La turbina Pelton fue desarrollado por Yakuenergia para uso doméstico y permite obtener energía eléctrica necesaria para satisfacer el consumo de una casa.
Es ideal para casas de campo aisladas que disponen de un pequeño caudal de agua. Permite obtener potencias hasta 1000W/hora y aprovechar la energía residual para calentar agua para el uso doméstico. La turbina está disponible por separado (sin rectificador, diversor y resistor, cargador de batería, baterías, inversor), pero si es necesario Yakuenergia ofrece soporte y asesoramiento para la instalación completa.
Introducción
La escasez de petróleo y otros combustibles fósiles sobre los que está basado el modelo energético actual están llevando a desarrollar nuevas vías de generación de electricidad.
Las energías renovables son la única solución viable a largo plazo. El planeta tierra ofrece múltiples fuentes de energía que, de un modo u otro, pueden llegar a ser transformadas en energía útil para el ser humano. El Sol, el viento, las corrientes marinas son, entre otras muchas, fuentes de energía inagotables, de su aprovechamiento depende en gran medida el futuro y la continuidad de la sociedad tal y como la conocemos actualmente.
Si se analiza otra de estas fuentes de energía, la hidráulica, se puede percibir que su aprovechamiento existe pero sólo a través de grandes obras. Las centrales hidroeléctricas, que transforman la energía potencial y cinética del agua en energía mecánica o eléctrica, se suelen encontrar en grandes obras civiles. Estas obras totalmente necesarias para garantizar el suministro de agua de boca y riego y controlar el curso de ríos, generan grandes daños en los ecosistemas naturales existentes. El alto coste de su construcción y la imposibilidad de ser instaladas en otros lugares con un importante potencial eléctrico por su alto impacto medioambiental abre la puerta a otras opciones que hasta la fecha apenas han sido desarrolladas. Esta posibilidad es el aprovechamiento energético a menor escala en pequeños y medianos cauces de agua, es en este punto, donde se justificará la necesidad de las micro y pico centrales hidroeléctricas.
Justificación técnica
El desarrollo de micro y pico centrales se ve justificado por la necesidad de desarrollar nuevas formas de generación de energía limpia que permitan, por ejemplo, la sustitución de generadores movidos por motores diesel en aquellos lugares donde se disponga de un cauce de agua cercano.
Este equipo es ideal para zonas aisladas y sin red eléctrica, ya sea, por encontrarse en lugares poco accesibles, como es el caso de zonas montañosas, o en sectores rurales de países en desarrollo que todavía no disponen de energía eléctrica.
Así mismo, puede ser interesante su utilización para aprovechar saltos de agua con el fin de reducir el consumo energético o, inclusive, la venta a red del excedente producido.
Justificación económica
El uso de pico y micro-centrales queda justificado económicamente hablando, ya que, la inversión a realizar es mucho más reducida en comparación con la instalación de tendido eléctrico en una zona aislada.
Además, mediante la autogeneración de energía se estaría evitando el consumo de electricidad de la red. Por tanto, el único coste al que se debería hacer frente es el de mantenimiento de la instalación. Cabe resaltar que dicho mantenimiento es poco importante y se reduce a la limpieza de filtros en la absorción de agua, gracias a que, el hidrogenerador con el que viene equipada la turbina Pelton es trifásico, sin escobillas, lo que reduce en gran medida el mantenimiento.
Justificación social
Dependiendo del lugar y la finalidad para la cual se haya instalado la central hidroeléctrica los beneficios sociales que generarían pueden ser muy variados. En lugares montañosos, el turismo de la zona podría verse beneficiado al llevar hasta allí una serie de servicios que hasta ahora eran inviables al no disponer de electricidad.
La posibilidad de llevar energía eléctrica a zonas rurales de países en desarrollo tendría unos beneficios difícilmente cuantificables pero de gran magnitud. La disponibilidad de electricidad permitiría solucionar problemas que a diario se generan en sus comunidades.
Justificación medioambiental
El impacto medioambiental que produce este tipo de instalaciones es poco importante, siempre y cuando, las obras de canalización de agua se realicen adecuadamente. El agua derivada hasta la central no deberá sobrepasar un porcentaje sobre el total del caudal disponible, y que dependerá de cada caso en concreto, con el fin de no dañar el ecosistema natural actual.
Teniendo en cuenta esta recomendación, la contaminación ambiental será prácticamente nula. El agua utilizada para la generación eléctrica retornará a su cauce sin ningún cambio en su constitución, por lo que, no limitará su uso en otras aplicaciones que pudiera tener.
