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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

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I. INTRODUCCIÓN

 Como sabemos la energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura para producir energía eléctrica. Actualmente, el empleo de la energía hidráulica tiene uno de sus mejores exponentes: la energía mini hidráulica, de bajo impacto ambiental.

 La energía

hidráulica o energía hídrica se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua o los saltos de agua naturales. En el proceso, la energía potencial, durante la caída del agua, se convierte en cinética y mueve una turbina para aprovechar esa energía.

 Este

recurso puede obtenerse aprovechando los recursos tal y como surgen en la naturaleza, por ejemplo una garganta o catarata natural, o bien mediante la construcción de presas. Desde hace siglos existen 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. Sin embargo, la utilización más común hoy en día la constituyen las centrales hidroeléctricas de las presas.

Proyecto “Diseño Sísmico Vivienda Huancayo 3 pisos sistema Dual” Olivera Mayorca Francis Dante

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II. OBJETIVOS

 Tenemos como objetivo principal de este proyecto el conocimiento de la central Hidro eléctrico, así como el funcionamiento que esta tiene.

 Como objetivos secundarios tenemos el alcanzar el conocimiento acerca de las partes de nuestra central hidroeléctrica, como son: la cámara de carga (necesaria para el encauzamiento), la tubería de presión (para conducir el fluido, en este caso usaremos un canal), la turbina (que generara la energía mecánica) y el generador (Que convertirá la energía mecánica en energía eléctrica)

 Tomemos en cuenta que en el Perú tenemos terrenos escarpados lo cual resulta en grandes caídas, lo cual podemos aprovechar para generar energía

 Entonces tenemos como finalidad el aprovechar la caída del agua desde cierta altura para producir energía eléctrica. Actualmente, el empleo de la energía hidráulica tiene uno de sus mejores exponentes: la energía mini hidráulica, de bajo impacto ambiental.

 Tendremos como factores para la generación de esta energía el caudal y la altura del salto. Para aprovechar mejor el agua, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto.

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III. MARCO TEÓRICO ¿Cómo funcionan las centrales hidroeléctricas? En el aprovechamiento de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la altura del salto. Para aprovechar mejor el agua, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto. Otra manera de incrementar la altura del salto es derivando el agua por un canal de pendiente pequeña (menor que la del cauce del río), consiguiendo un desnivel mayor entre el canal y el cauce del río. Cuando se quiere producir energía, parte del agua almacenada se deja salir de la presa para que mueva una turbina engranada con un generador de energía eléctrica. Así, su energía potencial se convierte en energía cinética llegando a las salas de máquinas. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores. En muchos países se han instalado centrales pequeñas, con potencias inferiores a 10Mw. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. La energía minihidráulica se considera respetuosa con el medio ambiente, ya que los impactos que genera son pequeños y fácilmente minimizables. La energía hidráulica ofrece un gran potencial para muchos países en vías de desarrollo que están utilizando este sistema con buenos resultados, como es el caso de Costa Rica.

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DISEÑO DE MINICENTRALES El diseño de un aprovechamiento hidroeléctrico se compone de un proceso complicado e iterativo, que requiere realizar investigaciones y elaborar diversos estudios, que nos permitan comparar los diferentes esquemas tecnológicos posibles, para terminar, escogiendo la alternativa que más ventajas ofrezca desde el punto de vista técnico-económico. Las posibles soluciones también están determinadas, además de por los factores que ya se han mencionados, por la topografía que tenga el terreno y por la sensibilidad ambiental de la zona, ya que hay que tener en cuenta el posible impacto producido, tanto ambiental como social. Así pues, aunque es complejo realizar una guía metodológica para la valoración de un aprovechamiento, sí se pueden indicar los pasos fundamentales que hay que seguir, lo cual es lo que se expone en el presente apartado.

