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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE – 0502 Proyecto Eléctrico Estudio de costos de instalación de sistemas pico y micro hidroeléctrico (100 W a 100 kW) Por: JUAN MIGUEL MARIN UREÑA Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Junio de 2007

Microelectrica hidráulica

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Generación de Energía Hidráulica

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Page 1: Microelectrica hidráulica

Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Eléctrica

IE – 0502 Proyecto Eléctrico

Estudio de costos de instalación de sistemas pico y micro hidroeléctrico (100 W a 100 kW)

Por:

JUAN MIGUEL MARIN UREÑA

Ciudad Universitaria Rodrigo Facio

Junio de 2007

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Estudio de costos de instalación de sistemas pico y micro hidroeléctrico (100 W a 100 kW)

Por:

JUAN MIGUEL MARIN UREÑA

Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica

de la Facultad de Ingeniería

de la Universidad de Costa Rica

como requisito parcial para optar por el grado de:

BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

Aprobado por el Tribunal:

_________________________________ Ing. Jaime Allen Flores

Profesor Guía

_________________________________ _________________________________ Ing. Juan Ramón Rodríguez Solera Ing. Gustavo Valverde Mora Profesor lector Profesor lector

Page 3: Microelectrica hidráulica

iii

DEDICATORIA

Dedico este trabajo, a toda mi familia, en especial a mis Padres por ser los mejores y por

apoyarme incondicionalmente en mis estudios, a Daniela Zamora por ser quien alegra mi

vida y muy especialmente a Dios por darme la oportunidad de tenerlos a todos ellos.

Page 4: Microelectrica hidráulica

iv

RECONOCIMIENTOS

Agradezco a todas las personas que de una u otra manera colaboraron para poder llevar a

cabo este trabajo. A mi Profesor Guía el Ingeniero Jaime Allen Flores por permitirme

realizar este proyecto, a mis Profesores lectores por sus oportunas observaciones, a los

Ingenieros Jochem Sassem y Misael Mora por toda la información brindada y a todas las

empresas extranjeras y nacionales por su valiosa colaboración.

Page 5: Microelectrica hidráulica

v

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE FIGURAS................................................................................. vii

ÍNDICE DE TABLAS.................................................................................. viii

NOMENCLATURA........................................................................................ix

RESUMEN........................................................................................................x

CAPÍTULO 1: Introducción ...........................................................................1

1.1 Objetivos..................................................................................................................3 1.1.1 Objetivo general.......................................................................................................3 1.1.2 Objetivos específicos ...............................................................................................3

1.2 Metodología .............................................................................................................4

CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico ..................................................................5

2.1 Definición de pequeña central hidroeléctrica ..........................................................5 2.1.1 Aprovechamientos de agua fluyente (Operación a filo de agua).............................6 2.1.2 Centrales de pie de presa .........................................................................................7 2.1.3 Centrales integradas en un canal de riego................................................................8

2.2 El recurso hídrico y su potencial..............................................................................9 2.3 Estructuras hidráulicas (Obra civil) .......................................................................10

2.3.1 La bocatoma...........................................................................................................10 2.3.2 El canal de aducción (o conducción) .....................................................................11 2.3.3 El desarenador y la cámara de carga (o tanque de presión)...................................11 2.3.4 Las obras de caída..................................................................................................12 2.3.5 Tuberías forzadas ...................................................................................................12 2.3.6 La casa de máquinas (o casa de fuerza) .................................................................13 2.3.7 El canal de descarga...............................................................................................14

2.4 Turbinas hidráulicas...............................................................................................15 2.4.1 Turbinas de acción .................................................................................................15 2.4.2 Turbinas de reacción..............................................................................................19

2.5 Generación de electricidad.....................................................................................21 2.6 Generadores ...........................................................................................................22

2.6.1 Máquina asíncrona (Inducción) .............................................................................23 2.6.2 Generador sincrónico.............................................................................................24

2.7 Sistemas y dispositivos de control .........................................................................26 2.7.1 Regulación por carga .............................................................................................27 2.7.2 Regulación por caudal ...........................................................................................28

2.8 Sistemas de protección...........................................................................................29 2.8.1 Alta frecuencia.......................................................................................................29

Page 6: Microelectrica hidráulica

vi

2.8.2 Sobretensión...........................................................................................................29 2.8.3 Baja tensión............................................................................................................29

2.9 Parámetros económicos .........................................................................................31 2.9.1 Estimación de costos..............................................................................................31 2.9.2 Costos unitarios......................................................................................................32 2.9.3 Factor de actualización ..........................................................................................32 2.9.4 Costos unitarios de la generación ..........................................................................32 2.9.5 Costo por kW instalado..........................................................................................33

CAPITULO 3: Equipo electromecánico ......................................................34

3.1 La turbina...............................................................................................................34 3.1.1 Micro turbina Pelton ..............................................................................................43 3.1.2 Micro turbina Turgo...............................................................................................43 3.1.3 Turbina Michell – Banki (Turbina de Flujo Cruzado)...........................................44 3.1.4 Mini turbina Francis...............................................................................................44 3.1.5 Turbina Kaplan ......................................................................................................45

3.2 El generador...........................................................................................................47 3.3 Sistema de control..................................................................................................55

3.3.1 Regulador electrónico de carga (ELC). .................................................................56 3.3.2 Controlador de generador de inducción (IGC) ......................................................59

3.4 Protecciones ...........................................................................................................61 3.4.1 Protecciones primarias ...........................................................................................61 3.4.2 Protecciones secundarias .......................................................................................64

CAPITULO 4: Costos de pico y micro centrales hidroeléctricas..............69

4.1 Estudios de costos precedentes ..............................................................................72 4.2 Costos de equipo para pico-centrales hidroeléctricas ............................................75 4.3 Costos de turbinas para micro-centrales hidroeléctricas........................................77 4.4 Costos de generadores, sistemas de control y protección para MCH....................81 4.5 Costo total del equipo electromecánico para MCH ...............................................88

CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones .......................................92

BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................101

APÉNDICES.................................................................................................103

ANEXOS .......................................................................................................128

Page 7: Microelectrica hidráulica

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Central hidroeléctrica de montaña.....................................................................6 Figura 2.2 Central de pie de presa ......................................................................................7 Figura 2.3 Toma de agua en sifón.......................................................................................8 Figura 2.4 Aprovechamiento en un canal de riego .............................................................8 Figura 2.5 Turbina Pelton .................................................................................................16 Figura 2.6 Turbina Turgo..................................................................................................17 Figura 2.7 Turbina de flujo cruzado .................................................................................18 Figura 2.8 Turbina Francis................................................................................................20 Figura 2.9 Turbina Kaplan................................................................................................20 Figura 2.10 Esquema de un generador sincrónico monofásico ........................................25 Figura 3.1 Eficiencias de turbinas.....................................................................................36 Figura 3.2 Eficiencia de una turbina de flujo cruzado......................................................37 Figura 3.3 Nomograma para la selección de turbinas.......................................................38 Figura 3.4 Gráfico de selección de turbinas de la empresa Wasserkraft Volk .................41 Figura 3.5 Gráfico de selección de turbinas de la empresa Savoia Generators ................42 Figura 3.6 Variación del peso del generador según la tensión y la velocidad ..................52 Figura 3.7 Diagrama de bloques para la regulación de carga ...........................................57 Figura 4.1 Gráfico de costos unitarios para MCH y plantas convencionales ...................70 Figura 4.2 Costo unitario para grupo turbina-generador (Turbina Pelton).......................73 Figura 4.3 Costo unitario para grupo turbina-generador (Turbina Francis) .....................73 Figura 4.4 Costo unitario para grupo turbina-generador (Turbina Banki) .......................74 Figura 4.5 Curvas de costo unitario para turbinas empleadas en MCH............................78 Figura 4.6 Curvas suavizadas de costo unitario para turbinas empleadas en MCH .........79 Figura 4.7 Curvas de costo unitario para generadores 1∅ y 3∅ ......................................83 Figura 4.8 Curvas de costo unitario para generadores de 1200 y 1800 rpm.....................84 Figura 4.9 Curva de costo unitario para generador típico de MCH..................................85 Figura 4.10 Curva suavizada de costo unitario para un generador típico de MCH..........86 Figura 4.11 Curvas de costo unitario de equipo electromecánico ....................................88 Figura 4.12 Curva promedio de costo unitario de equipo electromecánico .....................89 Figura 4.13 Curva suavizada de costo unitario de equipo electromecánico .....................89

Page 8: Microelectrica hidráulica

viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Velocidad específica de turbinas ......................................................................35 Tabla 3.2 Resumen de características de turbinas ............................................................46 Tabla 3.3 Resumen de características de generadores ......................................................48 Tabla 3.4 Protecciones mínimas para un generador aislado.............................................67 Tabla 3.5 Protecciones mínimas para un generador conectado a la red ...........................68 Tabla 4.1 Porcentajes del costo total de la obra................................................................71 Tabla 4.2 Costos de turbinas en miles de dólares americanos..........................................78 Tabla 4.3 Ecuaciones de costo unitario de turbinas..........................................................80 Tabla 4.4 Comparación de generador sincrónico y asíncrono para 10 kW ......................82 Tabla 4.5 Resumen de ecuaciones, rangos y porcentajes de costos unitarios ..................91

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ix

NOMENCLATURA

ANSI: American National Standards Institute.

AVR: Regulador Automático de Tensión.

BID: Banco Interamericano de Desarrollo.

C.C.: Corriente Continua.

C.A.: Corriente Alterna.

ELC: Controlador Electrónico de Carga.

f: Frecuencia.

H: Caída neta.

Hz: Hertz.

ICE: Instituto Costarricense de Electricidad.

IGC: Controlador para Generador de Inducción.

kVA: Kilovoltio-amperio

kW: Kilovatio.

m: Metro.

MCH: Micro-Central Hidroeléctrica.

m3/s: metros cúbicos por segundo.

L/s: litros por segundo.

P: Potencia en kW.

PCH: Pico-Central Hidroeléctrica.

PPH: Pequeña Planta Hidroeléctrica.

PVC: Cloruro de Polivinilo.

Q: Caudal.

r.p.m.: Revoluciones por minuto.

V: Voltio.

η: Eficiencia.

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x

RESUMEN

El presente trabajo estudia el comportamiento que siguen los costos del equipo

electromecánico en pico y micro-centrales hidroeléctricas, planteando rangos, porcentajes y

expresiones que ayudan a calcular el costo aproximado de este tipo de equipo, a partir de

datos iniciales de las condiciones del sitio donde se implementará la central y de otros

factores como la tipología de los equipos y sus posibles variantes.

Para ello se empleó información de costos encontrada en la bibliografía y precios

actuales proporcionados por algunos fabricantes; analizando como los distintos factores que

intervienen en el diseño de los equipos afectan el costo de los mismos.

Los resultados obtenidos indican que los costos son muy variables y que dependen

de factores incontrolables inherentes a las características propias de la planta y su diseño,

así como de factores que si se pueden controlar y que deben ser tomados en cuenta a la hora

en que se necesita variar los diseños para bajar los costos.

Las expresiones encontradas para el cálculo aproximado de costos, son validas para

un rango de potencia de 6 a 100 kW y el lector debe estar conciente de que estas tienen la

finalidad de orientar sobre la tendencia que puede tener el costo de un determinado equipo,

y que la única manera de conocer un costo exacto, es solicitando directamente una

cotización al fabricante del equipo.

Page 11: Microelectrica hidráulica

1

CAPÍTULO 1: Introducción

En la actualidad, salen a la vista dos grandes problemas, crisis energética y

calentamiento global; ante esto, los sistemas de generación hidroeléctricos vienen a

contribuir enormemente en la solución de ellos.

En Costa Rica, el empleo del recurso hídrico para la producción de energía

eléctrica, está ampliamente desarrollado. Por lo general, los proyectos hidroeléctricos son

de mediana o gran capacidad, relegando a las Minicentrales como fuentes de energía no

convencionales. Y dado el auge de factores como la crisis de petróleo y la contaminación

del ambiente, que acrecientan los problemas anteriormente citados, es que se ha hecho

conveniente prestar más atención a alternativas de generación a pequeña escala, tales como

las que se tratarán en este trabajo.

Las plantas hidroeléctricas, como su nombre lo indica, generan electricidad a partir

de la energía del agua, todo en un proceso de transformación de energía, en el que en un

primer momento se tiene energía potencial en un embalse o toma, luego energía cinética en

las tuberías de conducción, seguidamente de energía mecánica en la turbina, que acoplada a

un generador finaliza con la transformación en energía eléctrica aprovechable; todo en un

proceso de generación de energía que es limpio, lo cual es muy importante.

Las pequeñas plantas hidroeléctricas son las que se encuentran en un rango de

potencia menor a los 1000 kW por unidad, y en estas están las mini-centrales (100 kW a

1000 kW), micro-centrales (1 kW a 100 kW) y las pico-centrales (100W a 1 kW). Una de

las características principales de este tipo de plantas, es que operan “a filo de agua”, o sea,

Page 12: Microelectrica hidráulica

2

sin ninguna regulación con embalses, por lo que son muy susceptibles a las variaciones de

caudal. Además de que tienen como principal objetivo, la generación de energía para el

autoconsumo, o sea en el mismo lugar de la producción, funcionando de manera aislada en

este caso; sin dejar por fuera la posibilidad de funcionar conectadas a la red eléctrica

comercial con el fin de obtener una ganancia económica.

Abonado a la ventaja de energía limpia, se pueden encontrar otras ventajas en las

pequeñas plantas hidroeléctricas, tales como los bajos costos de generación y

mantenimiento, la posibilidad de operación las 24 horas del día si se quisiera, impacto

ambiental mínimo, además de las bajas pérdidas de energía en comparación con sistemas

convencionales de generación.

En contraste, se tienen desventajas, tales como la dependencia de factores

geográficos y metereológicos, así como un factor vital, que son los altos costos de

inversión. Por lo cual es muy importante, a la hora de realizar un estudio de factibilidad

financiera de un proyecto de este tipo, conocer el aspecto de inversión inicial de una

manera muy precisa, realizando un estudio de costos detallado que sea capaz de indicar

junto con otros factores, que tan factible puede ser la realización de un proyecto. Sobre este

tema es que se enfoca el presente trabajo, investigando así costos, proveedores y fabricantes

de equipos.

Page 13: Microelectrica hidráulica

3

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo general

Diseño de un sistema de cálculo de costos para el equipo electromecánico de sistemas

pico y micro hidroeléctrico.

1.1.2 Objetivos específicos

• Desarrollo de bases de datos u hojas electrónicas de:

• Costos de equipos y servicios.

• Proveedores de equipos.

• Fabricantes de equipos.

• Incluir los siguientes elementos en el estudio:

• Turbina.

• Generador y regulador.

• Equipo de protección.

• Datos iniciales:

• Caída y caudal.

Page 14: Microelectrica hidráulica

4

1.2 Metodología

Para desarrollar el trabajo, inicialmente se hará una revisión bibliográfica, con

el objetivo de recolectar información sobre sistemas pico y micro-hidroeléctricos, en

diferentes fuentes como libros, revistas, proyectos de graduación, tesis y páginas de

Internet. Esta información deberá aportar básicamente teoría de los sistemas, conceptos

técnicos básicos de los equipos y criterios de diseño.

Con base en la información encontrada y en los objetivos del proyecto, se define

sobre que elementos específicos se concentrará el estudio de costos, entiéndase tipos de

generadores, tipos de turbinas, etc.; para así proceder con una extensa búsqueda de

empresas fabricantes y distribuidoras de dichos equipos, así como de representantes en el

país.

Una vez definidos los fabricantes de los equipos requeridos, el siguiente paso a

seguir será la solicitud de información técnica y de costos, que se requiera, ya sea

directamente o a través de representantes.

Por otro lado también se visitarán distintas empresas involucradas con el desarrollo

de pequeñas centrales hidroeléctricas, con la finalidad de obtener asesoramiento en el tema

y acceso a cotizaciones de equipo realizadas por ellos.

Toda la información de costos obtenida, se seleccionará y clasificará, para

desarrollar un método que permita calcular los costos de inversión del equipo

electromecánico para el tipo de centrales en cuestión. Además se incluirá información de

los fabricantes y sus servicios.

Page 15: Microelectrica hidráulica

5

CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico

En este capítulo se desarrollará la teoría relevante del proyecto, haciendo una

descripción detallada en los temas que lo requieran.

2.1 Definición de pequeña central hidroeléctrica [10]

No existe un consenso, en la definición de pequeña central hidroeléctrica. Se

consideran como pequeñas plantas hidroeléctricas (PPH) las que se encuentran en un rango

de potencia menor a los 10 MW por unidad. Así en este rango se pueden ubicar las

pequeñas centrales (1 MW a 10 MW), las mini-centrales (100 kW a 1 MW), las micro-

centrales (10 kW a 100 kW), las nano-centrales (1 kW a 10 kW) y las pico-centrales (100W

a 1 kW).

El objetivo de una central hidroeléctrica es convertir la energía potencial de una

masa de agua situada en el punto más alto del aprovechamiento, donde se ubica el embalse,

en energía eléctrica, disponible en el punto más bajo, donde está ubicada la casa de

máquinas, estos puntos se muestran en la Figura 2.1. La potencia eléctrica que se obtiene en

una central es proporcional al caudal utilizado y a la altura del salto (también llamado

caída).

Page 16: Microelectrica hidráulica

6

Figura 2.1 Central hidroeléctrica de montaña [10]

De acuerdo con la altura del salto las centrales hidroeléctricas pueden clasificarse en:

• De alta caída: salto de más de 150 m.

• De media caída: salto entre 50 y 150 m.

• De baja caída: salto entre 2 y 20 m.

Estos límites son arbitrarios y solo constituyen un criterio de clasificación.

Otra clasificación en función del tipo de central es:

• Aprovechamientos de agua fluyente.

• Centrales a pie de presa con regulación propia.

• Centrales en canal de riego o tubería de abastecimiento de agua.

2.1.1 Aprovechamientos de agua fluyente (Operación a filo de agua)

Son aquellos aprovechamientos que no disponen de embalse regulador importante,

de modo que la central trabaja mientras el caudal que circula por el cauce del río es superior

Page 17: Microelectrica hidráulica

7

al mínimo técnico de las turbinas instaladas, y deja de funcionar cuando desciende por

debajo de ese valor.

2.1.2 Centrales de pie de presa

La existencia de un embalse regulador permite independizar, dentro de ciertos

límites, la producción de electricidad del caudal natural del río que lo alimenta.

Un pequeño aprovechamiento hidroeléctrico es raramente compatible con un gran

embalse, dado el elevado costo de la presa y sus instalaciones anexas.

La central suele situarse a pie de presa, alimentada por un conducto existente en el fondo

(ver Figura 2.2), o por un sifón en caso de que no existiese ninguna toma de agua prevista.

En este ultimo caso, la tubería forzada pasa sobre el borde superior de la presa sin apenas

afectar a su estructura. La turbina puede estar ubicada en el tramo ascendente del sifón, en

la coronación de la presa o en el tramo descendente (ver Figura 2.3). El salto será

equivalente en cualquier caso a la altura de la presa. El salto no suele superar los 10 m

(aunque existen ejemplos de tomas de agua por sifón de hasta 30,5 m) y el caudal circulante

puede oscilar entre menos de 1 m3/s y 70 m3/s.

Figura 2.2 Central de pie de presa [10]

Page 18: Microelectrica hidráulica

8

Figura 2.3 Toma de agua en sifón [10]

2.1.3 Centrales integradas en un canal de riego

Es factible instalar una central hidroeléctrica aprovechando el caudal de agua en un

canal de irrigación, ya sea ensanchando el canal, para poder instalar en él la toma de agua,

la central y el canal de fuga, o construir una toma lateral, que alimente una tubería forzada

instalada a lo largo del canal.

Figura 2.4 Aprovechamiento en un canal de riego [10]

Los elementos principales de una central hidroeléctrica, son las obras civiles, la

turbina, el generador, los sistemas de control y los sistemas de protección.

Page 19: Microelectrica hidráulica

9

2.2 El recurso hídrico y su potencial [7, 10]

Un aprovechamiento hidráulico necesita, para generar electricidad, un determinado

caudal y una caída. Se entiende por caudal como el volumen de agua que pasa, en un

tiempo determinado, por una sección del cauce y se mide en m3/s o L/s (1 m3/s = 1000 L/s).

Por caída, o salto bruto, se entiende que es la distancia medida en vertical que recorre el

volumen de agua (diferencia de nivel entre la lámina de agua en la toma y en el punto

donde se restituye al río el caudal ya turbinado).

Con los datos de caudal y caída es posible conocer la cantidad de potencia que se

puede disponer, con la siguiente ecuación:

QH=P ××81.9 (2.2-1)

donde:

P = Potencia disponible, en kW.

H = Caída o Salto Bruto, en m.

Q = Caudal, en m3/s.

El caudal y la caída, son además datos básicos para determinar el tipo de turbina

que se debe utilizar.

Para la determinación del caudal se debe recurrir a la información histórica

hidrológica de la zona. Interesa calcular para efectos de diseño y cálculos el flujo promedio

y mínimo de agua anual.

Page 20: Microelectrica hidráulica

10

2.3 Estructuras hidráulicas (Obra civil) [5, 10, 17]

Dentro del proceso del planeamiento de la obra civil para las micro-centrales

hidroeléctricas (MCH) se conocen los siguientes componentes básicos que conforman el

conjunto:

• La bocatoma.

• El canal de aducción.

• El desarenador y la cámara de carga.

• Las obras de caída y tuberías forzadas.