Este tipo de centrales tienen una serie de ventajas muy importantes entre las que cabría destacar:
- La generación de energía se produce cerca del usuario, lo que evita pérdidas importantes en su traslado, reduce el tiempo de respuesta ante una hipotética avería de la instalación y facilita su mantenimiento.
- Su tamaño reducido permite el transporte y la instalación incluso en lugares poco accesibles.
- No contamina ni aire ni agua, la generación es 100% limpia.
- Su instalación, modo de operación y mantenimiento es sencillo.
Funcionamiento
El modo de operar de esta micro-central eléctrica es similar al de una hidroeléctrica de mayor tamaño y que estamos acostumbrados a ver en grandes presas.
El principio de funcionamiento consiste en aprovechar la diferencia de energía potencial del agua a dos alturas, lo que provoca una diferencia de presiones entre el punto desde donde se obtiene el agua y el lugar donde se coloca la central, y transformarla en energía eléctrica a través del hidrogenerador (conjunto turbina-generador). Este hidrogenerador se amoldará a las necesidades del cliente y a las condiciones de presión y caudal de agua.
En el caso de funcionamiento aislado, necesita algunos componentes (rectificador, diversor e inversor) que transformará la energía trifásica generada para hacerla apta para la carga de un grupo de baterías. Este sistema cumple 2 funciones primero es capaz de regular la carga de las baterías en función de la potencia demandada en cada momento y luego suministrará siempre en las condiciones estables (230V-50/60Hz). Las baterías permitirán absorber sobreconsumos puntuales de energía (el cliente deberá seleccionar la autonomía necesaria).
Una vez las baterías estén completamente cargadas, toda la energía sobrante (cuando se produce más de la que se consume) será disipada en calentadores eléctricos que proporcionarán ACS (agua caliente sanitaria), la cual, podrá ser usada incluso para climatización.
En la figura se puede apreciar el esquema eléctrico de la turbina Pelton como sistema aislado. En ella se diferencia, por una parte, el hidrogenerador y, por otra, el cuadro de transformación y control (transformador, rectificador, controlador e inverter) y los elementos auxiliares de regulación (baterías y calentador eléctrico).
Elementos del sistema Pelton
En este capítulo se detallan los elementos que componen la turbina Pelton y que pueden ser divididos en dos grandes grupos claramente diferenciados. Por una parte se encuentra el hidrogenerador, dispositivo de generación de electricidad y por otra, todos aquellos que se encargan de la transformación, regulación, protección y almacenaje de la energía.
Hidrogenerador
La turbina Pelton es el elemento principal del sistema. Es donde se transforma la diferencia de energía potencial del salto de agua en energía eléctrica. La turbina consta de dos elementos: la turbina y el generador. Tal y como se puede observar en la figura la turbina Pelton (tambien llamada rueda Pelton) está montado en el interior de una carcasa que a su vez sirve de base para el generador y donde se realiza el impacto del flujo de agua a presión contra los álabes. Este flujo de agua se dirige por una o varias boquillas fijadas a la carcasa y que constituyen el final de la tubería de la instalación hidráulica.
Figura: Se observan Carcasa, tubería y boquillas y la rueda Pelton.
A continuación se detallan cada uno de los componentes del hidrogenerador:
Rueda Pelton
La función de la turbina Pelton es hacer girar el eje del generador por medio de 1, 2 o mas chorros de agua a presión que inciden tangencialmente a la rueda y contra los álabes dispuestos en su circunferencia.
La rueda Pelton existe en diferentes diámetros con diferentes números de alavés y en diferentes tamaños de estos. La rueda Pelton utilizada en nuestra turbina permite utilizar caudales de 0,5 a 5 litros / segundo con desniveles de más de 100 metros.
El disco central está fabricado en aluminio y los 32 ejes de palet están fabricados en HDPE (polietileno de alta densidad)
Tabla 2.1: Alaves disponibles para la turbina Pelton desarrollada.
Turbina Pelton – boquilla inyectora
El inyector o boquilla reguladora de caudal está fabricado en PVC y es el final de la instalación que conduce el agua hasta el hidrogenerador. Se acopla mediante una rosca hembra de 40 mm de diámetro.
La apertura de la boquilla está determinada por el caudal y la presión a la que opera la turbina. Dependiendo de la situación del cliente, la boquilla se fabrica específicamente para optimizar la eficiencia de la instalación.
Figura soporte y boquilla
Dependiendo del caudal disponible se colocan de una o dos boquillas con el fin de incrementar al máximo la potencia proporcionada por el generador.
