INFORME TE CNICO

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1. INFORMACIN GENERAL

20686-2012: Diseo y desarrollo de una tecnologa para la generacin de energa

elctrica en una micro central hidroelctrica hbrida reversible con almacenamiento de

energa por bombeo solar hidrulico para zonas rurales aisladas de la regin Arequipa.

JUAN JOS MILN GUZMN

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Contenido

1. INFORMACIN GENERAL ................................................................................................................... 1

LISTA DE FIGURAS ....................................................................................................................................... 4

LISTA DE TABLAS ......................................................................................................................................... 6

2. RESUMEN .......................................................................................................................................... 7

3. INTRODUCCIN ................................................................................................................................. 8

4. ABORDAJE EXPERIMENTAL ................................................................................................................ 9

4.1. MODELO EXPERIMENTAL ................................................................................................................ 9

4.1.1. SISTEMA DE BOMBEO SOLAR ................................................................................................... 11

4.1.2. SISTEMA DE GENERACIN DE POTENCIA .................................................................................. 12

4.1.3. SISTEMA REVERSIBLE ................................................................................................................ 14

4.1.4. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO .............................................................................................. 15

4.2. INSTRUMENTACIN Y CONTROL ................................................................................................... 15

4.2.1. Sistema de Adquisicin y Procesamiento de Datos................................................................... 15

4.2.2. Medidor de Corriente elctrica ................................................................................................. 16

4.2.1. Medidor de Flujo ....................................................................................................................... 16

4.2.2. Medicin de Presin.................................................................................................................. 19

4.2.3. Medicin de Torque .................................................................................................................. 20

4.2.4. Medidor de RPM ....................................................................................................................... 20

4.2.5. Medicin de la Radiacin Solar ................................................................................................. 20

4.2.6. Computador Personal ............................................................................................................... 21

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .................................................................................................... 22

5.1. REDUCCIN DE DATOS ......................................................................................................................... 23

5.1.1. Potencia elctrica ..................................................................................................................... 23

5.1.2. Potencia Mecnica ................................................................................................................... 23

5.1.3. Potencia Hidrulica ................................................................................................................... 24

5.1.4. Eficiencia de la Turbina ............................................................................................................. 24

5.1.5. Eficiencia del Generador ........................................................................................................... 24

5.1.6. Eficiencia Global ....................................................................................................................... 25

6. RESULTADOS ................................................................................................................................... 26

6.1. MONTAJE ....................................................................................................................................... 26

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6.2. RESULTADOS EN LABORATORIO .................................................................................................... 30

6.2.1. Desempeo de la Microcentral ................................................................................................. 30

6.3. RESULTADOS EN PLANTA ............................................................................................................... 37

6.3.1. Desempeo del Sistema de Bombeo ......................................................................................... 37

6.4. EVENTOS CIENTFICOS ................................................................................................................... 39

6.4.1. Evento 1 .................................................................................................................................... 39

6.4.2. Evento 2 .................................................................................................................................... 40

7. PRODUCTO O RESULTADO DE LA INVESTIGACIN ............................................................................ 41

8. CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 42

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ................................................................................................................. 43

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Lista de Figuras

Figura 1. Modelo experimental. .......................................................................................... 10

Figura 2. Panel fotovoltaico (a), bomba sumergible (b) y controlador el electrnico (c). .. 11

Figura 3. Fotografa de los Paneles fotovoltaicos utilizados. .............................................. 11

Figura 4. Turbina adaptada de una bomba centrifuga de impulsor cerrado. ........................ 13

Figura 5. Impulsor cerrado. ................................................................................................. 13

Figura 6. Generador elctrico. ............................................................................................. 14

Figura 7. Sistema reversible. ............................................................................................... 14

Figura 8. Tanque de almacenamiento. ................................................................................. 15

Figura 9.Sistema de Adquisicin de Datos. ......................................................................... 16

Figura 10. Shunt elctrico. ................................................................................................... 16

Figura 11. Medidor de flujo. ................................................................................................ 17

Figura 12. Tobera utilizada. ................................................................................................. 17