Aspectos Generales. Al elaborar las diferentes fases, todas deben ser concebidas como un conjunto coherente, cuyo objetivo común será la construcción de la mejor alternativa. Primero se realizan los estudios de pre-inversión, que abarcan el inventario, reconocimiento y pre-factibilidad, los cuales nos permiten determinar si existen las condiciones naturales para la instalación de la mini central y las diferentes opciones a estudiar, cuál de ellas es más asequible y cuál dispone de los requerimientos necesarios. Para el caso de proyectos que presenten situaciones dudosas en la parte técnico económica, conviene realizar también estudios de factibilidad, en los que se lleva a cabo el prediseño de las obras del proyecto, de forma más concisa, sobre la base de datos más fidedignos, y se realiza la estimación de costos de manera más detallada que en la etapa de prefactibilidad, de tal manera que permita tener una idea más concisa de los recursos financieros que se invierten en el proyecto Estudiadas las posibles alternativas se elige la que tenga las mejores expectativas, considerando todas las variables técnicas, económicas y sociales que se presenten en la concretización del proyecto, y tras esto comienza la etapa de diseño. Es aquí donde se dimensionan las diferentes obras de las que consta el proyecto, las cuales deben garantizar los requerimientos de estabilidad, resistencia, larga duración y fácil explotación, con el fin de conseguir un correcto funcionamiento estructural e hidráulico.

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Análisis de Pre-Factibilidad. Los estudios se realizan analizando poblaciones o zonas con el fin de determinar aquellas en las que se presentan condiciones adecuadas para la instalación de una pequeña central hidroeléctrica

1. Inventario. Una labor muy importante al realizar los estudios de una pequeña central hidroeléctrica, es la de realizar visitas a la población y a los lugares en los que se van a situar las obras. Se tiene que tener en cuenta que en muchos casos no será posible utilizar cartas topográficas ni fotografías aéreas, ya sea porque no se dispone de esta información ni existe la posibilidad de obtenerla, o porque son proyectos muy concretos y limitados a zonas de pequeña extensión. En esta etapa se realiza esta inspección del área en el cual se quiere emplazar el aprovechamiento, para determinar el potencial teórico o bruto que posee la zona y estudiar la posibilidad de implementar una minicentral. Esta observación tendrá que hacerse en un área lo bastante grande como para que permita tener una idea global del uso del recurso hidroenergético en la zona. 2. Reconocimiento. Una vez se ha encontrado e inspeccionado un lugar con un potencial teórico que nos pueda servir para la instalación del aprovechamiento deseado, debemos realizar un reconocimiento con más profundidad del sitio para establecer los caudales disponibles, así como los saltos geodésicos existentes y los lugares de emplazamiento más adecuados, para así establecer el sitio más óptimo para su instalación. Esta exploración servirá también para la valoración de factores no encontrados en el estudio preliminar de inventario y una primera evaluación de problemas constructivos. Además de realizar estas determinaciones, se aprovechará la visita para obtener información respecto a necesidades de energía eléctrica, valorando la demanda actual, la misma que permitirá una orientación sobre las costumbres de la población en el uso de la energía, así como las condiciones sociales y de desarrollo integral de la zona.

Estudios Previos A la hora de plantear la realización de un aprovechamiento hidroeléctrico son fundamentales dos requerimientos, como se ha mencionado anteriormente, ya sea para una central de generación a gran escala o para una pequeña central hidroeléctrica de menor potencia. Estas necesidades son, por tanto: -Disponer de un caudal de agua: Se necesita un caudal de agua constante para garantizar la continuidad de funcionamiento de la mini central, este caudal va a ser el que nos va a proveer de la energía primaria para el movimiento de la turbina de la planta de generación hidroeléctrica. -Disponer de un salto geodésico: Proyecto “Diseño Sísmico Vivienda Huancayo 3 pisos sistema Dual” Olivera Mayorca Francis Dante

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El salto geodésico es el desnivel en el cauce del caudal de agua, en el salto geodésico se produce la energía cinética del agua, energía que es aprovechada por las turbinas para generar el movimiento en el generador. Tras los estudios de pre-factibilidad, se tendrá una idea global de las disposiciones que nos concede la zona, pero a la hora de realizar y determinar concretamente el diseño del aprovechamiento, es necesario conocer de forma precisa estas capacidades. Para ello se realizan los diferentes estudios previos, que a continuación se exponen, que nos permiten recopilar la información necesaria para establecer el caudal y el salto de los que cuenta la zona en la que se va a realizar la instalación del aprovechamiento. 6 Estudio Cartográfico. Para la elaboración de este estudio se debe de recoger la información cartográfica del área en el que se va a realizará el proyecto, atendiendo a estudios regionales y acudiendo al Instituto Geográfico Nacional (www.ign.es). En los planos cartográficos se localiza la información topográfica y geológica, así como la ubicación de la zona, las vías de acceso, la vegetación, los ríos, y las curvas de nivel. Según la región en la que esté ubicado el proyecto, se conseguirá o no encontrar planos en pequeñas escalas para poder trabajar con precisión y al detalle, pero todo el territorio nacional se puede encontrar en escalas relativamente grandes en el centro de descargas del ya mencionado Instituto Geográfico Nacional (IGN)

