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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL ENSAYO LINEA DE INVESTIGACIÕN CENTRALES HIDROELECTRICAS TEMA

LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS EN EL PERÚ AUTOR: ALFARO COSINGA, PERCY ASESOR: FERNANDEZ VIERA DANIEL HECTOR SAN JUAN DE LURIGANCHO, LIMA, PERÚ (2014)

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I 2 1.1 3 1.2 1.3 1.3.1

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CONCEPTOS GENERALES LA HIDRÁULICA MECÁNICA DE FLUIDOS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

CAPÍTULO II 6

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ESTUDIO Y BENEFICIOS

2.1 UBICACIÓN DE PROYECTOS

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2.2 IMPACTO AMBIENTAL

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2.3 MECÁNICA DE SUELOS

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2.3.1 ANÁLISIS DE SUELOS

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2.4 BENEFICIOS

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CAPÍTULO III PRIOCESOS CONSTRUCTIVOS 9 3.1 PLANIFICACIÓN

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3.1.1 GENERACIÓN

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3.1.2 TRANSMISIÓN

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3.1.3 DISTRIBUCIÓN

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3.2 OBRAS CIVILES

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3.2.1 PRESAS

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3.2.2 TOMA DE AGUA

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3.3 OBRAS METALMECÁNICAS 3.3.1 TURBINAS 3.3.2TUBERÍA FORZADA

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CONCLUSIONES 14

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

INTRODUCCIÓN La presente investigación trata sobre las centrales hidroeléctricas en el Perú, que se puede definir como fuentes generadoras de energía eléctrica empleando la fuerza del agua, un recurso natural y abundante, para poder funcionar. O aquel donde se convierte la energía mecánica hídrica en energía eléctrica sin requerir de una inversión para algún tipo de combustible y no contaminar nuestro medio ambiente. Como profesionales en infraestructuras, nuestro interés versa en conocer el abastecimiento y funcionamiento de las centrales hídricas de nuestro país y comprobar los efectos positivos y negativos que puede traer su construcción para las personas, animales, plantas y medio ambiente. En el capítulo I, damos a conocer los términos más utilizados en el sector eléctrico, así como definiciones, características, historia y tipos. En el capítulo II, se indica la ubicación de proyectos ejecutados en el Perú y los diferentes estudios pre-constructivos de una central hídrica. Los procesos constructivos y los diferentes materiales a utilizar en una central se indican en el capítulo III, así como la organización para que la energía producida llegue al consumidor. La energía eléctrica es un servicio básico y fundamental para el desarrollo humano, sin embargo, en las zonas rurales muy pocas familias tienen este servicio. El acceso a través de la red nacional se hace cada vez más costoso y difícil por la lejanía de muchas de las poblaciones y el costo adicional que significa extender el tendido para atender a lugares con baja densidad poblacional. Por otro lado, los grupos electrónicos diésel son un elemento contaminante y constante gasto para estas poblaciones, muchas veces pobres, que viven en condiciones extrema pobreza. En fin, las hidroeléctricas en el Perú no logran abastecer las demandas, y es necesario realizar estudios y proyectos de planificación e inversión para poder

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cubrir esta necesidad de gran prioridad, para poder llegar la energía a las poblaciones más recónditas de nuestro país son las construcciones de la pequeñas centrales hidroeléctricas que han demostrado ser apropiados para las condiciones de las poblaciones rurales.

CAPÍTULO I CONCEPTOS GENERALES

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1.1

La hidráulica

Es la tecnología que emplea un líquido, bien agua o aceite (normalmente aceites especiales), como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. Con la revolución industrial a partir del siglo XX y la aparición de la ruedas hidráulicas para la producción de energía eléctrica y la necesidad de contar con electricidad hace más de cien años se ha empezado a utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica luego en eléctrica. El Perú es un país con muchas necesidades de energía eléctrica sobre todo en los pueblos aislados, debido a ello el atraso cultural de sus pobladores es muy marcado. Esto es una de las causas por las cuales existe mucha diferencia social, económica y por ende cultural. A la falta de este servicio trae como consecuencia que no se cuenta con mejores condiciones de vida, sin los adelantos y la tecnología de este mundo globalizado. La hidráulica es importante debido a que en regiones donde existe una combinación adecuada de lluvias, desniveles, geológicos y orografía favorable para la construcción de represas. La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial y cinética contenida en las masas de agua que transportan los ríos, provenientes de la lluvia y del deshielo. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica el cual transmite la energía a un alternador el cual la convierte en energía eléctrica. 1.2