Figura 13. Caractersticas constructivas de la tobera. ......................................................... 18

Figura 14. Medidor de Flujo tipo tobera, bridas y conexiones de presin. ......................... 18

Figura 15. Medidor de presin diferencial. ......................................................................... 18

Figura 16. Transductor de presin absoluta......................................................................... 19

Figura 17. Manmetro. ........................................................................................................ 19

Figura 18. Clula de carga. .................................................................................................. 20

Figura 19. Piranmetro. ....................................................................................................... 21

Figura 20. Montaje en laboratorio. ...................................................................................... 28

Figura 21. Montaje en planta, Sistema Solar, Majes-AQP. ................................................. 28

Figura 22. Montaje en Planta, Bomba solar. ....................................................................... 29

Figura 23. Montaje en Planta, Casa de bombeo (abajo), casa de descarga (arriba). ........... 29

Figura 24. flujo de masa y de la altura dinmica total para 160 W. .................................... 30

Figura 25. Torque y rotacin para 160 W. .......................................................................... 31

Figura 26. Cada de tensin y Corriente elctrica para 160 W. ........................................... 31

Figura 27. Eficiencia para 160 W. ....................................................................................... 32

Figura 28. Variacin de los parmetros elctricos con el flujo msico. .............................. 33

Figura 29. Variacin de los parmetros hidrulicos con el flujo msico. ........................... 33

Figura 30. Variacin de los parmetros mecnicos con el flujo msico. ............................ 34

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Figura 31. Variacin de las potencias con el flujo msico. ................................................. 35

Figura 32. Variacin de la eficiencia con el flujo msico. .................................................. 36

Figura 33. Variacin de la eficiencia con la rotacin. ......................................................... 36

Figura 34. Potencia a diferentes cargas elctricas. .............................................................. 37

Figura 35. Caractersticas de la instalacin en planta, Majes-Arequipa .............................. 38

Figura 36. Sistema de bombeo funcionando. ...................................................................... 38

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Lista de Tablas

Tabla 1. Caractersticas de los paneles fotovoltaicos. ......................................................... 12

Tabla 2. Caractersticas de la bomba ................................................................................... 12

Tabla 3. Caractersticas de la bomba reversible .................................................................. 15

Tabla 4. Caractersticas del transductor de presin diferencial. .......................................... 19

Tabla 5. Caractersticas del medidor de presin. ................................................................. 19

Tabla 6. Caractersticas Tcnicas del Piranmetro. ............................................................. 21

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2. RESUMEN

Un dispositivo experimental se ha diseado y construido para evaluar el desempeo de

una micro-central hidroelctrica hbrida reversible con almacenamiento de energa

por bombeo solar hidrulico para generacin de energa en zonas rurales aisladas de la

regin Arequipa. Una bomba centrifuga substituye a la turbina hidrulica y un motor

elctrico trifsico al generador elctrico. La bomba solar es de tipo centrifuga con motor

de corriente continua variable. Medidores de presin (transductores de 4 a 20 mA),

sensores de temperatura (termopar tipo K) y flujometros (tipo turbina) han sido

instalados para medir los diferentes parmetros de desempeo. Los resultados indican

una eficiencia mxima de 35% lo cual indica que la aplicacin a pequea escala de esta

tecnologa es aceptable. En planta (comunidad aislada de Majes-Arequipa) el prototipo

ha tenido un desempeo semejante y satisfactorio. El beneficio ms resaltante de esta

tecnologa es el almacenamiento por bombeo solar fotovoltaico que representa un ahorro

del total de la energa invertida ya que la radiacin es la zona es hasta 1100 W/m2 durante

casi 8 horas al da.

Palabras Claves

Micro central hidroelctrica, bombeo solar, almacenamiento de energa, bomba

reversible.

