Post on 26-Oct-2015
Micro Central Hidráulica (MCH)
Ing.Jony Villalobos Cabrera
La energía del agua
• La energía del agua es una manifestación más de la energía
solar.
La energía aprovechable
depende de:
- la altura
- el volumen de agua que
circula (caudal)
Ing.Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
El agua tiene energía por haber desnivel (caída de agua) o
por la corriente del río (caudal)
El agua hace girar una turbina
o rueda de agua
La turbina o rueda se puede conectar a diferente maquinaria:
A un generador eléctrico
A una bomba de agua
A maquinaria agrícola
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Donde se encuentra la hidroeléctricidad?
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Características de la energía
hidroeléctrica
- Tecnología tradicional y confiable
- Tecnología madura
- Menores costos específicos [US$/kWh]
- Mayor vida útil
- Mayor densidad energética
Ing. Jony Villalobos Cabrera
- Potencial para satisfacer demanda energética en
zonas rurales remotos
- Poblaciones dispersas y de baja capacidad de
pago no servido por la red
- Aprovechamiento de recursos hidráulicos
pequeños y medianos
Características de la energía hidroeléctrica
Ing. Jony Villalobos Cabrera
- A veces existen ya infraestructuras civiles como
canales de riego o sistemas de agua potable por
gravedad
- Oferta disponible de manufactura y productos
locales para MCHs
- Aceptación y confiabilidad de la tecnología
(también en institutos financieros)
Características de la energía hidroeléctrica
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Central de flujo continuo de
baja potencia en el río
Urumea (150 kW)
Turbina de flujo continuo en el río
Amazonas, Perú (500 W). ITDG
2005
Ing. Jony Villalobos Cabrera
CLASIFICACION
HIDROELECTRICAS
Según la
potencia
Según la
caída
Picocentrales
0 - 5 kW
Microcentrales
5 - 100 kW
Mini
centrales
100 - 1000 kW
Baja caída
0 - 15 m
Mediana caída
15 - 200 m
Gran caída
2100 - 1000 m
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Clasificación de las Microcentrales
Hidroeléctricas
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Las pequeñas centrales
hidráulicas captan la e. cinética y
e. potencial del agua
convirtiéndola en e. eléctrica o
mecánica
e. cinética
e. potencial
e. eléctrica
e.
mecánica
La energía del agua.
Del cielo a la tierra
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• En muchos casos, los sistemas demicrohidrogeneración no generanelectricidad. Por ejemplo, los molinos degranos a menudo son accionadosdirectamente por el eje de la turbina.
• En muchos países hay una necesidadcreciente de suministros de energía paralas áreas rurales, tanto para elabastecimiento de electricidad como parael apoyo a la industria y las autoridadesgubernamentales se enfrentan a loselevadísimos costos de la extensión delas redes de electricidad.
• Con frecuencia la microhidrogeneraciónconstituye una alternativa económica a lared, pues con los micro hidrosistemasindependientes se ahorra el costo de laslíneas de transmisión y, por otro lados,los sistemas de extensión de la red estándotados de equipo muy costoso, ademásde los costos de personal.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Futuro de las Micro Centrales Hidráulicas
(MCHs)
Energías renovables tienen buenas
perspectivas a nivel mundial!
MCH en Solomon Islands
1. Cambio climático: 80 % de
las emisiones CO2 tienen su
origen en procesos de la
conversión de energía.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
MCHs tienen que compartir su gran futuro
con otras Energías Renovables!
...y la ‘mala’ noticia para las
MCHs:
Futuro de las Micro Centrales Hidráulicas
(MCHs)
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Es toda la hidroenergía renovable y
sostenible?
Minicentral de 125 kW. Paccha (Perú). ITDGTurbina Francis,
Presa Grand Coulee de 6.5 GW (EEUU)
?
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Gran hidráulica vs. minihidráulica
Minicentral. 80 kW
ITDG, 2005
Central de Itaipú entre
Brasil y Paraguay. 6500
MW elèctrics.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Razones para excluir a las grandes centrales
hidroelélectricas del club de las EE. RR.
Desarrollo sostenible:1. Grandes hidroeléctricas no son una fuente de energía descentralizada
y por lo tanto no contribuyen a la reducción de la pobreza
2. Los fondos dedicados a las energías renovables se ven drásticamentereducidos con el coste de las nuevas centrales
3. Los promotores de las centrales acostumbran a infravalorar los costesy a inflar los beneficios futuros
4. No hay transferencia de tecnología a las comunidades locales
Población y medio ambiente5. Impactos sociales y ecológicos negativos
6. Los esfuerzos para mitigar estos impactos normalmente no tienen éxito
7. Los promotores desestiman las medidas de prevención en laconstrucción de proyectos destructivos
8. Los grandes pantanos emiten gases de efecto invernadero y no sonrenovables debido a la sedimentación
Seguridad energética9. La gran hidroeléctrica es lenta, pesada, inflexible y cada vez más cara
10. Muchos países son demasiado dependientes de la energíahidroeléctrica
Ing. Jony Villalobos Cabrera
1.- ¿Qué y cuáles son las energías
renovables?Las fuentes renovables de energía se basan en los flujos y
ciclos naturales del planeta. Son aquellas que se regeneran
y son tan abundantes que perdurarán por cientos o miles de
años, las usemos o no; además, usadas con responsabilidad
no destruyen el medio ambiente.