Mecánica de fluidos

Es la rama de la mecánica de medios continuos, rama de la física a su vez, que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que lo provocan. Varios matemáticos geniales del siglo XVIII; Bernoulli, Clairaut, D'Alembert, LaGrange y Euler habían elaborado, con la ayuda del cálculo diferencial e integral, una síntesis hidrodinámica perfecta; pero no habían obtenido resultados prácticos ni explicado ciertos fenómenos observados en la realidad. Por otro lado, los técnicos hidráulicos habían desarrollado multitud de fórmulas

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empíricas y experimentos para la solución de los problemas que las construcciones hidráulicas presentaban, sin preocuparse de buscarles base teórica. La mecánica de fluidos es una rama de la mecánica de los medios continuos se caracteriza por estudiar el movimiento de los fluidos y las fuerzas que le los provocan, los fluidos se dividen en gases y líquidos, estos tienen una característica similar y es que son incapaces de resistir esfuerzos cortantes, y esto provoca que no tengan una forma definida. La mecánica de fluidos es fundamental en los campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía. La mecánica de fluidos está dividido en dos aspectos importantes que son la estática de fluidos, que se ocupa de los fluidos en reposo, es decir sin que existan fuerzas que alteren su posición, y; la dinámica de fluidos, que se ocupa de los fluidos en movimiento, es decir que están bajo fuerzas que alteran su posición. 1.3

Centrales hidroeléctricas

Una central hidroeléctrica es una instalación que permite aprovechar las masas de agua en movimiento que circulan por los ríos para transformarlo en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a los alternadores. Estas pueden ser centrales hidroeléctricas de gran potencia más de 10MW, mini centrales hidráulicas, entre 1MW y 10 MW, micro céntrales hidroeléctricas, menos de 1 MW. Nuestro país las centrales hidroeléctricas se organizan en torno al SEIN (Sistema Eléctrico Interconectado Nacional) conformado por la integración de los Sistemas Interconectados Centro Norte (SICN) que genera casi 3 mil mega watts y abastece a las principales ciudades del país como: Piura, Chiclayo, Trujillo, Chimbote, Huaraz, Huánuco, Tingo María, Cajamarca, Huancayo y Lima, y; el Sistema Interconectado del Sur (SIS), Suministra energía a Arequipa, Cusco, Tacna, Moquegua, Juliaca, Ilo y Puno. Las características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son; la potencia, que es función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse, y; el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo turbinable,

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además de las características de la turbina y del generador. La importancia de las centrales hidroeléctricas no solo es renovable; es la más antigua en nuestro país y sigue siendo las más relevante de la matriz energética nacional. Si se considera únicamente la energía eléctrica volcada a la red del sistema interconectado nacional (SIN) el porcentaje de la generación eléctrica a partir de la fuente hidráulica es alta. 1.3.1 Tipos de centrales hidroeléctricas Hay muchos tipos de centrales hidroeléctricas, ya que las características del terreno donde se situara la central condicionan en gran parte sus diseños. Se podría hacer una clasificación en tres modelos básicos como son las centrales de agua fluyente, de embalse y de bombeo. En centrales de agua fluyente no existe embalse el terreno es necesario que el caudal del rio sea lo suficientemente constante como para asegurar una potencia determinada durante todo el año. Durante las temporadas de precipitaciones abundantes desarrollaran su máxima potencia, en cambio durante la época de estiaje, la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en verano. En las centrales de embalses da mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales donde se almacenan un volumen considerable de agua por encima de las turbinas. El embalse permite guardar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Con el embalse de puede producir energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque completamente durante algunos meses, cosa que sería imposible en una central de agua fluyente. Las Centrales de bombeo o reversibles son un tipo especial de centrales que hacen posible un uso más racional de los recursos hídricos.

Disponen de dos

embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda diaria de energía eléctrica es máxima estas centrales trabajan como una central hidroeléctrica convencional: el agua cae desde el embalse superior haciendo girar las turbinas y después queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día de menor demanda, el agua es bombeada al embalse superior para que vuelva a hacer el ciclo productivo.

