Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas AUTOR: Núñez Pérez, María Tutor: Castro Ruiz, Francisco Valladolid, julio de 2021. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 2 Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 3 Quiero agradecer a OAN International la labor que hace y que me haya encomendado este proyecto y, a todos aquellos que confiaron en mí desde el inicio de mis estudios. María Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 4 Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 5 ÍNDICE GENERAL 1. ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................. 7 2. ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................. 10 3. RESUMEN ............................................................................................... 11 4. ABSTRACT .............................................................................................. 11 5. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ................................................................. 13 5.1. PRESENTACIÓN Y OBJETIVOS .................................................................... 13 5.2. NECESIDAD Y CONTEXTO .......................................................................... 14 5.2.1. OAN International ................................................................................................... 14 5.2.2. Situación energética en Benín ................................................................................. 14 5.2.3. Principales problemas del sistema de electricidad en la comuna de Nikki ............. 17 5.2.4. Búsqueda Bibliográfica preliminar .......................................................................... 18 6. ESTADO DE LA TÉCNICA .......................................................................... 20 6.1. PICOCENTRALES HIDRÁULICAS.................................................................. 20 6.1.1. Centrales eléctricas ................................................................................................. 20 6.1.2. Centrales hidráulicas ............................................................................................... 20 6.1.3. Minihidráulica .......................................................................................................... 21 6.1.3.1. Tipos de minicentrales hidráulicas ................................................................. 22 6.1.3.2. Ventajas del uso de minicentrales hidráulicas ............................................... 22 6.2. ANÁLISIS DE TIPOS DE TURBINAS .............................................................. 25 6.2.1. Introducción y clasificación de las máquinas de fluido ........................................... 25 6.2.2. Introducción y clasificación de las turbinas hidráulicas .......................................... 28 6.3. SELECCIÓN: TURBINA DE TORNILLO DE ARQUÍMEDES ............................... 32 7. DISEÑO DE LA TURBINA DE ARQUÍMEDES ............................................... 36 7.1. EMPLAZAMIENTO .................................................................................... 36 7.1.1. Determinación del caudal de diseño ....................................................................... 36 7.1.1.1. Cálculo del caudal de diseño aplicando el Método Racional según la norma 5.2-IC 39 7.1.1.2. Cálculo del caudal de diseño con el coeficiente de escorrentía .................... 51 7.1.2. Determinación del salto neto .................................................................................. 54 7.2. DETERMINACIÓN DE LA GEOMETRÍA DEL TORNILLO .................................. 56 7.2.1. Parámetros internos y parámetros externos .......................................................... 56 7.2.2. Descarga del tornillo. Caudales. .............................................................................. 64 7.2.3. Cálculo de la altura 𝒉𝒊𝒏........................................................................................... 69 7.2.4. Limitaciones por el generador ................................................................................. 74 7.2.4.1. Limitación de la velocidad de rotación .......................................................... 74 7.2.4.2. Limitación de potencia ................................................................................... 75 7.3. RESULTADO DE DISEÑO ............................................................................ 77 Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 6 8. PREDISEÑO DE LA CENTRAL .................................................................... 80 8.1. OBRA CIVIL .............................................................................................. 80 8.2. INSTALACIÓN ELÉCTRICA .......................................................................... 87 8.2.1. Alternador de coche como generador .................................................................... 87 8.2.1.1. Principales fallos de alternador de coche ...................................................... 89 8.2.2. Controlador eléctrico .............................................................................................. 89 8.2.3. Sistema de distribución y carga ............................................................................... 90 9. MODELADO POR ORDENADOR ............................................................... 92 9.1. MODELADO DE UN PASO .......................................................................... 92 9.2. DISEÑO DEL ACOPLAMIENTO MODULAR ................................................... 96 10. PRESUPUESTO .................................................................................... 99 10.1. COSTE DE MANO DE OBRA ..................................................................... 100 10.2. COSTE DE MATERIAL .............................................................................. 101 10.3. RESULTADO DEL PRESUPUESTO .............................................................. 102 11.CONCLUSIONES ....................................................................................... 103 12. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................ 104 ANEJOS .............................................................................................................. 1. MICROSOFT EXCEL CAUDALES .............................................................................. 2. MICROSOFT EXCEL CÁLCULO DISEÑO ÓPTIMO ...................................................... 3. PLANOS ............................................................................................................... 3.1. Plano tornillo módulo. Impresión 3D ................................................................. 3.2. Plano tornillo modular. Impresión 3D ...................................................................... 3.3. Eje salida .......................................................................................................... 3.4. Plano tornillo módulo. Soldadura ...................................................................... 3.5. Plano tornillo modular. Soldadura ..................................................................... Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 7 1. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Evolución del consumo por forma de energía en Benín (Ktep). ....... 15 Figura 2: Mapa de la distribución de la electrificación en Benín en 2017 ...... 16 Figura 3: Acceso a la electricidad (% de población)- Benín ............................... 17 Figura 4: “Dibujo esquemático de bombas de desplazamiento positivo: (a) pistón alternativo o émbolo, (b) bomba externa de engranajes, (c) bomba de tornillo doble, (d) paleta deslizante, (e) bomba de tres lóbulos, (f) doble pistón azimutal, (g) bomba peristáltica”. ....................................................................... 27 Figura 5: Esquema básico de una turbina Pelton .............................................. 29 Figura 6: Turbina Pelton. ..................................................................................... 30 Figura 7: Turbina Francis. .................................................................................... 31 Figura 8: Esquema básico de una turbina Francis ............................................ 31 Figura 9: Esquema básico de una turbina Kaplan de eje vertical. ................... 31 Figura 10: Turbina de Tornillo de Arquímedes del Jardín Botánico de Gijón ... 33 Figura 11: Central de Turbina de Tornillo de Arquímedes en Austria . ............ 33 Figura 12: Estructura de una turbina de Arquímedes genérica ....................... 34 Figura 13: Peces descendiendo por el rotor de la turbina sin perjuicios. ........ 35 Figura 14: Tipificación de los años en función de la aportación registrada .... 37 Figura 15: Elaboración de la curva de caudales clasificados .......................... 38 Figura 16: Vista de la presa de Nikki .................................................................. 40 Figura 17: Cuenca aportante al embalse. ......................................................... 41 Figura 18: Longitud del cauce. ............................................................................ 41 Figura 19: Perímetro y área de la cuenca aportante ......................................... 42 Figura 20: Longitud del cauce ............................................................................. 42 Figura 21: Rutas de perfil para cotas y pendientes........................................... 42 Figura 22: Precipitaciones de lluvia mensual promedio de Nikki, Benín.. ....... 44 Figura 23: Mapa del Ministerio de Fomento de 2016, de coeficiente 𝐼1𝐼𝑑.. .. 47 Figura 24: Mapa de regiones de España para el cálculo del coeficiente corrector. ............................................................................................................... 49 Figura 25: Muestra de la tabla Excel para el cálculo del caudal por semanas ............................................................................................................................... 52 Figura 26: Hietograma promedio de Nikki. ........................................................ 53 Figura 27: Hidrograma de Nikki en un año promedio. ...................................... 53 Figura 28: Esquema general de un salto de agua . ........................................... 54 Figura 29: Fotografía 1 del azud de Nikki. ......................................................... 55 Figura 30: Fotografía 2 del azud de Nikki. ......................................................... 55 Figura 31: Fotografía 3 del azud de Nikki sin caudal. ....................................... 55 Figura 32: Vista de perfil de una sección de un Tornillo de Arquímedes de 2 álabes. .................................................................................................................. 56 Figura 33: Valores del diámetro exterior y del ángulo de inclinación en función del caudal de diseño ........................................................................................... 57 Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 8 Figura 34: Vista 1 del volumen por rotación . .................................................... 60 Figura 35: Vista 2 del volumen por rotación . .................................................... 60 Figura 36: Tabla de relaciones de parámetros óptimos del tornillo de Arquímedes, en función del número de álabes . ............................................... 