La electricidad, calefacción o refrigeración generados por las
fuentes de energías renovables, consisten en el
aprovechamiento de los recursos naturales como el sol, el
viento, los residuos agrícolas u orgánicos. Incrementar la
participación de las energías renovables, asegura una
generación de electricidad sostenible a largo plazo, reduciendo
la emisión de dióxido de carbono (CO2). Aplicadas de manera
socialmente responsable, pueden ofrecer oportunidades de
empleo en zonas rurales y urbanas y promover el desarrollo
de tecnologías locales en nuestro país.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
1.- ¿Qué y cuáles son las energías
renovables?
Dentro de este contexto, en mayo de 2008 en el Perú se emitió el
Decreto Legislativo 1002 que promueve la inversión para la
generación de electricidad con el uso de energías renovables. De
acuerdo con esta norma, en su artículo 2, son recursos
energéticos renovables (en adelante “RER”) todos aquellos
recursos energéticos tales como la biomasa, eólico, solar,
geotérmico, mareomotriz y las pequeñas hidroeléctricas hasta
una capacidad instalada de 20MW.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
El marco normativo sobre RER, está constituido básicamente
en: La Ley de promoción de la inversión para la
generación de electricidad con el uso de energías
renovables – Decreto Legislativo No. 1002 y el Reglamento
de la generación de electricidad con energías renovables
– Decreto Supremo No. 050-2008-EM.
Los principales objetivos del ordenamiento RER son:
(i) Procurar la diversificación de la matriz energética peruana,
mediante la promoción de la inversión y uso de recursos
renovables para la generación eléctrica,
(ii) Asegurar la generación de energía eléctrica suficiente
para el abastecimiento de energía al mercado eléctrico
peruano, el cual se estima necesitará más de 3,605 MW
adicionales a los actualmente generados para el año
2015.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
En nuestro país las Centrales Mini Hidráulicas son
aquellas que cuentan con una potencia instalada
menor a 20 MW, según el Decreto Legislativo Nº 1002,
artículo 3.
Esta tecnología renovable es la forma más respetuosa
con el medioambiente que se conoce para la
producción de electricidad. Se puede transformar a
muy diferentes escalas, existiendo desde hace siglos
pequeñas explotaciones en las que la corriente de un
río mueve un rotor de palas y genera un movimiento
aplicado, por ejemplo, en molinos rurales.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Marco LegalHace falta un marco legal y pautas que unifiquen criterios para la
implementación de Micro Centrales Hidroeléctricas por parte del Estado.
Entre las principales normas relacionadas en este tema se mencionan: La
Ley Marco para el Crecimiento de la Inversión Privada, La Ley de Promoción
y utilización de Recursos Energéticos Renovables No Convencionales en
Zonas Rurales, Aisladas y de Frontera, la Ley General de Comunidades
Campesinas, etc.
En cuanto al subsector eléctrico podemos mencionar:
Ley de Concesiones Eléctricas
El Reglamento de Protección de las Actividades Eléctricas,
El Reglamento de Protección Ciudadana para la realización de
Actividades Energéticas,
La Ley Orgánica de Gobiernos Regionales
Ley Orgánica de Municipalidades,
La cual define y regula las funciones y obligaciones de cada uno de estos
organismos.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
CONCESIÓN ELECTRICA
Ing. Jony Villalobos Cabrera
En la Ley de Concesiones Eléctricas y en suReglamento se establece el marco regulatorio para elservicio público de electricidad. Se necesita CONCESIÓNELÉCTRICA para:
• Generación Eléctrica que utilice recursos hidroeléctricos ygeotérmicos, cuando la potencia instalada mayor a 500 kW.
• Generación de energía eléctrica con recursos energéticos
renovables conforme a la Ley de la materia, con potencia
instalada mayor de 500 KW.
• Transmisión de energía eléctrica, cuando las instalacionesafecte bienes del Estado y/o requieran la imposición deservidumbre por parte de éste.
• Distribución de energía eléctrica con carácter de serviciopúblico de electricidad, cuando la demanda supere los 500KW.
Actividades de Generación, Transmisión y Distribución que norequieran de concesión ni autorización podrán ser efectuadaslibremente cumpliendo las normas técnicas y disposiciones deconservación del medio ambiente y del patrimonio cultural de laNación.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
CONCESIÓN ELECTRICA RURAL
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Referente a la competencia, hemos dicho que el Ministerio de
Energía y Minas otorgará las autorizaciones respectivas, pero
mediante Decreto Supremo 056-2009-EM, se traslada la facultad
relativa al otorgamiento de autorización para la generación de
energía eléctrica a los Gobiernos Regionales, cuya potencia
instalada sea mayor a 500 KW y menor a 10 MW.
Éste decreto supremo comprende el otorgamiento de
concesiones definitivas para generación con recursos
energéticos renovables (RER), con potencia instalada mayor a
500 KW y menor a 10MW, siempre que se encuentren en la
respectiva región.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
CONCESIÓN DEFINITIVA
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
CONCESIONES TEMPORALES
De acuerdo con el artículo 23° de la LCE, esta
concesión permite utilizar bienes de uso público y el
derecho de obtener la imposición de servidumbres
para la realización de estudios de factibilidad de
centrales de generación (cuya potencia instalada
sea igual o superior a 750 MW y/o en caso
requieran servidumbres sobre bienes de terceros),
subestaciones o líneas de transmisión.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Art. 7.- El titular deberá informar
obligatoriamente al Ministerio de
Energía y Minas el inicio de la
operación y las características
técnicas de las obras e
instalaciones.
