Eficiencia de micro central hidroeléctrica relativa al dimensionamiento geométrico de la turbina

Abstract

La energía hidroeléctrica es una fuente de energía renovable y sustentable. Sin embargo, la generación hidroeléctrica es casi exclusiva en grandes instalaciones (>10 kW). La producción a micro escala sigue siendo evaluada como una alternativa viable para la generación de energía eléctrica debido a que este tipo de instalaciones requieren un menor costo de instalación y de mantenimiento. El objetivo principal de este trabajo es evaluar el rendimiento de una mico central hidroeléctrica operando a partir de un sistema de cosecha de lluvia mediante la optimización de la caracterización geométrica de la turbina. Este proyecto pretende aprovechar la energía potencial del agua con diferentes cargas hidráulicas para generar electricidad en zonas urbanas. El sistema fue adecuado para operar en una construcción de tipo industrial en la Zona Metropolitana de Toluca, México. Pocos trabajos han evaluado este medio como sistema de generación de energía eléctrica como alternativa para satisfacer la demanda local de energía. La metodología fue desarrollada con el propósito de: a) definir la configuración hidráulica del sistema de acuerdo con el régimen de precipitación y a los requerimientos establecidos por el generador; b) estimar la eficiencia en función de la variación de parámetros geométricos mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y; c) validar el modelo con datos experimentales. Este proyecto emplea un método innovador para la manufactura del prototipo como lo es la impresión tridimensional. Debido a la naturaleza del sistema de cosecha de lluvia, el tipo de turbina seleccionada fue una turbina tipo Pelton. Las características hidráulicas fueron definidas de acuerdo con la infraestructura disponible, tales como: el diámetro de tubería, el número de boquillas, válvulas y compuertas. Además del valor del diámetro de la turbina (0.4004 m). Mediante CFD, fue posible analizar el comportamiento del flujo (velocidad y presión) en la turbina con el propósito de optimizar su geometría. La modelación numérica permitió estimar la eficiencia esperada en función de la variación de las velocidades de entrada y salida de la turbina Pelton (k_2⁄k_1 ). Por medio de un circuito electrónico, se registró el número de revoluciones por minuto y por consecuencia fue posible estimar la eficiencia y la cantidad de energía producida en función del voltaje y la corriente eléctrica alcanzadas por el sistema bajo condiciones de operación controladas. En general, el sistema fue capaz de producir energía eléctrica utilizando el agua proveniente del sistema de cosecha de lluvia alcanzando una eficiencia máxima de 81.13%.