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3. INTRODUCCIN

El propsito del proyecto est orientado a resolver el problema del limitado acceso a

energa elctrica en zonas rurales aisladas [1-6] y de bajos recursos econmicos en la

Regin Arequipa, ya que las comunidades ubicadas en estos sectores ven su desarrollo

afectado por la escases de fuentes energticas que les permita desarrollar actividades

econmicas y sociales para la mejora de sus condiciones de vida. La geografa

arequipea rural permite la implementacin de centrales hidroelctricas de mediana y

baja potencia, pero la disponibilidad de agua es estacional. El proyecto propone la

investigacin de una tecnologa de generacin de energa mediante micro-centrales

hidroelctrica hbridas y reversibles con almacenamiento de energa por bombeo solar

hidrulico.

Los principales objetivos de la investigacin es el disear, desarrollar y evaluar un

prototipo experimental que genere energa elctrica [4-6], mediante el uso de energas

renovables reduciendo las emisiones de gases contaminantes, producidos por la

utilizacin de equipos a base de combustibles fsiles. Adicionalmente se pretende

generar y consolidar el conocimiento mediante la publicacin de los resultados en

revistas cientficas nacionales e internacionales.

La ejecucin del proyecto est divido en dos etapas, la primera compuesta por

actividades de evaluacin de componentes mediante consultoras, construccin e

implementacin del prototipo y visitas a una central hidroelctrica. La segunda etapa

contenida por las actividades de evaluacin del prototipo y difusin de la

investigacin. En el presente informe se dar cuenta del seguimiento y control de las

actividades de la primera etapa con respecto a los objetivos y actividades planteadas.

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4. ABORDAJE EXPERIMENTAL

El proyecto Diseo y desarrollo de una tecnologa para la generacin de energa

elctrica en una micro central hidroelctrica hbrida reversible con almacenamiento de

energa por bombeo solar hidrulico para zonas rurales aisladas de la regin Arequipa

se realiza en las instalaciones del Instituto de Energa y Medio Ambiente, Universidad

Catlica San Pablo en la ciudad de Arequipa.

4.1. MODELO EXPERIMENTAL

Para el estudio experimental se ha dividido el prototipo en diferentes componentes:

Sistema de bombeo solar (a en la Fig. 1), Sistema de generacin de potencia (b en la Fig.

1), Sistema reversible (c en la Fig. 1) y el Sistema de almacenamiento (d en la Fig. 1).

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Figura 1. Modelo experimental.

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4.1.1. SISTEMA DE BOMBEO SOLAR

La bomba va a ser accionada por el sistema fotovoltaico en corriente continua, para el

diseo de la instalacin, tenemos que definir el punto de trabajo. Como nica variable

fija tenemos la altura del depsito superior de Agua, el cual se ubicara a 20m de altura. A

fin de poder garantizar un suministro de agua, se impondr una altura superior a los 20m.

El sistema solar est conformado por los paneles fotovoltaicos, bomba

sumergible y controlador (Fig. 2).

(a) (b) (c)

Figura 2. Panel fotovoltaico (a), bomba sumergible (b) y controlador el electrnico (c).

Figura 3. Fotografa de los Paneles fotovoltaicos utilizados.

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Los paneles fotovoltaicos tienen las siguientes caractersticas:

Tabla 1. Caractersticas de los paneles fotovoltaicos.

Potencia de Salida Pico 120 W pico Tensin ptima: 17,2 voltios Corriente ptima: 7,27 Largo 1060 mm Ancho 810 mm Espesor 40 mm Peso 13 Kg

El sistema de bombeo consta de una bomba sumergible centrfuga

Tabla 2. Caractersticas de la bomba

Descripcin valor Tipo sumergible centrfuga para pozos de 4" Modelo PS1200 C-SJ8-5 ADT 25 m Flujo max. 14 m/h Vmp > 102 V Voc max. 200 V

4.1.2. SISTEMA DE GENERACIN DE POTENCIA

El sistema de generacin de potencia est constituido por una turbina y un generador de

electricidad encargados de transformar la energa hidrulica en energa mecnica

(turbina) y sta en energa elctrica (generador).

La turbina (Fig. 4) est fabricada en fierro fundido y con un impulsor cerrado (Fig. 5).

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Figura 4. Turbina adaptada de una bomba centrifuga de impulsor cerrado.