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CAPÍTULO II ESTUDIO Y BENEFICIOS

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2.1.-Ubicación de proyectos Para llevar a cabo una obra hidráulica, es necesario analizar y determinar la variedad de alternativas, que pueden influir el tamaño, la ubicación y el momento de implementación del proyecto hidroeléctrico propuesto, todo esto dependerá a partir de la oferta, demanda, topografía, etc. Por otro lado, el consorcio Lahmeyer y Salzgitter, hizo una “Evaluación del Potencial Hidroeléctrico Nacional”, y se obtuvo como resultado la existencia de un enorme potencial hidroenergético p o r e x p l o t a r de 176.287 MW en la cuenca alta y media atlántica, donde se distribuía el 22.821 MW en la Amazonía, para la parte sierra con un potencial de 22.520 MW. (Serra, 2010, p. 22).Es evidente que en la parte costa de nuestro país no se puedan generar hidroeléctricas, ya que el recurso hídrico es más escaso y la topografía no ayuda para la formación de caídas. 2.2-Impacto ambiental Se puede entender por lo expuesto, que de una u otra manera va a ser distinto los impactos según el tipo de proyecto a ejecutarse y en dónde. Estando frente a estas necesidades como el calentamiento global, ha llevado a buscar nuevas alternativas y soluciones para mantener un desarrollo sostenido y a la vez formar lazos de amistad con el medio ambiente. En conclusión, el elevado número de aprovechamientos desarrollados en los últimos

años

demuestran

que

aun

en

condiciones

medioambientales

7

altamente

restrictivas,

es

posible

la

coexistencia

de

las

centrales

hidroeléctricas y el medioambiente. Aun cuando la explotación de una central no está exenta, en principio, de ciertos problemas medioambientales, la amplia gama de medidas mitigadoras ofrecen al proyectista la posibilidad de poner en marcha un proyecto perfectamente compatible con la naturaleza. La convivencia de la pequeña hidráulica y la protección del medio ambiente son perfectamente viables siempre que el proyectista aborde el tema con sensibilidad y entusiasmo. 2.3.-Mecánica de suelos Es de especial importancia conocer las condiciones bajo las cuales determinados materiales fueron creados o depositados, su condición actual y los

posteriores

procesos

estructurales

que

van

a

sufrir,

para

evitar

inconvenientes como las filtraciones o erosiones a través del tiempo. La elección de la solución tecnológica óptima llega como resultado de un largo proceso iterativo en el que continuamente hay que ir comparando costos y beneficios. Esa opción vendrá condicionada en buena medida por la topografía del terreno. En consecuencia resulta necesario conocer a fondo el terreno en que se va a ubicar el aprovechamiento. El problema es especialmente más complicado en los aprovechamientos de zonas con pendientes, en donde los procesos de meteorización provocan fenómenos de desintegración y descomposición de las rocas superficiales. En estas áreas, la ubicación de cada una de las estructuras que componen el aprovechamiento vendrá afectada por distintas y diversas circunstancias geomorfológicas.

2.3.1.-Análisis de suelos Con el paso del tiempo se ha ido tomando más en serio el conocimiento de los materiales componentes dentro del suelo a trabajar, tipos de rocas, texturas, etc., con el fin de verificar la duración de la obra, posibles incidentes con las estructuras a futuro y realizar el cronograma de actividades en la construcción.

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El primer paso es profundizar los estudios de topografía, hidrología, geología y geotecnia realizados en la etapa de pre factibilidad. De misma manera, es importante identificar con mayor precisión la cantidad de material explotable de las canteras cercanas y los accesos para asegurar el suministro de material. Hay que tener en cuenta cuanto más alejado se encuentre las canteras y fábricas de insumos, más elevado será el precio en cuanto a transporte. 2.4.-Beneficios Entre la comparación de impactos positivos y negativos de una central hídrica, los beneficios son más resaltantes, aparte de generar energía para la población, ayuda también en otros sectores como la agricultura y ganadería, generando más ingresos económicos a la canasta familiar. En síntesis la producción de las centrales hidroeléctricas resulta muy beneficioso para la población, a pesar de ser muy costosas, el recurso hídrico resulta ser barato y ecológico, ayudando también a otras actividades de la población.

CAPÍTULO III 9

PROCESOS CONSTRUCTIVOS

3.1 Planificación El Sistema de Planificación Energética es una herramienta para modelar escenarios energéticos y ambientales. El análisis se basa en balances integrales sobre la forma en que se consume, convierte y produce energía en una

determinada

economía,

considerando

una

gama

de

escenarios

alternativos de población, desarrollo económico, tecnología, precios y otros parámetros. Se debe desarrollar dentro de un horizonte temporal que va de los 20 a 30 años de antecedencia, sea dentro de un plan de Estado para el sector energético, por las instituciones directamente responsables del sector, o por la propia concesionaria de energía. 3.1.1 Generación Se encargar de transformar alguna clase de energía ya sea química, mecánica, térmica o luminosa en energía eléctrica. Para la generación

