en elflujo del agua.

El deflector es un dispositivo sencillo manejado por el sistema de regulacin dela mquina que deriva el chorro en forma parcial o total para reducir o suprimirel impacto sobre las cucharas ya sea con fines de regulacin ante variacionesimportantes de la carga o de parada de la mquina ante salida intempestiva dela carga.

En ambos casos los deflectores actan en forma rpida, permitiendo que luegoel caudal se ajuste por el sistema de boquilla aguja evitando producir efectosde golpe de ariete en la tubera de presin.

CucharaVstago

Boquilla

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La cuchara tiene una geometra doble y simtrica de manera que el chorroincide en el eje de sime

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