La rueda Pelton instalada en nuestra turbina funciona de manera óptima con un diámetro de boquilla de hasta 12 mm. En lugar de hacer que el diámetro de la boquilla sea mayor de 12 mm para caudales grandes, es preferible instalar una segunda boquilla.
El caudal de salida de agua vendrá determinado por la presión (metros de salto de agua) y el orificio de salida del inyector según la siguiente tabla:
| Salto (metros) | Diámetro boquilla (mm) * versión con 2 boquillas | |||||
| 5 | 9.0 | 9,0 * | 11,1 * | X | X | X |
| 10 | 7.6 | 10.7 | 9,3 * | 10,7 * | 12,0 * | X |
| 15 | 6.9 | 9.7 | 11.9 | 9,7 * | 10,9 * | 11,9 * |
| 20 | 6.4 | 9.0 | 11.1 | 9,0 * | 10,1 * | 11,1 * |
| 25 | 6.0 | 8.5 | 10.5 | 8,5 * | 9,6 * | 10,5 * |
| 30 | 5.8 | 8.2 | 10.0 | 11.5 | 9,1 * | 10,0 * |
| 35 | 5.6 | 7.9 | 9.6 | 11.1 | 8,8 * | 9,6 * |
| 40 | 5.4 | 7.6 | 9.3 | 10.7 | 8,5 * | 9,3 * |
| 45 | 5.2 | 7.4 | 9.0 | 10.4 | 8,2 * | 9,0 * |
| 50 | 5.1 | 7.2 | 8.8 | 7,2 * | 8,0 * | 8,8 * |
| 55 | 5.0 | 7.0 | 8.6 | 7,0 * | 7,8 * | 8,6 * |
| 60 | 4.9 | 6.9 | 8.4 | 6,9 * | 7,7 * | 8,4 * |
| 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 2.5 | 3 | |
| Caudal (litros/secundo) | ||||||
Tabla Diámetros de boquilla en función del caudal de agua teórico y del salto de agua.
Carcaza
La carcaza del hidrogenerador sirve como soporte de todos sus componentes y también evita salpicaduras de agua. Posea en su parte inferior de un desagüe el cual deberá ser canalizado de nuevo al arroyo, por eso es preferible siempre que se pueda, instalar la turbina cercana al arroyo y en un sitio ligeramente elevado para que el agua del desagüe retorne al cause.
Generador
El generador o alternador es el encargado de producir la electricidad. Transforma la energía mecánica del eje, que está siendo movido por la turbina, en energía eléctrica. Para una máxima eficiencia, optamos por un generador trifásico de imanes permanentes (PEM). Los imanes unidos al interior del rotor crean un campo magnético que induce unas tensiones en bornes del estator cuando el rotor comienza a girar. Estas tensiones producen corrientes alternas y, por tanto, electricidad. Los bornes están conectados en estrella (conexión ‘Y’) o triángulo, dependiendo de la configuración de la batería del cliente.
las conexiones entre los devanados se adaptan a la situación del cliente (caudal, desnivel, grupo de baterías) para trabajar lo más cercano posible al punto de rendimiento máximo.
Equipo de control (no suministrado)
El equipo de control de la electricidad generada está formado por los aparatos que estabilizan el funcionamiento de la instalación y suministran la electricidad en las condiciones habituales de consumo, 230 V y 50 Hz.
- El proceso que sufre la electricidad hasta ser apta para el consumo es el siguiente:
- El voltaje de CA trifásico producido por el generador se convierte en voltaje de CC a través de un puente rectificador.
- Un diversor dirige esta energía (CC) a unas baterías, cuando las mismas esten completamente cargadas, también se encargara de desviar la energía sobrante a un calentador de agua o unas resistencias reguladoras.
- Un inversor transforma la corriente continua de las baterías a corriente alterna (230 V,50 Hz).
Mediante este sistema, la instalación se autorregula. El usuario deberá seleccionar la autonomía requerida que define el tamaño y la capacidad de las baterías. A mayor capacidad de las baterías se dispondrá de mayor autonomía en caso de avería y permitirá períodos más duraderos de demanda puntual.
Rectificador
El rectificador o puente de diodos transforma la corriente alterna proveniente del generador a corriente continua. Dependiendo del voltaje del grupo de baterías del cliente (12V, 24V o 48V), la turbina (estator) se ajusta para que el voltaje de salida de la turbina corresponda al voltaje de la batería. La rectificación es imprescindible para la alimentación de las baterías que sólo pueden operar en corriente continua.
