Se trata de aprovechamientos hidroenergéticos con “microcentrales hidráulicas de pasada”, en saltos de agua en canales de riego existentes en zonas áridas de Argentina (Salta, Catamarca, La Rioja, San Juan, Mendoza, Neuquén, Río Negro), o donde exista un curso natural de agua con salto disponible (Tucumán, Salta, Córdoba, San Luis, Misiones).
En zonas áridas, las actividades agrícolas se realizan gracias a una red de canales que distribuyen el agua a los usuarios. En estos canales existen saltos de agua aprovechables de entre uno y doce metros de altura, con caudales de entre cien litros por segundo y veinte mil litros por segundo, que actualmente no se utilizan con fines de generación eléctrica.
El aprovechamiento hidroenergético se logra mediante la conversión de bombas en desuso, reciclando sus cuerpos y algunas piezas, para ser utilizadas como turbinas, efectuando modificaciones constructivas previo diseño hidromecánico de la máquina, para mejorar su rendimiento y eficiencia, transformándose el rodete de “impulsor” en “motor”, tipo “Hélice” o “Francis” según convenga conforme su velocidad específica, a cualquier combinación de salto y caudal, constituyéndose en “microturbinas hidráulicas”.
Las microturbinas hidráulicas (bombas convertidas a turbinas) para lograr “motores hidráulicos”, admiten acoplar generadores asincrónicos o sincrónicos (CC o CA), dependiendo del servicio requerido, para abastecer sistemas (consumidores) aislados o interconectados.
Los conjuntos “microturbinas-generadores eléctricos”, utilizan una fuente de energía limpia y renovable, siendo innecesaria la construcción de diques en los canales de riego o cauces naturales, no afectan el medio ambiente y no contaminan, reemplazan generación térmica que consume combustibles fósiles (gas, hidrocarburos, carbón).
Arriba una imagen "explosiva" de una microturbina lograda con cuerpo de bomba de profundidad, la pieza transparente permite apreciar el flujo de salida durante los ensayos:
PALABRAS CLAVE
Energía hidráulica.
Energía hidroeléctrica.
Energía limpia.
Energía renovable.
Aprovechamiento óptimo.
Reemplazo de generación térmica por hidráulica.
Conversión de bombas a turbinas hidráulicas.
Bombas de profundidad (pozo profundo) en desuso.
Micro turbinas hidráulicas.
Rotores Francis y Hélice.
Generación Eléctrica Distribuida (GED).
Recursos renovables.
Lugares remotos o aislados.
Sistemas interconectados.
INTRODUCCIÓN
1. El aprovechamiento óptimo de la energía disponible en cursos de agua con fines hidroenergéticos, mediante la instalación de “microcentrales de pasada”, sin construcción de diques de embalse, es una alternativa de fácil y conocida aplicación desde hace muchos años.
2. Donde hay saltos de agua aprovechables como en los canales de riego existentes, o en los cursos naturales de agua, hay energía esperando ser utilizada.
3. En cualquier curso de agua con salto disponible, hay oportunidad para aprovecharlo con algún sistema que transforme la energía en mecánica, para mover un generador eléctrico sin consumir fuentes de recursos agotables (combustibles fósiles, diesel, gas, carbón u otros derivados del petróleo), y evitando el consumo de “biodiesel”, que hoy compite en su origen con las fuentes alimentarias mundiales.
4. Es posible aprovechar inmensidad de saltos de agua naturales y artificiales existentes en las provincias donde es aplicable el aprovechamiento hidroenergético: Salta, Catamarca, La Rioja, San Juan, Mendoza, Neuquén, Río Negro, Tucumán, Salta, Córdoba, San Luis, Misiones, Buenos Aires la Pampa, casi como decir toda la República Argentina, además de países vecinos y lejanos.
5. Con la instalación de pico, micro y mini centrales hidráulicas, se puede abastecer sistemas (consumidores) aislados o interconectados a alguna red de distribución de energía eléctrica, la energía excedente (de haberla) no consumida, podría destinarse a la red u otras aplicaciones, además de calentar agua, seca granos, etc.