• La casa de máquinas y fundamentos de equipamiento.

• El canal de descarga.

Estos seis componentes básicos para algunos casos específicos se verán

complementados con obras adicionales como: de represamiento, almacenamiento y/o

encauzamiento, desgravadores y/o desripiadores, aliviaderos, canales de purga, canales de

demasías, túneles y puentes-canal, pozos de succión, chimeneas de equilibrio, sifones

invertidos, rápidas, cascadas, etc.

2.3.1 La bocatoma

Es la estructura inicial y tal vez la más importante, mediante la cual se capta el

recurso hídrico necesario para el funcionamiento de los equipos transformadores de la

energía hidráulica, y cuyo emplazamiento, cálculo, diseño y construcción debe responder

necesariamente a las exigencias mínimas establecidas. Esta se diseñará para las condiciones

Page 21: Microelectrica hidráulica

11

de máxima avenida probable del recurso hídrico y su proceso constructivo deberá

desarrollarse de preferencia en períodos de estiaje o ausencia de lluvias.

2.3.2 El canal de aducción (o conducción)

Permite conducir de manera segura y permanente el caudal requerido por las

turbinas alojadas en la casa de máquinas y deberá ser diseñado para las condiciones de

máxima potencia probable de tales equipos. Es normalmente suficiente que las secciones

adoptadas sean las rectangulares para caudales de hasta 600 a 800 L/s, y trapezoides para

caudales mayores. En MCH de hasta 50 a 80 kW, es suficiente considerar canales en tierra

y/o emboquillados de piedra, dependiendo de la pendiente y posibilidades geológicas y

topográficas de los terrenos que este deba atravesar.

2.3.3 El desarenador y la cámara de carga (o tanque de presión)

Son dos estructuras que normalmente se construyen adyacentes a través de las

cuales se pueden eliminar por decantación la mayor proporción de material fino y en

suspensión que contiene el recurso hídrico y que llega a la primera, y al mismo tiempo

lograr que la tubería forzada trabaje a sección llena evitando acciones de sobrepresión o

cavitación1 a través de la segunda. Normalmente se construyen de concreto armados y

1 Cavitación: Fenómeno que se presenta cuando la presión en un líquido, desciende por debajo de la de vapo-rización, formándose pequeñas burbujas, que estallan al ser arrastradas a zonas de mayor presión. La forma-ción de estas burbujas y su subsiguiente estallido, es lo que se conoce como cavitación, y puede producir daños considerables.

Page 22: Microelectrica hidráulica

12

semienterrado y sus características geométricas están influenciadas por el caudal de diseño

de la MCH y por la velocidad de sedimentación de las partículas en arrastre principalmente.

2.3.4 Las obras de caída

Están constituidas básicamente por estructuras de soporte y fijación o

empotramiento de la tubería forzada al terreno, para las cuales el suponer un

comportamiento estático de solicitaciones en el diseño es suficientemente aceptable; sin

embargo, es en el proceso constructivo donde se deber tener especial cuidado en la

utilización de materiales y mano de obra de la mejor calidad que aseguren la estabilidad y

empotramiento adecuados de la tubería. Estas estructuras de fijación o bloques de anclaje

tendrán diferentes diagramas de fuerzas si son saltantes hacia afuera o hacia adentro para el

caso de cambios de dirección en el desarrollo de la tubería.

2.3.5 Tuberías forzadas

Transportan el caudal de agua desde la cámara de carga hasta la casa de máquinas.

Las tuberías forzadas pueden instalarse sobre o bajo el terreno, según sea la naturaleza de

éste, el material utilizado para la tubería, la temperatura ambiente y las exigencias

medioambientales del entorno.

“La tubería de presión para estas minicentrales puede ser construida de acero o de

cloruro de polivinilo (PVC). En el caso que la tubería forzada sea de acero, lo mejor es

tenderla en forma aérea, montada sobre apoyos de concreto así se le puede dar

mantenimiento. En caso de usarse tubería PVC, esta debe de enterrarse.” [5]

Page 23: Microelectrica hidráulica

13

En general las tuberías forzadas en acero, se conciben como una serie de tramos

rectos, simplemente apoyados en unos pilares, y anclados sólidamente en cada una de sus

extremidades, que en general coinciden con cambios de dirección.

“La tubería forzada debe ser capaz de soportar la presión de la columna de agua más

las presiones producidas por los cierres súbitos. Debe además de tener un pequeño exceso

de material para reponer el material desgastado.” [5]

2.3.6 La casa de máquinas (o casa de fuerza)

Se puede considerar como el corazón de la MCH. En ella se alojará prácticamente

todo el equipamiento electromecánico que conforma el proyecto y dependiendo de las

características y dimensiones de los mismos se tendrán establecidas la estructuración y

arquitectura de aquella. En muchos casos, también alojará la subestación transformadora o

deberá prever áreas para futuras ampliaciones o instalación de equipos que en algún

momento trabajarán en paralelo.

Es frecuente el uso de MCH en el medio rural para el procesamiento agro-industrial.

Para estos casos, la concepción de la casa de máquinas deberá prever los espacios

necesarios para tales equipos en mérito a sus características físicas y de funcionamiento o

accionamiento a través del sistema de transmisión desde la turbina.

Complementos fundamentales de la casa de máquinas son la ubicación y

concepción de los fundamentos o apoyos del equipamiento (turbina, generador, regulador,

etc.) para los cuales el dimensionamiento debe ser el más exacto posible que facilite el

Page 24: Microelectrica hidráulica

14

proceso de montaje de aquellos. Estos deberán ser diseñados para absorber durante su vida

útil solicitaciones de vibración y de impacto que pudieran originarse por el funcionamiento

deficiente del equipamiento (golpe de ariete, por ejemplo).

Es práctica frecuente y recomendable que la ubicación y emplazamiento para la casa

de máquinas, se determine muy cercana al lugar de descarga de las aguas turbinadas, por

tanto es importante estudiar seriamente la capacidad portante del suelo de cimentación en

zonas muy cercanas a quebrada o cauces de ríos que sirvan para tal fin.

2.3.7 El canal de descarga

Se constituye en el último componente de la obra civil. Su característica más

importante es la de servir de desfogue o conducción de las aguas turbinadas hacia el punto

de descarga, que por lo general es el mismo cauce del recurso utilizado como fuente

energética para la MCH.

Page 25: Microelectrica hidráulica

15

2.4 Turbinas hidráulicas [6, 10, 18]

La turbina hidráulica es el principal componente de una central hidroeléctrica y

donde se produce la transformación de la energía contenida en el agua, energía de presión,

principalmente, en trabajo en el eje que acciona el rotor del generador. Hay dos tipos de

turbinas: turbinas de acción y turbinas de reacción.

2.4.1 Turbinas de acción

Este tipo de turbina consta de dos partes principales, el estator y el rotor.

El estator es el que transforma la energía de presión del agua en energía cinética.

Este componente forma parte de la estructura externa y fija de la máquina.

“El estator está constituido por conductos convergentes por los que circula el agua,

acelerándose a costa de disminuir su energía de presión. Los conductos están delimitados

por álabes, denominados toberas, que descargan el agua sobre los álabes del rotor, que

suelen tener forma de cucharón.” [18]

En el rotor de la máquina, llamado más comúnmente rodete, es donde se produce la

transformación de la energía cinética del agua en el trabajo en el eje de la turbina.

Entre las turbinas de acción más comunes se encuentran la turbina Pelton, la turbina

Turgo y las turbinas de flujo cruzado o también llamadas Michell-Banki. A continuación se

detallan sus características.

Page 26: Microelectrica hidráulica

16

2.4.1.1 Turbina Pelton

La turbina Pelton es de las turbinas de acción más comunes. Está formada por una

rueda móvil (rodete) con álabes en forma de doble cucharón, sobre estos cucharones

inciden los chorros de agua a presión atmosférica que salen de las toberas del estator (que

pueden ser varias o solamente una), con una alta velocidad.

El chorro de agua sale de un inyector fijo en el cual la regulación se efectúa

variando la posición de una aguja que deja pasar mas o menos agua por el orificio de salida;

luego el chorro incide en la arista central que separa las dos cucharas y se divide en dos

partes que salen despedidas lateralmente, para caer después al canal de fuga.

En la Figura 2.5 se aprecian las partes que componen a este tipo de turbina, tales

como la rueda móvil de álabes, la tobera del estator y la aguja que regula el paso de agua.

Figura 2.5 Turbina Pelton [7]

Page 27: Microelectrica hidráulica

17

2.4.1.2 Turbina Turgo [10]

Como la Pelton, se trata de una turbina de acción, con la distinción de que sus

álabes tienen una distinta forma y disposición, tal y como se ve en la Figura 2.6.

El chorro incide con un ángulo de 20º respecto al plano diametral del rodete,

entrando por un lado del disco y saliendo por el otro. Y a diferencia de la Pelton, en la

turbina Turgo el chorro incide simultáneamente sobre varios álabes, de forma semejante a

como lo hace el fluido en una turbina de vapor.

En esta turbina el rodete tiene un menor diámetro que en una turbina Pelton, lo cual

la hace tener una mayor velocidad angular, y esto facilita el acoplamiento directo con el

generador, con lo que al eliminar el multiplicador de velocidad (sistema de fajas, cadenas o

engranes que transmiten la potencia de la turbina al generador) se reduce el precio del

grupo y aumenta su fiabilidad.

Figura 2.6 Turbina Turgo [7]

Page 28: Microelectrica hidráulica

18

2.4.1.3 Turbina Michell – Banki (Turbina de flujo radial o cruzado)

La Turbina Michell – Banki es una turbina de acción de flujo transversal, de

admisión parcial y de doble efecto, que posee como elementos principales un inyector o

tobera, que regula y orienta el flujo de agua que ingresa a la turbina; y un rodete que genera

potencia al eje de la turbina al recibir el impulso del flujo de agua que circula por la misma.

“El rendimiento de las turbinas de flujo cruzado es menor que el de las turbinas

Pelton, pero tienen una mayor facilidad constructiva y una mejor adaptabilidad a los

pequeños saltos.” [6]

Figura 2.7 Turbina de flujo cruzado [7]

Page 29: Microelectrica hidráulica

19

2.4.2 Turbinas de reacción [18]

En este tipo de turbina, no toda la energía de presión del agua se transforma en

energía cinética en el estator. El rotor está diseñado para que, además de producirse la

transformación la energía cinética en trabajo, también se produzca la transformación de la

energía de presión que aún le queda al agua en la entrada, en energía cinética. En este caso

el agua sale del rotor con una presión por debajo de la atmosférica.

2.4.2.1 Turbina Francis

Suelen ser máquinas de eje vertical. La velocidad del fluido, al entrar en la turbina,

está contenida en un plano perpendicular al eje y tiene las componentes, radial y

circunferencial. A medida que el agua recorre la máquina, la componente radial se

transforma gradualmente en componente axial y la componente circunferencial se va

reduciendo de forma que a la salida del rodete, el flujo es prácticamente axial con un

pequeño torbellino. La presión de salida se hace inferior a la atmosférica, y la energía

cinética con la que sale el agua de la turbina se convierte en energía de presión en la tubería

de salida.

Page 30: Microelectrica hidráulica

20

Figura 2.8 Turbina Francis [7]

2.4.2.2 Turbina Kaplan

En este caso el rodete está formado por una hélice de eje vertical con pocos álabes y

gran sección de paso entre ellos. Los álabes del distribuidor están situados a una altura

relativamente menor, de forma que el flujo es prácticamente axial. Cuando se funciona a un

caudal variable, es necesario inclinar los álabes del rodete, afectando al conjunto de todos

ellos por igual.

Figura 2.9 Turbina Kaplan [7]

Page 31: Microelectrica hidráulica

21

2.5 Generación de electricidad [12]

El equipamiento de generación y su dimensionamiento está fuertemente asociado a

las características de la demanda que debe satisfacer una central hidroeléctrica.

Se instalan unidades de generación de corriente continua cuando los usuarios son

abastecidos mediante la carga y distribución de baterías, y unidades de generación de

corriente alterna cuando los usuarios son abastecidos mediante una pequeña red de

distribución.

La corriente alterna, tiene como principio fundamental la actuación de un campo

magnético variable que atraviesa una espira de material conductor, que da origen a la

corriente alterna, esto permite tanto el diseño de máquinas generadoras y de dispositivos de

transformación de tensión (transformadores de potencia) que son la razón básica del

desarrollo de los sistemas de corriente alterna para el transporte y distribución de

electricidad.

La generación de corriente alterna puede ser monofásica o trifásica. El uso de

corriente alterna trifásica comienza a ser conveniente cuando la escala de la demanda es

alta y existen usos productivos que solo pueden ser resueltos con generadores trifásicos

(potencias mayores a 10 kW). Teniendo como condición básica de conveniencia que se

mantenga el sistema con las cargas equilibradas en las tres fases. Por ende para potencias

inferiores a los 10 kW lo conveniente es utilizar corriente alterna del tipo monofásica.

Page 32: Microelectrica hidráulica

22

2.6 Generadores [7, 9]

El generador eléctrico es una máquina que convierte la energía mecánica entregada

por la turbina en energía eléctrica. Los principales componentes del generador son el estator

y el rotor. El rotor es la parte del generador que se encuentra unida mecánicamente al

rodete de la turbina por medio de un eje, a través del cual se transmite el par. Para la

transferencia de la energía del sistema giratorio al estator (sistema estacionario) se utiliza la

energía electromecánica, la cual resulta de magnetizar o excitar los devanados del rotor. El

campo magnético del rotor genera una fuerza electromotriz en los terminales de los

devanados del estator, cuya magnitud y ángulo es controlado mediante la excitatriz, esto

para un generador sincrónico.

La velocidad de giro del generador está determinada por las características de la

turbina a que se encuentra unido, a menos que se utilicen sistemas de engranajes para variar

la velocidad de salida en el eje del rodete. El anterior sistema es económicamente factible

dependiendo de las características propias del proyecto.

La orientación que tendrá la unidad generadora está determinada por el tipo y

orientación de la turbina seleccionada.

Los dos tipos principales de máquinas para generación que se pueden emplear en

minicentrales hidroeléctricas son las asíncronas (tipo inducción) que incluyen a los motores

funcionando como generadores; y las sincrónicas, que incluyen a los alternadores Las

principales características de estos equipos se detallan a continuación.

Page 33: Microelectrica hidráulica

23

2.6.1 Máquina asíncrona (Inducción) [7]

Al ser conectada una máquina de inducción a un sistema de alimentación C.A. se

establece un campo magnético rotatorio en los arrollados del estator. Este campo gira a la

velocidad sincrónica de la máquina la cual está determinada por la frecuencia de la red de

alimentación y el número de polos del motor. La ecuación para calcular esta velocidad es

la siguiente:

PolosN

fN s

°

×=

120 (2.5-1)

donde:

Ns: velocidad sincrónica en r.p.m.

f: frecuencia de la red de alimentación.

El flujo magnético a través del entrehierro de la máquina induce una fuerza

electromotriz en el rotor, el cual provocará una corriente con su campo desarrollándose una

fuerza tangencial en el rotor provocando su rotación. De esta forma la máquina de

inducción trabaja como motor. La ecuación para calcular la velocidad del rotor es la

siguiente:

)1(120

sPolosN

fN r −×

°

×= (2.5-2)

donde:

Nr: velocidad del rotor en r.p.m.

s: deslizamiento de la máquina.

Page 34: Microelectrica hidráulica

24

Si el rotor de la máquina de inducción se hace girar con la ayuda de un primotor a

una velocidad superior a la sincrónica también se inducirá una fuerza electromotriz en el

rotor, pero con sentido inverso que en el caso anterior de forma tal que se entrega potencia

a la red. La máquina de inducción trabaja en este caso como un generador.

Aunque se encuentre trabajando como generador, la máquina de inducción requiere

para su funcionamiento energía reactiva, la cual es suplida típicamente por la red en la que

se encuentra conectado el generador. Aunque en el caso de que el generador se encuentre

aislado (sin estar conectado a una red) se deben adicionar capacitores que suplan la energía

reactiva que el mismo requiere pata trabajar.

2.6.2 Generador sincrónico

El generador sincrónico ha sido el más ampliamente utilizado para la generación de

electricidad. Su construcción es similar al de inducción, en el estator se encuentran se

encuentran los arrollados trifásicos (o monofásicos) que se conectan a la red, su rotor es

devanado y por él circula la corriente de excitación o de campo que debe ser suministrada

por una fuente C.C., tal y como se esquematiza en la Figura 2.10.

Page 35: Microelectrica hidráulica

25

Figura 2.10 Esquema de un generador sincrónico monofásico [12]

“Su principio de funcionamiento consiste en que unas bobinas corten las líneas de

un campo magnético, induciéndose de esta forma una fuerza electromotriz en las bobinas y

teniendo capacidad para suministrar corriente si se le conectan cargas.” [7]

Existen actualmente dos diferentes sistemas de excitación del campo magnético:

estático y rotatorio. El sistema de excitación estática consiste en rectificar una tensión C.A.,

por medio de tiristores de potencia, obteniéndose una tensión C.C. El sistema de excitación

rotatorio consiste en colocar una máquina C.C. unida al eje del generador.

Page 36: Microelectrica hidráulica

26

2.7 Sistemas y dispositivos de control [2, 13]

La regulación en una central generadora de electricidad, es necesaria en un sistema

de potencia aislado para garantizar la continuidad y la calidad de los parámetros

fundamentales, frecuencia y tensión, que deben mantenerse dentro de límites estrechos

alrededor de valores nominales establecidos. En sistemas de pequeña potencia,

frecuentemente se producen variaciones de caudal y de carga importantes, que afectan la

velocidad de rotación del grupo turbina-generador, ya que esta depende del equilibrio entre

la potencia hidráulica que entra a la turbina y la potencia eléctrica producida por el

generador. Las variaciones de velocidad se traducen en variaciones de la frecuencia y de la

tensión en la salida del generador.

Existen dos sistemas básicos para mantener los parámetros eléctricos del sistema

dentro del rango admisible de calidad. El primer sistema consiste en mantener la carga

constante durante todo el tiempo de operación. De este modo, si el generador ve una carga

constante, no se producirá variación de tensión ni de frecuencia. Este sistema se denomina

de regulación por carga. El segundo sistema, cuando la carga que ve el generador es

variable, es la turbina la que debe suministrar una potencia variable durante la operación.

La variación de la potencia de la turbina se obtiene variando el caudal de agua que ingresa

al rotor de la misma, ya que la altura es un parámetro fijo que no se puede cambiar. Este

sistema se denomina de regulación por caudal.

Page 37: Microelectrica hidráulica

27

Dado que los generadores, normalmente incluyen dispositivos que ajustan su

corriente de excitación de manera que se mantiene la tensión constante (reguladores

automáticos de tensión - AVR) ante las variaciones de carga; los medios de regulación

usados en las MCH se orientan a ajustar la frecuencia del sistema eléctrico.

2.7.1 Regulación por carga

La regulación de carga es la solución más sencilla desde el punto de vista

electrónico, pues carece de elementos actuadores sobre el sistema. Su principio de

funcionamiento se basa en mantener la carga del generador constante, añadiendo o quitando

cargas balasto (conjunto de resistencias enfriadas por agua o aire), en función de la

demanda de potencia; de esta manera cuando el generador está sometido a la máxima

demanda de potencia, lo que pudiera ocurrir en las horas de máximo consumo, la carga

balastro a su salida se hace cero. Por el contrario, si la demanda en algún momento llega a

ser cero, lo cual sería el peor caso, entonces la carga balastro deberá consumir toda la

potencia que está entregando el generador. Estos sistemas son muy estables, pero tienen la

gran desventaja de que la turbina tiene que entregar en todo momento la máxima potencia,

lo que significa que el gasto de agua también es el mayor, esto limita su utilización a

instalaciones con suficiente agua disponible, siempre y cuando no interese o no sea

significativo el exceso de consumo de agua. También hay que tener en cuenta que los

bancos de resistencias de carga complementaria resultan más costosos en instalaciones de

gran potencia.

Page 38: Microelectrica hidráulica

28

2.7.2 Regulación por caudal

Se lleva a cabo una variación del caudal de agua admitido por la turbina en función

de la carga instantánea aplicada al generador; la regulación de caudal se efectúa por medio

de un servomotor eléctrico con reductor de velocidad incorporado, de muy baja inercia y

por ende alta velocidad de respuesta o por un cilindro hidráulico; el servo-motor actúa

directamente sobre el vástago de la válvula de aguja de las turbinas Pelton o sobre el álabe

hidrodinámico de regulación de las turbinas Banki. En una turbina Francis, en la que se

puede cortar el paso del agua cerrando los álabes del distribuidor, los mecanismos del

servomotor tienen que ser muy robustos, para poder vencer la reacción del agua y los

rozamientos mecánicos en los ejes. En una turbina Pelton el problema es más sencillo; no

sólo porque el sistema de aguja permite cerrar el inyector con muy poco esfuerzo, sino

porque además accionando el deflector se impide que el agua llegue a las cazoletas aún sin

haberse cerrado el inyector.

“El servomotor, en general es un cilindro hidráulico cuyo émbolo, según sea el tipo

de turbina, está conectado mecánicamente a los álabes directrices o al inyector, es

alimentado por una central hidráulica compuesta por un cárter, una bomba accionada por un

motor eléctrico que suministra aceite a presión al sistema, un acumulador para el aceite a

presión y la válvula de control.” [2]

En el caso de un generador asíncrono conectado a una gran red de distribución, de la

que toma la corriente reactiva para generar su propio magnetismo, ésta se encarga de

regular su frecuencia por lo que no es necesario instalar un regulador de velocidad.

