Materia: plantas generadoras. Grado: 8. Grupo: G. Alumno: Jorge Quintero Hernández.
22/mayo/2015
I.- INTRODUCCION En una central hidroeléctrica se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. En general, estas centrales aprovechan la energía potencial gravitatoria que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica.
II.- OBJETIVO Se pretende diseñar una pequeña planta hidroeléctrica a partir de un pequeño rio cercano el cual se utilizara para rellenar una pequeña presa y a continuación el siguiente capítulo se mostrara mayor cantidad de cálculos para su creación basándose solo en el recurso que se pose de agua de un rio.
III.- CALCULOS DE DISEÑO DE LA PRESA El agua al fluye del punto H y B
Figura 1. Ejemplo de medidas para cálculo de diseño de la presa.
Para causes de lechos de grava se utilizara la ecuación de Bray 1979: Diámetro del rio: 40m
= 0.0495. = 0.049540. = 0.089317 Terreno natural con roca lisa:
(Ecuación 1)
= 0.035 Curva correlación de caudal para calcular B real:
H= altura de la lámina según el registro. B= factor de corrección para obtener la altura real.
= 20 = 32 = 25
= +
(Ecuación 2)
= 0.03520+10. = 0.047424 = 0.03532+10. = 0.048887 = 0.03525+10. = 0.04808
La ecuación para obtener B:
− = + − 2 25 − 20∗32 = −7.5 = 20+30−2∗25 Calculo del área de la sección transversal:
Figura 2. Sección transversal del cauce.
(Ecuación 3)
TABLA I. Datos de la sección transversal del cuase: b=35 m h2=20 m h4=15 m
h1=15 m h3=20 m
= 35 15+20+20+15 0.089317 = 27430.388
(Ecuación 4)
Medición del caudal con aliviaderos:
Figura 3. Medidas caudal aliviadero.
= 1.8 −0.2ℎ∗ℎ/ H=10m. L=35m.
= 1.835−0.2∗10∗10 = 73.71/ Estimación de la energía generada:
Energía anual producida en (E en Kwh)
ñ = 73.71 / = = 7 . = 0.81 = 0.9 = 0.92 = 0.87
(Ecuación 5)
ℎ = 16 ℎ = 0.81 / = 73.71∗7∗0.81∗0.9∗0.92∗0.87∗16∗0.81 = 3901.79 ℎ
(Ecuación 6)
Para calcular la energía generada por cada turbina:
∆ = ∗∗∗∗∗∗∗ℎ ∗
(Ecuación 7)
w: anchura de la banda= 0.05 h: número de horas en un año= 5952 g: peso específico del agua= 9.81
Caudal de vertido:
= / Q = caudal que pasa por el aliviadero (
/
)
C = coeficiente aliviadero L = longitud de la cresta del aliviadero (m) H = altura de lámina sobre la cresta del aliviadero (m)
° Componente topográfico -Terreno cuya pendiente varía entre 3.0 y 30m/km
= 0.20 ° Componente de suelo -Terreno arena y gravilla
= 0.40 ° Componente de cubierta vegetal -Terreno boscoso
(Ecuación 8)
= 0.20 Siendo:
= 1−0.20+0.40+0.20 = 0.20
(Ecuación 9)
Por lo tanto con el valor “C” obtenido se calculara el caudal de vertido:
= 0.20∗35∗10 = 221.35 /
(Ecuación 10)
Volumen del depósito para las turbinas en horas punta:
= 25
= 3600∗ ∗ ∗ − = 3600∗4∗221.35∗ 73.71−25 = 155260202.4
(Ecuación 11)
Calcular disponible para operar fuera de horas punta será:
= 24∗73.71−25−4∗221.35 = 14.182 / 24−4
(Ecuación 12)
Potencia hidráulica:
= 0.7 = ∗ ∗∆ ∗ = 0.81∗221.35∗20∗0.7 = 2510.109
(Ecuación 13)
Potencia mecánica de la turbina viene dada por:
= ∗ = 2510.109∗0.81 = 2033.188
(Ecuación 14)
IV.- CALCULOS DEL DISEÑO DE LA TURBINA: Velocidad especifica:
= 1800∗ √ 72033.188 = 7128.345 = 995 = 7128.9953452 = 7.164166 Velocidad específica la en función del caudal y la altura neta: = 333∗ = 333∗7.164166 = 2385.6672
(Ecuación 16)
(Ecuación 17)
(Ecuación 18)
Turbina tipo Kaplan (seleccionada por los márgenes de velocidad):
=
= ∗ ∗ 188 = 1.1559 = 221.32033. 5∗0.81∗9.81 1.1559 = 0.01 = 84.5 ∗0.79+1.602∗7.16416∗ √ 60∗1800
Diámetro
del eje del rodete: = 0.25+ 0.0951∗ = (0.25+ 0.7.01951 641)∗0.01 = 0.00263
(Ecuación 19)
(Ecuación 20)
(Ecuación 21)
Turbina tipo Kaplan altura salto en m:
2 < < 40
(Ecuación 22)
Comprobación rendimiento de la turbina:
033.188 = 0.81 = 22510. 109
(Ecuación 23)
Rendimiento típico de pequeños generadores: La generación es de 195 Kw por día, se selecciona un generador pequeño de 250 Kw con un rendimiento máximo de 0.955.