Controlador
Como se ha comentado anteriormente, además de cargar las baterías, el controlador dirige la energía sobrante (cuando se produce más de lo que se consume) en el caso de que estén completamente cargadas, a un calentador de agua o unas resistencias reguladoras.
Además, el dispositivo tiene la misión de regular el estado de tensión en el punto de entrada a las baterías.
El controlador tiene tres fases de funcionamiento . La primera de ellas, cuando las baterías están bajas de carga, y consiste en ir aumentando progresivamente el nivel de tensión en bornes.
La siguiente fase, es la etapa de absorción e indica que se ha alcanzado el nivel de tensión máxima de carga, denominado ‘bulk’, y la corriente disminuirá gradualmente a medida que se llegue a la capacidad total de la batería. Por último, una vez se ha completado la carga de los acumuladores, el controlador entra en el estado flotante y las baterías sólo absorberán el mínimo de corriente necesaria para mantenerse en el mismo estado de carga completa, derivando toda la corriente de exceso al calentador de agua o a las resistencias reguladoras.
Inverter
El inverter es el aparato que realiza la última transformación de la tensión proporcionando corriente alterna (A.C. 230 V, 50-60 Hz), dependiendo del modelo y el lugar de consumo.
Tras esta transformación ya se dispondrá de electricidad en las condiciones habituales pudiendo ser usada en toda clase de aparatos eléctricos domésticos e iluminación.
Baterías
Las baterías o acumuladores son elementos de almacenaje de energía que dotan de autonomía a la instalación protegiéndola ante un posible fallo de suministro de agua o avería en el sistema.
También entrarán en funcionamiento cuando el usuario requiera más potencia de la que es capaz de suministrar el hidrogenerador. Este estado de sobreconsumo sólo se podrá mantener durante un periodo limitado de tiempo que dependerá de la capacidad de las baterías.
El tamaño de estas baterías puede ser seleccionado por el usuario dependiendo de la autonomía requerida.
Resistencias reguladoras/Calentador de agua
Las resistencias reguladoras son un elemento fundamental para la correcta autorregulación de la instalación y se activarán en el momento en el que el controlador esté en fase flotante y comience a derivar corriente hacia ellas.
Su funcionamiento se limita a disipar la energía que no estamos consumiendo y que no puede ser almacenada en las baterías porque están completamente cargadas. Con el fin de no desaprovechar esta energía que el generador nos proporciona constantemente, se podrá colocar un calentador de agua donde unas resistencias sumergibles sean las encargadas de transferirla, en forma de calor, al agua. Así, de este modo tan sencillo, obtendremos agua caliente sanitaria que podrá ser usada para consumo.
Potencia de la turbina Pelton
La tabla de potencias en función del caudal y la presión disponibles es orientativa y dependerá de cada instalación en particular.
Estamos ampliando el rango de valores de caudal y presión para poder generar electricidad en muy diversas condiciones.
| Salto (metros) | Potencia (Vatios) * versión con 2 boquillas | |||||
| 5 | 5 | 15 * | 24 * | X | X | X |
| 10 | 15 | 34 | 55 * | 77 * | 100 * | X |
| 15 | 24 | 55 | 89 | 122 * | 156 * | 190 * |
| 20 | 34 | 77 | 122 | 167 * | 212 * | 259 * |
| 25 | 44 | 100 | 156 | 212 * | 271 * | 329 * |
| 30 | 55 | 122 | 189 | 259 | 329 * | 399 * |
| 35 | 66 | 145 | 224 | 306 | 387 * | 470 * |
| 40 | 77 | 167 | 259 | 352 | 446 * | 541 * |
| 45 | 89 | 189 | 294 | 399 | 506 * | 611 * |
| 50 | 100 | 212 | 329 | 446 * | 564 * | 682 * |
| 55 | 11 | 235 | 364 | 494 * | 623 * | 753 * |
| 60 | 122 | 259 | 399 | 541 * | 682 * | XX |
| 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 2.5 | 3 | |
| Caudal (litros/secundo) | ||||||
(XX) Para potencias superiores a los 800 W se recomienda la colocación de más centrales hidráulicas.
Además, en estos cálculos se asumió que las pérdidas de eficiencia a través de la línea de suministro son inferiores al 90%. Con tuberías de suministro con un diámetro demasiado pequeño, se producirán grandes pérdidas de eficiencia.
Yakuenergia Ademas de proveer la turbina, puede realizar un estudio de viabilidad, brindar el asesoramiento necesario para la instalación de la turbina o incluso asumir la instalación completa.