Page 39: Microelectrica hidráulica

29

2.8 Sistemas de protección [2, 9, 10]

Las MCH deben contar con cierto tipo de protecciones que ayuden a resguardar la

integridad de los aparatos conectados al sistema. Usualmente se cuenta con tres tipos de

protecciones que son básicas:

2.8.1 Alta frecuencia

Un exceso en la frecuencia del sistema puede ser dañino para aparatos que son

accionados con motores ya que éstos consumen más potencia entre mayor sea su velocidad

de giro (por ejemplo los ventiladores o las bombas centrífugas). Este tipo de fallas suele

ocurrir si falla la conmutación de las cargas balasto o si la turbina se desboca.

2.8.2 Sobretensión

Esta es una condición que puede dañar la mayoría de aparatos, se puede dar si falla

el sistema de conmutación de cargas o también se puede deber a una falla en el AVR del

generador.

2.8.3 Baja tensión

Ante una condición de baja tensión, se puede dar que los motores no arranquen o

que se sobrecalienten tratando de arrancar.

Page 40: Microelectrica hidráulica

30

Entre los equipos básicos de protección se encuentran los relés y supresores de

sobretensiones.

“Los relés examinan las relaciones de tiempo-corriente y operan cuando las

características de tensión y corriente sobrepasan los limites de calibración establecidos.” [9]

Las protecciones contra sobretensiones son necesarias para restringir los picos de

tensión provenientes de la línea de transmisión o cualquier pico de tensión que no haya

podido ser debidamente suprimido por los pararrayos de la subestación elevadora. Los

supresores de sobretensión se localizan lo más cerca posible a los terminales del generador.

El equipo de supresión de picos tiene como objetivo evitar perforaciones en los

aislamientos internos del generador y arqueos entre los devanados del mismo.

Las protecciones específicas básicas que deben estar presentes necesariamente en

todas las minicentrales son: relé de baja frecuencia, relé de bajo tensión, protección contra

cortocircuito y relé de enclavamiento por presencia de tensión en la línea.

Aparte de protecciones eléctricas, también hay del tipo mecánico, entre las cuales

conviene incluir las siguientes: empalamiento de la turbina; sobretemperatura en eje y

cojinetes; nivel y circulación del circuito de refrigeración (si es que existe); nivel y

circulación del aceite a presión; nivel mínimo en la cámara de carga.

Page 41: Microelectrica hidráulica

31

2.9 Parámetros económicos [5, 11]

2.9.1 Estimación de costos

Al calcular el costo de un proyecto hidroeléctrico se deben considerar los siguientes

rubros: costos de inversión de la obra (directos e indirectos), costos de reposiciones

intermedias y costos de operación y mantenimiento.

Los costos de inversión son los costos totales que se deben pagar para un proyecto

totalmente construido. Los costos directos incluyen los rubros directos de construcción,

terrenos y servidumbre, y los costos indirectos se refieren a los gastos legales y de

administración, costos de ingeniería por diseños, supervisión de construcción, documentos

de licitación, supervisión y fiscalización de la construcción de la obra y supervisión de la

puesta en marcha con asesoramiento al personal encargado e imprevistos. Generalmente la

estimación de los costos indirectos se hace con porcentajes del costo directo. De esta

manera, para cubrir los costos indirectos, se considera necesario entre el 10 y el 15% de los

costos directos de construcción, con un 5% de dichos costos asignado a gastos

administrativos.

Las reposiciones intermediarias se refieren a las obras y equipos que tienen una vida

útil menor a la vida útil del proyecto global y que deben ser repuestos para conseguir un

adecuado funcionamiento de las instalaciones. Estos valores se incluyen en un estudio de

factibilidad, como un porcentaje del costo total y con una determinada vida útil.

Page 42: Microelectrica hidráulica

32

Los costos de operación y mantenimiento pueden expresarse en costo unitario por

año en función del tamaño de la central o como un monto anual dado en un porcentaje de la

inversión total del proyecto.

2.9.2 Costos unitarios

Se relacionan con los costos, estos costos unitarios se dan en función de diferentes

características tales como:

• Costo por unidad de volumen.

• Costo por unidad de peso.

• Costo por unidad de área.

• Costo por unidad de longitud.

• Costo por unidad de potencia.

2.9.3 Factor de actualización

El factor de actualización es el parámetro que permite corregir y calcular valores

actualizados de cualquier rubro. Igualmente permite proyecciones corregidas por la

inflación.

2.9.4 Costos unitarios de la generación

Estos son los costos unitarios de instalación y los costos unitarios de la energía a lo

largo de la vida del proyecto.

Page 43: Microelectrica hidráulica

33

Estos parámetros son muy importantes porque sirven para comparar el costo de

instalación con los costos típicos de instalación, los costos típicos de generación y la

comparación entre el costo de producir la energía y su precio de venta.

2.9.5 Costo por kW instalado

Este es el costo de instalación de cada kW. Como norma general de comparación no

se incluye el costo de la subestación elevadora y la línea de transmisión. En el caso de estas

pequeñas plantas se incluyen el costo de la línea de transmisión para tener un costo total.

El costo unitario se calcula de la siguiente manera:

plantamáximaPotencia

plantaladeCostokWCosto = (2.8-1)

plantamáximaPotencia

líneaSubplantaladeCostokWCosto

++= (2.8-2)

Page 44: Microelectrica hidráulica

34

CAPITULO 3: Equipo electromecánico

Se trata en este capítulo al equipo electromecánico, como aquel equipo que abarca

desde el final de la tubería de presión hasta donde se conecta la carga. Tratándose cuatro de los

principales componentes de este tipo de equipo, estos son la turbina, el generador, el sistema

de control y las protecciones.

3.1 La turbina

En una micro-central hidroeléctrica (MCH), el principal componente del equipo

electromecánico, es la turbina, ya que es la encargada de transmitir al generador, la energía

que posee el agua. Por ende, realizar un diseño correcto de este equipo, es uno de los pasos

fundamentales para lograr una planta eficiente.

En la bibliografía se pueden encontrar varios métodos para seleccionar el tipo de

turbina que mejor se adapta a las condiciones de un determinado proyecto. Estos métodos

utilizan dos parámetros fundamentales, que son la caída y el caudal, ya que la potencia

disponible en un determinado sitio, es directamente proporcional a estas variables.

El primer método para cuantificar la adaptabilidad de un tipo de turbina a determinadas

condiciones, se basa en velocidad específica de la turbina, la cual está dada por la siguiente

relación:

25.1

5.0

2.1H

PNNs ××= (3.1-1)

donde:

Ns = Velocidad específica de la turbina.

Page 45: Microelectrica hidráulica

35

N = Velocidad en el eje de la turbina, en r.p.m.

P = Potencia disponible en el eje de la turbina, en kW. Y se calcula como sigue:

η×××= QHP 8.9 (3.1-2)

Q = Caudal, en m3/s.

H = Caída o Salto, en m.

η = Eficiencia de la turbina.

Se ha establecido que las turbinas funcionan con las mejores eficiencias si su velocidad

específica se encuentra dentro del ámbito de valores presentados en la Tabla 3.1:

Tabla 3.1 Velocidad específica de turbinas [5]

Tipo de turbina Ns

Pelton de una tobera 12 - 30

Pelton de dos toberas 14 - 40

Turgo 20 – 70

Michell-Banki (Flujo Cruzado) 20 – 200

Francis 80 – 400

Kaplan (Axial) 140 - 1000

Por lo tanto, lo que se hace en el método es calcular la velocidad específica con los

valores de caída y caudal que se tengan, suponiendo una eficiencia entre el 65 y 90% y una

velocidad en el eje de la turbina en el rango de 400 a 1800 r.p.m., que vendrían a ser las

posibles velocidades sincrónicas del generador (determinadas por el número de polos y la

frecuencia). Luego se ubica en la Tabla 3.1 el valor de velocidad obtenido y así queda

determinado el tipo de turbina más recomendable a utilizar.

Page 46: Microelectrica hidráulica

36

Es importante mencionar que la eficiencia de la turbina está determinada por el

porcentaje de caudal máximo con que esté trabajando; así, suponiendo un caudal del 100%, se

generaliza con valores conservadores que las turbinas de Flujo Cruzado tienen una eficiencia

de 65%, la Pelton y la Turgo 80% y las turbinas de reacción, o sea la Kaplan y la Francis, un

90%. En la figura 3.1 se puede ver como la eficiencia puede bajar o mantenerse según el

porcentaje de caudal máximo.

Figura 3.1 Eficiencias de turbinas [8]

Aunque para conocer exactamente la eficiencia de una determinada turbina, es

necesario consultar la gráfica de eficiencia de esa turbina, proporcionada directamente por el

Page 47: Microelectrica hidráulica

37

fabricante, ya que son valores que varían mucho de una empresa a otra, debido a sus

innovaciones tecnológicas.

Por ejemplo, en la Figura 3.2 se puede apreciar como una turbina del tipo flujo cruzado

construida por la empresa Ossberger, alcanza una eficiencia de hasta 85%.

Figura 3.2 Eficiencia de una turbina de flujo cruzado

Una segunda forma de seleccionar la turbina, vendría a ser la versión gráfica del

método anterior.

Este método se basa en la utilización de un nomograma que relaciona la potencia en el

eje de la turbina, la velocidad del eje, la caída y la velocidad específica, y toma en cuenta las

mismas suposiciones respecto a la eficiencia y velocidad del eje, explicadas anteriormente. En

la Figura 3.3 se muestra tal nomograma con un ejemplo.

Page 48: Microelectrica hidráulica

38

Figura 3.3 Nomograma para la selección de turbinas [8]

Page 49: Microelectrica hidráulica

39

El funcionamiento es el siguiente: primeramente se debe calcular la potencia en el eje

de la turbina, mediante (3.1-2), suponiendo una determinada eficiencia y conociendo los datos

de caída y caudal. Luego se ubica este dato en el nomograma y se traza una línea recta hasta el

lado opuesto donde se encuentra el valor de caída que se tenga. Finalmente se escoge una

velocidad del eje de la turbina en el rango de 400 a 1800 r.p.m. y se traza una línea que

comience en ese valor y que sea perpendicular a la línea obtenida anteriormente. Esta segunda

línea determinará la velocidad específica de la turbina y por ende el tipo de turbina

recomendado.

En la Figura 3.3 se muestra un ejemplo que ayuda a comprender mejor el

funcionamiento del nomograma. En este caso se tiene que la potencia disponible el eje de la

turbina es de 10 kW, la cual se logra con una caída de 70 m. (se unen estos dos datos con una

línea). Se selecciona una velocidad del el eje de 1000 r.p.m. (esto por que se supone un acople

directo con un generador sincrónico de 6 polos y 50 Hz.) y se traza la perpendicular, que

determina la velocidad específica que se encuentra en el rango de la turbina Pelton de una

tobera, por lo cual este es el tipo de turbina recomendado a utilizar.

Con este método se obtienen exactamente los mismos resultados que se pueden obtener

al aplicar (3.1-1) conjuntamente con la Tabla 3.1.

Es importante tener claro que si se supone un acople directo entre la turbina y el

generador, la velocidad disponible en el eje de la turbina se transmitirá directamente al rotor

del generador. Y que en un generador sincrónico, este valor determina la frecuencia de

generación, por lo cual la velocidad del eje debe ser un valor estándar de 3600, 1800, 1200 o

Page 50: Microelectrica hidráulica

40

900 r.p.m, considerando generadores de 2, 4, 6 u 8 polos respectivamente, para poder obtener

una frecuencia de 60 Hz.

Si el generador es una máquina asíncrona, la velocidad del eje de la turbina trasmitida

al rotor del generador, debe ser mayor que la velocidad sincrónica de la máquina, quedando

determinada la frecuencia según el deslizamiento que se tenga y no directamente por la

velocidad del rotor, por lo cual no es tan estricto tener un valor determinado de velocidad en el

eje de la turbina, ya que entran en juego otros aspectos como el equipo de regulación de

frecuencia.

Por lo tanto es de vital importancia a la hora de pedir una cotización a un fabricante,

indicarle el tipo de generador que se piensa utilizar en la central y las características de este,

abonado evidentemente a los datos de caída y caudal máximo y mínimo que se tengan.

Finalmente hay un tercer método, el cual es el más común, para una selección rápida

de la turbina. Este consta en ubicar el tipo de turbina, en un gráfico que relaciona la potencia,

la caída y el caudal.

Muchos fabricantes de turbinas proporcionan este tipo de gráficos, con pequeñas

variaciones de uno a otro, basadas en los tipos de equipos que cada quien fabrica. En la Figura

3.4 se presenta un gráfico, recomendado por la empresa Wasserkraft Volk, el cual está

enfocado en turbinas para potencias en el rango de 20 a 15000 kW.

Page 51: Microelectrica hidráulica

41

Figura 3.4 Gráfico de selección de turbinas de la empresa Wasserkraft Volk

Para rangos de potencia menores, hay menos gráficos disponibles, ya que no es muy

común el diseño de turbinas para potencias tan pequeñas.

En la Figura 3.5, se muestra un tipo de gráfico para potencias pequeñas, proporcionado

por la empresa Savoia Generators.

Page 52: Microelectrica hidráulica

42

Figura 3.5 Gráfico de selección de turbinas de la empresa Savoia Generators

En el presente estudio, interesan las turbinas de las que se pueda obtener potencia en

un rango menor a los 100 kW. De esta manera basándose en los métodos descritos

anteriormente, se tiene, que en pico y micro-centrales, es posible utilizar cualquiera de los

cinco tipos principales de turbinas, o sea, turbinas Pelton, Turgo, de Flujo Cruzado (Michell-

Banki), Francis y Kaplan; siempre y cuando las condiciones de caída y caudal así lo permitan.

En el Capítulo 2 se describieron los aspectos básicos de funcionamiento y construcción

de estos tipos de turbinas, a continuación se describen algunas características orientadas al

aspecto de selección para proyectos.

Page 53: Microelectrica hidráulica

43

3.1.1 Micro turbina Pelton

Por el número de giros relativamente bajo que posee, es adecuada para instalaciones

con grandes caídas de agua y caudales reducidos, lo que la convierte en una de las turbinas

más utilizadas en micro-centrales hidroeléctricas.

Pueden ser de eje horizontal o vertical y tener desde uno hasta cuatro inyectores. El

acoplamiento a generadores eléctricos puede ser directo o indirecto a través de poleas y

correas de alto rendimiento.

Es una turbina de fácil y sólida construcción, que ocupa poco espacio y de una alta

disponibilidad, bajo costo de mantenimiento y su eficiencia es alta, pues ronda el 80%. Los

sistemas de regulación son sencillos y la instalación de la turbina también es sencilla.

Generalmente todas las principales partes mecánicas están hechas de acero inoxidable,

lo que las hace más robustas y duraderas, tienen menos peligro que se dañen las cucharas y las

reparaciones son más sencillas.

3.1.2 Micro turbina Turgo

Es una turbina con una acción muy parecida a la Pelton. Es apta para caídas de tamaño

mediano a grande y caudales medianos. Pueden ser de eje horizontal o vertical, y las usadas en

MCH pueden tener desde uno hasta cuatro inyectores.

El acoplamiento a generadores eléctricos puede ser directo con el rotor acoplado en el

eje del generador, o indirecto a través de poleas y correas.

Los constructores aconsejan su uso, para enclaves con importantes variaciones de flujo

de agua y aguas turbias.

Page 54: Microelectrica hidráulica

44

3.1.3 Turbina Michell – Banki (Turbina de Flujo Cruzado)

Es una turbina utilizada exclusivamente para centrales de potencia pequeña; es apta

para caídas de unos pocos metros hasta caídas medianas, y para caudales medianos.

El rendimiento de las turbinas de Flujo Cruzado es menor que el de las turbinas Pelton,

pero tienen una mayor facilidad constructiva, su instalación es sencilla y tienen mejor

adaptabilidad a las pequeñas caídas. Además de que se puede regular el caudal y la potencia

por medio de un mecanismo sencillo.

El tamaño de la turbina, a diferencia de las demás, no depende del caudal, por lo cual

se puede alcanzar un nivel de eficiencia aceptable con pequeñas turbinas.

El rango de aplicación de esta turbina está comprendido dentro del rango de aplicación

de la turbina Francis, siendo más eficiente cuando opera a cargas parciales.

3.1.4 Mini turbina Francis

La Mini Turbina Francis es una turbina de reacción utilizada en centrales de tamaño

medio, con potencias que rondan los 100 kW. Su concepto constructivo es muy parecido al de

las turbinas para centrales más grandes.

La ventaja de esta turbina consiste en el aprovechamiento de todo el salto disponible,

hasta el canal de desagüe. Así cuando las caídas son medianas, se puede obtener más potencia

y el costo en la instalación inicial es menor.

Para grandes caídas, se tiene que el peso de la turbina es menor, se maximiza la

eficiencia, se aprovecha más la energía de caída del agua, el generador será más barato y las

dimensiones de la casa de máquinas serán más reducidas.

Page 55: Microelectrica hidráulica

45

Por otro lado su construcción compleja y la alta velocidad de rotación que provoca

fricción y desgaste, la hacen problemática para su instalación en centrales pequeñas.

3.1.5 Turbina Kaplan

Se utiliza en saltos de gran caudal y poca altura, lo que conlleva a que su instalación se

encuentre muy próxima a la toma de agua, instalándose en el interior del ducto que conduce el

agua desde la toma a la descarga.

Las altas velocidades de rotación sumadas a la presencia de presiones negativas a la

salida del rodete (succión) pueden originar cavitación.

En el aspecto constructivo, para facilitar la fabricación y la reducción de costos se

efectúan los álabes en chapa de acero. No obstante la mayor complejidad de diseño y las bajas

eficiencias a cargas parciales, son un fuerte contrapeso de la principal ventaja de este tipo de

turbina que es su buen comportamiento de la velocidad para bajas alturas de caída.

Para finalizar con el tema de turbinas, en la Tabla 3.2 se resumen los rangos de caída y

caudal, recomendados para cada tipo de turbina, su velocidad específica y eficiencias

aproximadas, enfocadas a la utilización en plantas con potencias menores o iguales a 100 kW.

Page 56: Microelectrica hidráulica

46

Tabla 3.2 Resumen de características de turbinas

Tipo de turbina

Pelton Turgo Michell-Banki

Francis Kaplan

En caudales de:

0.5 – 250 L/s

90 – 450 L/s

2 - 1000 L/s

110 – 1100 L/s

100 – 3000 L/s

En caídas de:

30 – 500 m

30 – 100 m

3 – 100 m

10 – 100 m

3 – 15 m

Velocidad específica

12 - 40 20 - 70 20 - 200 80 - 400 140 - 1000

Eficiencia aproximada

70 - 80% 80% 65 - 70% 90% 90%

Definidos así los tipos de turbinas posibles a utilizar y sus rangos de aplicación, se

analizarán en el Capítulo 4, los costos de estas.

Page 57: Microelectrica hidráulica

47

3.2 El generador

Después de haber diseñado la turbina, el paso siguiente en el diseño del equipo

electromecánico, es la escogencia del generador.

Si bien un buen diseño de la turbina implica buenos resultados en la eficiencia de la

central, la correcta elección del generador se asocia directamente con los costos económicos,

no solamente por el costo de inversión de este, sino principalmente por los costos asociados a

fallas en él; ya que los repuestos para un generador son usualmente caros y a veces pueden ser

difíciles de conseguir, sumado al costo de la atención de un técnico que tenga que viajar hasta

zonas alejadas donde generalmente se ubican las micro-centrales hidroeléctricas.

Básicamente para hacer una elección adecuada del generador, hay que tomar en cuenta

dos aspectos, el requerimiento de potencia (demanda) y el uso que se le dará a esta energía.

Estos definirán el tipo de generación (continua o alterna), la fase (en caso de ser alterna

monofásica o trifásica) y el tipo de regulación (por carga o caudal).

De esta manera si la potencia demandada es mayor a 5 kW, el esquema de generación

recomendado es el de corriente alterna. De lo contrario si la potencia es menor a 5 kW, será

generación de corriente continua; aunque esto no es una regla, ya que se pueden aplicar

sistemas de corriente alterna para potencias muy bajas, si las aplicaciones así lo requieren. El

tipo de fase queda determinado como monofásico si la potencia es menor de 10 kW y como

trifásico si la potencia es mayor a 10 kW. Esto porque para potencias mayores a 10 kW, las

máquinas trifásicas son más comunes que las monofásicas, además que las monofásicas tienen

mayores dimensiones que sus equivalentes trifásicas. Finalmente el tipo de regulación será

por carga si la potencia es menor a 100 kW y por caudal si es mayor a este valor.

Page 58: Microelectrica hidráulica

48

Definidas estas variantes, queda por elegir el tipo de generador, el cual puede ser una

máquina sincrónica o asíncrona (de inducción) teniendo presente que los alternadores son

generadores sincrónicos y que los motores de inducción bajo ciertas condiciones pueden

trabajar como generadores (del tipo asíncrono).

Los rangos de potencia en los que se recomienda utilizar cada tipo de generador, así

como su fase y tipo de regulación, se resumen en la Tabla 3.3. Esto para PCH y MCH.

Tabla 3.3 Resumen de características de generadores

Tipo de generador

Tipo generación

Rango de potencia

Tipo de regulación

Comentario

Alternador C.C.

(Carga de Baterías)

100 W – 2 kW

Mediante un controlador

específico para sistemas de carga

de baterías.

Se refiere al alternador de un automóvil que se emplea como generador

para cargar baterías.