V.- GENERADORES. La tensión de generación viene determinada por la potencia del generador. Lo normal es generar a 380 V hasta 1.400 kVA y a 6000/6600 para potencias mayores. La generación a 380 V tiene la ventaja de poder emplear como transformadores del grupo, transformadores normalizados de distribución, y de poder extraer del secundario, la potencia necesaria para los servicios auxiliares de la central. Las turbinas de algunos MW de potencian utilizan alternadores que generan a una tensión más elevada. Cuando se genera en alta tensión la potencia para los servicios auxiliares se extrae de la línea a través de un transformador AT/BT. Disposición del generador respecto a la turbina Los generadores pueden ser de eje horizontal o de eje vertical, independientem ente de cual sea el tipo o configuración de turbina utilizada, pero por regla general los adoptan la misma configuración que la turbina. La (figura 4) muestra una configuración de turbina Kaplan de eje vertical, de 214 rpm, directamente acoplada a un generador de 28 polos. Con frecuencia se utiliza un volante de inercia para suavi zar las variaciones de par y facilitar el control de la turbina.
Figura 4. Generador de eje vertical conectado directamente a una turbina Kaplan
VI.- REGULACIÓN DE TENSIÓN Y SINCRONIZACIÓN. En generadores acoplados a una red aislada, el regulador debe mantener un valor predeterminado de la tensión sea cual sea la carga. Si está acoplado a una red importante, el regulador mantendrá el valor preajustado de la potencia reactiva.
VII.- EQUIPOS DE SINCRONIZACIÓN Y PROTECCIÓN ELÉCTRICA. La (figura 5) muestra un esquema unifilar que cumple con los reglamentos españoles. La monitorización se lleva a cabo mediante aparatos más o menos sofisticados para medir la tensión, intensidad y frecuencia en cada una de las tres fases, la energía producida por el generador, su factor de potencia, y eventualmente el nivel de agua en la
Figura 5. Esquema unifilar
cámara de carga. La tensión e intensidad de corriente se monitorizan mediante transformadores de potencia (PTs) y de corriente (CTs), para reducir su valor, generalmente muy elevado, a niveles más manejables. Para que los diferentes sistemas de protección puedan cumplir su misión, se necesita un interruptor principal, ya sea de aire comprimido, magnético o de vacío, capaz de aislar el
generador de la red, aún cuando esté trabajando a plena carga. Como elementos de protección se necesitan: • Relés de protección de la interconexión que garantizan la desconexión en el caso de un fallo en la red. • Relés de mínima tensión conectados entre fases. • Relés de máxima tensión Protección tierra-estator Máxima intensidad, con actuación temporizada e instantánea. Si el generador es de baja tensión estos relés pueden ser directos y estar instalados en el mismo interruptor. Retorno de energía Para detectar fallos en los arrollamientos del estator, y actuar antes de que se quemen, se utilizan relés diferenciales. Existen también relés que actúan sobre el interruptor principal cuando la temperatura del generador o del transformador de salida sobrepasan los límites aceptables, o en el caso de tensiones superiores o inferiores a la normal. Entre las protecciones mecánicas conviene incluir las siguientes: embalamiento de la turbina; sobre-temperatura en eje y cojinetes; nivel y circulación del circuito de refrigeración (si es que existe); nivel y circulación del aceite a presión; nivel mínimo en la cámara de carga. El productor independiente es responsable de los sistemas de puesta a tierra de la instalación, que deben ser diseñados siguiendo instrucciones de la compañía distribuidora. El sistema de puesta a tierra varía con el número de unidades instaladas y con la configuración de la central y su sistema de operación. Por razones obvias, la central debe disponer de sistemas de contadores, para medirla energía activa suministrada a la red y la reactiva absorbida de la misma.
VIII.- SUBESTACIÓN EXTERIOR
Figura 6: subestación ubicada en la casa de máquinas
La subestación, situada normalmente al aire libre, incluye el interruptor principal, que aísla de la red toda la central, así como las barras de conexión entre la salida del transformador y la línea de conexión a la red, los transformadores propiamente dichos, los pararrayos y la protección contra sobretensiones en la red. En zonas de marcada sensibilidad ecológica la subestación se ubica en el interior de la casa de máquinas (figura 6) y la salida de los cables de conexión a la red corren sobre la tubería forzada hasta la cámara de presión, de donde salen vía aérea o enterrados.
IX.- CONCLUSIÓN El diseño de esta pequeña planta recabo los requisitos mínimos que se podían obtener por el cauce del rio que se tenía y por lo tanto los resultados fueron satisfactorios para obtener la potencia de generación deseada.
X.- REFERENCIAS 1. Actualización realizada por Erik Bollaert (LCH-EPFL), Jonas Rundqvist (SERO) y Celso Penche (ESHA) 2. Petits barrages., Recommandations pour la conception, la réalisation et le suivi. Gérard Degoutte (ENGREF) 3. USBR “Design of Small Dams” - 3rd ed., Denver, Colorado, 1987 4. Sinniger & Hager, “Constructions Hydrauliques”, PPUR, Lausanne, 1989
