Generación de Energía Eléctrica para un Hogar Aislado de la red Eléctrica (Off-Grid) Mediante una Microhidroeléctrica

Generación de Energía Eléctrica para un Hogar Aislado de la red Eléctrica (Off-Grid) Mediante una Microhidroeléctrica.

La energía hidráulica se ha utilizado durante siglos para dotar equipos de energía mecánica para moler grano y bombear agua.

La energía hidroeléctrica es la energía renovable más explotada a escala global. El desarrollo de nuevas turbinas para pequeñas centrales hidroeléctricas buscando rentabilidad para aprovechar pequeñas corrientes de agua donde turbinas convencionales a menudo no son rentables debido a los requerimientos que necesitan las misma.

Existe una gran variedad de turbomaquinas y por ende de turbinas hidráulica para aplicaciones diversas, desde las convencionales hasta las nuevas micro-turbina contrarotatorias.

Una gran cantidad de investigadores han explorado y exploran las diversas características de turbinas hidráulica a través de los métodos numéricos (Cui and Hyun 2016) y (Shehata et al. 2017)  con el fin de obtener una mejora sobre los diseños actuales cambiando la configuración de los alabes, enderezadores de flujo, carcasa, régimen de giro, etc.

Las actuales investigaciones se están dirigiendo a la innovación en la turbomáquina, el controlador electrónico y los inversores, el sistema de carga de las baterías e incluso el desarrollo de nuevas formas de almacenamiento de energía (Singh et al. 2018).

La micro-hidroeléctricas su principal atractivo es la posibilidad de generar energía eléctrica con pequeños saltos de un par de pies de desnivel, así como también el empleo de caudales pequeños incluso de unos dos galones (Davis 2003); operar en lugares de invierno incluso en área donde se presenta precipitaciones de nieve; lugares donde la posibilidad de energía fotovoltaica y térmica solar no son posibles como una fuente de energía renovable y amigable con el ambiente.

Por lo general por ser menor dimensiones es posible darles mayor vida operativa gracias a menores gastos en fabricación y mantenimiento. Su construcción vincula a los posibles trabajadores de una comunidad y permite crear incluso recreación cultural, gastronómica y de beneficios sobre la salud en comunidades apartadas donde no se cuenta con energía eléctrica.

El desarrollo de una micro-turbina hidráulica de pasada que sea capaz de ser portátil y con una potencia de unos 5000 watts de potencia o superior, podría ser de interés incluso para la minería no industrial ya que disminuiría el costo de emplear un generador eléctrico a diésel y su huella de contaminación ambiental disminuiría. Evitando un impacto sobre la fauna propia de los causes de agua.

Permite estabilizar la red eléctrica cuando se tiene aportación de generación de otras fuentes no tan continua como la solar fotovoltaica o eólica.

Justificación del problema a investigar

Se puede observar las dificultades que tienen las poblaciones localizadas en zonas de difícil acceso del país para la obtención de energía eléctrica (Yah, Oumer, and Idris 2017).  Las actuales soluciones como lo son los sistemas fotovoltaicos y aerogeneradores, pero estos sistemas dependen de la disponibilidad de luz solar y del viento; en cambio sí se emplea una combinación de energía hidráulica la cual está disponible en gran parte del año y su correcta combinación con la energía solar fotovoltaica permite obtener energía eléctrica en épocas del año donde el recurso hídrico disminuye, supliendo las necesidades de energía.

En base a estos hechos se observa el potencial de aplicar la tecnología en estas zonas del país, a causa de que su principal recurso energético no existe o para suplir dicha necesita se emplea combustible fósiles.

Cabe destacar que actualmente en la República de Panamá el empleo de las micro hidroeléctrica no se ha popularizado.

Pertinencia en relación con el Plan Energético Nacional 2015-2050 (PEN)

Esta propuesta está dentro de los intereses del PENCYT, que indican alcanzar un mayor grado de desarrollo sostenible. También cabe destacar que el objetivo de esta propuesta está ligado a las iniciativas de los programas de “Ciencia, Investigación, Desarrollo Tecnológico e Innovación para el Desarrollo Sostenible” presentados en el PENCYT. El cual uno de sus propósitos es contribuir a la implementación de la política energética a largo plazo.