C.A. - 1∅ 5 – 10 kW

Sincrónico

C.A. - 3∅ 10 – 100 kW

Mediante controlador

electrónico de carga (ELC).

Motor Inducción

como Generador

C.A. - 1∅ 2 – 15 kW

Se refiere a la máquina asíncrona que tiene la finalidad de ser usada

como motor pero que se emplea como generador.

C.A. - 1∅ 1 – 10 kW

Asíncrono

C.A. - 3∅ 10 – 100 kW

Con ELC. Pero más

recomendable usar controlador

para generador de inducción (IGC).

Se refiere a la máquina asíncrona que tiene la finalidad de ser usada específicamente como

generador.

Page 59: Microelectrica hidráulica

49

Estos parámetros no son una norma, pero generalmente son los que otorgan los

mejores resultados para los sistemas de generación tratados. [12]

Por otro lado se puede ver en la Tabla 3.3, que los rangos de potencia para cada tipo de

generador, se traslapan en ciertos valores, lo que puede poner en duda que tipo de generador

utilizar, y es aquí en donde entran en juego otros factores como el costo, la disponibilidad, la

aplicación y los equipos extra. Por ejemplo, el generador sincrónico puede funcionar

conectado a la red o desconectado de ella, pero siempre requiere de excitación, la cual en caso

de no ser un generador de imanes permanentes, tiene que ser proporcionada por un circuito de

excitación de corriente continua, el cual puede estar o no incorporado en el generador, de no

estarlo se incurre en un gasto extra.

Otro ejemplo, el generador asíncrono también puede funcionar conectado a la red o

desconectado de ella. Cuando está conectado, la potencia reactiva que necesita para funcionar

es suplida por la red, además de que no necesita ningún tipo de regulación, y esto

evidentemente no representa costos; contrario a cuando está desconectado, ya que el reactivo

tiene que ser proporcionado mediante capacitores y la regulación se debe dar mediante algún

dispositivo, además también es preciso que exista algo de magnetismo remanente en el hierro

del rotor para poder arrancarlo y si no lo hay, se requiere de una batería para ocasionar un

flujo remanente.

Desde el punto de vista de una máquina de inducción funcionando como generador, se

tiene que estas tienen buenas eficiencias siempre y cuando operen cercanos a las condiciones

nominales, no requieren de mucho mantenimiento ya que su construcción es simple y son

fáciles de conseguir en el mercado local, teniendo un amplio rango de potencias.

Page 60: Microelectrica hidráulica

50

De los alternadores se puede decir que son máquinas de bajas eficiencias, que traen

incluido un regulador de tensión y que consumen mucha de la potencia generada en su propio

sistema de excitación, relegando su utilización a potencias muy bajas.

Un aspecto a tomar en cuenta, es que la demanda energética de la MCH puede

incrementarse en el futuro, por lo que es conveniente sobredimensionar la capacidad del

generador para permitir esta expansión.

También es importante tener claro, que cuando la regulación de frecuencia se da por

medio de regulación de carga mediante reguladores electrónicos (ELC), el generador en todo

momento estará trabajando a plena carga, ya que precisamente el ELC se encarga de mantener

la carga constante, ante las salidas de usuarios que estén demandando carga. Además por el

modo de funcionamiento del ELC, este implica una carga extra para el generador, lo cual debe

tomarse en cuenta para el sobredimensionamiento del mismo.

Una vez que se tiene elegido el tipo de generador y su capacidad, hay que definir la

tensión de generación, la velocidad sincrónica y la orientación del mismo, esta última depende

directamente de la orientación y tipo de turbina a utilizar, así este puede ser de montaje

horizontal o vertical.

La tensión se define por la naturaleza de la carga que se va a alimentar y la potencia,

así hay valores estandarizados en baja tensión de 240 y 380V, y en media tensión de 6000 y

6600V. “Lo normal es generar a 380V para potencias inferiores a los 1400 kW, y a 6000V

para potencias mayores”. [10]

Page 61: Microelectrica hidráulica

51

El costo también es un factor que entra en juego para la elección de la tensión de

generación. “Entre menor sea la tensión de generación, los aislamientos deberán tener menor

rigidez dieléctrica y los conductores poseen menor diámetro, esto disminuye por lo general el

costo de las máquina, su peso y su tamaño”. [9]

En cuanto a los equipos de protección y transformadores de potencia (en caso de ser

necesarios), su costo también disminuye conforme se reduce la tensión.

La generación en media tensión compensa su mayor costo con la reducción de las

pérdidas de potencia y de esta forma una mayor eficiencia total de la generación.

Respecto a la velocidad sincrónica del generador, esta determinará la frecuencia a la

que se desea generar (valor fijo de 50 o 60Hz) conjuntamente con el número de polos de la

máquina. Es claro que la velocidad del rotor en un generador está ligada a la velocidad del eje

de la turbina; así, suponiendo un acople directo entre ambos equipos, se tiene que para un

generador sincrónico la velocidad sincrónica debe ser igual a la del rotor de la máquina y esta

igual a la del eje de la turbina; para un generador asíncrono se tiene que la velocidad

sincrónica debe ser menor que la velocidad del rotor de la máquina y esta igual a la del eje de

la turbina. De esta manera para obtener la frecuencia que se desee, el parámetro que se puede

variar es el número de polos de la máquina. Las velocidades más comunes en proyectos de

generación a pequeña escala son 1800, 1200, 900, 720 y 600 r.p.m., que se obtienen de aplicar

(2.5-1), con generadores de 4, 6, 8, 10, y 12 polos a una frecuencia de 60 Hz.

Ahora, dado el caso que no se tenga la posibilidad de escoger el número de polos,

habrá que variar la velocidad sincrónica, por lo cual esto se debe indicar al fabricante de la

turbina, para que este diseñe la turbina con la velocidad en el eje que se requiere; de lo

Page 62: Microelectrica hidráulica

52

contrario será necesario optar por la utilización de sistemas de correas o engranes que

modifiquen la velocidad.

Tratándose de costos, para una misma potencia del generador, entre mayor sea la

velocidad sincrónica, menor será el costo, ya que se necesita menor número de polos. Esto

también influye en el tamaño y peso de la máquina.

Basándose en información de la Primera versión de una guía para selección de

generadores y equipos de protección para pequeñas plantas hidroeléctricas [9], se muestra en

la Figura 3.6 como el peso de un generador varía con el incremento de la tensión y las

reducciones de la velocidad sincrónica.

1200 rpm

600 rpm

720 rpm

900 rpm

6000

6800

7600

8400

9200

10000

10800

11600

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500

Tensión de Generación (V)

Pe

so

de

l G

en

era

do

r (K

g)

Figura 3.6 Variación del peso del generador según la tensión y la velocidad

Se verá más adelante, que los costos unitarios (US$/kW) para MCH son muy altos, por

lo cual se recomienda que las tensiones de generación sean inferiores a los 600V y que las

Page 63: Microelectrica hidráulica

53

velocidades sean mayores de las 900 r.p.m., esto para reducir el tamaño y los costos del

equipo.

Hay un último factor a analizar en la selección del generador, y es la eficiencia. Este

parámetro depende de las distintas pérdidas que se pueden presentar en un generador, como

las del núcleo y las del cobre de los devanados de campo y armadura.

La eficiencia de un generador es un reflejo del costo de este, y depende mucho del

fabricante, por lo cual es muy difícil hacer generalizaciones; para conocerla con exactitud es

necesario referirse a los manuales y a los datos que aporte el fabricante.

En un diseño habrá que valorar si se quiere una buena eficiencia a un alto costo

económico, o bajar los costos sacrificando en la eficiencia o hacer un balance entre ambos

aspectos.

A estas alturas del capítulo, ya queda en evidencia, que en el diseño del equipo

electromecánico de una MCH, es muy importante la coordinación de diseño entre los distintos

equipos, principalmente entre la turbina y el generador. Por eso a la hora de pedir una

cotización se tienen que tener claros los distintos aspectos que entran en juego.

Recapitulando se tiene que para cotizar una turbina lo mínimo que debe indicársele al

fabricante es la altura neta, el caudal máximo y mínimo disponible, el tipo de acople que se

desea con el generador y la velocidad del eje que se quiere, además del tipo de regulación de

frecuencia que se empleará, ya sea por carga o por caudal. Para cotizar un generador se deberá

indicar como mínimo la fase, la frecuencia, la tensión de operación, la velocidad sincrónica, la

potencia y el tipo de montaje; y en caso de tenerse ya definido se deberá indicar también las

Page 64: Microelectrica hidráulica

54

características de la turbina utilizar y el tipo de acople con esta, las condiciones ambientales

como altitud, humedad y temperatura; la posibilidad de exposición a condiciones ambientales

adversas, requerimientos especiales en cuanto a factor de potencia, eficiencia y temperatura;

naturaleza de las cargas a alimentar y si se trata de un generador asíncrono indicar la fuente

que suministrará la potencia reactiva; si se trata de un generador sincrónico se debe indicar si

se desea un regulador automático de tensión (AVR) y autoexcitación. En caso de que no se

tengan requerimientos especiales en cuanto a factor de potencia, eficiencia y temperatura, el

fabricante deberá indicar estos valores, para incorporarlos en el diseño respectivo.

A continuación se tratarán los sistemas de regulación de la frecuencia y las

protecciones del generador. Equipos que igualmente deben coordinarse con las características

de los equipos ya estudiados.

Page 65: Microelectrica hidráulica

55

3.3 Sistema de control

En una MCH, uno de los aspectos más importantes es mantener la tensión y la

frecuencia dentro de niveles aceptables. Para los fines de este tipo de centrales, la tensión se

debe mantener en un rango de + 7% su valor nominal y la frecuencia puede aumentar en un

5% su valor nominal pero nunca disminuir, según lo recomendado en [8], esto para evitar

daños en los artefactos eléctricos y aumentar la vida útil de las luminarias.

Cuando se dan variaciones en la potencia demandada por el usuario, los parámetros de

tensión y frecuencia se ven afectados, por lo que se hace necesaria la utilización de sistemas

de regulación. Hay dos formas de regular estos parámetros, ya sea regulación por caudal o por

carga.

En la regulación por caudal lo que se hace básicamente es variar el volumen de agua

que entra en la turbina en un determinado tiempo, en función de la carga instantánea aplicada

al generador; por medio de un servo-motor eléctrico o por un cilindro hidráulico, variando así

la potencia entregada por la turbina. La segunda forma se basa en mantener la carga constante

ante las variaciones de la demanda, suponiendo un caudal constante; así el generador se

encuentra permanentemente generando a su máxima capacidad. El funcionamiento se basa en

la implementación de un regulador electrónico de carga (ELC) que deriva automáticamente la

carga eléctrica no consumida por el usuario a un banco de resistencias lastre blindadas,

enfriado por agua o por aire; de la misma forma cuando entra una carga útil el regulador

electrónico procede a desconectar una carga lastre equivalente.

La adopción de uno u otro método de regulación, depende de la potencia de la planta y

de la abundancia o escasez del recurso hídrico. Si el recurso hídrico es escaso, es conveniente

Page 66: Microelectrica hidráulica

56

regular por caudal, para hacer óptimo el aprovechamiento del mismo. En cambio si el recurso

hídrico es abundante, la regulación por carga resultará más conveniente.

En MCH, donde la potencia es inferior a 100 kW, la revisión bibliográfica y diversos

ejemplos de plantas de este tipo en otros países, hacen indicar que lo más recomendable es

utilizar la regulación por carga, principalmente por los costos del equipo y la no utilización de

elementos actuadores sobre las turbinas.

A continuación se explicarán algunos detalles de funcionamiento de los dos principales

tipos de reguladores electrónicos de carga.

3.3.1 Regulador electrónico de carga (ELC).

El ELC se utiliza en combinación con el regulador automático de tensión (AVR) que

se encarga de regular la tensión de generación, el AVR normalmente viene incorporado en el

generador. Por lo tanto el ELC se enfoca en controlar la frecuencia, como ya se dijo,

manteniendo al generador con una carga fija e igual a la potencia total realmente producida

por la instalación (carga total). Con la estimación de la carga total, se elige un conjunto de

resistencias (carga lastre), que conectadas igualen o estén cerca de la carga total estimada.

La conexión parcial o total de las resistencias depende evidentemente del valor de

frecuencia que tenga el generador en un momento dado, para ello constantemente se toma una

muestra de la frecuencia real del generador, la que por medio de un convertidor electrónico

F/V (Frecuencia/Tensión), se transforma en una señal de corriente continua proporcional a

esta frecuencia, esta señal se compara con una rampa sincronizada con la señal senoidal,

Page 67: Microelectrica hidráulica

57

consiguiendo un ángulo de disparo proporcional a la variación de la frecuencia, sobre un valor

nominal determinado (la inclinación de la rampa da la sensibilidad del sistema); así el circuito

electrónico decide entonces el estado de la conexión de las resistencias. Por ejemplo en el

momento que se conecta una carga útil, se produce una disminución de la frecuencia, esto es

sensado por el circuito; en ese instante el sistema electrónico procede a desconectar una carga

lastre equivalente. En la Figura 3.7 se muestra un posible diagrama de bloques del conjunto

turbina, generador y ELC.

Figura 3.7 Diagrama de bloques para la regulación de carga [2]

Si el sistema AVR es capaz de mantener la tensión regulada, y las cargas útiles y lastre

son del tipo resistivo, se debe cumplir en un ELC (considerando que la carga es balanceada)

que la sumatoria de la potencia útil y la potencia disipada en las cargas lastre debe ser igual a

Page 68: Microelectrica hidráulica

58

la potencia del generador (potencia total). Además se debe cumplir también que la sumatoria

de la corriente en la línea de distribución y la corriente en la línea de disipación debe ser igual

a la corriente en la salida del generador.

Es muy importante, asegurarse de la compatibilidad del ELC con el AVR, por eso es

indispensable consultar a los fabricantes de generadores, antes de realizar una compra, acerca

de la compatibilidad de los reguladores de tensión para trabajar con reguladores electrónicos

de frecuencia específicos.

Una desventaja que tiene el ELC, es que el generador debe estar sobredimensionado de

manera que se pueda compensar el efecto que se produce cuando las cargas balasto entran en

operación; este fenómeno se da debido a que cuando la carga ingresa a 90º de la onda, el

generador la ve como una carga inductiva con un desfase de 90º en atraso respecto a la tensión

generada.

Otro aspecto a tomar en cuenta, es la adquisición de las cargas balasto; lo ideal es

conseguir este equipo con el mismo fabricante del ELC, de ser posible todo en un mismo

paquete, para no incurrir en errores de diseño de la capacidad del banco de resistencias,

recordando que estas deben estar dimensionadas para la potencia total de generación.

Los ELC se pueden diseñar para potencias específicas o se pueden adquirir para ciertos

rangos según la fase; por ejemplo la empresa Chilena Cia & Cox Ingenieros (ver Apéndice B)

fabrica reguladores de electrónicos de carga del tipo monofásico y trifásico, que van de rangos

hasta 2 y 6 kW monofásicos, y hasta 15, 30 y 100 kW trifásicos; igualmente fabrican modelos

específicos.

Page 69: Microelectrica hidráulica

59

Un ELC es muy útil en MCH que posean un generador sincrónico y sobre todo cuya

potencia generada se utiliza para abastecer a una localidad pequeña o usuarios específicos que

no estén conectados a la red.

Por otra parte para controlar un generador asíncrono, lo más recomendable es utilizar

un controlador de generador de inducción (IGC), que es más útil en sistemas que utilizan

motores de inducción como generadores (asíncronos) y que tampoco están conectados a la red.

La principal diferencia entre un ELC y un IGC es que el IGC usa la tensión como señal

de entrada al controlador mientras que el ELC, como se dijo antes, tiene la frecuencia como su

señal de entrada. A continuación se detalla más de este tipo de equipo.

3.3.2 Controlador de generador de inducción (IGC)

Los generadores asíncronos cuando trabajan en forma aislada, muestran una gran

variación de la tensión generada con respecto a las variaciones de la carga; asimismo esta

tensión y la frecuencia de salida dependen de la velocidad sincrónica del generador. El IGC

logra controlar estas dos variables haciendo uso de las características de carga, velocidad y

tensión, velocidad de la turbina y del generador.

El funcionamiento del IGC consiste en sensar la salida de tensión del generador, el

cuál controla variando la cantidad de carga lastre que se tiene para este fin. Su funcionamiento

es el siguiente: si se produce un incremento de tensión debido a una reducción en la carga, la

velocidad de la turbina y la tensión del generador se incrementan, al detectar esto el IGC

Page 70: Microelectrica hidráulica

60

incrementa la cantidad de carga lastre. De esta forma se incrementa la carga total del

generador, reduciendo la velocidad, la frecuencia y la tensión a los niveles deseados.

La desventaja del IGC se presenta cuando el generador tiene que alimentar cargas

inductivas; ya que cuando se conectan estas cargas se produce una disminución de tensión

mayor que si se tratará de cargas resistivas. El IGC ante esta situación reacciona eliminado

parte de la carga lastre, tratando de que la tensión retorne al nivel deseado. Como la variación

de la tensión es mayor que si se tratara de potencia real, la carga lastre (tipo resistiva) se

deberá reducir más de lo necesario. Esto provoca un incremento no deseado en la velocidad

del generador y de la frecuencia de salida. Al incrementarse la frecuencia, se incrementa

también el requerimiento de potencia de los condensadores que se tienen conectados para

suplir la corriente de magnetización requerida y mantener el factor de potencia. Por lo que

para disminuir la variación de la frecuencia, la única solución es incorporar condensadores a

las cargas inductivas alimentadas por el generador.

Por otro lado, una ventaja de este equipo, es que desde el punto de vista de la

ingeniería de control, el ICG reacciona de forma más rápida y marcada, ante variaciones en

sus parámetros nominales, que un ELC.

Page 71: Microelectrica hidráulica

61

3.4 Protecciones

La revisión de documentos relacionados con la selección de equipo de protección para

generadores de pequeñas centrales hidroeléctricas, indica que hay un mínimo de protecciones

que se recomienda utilizar. Estas se pueden dividir en dos grupos: primarias y secundarias.

3.4.1 Protecciones primarias [4, 9]

Son aquellas protecciones que serán las responsables de minimizar cualquier falla que

pueda provocar daños de consideración al generador.

Uno de los principales daños a detectar en el generador son los daños en los

aislamientos de los devanados, tanto del estator como del rotor. Estos daños pueden deberse a

diversos factores, como la ruptura del dieléctrico del aislamiento por sobretensiones, el

calentamiento excesivo producido por sobrecorrientes y el envejecimiento del aislamiento.

Los fallos en el aislamiento pueden provocar puestas a tierra de los devanados del rotor y/o

estator y corto circuitos entre espiras. Por lo cual las protecciones primarias están orientadas a

controlar y detectar este tipo de fallas.

Entre las principales protecciones primarias, se encuentran los siguientes relés:

3.4.1.1 Relé térmico (Código ANSI: 49)

Controla y detecta las elevaciones de las temperaturas de los devanados tanto del rotor

como del estator.

Page 72: Microelectrica hidráulica

62

3.4.1.2 Relé de protección de puesta a tierra (Código ANSI: 64)

Detecta cualquier puesta a tierra en alguna de las espiras ya sea del rotor (ANSI 64F) o

del estator (ANSI 64G). En relación a la protección por falla a tierra, se considera que la

protección diferencial (ANSI 87), es la óptima, esto por cuanto es más sensible. A

continuación se detalla más sobre esta.

3.4.1.3 Relé de protección diferencial (Código ANSI: 87)

Se activa al alcanzar un cambio porcentual o de fase o de corriente o cualquier otra

cantidad eléctrica.

Como se dijo, en relación a la protección por falla a tierra, es más sensible, además que

a diferencia de los relés de falla a tierra resulta más selectiva que la anterior, pudiendo así

aislar la falla más rápidamente, sacando de operación al generador. Sin embargo, si ocurriese

una puesta a tierra en un punto fuera del ámbito de protección de la diferencial, la misma no

sería sensada por dicha protección, pero sí por el relé de falla a tierra.

3.4.1.4 Relé de potencia inversa (Código ANSI: 32)

Esta protección actúa cuando corto circuitos entre espiras provocan disminuciones en

la tensión generada (que es proporcional al número de espiras falladas). Esta disminución

provoca una suma fasorial diferente de cero, tanto de las corrientes, como de las tensiones.

Este desbalance es el que utiliza la protección para actuar. También puede actuar cuando una

falla en la turbina, produzca una motorización del generador.

Page 73: Microelectrica hidráulica

63

3.4.1.5 Relé de sobretensión (Código ANSI: 59)

Funciona cuando la tensión sobrepasa un nivel determinado. Esto puede ser provocado

por una variación considerable en la carga, lo cual produce un aumento en la tensión, que

ocasiona daños al aislamiento.

3.4.1.6 Relé de pérdida de excitación (Código ANSI: 40)

Es una protección que se utiliza en generadores sincrónicos. Funciona cuando se

alcanza una determinada tensión o un valor muy por debajo de lo normal, debido a una falla de

la corriente de excitación de la máquina, la cual produce un rápido sobrecalentamiento en el

rotor.

3.4.1.7 Relé de sobreexcitación (Código ANSI: 24)

Igual que la anterior, es una protección que se utiliza en generadores sincrónicos.

Actúa si la excitación supera los rangos normales de operación, lo cual produce un

sobrecalentamiento en los devanados del rotor debido al aumento de la corriente que los

circulará.

