El desafío por conseguir un crecimiento con equidad de la población exige la incorporación del sector rural al proceso de desarrollo del país; logro que requiere dotar a la población de energía eléctrica para mejorar su calidad de vida y promover el desarrollo de sus actividades productivas. Pero la solución no debe estar basada en la extensión de redes, sino que la generación eléctrica debe ser local, sostenible y asequible.

Este suministro se obtiene mediante microcentrales hidroeléctricas, las cuales, además de asegurar el suministro constante, tienen un impacto ambiental positivo, dado que su implementación obliga a preservar la cuenca. Sin embargo, una solución clásica de turbina generador síncrono tiene un elevado costo por kilowatt instalado, sus equipos son importados y no hay una gama elevada. Para contrarrestar estas dificultades se suelen utilizar máquinas hidráulicas y eléctricas en modo reversible; opción que emplea bombas centrífugas operando como turbinas y su motor asíncrono como generador, y que exige disponer de información respecto a las características de funcionamiento de la bomba como turbina y las particularidades del trabajo conjunto con el motor asíncrono como generador.

Esta aplicación ha sido estudiada por el grupo de investigación "Sistemas Hidroeléctricos de Generación SHG" en el tema de "energización rural", cuyos resultados le han permitido validar diferentes métodos en condiciones de laboratorio y comprobar que es una solución confiable y de bajo costo. El presente texto muestra dichos resultados en una forma analítica, que a la vez que es una solución en ingeniería, también permite a investigadores analizar otros tópicos de este tema.

Clasificación Temática

BISAC

TEC007000 TECNOLOGÍA E INGENIERÍA > Eléctrico

THEMA

THR Ingeniería eléctrica

DEWEY

621.4 Tecnología (ciencias aplicadas) > Ingeniería y operaciones afines > Física Aplicada > Ingeniería de calor y motores principales

Autor(es)

Autor

Ramiro Ortiz Flórez

Identificadores:

Tipo ID	Valor ID
ORCID	https://orcid.org/0000-0002-2498-9496

Autor

Víctor Hugo Sánchez Barón

Identificadores:

Tipo ID	Valor ID
ORCID

Autor

Argemiro Collazos Pino

Identificadores:

Tipo ID	Valor ID
ORCID

Disponible en

eBook

Digital: descarga y online - EPUB

Catálogo Programa Editorial Univalle: https://programaeditorial.univalle.edu.co/gpd-gpd-microcentrales-hidroelectricas-9786287566460-64f62cee90b2c-64f62cee90bbf.html

Impreso

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Tabla de contenido

CONTENIDO

Capítulo 1

DESARROLLO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO SUS RECURSOS HIDROENERGÉTICOS EN PEQUEÑA ESCALA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Generalidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

La importancia de la generación hidroeléctrica en el desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Principio de funcionamiento de un sistema de generación hidroenergético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Energía hidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Tipos de aprovechamientos hidroenergéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Capítulo 2

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN PEQUEÑA ESCALA A PARTIR DE MÁQUINAS REVERSIBLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Importancia de las máquinas reversibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Aplicación de las máquinas reversibles para generación de energía eléctrica en condiciones aisladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Capítulo 3

MÁQUINAS HIDRÁULICAS ROTATIVAS REVERSIBLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Conversión de energía en máquinas hidráulicas rotativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Principio de reversibilidad de las máquinas hidráulicas rotativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Bomba en modo turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Métodos para seleccionar una bomba centrífuga para operar como turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Métodos a partir de las características hidráulicas en el modo bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Métodos a partir de la velocidad específica en el modo bomba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Métodos a partir de las condiciones del sitio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Selección de una bomba para operar como turbina en las condiciones del laboratorio según los métodos anteriores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Potencia de una bomba como turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Dimensionamiento del rodete cerrado de una bomba centrífuga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Dimensiones de los rodetes para operar como turbina en las condiciones del laboratorio, según la metodología anterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Potencia de una bomba como turbina siguiendo la metodología propuesta en la página 54, ajustados al dimensionamiento del rodete de la página 59 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Pruebas de laboratorio para caracterizar el funcionamiento de la bomba operando como turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Aplicación de la metodología propuesta en la página 60, en función de la capacidad del laboratorio de PCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Resultados de las pruebas en el laboratorio y del modelamiento siguiendo la metodología propuesta en las páginas 60, 66 y 68 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Análisis teórico-práctico de la bomba funcionando como turbina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Capítulo 4

GENERADOR ASÍNCRONO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Autoexcitación del generador asíncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Métodos para determinar el condensador de autoexcitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Métodos directos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Métodos analíticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Validación de los métodos para determinar el condensador de autoexcitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Pruebas y circuito equivalente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Resultados de los métodos para determinar el condensador de autoexcitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Análisis del generador asíncrono autoexcitado según los resultados obtenidos en el proceso de validación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Regulación de tensión del generador asíncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

El generador asíncrono autoexcitado y autorregulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Configuraciones del generador asíncrono autoexcitado y autorregulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Análisis teórico de la autorregulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

Validación de los métodos para determinar el condensador de autoexcitación y autorregulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Generador asíncrono autoexcitado y autorregulado con configuración short-shunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

Generador asíncrono autoexcitado y autorregulado con configuración long-shunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Generador asíncrono autoexcitado y autorregulado con configuración mixta (short long-shunt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Resultados de los métodos para determinar el condensador de autorregulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Análisis del generador asíncrono autoexcitado y autorregulado según los resultados obtenidos en el proceso de validación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Generador asíncrono autorregulado implementando transformadores de corriente (TI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Aplicación del transformador de corriente TI en un generador asíncronoautoexcitado y autorregulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Análisis del generador asíncrono autoexcitado y autorregulado con TI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Análisis del generador “asíncrono autoexcitado” y del generador “asíncrono autoexcitado y autorregulado” según los resultados obtenidos en el proceso de validación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Capítulo 5

ESTRUCTURACIÓN DE LOS COSTOS EN MINI GENERACIÓN HIDROELÉCTRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

Generación de energía eléctrica a nivel de Mini CHE´s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Costos de una Mini CHE´s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

Costo preoperativo de la generación eléctrica con Mini CHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

Costo operativo de la generación eléctrica con Mini CHE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Evaluación económica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

Viabilidad financiera de las Mini CHE en las ZNI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163