Figura 5. Impulsor cerrado.

El generador de energa elctrica es de tipo sncrono 110/220 V de 1 kW de potencia

(Fig. 6).

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Figura 6. Generador elctrico.

4.1.3. SISTEMA REVERSIBLE

El sistema reversible est encargado de generar electricidad y de impulsar el agua

nuevamente al reservorio superior, est conformada por una electrobomba centrifuga

monoblock (Fig. 7). En determinadas situaciones funciona como electrobomba e impulsa

el agua y en otras condiciones funciona como turbina-generador.

Figura 7. Sistema reversible.

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Las caractersticas de la bomba se muestran en la tabla

Tabla 3. Caractersticas de la bomba reversible

Descripcin valor Motor Elctrico monofsico abierto Suministro 220 V / 110 V, 60 Hz, Rotacin 3450 RPM; Caja: fierro fundido gris. Impulsor centrfugo en acero inoxidable

4.1.4. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO

El sistema de almacenamiento est compuesto por tanque de 5 000 litros de capacidad

fabricados en PVC de alta densidad.

Figura 8. Tanque de almacenamiento.

4.2. INSTRUMENTACIN Y CONTROL

4.2.1. Sistema de Adquisicin y Procesamiento de Datos

Las seales emitidas por todos los instrumentos de medicin fueron adquiridas

por el SAD, que las enva al computador para su procesamiento y anlisis. El SAD

utilizado fue de marca HP Agilent, modelo 34970A que permiti la adquisicin de

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seales de voltaje y corriente, as como presin. El SAD se comunica con la PC mediante

un puerto RS-232, envindole los datos que adquiri de los instrumentos de medicin

instalados en la seccin de pruebas.

Figura 9.Sistema de Adquisicin de Datos.

4.2.2. Medidor de Corriente elctrica

Llamado tambin Shunt elctrico, transforma la corriente en voltaje en una relacin de 1

A paraa 1 mV

Figura 10. Shunt elctrico.

4.2.1. Medidor de Flujo

El sistema de medicin de flujo de agua est compuesto por una tobera y un transductor

de presin diferencial (Fig. 10)

El principio de medicin est basado en el principio de que la cada de presin

ocasionada por la tobera es proporcional al flujo msico.

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Figura 11. Medidor de flujo.

La tobera utilizada tiene un beta de 0,5 (relacin de dimetros) y se presenta en la Fig.

11. Ya el sistema montado (bridas y conexiones) se muestran en la Fig. 12.

Figura 12. Tobera utilizada.

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Figura 13. Caractersticas constructivas de la tobera.

Figura 14. Medidor de Flujo tipo tobera, bridas y conexiones de presin.

El equipamiento encargado de medir la diferencia de presin en el medidor de flujo es el

transductor de presin diferencial mostrado en la Fig. 13.

Figura 15. Medidor de presin diferencial.

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Las caractersticas del transductor de presin son mostradas a continuacin.

Tabla 4. Caractersticas del transductor de presin diferencial.

Caracterstica Descripcin Marca AUTROL Modelo ATP3100 Standard Rango de Trabajo -13.8 kPa a 13.8 kPa (-2PSI a 2PSI) Precisin 0.075% Salida 4 mA a 20 mA

4.2.2. Medicin de Presin

Para la medicin se utiliz un transductor de presin (Fig 14) y un manmetro de 0-60

psi (Fig. 15).

Figura 16. Transductor de presin absoluta.

Las caractersticas del medidor de presin son.

Tabla 5. Caractersticas del medidor de presin.

Figura 17. Manmetro.

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4.2.3. Medicin de Torque

Para medir el torque se emple un transductor de fuerza tipo straint gage de 0 a 5 kg y

una seal de 0 a 17.5 V

Figura 18. Clula de carga.