Ing. CIP. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
Impactos de las grandes hidroeléctricas
- Humanos
- Medioambientales
- Económicos
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Diseño de un
Sistema
Diseño de un Sistema
El procedimiento para diseñar un sistema tiene cuatro etapas:
I. Capacidad y estudio de la demanda
II. Estudio hidrológico e inspección del lugar
III. Estudio de pre-factibilidad
IV. Estudio de factibilidad final
Energía a partir del agua
• Un hidrosistema requiere de un caudal de agua y
una diferencia de altura (conocido como “salto”)
para producir potencia útil.
• Se trata de un sistema de conversión de energía, es
decir, se toma energía en la forma de caudal y salto y
se entrega energía en forma de electricidad o
energía mecánica en el eje.
• Ningún sistema de conversión puede entregar la
misma cantidad de energía útil como la que se
absorbe, pues una parte de la energía se pierde en el
sistema mismo en forma de fricción, calor, ruido, etc.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Pneta = 10 x hdisp x Q x ŋo
h en metros, Q en m3/s
Ing. Jony Villalobos Cabrera
La ecuación de conversión es:
• Por ejemplo si el sistema recibe 200 kW y entrega 120 kW,entonces la pérdida es de 80 kW, La eficiencia es 60% (120 =200 x 60%).
• La potencia de entrada o potencia total disponible en el sistemahidráulico, es la potencia disponible. Pdisp.
• La potencia útil entregada es la potencia neta, Pneta
Potencia de entrada = Potencia de salida + pérdidas
Potencia de salida = Potencia de entrada x eficiencia de conversión
Pneta = Pdisp x ŋo
Pneta = 10 x hdisp x Q x ŋo
h en metros, Q en m3/s
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
ESTIMACIÓN DE LA POTENCIA DE LA MCH
Con los valores de caudal y altura que se encuentren, y la ayuda de una formula
estimamos la potencia
• C: es igual a 5 si la altura es menor a 40 m
• C: es igual a 6 si la altura es mayor a 40 m
1m3/s = 1,000 lt/s
1,000 watts = 1 kW (un kilo watt)
)( )()( 3
smCaudalmAlturaCkWPotencia
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Evaluación del
Recurso
Hidroenergético
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• Luego de haber hecho la estimación de la demanda,el siguiente paso consiste en hacer una evaluacióndel potencial de generación de energía en la zona,tratando de que la casa de fuerza se encuentre lomás próximo posible a la carga a servir.
• La capacidad de generación de energía mediante elempleo de agua está determinada por el salto ocaída (energía potencial) que se pueda obtener y delcaudal posible.
• El salto depende de la topografía del terreno, y elcaudal de las características del río o arroyo que seva a utilizar.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Medición del Salto
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• Los mapas con curvas de nivel sirven para hacer una primera
estimación del salto disponible y pueden utilizarse para
estudios de prefactibilidad de microcentrales hidroeléctricas
(MCH).
• En los estudios de factibilidad y en los definitivos se hace
necesario realizar mediciones en el lugar a fin de obtener una
mayor precisión. Por lo general se requiere precisiones de 3%
o más, puesto que la caída es un parámetro importante en el
diseño del sistema.
• Es recomendable efectuar tres mediciones y analizar los
resultados en el lugar con el propósito de corregirlos u obtener
nuevas medidas en el caso que fuera necesario (p.e. si las tres
mediciones realizadas son demasiado discordantes)
Ing. Jony Villalobos Cabrera
- Método de la Manguera de Nivelación
- Método de Manguera y Manómetro
- Método del Nivel de Carpintero y Tablas
- Método del Altímetro
- Método del Eclímetro
- Método del Nivel de Ingeniero
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Método de Manguera de
Nivelación
Materiales:
• Una manguera de nylon de4 a 10 mm de diámetro,transparente o conextremos transparentes.Llenarla da agua antes deascender.
• Dos listones graduados,con marcas al decímetro ocentímetro son suficientes.
• Hoja de papel y lápiz
• Dos personas comomínimo
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Práctica de medición de altura,
método de la manguera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• Es recomendado para lugares con pequeños saltos; eseconómico, razonablemente preciso y poco propenso aerrores.
• Es recomendable eliminar las burbujas ya que podrían llevar aerrores.
• Es necesario realizar dos o tres pruebas separadas para estarseguros de que los resultados finales sean correctos yconfiables.
• La precisión de este método puede ser sorprendente, inclusola estatura de una persona es usada como altura referencial.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Método de manguera y
manómetro
• Este es probablemente el mejor de los métodos simplesdisponibles, pero tiene sus riesgos.
• Los dos posibles errores son la mala calibración y la presencia deburbujas en la manguera. Para evitar el primer error se deberácalibrar el medidor antes y después de cada prueba en ele lugar.Para evitar el segundo deberá usarse una manguera de plásticotransparente que permita ver si existen burbujas para podereliminarlas.
• Este método puede ser usado tanto en caídas altas como bajas,pero necesitará manómetros con diferente escala.
Ing. CIP. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
Equipo
• Manguera plástica transparente
• Curva de calibración
• Manómetro de presión
• Hoja de resultados
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Procedimiento
• Primero calibre el manómetro
• Cuando esté tomando las mediciones:
• Calibración del manómetro
h(m) = P (kPa) /9,8
h (m) = P (PSI) x 0,7045
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Método del nivel de carpintero y
tablas• Este método es idéntico al de la manguera de nivelación. La
diferencia es que la horizontabilidad es establecida no por nivelesde agua, sino por un nivel de carpintero o de burbuja colocado enuna tabla de madera recta y fija.