6. El presente trabajo da respuesta exitosa a las aseveraciones anteriores, mediante la utilización de cuerpos (en desuso) de bombas de pozo profundo, convertidos en turbinas hidráulicas, mediante algunas adaptaciones mecánicas imprescindibles, para maximizar la eficiencia de la máquina, sin constituir las conocidas máquinas denominadas “bomba como turbina”.
7. Con poca inversión, se puede utilizar material de rezago en la fabricación de máquinas motoras hidráulicas, capaces de cubrir una extensa gama de potencias en función de las combinaciones de salto y caudal de agua disponibles, sin los condicionantes impuestos por el funcionamiento de las bombas como turbinas, que adolecen de rendimiento comparado con la tecnología descripta en este documento.
8. Este trabajo describe cómo se puede utilizar cualquier cuerpo de bomba de profundidad, para convertirlo en turbina hidráulica y en consecuencia, disponer movimiento de rotación, par y potencia en su eje, tres cualidades y cantidades aplicables directamente a cualquier máquina que demande energía (molino, bomba, mezcladora, despalilladora, enfardadora, amasadora, zaranda, etc.), y lo más importante, capacidad para generar energía eléctrica, limpia, sustentable, renovable y no contaminante, capaz de reemplazar su equivalente térmico producido mediante el consumo de combustibles fósiles o de biocombustibles.
9. Persiste la idea de que algún día, cuando se agoten las fuentes no renovables de energía, todas las usinas hidroeléctricas cualquiera sea su tamaño, tipo y ubicación, seguirán produciendo electricidad, las picocentrales, las microcentrales y las minicentrales hidráulicas, también seguirán generando energía, tal como cuando se hubieren inaugurado, aprovechando un recurso renovable, limpio y sustentable.
EXPLICACIÓN
1. Las microturbinas objeto del presente proyecto (actualmente en ejecución con resultados exitosos y registro de propiedad intelectual en trámite), se logran mediante la conversión de los cuerpos o tazones de bombas de pozo profundo en desuso (también pueden ser nuevas sin uso), para aprovechar sus álabes fijos “directrices”, que orientan el flujo líquido en “corriente vorticosa”.
Abajo la una imagen de un cuerpo de bomba de profundidad para utilizar como estator de microturbina:
Abajo la una imagen de un cuerpo de bomba de profundidad para utilizar como estator de microturbina:
3. El diseño y construcción del rodete de la turbina es necesario para lograr el máximo rendimiento, con la máxima potencia, ajustados a la disponibilidad del recurso hídrico, vale decir, a las condiciones que se presentan en cada lugar: Salto y caudal de agua.
4. Con esta meta se sustituye el rodete “impulsor” (modo bomba) por otro “motor” (modo turbina), que puede ser tipo “Hélice”, o tipo “Diagonal”, o tipo “Francis” según convenga, conforme su velocidad específica (dependientes de las combinaciones salto y caudal disponibles, velocidad de rotación).
Abajo la imagen de un rotor de bomba de profundidad:
Abajo la imagen de un rotor de bomba de profundidad:
5. De esta manera, puede adaptarse cualquier cuerpo o tazón de bomba de profundidad a funcionamiento en modo turbina, con cualquier combinación de salto y caudal, para lograr verdaderas “turbinas hidráulicas”, en tamaños y capacidades sólo dependientes del tamaño del cuerpo o tazón disponible, como del caudal y altura de salto de agua, también disponibles.
6. El giro del eje de la microturbina (bomba convertida) se puede usar (especialmente indicado) para mover un generador eléctrico de corriente alterna trifásica o monofásica; en ambas alternativas la energía puede utilizarse directamente o convertida a otra: Alterna trifásica a alterna monofásica, y en ambos casos a corriente continua.
7. Si la turbina moviese un generador de corriente continua, también puede utilizarse esta en forma directa, o mediante conversión electrónica, transformarla en corriente alterna.