4.2.4. Medidor de RPM

Para medir la rotacin del eje de la turbina se utiliz un tacmetro laser de 0 a 4000 RPM

4.2.5. Medicin de la Radiacin Solar

Para la medicin de la radiacin solar global incidente en el sistema de calentamiento

solar se agua se utiliz un piranmetro de la marca Campbell Scientific Inc. Modelo

CS 300. El cual tiene un intervalo de trabajo de 0 hasta 2000 W/m2. La incerteza

relativa de este equipo es de 5% segn especificaciones del fabricante. En la Tabla 5

se muestran las principales caractersticas tcnicas del piranmetro utilizado.

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Tabla 6. Caractersticas Tcnicas del Piranmetro.

Caracterstica Descripcin Marca Campbell Scientific Inc. Modelo CS 300 Rango de Trabajo 0 W/m2 a 2000 W/m2 Precisin 5% Salida 0,2 mV por W/m2

Figura 19. Piranmetro.

4.2.6. Computador Personal

El computador personal permiti el almacenamiento y posterior

procesamiento de los datos adquiridos por el SAD.

El software utilizado para la adquisicin de datos fue el HP BenchLink Data

Logger, que posee una interfaz de tipo Windows de fcil configuracin y administracin.

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5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En el proceso de concepcin para la construccin de la microcentral se han tenido en

cuenta los parmetros anteriormente sealados, los informes tcnicos elaborados por las

consultoras y las visitas tcnicas.

Las visitas tcnicas se centraron en el estudio de la central hidroelctrica Charcani V,

dividindose en dos sectores, la parte propiamente tcnica de generacin elctrica y la

parte de control de generacin en funcin de la demanda. Funcionamiento de las

centrales de generacin elctrica.

Teniendo en cuenta experiencias pasadas en generacin elctrica para zonas aisladas, se

ha evaluado la demanda elctrica de una comunidad aislada tipo. Es a partir de esta

demanda, sobre la cual se ha realizado la simulacin de generacin elctrica, con la que

se procede a definir las potencias necesarias de los equipos.

A partir del informe de celdas fotovoltaicas se opt por utilizar celdas monocristalinas,

por la eficiencia que estas poseen, ya que al alimentar una bomba y no directamente un

sistema elctrico pierde eficiencia.

Una vez realizados los clculos de la instalacin se procedi a la adquisicin de equipos,

tales como:

Paneles fotovoltaicos.

Bombas de Eje Libre.

Bomba Solar.

Generadores Elctricos.

Electrobomba Centrifuga.

Vlvulas Check de canastilla pesada.

Manmetros

Para completar la instalacin son necesarios tubos hidrulicos, niples, codos, uniones

dobles, te, reducciones y sellador.

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5.1. Reduccin de datos

5.1.1. Potencia elctrica

Llamada tambin carga elctrica en el generador elctrico. Se determina mediante la

siguiente formula.

(1)

Dnde:

Pot_Elec Potencia Elctrica en el generador elctrico, [W]

V Cada de tensin en el generador, [V]

I Corriente elctrica en el generador, [A]

Cos desfase entre V e I, para cargas resistivas es 1

La cada de tensin es medida diretamente por el sistema de adquisicin de datos y la

corriente por el Shunt elctrico.

5.1.2. Potencia Mecnica

Se genera por la transformacin de la energa hidrulica en energa mecnica, se

determina por.

(2)

Pot_Mec Potencia Mecnica, [W]

Torque, [N m]

velocidad angular, [1/s]

El torque es medido por la clula de carga y la velocidad angular por el medidor de

rotacin.

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5.1.3. Potencia Hidrulica

La potencia hidraulica es la potencia determinada por la Altura de Presin que es

almacenada por la bomba solar, est determinada por.

(3)

Pot_Hid Potencia Hidrulica, [W]

g aceleracin de la gravedad, [m/s2]

ADT Altura dinmica total, [m]

flujo de masa, [kg/s]

La ADT es medida por el medidor de presin absoluta, el flujo de masa se mide en el

medidor de flujo por tobera. La gravedad es una constante equivalente a 9,81 m/s2.

5.1.4. Eficiencia de la Turbina

Dada por la siguiente ecuacin.

(4)

Donde

Pot_Mec Potencia Mecnica, [W]

Pot_Hid Potencia Hidrulica, [W]

5.1.5. Eficiencia del Generador

Dada por la siguiente ecuacin.