• En pendientes suaves este método es muy lento, pero enpendientes fuertes es apropiado, especialmente si se trata depequeñas caídas.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Método del altímetro
• El altímetro es un instrumento de medición fácil de usar perorelativamente costoso.
• El altímetro mide la presión atmosférica , la cual estárelacionada con la altura sobre el nivel del mar, auque varíaligeramente debido al clima, la temperatura y la humedadrelativa.
• Como estas variaciones pueden ser muy significativas para laevaluación del salto, a fin de obtener resultados aceptables esnecesario tomar varias lecturas durante el día y luego estimar elvalor final.
Ing. CIP. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
• En el caso de una microcentral, lo más conveniente seríautilizar un solo altímetro, tomar varias medidas durante el día,tanto en el lugar de la cámara de carga como en el de la casade fuerza, confeccionar una tabla donde se registre la hora ylas lecturas del altímetro, luego graficar estos resultados,trazar líneas promedio y determinar las diferencias de altura(salto).
• El tiempo que transcurra entre la lectura en la casa de fuerzay la lectura en la cámara de carga para una hora determinadadebe ser lo más corto posible.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Método del eclímetro
• Para aplicar este método es necesario la participación de dospersonas: Una persona A usará el eclímetro y una persona B loapoyará. Es recomendable que la talla de ambos sea lo másparecida posible a fin de no incurrir en errores por diferencia detamaños.
• También se puede aplicar este método colocando el eclímetrosobre unas estacas, dirigiendo la línea de mira a la parte finaldel a estaca siguiente, y registrando los datos que se obtengan.
• El cálculo de las alturas parciales se obtiene usando la relación:
H1 = L1. Sen α1
Para calcular la altura total o salto, se sumarán las alturasparciales obtenidas previamente:
H = H1 + H2 + H3 + . . . + Hn
Ing. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
b) PROCEDIMIENTO
Se explica en el gráfico
Ing. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
Método del nivel de ingeniero
• El nivel de ingeniero es capaz de registrar 1 mm de precisión;pero es caro y pesado, y requiere operadores diestros. Por logeneral, los errores se producen por las largas series decálculos que hay que efectuar.
• Debido a que es un método común, los equipos que emplea sealquilan fácilmente y a precios aceptables.
• Con el las distancias pueden ser medidas simultáneamente,pero no es apropiado para lugares escarpados o con muchosárboles.
Ing. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
Es un método similar al
anterior, se usa equipo
topográfico de precisión.
a) EQUIPO
- Nivel topográfico
- Trípode
- Miras
- Machete
- Mínimo 2 personas
b) PROCEDIMIENTO
Se explica en el gráfico
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
En la tabla 2.1, podemos apreciar varios métodos para medir el salto o
caída. Esta tabla se incluyen también algunas observaciones sobre la
precisión y otros detalles de cada método:
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Medición del
Caudal
Ing. CIP. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
MEDICION DE CAUDAL
• METODOS :
»1.- Del recipiente
»2.- Del flotador
»3.- De la sal
»4.- Del vertedero
Ing. Jony Villalobos Cabrera
1.- METODO DEL RECIPIENTE
a) EQUIPO
1.- Recipiente de capacidad
conocida en litros, puede ser
un balde, un cilindro, etc.
2.- Cronómetro con precisión en
segundos.
3.- Pico
4.- Pala
5.- Manta de plástico, o una
plancha de calamina o un
tubo
de PVC.
6.- Lapicero
7.- Libreta de anotaciones
Ing. Jony Villalobos Cabrera
b) PROCEDIMIENTO
1.- Formar un canal y aprovechar un desnivel para
formar el chorro.
2.- Medir con el cronómetro el tiempo en llenarse
el
recipiente ( repetir un mínimo de 3 veces)
3.- Aplicar la fórmula: Q= V/t
Q: Caudal
V: Volumen del recipiente
t: Tiempo de llenado
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
2.- METODO DEL FLOTADOR
• Consiste en determinar el área de una sección
transversal del río, riachuelo o de un canal y la
velocidad del agua, para luego aplicar la fórmula
Q= k.A.V
Donde:
A= área promedio de
la sección transversal
en m2
V= velocidad
superficial del agua en
m/s
k= Factor de
corrección de
velocidad según la
relación S/p (tabla 1
ver manual)
Ing. Jony Villalobos Cabrera
a) EQUIPO
Pico, pala, estacas, cordel, machete
Wincha de 30m y 3 m
Cronómetro
Flotador, regla graduada
Lapicero y libreta de campo
b) PROCEDIMIENTO
1.- Seleccionar un tramo recto y sección homogénea
2.- Medir una longitud determinada (L)
3.- Atar el cordel a las estacas transversalmente
4.- Determinar la velocidad superficial en el tramo ( V= L/t )
5.- Determinar el área de la sección transversal A ( m2 )
6.- Determinar el caudal con la fórmula siguiente: Q= k.A.V
k= Factor de corrección que está relacionado con la velocidad, depende del tipo de río o canal y la profundidad del mismo.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Diferentes alturas en
el lecho del río
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Práctica de medición de caudal,
método del flotador
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
3.- METODO DE LA SOLUCION DE SAL
Se basa en el cambio de la conductividad del agua,
se produce cuando se le agrega una solución salina.
a) EQUIPO Y MATERIALES
- Sal
- Balanza de precisión en gramos
- Conductivímetro
- Cronómetro
- Termómetro
- Calculadora
- Papel milimetrado
- Machete
- Pico
- Pala
Ing. Jony Villalobos Cabrera
b) PROCEDIMIENTO
1.- Estimar el caudal de la fuente a medir
2.- Pesar una cantidad de sal en gramos (1gr/lt)
3.- Medir la temperatura del agua y registrarla en el conductivímetro
4.- Seleccionar un tramo del río uniforme (L mayor a 20m)
5.- Disolver la sal en un balde de agua (recomendable 10lt)
6.- Ubicar lugares de colocación de la solución salina y donde se
tomarán las medidas.