61 Figura 37: Representación gráfica de los datos de la tabla de valores óptimos de 𝜌 y de 𝜆 . .......................................................................................................... 62 Figura 38: Representación gráfica de los datos de la tabla de valores óptimos de 𝜈 . ..................................................................................................................... 62 Figura 39: Balance de caudales. ........................................................................ 64 Figura 40: Sección transversal de un tornillo de Arquímedes usado para una planta hidroeléctrica . .......................................................................................... 65 Figura 41: Placas guía. ........................................................................................ 65 Figura 42: Definición de los ángulos 𝛼3,𝛼4,𝛼5 . .............................................. 68 Figura 43: Sección transversal de la entrada de un tornillo de Arquímedes. . 70 Figura 44: Sección de corte por el plano 3 de la Fig.43 . ................................. 71 Figura 45: Resultados del cálculo de k para diferentes valores de 𝑣𝑡 vs. 𝜌 . . 72 Figura 46: Curva de velocidad del alternador frente a la corriente y a la potencia . .............................................................................................................. 74 Figura 47: Muestra del catálogo de alternadores de coche Bosch . ................ 76 Figura 48: Fotografías de los cultivos de la cooperativa Gah Maro ................. 80 Figura 49: Fotografía del aliviadero del azud ..................................................... 81 Figura 50: Fotografía del murete del aliviadero que se necesitaría demoler parcialmente......................................................................................................... 82 Figura 51: Esquema de medidas en metros del azud de Nikki. ....................... 83 Figura 52: Esquema ilustrativo de la segunda solución planteada. ................ 83 Figura 53: Esquema ilustrativo de la tercera solución planteada. ................... 84 Figura 54: Fotografía del tramo horizontal del azud. ........................................ 85 Figura 55: Partes de un alternador de coche . .................................................. 88 Figura 56: Croquis eje interior (Di) ...................................................................... 92 Figura 57: Extrusión eje interior .......................................................................... 93 Figura 58: Croquis diámetro exterior (D0) .......................................................... 93 Figura 59: Croquis del helicoidal 1 ..................................................................... 94 Figura 60: Croquis perfil del álabe ...................................................................... 94 Figura 61: Extrusión álabe 1 ............................................................................... 94 Figura 62 : Croquis helicoidal 2, desfasado 180º respecto al helicoidal 1 ..... 95 Figura 63: Croquis álabe 2 .................................................................................. 95 Figura 64: Extrusión álabe 2 ............................................................................... 95 Figura 65: Croquis eje salida ............................................................................... 96 Figura 66: Extrusión eje salida ............................................................................ 97 Figura 67: Croquis agujero salida ....................................................................... 97 Figura 68: Corte agujero salida ........................................................................... 97 Figura 69: Croquis agujeros pasantes ................................................................ 98 Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 9 Figura 70: Corte agujeros pasantes ................................................................... 98 Figura 71: Modelo para impresión 3D ................................................................ 98 Figura 72: Modelo para fabricación en hierro…………………………………………… 99 Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 16 Figura 2: Mapa de la distribución de la electrificación en Benín en 2017 (Mesa, 2017). Benín es un país con potencial para un suministro autosuficiente desde el año 2020, debido al descenso de los precios de las tecnologías de energías renovables y el aumento de los combustibles fósiles. Sin embargo, la inversión financiera en proyectos de energías renovables en Benín ha sido solamente de 5 megavatios, el segundo país africano, después de Liberia, que menos ha invertido en este tipo de instalaciones (Vilar, 2012). A pesar de disponer de los recursos naturales suficientes, se tienen unos niveles muy bajos en conocimientos y formación técnica de trabajadores, lo que impide que las energías renovables y limpias sean explotadas en el territorio. La utilización de fuentes renovables para la producción energética disminuye el uso de leña y grupos electrógenos, logrando de este modo el séptimo propósito de los Objetivos de Desarrollo Sostenible: “Garantizar el acceso a una energía asequible, fiable, sostenible y moderna para todos”. Este proyecto, presenta una alternativa de producción de energía eléctrica renovable, limpia y sostenible, con prioridad en que los trabajadores locales desarrollen todo el proceso del proyecto con sus recursos y con independencia de terceros. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 17 5.2.3. Principales problemas del sistema de electricidad en la comuna de Nikki En el departamento de Borgou de la República Democrática de Benín coexisten 8 comunas, siendo una de ellas la comuna de Nikki. A su vez, Nikki se organiza en los llamados “arrondissement” cuya traducción del francés es departamento. Hay 7 departamentos, siendo Nikki el que ejerce de capital (Santos, 2017). Solamente el 41.528% de la población tuvo acceso a la electricidad en Benín en el año 2018, el cual es el dato más actualizado disponible (Fig.3). Sin embargo, se debe tener en cuenta el bajo acceso a la electricidad en las zonas rurales, donde se concentra el 60% de la población de Nikki. Esto se debe a que la SBEE, ha priorizado durante las últimas décadas, la electrificación de las urbes beninesas. Desde el año 1990 la tasa de electrificación urbana ha crecido del 20 al 52.4%, sin embargo, la rural no alcanza el 3%, a pesar de que, en el Plan de Desarrollo Comunal de 2017, el ministerio se propusiera objetivos más ambiciosos (Ministere de la decentralisation et de la gouvernance Locale/ Commune de Nikki, 2017), (Mesa, 2017). Figura 3: Acceso a la electricidad (% de población)- Benín (Datos del Banco Mundial 2018). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 18 5.2.4. Búsqueda Bibliográfica preliminar Al inicio del estudio de este trabajo, se consultaron varios documentos de diversas fuentes, para conocer qué proyectos e investigaciones se han llevado a cabo en electrificación de zonas rurales, en el diseño de turbinas de tornillo de Arquímedes, y en centrales hidráulicas de pequeña escala en distintos lugares del mundo. El fin de esta investigación inicial, fue el de contextualizar el proyecto y establecer unos objetivos novedosos pero alcanzables. Concretamente, la base de datos de la UVa, Elsevier Science Direct Journals, ha proporcionado documentos de interés como: • Nor F. Yah, Ahmed N. Oumer, Mat S. Idris. Small scale hydro-power as a source of renewable energy in Malasya, 2017. • Abudukeremu Kadier, Mohd Sahaid Kalil… Pico hydropower (PHP) development in Malaysia: Potential, present status, barriers, and future perspectives, 2017. • A.H. Elbatran, O.B. Yaakob… Operation, performance and economic analysis of low head micro-hydropower turbines for rural and remote areas: A review, 2014. • Julien Rohmer, Dominique Knittel… Modeling and experimental results of an Arquimedes screw turbine, 2015. • S.J. Williamson, B.H. Stark, J.D. Booker. Low head pico hydro turbine selectrion using a multi-criteria analysis, 2012. • J. Susanto, S,Stamp, Local installation methods for low head picohydropower in the Lao PDR, 2012. • Silvia Vicente, Hans Bludsuweit. Flexible design of a pico-hydropower system for Laos communities, 2012. También de la revista Sustainability se ha consultado el artículo: • Arash Yoosef Doost, William David Lubitz, Archimedes screw turbines: A sustainable development solution for green and renewable energy generation- a Review of a potential and design procedures, 2020. De la International Journal of Renewable Energy Research: • Kamal Kashyap, Robin Thakur… Identification of Archimedes screw turbine of efficient conversion of traditional water mills into micro hydropower stations in Western Himalayan regions of India, 2020. De AENSI Journals: • Mohd Farriz, Razali Sapiee… Cost analysis of pico hydro turbine for power production, 2014. De la Research library de la UVa: Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 19 • Dirk Nuembergk, Chris Rorres, Analytical model for water inflow of an Archimedes Screw used in hydropower generation, 2013. Además, trabajos de fin de grado y de máster también fueron de utilidad como: • Fátima Cadahía Paz, Diseño de una microrred eléctrica aislada para su implantación en la comuna de Nikki, 2017. • Juan Manuel Mascías de la Rica, Ensayo de microturbinas hidráulicas para la generación de energía eléctrica en zonas desabastecidas (II), 2012. • Iván Segura Rodríguez, Optimización y estudio hidrodinámico de una microturbina hidráulica para el aprovechamiento de pequeños saltos de agua, 2016. Por último, se desea destacar que los proyectos de las empresas españolas Sinfín Energy e Hidrotor, junto con Ritz Atro, Jash Rehart y Spaans Babcock Hydro Power, han servido como modelo inicial para la realización de este trabajo y como comprobación final de los resultados de diseño. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 20 6. ESTADO DE LA TÉCNICA 6.1. PICOCENTRALES HIDRÁULICAS 6.1.1. Centrales eléctricas Las centrales eléctricas son instalaciones que transforman la energía potencial que posee un fluido en energía mecánica, por el movimiento de un motor, que a su vez, transmite al eje de un generador, para así obtener energía eléctrica. Se denomina grupo al conjunto de motor y generador. En grandes instalaciones, el motor es una turbina (Agüera, 2019). Los tipos de centrales eléctricas más notables son las hidráulicas, las térmicas, y las nucleares. En menor medida, se encuentran las centrales mareomotrices, las eólicas y las solares. Por último, las menos importantes son las geotérmicas y las hidrotérmicas (Agüera, 2019). 