3.4.1.8 Relé de sobrecorriente instantáneo (Código ANSI: 50)

Se activa instantáneamente cuando se sensa un valor excesivo de la corriente o una

razón de crecimiento muy alta, indicando así una falla en el generador.

Es muy recomendable para detectar corto circuitos externos (de los terminales del

generador hacia la red), ya que su acción es muy rápida, al depender únicamente de la

magnitud de la corriente y no de otros parámetros como tiempo y tensión.

Page 74: Microelectrica hidráulica

64

3.4.1.9 Relé de sobrecorriente temporizada (Código ANSI: 51)

Tiene ya sea una característica de magnitud o de tiempo inversa que activa el aparato

cuando la corriente en el circuito excede un valor predeterminado.

3.4.1.10 Relé de sobrevelocidad (Código ANSI: 12)

Es una de las protecciones más importantes con la que debe contar un generador

asíncrono.

Como se sabe, la potencia de salida de un generador de inducción depende de la

velocidad que le aplique el eje de la turbina. Sin embargo existe un punto límite de operación

el cual no puede ser excedido sin exponer al generador a un daño grave. Más allá de esta

velocidad, el par decrece conforme aumenta la velocidad, esto ocurre usualmente cuando el

deslizamiento hace que la velocidad del rotor esté alrededor de un 5 a 10% arriba de la

velocidad sincrónica. El relé de sobrevelocidad se encarga de detectar esta condición y

proteger al generador en caso de presentarse.

3.4.2 Protecciones secundarias [4, 9]

Son aquellas protecciones que tienen la función de servir como respaldo a algunas de

las protecciones primarias o que no cumplen una función principal. Esto no significa que sean

menos importantes.

Se consideran principalmente dentro de este ámbito las siguientes protecciones:

Page 75: Microelectrica hidráulica

65

3.4.2.1 Relé de sobrecorriente dependiente de tensión (Código ANSI: 51V)

Esta protección opera de la misma forma que la de sobrecorriente temporizada (ANSI

51), con la diferencia de que sensa dos variables que son tensión y corriente. El dispositivo

mide una corriente y la compara contra un máximo previamente programado para un tiempo

definido y para una variación de tensión específica, en el caso de que la sobrecarga sea

excesiva. El hecho de que la protección sea dependiente de la tensión, garantiza que una

inestabilidad transitoria en los parámetros provoque el disparo de la unidad.

La protección sirve como respaldo tanto a la de sobrecorriente temporizada, como a la

de sobrecorriente instantánea en caso de que estas no actúen minimizando la falla.

3.4.2.2 Relé de pérdida de sincronismo (Código ANSI: 78)

La pérdida de sincronismo puede darse por efectos de prolongados tiempos en la

eliminación de fallas, baja tensión del sistema, excitación insuficiente, alta impedancia entre el

generador y el sistema o por operaciones de conexión y desconexión en las líneas. Estos

pueden ovacionar sobrecalentamientos en los devanados del estator y pares excesivos sobre el

eje de la maquina, pues se tiende a frenar el movimiento impuesto por la turbina.

3.4.2.3 Relé de baja tensión (Código ANSI: 27)

Funciona cuando el nivel de tensión sobrepasa un nivel determinado, esta condición se

puede dar cuando el generador intente entregar más potencia de la que es capaz, disminuyendo

la tensión en sus terminales y consecuentemente incrementando el nivel de corriente

entregada. Esta situación ya se cubre con la protección por sobrecorriente temporizada, sin

embargo la protección por baja tensión puede incluirse como una protección de respaldo.

Page 76: Microelectrica hidráulica

66

3.4.2.4 Relé de frecuencia (Código ANSI: 81)

Funciona cuando se alcanza un valor determinado de frecuencia (ya sea inferior o

superior) o una magnitud en el cambio de frecuencia.

Definidas las protecciones recomendadas a utilizar, en pequeñas plantas de generación,

queda por seleccionar las elementales según las condiciones que se tengan. En este aspecto no

se puede decir que para una potencia dada se deben usar tales protecciones, sino más bien se

debe poner en una balanza el costo que representa este tipo de equipo respecto a los demás. Ya

que según la planta, los costos de estas protecciones pueden alcanzar valores muy altos,

respecto al costo de la planta.

Se define que para el tipo de centrales en cuestión, suponiendo una operación

totalmente aislada de tales centrales; las protecciones a utilizar en un generador sincrónico son

los relés de baja tensión (ANSI 27), de sobretensión (ANSI 59), de sobrecorriente (ANSI 50 o

ANSI 51), de frecuencia (ANSI 81), pérdida de excitación (ANSI 40) y térmico (ANSI 49); y

en un generador asíncrono exactamente las mismas menos la de pérdida de excitación (ANSI

40) y se debe agregar el relé de sobrevelocidad (ANSI 12). En la Tabla 3.4 se resumen estas

protecciones.

Page 77: Microelectrica hidráulica

67

Tabla 3.4 Protecciones mínimas para un generador aislado

Nombre de la protección Código según ANSI/IEEE

Relé de sobrevelocidad 12

Relé de baja tensión 27

Relé de pérdida de excitación 40

Relé térmico 49

Relé de sobrecorriente instantáneo 50

Relé de sobrecorriente temporizada 51

Relé de sobretensión 59

Relé de frecuencia 81

Ahora, si se considera que la planta puede ser conectada a la red de distribución, y

hasta en su momento llegar a vender energía, basándose en la bibliografía y en los esquemas

de protecciones para el productor privado exigidos por el Instituto Costarricense de Energía

(ICE) (incluidos en el Anexo Nº 1), se indican en la Tabla 3.5, las protecciones mínimas con

las que debe contar el sistema de generación, junto con su respectivo código ANSI.

Page 78: Microelectrica hidráulica

68

Tabla 3.5 Protecciones mínimas para un generador conectado a la red

Nombre del equipo Código según ANSI/IEEE

Relé de sobrevelocidad 12

Relé de sobreexcitación 24

Relé de baja tensión 27

Relé de potencia inversa 32

Relé de pérdida de excitación 40

Relé térmico 49

Relé de sobrecorriente instantáneo 50

Relé de sobrecorriente temporizada 51

Relé de sobrecorriente dependiente de tensión

51V

Relé de sobretensión 59

Relé de protección puesta a tierra 64

Relé de pérdida de sincronismo 78

Relé de frecuencia 81

Relé de protección diferencial 87

Relé de enclavamiento por presencia de tensión en la línea

C

Un aspecto importante a la hora de diseñar o adquirir las protecciones, es que estas

dependen del nivel de tensión y corriente del generador, por lo cual estos son parámetros que

se le deben indicar al fabricante.

En el Capítulo 4 se analizarán los costos de estas protecciones, así como del resto del

equipo electromecánico ya estudiado.

Page 79: Microelectrica hidráulica

69

CAPITULO 4: Costos de pico y micro centrales hidroeléctricas

Este capítulo tiene la finalidad de analizar el comportamiento de los costos de

inversión en equipo electromecánico en pico y micro-centrales hidroeléctricas, tomando en

cuenta las distintas variables que hacen que estos costos se vean modificados.

Mediante consultas, se coincide en que los costos de este tipo de centrales son muy

variables. Estos dependen de factores que no se pueden controlar, como la altura o la potencia

demandada; y de factores que si se pueden controlar como la cantidad, calidad y

características de los equipos. Estos últimos a su vez quedan definidos por el motivo por el

cual se decide construir la central.

Entre los motivos que llevan a la construcción de una pequeña central de generación,

están la necesidad de energía eléctrica en un determinado lugar (generalmente aislado), la

necesidad privada, la comercialización de la energía u otros.

Así, generalmente los costos unitarios son muy altos en los casos que se refieren a

plantas en lugares aislados, y alcanzan valores bajos principalmente cuando el motivo de la

instalación de la planta es comercialización de energía o de necesidad privada, esto porque

entran en juego la factibilidad económica y la financiación del proyecto.

A grosso modo el costo unitario total de inversión de una MCH, se encuentra

comprendido actualmente (a julio del 2007) en un rango de 1200 a 2000 US$/kW (incluyendo

los costos indirectos), según lo indicado por distintos consultores y suplidores de equipo para

MCH en Costa Rica (ver Apéndice C); siendo el costo menor mientras mayor es la potencia

instalada, pudiendo variar el rango un tanto hacía arriba o hacia debajo de acuerdo a factores,

como se dijo antes, que se pueden controlar, como la calidad y marca de los equipos. Este

Page 80: Microelectrica hidráulica

70

rango de costos es valido para MCH que son diseñadas manteniendo un criterio económico de

por medio, ya que en plantas en las que el factor económico no es tan importante, el costo

unitario total se puede elevar incluso hasta 3000 US$/kW.

En la Figura 4.1 se puede apreciar como efectivamente el costo unitario de una planta

disminuye conforme aumenta la capacidad instalada de esta. Se muestra también el rango

aproximado en que se encuentran los costos unitarios de MCH, además de la comparación con

plantas de generación hidroeléctrica convencionales, asiéndose notar que para potencias

pequeñas el costo unitario total de una planta convencional es muy elevado, por lo cual se

hace necesaria la implementación de micro-centrales.

Figura 4.1 Gráfico de costos unitarios para MCH y plantas convencionales [8]

Es importante tomar en cuenta que, el costo de operación y mantenimiento de una

MCH, es mucho menor en comparación con otro tipo de centrales de generación, volviéndose

Page 81: Microelectrica hidráulica

71

un detalle muy ventajoso. En general para PCH y MCH, el costo de operación es casi nulo, ya

que casi todas se diseñan para funcionar automáticamente, sin atención permanente, pues los

equipos se proyectan para minimizar este costo.

En la Tabla 4.1, se desglosan los distintos rangos de porcentaje que representan las

obras civiles, el equipo electromecánico, la infraestructura y los costos indirectos, en el costo

total de la obra.

Tabla 4.1 Porcentajes del costo total de la obra [11]

Rubro Porcentaje

Obras civiles 15 – 40%

Equipo electromecánico 40 – 55 %

Infraestructura 10 – 15 %

Costos indirectos 10 – 15 %

Como se puede apreciar la mayor disparidad de costos se encuentra, en las obras

civiles, lo que convierte principalmente al porcentaje de equipo electromecánico, muy

dependiente de este rubro. Los costos indirectos y de infraestructura (terrenos y servidumbres)

siempre se mantienen en los rangos indicados.

Para el equipo electromecánico se debe considerar que este aumenta su porcentaje

conforme se reduce la potencia instalada, y que como se aprecia en la Tabla 4.1, generalmente

su porcentaje ronda el 50% del costo total de la obra, aunque es posible que ascienda hasta un

70% en algunos casos. Esto hace indicar la conveniencia de vigilar muy bien este aspecto, ya

sea investigando en el mercado extranjero los precios más favorables o bien aprovechando en

lo posible la tecnología nacional en este campo, dando al mismo tiempo la oportunidad de su

desarrollo.

Page 82: Microelectrica hidráulica

72

4.1 Estudios de costos precedentes

Con la promulgación de la Ley Nº 7200 y la puesta en marcha del Programa de

Generación Eléctrica Autónoma o Paralela, en Costa Rica; el Banco Interamericano de

Desarrollo (BID) acordó dar a Costa Rica un crédito no reembolsable para financiar un

Programa de cooperación técnica. Unos de los campos de aplicación de este programa fue el

de asistencia técnica para la preparación de estudios de factibilidad de los proyectos de

generación. Con tal fin, el BID integró un grupo de trabajo que se encargó de realizar una

Guía para estudios y costos de minicentrales hidroeléctricas [5], en la cual se detallan los

costos unitarios de cada una de las partes que conforman una minicentral.

A continuación se presenta la información de costos unitarios del grupo turbina-

generador, contenida en dicha referencia, con el objetivo de realizar un preámbulo que

muestre el comportamiento que siguen los costos de este tipo de equipo, ante el cambio de las

variables potencia y altura.

En la referencia [5], se plantean relaciones de costos unitarios como función de la

altura y la potencia, en forma de ecuaciones, para diferentes tipos de turbinas, basados en

información de cotizaciones y observaciones de costos de turbinas mayores. Las estimaciones

de costos son para equipo que no paga impuestos y se da puesto en Costa Rica.

De esta manera analizando las ecuaciones respectivas para cada tipo de turbina y

graficándolas para los rangos de altura y potencia especificados, se obtienen los siguientes

resultados:

Page 83: Microelectrica hidráulica

73

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 200 400 600

Altura neta (m)

Co

sto

un

ita

rio

($

/KW

)

100 KW

400 KW

600 KW

1 MW

1,5 MW

2 MW

Figura 4.2 Costo unitario para grupo turbina-generador (Turbina Pelton)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 20 40 60 80 100 120

Altura neta (m)

Co

sto

un

ita

rio

($

/KW

)

100 KW

400 KW

700 KW

1 MW

1,5 MW

2 MW

Figura 4.3 Costo unitario para grupo turbina-generador (Turbina Francis)

Page 84: Microelectrica hidráulica

74

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 20 40 60 80 100 120

Altura neta (m)

Co

sto

un

ita

rio

($

/KW

)

100 KW

400 KW

700 KW

1 MW

1,5 MW

Figura 4.4 Costo unitario para grupo turbina-generador (Turbina Banki)

De estas gráficas se puede apreciar como el costo unitario del grupo turbina-generador,

en general, se reduce conforme aumenta la potencia instalada, como también lo hace cuando

se aumenta la altura neta.

Hay que tener en cuenta que estas gráficas tienen únicamente la finalidad de ilustrar el

comportamiento de los costos unitarios, y no son validas para calcular precios de la actualidad,

ya que están basadas en datos del año 1991.

Aunque sería valido, pero no lo más recomendable, utilizar factores de actualización

que ayuden a dar una idea de más o menos como puede estar el costo actual.

Page 85: Microelectrica hidráulica

75

4.2 Costos de equipo para pico-centrales hidroeléctricas

Se definió en el Capítulo 2, que una pico-central hidroeléctrica es aquella cuya

potencia generada es menor a 1 kW; por lo cual, dada su baja capacidad, el equipo

electromecánico para una central de este tipo, se adquiere generalmente en un solo paquete.

Estos equipos están diseñados para cargar baterías en corriente continua a 12, 24 o

48V. Posteriormente la energía acumulada en las baterías se puede transformar en corriente

alterna, usando un inversor; con la ventaja que cuando no hay demanda de energía, el equipo

sigue generando y acumulando la energía en las baterías, teniendo presente que se debe

utilizar un regulador de carga que actué cuando las baterías están completamente cargadas.

Los distintos modelos comerciales disponibles, constan básicamente de una turbina

muy pequeña del tipo Turgo o Pelton, un alternador de imanes permanentes sin escobillas y de

boquillas universales que son adaptables a distintas medidas, además de que el equipo puede

tener de 1 a 4 inyectores. Están diseñados para funcionar en rangos variados de alturas y de

caudales, pudiéndose obtener en un mismo modelo distintas potencias para distintas

combinaciones de estos parámetros. Así por ejemplo un equipo de 250 W nominales, puede

trabajar con una caída de 30 metros y un caudal de 0.18 L/s y obtener 25 W, y trabajar con un

caudal de 1.5 L/s a la misma caída y obtener la potencia nominal de 250 W.

Respecto al costo de este tipo de equipos, es muy variable y depende principalmente

del fabricante y de la calidad de los materiales, además de las características específicas como

por ejemplo la cantidad de inyectores o la potencia nominal. Los costos unitarios varían en un

amplio rango que va de 600 a 2500 US$/kW, teniendo en cuenta el pequeño ámbito de

Page 86: Microelectrica hidráulica

76

potencias en el que se encuentran. Así por ejemplo dos equipos de características similares de

distintos fabricantes pueden tener una diferencia de precio de hasta US$ 2000.

En general, los equipos para PCH tienen ventajas como su fácil instalación y que

requieren muy poco mantenimiento, y desventajas como su baja eficiencia.

Page 87: Microelectrica hidráulica

77

4.3 Costos de turbinas para micro-centrales hidroeléctricas

Uno de los costos más difíciles de estimar es el del equipo electromecánico y en

general el de las turbinas. Las turbinas son construidas a la medida de un sitio, y son muy

pocas las de fabricación en serie. En el caso de turbinas grandes se puede obtener un costo

unitario, pero con turbinas pequeñas esto es más complicado.

El costo de una turbina depende directamente de factores, como la altura neta y el

caudal para la que se diseña, la tipología, la potencia disponible en el eje, la eficiencia y los

materiales, estos dos últimos muy ligados al fabricante.

Hay una ecuación generalizada, que se toma de la referencia [8], que permite calcular

el costo unitario de una turbina, que relaciona el tipo turbina, la potencia y la caída neta. La

ecuación es la siguiente:

βαHP

KCkW

⋅= (4.3-1)

donde:

CkW = Costo por kW disponible en el eje de la turbina (Costo unitario).

H = Caída neta en metros.

P = Potencia disponible en el eje de la turbina, en kW.

K, α y β, son constantes que se deben definir.

En esta referencia, se definen valores para las constantes K, α y β, según información

recopilada sobre costos de distintas micro-centrales hidroeléctricas en el Mundo, que van de

potencias de los 2 kW a los 150 kW; y donde la constante K varía entre 3500 y 4500

dependiendo del tipo de turbina y del fabricante. La ecuación propuesta es la siguiente:

15.03.0

4500~3500

HPCkW

⋅= (4.3-2)

Page 88: Microelectrica hidráulica

78

En la misma referencia, también se brinda una tabla con rangos de valores de costos

para turbinas, obtenidos mediante la aplicación de (4.3-2) para distintas tipologías y potencias.

En la Tabla 4.2 se muestran estos datos.

Tabla 4.2 Costos de turbinas en miles de dólares americanos [8]

Potencia disponible en

el eje (kW)

Flujo Cruzado

Francis Pelton de

una Tobera

Pelton de varias toberas

Turgo

2 1 - 2 4 - 6 1 - 4 1 - 3 2 - 4

5 2 - 6 8 - 10 2 - 8 2 - 6 5 - 8

10 2 - 10 15 - 20 2 - 15 2 - 10 8 - 14

20 3 - 14 20 - 30 3 - 20 3 - 15 12 - 20

50 5 - 30 25 - 70 5 - 50 5 - 30 35 - 50

100 30 - 50 40 - 100 40 - 80 15 - 60 55 - 80

150 50 - 80 60 - 120 60 - 100 30 - 80 80 - 100

Tomando el promedio de estos valores y calculando el costo unitario para potencias

inferiores a 100 kW, se obtienen las siguientes curvas:

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 20 40 60 80 100

Potencia disponible en el eje de la turbina (kW)

Co

sto

Un

itari

o (

U$1000/k

W)

Flujo cruzado

Pelton una tobera

Francis

Turgo

Figura 4.5 Curvas de costo unitario para turbinas empleadas en MCH

Page 89: Microelectrica hidráulica

79

Al suavizar las curvas de la figura 4.5, se obtiene lo siguiente:

Figura 4.6 Curvas suavizadas de costo unitario para turbinas empleadas en MCH

Las respectivas ecuaciones de las curvas de la Figura 4.7, se presentan en la Tabla 4.3.

Estas pueden ser empleadas para calcular el costo unitario (US$/kW) aproximado de una

turbina en función de su potencia en kW. La potencia disponible en el eje de la turbina se

calcula con (3.1-2), suponiendo una eficiencia para la turbina según la Tabla 3.2.

Page 90: Microelectrica hidráulica

80

Tabla 4.3 Ecuaciones de costo unitario de turbinas

Tipo de turbina Ecuación para el costo unitario en US$/kW

Francis 3119.0

9.3080

PCkW =

Turgo 233.0

3.1794

PCkW =

Pelton 2406.0

2.1427

PCkW =

Flujo Cruzado 2522.0

7.1069

PCkW =

Se debe tener presente, que los resultados obtenidos al aplicar las ecuaciones de la

Tabla 4.3, pretenden únicamente guiar sobre la tendencia del costo de una turbina, recordando

que la mejor manera de estimar el costo exacto de una turbina y del equipo electromecánico en

general, es la de solicitar los precios para cada proyecto específico, directamente a los

fabricantes; por lo cual, también es importante tener en cuenta que una cotización puede variar

notablemente de un fabricante a otro, por distintas razones; ya sean de índole técnico como la

calidad y características del equipo, o por razones de política de la empresa, como por ejemplo

la cantidad de pedidos que tenga dicha empresa o plazos de entrega. Lo cual deja en evidencia

que los costos reales del equipo son difíciles de conocer, ya que estos se ven influenciados por

diversos factores que no se pueden controlar.

Page 91: Microelectrica hidráulica

81

4.4 Costos de generadores, sistemas de control y protección para MCH

Como se hizo constar en el Capítulo 3, el costo de un generador es susceptible a

diversos factores, como la capacidad, la eficiencia o la orientación del mismo, entre muchos

otros. En esta sección se presenta información útil para estimar el costo aproximado de un

generador ante variaciones de ciertos parámetros, así como el costo del sistema de control y

las protecciones, que son aspectos dependientes del tipo de generador.

Un primer factor a analizar, es el tipo de generador que se utilizará. Como se dijo

antes, la selección del tipo de generador depende principalmente de la potencia que se debe

suplir, habiendo rangos de potencia en los que se da la posibilidad de elegir la tipología del

generador. Por ejemplo, según la Tabla 3.3, para una potencia de 5 kW, se tiene la posibilidad

de elegir entre un generador sincrónico, uno asíncrono o un motor de inducción trabajando

como generador. De esta manera si se condiciona la elección del generador a factores

económicos, no queda más que comparar los precios de dichos generadores para la potencia

especificada, además de analizar los costos de los equipos necesarios para su correcto

funcionamiento.