7.- Introducir el conductivímetro y registrar la conductividad base del
agua.
8.- Verter la solución salina en el punto de inicio y en el otro extremo
registrar la conductividad cada 5 seg.
9.- Procesar los datos obtenidos en el papel milimetrado
10.- Graficar la conductividad vs. Tiempo
11.- Calcular el área bajo la curva
12.- Determinar el factor de conversión por temperatura utilizando el
grafico 1.
13.- Aplicar la fórmula Q= k.M/A
Donde:
k= el factor de corrección por temperatura
M= masa de la sal en miligramos
A= área bajo la curva
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Matemáticamente el caudal será:
Q = K x M / A
Donde:
Q = caudal (lt/s)
M = masa de sal (mg)
K = factor de conversión (µS / (mg/lt))
A = Area bajo la curva (µS s)
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Procedimiento
• Haga indagaciones sobre el caudal aproximado. Resultaconveniente ver el río o quebrada antes de planear lasmediciones para llevar las cantidades adecuadas de sal. Larecomendación es usar aproximadamente 100 gr de sal porcada 0,10 m3/s
• Tomar una cierta cantidad de sal de mesa y secarla a fin deeliminar el error del peso por humedad. Luego pesar pequeñascantidades en bolsitas plásticas siguiendo la regla de 100 gr porcada 0,1 m3/s.
• Medir la temperatura del agua y registrarla.
• Escoger un tramo del río o quebrada donde haya una velocidadmás o menos uniforme. Evitar los remansos porque estosretardan el paso de la “nube” de sal afectando las medidas.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• Una persona A disolverá una solución de una primera bolsita
de sal en un balde de unos 10 a 12 litros de capacidad y lo
llenará con agua hasta no más de ¾ de su capacidad.
• Seleccione el lugar de aplicación de la solución y el de la
ubicación del medidor de conductividad. La distancia entre
ambos puntos puede ir a 30 a 50 metros.
• Coloque el medidor de conductividad y un reloj con precisión
de segundos y prepare su registro para tomar los datos.
• Ordene la aplicación de la solución y observe el medidor hasta
que empiece a elevarse la conductividad.
• Registre los valores de la conductividad cada 5 segundos.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• Procedimiento de resultados
• Graficar conductividad vs. Tiempo
• Calcular el área encerrada por la curva y trazar una línea recta
que une la conductividad base (primer punto leído) con el último
punto.
• Encontrar el factor de corrección en µs/ (mg/l))
• Utilizar la expresión: Q = K (M/A)
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• Un vertedero es una estructura similar a un muro de baja
altura ubicado a lo acho de un río o canal.
• Un vertedero de medición de caudal tiene una muesca a
través de la cual toda el agua en la corriente fluye.
• Para alcanzar mejores resultados hay que utilizar vertederos
de pared delgada y además de evitar que el sedimento se
acumule tras ellos. Estos vertederos se hacen de planchas
de acero.
4.- METODO DEL VERTEDERO
Ing. Jony Villalobos Cabrera
4.- METODO DEL VERTEDERO
Ing. Jony Villalobos Cabrera
ESTIMACION DE LA POTENCIA DE LA MCH
Con los valores de caudal y altura que se encuentren, y la ayuda de una formula estimamos la potencia
• C: es igual a 5 si la altura es menor a 40 m
• C: es igual a 6 si la altura es mayor a 40 m
1m3/s = 1,000 lt/s
1,000 watts = 1 kW (un kilo watt)
)( )()( 3
smCaudalmAlturaCkWPotencia
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Hidrología
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• La cantidad de agua que escurre en un río varía a lo largo delaño.
• Esta variación del caudal obedece a múltiples factores entre losque destacan: el área de la cuenca, las condiciones climáticasexistentes, la topografía del terreno y las característicasgeológicas de la cuenca.
• Las mediciones ocasionales del caudal son referenciasimportantes que deben tomarse en cuenta, pero por sí solas noson suficientes para informarnos si el año será muy seco o muylluvioso, o qué a niveles de caudal puede bajar el río en épocade estiaje y hasta qué niveles podría subir en tiempo deavenidas.
• Un estudio hidrológico de la cuenca podría contestar estaspreguntas y muchas otras, pero debido a que la hidrología no esuna ciencia exacta, por lo general las respuestas se dan enforma probabilística de ocurrencia.
Ing. CIP. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
• El Hidrograma muestra como varía el caudal a través del año y
también podemos ver en cuántos meses al año se excede un
cierto caudal.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• En la tabla 2.4 se puede observar el procesamiento estadístico de los datos. En laprimera columna se encuentran los rangos de caudales, en la segunda lafrecuencia absoluta de cada rango; en la tercera la frecuencia relativa en términosde porcentaje y, finalmente, en la cuarta está la frecuencia relativa acumulativa enporcentaje.
• En la primera columna los datos se han ordenado de mayor a menor a fin defacilitar la interpretación de la curva de duración y al gráfica misma.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Curva de duración de caudales
• Nos da la probabilidad como un porcentaje de tiempo de todo el
período de aforos, en el cual el caudal es igual o menor al
caudal correspondiente a dicho porcentaje de tiempo.