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industrial se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. Son los que producen y planifican la prevención de energía. El mayor porcentaje de producción a nivel nacional se da por las hidroeléctricas seguidas por las centrales térmicas. Las centrales térmicas empiezan a funcionar cuando las hidroeléctricas están trabajando en su máxima capacidad o al no haber suficiente recurso hídrico, ésta energía producida se vende a tres tipos de mercado: el primero de corto plazo o spot; el Segundo, de generación para clientes regulados; y, el tercero, de generación para clientes libres. Actualmente en el Perú tenemos 36 centrales hidroeléctricas y 23 térmicas, llegándose a producir 4,445.209 MW de potencia que están a cargo de 15 empresas, la mayor parte de ésta producción se da por centrales hídricas. (Mendiola, 2012, pp.35-36). Compartimos con Mendiola que gran parte de centrales en el Perú son las hidroeléctricas debido al recurso hídrico económico abundante, agregamos también que debería considerarse, en las cifras presentadas,

la cantidad y

producción de las micro centrales hidroeléctricas, ya que ellas son facilitadoras de energía en gran parte de poblaciones pequeñas y alejadas de las ciudades. En síntesis, los generadores constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico. La generación eléctrica se realiza, básicamente, mediante un generador; si bien estos no difieren entre sí en cuanto a su principio de funcionamiento, varían en función a la forma en que se accionan. 3.1.2 Transmisión El sistema de transmisión corresponde al conjunto de líneas, subestaciones y equipos destinados al transporte de electricidad desde los puntos de producción (generadores) hasta los centros de consumo o distribución, el cual se realiza a grandes distancias. Está constituida tanto por el conductor (cables de acero, aluminio o cobre), como por sus elementos de soporte (torres y postes) A juzgar por Mendiola (2012), consiste en transferir la energía desde las centrales generadoras hasta la recepción de los distribuidores, está constituido por un sistema principal, que se da entre generadores para el intercambio y

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libre comercialización de energía; y, un sistema secundario que transfiere electricidad al cliente. Las líneas de transmisión tienen una longitud de 19,632.31 KM, la mayor parte pertenecen a las empresas de transmisión, seguidas por las de distribución y finalmente de generación. A nivel nacional tenemos 759 transformadores. (p.38). De misma manera, es importante que en el sistema de transmisión se puede distinguir el sistema troncal (conjunto de líneas y subestaciones que configuran el mercado común) y los sistemas de sub transmisión (que son aquellos que permiten retirar la energía desde el sistema troncal hacia los distintos puntos de consumo locales). En síntesis, el sistema de transmisión es indispensable para que la energía eléctrica pueda llegar a los lugares más recónditos de nuestro país, todo dependiendo de las capacidades de producción de la hidroeléctricas. 3.1.3 Distribución Un sistema de distribución eléctrico o planta de distribución es toda la parte del sistema eléctrico de potencia comprendida entre la planta eléctrica y los apagadores del consumidor. Consiste en obtener la energía eléctrica de las empresas generadoras o transmisoras y transportarla hacia los clientes finales. En el Perú tenemos 20 empresas de distribución que están a cargo de las redes aéreas (41.855 km) y subterráneas (16.093 km) ya sea de baja o media tensión. (Mendiola, 2012, p.p. 38 - 40). El sistema de distribución debe proveer servicio con un mínimo de variaciones de tensión y el mínimo de interrupciones, debe ser flexible para permitir expansiones en pequeños incrementos así como para reconocer cambios en las condiciones de carga con un mínimo de modificaciones y gastos.

Al

utilizar

un

sistema

de

distribución

este

estará

expuesto

inevitablemente a un buen número de variables tanto técnicas como locales y ante todo una variable económica por lo que los sistemas de distribución no tienen una uniformidad. 3.2 Obras Civiles