8. En todos los casos es posible almacenar la energía eléctrica no consumida, en acumuladores tipo batería ácido/plomo o súper capacitores (actualmente en pleno desarrollo), y al momento de ser necesaria, la energía eléctrica esté disponible para consumirla, mientras la máquina generadora haya funcionado sin consumo directo por parte de los usuarios, o bien el consumo haya sido inferior a la capacidad de generación de la turbina.
Abajo la imagen de un rodete para utilizar en microturbina con estator de bomba de profundidad:
Abajo la imagen de un rodete para utilizar en microturbina con estator de bomba de profundidad:
10. El modelo presentado al concurso posee montado un generador sincrónico trifásico de corriente alterna, más precisamente un alternador de automóvil, capaz de entregar 110 Amperes en corriente continua con un nivel de tensión de 12 Volts. El mismo generador posee incorporado un regulador de voltaje de estado sólido (electrónico) que se encarga de mantener el nivel de tensión constante entre un mínimo de 12,4 Volts y un máximo de 14,2 Volts.
11. La potencia máxima de la microturbina, para el salto y caudal de diseño, así como para el rotor que tiene instalado, es de 2,3 kW, algo superior a la máxima potencia del generador, de 1,32 kW, lo cual despeja cualquier duda acerca de la potencia de la turbina para mover al generador utilizado para las pruebas y ensayos.
12. El consumo en banco de prueba se materializó con una carga de lámparas proyectoras de 12 Volts, las que se fueron encendiendo progresivamente para verificar el comportamiento del grupo turbina – generador. Las cargas conectadas sucesivamente, produjeron en cada caso, un pequeñísimo y momentáneo decremento de la velocidad de giro del conjunto, situación que fue rápidamente corregida por la inercia de la polea conductora (de multiplicación) instalada en el eje de la turbina, trabajando como volante para esta finalidad, manteniendo casi constantes la velocidad de giro y el nivel de tensión.
13. El generador produce energía mediante excitación con una pequeña batería tipo “gel”, de las utilizadas en los sistemas de alarma domiciliarios, pero si se utilizara un banco de baterías ácido – plomo, las cargas de consumo tomarán de esta fuente la energía, haciendo prácticamente innecesario incrementar la masa inercial del grupo turbina – generador; sin embargo, aún con el arreglo generación – acumulación en banco de baterías, el volante inercial es útil para prolongar el tiempo de actuación (cierre de admisión de agua) en caso de desvincularse la totalidad del consumo de energía, lo cual pondría al grupo en condición de “embalamiento”.
14. El diseño y pruebas del rodete de la turbina han establecido que la velocidad de embalamiento es inferior a 1,63 veces la velocidad nominal de trabajo, valor inferior al de 1,8 veces para el tipo de rotor instalado (diagonal flujo mixto), por lo cual no es de temer un embalamiento de la máquina, sus piezas no se exponen a daños por esta causa.
15. En la Figura 1, se puede ver una imagen en perspectiva del cuerpo o tazón de la bomba de profundidad (1), sus álabes o paletas fijas directrices curvadas (2) fijas, los álabes o paletas (3) del rotor móvil (4) de la turbina, además se aprecia una vista superior (desde la ojiva) y una vista lateral (alzado) del rodete.
Abajo una imagen de microturbina tubular fabricada con un cuerpo de bomba de profundidad:
17. El cuerpo o tazón de la bomba de profundidad, consta de una pared (6) cilíndrica o aproximadamente cilíndrica (puede presentar curvaturas o variaciones de forma exterior e interior), en cuyo interior se encuentra dispuesta una pluralidad de paletas o álabes incurvados (2), solidariamente fijos a la superficie interior del cuerpo o tazón de la bomba, y simultáneamente al núcleo (7) del cuerpo o tazón de a bomba.
18. El núcleo del cuerpo o tazón de la bomba de profundidad posee un hueco (8) alineado con el eje geométrico del cuerpo o tazón, que aloja uno o más buje/s (9) de material antifricción, que oficia/n de cojinete/s para el eje de la turbina.
