Montaje y caracterización de una instalación de generación de potencia de uso docente mediante una micro-turbina hidráulica

Abstract

La generación de energía eléctrica ha ido evolucionando a fin de conseguir fuentes de energías limpias y disponibles para la mayor parte de la población. Solo en el sistema interconectado central se espera una sobredemanda de un 168% para el año 2037 y que equivale a una demanda energética de 114.752 [GWh]. De ahí que el país se encuentra en una incesante búsqueda de nuevos métodos de generación, y donde la energía hídrica mediante micro-centrales hidráulicas puede y debe tomar mayor relevancia en el futuro a corto plazo. El objetivo de este trabajo de título es diseñar y montar un laboratorio en las dependencias del Departamento de Ingeniería Civil Mecánica que simule las condiciones reales en las que operaría una micro-central hidráulica, incluyendo la selección y adquisición de la instrumentación para la toma de datos y que permita ensayos sobre el funcionamiento de la central. Este trabajo corresponde a la segunda versión del proyecto de micro-central hidráulica realizada por Juan Carlos Arís en el año 2014. La micro-turbina que será utilizada es de acción, tipo Pelton, que se adapta para recursos hidráulicos de grandes saltos de agua y bajo caudal, alcanzando importantes valores de energía cinética, que se convierte en energía mecánica (torque), físicamente regida por la llamada Ecuación de Euler de turbomáquinas hidráulicas. En este sentido, se utilizará una micro-turbina Pelton de 10 [kW] de potencia nominal aproximada y que ha sido diseñada para general energía a una frecuencia de 50 Hz (o bien 750 RPM) con un caudal de 35 [l/s] y 40 [m] de altura nominal. Para simular el recurso hídrico se contempla el uso de una bomba centrífuga y un variador de frecuencia que permita variar el caudal entregado por la bomba en base a su velocidad de rotación. Además, se incluye un juego de válvulas para evitar el golpe de ariete y regular el exceso de caudal en el circuito hidráulico. Para tomar mediciones de presión y caudal se adquirió un medidor de presión diferencial del tipo Tubo Pitot y un flujómetro electromagnético respectivamente, instalados ambos en el circuito hidráulico principal de la micro-central. El laboratorio se completa con la instalación de un generador trifásico (360 [v] a 50 [Hz]) de imanes permanentes y un banco de resistencias que permitan simular la demanda de potencia sobre el generador. En conjunto con estos equipos se contempla la instalación de un torquímetro y un analizador de potencia para obtener mediciones de potencia eléctrica y mecánica de la central.\\ Para la adquisición de datos se desarrolló una interfaz computacional en el software Lab View, el cual incluye la posibilidad de administrar completamente la totalidad de las variables de la micro-central y que a su vez permite la automatización de procesos mediante la implementación de un sistema de control desarrollado por Camilo Zamora. La conexión entre el software y los distintos equipos e instrumentos se realiza mediante una tarjeta de adquisición de datos National Instrument.