(5)

Pot_Elec Potencia Elctrica, [W]

Pot_Mec Potencia Mecnica, [W]

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5.1.6. Eficiencia Global

Deyermina la eficiencia total del sistema, es decir, la eficiencia de transformacin de la

energa hidrulica en energa elctrica, est dada por la siguiente ecuacin.

(6)

Pot_Elec Potencia Elctrica, [W]

Pot_Hid Potencia Hidralica, [W]

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6. RESULTADOS

6.1. MONTAJE

Los equipos utilizados para la construccin de la microcentral han sido los siguientes:

Generador de luz marca Honda modelo EB100s.

Potencia 1KVA / 2.6 HP Velocidad 3600 rpm. Tension 220V.

Electrobomba Centrifuga Monoblock

Caudal 1.5 l/s. ADT 29m Potencia 1.9 HP Velocidad 3450 rpm Tension 220/440V, 60 Hz, Trifasica

Electrobomba Centrifuga Monoblock

Caudal 6 l/s. ADT 31m Potencia 5.7 HP Velocidad 3450 rpm Tensin 220/380/440V, 60 Hz, Trifasica

Motor Elctrico Trifsico

Potencia 1.5 kW Velocidad 3350 rpm Factor de servicio 1.15 Eficiencia 0.85 Tensin 220/380/440v, 60Hz, Trifasica

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Bomba de Eje libre y conexiones roscadas

Bomba PS1200 C-SJ8-5

16 paneles fotovoltaicos

Potencia 90Wp Tensin 12V Estructura portapaneles , aluminio desmontable.

Tanques de almacenamiento de agua de 2500

Una vez adquiridos los equipos necesarios para la construccin, se procedi a la

construccin del prototipo, en el cual se simulo el tanque superior utilizando una bomba

que recree las mismas condiciones. El objetivo de utilizar una bomba auxiliar es de

probar la robustez de la instalacin y a su vez, poder recrear diferentes condiciones de

funcionamiento como puede ser la variacin de altura del depsito, caudales de trabajo o

regmenes de perturbacin.

En las siguientes imgenes se puede observar los equipos utilizados para la construccin

del prototipo de microcentral.

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Figura 20. Montaje en laboratorio.

Figura 21. Montaje en planta, Sistema Solar, Majes-AQP.

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Figura 22. Montaje en Planta, Bomba solar.

Figura 23. Montaje en Planta, Casa de bombeo (abajo), casa de descarga (arriba).

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6.2. RESULTADOS EN LABORATORIO

6.2.1. Desempeo de la Microcentral

En la Fig. 23 podemos observar la variacin del flujo de masa y de la altura dinmica

total para una carga elctrica de 160 W. Este es un grfico tpico que muestra los

parmetros para determinar la potencia hidrulica que alimenta a la turbina. El

experimento dura aproximadamente 13 minutos y se observa que rpidamente se

consigue el rgimen permanente. Estos grficos son representativos en cada caso y

posteriormente se analizara todos los casos en conjunto.

Figura 24. flujo de masa y de la altura dinmica total para 160 W.

En la Fig. 24 se observa la variacin del torque y de la rotacin para una carga de 160 W.

Para medir la rotacin se emple un medidor tipo laser, por ese motivo se observa un

valor ms estable en la medida

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Figura 25. Torque y rotacin para 160 W.

En la Fig. 25 se muestra la variacin de la cada de tensin y corriente elctrica en el

generador, se puede observar que una vez iniciado el experimento, el sistema entra en

rgimen permanente aproximadamente en 2 min.

Figura 26. Cada de tensin y Corriente elctrica para 160 W.

La Potencia hidrulica, Mecnica y elctrica para carga elctrica de 160 W es mostrada

en la Fig. 27, se puede observar que en trminos generales se presenta valores mayores a

la entrada de de la turbina en donde ocurre la mayor prdida de energa. Esto ser

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analizado posteriormente para diferentes cargas elctricas.