19. El eje de la turbina sobresale de la máquina a través de un tramo de conducto curvo (10), que posee un dispositivo (11) para alojar tanto el sello hidráulico (12) como el/los cojinete/s (13) del eje, en su extremidad saliente del tramo curvo.
20. El tramo curvo por donde sobresale el eje, puede asumir el rol de admisión del agua a la turbina (tal como está dibujado), como también el rol de salida del agua de la turbina, colocándolo “aguas bajo” de la salida del rodete de la turbina, siendo útil esta dualidad, para aplicar según cada caso la disposición que convenga, ya que la turbina funcionará igualmente en con el tramo curvo en ambas disposiciones, como admisión o como salida del agua fluyente.
21. La única diferencia en la aplicación con el eje sobresaliendo por el lado de admisión, respecto del eje sobresaliendo por el lado de salida del agua, radica en que en el primer caso el eje estará ubicado en la zona de mayor presión hidráulica de la turbina, mientras que en el segundo, el eje estará en la zona de menor presión hidráulica de la turbina.
22. Con la disposición “eje del lado de mayor presión hidráulica”, el cojinete se lubrica con el agua fluyente, merced al huelgo existente entre la superficie interior del cojinete y el eje de la turbina.
23. Con la disposición “eje del lado de menor presión hidráulica”, el cojinete se lubrica con el agua fluyente, merced a un orificio (14) existente en la ojiva (15) del rodete de la turbina, por donde ingresa una pequeña cantidad de agua que lubrica al conjunto eje - cojinete gracias al huelgo existente entre la superficie interior del cojinete y el eje de la turbina.
24. En cualquiera de las disposiciones comentadas, la turbina admite en cualquiera de sus variantes de montaje y/o disposición de partes constituyentes, un “tubo de salida”, o “tubo de desfogue”, o “tubo de aspiración” (16), para permitir la salida de agua fluyente, pudiendo ser de forma cilíndrica o tronco cónica, recta, curvada o acodada, según convenga para su instalación en cada caso de aplicación, con lo cual se logra una cierta recuperación de energía que mejora el rendimiento de la turbina hidráulica.
25. El material con que se ha fabricado el rodete de la turbina es PRFV (plástico reforzado con fibra de vidrio), el material del eje es acero SAE 1030, el material del tramo curvo de la turbina es de caño de acero sin costura (curva larga).
26. La Figura 3 muestra tres vistas del tazón de bomba de profundidad, utilizado como cuerpo de la turbina que posee los álabes directrices que constituyen el estator de la máquina.
27. En la Figura 4 se aprecia una fotografía del banco de ensayos con la microturbina colocada, alimentada con una bomba centrífuga de alto caudal en circuito cerrado, se aprecia dos manómetros destinados a medir presión dinámica y presión estática para evaluar el caudal fluyente.
28. En la figura 5 se aprecia cómo las turbinas fabricadas a partir de cuerpos de bomba de profundidad en desuso, pueden utilizarse para aprovechar energía hídrica en cauces naturales, con caudales y saltos altos, y/o bajos.
CONCLUSIONES
1. Estas microturbinas hidráulicas pueden accionar generadores eléctricos de potencias variables, entre 0,5 kW y eventualmente 120 kW, con los cuerpos o tazones de bombas de profundidad adecuados, si existe el recurso hídrico disponible.
2. Con la energía eléctrica producida por generadores acoplados a estas microturbinas, pueden abastecerse con electricidad comunidades aisladas desprovistas, que no tienen posibilidad de interconexión al sistema local o nacional.
3. En el caso descripto en el párrafo anterior, las microturbinas con sus generadores son competentes técnica, económica y financieramente, para considerarlas como alternativas válidas en esquemas de generación distribuida, lo cual es de enorme valor, especialmente para abastecer localidades o comunidades aisladas, que actualmente no poseen energía eléctrica, y a las que llegar con líneas de transmisión es posible solamente bajo criterios exclusivamente políticos, porque cualquier análisis de rentabilidad da resultado negativo.