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Estudio Geotécnico. Es esencial llevar a cabo una evaluación geológica y geomorfológica del área en el que se va a realizar el proyecto, ya que el origen geológico de los materiales del suelo establece sus características físicas, por lo que se debe conocer lo mejor posible la composición y calidad de dicho terreno y así definir el lugar óptimo para la edificación de las obras civiles, su cimentación y el material disponible para su construcción, que debe ser en lo posible, extraíble en la zona del proyecto (Fletcher, 1988). El Geomorfología estudia las formas de la superficie de la tierra en su aspecto físico y los procesos que la modifican ya que afecta directamente a la geología y, por tanto, a la calidad y propiedades del terreno. Es importante también, llevar a cabo una evaluación geomorfológica ya que los procesos constructivos ocasionan modificaciones sobre el terreno, ya sea por deterioro o creando accidentes orográficos nuevos. Estudio Hidrológico. Para llevar a cabo de forma correcta el proyecto de un aprovechamiento, es fundamental conocer el régimen de caudales del río, en la zona próxima a la toma de agua, para calcular el caudal de diseño adecuado y definir el equipamiento a instalar, de manera que la energía producida sea la máxima posible en función de la hidrología. Las estaciones de aforo son las responsables de realizar esta medición y registro de los caudales instantáneos que circulan por el tramo del río donde están ubicadas. A partir de esta recopilación se determinan los caudales máximos, medios y mínimos diarios correspondientes a un gran número de años, con los que se elaboran series temporales agrupadas por años hidrológicos. La obtención de estos datos de caudales de las estaciones de aforo, puede hacerse a través de los Organismos de cuenca o en el Centro de Estudios y Experimentación de Obras, hay una amplia red de estaciones de aforo, que nos suministran datos sobre los caudales de un gran número de ríos durante un significativo número de años. El primer paso de un estudio hidrológico es realizar la recopilación de las series hidrológicas, en función de la ubicación del futuro aprovechamiento, de las estaciones de aforo existentes en la zona de implantación de la central, con los datos de caudales medios diarios

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Elementos de una mini-central hidroeléctrica. Las pequeñas centrales están constituidas por diferentes componentes y equipos que pueden clasificarse en tres grandes grupos:

1.- Obra civil: La obra civil comprende las infraestructuras e instalaciones necesarias para derivar, trasladar y devolver el agua turbinada al cauce, así como para alojar a los equipos electromecánicos y al sistema eléctrico general y de control. Los trabajos de construcción de una pequeña central hidroeléctrica son muchos menores que en las grandes centrales hidroeléctricas, y según la elección de suscomponentes, sus impactos sobre el medio ambiente pueden ser minimizados. Además, hoy en día las medidas correctoras necesarias para reducir el impacto producido cuentan con un gran desarrollo. Dentro de la obra civil encontramos los azudes y presas, aliviaderos, obras de toma, canal de derivación, desarenadores, cámara de carga, tubería forzada, edificio y canal de salida. Obras de Captación. Las obras de captación son las que derivan parte del caudal de agua del río y facilitan su entrada desde el azud o la presa hacia las conducciones que la transportarán hacia la mini central, además de asegurar la confiabilidad del servicio y de la calidad del agua. Cuando se hace referencia a la calidad de agua, se hace referencia a que estas obras de captación deben tener rejas u obras de filtración, que impidan el paso de sólidos y de peces y así proveer de un caudal con la menor cantidad de sedimentos, que pueden afectar la vida útil de la turbina y todas las partes electromecánicas de la central, para minimizar los costes de operación y mantenimiento. También deben de tener una compuerta de seguridad denominada ataguía, que generalmente permanece abierta, y se cierra únicamente en el caso de alguna emergencia o cuando se va a realizar una reparación o inspección Obras de Conducción. Son las infraestructuras encargadas de transportar el caudal de agua desde la toma hacia la ubicación de la casa de máquinas, donde estarán situadas las turbinas, así como de restituirlo al cauce tras ser turbinado. Según el tipo de minicentral que se vaya a construir, se necesita una red mayor o menor de estas conducciones. Las instalaciones situadas a pie de presa, como ya se ha mencionado, no tienen cámara de carga, ya que el embalse realiza sus funciones. Sin embargo, las centrales de derivación, donde el agua tiene que hacer un recorrido más largo; primero desde la toma a la cámara de carga, y después hasta la turbina, si se requieren de cámara de carga. El primer tramo que recorre