Las eficincias para una carga elctrica de 160 W son mostradas en la Fig. 27, se puede

observar que el equipamiento que presenta mayor eficiencia es el generador elctrico, la

turbina, diseada originalmente como bomba centrifuga presenta eficiencias en torno del

20%, la eficiencia global para este caso en particular es de 10% aproximadamente.

Figura 27. Eficiencia para 160 W.

En la Fig. 28 se observa el desempeo del sistema en funcin de diferentes cargas, esto

tambin es equivalente a analizar bajo diferentes flujos de masa que es el parmetro

importante a ser considerado. A mayor flujo (mayor apertura de la vlvula de control), se

observa que tanto la cada de tensin como la corriente elctrica aumentan, esto debido a

que las condiciones, principalmente de voltaje, tratan de llegar a las nominales (220 V).

El mximo voltaje observado fue de 120 V, correspondiente a 3,4 A.

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Figura 28. Variacin de los parmetros elctricos con el flujo msico.

En la Fig. 29 se observa el desempeo caracterstico de la turbina, a medida que la altura

dinmica totl (ADT) baja, el flujo de masa aumenta, estos dos parmetros determinan la

potencia hidrulica disponible para la generacin de energa mecnica.

Figura 29. Variacin de los parmetros hidrulicos con el flujo msico.

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En la Fig. 30 se presenta las caractersticas de los parmetros que conforman la potencia

mecnica, podemos observar que el torque y la rotacin aumentan proporcionalmente al

aumento del flujo de masa.

La mxima rotacin lograda fue de 2500 RPM correspondiente a un torque de 2 N m,

aproximadamente.

Las condiciones del sistema no permitieron llegar a la rotacin nominal de 3600 RPM,

este punto correspondera a la mxima eficiencia del generador, este punto se analizar

ms adelante.

Figura 30. Variacin de los parmetros mecnicos con el flujo msico.

En la Fig. 31 se observa los tres tipos de potencia que se presentan en el experimento,

potencia hidrulica, mecnica y elctrica. La potencia hidrulica es el componente que se

genera por la energa almacenada proveniente de la fuente solar (trasformada en energa

hidrulica). Se muestra que existen grandes prdidas de esta energa al ser trasformada en

energa mecnica. La turbina (originalmente bomba centrifuga) ya presentaba una

eficiencia de 60% (como bomba), al ser utilizada como turbina disminuye ms aun su

eficiencia, estos trminos sern analizados posteriormente.

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Figura 31. Variacin de las potencias con el flujo msico.

En la Fig. 32 se presentan las eficiencias en funcin de diferentes flujos de masa.

Podemos observar que para mayores flujos las eficiencias tambin aumentan.

Para el mejor caso observado la eficiencia de la turbina es aproximadamente 30%, si

asumimos que la eficiencia de la bomba es 60%, podemos establecer que la eficiencia de

la bomba funcionando como turbina es aproximadamente es 50% lo que representa un

valor muy aceptable para un equipamiento de bajo costo.

Esto coloca a la tecnologa como una alternativa muy aceptable para ser aplicada a

comunidades aisladas de bajos recursos.

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Figura 32. Variacin de la eficiencia con el flujo msico.

En la Fig. 33 se presenta Una curva que caracteriza los parmetros en la potencia

mecnica. Podemos observar que a medida que aumentamos las rotaciones de la turbina,

la potencia mecnica y el torque aumentan tambin.

Figura 33. Variacin de la eficiencia con la rotacin.

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Finalmente en la Fig. 34, se presenta la variacin de la potencia hidrulica y la potencia

mecnica para diferentes cargas elctricas. Podemos observar las prdidas ocasionadas

principalmente en la turbina. Sin embargo las prdidas en el generador elctrico son

menores ocasionando una linealidad con la carga elctrica.

Figura 34. Potencia a diferentes cargas elctricas.

6.3. RESULTADOS EN PLANTA

6.3.1. Desempeo del Sistema de Bombeo

Caracteristicas de las instalaciones:

Cota de bombeo 24 m

Prdidas 5 m

ADT 29 m

El sistema fue instalado segn la Fig. 35 y substituye parcialmente al sistema de bombeo

convencional de electrobombas.