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La obra civil es la aplicación de nociones de la física, la química, la geología y el cálculo para la creación de construcciones relacionadas con el transporte, la hidráulica, etc. 3.2.1 Presas La presa permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Con embalse de reserva puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque por completo durante algunos meses, cosa que sería imposible en un proyecto de pasada. Para Madrazo y Balbás (2010), la presa es la ‘’Construcción encargada de atajar el cauce natural del río, bien para embalsar […] o bien para desviar […] las aguas. Es el elemento más importante de la central y depende en gran medida de las condiciones orográficas de terreno donde se realiza la instalación’’. (p.189). Coincidimos con Madrazo y Balbás que la parte más importante es la presa, ya que se sirve para acumular y regular la cantidad necesaria de agua que se va a utilizar. Agregamos también que es una estructura de materiales diversos construida en un río para embalsar agua, aumentar su nivel y aprovecharla para diversos fines ya sea de gravedad, de arco o de contrafuerte. (Diccionario Enciclopédico Vox 1, 2009, Larousse Editorial). Las centrales con almacenamiento de reserva exigen por lo general una inversión de capital mayor que las de pasada, pero en la mayoría de los casos permiten usar toda la energía posible y producir kilovatios-hora más baratos. 3.2.2.-Toma de agua Las tomas son construcciones adecuadas que permiten recoger el agua para llevarlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberías. La toma de agua de la que parten varios conductos hacia las tuberías, se hallan en la pared anterior de la presa que entra en contacto con el agua embalsada. La toma de agua o también llamado bocatoma, azud, toma o presa derivadores se construye sobre el lecho del río con la finalidad de atajar cierto caudal de agua, para verter dicho caudal en el canal de derivación.

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3.3 Obras Metalmecánicas Todas las industrias que produzcan piezas o equipos metálicos, tanto estructurales como utensilios, herramental, o sean proveedoras de partes a las demás industrias, siendo su insumo básico los metales, preponderantemente aleaciones de hierro. 3.3.1 Turbinas La turbina hidráulica es la encargada de transformar la energía mecánica en energía eléctrica, por esto es de vital importancia saber elegir la turbina adecuada para cada sistema hidroeléctrico. ‘’Las turbina hidráulicas tienen como finalidad principal aprovechar la energía

de los saltos naturales de agua y su posterior transformación en

energía eléctrica al estar unido su eje con un generador […] utilizan una fuente de energía renovable,[tienen] elevado rendimiento, pocas averías y revisiones distanciadas en el tiempo, etc.’’ (Sánchez, 2012, p.20). Para ello es necesario que entre la bocatoma y la ubicación de la turbina tenga pendiente o caída, es indudable la durabilidad y rendimiento de las turbinas ya que son hechas de metal. La turbina es una máquina hidráulica, el agua intercambia energía con un dispositivo mecánico de revolución que gira alrededor de su eje de simetría; éste mecanismo lleva una o varias ruedas, (rodetes o rotores), provistas de álabes, de forma que entre ellos existen unos espacios libres o canales, por los que circula el agua, esto instalado mediante fajas a un generador proporciona energía eléctrica. 3.3.2 tubería forzada Es una conducción cilíndrica que salva un cierto desnivel y por la que circula el agua sometida a la presión hidrostática que sirve para llevar el agua desde el canal o el embalse hasta la entrada de la turbina. Se utiliza tuberías forzadas cuando el declive es mayor al 5%, si no se usan canales. En las instalaciones hidroeléctricas, las tuberías de presión, tienen por objeto

conducir el agua desde un nivel superior a

uno

inferior,

para

transformar la energía potencial en energía mecánica. 14

CONCLUSIONES 1.-los impactos negativos y daños ocasionados por la construcción de las centrales hidroeléctricas, son compensadas a largo plazo por la producción de energía y posteriormente ésta trae beneficios económicos. 2.- el agua retenida en los embalses o presas pueden utilizarse para otros objetivos; como pesca, agricultura, ganadería, etc.; después de haber pasado por las turbinas, ya que no afecta la estructura física ni interna del recurso hídrico. 3.-la implementación y construcción de micro centrales hidroeléctricas, son la solución para abastecer de energía a las poblaciones más alejadas y aisladas de las ciudades. 4.- Las centrales hidroeléctricas son obras importantes para el desarrollo de toda una nación. 5.- El tipo de central hidroeléctrica a construir está sujeto a las características hidrológicas de cada zona. 6.- Las obras civiles, metálicas y eléctricas se construyen bajo parámetros y procedimientos que mejor se adecuan a cada proyecto.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

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GIMÉNEZ, Luis. La generación eléctrica en el siglo XXI. España: Comuniland, 2005.244 p. ISBN: 8493277223

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MADRAZO, Alfredo y Balbás, Javier. Centrales eléctricas I. Cantabria: Universidad de Cantabria, 2010. 214 p. ISBN: 9788469333396

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MATAIX, Claudio. Mecánica de fluidos y maquinas Hidráulicas. 2a. ed. Oxford University. México: Alfa omega, 2010. 459 p. ISBN: 9789701510575

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