Por lo encontrado en la bibliografía consultada, se estima que los generadores de

inducción son más baratos que los sincrónicos, aunque no los más utilizados. A muy grosso

modo, para el generador asíncrono, se estima que el costo unitario es un 85% del costo del

generador sincrónico.

Page 92: Microelectrica hidráulica

82

A modo de ilustración se presenta en la Tabla 4.5, un ejemplo tomado de la referencia

[8], que muestra como para una potencia de 10 kW, se pueden tener distintas opciones de

generadores y controladores de estos, y como pueden variar los precios según la configuración

que se escoja.

Tabla 4.4 Comparación de generador sincrónico y asíncrono para 10 kW [8]

Tipo de Generador Costo en US$

Generador 1530

Gobernador mecánico 3570 Sincrónico con AVR y autoexcitación

Total 5100

Generador 1530

ELC 1190 Sincrónico con AVR y autoexcitación

Total 2720

Generador 510

ELC 1190

Regulador de tensión 1020 Asíncrono + Capacitores

Total 2720

Generador 510

IGC 510 Asíncrono + Capacitores

Total 1020

Según los datos de este ejemplo, la opción más cara es la de un generador sincrónico

con gobernador mecánico y la más barata es la de generador de inducción con regulación de

frecuencia mediante IGC. Si se decide utilizar regulación de frecuencia por regulación de

carga mediante ELC, da igual el uso de un generador sincrónico o de uno asíncrono.

Page 93: Microelectrica hidráulica

83

Un segundo factor a analizar en el costo de los generadores, es la fase. Según la Tabla

3.3, se recomienda utilizar generadores trifásicos para potencias mayores a 10 kW, esto

principalmente por motivos económicos, ya que para potencias superiores a 10 kW, los

generadores monofásicos son de mayor tamaño que sus equivalentes trifásicos, lo que los

convierte más caros. Esto se muestra gráficamente en la Figura 4.7, donde se puede apreciar

como, a partir de aproximadamente 10 kW, las curvas de costos unitarios para generadores

monofásicos y trifásicos comienzan a separarse, quedando siempre el costo unitario del

monofásico más arriba que el del trifásico.

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120

Potencia (kW)

Co

sto

Un

ita

rio

(U

S$

/kW

)

monofásico

trifásico

Figura 4.7 Curvas de costo unitario para generadores 1∅∅∅∅ y 3∅∅∅∅

Page 94: Microelectrica hidráulica

84

Otros aspectos que influyen en el costo de los generadores son la variación de la

potencia y la velocidad sincrónica. En general se tiene que para un generador,

independientemente del tipo que sea, el costo se incrementa cuando se aumenta la potencia y

cuando se disminuye la velocidad sincrónica. A su vez el costo unitario disminuye cuando se

aumenta la potencia, y aumenta cuando baja la velocidad sincrónica, tal y como se aprecia en

la Figura 4.8:

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120

Potencia (kW)

Co

sto

Un

ita

rio

(U

S$

/kW

)

trifásico 1800 rpm

trifásico 1200 rpm

Figura 4.8 Curvas de costo unitario para generadores de 1200 y 1800 rpm

El generador de 1200 rpm, tiene aproximadamente el doble de costo que el de 1800

rpm, debido a que tiene mayor número de polos, y esto evidentemente hace que se requiera

más material y que suba el precio.

Page 95: Microelectrica hidráulica

85

Analizando precios de generadores sincrónicos trifásicos a 1800 rpm, de bajo voltaje,

autoexcitados, autorregulados (AVR) y sin escobillas, de tres marcas distintas (incluidos en el

Apéndice A), se ha obtenido una curva de costo unitario promedio para este tipo de

generadores, los cuales son los más utilizados en MCH, esta se muestra en la Figura 4.9:

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Potencia (kW)

Co

sto

Un

ita

rio

(U

S$

/kW

)

Figura 4.9 Curva de costo unitario para generador típico de MCH

Al suavizar esta curva, se obtiene una ecuación que permite calcular el costo unitario

(US$/kW) aproximado de un generador con las características citadas arriba, en función de su

potencia en kW.

La ecuación es la siguiente:

5804.0

89.782

PCkW = (4.4-1)

Page 96: Microelectrica hidráulica

86

En la Figura 4.10 se muestra la curva suavizada para el costo unitario del generador.

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Potencia (kW)

Co

sto

Un

itari

o (

US

$/k

W)

Figura 4.10 Curva suavizada de costo unitario para un generador típico de MCH

Es importante tener presente que existen otros factores, además de los analizados, que

influyen en el costo de un generador, como los son la tensión de generación, la orientación del

generador, si es de uno o dos cojinetes, la eficiencia, el tipo de excitación y si esta última está

incluida o no. A grosso modo, el costo del generador puede subir un 5% si se específica de

montaje vertical.

En lo que respecta a los sistemas de control, tal y como se explicó en el Capítulo 3, lo

que se utiliza es regulación electrónica de carga (ELC). Los costos de estos equipos crecen

linealmente con forme aumenta la potencia. Así en el rango de potencia de MCH (1 a 100 kW)

Page 97: Microelectrica hidráulica

87

los costos van de US$1000 a US$6000, teniendo presente que un modelo específico puede

trabajar en cierto rango de potencia. Estos precios incluyen las cargas balasto, que pueden ser

enfriadas por aire o por agua.

Por el lado de las protecciones, se tienen equipos que traen incluidos distintos relés de

protección para el generador, o también se pueden adquirir relés individuales para cada

función de protección. Económicamente, son más convenientes los equipos multifuncionales

que los relés individuales, ya que para cumplir con las protecciones mínimas recomendadas en

la Tabla 3.4, se deberían adquirir ocho relés, los cuales fácilmente pueden duplicar el precio de

un equipo multifuncional que incluya las mismas protecciones.

El precio de un relé oscila por US$200, aunque puede subir según el fabricante. El

precio de un equipo multifuncional de protección está en el rango de US$1000 a US$3500

aproximadamente, siendo más costoso según la cantidad de protecciones y funciones que

incluya.

Comercialmente se encuentran equipos, que traen incluido en un solo modelo, las

funciones de regulación y de protección, además de funciones de sincronización, para el caso

en que se desee interconectar el generador con la red.

Page 98: Microelectrica hidráulica

88

4.5 Costo total del equipo electromecánico para MCH

Analizados ya, los costos de cada una de las partes del equipo electromecánico

(turbina, generador, sistemas de control y protecciones) en secciones anteriores, se presenta en

este apartado, el comportamiento del costo total de este tipo de equipo. Para ello se han

analizado los precios de tres empresas distintas, que ofrecen equipos de características muy

similares. En la Figura 4.11 se presentan las curvas del costo unitario de sus productos.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 20 40 60 80 100

Potencia (kW)

Co

sto

Un

itari

o (

US

$/k

W)

Empresa 1

Empresa 2

Empresa 3

Figura 4.11 Curvas de costo unitario de equipo electromecánico

El equipo electromecánico en estos casos, está compuesto por turbina tipo Pelton o

Michell Banki, generador sincrónico trifásico a 1800 rpm (4 polos), de bajo voltaje,

autoexcitado, autorregulado (con AVR) y sin escobillas; regulador electrónico de carga (ELC)

con sus respectivas cargas balasto, protecciones y accesorios para acople de la tubería.

Page 99: Microelectrica hidráulica

89

Sacando un promedio de los costos de las tres empresas, se encuentra una curva

promedio y una suavizada que ilustran la variación del costo unitario respecto a la potencia.

Estas se muestran en las Figuras 4.12 y 4.13.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 20 40 60 80 100

Potencia (kW)

Costo

Unitari

o (U

S$/k

W)

Figura 4.12 Curva promedio de costo unitario de equipo electromecánico

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 20 40 60 80 100

Potencia (kW)

Co

sto

Un

itari

o (

US

$/k

W)

Figura 4.13 Curva suavizada de costo unitario de equipo electromecánico

Page 100: Microelectrica hidráulica

90

De la curva de la Figura 4.13, se encuentra una ecuación que permite calcular el costo

unitario (US$/kW) aproximado de todo el equipo electromecánico de características citadas

anteriormente, en función de su potencia en kW, en un rango de 6 a 100 kW. La ecuación es la

siguiente:

3333.0

6.2383

PCkW = (4.4-2)

De la Figura 4.13 y de la aplicación de (4.4-2), se tiene que el costo unitario del equipo

electromecánico se encuentra en un rango aproximado de 500 a 1300 US$/kW. En donde la

turbina representa un 55% del costo, el generador 20%, los sistemas de control y protección

20% y el sistema de acople de la turbina con el generador (transmisión) 5%.

Es importante hacer notar, que en (4.4-2), el costo depende únicamente de la potencia

generada, dejando de lado la altura. Esto debido a que las turbinas fabricadas por las empresas

estudiadas siguen estrategias de producción y mercadeo en las que un mismo modelo es usado

para un rango de potencias, y termina costando lo mismo si opera bajo 5, 100 o 200 m; lo que

si sucede es que la turbina gira más rápido si la altura es de 200 m, variando entonces el costo

del sistema de transmisión hacia el generador con respecto a otra que opere bajo 50 m y gire

más despacio. Igualmente estas empresas también han estandarizado los precios con base en la

potencia, considerando variaciones en el tipo de turbina.

En la Tabla 4.5 se resumen las ecuaciones, los rangos y los porcentajes, de los costos

unitarios del equipo electromecánico para un rango de 6 a 100 kW, teniendo presente que los

Page 101: Microelectrica hidráulica

91

resultados son aproximados y para equipos típicos; recordando que la única manera de

conocer el costo real de un determinado equipo, es solicitando una cotización a un fabricante.

Tabla 4.5 Resumen de ecuaciones, rangos y porcentajes de costos unitarios

Equipo Ecuación de costo

unitario en US$/kW Rango en US$/kW

Porcentaje aproximado

Total 3333.0

6.2383

PCkW = 500 ~ 1300 100%

Turbina tipo Flujo Cruzado 2522.0

7.1069

PCkW = 300 ~ 700

Turbina tipo Pelton 2406.0

2.1427

PCkW = 450 ~ 900

55%

Generador sincrónico de 1800 rpm, 3∅

5804.0

89.782

PCkW = 60 ~ 275 20%

Sistema de control (ELC) y

protecciones mínimas

----------------- 75 ~ 350 20%

Sistema de acople (Transmisión)

----------------- 25 ~ 65 5%

Complementario a esto se tiene que el costo aproximado de un generador asincrónico

es el 85% de su equivalente sincrónico, el costo un generador de 1200 rpm (6 polos) es

aproximadamente el 200% de uno de 1800 rpm (4 polos) y a los precios de las turbinas se les

puede considerar un 20% de sobrecargo por transporte.

Page 102: Microelectrica hidráulica

92

CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones

• En un estudio de costos para una central hidroeléctrica, se definen tres rubros, los costos

de inversión, los costos de reposiciones (repuestos) y los costos de operación y

mantenimiento. Los costos de inversión se subdividen en los costos de obra civil, equipo

electromecánico, infraestructura y costos indirectos, y a su vez cada uno de estos apartados se

divide en sus distintos componentes.

• El equipo electromecánico en pico y micro-centrales hidroeléctricas, se considera

compuesto por la turbina, el generador, los sistemas de control y las protecciones; siendo los

costos de estos equipos muy variables y dependientes de distintos factores.

• Sobre la turbina recae mucho, la eficiencia de la planta de generación, por lo cual es muy

importante su correcta elección y diseño. Partiendo de que en un inicio, únicamente se

conocen los parámetros de caída y caudal de un determinado sitio, la elección del tipo de

turbina y la potencia disponible en el eje de la misma, dependen de la relación de estos datos.

• Hay varios métodos que indican el tipo de turbina que debe utilizarse según las

condiciones de caída y caudal que se tengan. Estos métodos se basan en el cálculo de la

velocidad específica, definiendo rangos en los que las turbinas son más eficientes. De esta

manera para el tipo de centrales en estudio, se tiene que se pueden utilizar turbinas del tipo

Pelton, Turgo, Flujo Cruzado, Francis y Kaplan.

Page 103: Microelectrica hidráulica

93

• Las turbinas tipo Pelton son las más utilizadas en pequeñas plantas debido a sus fácil

construcción y alta disponibilidad, son adecuadas para condiciones de grandes caídas de agua

y caudales reducidos.

• Las turbinas tipo Turgo son muy similares a las Pelton pero se utilizan para caídas de

tamaño mediano a grande y caudales medianos, son turbinas que se adaptan muy bien a los

cambios de caudal, por lo que igual que las Pelton, tienen una eficiencia alta trabajando a

caudales parciales.

• La turbina de Flujo Cruzado o Michell Banki, es una turbina cuyo rango de aplicación

está comprendido dentro del rango de aplicación de la turbina Francis, con la diferencia que su

rendimiento es menor, aunque tienen una mayor facilidad constructiva y mejor adaptabilidad a

las pequeñas caídas; igual que la turbina Turgo es muy eficiente cuando opera a cargas

parciales.

• Las turbinas de reacción tipo Francis y Kaplan, se utilizan en condiciones de gran caudal

y poca altura, y son de alta eficiencia cuando trabajan con su caudal máximo.

• Para obtener un diseño óptimo de la turbina, es muy importante indicarle al fabricante

los datos exactos de caída neta, caudal máximo y mínimo, tipo de regulación que se empleará,

tipo de generador y sistema de acople con la turbina. Al mismo tiempo se le debe pedir al

fabricante que indique la eficiencia, la potencia disponible y la velocidad del eje de la turbina,

para su incorporación en el diseño del generador.

Page 104: Microelectrica hidráulica

94

• La elección del tipo de generador, depende de la potencia demandada y la utilidad que se

le dé a esta, teniendo la posibilidad de generar corriente continua o alterna, y monofásica y

trifásica en el caso de ser alterna; por lo cual se definen rangos en los que es más

recomendable uno u otro sistema de generación, tomando en cuenta tanto criterios técnicos

como económicos.

• La elección entre una máquina sincrónica o asíncrona, no depende de la potencia, ya que

para el rango de potencias de una MCH, se puede emplear cualquiera de los dos tipos de

máquina; la elección por consiguiente se define más bien por factores como la disponibilidad,

el costo o la posibilidad de interconexión con la red.

• Cuando se utilizan de reguladores de carga, estos por su naturaleza hacen que el

generador funcione constantemente a plena carga e implican una carga extra que se debe

considerar en el dimensionamiento.

• La velocidad sincrónica del generador debe coordinarse con la velocidad del eje de la

turbina, para un acople directo entre estos, o para el diseño de un sistema de transmisión;

teniendo en cuenta que la velocidad sincrónica de un generador afecta de gran manera el costo

de este.

• Cuando se pide una cotización de un generador, se debe indicar como mínimo la fase, la

frecuencia, la tensión de operación, la velocidad sincrónica, la potencia y el tipo de montaje; e

idealmente indicar también condiciones ambientales como altitud, humedad y temperatura en

las que trabajará el generador; la posibilidad de exposición a condiciones ambientales

Page 105: Microelectrica hidráulica

95

adversas, requerimientos especiales en cuanto a factor de potencia, eficiencia y temperatura, y

naturaleza de las cargas a alimentar.

• En el diseño del equipo electromecánico de una MCH, es muy importante la

coordinación de diseño entre los distintos equipos, principalmente entre la turbina y el

generador. Por eso a la hora de pedir una cotización se tienen que tener bien claros los

distintos aspectos que entran en juego.

• Por razones de costos del equipo y por la no utilización de elementos actuadores sobre

las turbinas, en MCH lo que se utiliza es regulación electrónica de carga (ELC) y no

regulación por caudal.

• El ELC se encarga de regular la frecuencia, y se debe complementar su uso con un

regulador automático de tensión (AVR), que por lo general viene incluido con el generador,

asegurándose de la compatibilidad de estos dos equipos, consultando al fabricante del

generador, antes de realizar la compra ya sea del ELC o del generador.

• Para controlar la frecuencia en un generador asíncrono que opera de manera aislada, se

puede utilizar un ELC, pero lo más recomendable es utilizar un controlador de generador de

inducción (IGC), ya que este reacciona de forma más rápida ante variaciones en los

parámetros nominales, que un ELC.

• Las protecciones del generador se clasifican como primarias y secundarias; las primarias

se encargan de minimizar cualquier falla que pueda provocar daños de consideración al

Page 106: Microelectrica hidráulica

96

generador y las secundarias tienen la función de servir como respaldo a algunas de las

protecciones primarias.

• En micro-centrales, es poco factible económicamente utilizar todas las protecciones

posibles, por lo que en el diseño se deben incorporar únicamente las esenciales; por otro lado

si la planta tiene la posibilidad de conectarse a la red, se debe considerar un número mayor de

protecciones.

• El costo del equipo electromecánico representa aproximadamente el 50% del costo total

de inversión, donde el costo unitario se encuentra en un rango de 500 a 1300 US$/kW,

dependiendo de distintos factores.

• Algunos de estos factores que influyen en el costo, no se pueden controlar, ya que son

inherentes a las características del sitio donde se instalará la central, como la caída neta, el

caudal máximo y mínimo, o la tipología de la turbina que queda definida por estas últimas; la

turbina a su vez define otras variables como la orientación del generador o la potencia

disponible, que influyen en el costo y no se pueden controlar.

• Hay variables que influyen en el costo, que si son controlables como la cantidad, calidad

y características de los equipos utilizados; en una turbina se puede variar el material con el se

construye y bajar los costos o subirlos, en un generador que se pueden variar factores como la

fase, el tipo, ya sea sincrónico o asíncrono, la tensión o la velocidad sincrónica.

Page 107: Microelectrica hidráulica

97

• Teóricamente se encontró que el costo de una turbina depende directamente de factores,

como la caída neta y el caudal para la que se diseña, la tipología, la potencia disponible en el

eje, la eficiencia y los materiales, estos dos últimos muy ligados al fabricante.

• Mediante una expresión que relaciona la potencia disponible y la altura, se puede

encontrar el costo unitario de la turbina, comprobando que el costo unitario se reduce

conforme aumenta la potencia y la altura, además de que las turbinas tipo Francis son más

caras que las turbinas de acción, de las cuales las de Flujo Cruzado son las más baratas,

seguidas por las tipo Pelton y luego las Turgo.

• Dado que los únicos parámetros que influyen en el costo de la turbina que son variables

son la calidad de los materiales, la eficiencia y la tipología (en ciertos casos), si se tienen

condiciones de caída y caudal que permitan la implementación de turbinas de distintos tipos

(se puede dar la posibilidad), entonces se podrá hacer una selección según los requerimientos

económicos que se tengan, teniendo en cuenta que la eficiencia se puede ver afectada.

• El costo del generador depende directamente de si es sincrónico o asíncrono, de la

potencia, la velocidad sincrónica, la fase, la orientación, la tensión de generación, los

dispositivos que tenga o no incluidos como el AVR y la excitación, y finalmente de la

eficiencia, que depende del fabricante.

• En un diseño, para ajustar los costos, se pueden variar algunos factores, teniendo en

cuenta las implicaciones que estos conllevan; de esta manera, se puede variar la tipología

considerando que un generador asíncrono necesita de capacitores que suministren la potencia

Page 108: Microelectrica hidráulica

98

reactiva en caso de operación aislada y que un generador sincrónico necesita un circuito de

excitación.

• Para ajustar los costos de un generador, se puede variar la velocidad sincrónica, tomando

en cuenta que el sistema de acople con la turbina puede encarecerse.

• Teóricamente se encontró que un generador asíncrono es más barato que uno sincrónico,

aunque esto no se pudo comprobar mediante la investigación de precios actuales realizada.

• Los generadores monofásicos son más caros que sus equivalentes trifásicos, por lo cual

esta es una de las razones que limitan el uso de generación monofásica a potencias no mayores

de 10 kW. También el costo unitario del generador disminuye cuando se aumenta la potencia,

y aumenta cuando baja la velocidad sincrónica.

• Los costos de los reguladores electrónicos de carga (ELC), crecen linealmente con forme

aumenta la potencia, con la ventaja de que un modelo específico puede trabajar en cierto rango

de potencia. Teóricamente se encontró que un controlador de generador de inducción (IGC),

es más barato que un ELC.

• Los costos de las protecciones del generador son muy variables, y dependen de la

cantidad de protecciones y del fabricante. La mejor opción es la implementación de equipos

que integran distintas funciones de protección en un solo modelo, teniendo el cuidado de que

su costo no suba mucho respecto al costo total; un porcentaje aceptable para el costo de las

protecciones es un 10% del costo total del equipo electromecánico.

Page 109: Microelectrica hidráulica

99

• Es muy importante, que se de una correcta elección de las protecciones del generador,

ya que más allá del costo de inversión de estas, están los costos asociados a las fallas en el

generador; recordando que los repuestos para un generador son usualmente caros y a veces

pueden ser difíciles de conseguir, sumado al costo de la atención de un técnico que tenga que

viajar hasta zonas alejadas donde generalmente se ubican las micro-centrales hidroeléctricas.

• Se obtuvo una expresión general para calcular aproximadamente el costo unitario total

del equipo electromecánico (equipos típicos y económicos) de una MCH, en la que la turbina

representa un 55% del costo, el generador 20%, los sistemas de control y protección 20% y el

sistema de acople entre turbina y generador (transmisión) 5%. La ecuación es la siguiente:

3333.0

6.2383

PCkW =

• La expresión encontrada depende únicamente de la potencia instalada, y de ella se infiere

que el costo unitario disminuye conforme se aumenta la potencia.