• Ejemplo: En la siguiente figura se puede decir que el 70% de
tiempo se producen caudales menores o iguales a 2,5 m3/s.
• En términos prácticos, la frecuencia relativa acumulativa viene a
ser la duración en términos de porcentaje.
• Para calcular la frecuencia relativa de cada rango se divide el
número de ocurrencias entre el número total de aforos:
fr(%) = (F / N) x 100
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• El caudal medio se determina mediante la siguiente
expresión:
Qm = Σ Qi x fr / 100
• Aunque lo más relevante para análisis hidrológico es
la curva de duración, la curva de frecuencias
relativas también tiene cierta importancia ya que nos
permite visualizar a priori la mayor o menor
concentración de datos (aforos para cada caudal o
rango de caudales).
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
El hidrograma se convierte en una Curva de duración de
Caudales, en una forma simple, tomando todos los requisitos de
caudal de muchos años y colocando los valores más altos al lado
izquierdo y los valores más bajos progresivamente al lado
derecho.
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Ejemplo: En la figura 2.20 se puede observar que el caudal de
mayor persistencia es el de 1,5 m3/s.
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• Una vez obtenida la curva de duración, dependerá del proyectistadecidir sobre el caudal de diseño. Evidentemente, si queremos que lacentral trabaje el 100% de tiempo a plena carga, el caudal de diseñoserá muy pequeño (0,4 m3/s).
• Si esto no es importante y queremos que trabaje un 70% de tiempo aplena carga, el caudal de diseño o disponible para el diseño, serámucho mayor (2,5 m3/s).
• Además del caudal de diseño, hay que analizar el tipo de turbina quese utilizará.
• Ejemplo: Si para el caso anterior tenemos una altura de 120 m yconsideramos una eficiencia total del sistema de 60% (entregados a lared), obtenemos la siguiente tabla de duración de potencias y lasenergía posibles de generar para las diferentes rangos de caudales.
Ing. Jony Villalobos CabreraIng. Jony Villalobos Cabrera
P = γ x Q x H x η (kW)
1000
Energía = Pot. x Duración x 8760 [ kWh ]
100 año
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Curva de duración de potencias
• En algunos casos es importante conocer la cantidad de energía
posible de generar utilizando uno u otro valor de caudal de
diseño; es decir saber cuántos kWh al año podría general.
• Un caso típico podría ser, por ejemplo, si la red nacional
asegura la compra de toda la energía producida. Esto significa
que debemos buscar un caudal tal que produzca un máximo de
kWh al año sin importar si se produce en 6 u 8 meses. Incluso
durante los meses restantes la central podría estar parada.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
• Para trazar la curva de duración de potencias basta en convertir
el eje de ordenadas de la curva de duración en eje de potencias
multiplicando γ x Q x H x η . Conservando los valores del eje de
ordenadores, podemos realizar la gráfica:
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Ing. Jony Villalobos Cabrera
Factor de planta• El factor de planta de una central eléctrica es el cociente entre
la energía real generada por la central eléctrica durante un
período (generalmemte de forma anual) y la energía generada
si hubiera trabajado a plena carga durante ese mismo período,
conforme valores nominales placa de identificación de los
equipos. Es una indicación de la utilización de la capacidad de
la planta en el tiempo.
• Los factores de planta o factores de capacidad varían
grandemente dependiendo del tipo de combustible que se utilice
y del diseño de la planta. El factor de planta no se debe
confundir con el factor de disponibilidad o con eficiencia.
Factor de Planta
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Causas de reducción del factor de
plantaEn la práctica, el factor de planta no es nunca del 100%.
Se ve disminuido por:
Las operaciones de mantenimiento, los fallos más o menos
largos de equipamientos, etc.
La ausencia de demanda de electricidad que obliga a los
administradores de red a disminuir o parar la producción
en algunas unidades.
La intermitencia o irregularidad de la fuente de energía
como es, por ejemplo, el caso de la energía solar o la
energía eólica, respectivamente
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Factores de planta típicosParque eólico: 20-40%.
Panel fotovoltaico: 10-15%.
Central hidroeléctrica: 60%.
Central nuclear: 60%-98%.
Central termoeléctrica a carbón: 70-90%.
Central de ciclo combinado: 60%
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Factor de Planta
• Supongamos que un ingeniero instala un sistema hidráulicopara proveer de electricidad a un pueblo. El costo del sistemaes $10,000.00. El número total de casas del pueblo es 50, peroal empezar sólo 25 casas del pueblo tienen conexiones parailuminación consumiendo cada casa 200 watts de electricidad.La instalación ha sido dimensionada para proveer a 50 casascon 200 watts, de modo que desde el primer día su capacidadde potencia es de 50 x 200 =10 kW. Durante los primeros cincoaños se usarán realmente sólo 25 x 200 = 5 kW.
• Considerando la relación de potencia usada a la capacidad depotencia:
Relación de potencia = Potencia usada
Potencia Instalada
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Si en lugar de la relación de potencia se usa una relación deenergía, multiplicando por el tiempo durante el cual la potencia estádisponible o es usada, llegamos al factor de planta (también llamado“factor de capacidad”)
En los primeros cinco años:
Factor de planta = 5 kW x 6 horas = 0,125
10 kW x 24 horas
En los segundos cinco años:
Factor de planta = 10 kW x 6 horas = 0,25
10 kW x 24 horas
Factor de planta = Potencia usada x tiempo de potencia usada
Potencia instalada x periodo considerado
= energía usada
energía disponible
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En la práctica, el ingeniero diseñador se mostraría reacio a continuarcon tal proyecto pues un buen diseño debería plantearse para unfactor de carga por encima de 0,4 durante los primeros añosdespués de las instalaciones, y por encima de 0,6 en los añossubsiguientes.