6.1.2. Centrales hidráulicas La energía potencial, en este tipo de instalaciones, la proporciona el salto que existe entre dos superficies libres de agua. En ellas, se transforma la energía potencial asociada la diferencia de niveles (salto) en mecánica, por medio de turbinas hidráulicas. En las centrales convencionales, de gran tamaño, se construyen presas para dar cierta altura con respecto de la turbina al embalse de agua, aumentando el salto. Para grandes caudales, esta elevación puede ser desde 1m, hasta los aproximadamente 2000m que presentan las centrales de pequeños caudales. El diseño de la turbina hidráulica se verá condicionada por estos dos factores: salto y caudal (Agüera, 2019). Las hidráulicas son las centrales más beneficiosas económicamente, aunque requieren un alto coste de instalación. Esto se debe a su bajo coste de explotación, si las condiciones meteorológicas de precipitaciones son propicias (Agüera, 2019). Además, algunas fuentes las consideran no contaminantes. Sin embargo, otras comienzan a denunciar que no se deben considerar limpias porque provocan un importante impacto en los ecosistemas fluviales, como consecuencia de las rápidas fluctuaciones de caudal que ocasionan en los ríos (Ambientum, 2019). Una desventaja de la energía eléctrica es que no es fácilmente acumulable, y las centrales eléctricas tienen la característica de que, en las horas de baja demanda, producen un excedente. Es por ello, que se han construido centrales de bombeo o acumulación. En ellas, se eleva el agua en horas de bajo consumo y en horas punta, se turbina el agua, haciéndolo atravesar la turbina y generando electricidad. El motor eléctrico y la bomba de las horas de bajo Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 21 consumo se transforman en el generador y la turbina, respectivamente, en las horas punta. Estas centrales, además albergan la posibilidad de instalar grandes potencias sin caudales muy elevados, construyendo dos embalses, uno superior y otro inferior (Agüera, 2019). La clasificación de las centrales hidráulicas según el valor del salto es: • Centrales de alta presión: Trabajan con saltos de agua superiores a 200m, con caudales relativamente pequeños, con valores del orden de 20𝑚3/𝑠 por turbina. Se suelen encontrar en zonas de alta montaña. • Centrales de media presión: Engloban saltos de entre 200m y 20m, con caudales de hasta 200𝑚3/𝑠. • Centrales de baja presión: Compete a saltos de menos de 20m con caudales de alrededor de 300𝑚3/𝑠 por turbina (Agüera, 2019). La clasificación de las centrales hidráulicas según su potencia generada se muestra en la Tabla 1.: Tabla 1: Clasificación de centrales hidráulicas según su potencia generada (Castro A. IDAE, 2006; Williams A., Porter S., 2006). Clasificación Potencia generada Gran Hidráulica >10MW Grandes >100MW Medianas 10 - 100MW Minihidráulica ≤10MW Pequeñas 1 – 10MW Mini 100kW – 1MW Micro 5 – 100kW Pico <5kW 6.1.3. Minihidráulica No existe un convenio aceptado ni globalmente, ni por todos los países europeos. Sin embargo, se considera que la potencia máxima instalada que puede tener una central hidráulica, para ser considerada como minicentral, es de 10MW. La razón es que es el término admitido por la Comisión Europea y la UNIPEDE (Unión de Productores de Electricidad). Aun así, se debe tener en cuenta que países como China o algunos de América Latina, ponen el límite en 30MW y hay otros que lo bajan hasta los 1.5MW (Castro A. IDAE, 2006). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 22 6.1.3.1. Tipos de minicentrales hidráulicas El emplazamiento de una central o minicentral hidráulica supedita el diseño de esta. Por la importancia que tiene la topografía del terreno, una forma de clasificar las centrales hidráulicas surge de estudiar su funcionamiento basándose en la modalidad de toma y acumulación de las aguas: • Centrales de agua fluyente: Son aquellas cuyo caudal no está regulado, ya que captan una parte del caudal del río y tras su paso por la central, lo devuelven a su cauce. • Centrales de pie de presa o de flujo regulado: Se sitúan aguas abajo de los embalses construidos con fines hidroeléctricos u otros y se benefician del desnivel creado por la propia presa (Castro A. IDAE, 2006). 6.1.3.2. Ventajas del uso de minicentrales hidráulicas Ambientales: Los acuerdos tomados tras el Protocolo de Kioto, así como las negociaciones posteriores para incrementar la actuación frente al calentamiento global, en especial, dentro de la Unión Europea, dejan ver el interés social y político por el cambio climático. La generación y el consumo de energía son causantes del 80% de las emisiones de efecto invernadero, por ello, la integración de energías renovables contribuirá de forma importante, a disminuir las emisiones del sector (IDAE, 2011). La Tabla 2 refleja las emisiones de 𝐶𝑂2 evitadas únicamente en el año 2010 por las centrales hidráulicas y minihidráulicas (Castro A. IDAE, 2006). Tabla 2: Emisiones de CO2 evitadas en 2010 por las centrales hidráulicas (IDAE, 2011). Emisiones 𝑪𝑶𝟐 evitadas 𝒕𝑪𝑶𝟐 Minihidráulica (menor de 10 MW) 472.812 Hidráulica (entre 10 y 50 MW) 255.490 La energía obtenida de minicentrales hidroeléctricas, a mayores, presenta los siguientes beneficios para el medio ambiente: • Uso no consuntivo del agua, porque recoge el agua de un punto del curso fluvial y lo devuelve a su cauce a una menor altura, una vez transformada su energía en eléctrica a su paso por la central. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 23 • Carácter autóctono, lo que provoca una disminución de la dependencia del sector energético exterior y el aumento de la seguridad de suministro. • Energía limpia, sin producción de residuos contaminantes, aunque en la etapa de construcción deben extremarse los medios de evasión de impacto ambiental. • Carácter de generación distribuida. La mayoría de las veces, las unidades de producción renovables se ubican próximas a los puntos de consumo. Esa distancia entre los lugares de consumo y de producción hace inevitable una serie de pérdidas al sistema de un 10% de la producción neta de electricidad. • Es inagotable, gracias al ciclo hidrológico natural (Castro A. IDAE, 2006). Socioeconómicos: Un cuantioso número de investigaciones ha probado que, a igual potencia instalada, las unidades de producción de energía de fuentes renovables producen hasta cinco veces más puestos de trabajo que de las fuentes no renovables. Entonces, el sector de las renovables crea empleo de forma eficiente, incluyendo la generación de puestos de trabajo durante la fabricación, construcción y operación de sus instalaciones. A mayores, también es responsable del empleo derivado de la demanda de bienes de otra clase que generan estas actividades. La creación de puestos de trabajo a finales de 2010 tomados a partir de las previsiones del Plan de Energías Renovables 2005-2010 para minihidráulica, son las que se muestran en la Tabla 3, siendo los datos encontrados más recientes (Castro A. IDAE, 2006). Tabla 3: Ratios de generación de empleo en 2010 (Castro A. IDAE, 2006). Ratios de generación de empleo Área minihidráulica (menor 10MW) Área hidráulica (entre 10 y 50MW) Total área hidroeléctrica Fase de construcción e instalación (hombres - año) 8.370 6.696 15.066 Operación y mantenimiento (hombres - año) 612 517 1.129 Total empleo generado (hombres - año) 8.982 7.213 16.195 Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 24 Lugares con acceso limitado a la energía eléctrica: En poblaciones apartadas, en las que solamente se necesita una pequeña cantidad de electricidad, las minicentrales hidráulicas son una solución muy adecuada. En concreto, las picocentrales, suelen ser suficientes, ya que la mayoría de estas comunidades consumen ente 1 y 5kW. Con pequeñas turbinas de 200 o 300W y con un desnivel de solo 1 metro, se puede suministrar a una vivienda al completo (Guru Nanak, 2015). También en áreas rurales de todo el mundo, como en países en vías de desarrollo, las picocentrales han supuesto una mejora significativa en el acceso a la electricidad, como han probado ya varios estudios realizados en distintos países de diferentes continentes (Ho-Yan, B. P., 2012). Los países en vías de desarrollo dependen de combustibles fósiles para la insuficiente energía eléctrica que producen, y las minicentrales hidráulicas facilitan una transición hacia una energía baja en emisiones de carbono, además, de una ganancia de independencia y control energético. La diversificación de las fuentes de energía es un propósito recurrente en muchos gobiernos. Apoyar y contribuir al desarrollo de las minicentrales hidráulicas, puede ayudar a alcanzar dicho objetivo. (Charisiadis C., 2015). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 25 6.2. ANÁLISIS DE TIPOS DE TURBINAS 6.2.1. Introducción y clasificación de las máquinas de fluido La clasificación de las máquinas de fluido se puede realizar atendiendo a tres factores diferentes. Según el sentido de transferencia de la energía entre el fluido y la máquina se pueden diferenciar dos tipos: • Máquinas generadoras: transmiten energía de la máquina al fluido, de manera que el fluido presenta un incremento de energía específica entre las áreas de entrada y salida de la máquina. Los compresores, los ventiladores y las bombas, son ejemplos de máquinas generadoras. Las máquinas generadoras utilizan energía mecánica que debe ser provista por un motor (Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica. UVa, 2020). • Máquinas motoras: la transmisión de energía es del fluido a la máquina, por lo que el fluido experimenta una disminución de la energía específica entre las secciones de entrada y de salida de la máquina. Las turbinas de vapor, hidráulicas, de gas y las aeroturbinas son tipos de máquinas motoras. La energía mecánica conseguida se puede transformar en otros tipos de energía, generalmente en energía eléctrica, a través de un generador, y transmitirse a otros sistemas como a un vehículo, una máquina herramienta… (Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica. UVa, 2020). Atendiendo al grado de compresibilidad del fluido, las máquinas de fluido se clasifican en: • Máquinas de flujo compresible o térmicas: Deben tenerse en cuenta las variaciones de densidad experimentadas por el fluido por ser significativas. Se realiza un balance de energía total debido a que la variación de densidad supone la conversión de energía interna en energía mecánica y al contrario (Departamento de Ingeniería Energética y Fluidomecánica. UVa, 2020). • Máquinas hidráulicas: En ellas el fluido es un líquido, por tanto, su variación de densidad es despreciable. Esta propiedad también se da cuando el fluido es un gas que experimenta cambios de presión no significativos, por ejemplo, en un ventilador. La consecuencia inmediata es que al llevarse a cabo el balance de energía mecánica a través de la máquina está muy simplificada, porque no es necesario utilizar la Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 32 6.3. SELECCIÓN: TURBINA DE TORNILLO DE ARQUÍMEDES El tornillo de Arquímedes es una máquina ancestral usada para impulsar agua desde un nivel inferior a otro superior. Está tradicionalmente reconocido dicho invento a Arquímedes, quien vivió entre el año 287 A.C. y 212 A.C. En los últimos años, el tornillo de Arquímedes ha sido instalado como máquina hidráulica, a través de la cual el agua desciende y genera potencia. Esta turbina consiste en un tornillo giratorio sostenido mediante cojinetes a sus extremos, con un reductor y un generador situados en la caja de control. El agua desciende por fracciones denominadas “buckets” o cubos, formados entre los álabes, el eje y la carcasa (Charisiadis C., 2015). Los análisis de la geometría y los parámetros a estudiar, incluyendo la pendiente de los álabes, han sido llevadas a cabo por el Tornillo de Arquímedes. Esto es en mayor parte desde la perspectiva de su uso como bomba, y sus resultados se basan en el volumen de agua que hace ascender en cada rotación. Cabe destacar la diferencia en el diseño óptimo del tornillo por su geometría, que por su uso para bombeo o como turbina. Más adelante se detallará el diseño más adecuado del tornillo de Arquímedes como turbina hidráulica. Hasta la fecha, los tornillos de Arquímedes se están convirtiendo en el mayor éxito comercial de las máquinas contemporáneas de minicentrales hidráulicas. Muchas de ellas han sido instaladas en los últimos años, siendo las principales empresas dedicadas a ello: ANDRITZ Atro GmbH, y REHART Group. Dos empresas alemanas con sedes en todo el mundo. GESS-CZ s.r.o. de la República Checa, la británica Mann Power Consulting Ltd. Spaans Babcock de Países Bajos, o las españolas Sinfín Energy o Hidrotor. La Fig.10 muestra la instalación llevada a cabo en noviembre de 2018 por Sinfín Energy en el Jardín Botánico Atlántico de Gijón, Asturias, con una potencia de 1,20 kW. La Fig.11 es la fotografía de una central de mayor potencia. Con un salto de 3.60m produce una potencia de 80 kW. Esta segunda instalación se encuentra en Austria y es obra de Rehart Power. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 33 Figura 10: Turbina de Tornillo de Arquímedes del Jardín Botánico de Gijón (Sinfin Energy, 2019). Figura 11: Central de Turbina de Tornillo de Arquímedes en Austria (Rehart Power, 2014). El principio de funcionamiento es: el agua fluye descendiendo a través del tornillo y provoca el momento que lo hace rotar. Esta rotación es transmitida a la caja de transmisión (“gear box”), encargada de transmitir el movimiento al generador aumentando las revoluciones por minuto del tornillo. A continuación, el generador recibe esa energía mecánica y produce energía eléctrica. El canal de entrada tiene una rejilla que retiene las materias no deseadas que flotan en el seno del río y dos compuertas. La primera, es la de control, y la segunda es de emergencia para aislar la turbina del flujo de agua durante el mantenimiento. En la Fig. 12 se tiene un esquema de una turbina de Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 34 Arquímedes general, en la que se pueden distinguir las principales partes por las que suele estar compuesta (Jash Rehart, 2019). Figura 12: Estructura de una turbina de Arquímedes genérica (Jash Rehart, 2019). Las ventajas de la turbina de Arquímedes son: • Estas turbinas son robustas y fiables durante un largo periodo de vida. Entre otros factores, este hecho se debe a que están fabricadas con muy pocas piezas. Además, la baja velocidad de rotación del tornillo resulta en un bajo desgaste y muy pocos costes de mantenimiento. La eficiencia se mantiene en un valor elevado a lo largo de los años de uso. • En pequeños saltos de agua, de como mínimo 1m, este tipo de turbina es apropiada. Hasta 12m, 24m si es una instalación de dos etapas, la turbina de Arquímedes da muy buenos resultados. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 35 • La eficiencia se mantiene alta con un amplio rango de caudales de entrada. Variar alturas y caudal, apenas tiene ningún efecto sobre la eficiencia de la máquina. • Este tipo de turbina no necesita disponer de una bomba de grasa para su adecuada lubricación. Esto reduce los costes de operación y simultáneamente aumenta la eficiencia (Spaans Babcock, 2021). • El tamaño de los cangilones contribuye junto con la baja velocidad de rotación de la turbina en que la ictiofauna pueda descender a través del tornillo de manera segura entre los álabes. Por lo tanto, esta turbina es adecuada y segura para los peces, sin obstaculizar la migración aguas abajo a través del rotor de ella, como se ve representado en la Fig.13. Tanto es así, que históricamente, el tornillo de Arquímedes fue usado en las técnicas de acuicultura para el trasvase de peces (Sinfin Energy, 2019). Figura 13: Peces descendiendo por el rotor de la turbina sin perjuicios. (Sinfin Energy, 2019). • El diseño de la turbina permite que pequeños sedimentos la atraviesen de tal forma que el lecho del río se mantenga con su estructura natural. • Independientemente del tipo de tornillo y el emplazamiento del proyecto, la obra civil a realizar nunca será tediosa ni requerirá mucho tiempo de trabajo. Como resultado, se tiene un proyecto de rápida instalación y puesta en marcha, con las mínimas molestias causadas a la comunidad o a los residentes cercanos (Jash Rehart, 2019). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 36 7. DISEÑO DE LA TURBINA DE ARQUÍMEDES 7.1. EMPLAZAMIENTO La potencia que genera una central hidroeléctrica depende directamente de la altura de salto y del caudal turbinado. Por ello, es esencial definir estas dos variables de forma acertada, tanto para diseñar las instalaciones, como para dimensionar los equipos (Castro A. IDAE, 2006). 7.1.1. Determinación del caudal de diseño Elegir el caudal de diseño de forma acertada conlleva definir el equipo a instalar de tal manera que la energía producida sea la mayor posible para las condiciones hidrológicas en las que se trabaje. Por consiguiente, el régimen de caudales del río en las inmediaciones a la toma de agua es necesario conocerlo para la definición del caudal de diseño de la instalación hidroeléctrica (Castro A. IDAE, 2006). Las estaciones de aforo se encargan de medir los caudales de los ríos en puntos singulares de cauces y canales. A partir de los datos que nos proporcionan, conocemos los caudales instantáneos que circulan por el tramo del río donde estará ubicada la central y con ellos, se calculan los caudales medios, máximos y mínimos diarios, con datos de cuantiosos años hidrológicos. Se recomienda que estas series hidrológicas sean de más de 25 años para que el estudio hidrológico derivado sea acertado (Castro A. IDAE, 2006). Existe el caso de que no exista ninguna estación de aforo en la cuenca donde se instalará la minicentral. Este es el caso de las minicentrales que se sitúan en pueblos remotos o en países en vías de desarrollo y también la situación de este trabajo. En esa situación es conveniente realizar un estudio hidrológico teórico, que se fundamenta en los valores de las precipitaciones del territorio y en aforos estudiados en cuencas semejantes a la de interés (Castro A. IDAE, 2006). Cuando se dan estos casos, se necesita reunir y estudiar los valores pluviométricos existentes, realizar análisis de estos y completarlos si fuera necesario con metodologías de correlación de cuencas. El primer paso a llevar a cabo en estas situaciones es definir las características físicas de la cuenca de interés. Los parámetros que determinan su relieve y forma son los principales. Seguidamente, se vinculan las aportaciones de la cuenca en función de las precipitaciones, superficies y de los coeficientes de escorrentía. Con todas estas relaciones, se consigue un parámetro de corrección con el que se obtienen los resultados finales (Castro A. IDAE, 2006). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 37 Es muy recomendable, siempre que sea posible, completar estos datos con medidas del caudal de forma directa en un periodo de al menos un año (Castro A. IDAE, 2006). Sea cual sea la fuente de la que se obtiene el estudio hidrológico, finalmente se obtiene una estimación anual lo bastante amplia para llevar a cabo una distribución estadística que clasifique los años según la aportación registrada. Los años se dividen en muy húmedos, húmedos, medios, secos o muy secos, lo que permite realizar una representación gráfica como la que se muestra en la Fig.14 (Castro A. IDAE, 2006). Figura 14: Tipificación de los años en función de la aportación registrada (Castro A. IDAE, 2006). A continuación, se elaboraría la curva de caudales clasificados. Se lleva a cabo utilizando la distribución estadística de caudales por años. Se elegirá un año medio representativo y se construirá la curva de caudales clasificados de la cuenca de interés, así se obtendría el caudal en función de los días del año en los que se sobrepasa el valor indicado. De esta manera, se define de forma bastante apropiada, en términos adimensionales, el régimen hidrológico de un cauce a efectos de su aprovechamiento hidroeléctrico. La curva de caudales clasificados (Fig.15) es representada gráficamente para conocer los datos de que nos informa sobre: el volumen de agua presente, el volumen turbinado, el volumen vertido, mínimo técnico o caudal ecológico (Castro A. IDAE, 2006). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 38 Figura 15: Elaboración de la curva de caudales clasificados (Castro A. IDAE, 2006). Los parámetros que aparecen en la curva de caudales clasificados son: • QM: Caudal máximo alcanzado en el año o caudal de crecida. • Qm: Caudal mínimo del año o estiaje. • Qrs: Caudal de servidumbre que se necesita dejar en el flujo por su cauce habitual. Abarca el caudal ecológico y el necesario para otras aplicaciones. El caudal ecológico es fijado por el Organismo de cuenca, de no ser conocido, se puede tomar como aproximación inicial un valor que sea el 10% del caudal medio interanual. • Qmt: Caudal mínimo teórico Ec.2 𝑄𝑚𝑡=𝐾∙𝑄𝑒 (2) Siendo K de la Ec.2 una constante cuyo valor es función del tipo de turbina utilizada. Sus valores se obtienen tabulados en la Tabla 4. Tabla 4: Valores de la constante k para cada tipo de turbina Tipo de turbina Valor de k Pelton 0.10 Kaplan 0.25 Semi Kaplan 0.40 Francis 0.40 Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 39 • Qe: Caudal de equipamiento. Se escoge de manera tal que el volumen turbinado sea un valor máximo, situación que se da cuando el área interior al polígono resultante de unir A,B,C,D,E,A en el gráfico de la Fig. 15, sea máximo (Castro A. IDAE, 2006). 7.1.1.1. Cálculo del caudal de diseño aplicando el Método Racional según la norma 5.2-IC Debido a que el emplazamiento de la minicentral se encuentra en un lugar rural remoto sin estaciones de aforo ni apenas información disponible, el método de cálculo del caudal de diseño expuesto en el apartado anterior, no se puede aplicar. La información de la que sí se dispone es el hietograma de la comuna de Nikki, por lo que se acude a la metodología Racional para calcular el caudal de diseño. Concretamente, se recurre a una de las etapas de cálculo que este método expone: el cálculo de la escorrentía producida por la precipitación neta, obteniendo así el hidrograma. En España, aplicar de forma práctica el Método Racional cuenta con una normativa particular: la Norma 5.2-IC, Ministerio de Fomento, 2016, que es la actualización de una versión anterior de 1990. Según esta norma, los cálculos que se explican a continuación son válidos ya que no existen datos de caudales disponibles y si y sólo si la cuenca es de un área menor de 50 km2. (Ministerio de Fomento, 2016). Datos de partida Para conocer los parámetros de entrada para realizar los cálculos, se utiliza el programa informático Google Earth, que a partir de un globo terráqueo virtual permite visualizar mapas y calcular distancias entre otras aplicaciones. En la Fig. 16 se muestra la presa de Nikki, en la que este estudio se está llevando a cabo. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 40 Figura 16: Vista de la presa de Nikki (Google Earth). Para obtener los valores de la longitud del cauce y de la superficie de la cuenca aportante de la presa, se traza en Google Earth el área aproximada de la cuenca siguiendo los cursos de agua que en el mapa se observan y las zonas de humedad, además de ser el punto de menor altitud aguas abajo. El resultado es el que se muestra en la Fig.17. Todo lo que queda fuera del área representada en color amarillo, pertenece a otras cuencas, por lo que el agua que cayera fuera del área no llegaría al embalse de Nikki. De forma más exacta, se buscaría obtener un modelo digital del terreno a partir de las curvas de nivel y un programa especializado en hidrología, aportaría la información exacta de la cuenca aportante tras haber fijado el punto del embalse. Para conocer la longitud del cauce, se traza la ruta de mayor longitud dentro de la cuenca aportante, que se observa en la Fig.18. Las Fig.19 y Fig.20 muestran los resultados obtenidos. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 41 Figura 17: Cuenca aportante al embalse. (Google Earth). Figura 18: Longitud del cauce. (Google Earth). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 48 Tabla 7: Muestra de la tabla del valor inicial del umbral de escorrentía. (Sánchez San Román, F.J., 2016). Para conocer el grupo de suelo del terreno estudiado, se ha consultado con una doctora en edafología. Para conocer el tipo de suelo habría que realizar un estudio del suelo a partir de una muestra de este, ya que las capas más importantes y determinantes de él son las más profundas, no la superficial. Una aproximación podría ser a través de unos mapas de suelos de los que se obtiene la textura del suelo y con ella y unos valores tabulados, obtener la filtración del suelo y así poderlo clasificarlo. Para la zona de Nikki no se han obtenido los mapas mencionados. 𝛽 es el coeficiente corrector. Se calcula dependiendo del periodo de retorno y de la geografía de la zona de estudio. En la bibliografía se encuentra un mapa por regiones de España, que se adjunta en la Fig.24, y con ayuda de la Tabla 8 se calcularía el coeficiente corrector deseado. La Tabla 8 es una muestra de la aportada por el Ministerio de fomento, la completa es la Tabla 2.5, (BOE, 10 de marzo de 2016). Conociendo 𝛽𝑚 y 𝐹𝑇 se puede calcular con la Ec.11. 𝛽=𝛽𝑚∙𝐹𝑇 (11) No se han conseguido unas herramientas similares para el cálculo del coeficiente corrector en Nikki. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 49 Figura 24: Mapa de regiones de España para el cálculo del coeficiente corrector. (Sánchez San Román, F.J., 2016). Tabla 8: Muestra de la tabla para el cálculo del coeficiente corrector del umbral de escorrentía. . (Sánchez San Román, F.J., 2016). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 50 6. Cálculo del coeficiente de escorrentía En el caso de que 𝑃𝑑𝑐>𝑃0 el coeficiente de escorrentía se calcula como indica la Ec.12. 𝐶=(𝑃𝑑𝑐 𝑃0−1)∙(𝑃𝑑𝑐 𝑃0+23) (𝑃𝑑𝑐 𝑃0+11)2 (12) Siendo: 𝑃0= Umbral de escorrentía (mm). 𝑃𝑑𝑐 = Precipitación diaria corregida (mm). 𝐶= Coeficiente de escorrentía. En el caso en el cual 𝑃𝑑𝑐<𝑃0, el coeficiente de escorrentía es cero. La razón es que, si la precipitación no llega al valor del umbral de escorrentía, no escurre nada (Sánchez San Román, F.J., 2016). 7. Cálculo del coeficiente de uniformidad temporal El coeficiente de uniformidad temporal representa el coeficiente de la distribución en el tiempo de la precipitación. En cuencas de superficies grandes, es usual que la intensidad de precipitación sea heterogénea en función del tiempo de concentración (Ec.13) (Sánchez San Román, F.J., 2016). Kt=1+ tc 1.25 tc 1.25+14=1.39 (13) Siendo: 𝐾𝑡= Coeficiente de uniformidad temporal. 𝑡𝑐= Tiempo de concentración en horas. 8. Cálculo del caudal de diseño Aplicando el Método Racional, el caudal de diseño se calcula como indica la Ec.14. Q=C∙It∙A∙Kt 3.6 (14) Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 51 Obteniendo el caudal en 𝑚3 𝑠 (Sánchez San Román, F.J., 2016). Por la escasez de datos de entrada para calcular el caudal de diseño por este método, se descarta y se aplica otra metodología. 7.1.1.2. Cálculo del caudal de diseño con el coeficiente de escorrentía Como aproximación más exacta con los datos que se han podido extraer de la presa de implantación de la instalación de Nikki, se ha decidido calcular el caudal de diseño de la turbina, a partir del uso del hidrograma de la cuenca de aportación y del coeficiente de escorrentía. El coeficiente de escorrentía interpreta la porción de agua del total de precipitaciones que realmente produce escorrentía superficial cuando se ha saturado totalmente el suelo. Su valor es función de las propiedades del suelo que condicionan la infiltración de agua a través de él. Existe una gran cantidad de métodos diferentes para su cálculo, pero todos ellos se basan en la experimentación. La determinación de su valor se lleva a cabo utilizando ecuaciones empíricas o tablas. Las más empleadas son las tablas de Raws, la de Molchanov y la de Prevert, por su lado, entre las ecuaciones destacan la ecuación de Nadal y la fórmula de Keler. En este estudio se utiliza el Método de Raws. Utilizando las imágenes aéreas del terreno se observan cultivos y un relieve ondulado, por ello, se toma como coeficiente de escorrentía: 𝐶=0.6 obtenido de la Tabla 9 (Ibáñez Asensio, S., 2012). Tabla 9: Método de Raws (Ibáñez Asensio, S., 2012). Tipo de terreno C Bosque. Relieve ondulado 0.18 Bosque. Relieve quebrado 0.21 Pasto. Relieve ondulado 0.36 Pasto. Relieve quebrado 0.42 Cultivos. Relieve ondulado 0.60 Cultivos. Relieve quebrado 0.72 Para conocer el caudal que fluye a través del azud se procede a utilizar los datos de los que disponemos: el hietograma medio de Nikki que representa un año, el coeficiente de escorrentía y la cuenca aportante, por medio de la Ec.15. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 52 𝑄=𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠∙𝐶𝑎𝑝∙𝐶 (15) Siendo: 𝐶𝑎𝑝=133.66𝑘𝑚2 𝐶=0.60 Utilizando los datos que (Weather Spark, 2020) proporciona, se construye en Microsoft Excel una tabla de datos con las precipitaciones de lluvia promedio por cada semana del año y el cálculo del caudal de cada una de ellas como se muestra en la Fig. 25 y se adjunta en el Anexo 1. De tal manera que, en el futuro, si se pueden llevar a cabo mediciones en el terreno, se puede obtener el hietograma empírico. Además, se puede editar para ser aplicable a otros emplazamientos del mundo, variando los datos de precipitaciones y el valor del coeficiente de escorrentía. El hietograma con los datos disponibles se muestra en la Fig. 26 y el hidrograma obtenido: Fig. 27. Figura 25: Muestra de la tabla Excel para el cálculo del caudal por semanas (Weather Spark). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 53 Figura 26: Hietograma promedio de Nikki (Weather Spark). Figura 27: Hidrograma de Nikki en un año promedio. Se toma como caudal diseño de partida un valor de 𝑄=0.13𝑚3 𝑠 porque el valor del caudal de las semanas más secas del caño en Nikki es de 0.133𝑚3 𝑠 excluyendo las 7 semanas de caudal nulo que ocurren en enero y diciembre. Gracias al embalse de agua disponible, la turbina podrá funcionar todo el año. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 54 7.1.2. Determinación del salto neto Otra dimensión esencial en el diseño de minicentrales hidroeléctricas es el salto. Teniendo en cuenta las restricciones que ponen la viabilidad económica y la huella en el medio ambiente, debe ser el máximo posible en función de la topografía del terreno. Términos importantes: • Salto bruto (Hb): Altura medida entre la toma de agua de la presa y el punto de descarga del caudal turbinado al río. • Salto útil (Hu): Desnivel existente entre la superficie libre del agua en la cámara de carga y el nivel de drenaje en la turbina. • Salto neto (Hn): Es la diferencia entre el salto útil (Hu) y las pérdidas de carga a lo largo de todas las tuberías. Indica la energía máxima que se puede convertir en trabajo en el eje de la turbina. • Pérdidas de carga (Hp): Son las pérdidas por fricción del agua contra las paredes del canal (especialmente en la tubería de presión), más las pérdidas causadas por turbulencia cuando el flujo de agua cambia de trayectoria o al pasar por una rejilla o una válvula, etc. Se miden como pérdidas de presión (o altura de salto) y se calculan mediante fórmulas derivadas de la dinámica de fluidos. En la Fig. 28 se muestra un esquema sobre los diferentes conceptos explicados relativos al salto. Se puede utilizar el plano del terreno de estudio para estimar, en una primera aproximación, el salto bruto. Aunque, para una determinación más adecuada y precisa, convendría realizar un levantamiento topográfico en el área. De la misma manera, se puede suponer que las pérdidas de carga son aproximadamente del 5% al 10% del salto bruto (Castro, A., 2006). Figura 28: Esquema general de un salto de agua (Castro, A., 2006). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 55 La altura bruta existente en el azud de estudio que se muestra en las Fig. 29 a Fig. 31 se estima que es de aproximadamente 4m. El objetivo es utilizar el máximo salto, dentro del desnivel disponible en el azud, para obtener la mayor cantidad de energía sin construir un tornillo de diámetro excesivo, de tal manera que su fabricación e implantación sea lo más sencilla posible. A mayores, utilizar un alto valor de desnivel, permite que el caudal de diseño escogido sea lo suficientemente pequeño como para que la turbina sea operativa durante todo el año, a pesar de que en Benín existe una estación seca y otra húmeda. Sin embargo, las limitaciones en la fabricación, en la potencia del generador y las dimensiones del tornillo, también se tendrán en cuenta en el diseño final de la turbina. Figura 29: Fotografía 1 del azud de Nikki. Figura 30: Fotografía 2 del azud de Nikki. Figura 31: Fotografía 3 del azud de Nikki sin caudal. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 56 7.2. DETERMINACIÓN DE LA GEOMETRÍA DEL TORNILLO 7.2.1. Parámetros internos y parámetros externos La geometría del tornillo de Arquímedes está determinada por unos parámetros externos y por otros internos. Los primeros de ellos están condicionados por la localización del tornillo y por la cantidad de agua que se requiere que sea movida. Los parámetros internos, sin embargo, son independientes de todo ello y pueden ser escogidos para maximizar el funcionamiento del tornillo, diseñando un tornillo óptimo (Rorres C., 2000). Los parámetros principales se muestran en la Fig. 32. Los parámetros externos son: • 𝐷𝑜: diámetro exterior del cilindro del tornillo (m). • 𝐿: longitud total del tornillo (m). • 𝐾: pendiente del tornillo (adimensional). Los parámetros internos son: • 𝐷𝑖: diámetro interior del cilindro del tornillo (m). (0≤𝑅𝑖≤𝑅𝑜) • 𝜏: paso o periodo de un filo (m). (0≤𝜏≤𝑅𝑜∙2𝜋/𝐾) • 𝑁: Número de álabes (adimensional). Figura 32: Vista de perfil de una sección de un Tornillo de Arquímedes de 2 álabes. (Rorres C., 2000). Para conocer los valores de los parámetros externos, se necesitan especificar dos datos de entrada, que son condicionados por las peculiaridades del emplazamiento y del flujo hídrico a utilizar. Estos son: Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 57 • Caudal máximo de diseño: 𝑄=0.13𝑚3 𝑠 • Altura neta del salto que tendrá como valor máximo: 𝐻𝑛=4𝑚 A partir del valor del caudal máximo de diseño y de la altura neta, se definen los parámetros exteriores. La elección de ellos es derivada de la información empírica del funcionamiento del sistema. A partir de la tabla experimental que se muestra en la Fig.33, entrando con el valor del caudal de diseño, se conoce un primer valor recomendado de diámetro exterior del tornillo. También aparece tabulado el valor del ángulo 𝜃, el ángulo de inclinación del tornillo (Fernández Piegari, M., 2010). Figura 33: Valores del diámetro exterior y del ángulo de inclinación en función del caudal de diseño (Fernández Piegari, M., 2010) Sin embargo, se dispone de información empírica (Tabla 10) suficiente como para poder tomar como ángulo de inclinación del tornillo, la pendiente aproximada del azud, en caso de que se decida instalar la turbina directamente sobre el azud que ya existe en Nikki. La pendiente se calcula en la Ec.16. Tabla 10: Datos sobre el azud de Nikki Ancho 20m Largo 15m Altura Neta 4m Ángulo de inclinación 22.4° Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 64 7.2.2. Descarga del tornillo. Caudales. Las diferencias principales entre los motores de tornillo de Arquímedes y las turbinas son: la dirección del transporte de agua, las condiciones de la toma, y las de salida del agua. El caudal de diseño se divide en los siguientes cinco componentes a su paso por el tornillo, se muestran en la Fig. 39. Figura 39: Balance de caudales (MSc Charisiadis C., 2015). • 𝑄𝑤: Caudal que genera la rotación del tornillo. • 𝑄𝐺: Caudal de fugas perdido por la holgura entre los álabes y la carcasa del tornillo. • 𝑄𝑂: Caudal de pérdidas debido al llenado excesivo de los cubos, es decir, cuando se llenan por encima del punto F de la Fig.40. • 𝑄𝐹: Caudal de pérdidas debido a la fricción del agua que se adhiere a los álabes. • 𝑄𝑃: Caudal de pérdidas que se da si no hay placas conductoras en el diseño (MSc Charisiadis C., 2015). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 65 Figura 40: Sección transversal de un tornillo de Arquímedes usado para una planta hidroeléctrica (MSc Charisiadis C., 2015). El caudal de pérdidas 𝑄𝑃 se puede despreciar si se usan placas conductoras como las que se muestran en la Fig. 41. El caudal de pérdidas por fricción 𝑄𝐹 es despreciable siempre porque sus efectos son mucho menores con respecto al resto. Por lo tanto, el balance de los caudales se tiene la Ec.26. (MSc Charisiadis C., 2015): 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜=𝑄𝑤+𝑄𝐺+𝑄𝑂 (26) Figura 41: Placas guía (MSc Charisiadis C., 2015). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 66 Los tres componentes, se calculan a continuación. El volumen de agua en cada cubo se mantiene fijo según el cubo desciende porque las pérdidas de caudal 𝑄𝐺,𝑄𝑂 de cada cubo están equilibradas con el flujo que entra en cada cubo desde el cubo que se encuentra superior a él en el conducto. El caudal 𝑄𝑤 que genera el momento torsor de la turbina es la parte del caudal total 𝑄 que llena cada cubo hasta el punto de llenado óptimo F, entonces, cada cubo tiene un volumen igual a 𝑉𝑢. La energía hidráulica de los dos caudales de pérdidas se pierde en forma de turbulencia. Solamente la energía hidráulica del volumen de agua 𝑉𝑢, de cada cubo, puede transformarse en energía rotacional del tornillo (Ec.27) (MSc Charisiadis C., 2015). 𝑄𝑤=2𝜋2∙𝑅𝑜 3 tan𝜃∙ 𝜆 𝜈∙𝑛 60 (27) Siendo n la velocidad de rotación del tornillo en 𝑚𝑖𝑛−1. Basándose en la experiencia y en la experimentación, se demostró que la velocidad de rotación debe ser como máximo (Ec.28): 𝑛≤ 50 (2∙𝑅𝑜)23 ⁄ (𝑚𝑖𝑛−1) (28) La mayoría de los fabricantes europeos recomiendan esa velocidad de rotación (MSc Charisiadis C., 2015). Gracias a la expresión de Weisbach de 1855 (Ec.29), se puede calcular el volumen de agua que fluye a través del tornillo en cada vuelta en 𝑚3. 𝑄𝑤=𝑛 60∙𝑉𝑢→𝑉𝑢=60∙𝑄𝑤 𝑛 (29) Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 67 Para el cálculo del caudal de pérdidas 𝑄𝐺, por la holgura entre los álabes y la carcasa debido a una diferencia de alturas entre los cubos (Ec.30) (Rorres C., 2000), se utiliza la Ec.31 (MSc Charisiadis C., 2015). 𝛿ℎ=𝜏 𝑁∙sin𝜃 (30) 𝑄𝐺=𝜇𝐴∙𝑠𝑆𝑃∙𝑅𝑂∙(1+𝑠𝑆𝑃 2𝑅𝑂)∙√1+( 𝜏 (2𝜋∙𝑅𝑂)2)∙(2 3∙𝛼3+𝛼4+2 3∙𝛼5)∙√2∙𝑔∙𝛿ℎ (31) Los términos de la Ec.31 son: • 𝑠𝑆𝑃 : La máxima holgura entre la carcasa y los álabes. Depende de la flexión del tornillo que al rotar sobre sí mismo es función de su peso, del grosor de los materiales y de la longitud entre los cojinetes. El máximo valor de esta holgura se suele estimar a partir de la ecuación empírica Ec.32 (MSc Charisiadis C., 2015). 𝑠𝑆𝑃=0.0045∙√2∙𝑅𝑂 (32) • 𝜇𝐴 : Coeficiente de reducción de flujo. Se encuentra entre los valores de [0.65,1]. Su valor depende de la forma del filo de los álabes. En este diseño se le da el valor de 𝜇𝐴=1 para diseñar en base al caso más desfavorable (MSc Charisiadis C., 2015). • 𝛼3,𝛼4,𝛼5: Ángulos que se muestran en la Fig. 42 y son aquellos que determinan la corriente de pérdidas 𝑄𝐺 determinado por la superficie de agua del tornillo (Nuernbergk D., 2013). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 68 Figura 42: Definición de los ángulos 𝛼3,𝛼4,𝛼5 (Nuernbergk D., 2013). Los valores en radianes de los ángulos de la corriente de pérdidas son los que se exponen en la Tabla 12. Tabla 12: Valores numéricos de los ángulos 𝛼3,𝛼4,𝛼5 (Nuernbergk D., 2013). Símbolo Valor (rad) 𝛼3 7𝜋 36 𝛼4 29𝜋 45 𝛼5 13𝜋 90 La Ec.31 muestra que el caudal de pérdidas no depende de la velocidad de rotación n. Sin embargo, las pérdidas mecánicas por fricción disminuyen según la velocidad de rotación n se reduce. Por lo tanto, el caudal de pérdidas determina la eficiencia alcanzable por el tornillo. El caudal de pérdidas debido al llenado excesivo de los cubos es 𝑄𝑂. Como el diseño que se desarrolla pone como condición el llenado óptimo del tornillo, es decir, sin superar el nivel del punto F de la Fig. 40, 𝑄𝑂=0. El resultado es que la Ec.26 del balance de caudales se reduce a la Ec.33. 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜=𝑄𝑤+𝑄𝐺 (33) Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 69 El caudal de diseño resultante debe ser menor al caudal de diseño máximo que se calculó anteriormente (Ec.34). En el programa de Microsoft Excel que se adjunta en el Anexo 2 se comprueba si el resultado del caudal de diseño es válido comparándolo con el máximo (MSc Charisiadis C., 2015). 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜≤Q=0.13𝑚3 𝑠 (34) 7.2.3. Cálculo de la altura 𝒉𝒊𝒏 La turbina del tornillo de Arquímedes tiene la ventajosa propiedad de que puede trabajar con un flujo de hasta un 120% del llenado óptimo sin sufrir una pérdida significante de eficiencia. Aun así, se diseña para no tener pérdidas por llenado excesivo y para ello, se requiere el cálculo del parámetro ℎ𝑖𝑛, que se representa en la Fig. 40. Se asume que el agua entrante accede al tornillo en forma de canal rectangular, cuya anchura coincide con el valor del diámetro exterior del tornillo, es decir, 2𝑅𝑂. La altura del agua entrante coincide con el valor del radio exterior, es decir, con 𝑅𝑂. La condición del valor la altura es la de satisfacer el reconocido hecho de que para minimizar la fricción de un flujo de agua en un canal rectangular abierto, la altura del agua debe ser la mitad de la anchura del canal (MSc Charisiadis C., 2015). Primeramente, se necesita calcular el valor del volumen total adimensional con la Ec.35. 𝑣𝑡 es una extensión del volumen adimensional 𝜈 de la Tabla 11 y se relaciona con él como muestra la Ec.36. Cuando se llena el tornillo de forma óptima, 𝑄𝑂=0 y la Ec.36 se reduce a la Ec.37 (MSc Charisiadis C., 2015). 𝑣𝑡=𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝜋∙𝑅𝑂 2∙𝑐𝑎𝑥 (35) 𝑣𝑡=𝑣𝑢+𝑄𝐺 𝜋∙𝑅𝑂 2∙𝑐𝑎𝑥+𝑄𝑂 𝜋∙𝑅𝑂 2∙𝑐𝑎𝑥 (36) 𝑣𝑡=𝑣𝑢+𝑄𝐺 𝜋∙𝑅𝑂 2∙𝑐𝑎𝑥 (37) Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 70 En la Ec.35 aparece el término 𝑐𝑎𝑥 que es la velocidad de transporte axial, y se define como Ec.38 en 𝑚𝑠 ⁄: 𝑐𝑎𝑥=𝜏∙𝑛 60 (38) Figura 43: Sección transversal de la entrada de un tornillo de Arquímedes (Nuernbergk D., 2013). La Fig.43 muestra el perfil del nivel de fluido cuando el agua entra al tornillo desde un canal con un caudal de 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 y una altura ℎ1 que es la suma de ℎ𝑖𝑛 y 𝑤, que depende de la obra civil realizada, por lo que es un valor que se puede decidir (MSc Charisiadis C., 2015). El agua accede al tornillo atravesando el Plano 2 que muestra la Fig.43. El Plano 2 es perpendicular al flujo de agua que tiene una altura ℎ2. La altura ℎ2 difiere ligeramente del valor de la altura de entrada ℎ𝑖𝑛. Para determinar el valor de ℎ𝑖𝑛 para un flujo concreto, primeramente, se necesita desarrollar un modelo analítico de ℎ2. Cabe destacar que el nivel del agua describe lo que se conoce como un perfil drop-down al atravesar el Plano 2 debido a un incremento de la velocidad del flujo en el plano mencionado debido al movimiento descendente de los cubos de agua (MSc Charisiadis C., 2015). Desafortunadamente, no existe una solución única para resolver las alturas de un perfil drop-down, debido a que cada álabe que mueve el agua modifica el Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 71 perfil. La aproximación que se aplica es la de un flujo constante de altura ℎ3 y de velocidad axial de 𝑐𝑎𝑥, obtenida de la Ec.38. Figura 44: Sección de corte por el plano 3 de la Fig.43 (Nuernbergk D., 2013). Siendo 𝐴3 el área promedio de agua de la sección transversal del tornillo (Fig.44), el volumen total adimensional se calcula como Ec.39 y se obtiene 𝐴3 en función de él. 𝑣𝑡=𝐴3 𝜋∙𝑅𝑂 2→𝐴3=𝑣𝑡∙𝜋∙𝑅𝑂 2 (39) Para obtener el valor de la altura ℎ3, se aprovecha la dependencia que tiene con los parámetros adimensionales de 𝑣𝑡 y de 𝜌. Existen distintas formas de calcular esta altura, o bien a partir de ecuaciones o utilizando gráficos. Sea cual sea el método utilizado, es preciso definir el parámetro adimensional de la altura 𝑘 (Ec.40). 𝑘=ℎ3 𝑅𝑂 (40) El método utilizado en el programa de Microsoft Excel desarrollado en este trabajo en el Anexo 2 es a partir de la tabla de la Fig.45. Dicha tabla muestra los resultados de cálculo para diferentes ratios de radio (𝜌). Al obtener k a partir Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 72 de 𝑣𝑡 y de 𝜌, se puede calcular el valor de ℎ3 a partir de la Ec.40 (MSc Charisiadis C., 2015). Los valores típicamente utilizados por los fabricantes son de 𝜌=0.3; 𝜌=0.5 (MSc Charisiadis C., 2015). Figura 45: Resultados del cálculo de k para diferentes valores de 𝑣𝑡 vs. 𝜌 (Nuernbergk D., Rorres C., 2013). Se utiliza la aproximación de que la altura ℎ2 es la proyección de la ℎ3 en la dirección vertical, por lo que a partir de la Fig.40, se obtiene la Ec.41. ℎ2=ℎ3∙cos𝜃 (41) Entonces, para el cálculo de la altura de entrada ℎ𝑖𝑛, se aplica la ecuación de Bernouilli entre los Planos 1 y 2 (Ec.42), que se muestran en la Fig.40 (MSc Charisiadis C., 2015). ℎ1+𝑐12 2𝑔=𝑤+ℎ2+𝑐22 2𝑔∙(1+𝜁) (42) Siendo: 𝜁= factor de pérdidas hidráulicas. 𝑐1 = velocidad del flujo en el Plano 1. 𝑐2 = velocidad del flujo en el Plano 2. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 73 Para calcular las velocidades 𝑐1 y 𝑐2 es preciso realizar dos suposiciones: • ℎ1=𝑅𝑂 • 𝑏1=𝑏2=2∙𝑅𝑂 Siendo 𝑏1 y 𝑏2 las anchuras de los canales mostrados en la Fig.43 y ℎ1 la altura del canal en el Plano 1. Con las definiciones de los caudales que atraviesan cada uno de los Planos 1 y 2 (Ec.43 y Ec.45) se obtiene la relación entre velocidades y alturas Ec.44 (MSc Charisiadis C., 2015). 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜=𝑐1∙𝑏1∙ℎ1 (43) 𝑐1∙ℎ1=𝑐2∙ℎ2 (44) 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜=𝑐2∙𝑏2∙ℎ2 (45) El resultado es que la altura inicial para un caudal de diseño 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 (Ec.46). ℎ𝑖𝑛=ℎ1−𝑤=ℎ2+1 2∙𝑔∙(𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 ℎ2∙𝑏2)2∙[1+𝜁−(ℎ2 ℎ1)2] (46) El único término desconocido de la Ec.46 es el factor de pérdidas hidráulicas 𝜁. Su valor puede ser estimado aplicando Borda-Carnot con la pérdida de altura que sufre el flujo cuando el agua entra del Plano 2, como un canal rectangular, al Plano 3, a la entrada circular inclinada del tornillo (Fig. 43). Dicha relación de Borda- Carnot se puede escribir como la Ec.47 (MSc Charisiadis C., 2015). 𝜁=(𝐴3 𝐴2−1)2 (47) En la Ec.47 se utilizan las definiciones de las áreas 𝐴3 y 𝐴2. 𝐴3 tiene un valor conocido, obtenido en la Ec.39 y 𝐴2 se define como la Ec.48. 𝐴2= 𝑘∙ 𝑅𝑂∙𝑏2∙cos𝜃 (48) Resolviendo la Ec.47, se calcula el valor de la altura inicial ℎ𝑖𝑛 con la Ec.46 y se puede despejar el valor de 𝑤. 𝑤 es un parámetro que se refiere a la obra civil de la turbina, se muestra a qué se refiere en la Fig.44. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 80 8. PREDISEÑO DE LA CENTRAL 8.1. OBRA CIVIL En este proyecto solo se indica una noción de obra civil a llevar a cabo para la instalación de la central. El azud de Nikki es uno de los únicos puntos de agua de la comuna junto con los pozos. Es por ello, por lo que se utiliza para diversos fines por parte de su comunidad. El embalse es utilizado por corporativas de agricultores, como, por ejemplo, por la cooperativa Gah Maro, que utiliza sus aguas para el riego a través de bombeo (Fig.48). Figura 48: Fotografías de los cultivos de la cooperativa Gah Maro También se realizan cultivos de piscifactoría en las aguas del embalse, concretamente de la especie tilapia. Además, es un punto de bebida para el ganado y a nivel doméstico, la comunidad lava su ropa en el azud, se bañan y toman agua de consumo personal y doméstico. Se han barajado tres opciones como emplazamiento de la turbina en el azud de Nikki: • La primera opción consiste en realizar la obra civil en el dique de tierras que se encuentra en la margen izquierda del azud. Se ha decidido descartar esta solución por ser mucho más compleja, ya que sería necesario realizar una obra completa desde los movimientos de tierras. Además, el contacto de tierra con hormigón es susceptible de provocar fallas si no se trata debidamente y con los materiales precisos. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 81 • La segunda opción, se basa en el aprovechamiento del azud que ya está construido realizando rebajes en los labios del murete y del inicio del dique inclinado. Instalar la turbina de Tornillo de Arquímedes aprovechando la construcción ya existente del azud, evitaría desviar agua de él, lo cual es importante debido a la cantidad de usos que se le da. Con este diseño de instalación en el azud, se aprovecha que ya una zona del dique del aliviadero se encuentra demolida o dañada, lo que conlleva un ahorro en demolición y a su vez, se puede aprovechar la intervención para reparar dicha zona. En la fotografía de la Fig.49, se ilustra lo descrito. Se le aportaría relleno de material construyendo la cama o zapata corrida de hormigón que sirve de apoyo a la caja que aloja el tornillo de Arquímedes. Figura 49: Fotografía del aliviadero del azud La forma de instalar la turbina partiría de demoler parte del labio del murete del aliviadero que se muestra en la Fig.50, con una dimensión de aproximadamente 0.65m en horizontal y de 1.10m en vertical. En ese recorte, se encajaría el cajón de sección rectangular que conduciría el caudal, hasta el inicio del tornillo de Arquímedes, cuyo diámetro exterior es de 0.55m. En un primer tramo, el cajón conduciría al caudal en horizontal, en llano, que corresponde con el primer tramo del azud que muestra la Fig.50. Sería necesario instalar una rejilla al inicio del cajón en el contacto con la pared del embalse, que retuviera todo tipo de plantas, algas y otros flotantes. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 82 Figura 50: Fotografía del murete del aliviadero que se necesitaría demoler parcialmente. Para favorecer el funcionamiento de la turbina, se construye una continuación del cajón guía en el dique del aliviadero. La Fig. 51 es un esquema de mediciones en metros sobre una fotografía del azud. La altura del dique del aliviadero es de aproximadamente 3m y la altura del tornillo de Arquímedes es de 1.5m. De esta manera, el agua llega con algo más de velocidad gracias a la caída de 1.5m de altura y 20º de inclinación antes de entrar en el tornillo. La intención es de instalar el tornillo lo más inferior posible, haciéndolo que apoye en su parte más baja, inmediatamente antes de los dientes del final del aliviadero. El plano inclinado tiene una longitud de 10m aproximadamente (Fig.51), incluyendo los dientes. El tornillo tiene una longitud total de 4.4m. Evitando los dientes, se dispondría aproximadamente de 4m de dique inclinado donde se encajaría la continuación del cajón que conduciría el agua desde el tramo horizontal. Con la Fig.52 se ilustra esta primera solución. El azud, presenta un segundo labio que se encuentra en el inicio inclinado del dique, y se puede observar en la Fig.51. Al igual que al labio del murete, se le demolería una parte, de longitud horizontal igual a la de toda la caja, 0.65m. Este labio es de sección cuadrada de 0.3m de lado. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 83 Figura 51: Esquema de medidas en metros del azud de Nikki. Figura 52: Esquema ilustrativo de la segunda solución planteada. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 84 • La tercera solución considerada, también parte del aprovechamiento del azud construido y se ilustra con el esquema de la Fig.53. La diferencia con la segunda solución recae en que, en lugar de llevar a cabo unas pequeñas demoliciones de los dos labios, se levantaría ligeramente el murete primero del dique (Fig.50). El emplazamiento del tornillo consistiría en apoyar en el murete ya existente del labio de vertido, el cajón. Ese punto sería el de mayor altura del tornillo y se colocaría inclinado hasta apoyar con el tramo horizontal del azud, que se observa en la Fig.54. Para conseguir esta configuración, se necesitaría levantar el murete existente en la actualidad, aproximadamente 0.5m. Esta posibilidad tendría como ventaja trabajar en la zona llana en lugar de en la zona inclinada y no necesitaría llevarse a cabo la operación de demolición. Esta solución se descarta porque al levantar el murete, le quitamos al embalse un poco de resguardo y por tanto de seguridad. El azud de estudio tiene construido el aliviadero de mortero, de material pétreo. Sin embargo, el resto del dique es de materiales sueltos. Para evitar el sobre vertido, en caso de avenida extrema, se descarta esta solución. Figura 53: Esquema ilustrativo de la tercera solución planteada. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 85 Figura 54: Fotografía del tramo horizontal del azud. Para cualquiera de las dos propuestas que conllevan el aprovechamiento de la construcción del azud, por seguridad, debido a la concentración de gente que se reúne en el azud, la carcasa de la turbina estará cerrada por la zona superior, siendo un cilindro completo. Como conclusión, la obra civil propuesta es la representada en la Fig.52 y la explicada como segunda opción. Partiendo del esquema de la Fig.52, se propone la instalación de una tubería que abrace la superficie del azud hasta llegar a la entrada del tornillo de Arquímedes. Dicha tubería contaría con dos válvulas, una al inicio y otra en la desembocadura y ejercería el efecto pistón, permitiendo que la turbina funcionara durante todo el año. En lugar de una rejilla, sería necesaria una malla que únicamente dejara pasar el agua. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 86 En las Ec.50, se hace un primer cálculo del valor del diámetro necesario para la tubería, para el caudal de diseño de la turbina de 𝑄=0.13𝑚3 𝑠. 1 2∙𝑚∙𝑣2=𝑚∙𝑔∙ℎ 𝑣=√2∙𝑔∙ℎ=√2∙9.81∙1.1=4.65𝑚 𝑠 𝑄=𝑣∙𝜋∙𝑑2 4 → 𝑑=√4∙𝑄 𝑣∙𝜋≅0.2𝑚 (50) Por último, se ha pensado que, para evitar fallos en caso de subidas altas del embalse en época de lluvias, el tornillo se elevaría a través de unas patas, para permitir al caudal excedente, fluir por debajo de él. El tornillo no tendría problemas por estar hundido, sin embargo, el alternador se elevaría con respecto a la carcasa por medio de un soporte, para evitar su contacto con agua. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 87 8.2. INSTALACIÓN ELÉCTRICA El sistema eléctrico de generación de una picocentral hidráulica consiste en cuatro elementos principales: un generador, un controlador eléctrico, un sistema de distribución y una carga eléctrica. El par de rotación del rotor de la turbina hace girar el eje que a su vez provoca la rotación en el generador, directamente o mediante una transmisión mecánica. El generador transforma la energía mecánica en energía eléctrica. En instalaciones de micro o picocentrales, los generadores más utilizados son los motores de inducción y los generadores de imanes permanentes. La corriente eléctrica de salida suele ser monofásica de corriente alterna (AC). (Patrick Ho-Yan B., 2012). 8.2.1. Alternador de coche como generador El generador eléctrico en una turbina hidráulica es el dispositivo fundamental del sistema porque es la máquina que se ocupa de transformar la energía mecánica del giro del tornillo de Arquímedes en energía eléctrica. Como este proyecto tiene como objetivo la construcción de una turbina en la comuna de Nikki, se quiere evitar el elevado coste de la instalación y la dependencia con países extranjeros por la importación de elementos. Como posible solución, se plantea el uso de alternadores de vehículos, que se puedan encontrar en los desguaces de la comuna como generadores de la turbina, en concreto, alternadores de coche (Segura Rodríguez I., 2016). El alternador es el dispositivo del circuito eléctrico de los automóviles que lo abastecen de energía eléctrica. Durante el funcionamiento del vehículo, el alternador carga su batería y abastece a los sistemas eléctricos que lo necesiten. Las partes del alternador se indican en la Fig.55 y se explican a continuación: • Polea. El motor térmico de combustión produce una fuerza mecánica que origina el movimiento de la polea valiéndose de una correa. La polea y el eje del alternador se encuentran conectados y de esta manera, la polea se ocupa de hacer girar el rotor del interior del alternador. En los dispositivos más modernos, la polea también hace rotar al ventilador que se encuentra en el interior del alternador (Álvarez S., 2020). • Rotor. Es el inductor, la parte giratoria del alternador. Está integrado por un electroimán al que llega corriente proveniente del regulador y por medio de unos anillos rozantes que se sitúan en el eje. El electroimán Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 88 provoca un campo magnético que hace que las bobinas del estátor produzcan corriente eléctrica (Mateos Aparicio J., 2020). • Estátor: Es el inducido, la parte fija del alternador. Sobre el estátor está el bobinado trifásico que puede estar establecido en triángulo o en estrella. • Regulador: Se ocupa de mantener en 14.5 V la tensión máxima de salida del alternador y de regular la cantidad de corriente que demanda la batería. • Puente rectificador de diodos: Transforma la corriente alterna producida en el estátor en corriente continua (Jiménez J., 2020). Figura 55: Partes de un alternador de coche (Aranguren A., 2017). Al arrancar un automóvil, la batería manda corriente eléctrica a la bobina del rotor del alternador. Cuando el motor es arrancado el rotor empieza a girar y el alternador comienza a producir energía. Posteriormente, el motor ya estará en funcionamiento y entonces, el regulador se alimenta de la energía que el propio alternador produce (Aranguren A., 2017). Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 89 8.2.1.1. Principales fallos de alternador de coche En Benín se pueden comprar alternadores de coche en tienda sin utilizar, pero son menos costosos económicamente y contribuyen a la economía circular y al desperdicio cero de la corriente Lean, el uso de alternadores desechados de desguace, provenientes de coches inutilizables. A continuación, se describen los principales fallos que puede sufrir un alternador debidos al deterioro de algunos de sus elementos. Algunos de ellos son fácilmente reparables y compensaría su uso como generador de la turbina. • Uno de los fallos más frecuente es el de las escobillas. Las escobillas están permanentemente rozando con las partes móviles del alternador, por lo que es habitual su desgaste. Se comprueba el fallo al medir con un amperímetro y obtener saltos extraños. La solución más sencilla es su reemplazo, ya que son piezas baratas. • Otro fallo que se puede dar es el de los diodos del rectificador. Los diodos del puente rectificador dejan de funcionar por el paso del tiempo. La consecuencia es que no dejan pasar la energía suficiente para solventar las necesidades eléctricas del automóvil y conservar la batería cargada. Con un multímetro se puede comprobar si poseen la resistencia necesaria. Si la potencia que transportan es superior a 1.5 kW, el alternador sería útil como generador de la turbina, sin necesidad de reparación. • Si el problema se encuentra en el rotor, habrá unos niveles de tensión muy bajos o nulos. Este alternador, no resulta factible como generador para una turbina, y su reparación no sería provechosa. • Si el fallo es provocado por el regulador de voltaje, la causa más probable es que se haya quemado como consecuencia del uso. La reparación consistiría en su sustitución y una posterior comprobación de que el alternador funciona con normalidad (Jiménez J., 2020). 8.2.2. Controlador eléctrico Los controladores de carga electrónicos se utilizan como frenos eléctricos para regular la velocidad de rotación de la turbina al desviar la energía a los receptores de descarga conectados. Los receptores de descarga, que generalmente son grandes elementos resistivos, se utilizan para disipar los excesos de energía eléctrica. El uso de los controladores de carga electrónicos permite que se pueda prescindir de sistemas mecánicos de control de flujo, que suelen ser más costosos económicamente y menos fiables. Controladores electrónicos más sofisticados, pueden a mayores, realizar un mayor Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 96 9.2. DISEÑO DEL ACOPLAMIENTO MODULAR Hasta este punto se ha modelado completamente un paso del tornillo de Arquímedes. Partiendo de dicho modelo, se diseña el acoplamiento modular. El diseño modular se desarrolla para estandarizar la fabricación de un único paso del tornillo, además de lograr así una mayor facilidad tanto en la fabricación como en el transporte. Después de valorar diferentes opciones, se decide que la más factible es realizar un sistema agujero-eje-pasador, debido a las tolerancias asociadas a los pasadores, que son más fácilmente asequibles que las de las chavetas, generalmente utilizadas para la transmisión de movimiento. Los extremos del tornillo se encontrarán apoyados, por lo que los pasadores únicamente mantienen unidos los módulos y transmiten el movimiento. El sistema consiste en un eje de 80mm en un extremo del módulo y un agujero en el otro con un pequeño pasante en ambos para evitar el movimiento relativo con un pasador. En la Fig.65 se muestra el croquis del eje, situado en uno de los extremos del eje interno del tornillo de Arquímedes. Figura 65: Croquis eje salida A continuación, en la Fig.66 se muestra la extrusión del eje, la cual tiene una longitud de 200mm. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 97 Figura 66: Extrusión eje salida Este proceso realizado con el eje se repite para realizar un agujero en el otro extremo del mismo diámetro y de la misma longitud como se muestra en las Fig.67 y Fig.68. Figura 67: Croquis agujero salida Figura 68: Corte agujero salida En las Fig.69 y Fig.70 se muestran los croquis de los dos agujeros pasantes (uno en el macho y otro en la hembra) encargados de impedir el movimiento relativo entre un módulo y el siguiente. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 98 Figura 69: Croquis agujeros pasantes Figura 70: Corte agujeros pasantes Por último, en la Fig. 71 se muestra una imagen del tornillo de Arquímedes modular final. Figura 71: Modelo para impresión 3D Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 99 Sin embargo, debido a las dimensiones del tornillo de Arquímedes, la resistencia que se le busca y las dificultades encontradas en utilizar la impresión 3D para realizar un prototipo a escala, se decide utilizar soldadura para la fabricación. Partiendo de un eje hueco machihembrado, se soldarían los álabes a su alrededor. La soldadura es un proceso de fabricación habitualmente desarrollado en Benín, por lo que no supone una dificultad para sus trabajadores. Inicialmente, se planteó la utilización de acero inoxidable, pero debido a la dificultad de realizar soldadura con este material, ya que requiere equipos especiales, se propone la fabricación de hierro. Se pueden encontrar tubos machihembrados de hierro, a los que los álabes se soldarían, y al finalizar, se le aplicaría pintura antioxidante. El modelo mostrado en la Fig.71, no es adecuado para la fabricación en hierro, debido al elevado peso derivado de un eje macizo. Por ello, se propone para la fabricación en hierro, el modelo de la Fig.72. Figura 72: Modelo para fabricación en hierro Las uniones entre módulos también se llevarían a cabo a partir de pasadores y, si fuera necesario, se contempla un reforzamiento utilizando puntos de soldadura. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 100 10. PRESUPUESTO 10.1. COSTE DE MANO DE OBRA Para la estimación de un presupuesto orientativo inicial, la mano de obra se ha calculado teniendo en cuenta las siguientes definiciones (Departamento Presidencia del Gobierno., 1980): • Oficial de primera: “El que poseyendo conocimientos de algún oficio lo practica con tal grado de perfección que no sólo le permite llevar a cabo trabajos generales del mismo, si no aquellos otros que suponen especial empeño y delicadeza (Departamento Presidencia del Gobierno., 1980). • Oficial de segunda: “El que sin llegar a la especialización exigida para los trabajos perfectos ejecuta los correspondientes a determinado oficio con la suficiente corrección y eficacia” (Departamento Presidencia del Gobierno., 1980). Las Tabla 13 se ha elaborado en función de los precios indicados en el Boletín Oficial del Estado (Departamento Presidencia del Gobierno., 1980). Por otro lado, la Tabla 14, es una aproximación de los salarios de los empleados de Benín. Se ha tenido en cuenta que el promedio de los salarios es de una quinta parte con respecto a los de España. Tabla 14: Salarios en España por categoría profesional Salarios España Concepto Of.1ª Of.2ª Salario base día 19,38 18,08 Plus día 24,67 23,00 Salario día 44,05 41,08 Salario hora 10,64 9,92 Tabla 15: Salarios en Benín por categoría profesional Salarios Benín Concepto Of.1ª Of.2ª Salario base día 3,88 3,62 Plus día 4,93 4,60 Salario día 8,81 8,22 Salario hora 2,13 1,98 La Tabla 15 refleja los salarios imputados por trabajo realizado en función de una estimación de horas trabajadas y de la categoría profesional a la que cada uno pertenece. Cabe destacar, que la fabricación del tornillo de Arquímedes se realiza mediante puntos de soldadura que unen los álabes al eje. En la Tabla 16, se muestra el coste de mano de obra directa. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 101 Tabla 16: Mano de Obra Directa Mano de Obra Concepto Tipo de remuneración Horas trabajadas Salario hora (€/h) Importe final (€) Trabajo de ingeniería Ingeniero Es 300 20 6000 Supervisor Es 40 30 1200 Trabajadores OAN Es 20 20 400 Obra civil Capataz Oficial de primera Be 70 2,13 149,1 2 técnicos Oficiales de segunda Be 90 1,98x2 356.4 Soldadura Soldador Oficial de primera Be 100 1,98 198 Total (€) 8303.5 10.2. COSTE DE MATERIAL La Tabla 17 representa una estimación de los precios de los materiales utilizados en la fabricación y ejecución del proyecto. El hierro es el material empleado en la fabricación del tornillo de Arquímedes. A partir de las medidas reflejadas en el plano 4 (Anexo 3) del tornillo modular para soldadura, se ha calculado el volumen de un módulo de tornillo. Utilizando la densidad del hierro, se obtiene la masa necesaria para la fabricación de un módulo. El tornillo diseñado consta de cinco. El precio del alternador de coche oscila en los comercios de Cotonou y de Nikki entre los 15000CFA y los 30000CFA, de 45€ a 90€. En la Tabla 17, se ha tomado el valor más probable. La carcasa de la turbina es un cilindro completo, por seguridad, y como tal, se ha calculado su volumen, y su masa. La cantidad de mortero necesaria estimada, se ha obtenido del cálculo del volumen necesario. Para ello, se ha tenido en cuenta un espesor de 4cm en cada cara de la caja. Ha sido estimado para cubrir las necesidades tanto de la caja del tramo horizontal como del tramo inclinado completo. El resto de los precios han sido estimados por primeros cálculos y con base a los precios de la revista de construcción BricoMart 2021. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 102 Tabla 17: Coste de material Materiales Concepto Precio unitario (€/u) Unidad Cantidad Importe final (€) Hierro 0.2 kg 103x5 módulos 103 Esmalte antioxidante 12.3 m2 2.6 32 Alternador 70 Unidad 1 70 Batería de 12V 108 Unidad 4 432 Controlador eléctrico 20 Unidad 1 20 Cables distintos grosores - Unidad - 25 Carcasa de HDPE 8 kg 0,15 1,2 Tubería R=0.2m; L=13m 4.8 m 13 62.4 Codo R=0.2m 6.5 Unidad 4 26 Válvulas de paso 6 Unidad 2 12 Uniones - Unidad - 80 Malla D=0.7 1 Unidad 1 2 Mortero 0,078 kg 1560 121.68 Otros - - - 70 Total 1057.28 10.3. RESULTADO DEL PRESUPUESTO El valor final del presupuesto será el total del coste de mano de obra y del coste de materiales, como muestra la Ec.51. Se debe tener en cuenta que el resultado mostrado es orientativo y una primera aproximación. 8303.5€+1057.28€=9360.78€ (51) Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 103 11. CONCLUSIONES El acceso seguro a la electricidad es una necesidad en el mundo actual que hoy en día no es cubierta en numerosos hogares del mundo. Las picocentrales hidráulicas permiten aprovechar los pequeños saltos de agua que se encuentran en las concentraciones de población, para generar una energía segura y limpia. Con el programa desarrollado en Microsoft Excel es posible conocer los parámetros de diseño de la turbina de tornillo de Arquímedes óptima para las características del emplazamiento y las posibilidades de fabricación. También permite conocer la potencia generada. Con la hoja de Microsoft Excel implementada para el cálculo de caudales, se presenta un modelo editable para conocer los caudales de aportación en lugares que no disponen de más información que las precipitaciones anuales y el tipo de relieve. A propuesta de OAN International, se ha diseñado específicamente la turbina de tornillo de Arquímedes propicia para la comuna de Nikki, Benín. Se ha comprobado que las características de este tipo de turbinas son apropiadas para los recursos de países en vías de desarrollo. El resultado ha sido el aprovechamiento de 1.5m de salto de agua proporcionando más de 1kW de potencia. Este documento es punto de partida para futuros estudios sobre la instalación eléctrica y la obra civil en la central de Nikki. A mayores, una disminución del peso del tornillo es una mejora susceptible de estudio. Se inician así, líneas de trabajo futuras dentro del desarrollo de picocentrales hidráulicas en zonas rurales aisladas. Metodología para la Implantación de Picocentrales Hidráulicas 104 12. BIBLIOGRAFÍA Agüera Soriano, J. (2009). Mecánica de fluidos incompresibles y turbomáquinas hidráulicas. IV edición revisada. Álvarez S., (2020). ¿Qué es el alternador del coche? ¿Para qué sirve? Artículo del 14 de noviembre de 2020, Revista Diario Motor. Ambientum. (18 de diciembre de 2019). Reducir el impacto ambiental de las centrales hidroeléctricas. 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