• No fue posible obtener una expresión que relacionara también la altura con el costo, ya

que la respuesta no fue muy favorable, por parte de los fabricantes a los que se les solicitó

cotizaciones de turbinas; además de que las turbinas de las empresas que si brindaron

información, presentan características de construcción que les permite ser usadas en un rango

de alturas determinado, por lo que su precio no se ve afectado por este aspecto.

• Los costos de pico-centrales hidroeléctricas son muy variables y dependen de la calidad

de los materiales según los fabricantes; siendo equipos que se adquieren en un solo paquete y

Page 110: Microelectrica hidráulica

100

que presentan la posibilidad de trabajar en ciertos rangos de altura y caudal, permitiendo

obtener distintas potencias para un mismo modelo. Las eficiencias son bajas, la instalación

sencilla y son de poco mantenimiento.

• A pesar de que se obtuvieron rangos, porcentajes y ecuaciones de costos, en función de

algunas variables, pretendiendo orientar sobre la tendencia que puede tener el costo de un

determinado equipo o el conjunto de varios, la única manera de conocer el costo real de las

cosas es solicitando una cotización directamente al fabricante o distribuidor del equipo.

• Se debe considerar también que actualmente hay una variación constante en el costo de

los equipos, debido al aumento del precio del cobre, por lo cual se recomienda investigar en el

mercado extranjero los precios más favorables o bien aprovechar en lo posible la tecnología

nacional, dando al mismo tiempo la oportunidad de su desarrollo.

• Queda abierta la posibilidad de complementar el presente estudio, con la investigación

más detallada, de la influencia que tiene la eficiencia en el costo de los equipos; ya que sobre

este tema, lo único que se pudo concluir, es que teóricamente el costo aumenta conforme

aumenta la eficiencia, la cual depende mucho del fabricante del equipo.

Page 111: Microelectrica hidráulica

101

BIBLIOGRAFÍA

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Page 113: Microelectrica hidráulica

103

APÉNDICES

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APÉNDICE A: Características de distintos equipos.

PRODUCTOS Y PRECIOS DE 3HC - PERÚ Los modelos ofrecidos incluyen: turbina hidráulica tipo Michell Banki, generador eléctrico, tablero de control y regulador automático de velocidad. MODELO: R125: Utiliza generador asíncrono 3600 rpm, 60 Hz, 220V. Potencia: 0.5 a 5 kW. Altura: 10 a 35 m. Caudal: 5 a 20 litros/seg. MODELO: R125

Potencia Costo US$

1 kW 2100

2 kW 2500

3 kW 3300

5 kW 5400

MODELO: R189: Utiliza generador sincrónico 1800 rpm, 60 Hz, 220V. Potencia: 6 a 20 kW. Altura: 10 a 80 m. Caudal: 5 a 350 litros/seg.

Potencia Costo US$

6 kW 9000

10 kW 11800

15 kW 13600

20 kW 16600

MODELO: R313: Utiliza generador sincrónico 1800 rpm, 60 Hz, 220V. Potencia: 20 a 100 kW. Altura: 20 a 220 m. Caudal: 20 a 700 litros/seg.

Potencia Costo US$

30 kW 23500

40 kW 28600

50 kW 33200

60 kW 39000

80 kW 43500

100 kW 51200

Page 115: Microelectrica hidráulica

105

PRODUCTOS Y PRECIOS DE APROTEC – COLOMBIA

Potencia Precio en moneda

colombiana

2-5 kW $ 13.290.000

5-10 kW $ 21.480.000

10-15 kW $ 25.210.000

15-20 kW $ 30.110.000

20-30 kW $ 41.110.000

30-40 kW $ 48.300.000

40-50 kW $ 57.080.000

50-60 kW $ 63.210.000 Donde 1U$ = $2000

Los equipos están compuestos por Turbina (Pelton o Michell Banki by Aprotec), Generador Sincrónico Stamford, Regulador Electrónico de Carga Ingetronix-Aprotec, Balastro de Carga secundaria y accesorios para acople a tubería de carga. Los reguladores son electrónicos que siguen el diseño de disipación de carga secundaria vía un conjunto de resistencia (kantal o ferroniquel) que disipan al aire. Su sensibilidad permite asumir variaciones de carga del 100% en 2 segundos. Para variaciones entre el 50 y el 90% en 1 segundo, y entre el 5 y el 50% en 1/2 segundo.

Page 116: Microelectrica hidráulica

106

PRODUCTOS Y PRECIOS DE POWEPAL - CANADÁ Modelos MHG-200LH, MHG-500LH y MHG-1000LH: los modelos incluyen microturbina, alternador y regulador de frecuencia. La tensión es 120V o 240V.

MHG-200LH MHG-500LH MHG-1000LH

Altura 1.5 m

Caudal 35 l/s 70 l/s 130 l/s

Potencia 200W 500W 1000W

Precio US$ $180 $350 $590

Modelos MHG-200HH y MHG-500HH: los modelos incluyen turbina tipo Turgo, alternador y regulador electrónico de carga (ELC). La tensión es 120V o 240V.

MHG-200HH MHG-500HH

Altura 5m 6m 7m 9m 11m

Caudal 6.3 l/sec 6.4 l/sec 7.4 l/sec 8.4 l/sec 9.1 l/sec

Potencia 160W 200W 275W 390W 520W

Precio US$ $195 $370

Modelo MHG-T2: incluye turbina tipo Turgo de una tobera, generador sincrónico de montaje vertical y regulador electrónico de carga (ELC). La tensión es 240V.

MHG-T2

Altura (m) 14 - 20 16 - 20 24 - 40 24 - 40 24 - 40

Caudal (l/s) 13 - 18.5 18 - 23 8 - 13 13 - 22 18 - 30

Potencia 1.5 kW 2 kW 2 kW 3 kW 4 kW

Precio US$ $1520 $1635 $1685 $1910 $2465

Page 117: Microelectrica hidráulica

107

Modelo MHG-T5: incluye turbina tipo Turgo de dos toberas, generador sincrónico de montaje horizontal y regulador electrónico de carga (ELC). La tensión es 240V.

MHG-T5

Altura (m) 11 - 20 14 - 20 16 - 20

Caudal (l/s) 15 - 28 26 - 37 37 - 46

Potencia 2 kW 3 kW 4 kW

Precio US$ $1805 $2025 $2590

Modelos MHG-T8 y MHG-T16: los modelos incluyen turbina tipo Turgo de una o dos toberas, generador sincrónico y regulador electrónico de carga (ELC). La tensión es 240V.

MHG-T8

Altura (m) 24 26 28 30 32 34

Caudal (l/s) 33.3 34.6 36 37.2 38.4 39.6

Salida Turbina (kW)

5.9 6.6 7.4 8.2 9.0 10.0

Salida Generador (kW)

4.7 5.3 5.9 6.6 7.2 8.0

MHG-T16

Altura (m) 24 26 28 30 32 34

Caudal (l/s) 66.6 69.2 72.0 74.4 76.8 79.2

Salida Turbina (kW)

11.8 13.2 14.8 16.4 18.0 20.0

Salida Generador (kW)

9.4 10.6 11.8 13.1 14.4 16.0

Los precios de estos modelos únicamente se obtienen solicitando una cotización para un determinado proyecto.

Page 118: Microelectrica hidráulica

108

PRODUCTOS Y PRECIOS DE SAVOIA GENERATORS - ARGENTINA Sus modelos incluyen turbina de impulso, alternador sincrónico de imán permanente a 240V o 120V, y regulador de tensión automático para 50 o 60hz.

Modelo Caída

(m) Caudal (m

3/s)

Potencia (kW)

Precio US$

XJ14-0.2DCT4-Z 10 - 14 0.003-0.004 0,2 384

XJ14-0.3DCT4-Z 12 - 14 0.003-0.005 0,3 445

XJ18-0.5DCT4-Z 12 - 18 0.005-0.007 0,5 640

XJ18-0.75DCT4-Z 14 - 18 0.005-0.008 0,75 855

XJ22-1.1DCT4-Z 16 - 22 0.008-0.010 1,1 1.245

XJ15-1.1DCT4-Z 15 0.010-0.015 1,1 1.425

XJ25-1.5DCT4-Z 18 - 25 0.008-0.011 1,5 1.638

XJ15-1.5DCT4-Z 15 0.015-0.018 1,5 1.815

XJ25-3.0DCT4-Z 20 - 30 0.015-0.019 3 2.565

XJ20-3.0DCT4-Z 18-20 0.018-0.030 3 2.670

XJ30-6.0DCT4-Z 28 - 35 0.030-0.038 6 4.800

XJ28-6.0DCT6-Z 18 - 20 0.038-0.050 6 5.700

XJ30-10DCT4-Z 30 - 38 0.040-0.050 10 8.730

XJ25-10DCT4-Z 25 - 30 0.050-0.068 10 9.750

XJ30-15SCT4/6-Z 30 - 40 0.060-0.070 15 11.040

XJ30-20STC4/6-Z 30 - 45 0.060-0.080 20 14.250

XJ30-25STC4/6-Z 30 - 45 0.070-0.100 25 18.075

XJ38-30SCT4/6-Z 30 - 45 0.090-0.120 30 21.675

Page 119: Microelectrica hidráulica

109

PRODUCTOS Y PRECIOS DE ENERGY SYSTEMS & DESING - CANADÁ Modelo Stream Engine: emplea una microturbina tipo turgo y un alternador de imanes permanentes con capacidad de 1 kW, boquillas universales que se pueden adaptar de 3 mm a 25 mm y un multímetro digital. Trabaja para caídas de 2 metros a más de 100 metros.

Stream Engine (SE)

1 Boquilla $2345

2 Boquillas $2495

4 Boquillas $2795

Modelo LH 1000: usa el mismo alternador que el modelo Stream Engine, sin embargo la turbina es una hélice para bajas caídas. Trabaja para caídas de 0.5 metros a 3 metros, y su potencia es de 1 kW.

Low Head Propeller Turbine (LH1000)

LH1000 con la tubería $2625

Opción Alto Voltaje $275 extra

Opción Alta Corriente $275 extra

Modelo Water Baby: emplea una microturbina tipo turgo y un alternador de imanes permanentes con capacidad de 250 W. Trabaja para caídas de 30 metros y caudales muy pequeños de 0.18 l/s a 1.5 l/s.

Water Baby

Baby Generador, 1 Boquilla (12/24V) $1945

Boquillas Extra $150 c/u

Opción Alto Voltaje 120V $150 extra

Page 120: Microelectrica hidráulica

110

PRODUCTOS Y PRECIOS DE RAINBOW POWER COMPANY

Modelo HYD-060 Stream Engine: emplea una microturbina tipo Turgo y un alternador de imanes permanentes con capacidad de 1900 W. Precio: US$ 3300.

Modelo HYD-200 Micro Hydro Pelton: emplea una microturbina tipo Pelton y un alternador de imanes permanentes con capacidad de 300 W. Genera corriente directa a 12V o 24V Precio: US$ 3300.

Modelo HYD-T01 Tamar Turgo Hydro: emplea una microturbina tipo Turgo y un alternador de imanes permanentes con capacidad de 400 W. Genera corriente directa a 24V Precio: US$ 3500.

PRODUCTOS DE IREM (ECOWATT) - ITALIA

Modelo AC 2: Turbina Pelton con distribuidor de 6 inyectores, Generador Sincrónico monofásico autoexcitado, sin escobillas, 2 polos, 230V, 50 Hz. Regulador electrónico de cargas, protecciones y tablero de control. Potencias de 0.5 a 3 kW.

Modelo AC 4-38: Turbina Pelton con distribuidor de 6 inyectores y 3 válvulas de regulación, Generador Sincrónico trifásico autoexcitado, sin escobillas, 4 polos, 400/230V, 50/60 Hz. Regulador electrónico de cargas, protecciones y tablero de control. Potencias de 1 a 15 kW.

Page 121: Microelectrica hidráulica

111

Modelo AC 4-75: Turbina Pelton con distribuidor de 6 inyectores y 4 válvulas de regulación, Generador Sincrónico trifásico autoexcitado, sin escobillas, 4 polos, 400/230V, 50/60 Hz. Regulador electrónico de cargas, protecciones y tablero de control. Potencias de 2 a 80 kW.

Modelo AS 4: Turbina Pelton o Michell-Banki con control de caudal, Generador Asíncrono trifásico, 4 polos, 400/230V, 50/60 Hz. Regulador electrónico de cargas, protecciones y tablero de control. Posibilidad de conexión a la red.

Modelo AC 4-FI: Turbina Michell-Banki, Generador Sincrónico trifásico autoexcitado, sin escobillas, 4 polos, 400/230V, 50/60 Hz. Regulador electrónico de cargas, protecciones y tablero de control. Potencias de 1 a 80 kW.

Page 122: Microelectrica hidráulica

112

PRODUCTOS DE THEE – FRANCIA

Turbinas Kaplan de 4 palas: incluye turbina, valvula de cierre, regulación de las palas a la parada y generador sincrónico. Saltos de 2 a 18 metros y caudales de 0.4 a 1.1 m3/s. Potencias de 5 a 30 kW.

Turbinas Francis: concepción semi-estándar que permite la adaptación a las características específicas de cada instalación. Eje vertical u horizontal. Características: rodete en cobre-aluminio, cierre de directrices por contrapeso, funcionamiento mediante grupo hidráulico. Incluye generador sincrónico. Saltos de 15 a 80 metros y caudales de 0.2 a 2 m3/s. Potencias de 20 a 400 kW.

Turbinas Pelton: concepción semi-estándar que permite la adaptación a las características específicas de cada instalación. Eje vertical u horizontal. Características: de 1 a 4 inyectores, rodete en cobre-aluminio, cierre de inyectores por resortes, funcionamiento mediante grupo hidráulico. Incluye generador asíncrono. Saltos de 80 a 350 metros y caudales de 0.05 a 0.5 m3/s. Potencias de 50 a 400 kW.

Page 123: Microelectrica hidráulica

113

PRODUCTOS DE HYDRO ENGINEERING - RUMANIA Microturbina Banki: diámetro de la tubería 250 mm, alturas de 4 a 40 metros, caudales de 0.075 a 0.24 m3/s. Potencias de 1.9 a 50 kW. Incluye generador sincrónico 220/380V a 50 Hz acoplando a través de fajas.

Microturbina Pelton: diámetro de la tubería 350, 400, 475 o 550 mm, 1 o 2 inyectores, alturas de 35 a 125 metros, caudales de 0.01 a 0.12 m3/s. Potencias de 10 a 100 kW.

Microturbina Francis: montaje horizontal o vertical, alturas de 7 a 45 metros, caudales de 0.1 a 0.4 m3/s. Potencias de 10 a 100 kW.

Page 124: Microelectrica hidráulica

114

MODELOS Y PRECIOS DE GENERADORES MARATHON

Sincrónico Monofásico, 120/240V, 4 polos, 1800 rpm, 60 Hz, AVR incluido, Factor de potencia 0.8, 4 terminales de conexión, autoexcitado.

kW @ .8 PF @ Designated NEMA Rise

Continuous Stand-By

NEMA B NEMA F NEMA H NEMA F NEMA H

Modelo Peso (lbs)

80C R/R 105C R/R 125C R/R 130C R/R 150C R/R

Precio US$

281PSL1511 200 3.6 4 4.2 4.2 4.4 $1,805

281PSL1512 206 4.2 4.8 5.1 5.1 5.3 $1,920

281PSL1513 216 6 6.6 7 7 7.5 $2,070

282.PSL1514 236 7 7.7 8.4 8.5 9 $2,175

282CSL1515 250 10 11 12 12 13 $2,225

283PSL1516 279 11 12.5 14 14 15 $2,500

284CSL1517 349 16.5 19 21 21 22 $2,805

284CSL1518 398 14 16 18 18 20 $3,025

361PSL1611 513 22 26 29 30 32 $3,610

361PSL1612 578 28 33 36 36 40 $3,875

361PSL1613 626 38 43 47 47 50 $4,220

362PSL1615 779 48 54 59 60 65 $4,485

363PSL1617 929 50 58 66 66 70 $5,205

431PSL6222 1070 60 68 73 73 78 $6,095

431PSL6224 1280 80 90 100 100 110 $6,760

431PSL6226 1600 85 100 110 110 115 $7,480

432PSL6228 1720 125 145 155 155 170 $7,975

331RSA/B3002 120 5 5.5 0 6 0 $2,365

332RSA/B3004 130 6 6.5 0 7 0 $2,570

333RSA/B3006 180 8 9 0 9.5 0 $2,700

333RSA/B3008 190 9 10 0 10 0 $2,760

334RSA/B3010 210 12 13 0 13.5 14 $2,925

335RSA/B3012 225 15.5 16.5 0 17 0 $2,990

335RSA/B3014 280 16.5 19 0 20 0 $3,320

336RSA/B3016 320 21 23 0 24 0 $3,570

331CSA/B3018 125 4 4.5 0 5 0 $1,890

332CSA/B3020 143 6 6.5 0 7 0 $2,050

332CSA/B3024 192 9 10 0 10 0 $2,215

334CSA/B3027 214 10 11.5 0 13 0 $2,450

334CSA/B3028 214 11.5 13 0 14.5 0 $2,500

Page 125: Microelectrica hidráulica

115

Sincrónico Monofásico, 120/240V, 4 polos, 1800 rpm, 60 Hz, AVR incluido, Factor de potencia 0.8, 12 terminales de conexión, autoexcitado.

kW @ .8 PF @ Designated NEMA Rise

Continuous Stand-By

NEMA B NEMA F NEMA H NEMA F NEMA H

Modelo Peso (lbs)

80C R/R 105C R/R 125C R/R 130C R/R 150C R/R

Precio US$

281PSL1500 205 3.2 3.6 3.8 3.8 4 $1,880

281PSL1501 210 4 4.5 4.8 4.8 5 $1,965

281PSL1502 220 5.2 6 6.2 6.3 6.6 $2,050

282.PSL1503 240 7 7.8 8.1 8.2 8.5 $2,160

282CSL1504 250 8.7 9.5 10 10 11 $2,270

282CSL1505 275 11 12 13 13 14 $2,440

283CSL1506 310 13.5 15 16 16 17 $2,715

283CSL1507 350 15.5 17 18 18 20 $2,935

284CSL1508 405 20 22 24 25 26 $3,210

284CSL1542 420 20 23 24 24 27 $3,325

361PSL1600 518 25 28 30 30 32 $3,375

361PSL1601 569 30 33 35 35 37 $3,655

361PSL1602 620 35 40 42 42 45 $4,155

362PSL1604 706 41 47 50 51 54 $4,485

362PSL1606 796 49 55 59 60 64 $5,150

363PSL1607 943 60 66 72 73 78 $5,540

431PSL6202 1220 77 90 95 96 100 $6,260

431PSL6204 1310 85 100 106 107 110 $6,870

431PSL6206 1415 105 120 130 132 135 $7,590

431PSL6208 1455 105 120 130 132 136 $8,030

432PSL6210 1685 125 147 158 161 165 $8,475

432PSL6212 1760 125 147 158 161 165 $9,580

433PSL6216 2235 150 175 190 193 200 $10,745

433PSL6220 2245 150 175 190 193 200 $11,410

431RSL4005 1280 72 82 87 88 91 $7,195

431RSL4007 1370 82 97 103 103 109 $7,530

432RSL4009 1550 103 122 129 129 136 $7,975

432RSL4011 1570 106 122 127 127 138 $8,365

432RSL4013 1600 98 116 123 123 129 $8,585

432RSL4015 1810 115 138 143 147 150 $9,195

Page 126: Microelectrica hidráulica

116

Sincrónico Trifásico, 240/480V, 4 polos, 1800 rpm, 60 Hz, AVR incluido, Factor de potencia 0.8, 12 terminales de conexión, autoexcitado.

kW @ .8 PF @ Designated NEMA Rise

Continuous Stand-By

NEMA B NEMA F NEMA H NEMA F NEMA H

Modelo Peso (lbs)

80C R/R 105C R/R 125C R/R 130C R/R 150C R/R

Precio US$

281PSL1500 205 5.4 6 6.5 6.6 7 $1,880

281PSL1501 210 6.7 7.5 8.1 8.2 8.7 $1,965

281PSL1502 220 9.5 10.5 11 11 12 $2,050

282.PSL1503 240 11.5 13.5 14.5 15 15.5 $2,160

282CSL1504 250 15 17.5 18 18 19 $2,270

282CSL1505 275 20 22 24 24 25 $2,440

283CSL1506 310 22 26 28 28 30 $2,715

283CSL1507 350 27 31 33 33 35 $2,935

284CSL1508 405 30 36 40 40 42 $3,210

284CSL1542 420 34 40 43 43 46 $3,325

285PSL1700 480 38 43 45 45 50 $3,375

286PSL1701 600 44 52 58 58 62 $3,655

287PSL1702 670 50 58 62 62 67 $4,155

361PSL1600 518 40 45 48 48 50 $3,375

361PSL1601 569 49 55 60 60 65 $3,655

361PSL1602 620 58 65 70 70 76 $4,155

362PSL1604 706 75 84 90 90 95 $4,485

362PSL1606 796 80 96 105 105 113 $5,150

363PSL1607 943 110 125 135 135 150 $5,540

Page 127: Microelectrica hidráulica

117

Sincrónico Trifásico, 208/416V, 4 polos, 1800 rpm, 60 Hz, AVR incluido, Factor de potencia 0.8, 12 terminales de conexión, autoexcitado.

kW @ .8 PF @ Designated NEMA Rise

Continuous Stand-By

NEMA B NEMA F NEMA H NEMA F NEMA H Modelo

Peso (lbs)