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el agua se realiza a través de canales, túneles o tuberías. En el segundo tramo hasta la turbina, se utilizan siempre tuberías a) Tubería forzada La tubería forzada conduce el agua desde la cámara de carga hasta la turbina, aunque en algunas ocasiones, se suprime el canal de derivación y las tuberías forzadas se aplican directamente desde las tomas de agua de la presa derivando el agua hasta la cámara de presión. Debe estar preparada para aguantar la presión que ocasiona la columna de agua, además de la sobrepresión que provoca el golpe de ariete en caso de parada brusca de la minicentral. Al inicio de la tubería se instala un órgano de cierre que permite evitar el paso de agua y vaciar la tubería poco a poco en caso necesario, de mantenimiento o reparación b) Canal de salida Es la conducción a través de la que se restituye el agua al cauce. Se dimensiona de manera que el retorno del caudal al río se realice de la forma que altere menos el cauce. Su diseño y características son similares al canal de entrada.

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c) Cámara de carga y/o Desarenador. Se trata de un depósito situado al final del canal de derivación, o de la primera conducción de desviación de agua, del que parte la tubería forzada que transporta el caudal a las turbinas, de forma que el agua entre a esta bajo presión y sin aire. Es muy importante y necesaria ya que su misión va a ser doble. Por un lado, suministra el volumen de agua que necesita la central en el momento de la puesta en marcha, y, por otro, absorbe las oscilaciones que se producen cuando el caudal de la tubería y del canal, o conducción de entrada, no coinciden. Sin embargo, en el caso de las instalaciones situadas a pie de presa, como ya se ha mencionado, no tienen cámara de carga (ya que es el propio embalse). d) Edificio. Responde a la necesidad de contar con una instalación en la que se sitúe el equipamiento electromecánico y auxiliar de la minicentral: válvula de entrada, turbinas, bancadas, generadores, alternadores, cuadros eléctricos, cuadros de control, etc., que transforman la energía cinética del agua en eléctrica. La disposición del edificio debe estudiarse muy atentamente, al igual que el resto de obras civiles, considerando los estudios topográficos, geológicos y geotécnicos, y la accesibilidad al mismo. El edificio se puede situar junto al azud o presa, ubicarse al pie de éste, estar separado aguas abajo cuando hay posibilidad de aumentar la altura del salto, e incluso puede construirse bajo tierra. Esta última opción se realiza cuando las excavaciones van a ser más económicas, además de evitar el impacto visual que acompaña a este tipo de instalaciones, o bien cuando la central se construye al mismo tiempo que la presa (en el caso de grandes presas).

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2.- Equipamiento electromecánico. Hasta ahora, la tecnología desarrollada en el área de la energía hidroeléctrica es muy avanzada, ya que se han aplicado los avances logrados en los últimos 150 años. Las turbinas y el resto de equipos de una central presentan actualmente una alta eficiencia, cubriendo toda la gama de caudales desde 0,1 a 500 m3/s, pudiendo utilizarse hasta 1.800 m de salto neto con rendimientos buenos mecánicos (Osorio, 2008). El resto de equipos asociados, como reguladores de velocidad, son de tecnología electrónica, lo que permite alcanzar una gran precisión en la regulación y el acoplamiento de grupos, y el control y regulación de las turbinas se gestiona por autómatas de última generación. Dentro de los equipos electromecánicos fundamentales están los siguientes: - Órgano de cierre de la turbina - Turbina/s - Generador/es - Elementos de regulación - Transformador/es - Celdas y cuadros eléctricos - Línea eléctrica de interconexión Turbinas de acción Como se ha mencionado, son aquellas que aprovechan exclusivamente la velocidad del flujo de agua para hacerlas girar (Fazalare, 1986). El tipo más utilizado es la denominada turbina Pelton, aunque existen otros parecidos como la Turgo con inyección lateral, y la turbina de doble impulsión o de flujo cruzado, también conocida por turbina Ossberger o BankiMichell.

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