Esto se debe a que un bajo factor de cargo significa energía costosae indica también que otras fuentes de energía podría ser masconveniente para los pobladores.
Por consiguiente:
DISEÑE PARA EL FACTOR DE PLANTA MAS ALTO POSIBLE
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Factor de Carga
• El término “factor de carga” a veces se toma erradamente comosi fuese lo mismo que el “factor de planta”.
• Cuando se planea un sistema de suministro de energía (ycuando se usa un sistema de tarifas). Ud. puede encontrar quees muy útil usar el término “factor de carga” en un sentidocorrecto:
Factor de Carga = Energía total usada por los consumidores
Capacidad total de energía conectada a
los consumidores
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
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Equipo
Electromecánico
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Turbinas
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Selección de turbinas
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Las turbinas hidráulicas tienen como misión transformar laenergía potencial y cinética del agua en energía mecánica derotación.
La selección de la turbina más adecuada para unaprovechamiento particular depende de las características dellugar, los factores dominantes, siendo éstos la altura, el caudaldisponibles y la potencia requerida.
La selección también depende de la velocidad a la cual esdeseable que gire el generador ú otros dispositivos que cargana la turbina. Otras consideraciones tales como que se espereque la turbina trabaje a cargas parciales ó no, juegan un papelimportante en la selección.
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La figura muestra un rango de turbinas con sus alturas de
operación, de la cual se desprende que puede haber varios tipos
de turbinas que se pueden aplicar en un sitio particular.
Criterios de Clasificación
Por cómo se produce la transformación de la energía en la
turbina
La energía potencial se transforma en energía cinética,
mediante un chorro de gran velocidad, que es proyectado
contra unos álabes, fijos en la periferia de un disco. A este tipo
de turbinas se las conoce como turbinas de acción
La presión del agua actúa directamente sobre los álabes del
rodete, disminuyendo de valor a medida que avanza en su
recorrido. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas
de reacción
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Turbinas de Acción :TURBINA PELTON
La Turbina Pelton se caracteriza por el hecho que la presión del fluidono varia a lo largo de la rueda.
La turbina Pelton consta de: inyector, rotor y carcaza. Tiene uno o másinyectores cuyos chorros libres inciden sobre una serie de cucharasmontadas sobre la periferia de un disco. El torque es generado por ladeflexión del chorro en las cucharas del rotor. Es por esto que la turbinaPelton es también llamada Turbina de Chorro Libre
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La fundición por separado de disco y
alabes ha sido la forma más
tradicional, ya que no sólo se facilita la
construcción (fundición, maquinado y
pulido de piezas) sino que también
hace posible la reposición de cucharas
averiadas por la erosión. Sin embargo,
modernamente se advierte una gran
tendencia a fundir el disco y alabes en
una sola pieza, sobre todo cuando se
trata de ruedas de alta velocidad
específica. Se consigue con este
procedimiento mayor rigidez y solidez;
uniformidad en la resistencia y montaje
rápido; para la misma potencia, las
ruedas resultan más ligeras. Existen
métodos modernos de fundición y de
control de calidad (Magnaflux,
Magnaglo, ultrasonidos, etc.) que
permiten obtener piezas sin grietas ni
fisuras en el templado.
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El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y a la
erosión. Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la fundición
de grafito laminar. Si las condiciones de trabajo son más drásticas debe
recurrirse al acero, al carbono aliado con níquel (0.7 a 0.1)-molibdeno
(0.3). Aceros con 13% de cromo y los aceros austeno-ferríticos (Cr 20, Ni
8, Mo 3) presentan una resistencia extraordinaria a la cavitación y la
abrasión. El material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado.
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Turbinas de Acción :TURBINA PELTON
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Turbina PELTON
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RODETE, CUCHARAS Y VOLANTE DE LA TURBINA PELTON
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ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN EL INYECTOR DE LA TURBINA
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Turbinas de Acción :Turbinas de flujo cruzado
o Michell-BankiBasa sus ventajas fundamentalmente en un sencillo diseño y fácil construcción lo
que la hace especialmente atractiva en el balance económico de un
aprovechamiento en pequeña escala
Las principales características de esta máquina son las siguientes:
· La velocidad de giro puede ser seleccionada en un amplio rango.
· El diámetro de la turbina no depende del caudal.
· Se alcanza un aceptable nivel de rendimiento con pequeñas turbinas.
· Se puede regular el caudal y la potencia por medio de un álabe ajustable.
Se utiliza con una gama muy amplia de caudales (entre 20 l/seg y 10 m3/seg) y
una gama de saltos entre 1 y 200 m. Su rendimiento máximo es inferior al 80%,
pero se mantiene casi constante cuando el caudal desciende hasta el 16% del
nominal, y tiene un mínimo técnico inferior al 10% del caudal de diseño.
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La turbina consta de dos elementos principales: un inyector y un rotor.
El agua es restituida mediante una descarga a presión atmosférica. El
rotor está compuesto por dos discos paralelos a los cuales van unidos
los álabes curvados en forma de sector circular. El inyector posee una
sección transversal rectangular que va unida a la tubería por una
transición rectangular - circular. Este inyector es el que dirige el agua
hacia el rotor a través de una sección que toma una determinada
cantidad de álabes del mismo, y que guía el agua para que entre al rotor
con un ángulo determinado obteniendo el mayor aprovechamiento de laenergía.