80C R/R 105C R/R 125C R/R 130C R/R 150C R/R

Precio US$

281PSL1500 205 5.8 6.4 6.9 7 7.4 $1,880

281PSL1501 210 7.2 8 8.6 8.7 9.2 $1,965

281PSL1502 220 9 10 10.5 10.5 11 $2,050

282.PSL1503 240 11 12.5 13 13.5 14 $2,160

282CSL1504 250 13.5 16 17 17 17.5 $2,270

282CSL1505 275 19 21 22 22 23 $2,440

283CSL1506 310 20 24 26 26 27 $2,715

283CSL1507 350 24 27 30 30 32 $2,935

284CSL1508 405 30 35 38 38 40 $3,210

361PSL1600 518 35 40 42 42 45 $3,375

361PSL1601 569 45 50 55 55 58 $3,655

361PSL1602 620 53 60 65 65 68 $4,155

362PSL1604 706 65 72 80 80 85 $4,485

362PSL1606 796 80 90 100 100 105 $5,150

363PSL1607 943 100 110 125 125 135 $5,540

Sincrónico Trifásico, 220/440V, 4 polos, 1800 rpm, 60 Hz, AVR incluido, Factor de potencia 0.8, 12 terminales de conexión, autoexcitado.

kW @ .8 PF @ Designated NEMA Rise

Continuous Stand-By

NEMA B NEMA F NEMA H NEMA F NEMA H Modelo

Peso (lbs)

80C R/R 105C R/R 125C R/R 130C R/R 150C R/R

Precio US$

281PSL1500 205 5.8 6.4 6.9 7 7.4 $1,880

281PSL1501 210 7.2 8 8.6 8.7 9.2 $1,965

281PSL1502 220 9.2 10 11 11 11.5 $2,050

282.PSL1503 240 11.5 13.5 14.5 15 15 $2,160

282CSL1504 250 14 16.5 17.5 17.5 18.5 $2,270

282CSL1505 275 19 21 23 23 24 $2,440

283CSL1506 310 21 25 27 27 28 $2,715

283CSL1507 350 25 28 31 31 33 $2,935

284CSL1508 405 30 35 39 39 41 $3,210

361PSL1600 518 37 42 45 45 47 $3,375

361PSL1601 569 48 53 58 58 61 $3,655

361PSL1602 620 56 63 68 68 71 $4,155

362PSL1604 706 68 76 84 84 89 $4,485

362PSL1606 796 82 92 102 102 107 $5,150

363PSL1607 943 105 115 130 130 140 $5,540

Page 128: Microelectrica hidráulica

118

Sincrónico Trifásico, 190/380V, 4 polos, 1800 rpm, 60 Hz, AVR incluido, Factor de potencia 0.8, 12 terminales de conexión, autoexcitado.

kW @ .8 PF @ Designated NEMA Rise

Continuous Stand-By

NEMA B NEMA F NEMA H NEMA F NEMA H Modelo

Peso (lbs)

80C R/R 105C R/R 125C R/R 130C R/R 150C R/R

Precio US$

281PSL1500 205 5.8 6.4 6.9 7 7.4 $1,880

281PSL1501 210 7.2 8 8.6 8.7 9.2 $1,965

281PSL1502 220 8 9 9.6 10 10 $2,050

282.PSL1503 240 10 11.5 12.5 12.5 13 $2,160

282CSL1504 250 12 14.5 15.5 15.5 16 $2,270

282CSL1505 275 17.5 19 20 20 21 $2,440

283CSL1506 310 18 22 23 23 24 $2,715

283CSL1507 350 22 25 27 27 29 $2,935

284CSL1508 405 27 32 35 35 36 $3,210

284CSL1542 420 29 33 36 36 38 $3,325

361PSL1600 518 32 36 38 38 41 $3,375

361PSL1601 569 41 45 50 50 52 $3,655

361PSL1602 620 48 55 60 60 62 $4,155

362PSL1604 706 60 65 72 72 77 $4,485

362PSL1606 796 72 81 90 90 95 $5,150

363PSL1607 943 90 100 115 115 125 $5,540

Sincrónico Monofásico, 240/120V, 6 polos, 1200 rpm, 60 Hz, AVR incluido, 12 terminales de conexión, autoexcitado.

kW

0.8 PF 1.0 PF

NEMA B NEMA F NEMA B NEMA B

Continuous Continuous Continuous Continuous

Modelo Peso (lbs)

80C R/R 105C R/R 80C R/R 105C R/R

Precio US$

361SSL0105 580 12 13 15 16 $5,305

361SSL0107 605 16 17 20 22 $5,650

361SSL0108 685 22 23 27 29 $6,615

441SSL0109 885 30 34 38 43 $6,850

441SSL0110 970 36 40 45 50 $7,645

441SSL0111 1035 42 45 53 56 $8,445

441SSL0112 1185 50 52 62 65 $9,705

Page 129: Microelectrica hidráulica

119

Sincrónico Trifásico, 240/480V, 6 polos, 1200 rpm, 60 Hz, AVR incluido, Factor de potencia 0.8,

12 terminales de conexión, autoexcitado.

kW

0.8 PF Modelo

Peso (lbs)

NEMA B Continuous

80C R/R

NEMA F Continuous

105C R/R

Precio US$

361SSL0105 580 21 23 $5,305

361SSL0107 605 32 35 $5,650

361SSL0108 685 42 45 $6,615

441SSL0109 885 55 61 $6,850

441SSL0110 970 67 75 $7,645

441SSL0111 1035 75 81 $8,445

441SSL0112 1185 103 112 $9,705

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MODELOS Y PRECIOS GENERADORES DISTRIBUIDOS POR MACFARLANE

LEROY SOMER ALTERNATORS: bajo voltaje, 4 polos, doble cojinete, autoexcitado, aislamiento clase H.

13 kVA LSG21 10KW $1,980.00

15 kVA LSG22 12KW $2,070.00

20 kVA LSG23 16KW $2,580.00

25 kVA LSG24 20KW $2,700.00

30 kVA LSG25 24KW $2,930.00

38 kVA LSG26 30KW $3,480.00

50 kVA LSG27 40KW $3,680.00

63 kVA LSG28 50KW $4,130.00

80 kVA LSG31 64KW $4,730.00

94 kVA LSG32 75KW $5,180.00

113 kVA LSG33 90KW $5,430.00

STAMFORD ALTERNATORS: sin escobillas, 4 polos, trifásico, doble cojinetes.

8 kVA BCI164A SERIES 6, INDUSTRIAL $2,087.00

11 kVA BCI164B SERIES 6, INDUSTRIAL $2,229.00

14 kVA BCI164C SERIES 6, INDUSTRIAL $2,340.00

16 kVA BCI164D SERIES 6, INDUSTRIAL $2,496.00

23 kVA BCI184E SERIES 6, INDUSTRIAL $2,809.00

28 kVA BCI184F SERIES 6, INDUSTRIAL $3,250.00

31 kVA BCI184G SERIES 6, INDUSTRIAL $3,539.00

38 kVA BCI184H SERIES 6, INDUSTRIAL $3,267.00

40 kVA BCI184J SERIES 6, INDUSTRIAL $3,726.00

43 kVA UCI224C SERIES 4, INDUSTRIAL $4,454.00

50 kVA UCI224D SERIES 4, INDUSTRIAL $4,664.00

60 kVA UCI224E SERIES 4, INDUSTRIAL $4,829.00

73 kVA UCI224F SERIES 4, INDUSTRIAL $5,237.00

85 kVA UCI224G SERIES 4, INDUSTRIAL $5,928.00

100 kVA UCI274C SERIES 4, INDUSTRIAL $6,474.00

15 kVA BCM184E CURRENT FORCING, MARINE $2,841.00

20 kVA BCM184F CURRENT FORCING, MARINE $3,280.00

23 kVA BCM184G CURRENT FORCING, MARINE $3,568.00

35 kVA UCM224C SERIES 3, MARINE $5,337.00

40 kVA UCM224D SERIES 3, MARINE $5,547.00

48 kVA UCM224E SERIES 3, MARINE $5,712.00

58 kVA UCM224F SERIES 3, MARINE $6,120.00

65 kVA UCM224G SERIES 3, MARINE $6,811.00

78 kVA UCM274C SERIES 3, MARINE $7,357.00

88 kVA UCM274D SERIES 3, MARINE $7,485.00

113 kVA UCM274E SERIES 3, MARINE $8,440.00

Page 131: Microelectrica hidráulica

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MARKON ALTERNATORS: sin escobillas, 2 polos, monofásico, doble cojinetes.

3 kVA SL105A 3/4" Taper, 2.7kW, 5hp, 18.5kg $470.00

4 kVA SL105B 7/8" Taper, 3.5kW, 6.7hp, 20kg $495.00

4 kVA SL105C 7/8" Taper, 4kW, 7.1hp, 21.5kg $520.00

5 kVA SL105D 7/8" Taper, 4.5kW, 7.9hp, 24kg $535.00

5 kVA SL105E 7/8" Taper, 5kW, 8.6hp, 25kg $555.00

6 kVA SL105F 7/8" Taper, 6kW, 9.9hp, 27kg $610.00

7 kVA SL105G 7/8" Taper, 7kW, 11.6hp, 29kg $670.00

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APÉNDICE B: Fabricantes y distribuidores internacionales.

Turbinas para micro centrales hidroeléctricas: • Canadian Hydro Components (Fabricante Canadá) http://www.canadianhydro.com Tipo de Equipo: Turbinas Kaplan y Francis de 50 kW a 15 MW. • Canyon Hydro (Fabricante en Estados Unidos) http://www.canyonhydro.com Tipo de Equipo: Turbinas y Generadores para MCH. • Dependable Turbines (Fabricante en Canadá) http://www.dtlhydro.com Tipo de Equipo: Turbinas para Micro y Mini Centrales Hidroeléctricas. • Gugler Water Turbines (Fabricante en Austria) http://www.gugler.com Tipo de Equipo: Turbinas para Micro-Centrales de 5 a 50 KW. • Hydro Engineering (Fabricante en Rumania) http://www.hydrorom.com Tipo de Equipo: Turbinas Banki de 2 a 50 kW, Pelton y Francis de 10 a 100 kW. • Jyoti (Fabricante en India) http://www.jyoti.com Tipo de Equipo: Turbinas y Generadores. • Koessler (Fabricante en Alemania) http://www.koessler.com Tipo de Equipo: Turbinas. • Mackellar Engineering (Fabricante en Escocia) http://www.mackellars.co.uk Tipo de Equipo: Turbinas. • Ossberger (Fabricante en Alemania) http://www.ossberger.de

Tipo de Equipo: Turbinas.

• THEE (Fabricante en Francia) http://thee.free.fr Tipo de Equipo: Turbinas de 5 a 400 kW de tipo Kaplan, Francis y Pelton

• Toshiba (Fabricante en Japón) http://www.toshiba.co Tipo de Equipo: Turbinas, Generadores y Sistemas de control. • UCM Resita S.A. (Fabricante en Rumania) http://www.ucmr.com/

Tipo de Equipo: Turbinas. • Wasserkraft Volk AG – WKV AG (Alemania) http://www.wkv-ag.com

Tipo de Equipo: Turbinas.

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Generadores para micro centrales hidroeléctricas:

• Ideal Electric (Fabricante en Estados Unidos) http://www.idealelectricco.com Tipo de Equipo: Generadores de altas potencias. • Inertialess Drive - Nomad http://www.inertialessdrive.co.nz/nomad.htm Tipo de Equipo: Generadores de 125 a 2200 W. • Newage AVK SEG Group http://www.newage-avkseg.com Tipo de Equipo: Distribuidor en Estados Unidos de generadores de las marcas Markon,

Stamford y AVK. • Macfarlane Generators http://www.macgen.com Tipo de Equipo: Distribuidor en Estados Unidos de generadores sincrónicos de las marcas

Leroy Somer, Markon y Stamford. • Marelli Motori (Fabricante en Italia) http://www.marellimotori.com Tipo de Equipo: Generadores asíncronos de potencias de 55 kW a 1 MW, de 4 a 14 polos,

en bajo voltaje. Y sincrónicos de potencias de 300 kW a 3.7 MW, de 4 a 18 polos. • Marathon (Fabricante en Estados Unidos) http://www.marathonelectric.com Tipo de Equipo: Generadores sincrónicos desde 5 kW hasta 4 MW, monofásicos y

trifásicos de bajo y medio voltaje. • Markon (Fabricante en Estados Unidos) Tipo de Equipo: Generadores sincrónicos monofásicos pequeños desde 0.6 kVA hasta 10

kVA, de bajo voltaje de 2 polos. • Siemens http://www.siemens.com Tipo de Equipo: Generadores y Protecciones. • Stamford (Fabricante en Estados Unidos) Tipo de Equipo: Generadores sincrónicos desde 5 kVA hasta 2000 kVA, monofásicos y

trifásicos de bajo y medio voltaje, de 2, 4 y 6 polos. • TES (Fabricante en República Checa) http://www.tes.cz Tipo de Equipo: Generadores asíncronos y sincrónicos de potencias que van desde los 8

kW a los 5 MW, de 4 a 16 polos. • WEG (Fabricante en Brasil) http://www.weg.com.br Tipo de Equipo: Generadores sincrónicos, además de motores, protecciones y

transformadores.

Page 134: Microelectrica hidráulica

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Protecciones para generadores:

• Basler Electric (Fabricante en Canadá) http://www.basler.com Tipo de Equipo: Sistemas completos de protección para Generadores Pequeños que

incorporan simultáneamente en una misma unidad un gran número de funciones de protección. Pero además fabrican también relés de protección individuales.

• Beckwith Electric (Fabricante en Estados Unidos) http://www.beckwithelectric.com Tipo de Equipo: Sistemas completos de protección para Generadores Pequeños que incorporan simultáneamente en una misma unidad un gran número de funciones de protección.

• RFL Electronics Inc. (Fabricante en Estados Unidos) http://www.rflelect.com • Schweitzer Engineering Laboratories http://www.selinc.com • Team Arteche (Fabricante en España) http://www.teamarteche.com

Tipo de Equipo: Sistemas completos de protección para Generadores Pequeños que incorporan simultáneamente en una misma unidad un gran número de funciones de protección.

Sistema de control para generadores:

• Arga Controls (Fabricante en Estados Unidos) http://www.argacontrols.com Tipo de Equipo: Sistemas de Control y Protecciones para Generadores.

• Cox y Cia Ltda. Ingenieros (Fabricante en Chile) Tipo de Equipo: Sistemas de regulación de frecuencia mediante ELC para generadores

monofásicos y trifásicos de potencias menores a los 100 kW. • Governor Control Systems Inc http://www.govconsys.com Tipo de Equipo: Distribuidor en Estados Unidos de Sistemas de Control y Protecciones. • Retrace Electronics http://www.retraceelectronics.com

Tipo de Equipo: Sistemas de control.

• Thomson and Howe Energy Systems – T.H.E.S. (Fabricante Canadá) http://www.smallhydropower.com/thes.html

Tipo de Equipo: Sistemas de Control ELC.

• Woodward https://www.woodward.com Tipo de Equipo: Sistemas de Control y Protecciones.

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Equipo electromecánico completo para una micro central hidroeléctrica:

• 3HC (Fabricante en Perú) http://www.turbinas3hc.com Características del Equipo: incluye turbina tipo Michell-Banki, Generador, tablero de con-

trol y regulador automático de velocidad. Las potencias van desde 1 a 150 kW. • Aprotec (Fabricante en Colombia) http://www.aprotec.com.co

Características del Equipo: incluye turbina tipo Pelton o Michell-Banki, generador sincró-nico de la marca Stamford, regulador electrónico de carga marca Ingetronix-Aprotec, ba-lastro de carga secundaria y accesorios para acople a tubería de carga.

Las potencias van desde 2 kW hasta 60 kW. • Bharat Heavy Electricals Limited (India) http://www.bhel.com Características del Equipo: equipo electromecánico para Mini Centrales Hidroeléctricas de

100 kW a 2 MW. • Energy Systems & Desing (Canadá) http://www.microhydropower.com

Características del Equipo: modelos de capacidades muy bajas de 25W a 1000 W, incluyen turbina, alternador de imanes permanentes, regulador y convertidor a CA.

• Garbitek (Fabricante en España) http://www.garbitek.com

Características del Equipo: Microturbinas del tipo Pelton y Turgo, para potencias menores a 1.5 kW con generador de corriente continua incluido a 12 o 24V, destinados para cargar baterías.

• GCZ Ingenieros SAC (Fabricante en Perú) http:// www.gczingenieros.com Características del Equipo: diseños específicos para proyectos, incluye turbina, generador, siste-

mas de control y protecciones. • Grupo Ingeteam (Fabricante en España) http://www.ingeteam.com

Características del Equipo: equipo hidromecánico, turbinas y generadores sincrónicos para centrales hidroeléctricas. También Micro Centrales completas bajo la modalidad de llave en mano.

• IREM – Ecowatt (Fabricante en Italia) http://www.irem.it Características del Equipo: los modelos incluyen turbina tipo Pelton o Michell-Banki, ge-

nerador sincrónico o asíncrono con posibilidad de conexión a la red, regulador electrónico de cargas, protecciones y tablero de control. Con potencias de 0.5 a 80 kW.

• Máquinas de Termofluidos Ltda - MTF (Fabricante en Chile) http://www.mtf.cl Características del Equipo: Dispone de varios modelos de turbinas Michell-Banki (rango 3 a 100 kW) y picoturbinas (rango 200 W a 5 kW), turbinas axiales y turbinas Pelton de alto

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rendimiento. Además, de reguladores electrónicos de fabricación nacional e importada, generadores, tableros eléctricos y accesorios para armar unidades completas.

• PowerPal (Fabricante en Canadá) http://www.powerpal.com Características del Equipo: incluyen turbinas tipo Turgo, generadores sincrónicos o

alternadores, reguladores electrónicos de carga y tubería (para bajas potencias). Las potencias van desde 200 W hasta 30 kW.

• Rainbow Power Company http://www.rpc.com.au

Características del Equipo: modelos de capacidades muy bajas de 300W y 400W corriente directa y 1900 W corriente alterna, incluyen microturbina y alternador de imanes permanentes. Suplen repuestos para sus modelos.

• Saltos del Pirineo (Distribuidor en España) http://www.saltosdelpirineo.com Características del Equipo: distribuidor de equipos de las marcas IREM y THEE. • Savoia Generators (Distribuidor en Argentina) http://www.savoiapower.com

Características del Equipo: distribuye equipo para picocentrales, así como para minicentra-les de hasta 1 MW, incluyendo turbina, generador sincrónico sin escobillas o asincrónico, regulación electrónica por adaptación de caudal, por disipación de energía y/o volante de inercia y tablero de control.

• Water Motor (Distribuidor en Bolivia) http://www.watermotor.net Características del Equipo: Microturbinas tipo Turgo de cuatro boquillas, de muy bajo co-sto.

Otros fabricantes:

• ABB (Fabricante Mundial) http://www.abb.com Tipo de Equipo: Generadores, Sistemas de Control y Protecciones. • Baldor (Fabricante en Estados Unidos) http://www.baldor.com Tipo de Equipo: Todo tipo de Motores. • General Electric (Fabricante Mundial) http://www.geindustrial.com Tipo de Equipo: Generadores, Sistemas de Control y Protecciones. • Reliance Electric (Fabricante en Estados Unidos) http://www.reliance.com Tipo de Equipo: Motores.

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APÉNDICE C: Consultores y suplidores de equipo para MCH en Costa

Rica.

• Arconsult S.A. (San Antonio de Escazú). Teléfono: 288-0945, Fax: 228-9890. E-mail: [email protected]

Servicio: Asesoría y desarrollo de proyectos del tipo MCH. Suplidores de equipo de las casas alemanas Koessler y Ossberger, entre otras.

• Centro de Transmisiones S.A. - CETRANSA (Uruca). Teléfono: 296-4343, Fax: 296-4545 Servicio: Distribuidor exclusivo de motores y generadores de la marca brasileña WEG. • ELMEC S.A. (Zapote). Teléfono: 253-0400. E-mail: [email protected] Servicio: Representante y distribuidor de equipos de las marcas ABB y Siemens. • Energías Renovales de Costa Rica (ENERCOS). Teléfono: 386-6559, Fax: 260-3641. E-mail: [email protected] Servicio: Asesoría y desarrollo de proyectos del tipo MCH. • Interdinámica (San Isidro de Coronado). http://www.interdinamic.com Servicio: Diseña, desarrolla y ejecuta proyectos de generación eléctrica del tipo doméstico

e industrial mediante MCH. • Inti Tech Solar (Puerto Jiménez). http://www.intitechsolar.com

Servicio: Diseño completo de sistemas solares e hidroeléctricos, venta de componentes, instalación, servicios, y mantenimiento.

• Soluciones Industriales Electromecánicas S.A. – SIESA (Santana).

http://www.siesacr.com Servicio: Venta de relés de protección individuales así como sistemas multifuncionales de

protección que incluyen varias funciones. Dan soporte local y mantienen repuestos en bo-degas. Distribuyen equipos de la marca Siemens.

• Sistemas de Potencia de Centroamérica (San Francisco de Dos Ríos).

Teléfono: 286-1010 Servicio: Asesoría y desarrollo de todo tipo de proyectos. Suplidores de equipo de distintas

marcas como Basler, Beckwith Electric, General Electric, RFL Electronics, Seves y Team Arteche, entre otras.

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ANEXOS

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ANEXO 1: Esquemas de protecciones exigidos por el ICE, para el

productor privado.

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