Objetivos (general, específicos)

General

Establecer la viabilidad de un sistema de micro hidroeléctrica para un hogar aislado de la red eléctrica (off-grid) y comprarlo con un sistema de generación eléctrica a diésel para una misma capacidad.

Específicos

• Diseñar un prototipo que permita aprovechar energía eficientemente de una corriente de     agua.
• Elaborar la simulación del sistema propuesto mediante el software ANSY.

Geometría de la Turbina

Nuestro diseño de turbinas está basado en una turbina hidráulica tipo Kaplan, con un radio de 200 mm ~ 8 pulgadas de diámetro, diseñada para condiciones de flujo de 0.065 m3/s de y caídas hasta de 5 metros y una potencia máxima a generar de 5 Kw, lo cual la haría perfecta para un terreno irregular muy común en el territorio nacional.

[pic 1]

Fig. # 1 Modelo Inicial de Posible Turbina hidráulica que se empleara para el desarrollo Microhidroeléctrica.

La selección de este tipo de turbina obedece no solo a los requerimientos sino a las capacidades de esta turbina, que permite obtener eficiencias hasta del 95%, implementación en lugares donde no se tiene una gran elevación, permite ser empleada en micro hidroeléctrica, posee un costo bajo y posee un menor impacto ambiental ya que el reservorio requerido no necesita un gran reservorio(Zivkovic et al. 2018).

Metodología (materiales, métodos y actividades)

Para el desarrollo se emplear un equipo multidisciplinar. Debe ser basada en la conformación de equipos, los cuales deben desarrollar sus tareas y actividades de investigación, presentar resultados de avances durante el desarrollo del proyecto.

La investigación debe ser desarrollada en su totalidad en dos (2) etapas a saber:

Actividades

Etapa I (Estado del Arte)

Durante esta fase se procederá a realizar una extensa revisión bibliográfica y de patentes    existentes sobre metodología y técnicas de optimización, concepto, diseño y fabricación de micro-hidroeléctrica.

Materiales a Utilizar:

• Worsktation con 112 hilos (56 cores) para calculo numérico
• Software de diseño y simulación (Ansys).

Método:

Durante esta fase la búsqueda de información a través de artículos científicos y patentes en el área micro-hidroeléctricas específicamente micro-turbinas hidráulicas.

La revisión de los diversos tipos de micro-hidroeléctricas existentes a la fecha que nos permitan crear una micro-turbina hidráulica que satisfaga nuestro requerimiento antes mencionados en cuando a potencia eléctrica.

Actividades:

• Revisión bibliográfica y de patentes sobre micro-turbinas hidráulicas.
• Selección y Estudio de Materiales.
• Inicio del modelado y simulación.
• Desarrollo de planos Cad (micro-turbina hidráulica)

Etapa II (Modelado y Simulación)

Se procederá con la simulación de la micro-turbina hidráulica con el fin de obtener un óptimo para los requerimientos antes mencionados. Se deberá realizar un diseño de experimento para tal fin, por lo tanto, dicha simulación requerirá de al menos un año durante el proceso de exploración de dicho óptimo.

Materiales a Utilizar:

• Worsktation con 112 hilos (56 cores) para calculo numérico.
• Software de diseño y simulación (Ansys).
• Análisis de los Resultados
• Selección del Equipo
• Resultados Finales de la Simulación
• Estudios Económico
• Informe Final

Actividades:

• Diseño propelas o hélices para aerogenerador empleando software tipo Cad y Ansys.
• Modelado y Simulación Final de la Micro-turbina hidráulica.
• Diseño de estructura y housing para la micro-turbina hidráulica.
• Modificación y optimización de la micro-turbina hidráulica, empleando un bucle de diseño que permita el máximo rendimiento de dicha turbina hidráulica.
• Elaboración de Informe.
• Elaboración de borrado de posible artículo científico.

Limitaciones

El desarrollo preliminar es costo en tiempo.  Se requiere de alrededor de un año en cuanto a simulación. Para tener un modelo que satisfaga los requerimientos técnicos, por lo tanto, el modelo presentado será un modelo preliminar.

De llevarse a cabo la construcción las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración de unos 6 meses aproximadamente.

La disponibilidad de energía puede fluctuar dependiendo de la estación y de año en año, en el caso de la micro-hidroeléctrica.

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