Turbinas de Acción :Turbinas de flujo cruzado
o Michell-Banki
Ing. Jony Villalobos Cabrera
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Características
Principales de
Turbinas Hidráulicas
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Turbinas Pelton Michell-Banki Francis Kaplan
Preferentemente
para caudales:
Pequeños a
grandes
Pequeños a
medianos
Grandes Grandes
Preferentemente
para desniveles:
Medianos a
grandes
Pequeños a
medianos
Medianos y
grandes
Medianos y
grandes
Costo comparativo
de la instalación
Menor Menor Mayor Mayor
Michell-Banki
Características Principales de Turbinas
Hidráulicas
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Turbina Pelton Turbina Francis Turbina
Kaplan
Turbina Michell-Banki
- Más robustas y
duraderas
- Menos peligro que
se dañen las
cucharas
- Reparaciones más
sencillas
- Regulación más
fácil
- Mejores
rendimientos
trabajando a
caudales mas
pequeños
- Instalación
sencilla.
De grandes saltos:
- Menor peso
- Mayor rendimiento
máximo
- Aprovechan mas la
energía de caída del agua
- Generador de electricidad
más barato
- Dimensiones de la central
más reducidas
De saltos medios:
- Se puede hacer más
potencia
- Menos costos en la
instalación inicial.
- Mejores
rendimientos
cuando trabaja
a caudales
más pequeños
- Mejores
rendimientos
con saltos
variables.
- Generador de
electricidad
más barato.
- Se puede escoger la
velocidad de giro.
- El tamaño de la turbina, a
diferencia de las demás, no
depende del caudal.
- Se alcanza un nivel de
rendimiento aceptable con
pequeñas turbinas.
- Se puede regular el caudal y
la potencia por medio de un
mecanismo sencillo.
- Diseño e instalación sencilla.
Michell-Banki
Características Principales de Turbinas
Hidráulicas
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Selección de Turbinas Hidráulicas
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Rango de Aplicación de Turbinas
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Ejemplo de Selección de Turbinas
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MOTORES COMO
GENERADORES
Ing. Jony Villalobos Cabrera
En sistemas aislados de micro generación de energía, por lo
general utilizan generadores síncronos.
Actualmente se están utilizando motores de inducción como
generadores (generadores de inducción), con muy buenos
resultados.
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Los generadores de inducción han demostrado ser considerablemente más confiables que los generadores
síncronos
VENTAJAS
• Disponibilidad
• Costo
• Solidez
DESVENTAJAS
• Rangos de voltaje
• Cálculos requeridos
• Arranque de motores
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Operación del Motor de Inducción• Cuando un motor de inducción es conectado a una fuente de
energía crea un campo magnético rotatorio en la máquina
que se traduce en un movimiento giratorio, “Torque”.
• En este proceso, la velocidad del campo magnético es mayor
que la del rotor. A esta diferencia de velocidades se llama
deslizamiento.
S: Deslizamiento
ns: velocidad de sincronismo (campo magnético)
nr: Velocidad del rotor (del motor)
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Operación como Generador en la Red• Si el mismo motor de inducción, conectado a sistema, se
hace girar por encima de la velocidad de sincronismo, la
máquina actúa como generador suministrando energía a la
Red.
• El deslizamiento como generador a carga nominal tiene un
valor similar al deslizamiento como motor pero de signo
negativo.
• Sin embargo, esta aún toma su corriente de magnetización
de la fuente, ya que es necesaria para crear el campo
rotatorio.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Operación como Generador en un
Sistema Aislado
• En este caso, no existe una fuente que suministre la corriente
de magnetización para el funcionamiento del generador.
• Este problema, se soluciona con la instalación de
condensadores como única fuente externa que suministra la
corriente de magnetización.
• Estos condensadores o el valor de la capacitancia deben ser
cuidadosamente elegidos.
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Número de Polos
nº de polos 50 Hz 60 Hz nº de polos 50 Hz 60 Hz
2 3000 3600 16 375 450
4 1500 1800 18 333 400
6 1000 1200 20 300 360
8 750 900 22 272 327
10 600 720 24 250 300
12 500 600 26 231 277
14 428 540 28 214 257
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Selección del generador y capacitores
• El arreglo mas conveniente para obtener mayor eficiencia es
la utilización de un motor trifásico con generación monofásica
• En demandas pequeñas de energía por lo general el
suministro de corriente es monofásico.
• Este arreglo se logra con la conexión “C-2C”
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Protocolo de pruebas para
recepción de obras en
Microcentrales
Hidroeléctricas
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En obras civiles
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En el Sistema de Regulación y control hidráulico
Ing. Jony Villalobos Cabrera
En la tubería forzada y regulador de
velocidad de la turbina
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En la Turbina
Ing. Jony Villalobos Cabrera
En el equipo electromecánico
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Decisiones Costo-Beneficio
• Los costos de un sistema microhidroenergético se ubican dentrode dos grandes categorías: costos de capital y costoscorrientes.
• En resumen, el análisis de costo beneficio es una parteimportante del trabajo de un ingeniero de microhidrogeneración.
• Mantenga registros de cuadros de costos
• Incluya observaciones de costo-beneficio
• Concentre su trabajo donde el potencial de reducción de costossea el más grande
• Concentre su trabajo donde los beneficios sean mas altos.
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
Ing. Jony Villalobos Cabrera
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