4. Con estas microturbinas operativas e instaladas, también puede sumarse energía a los sistemas interconectados, agregando su generación a la disponibilidad del sistema, dentro de un esquema de fuentes diseminadas, pero sin embargo viables, acopladas a motores asincrónicos funcionando como generadores, probadamente eficientes y confiables, de muy bajo costo.
5. En el abastecimiento eléctrico de comunidades interconectadas, estos equipos constituidos por microturbinas con sus generadores, producen energía que reemplaza su equivalente en términos de generación térmica, disminuyendo la utilización de fuentes de energía no renovables.
6. Para el caso hipotético que en Argentina sea posible no solamente comprar energía al distribuidor local, sino además venderle energía, podrían constituir una alternativa real y práctica que originaría fuentes de ingreso para quienes dispongan del recurso hídrico, por pequeño que sea, simplemente instalando el equipo y poniéndolo en marcha.
7. Estas microturbinas fabricadas con cuerpos de bombas de profundidad en desuso hasta hoy consideradas “chatarra”, permiten revalorizar elementos y partes de maquinaria obsoleta para sus fines originarios (que se vienen reemplazando por equipos de bombeo más eficientes), estableciendo de este modo, una fórmula para la recuperación de las mismas antes de enviarlas a la fundición u otro destino, que mediante una simple reingeniería se convierten en bienes de capital productivo y rentables.
8. La conversión de cuerpos de bombas de profundidad en turbinas hidráulicas, constituye una innovación tecnológica reproductible y de fácil transferencia, mediante capacitación estructurada y adecuada a cada actor, como el fabricante, el instalador y el usuario.
9. Esta innovación tecnológica originada en la conversión de bombas de profundidad en desuso a turbinas hidráulicas, es de sencilla difusión, tornando esta idea (probada con éxito y en trámite de registro de propiedad intelectual de diseño y de modelo industrial), en una herramienta de desarrollo sustentable.
Figura 1: Izquierda: Perspectiva explosiva del conjunto Derecha: Vista superior y alzado del rotor
Figura 2: Corte longitudinal del conjunto con curva de ingreso y tubo difusor
Figura 3: Fotografía de un modelo experimental funcionando en circuito cerrado (demostrativo)
Figura 4: Fotografía de un modelo didáctico transparente funcionando en circuito cerrado de 2 Watt
Figura 5: Fotografía de un prototipo tubular y dos rodetes (hélice y francis)
Figura 6: Esquema de instalación sencilla de microturbina tubular
Figura 7: Siempre es posible utilizar la energía hidráulica para producir electricidad
Donde hay agua y un desnivel, hay energía disponible, lista para ser utilizada, limpia, renovable, no contaminante, barata, accesible, aplicable a sistemas aislados o interconectados.
Hay modelos de turbinas y generadores eléctricos para cada necesidad, mucha agua o poca, grandes saltos de agua o pequeños, agua limpia o agua turbia.
Siempre hay una manera de aprovechar este regalo de la naturaleza, con mínima inversión y enormes beneficios, para el usuario, para su gente y su negocio, preservando la naturaleza, sin emitir humo, ruido ni residuos, sin alterar el agua, un bien indispensable.
4 comentarios:
Muy bueno, quisiera la factiblidad de instalación por os costos. Tengo una cabaña en las sieras de Córdoba, al lado de un arroyo, lejos del tendido eléctrico, garcias
Gracias por comentar. Para saber aproximadamente el precio de la instalación, necesitamos conocer el caudal (litros por segundo)y la altura de salto de agua (metros). Se pueden medir ambos con facilidad: Medir con cronómetro el tiempo que tardan palitos, corchos o trozos de telgopor en recorrer unos diez metros del arroyo; medir ancho del arroyo (en la superficie del agua) y profundidad. Es muy importante hacerlo en un tramo recto, sin curvas, con fondo parejo y sin piedras. La altura se mide con cinta métrica. Con estos datos se estima la potencia del equipamiento y así el precio. Éxitos !!
Buenas tarde nesesito comunicarme con usteds..
Buenos días. Muchas gracias por comunicarse. Deje su dirección de email y referencias para contactarle.
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