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Figura 35. Caractersticas de la instalacin en planta, Majes-Arequipa

Figura 36. Sistema de bombeo funcionando.

Tubera de descarga

Cisterna superior

Cisterna inferior

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Los resultados en planta indican un flujo de bombeo de 1 hasta 5 kg/s, este resultado

depende de la potencia solar, principalmente. Para la situacin actual se pretende en un

futuro substituir el sistema de bombeo convencional (electrobombas) por este sistema

solar. Otra ventaja es la generacin de electricidad a partir del almacenamiento de energa

hidrulica, esto permitira a autosostenibilidad de la planta en aspectos energticos.

6.4. EVENTOS CIENTFICOS

6.4.1. Evento 1

Otro resultado del avance del proyecto de la investigacin, se ha considerado la

participacin en dos actividades cientficas. Anticipndonos al objetivo de realizar

publicaciones en revistas especializadas, en esta primera etapa se va a participar en

el sptimo Workshop Uso eficiente y sustentable de Energa a realizarse el da

jueves 16 de mayo en el Instituto de Energia de la Pontifcia Universidade Catlica do

Rio de Janeiro, referente a la Micro central hidroelctrica reversible con

almacenamiento por bombeo solar.

Adicionalmente se ha presentado un resumen al Colombian Engineering Meeting 2013,

bajo el ttulo de Modelamiento de una micro central hidroelctrica hibrida

reversible con almacenamiento de energa por bombeo solar el cual ha sido

admitido y se estar llevando a cabo los das 29,30 y 31 de Mayo del 2013 en la ciudad

de Cali Colombia.

La configuracin inicial impone que toda la energa del sistema fotovoltaico se destina

para el accionamiento de la bomba hidrulica y toda la energa consumida por la

comunidad tiene como fuente el sistema bomba-turbina de la instalacin.

Teniendo en cuenta que uno de los problemas de la corriente continua viene determinado

por su dificultad en el momento de la transformacin, una segunda configuracin hara

uso de un Inversor a fin de poder trabajar directamente con el sistema fotovoltaico. La

eficiencia del sistema de generacin elctrica fotovoltaica va a venir limitada por la

eficiencia del inversor (no por parte del propio modulo, ya que es el mismo en

ambas configuraciones), siendo en trminos generales mayor que la eficiencia en la

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configuracin inicial. El trabajo a desarrollar en esta nueva configuracin es regular al

mismo tiempo la generacin del sistema fotovoltaico y del sistema hidrulico a fin que

se pueda repartir la demanda entre ambos sistemas de la forma ms eficiente posible,

dando prioridad al consumo directo de energa fotovoltaica pero teniendo en cuenta la

limitacin de que siempre se tiene que reservar parte de la energa fotovoltaica para ser

destinada a la impulsin del agua del tanque inferior al superior para su acumulacin.

6.4.2. Evento 2

Tambin se ha participado en el V Congreso Internacional de Ingeniera Mecnica,

Mecnica Elctrica y Mecatrnica, PPIMMEM-FCIFF-de la Universidad Catlica Santa

Mara, Arequipa, Per realizado el 20 de noviembre de 2013. El tema expuesto fue:

Micro centrales hidroelctricas hbridas reversibles con almacenamiento por bombeo

solar fotovoltaico

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7. PRODUCTO O RESULTADO DE LA INVESTIGACIN

Se ha construido el prototipo para realizacin de pruebas en laboratorio y en una

comunidad aislada de la regin Arequipa.

Se ha participado en dos eventos internacionales

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8. CONCLUSIONES

a. Se ha construido un prototipo de microcentral hidroelctricas hbridas reversibles con

almacenamiento por bombeo solar fotovoltaico

b. El prototipo ha sido evaluado en laboratorio

c. El prototipo ha sido evaluado en planta, una comunidad aislada.

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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solar thermal hydroelectric power plant, Elsevier, Croatia, 2011.

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Christian Cristofari, Integration Limit of renewable energy systems in small electrical

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