Tesis / 0052 / I.M.

GENERADOR ELÉCTRICO PARA ESTANQUES ARTIFICIALES EN FINCA ACUALANDIA

EDGAR LEONARDO TORRES RAMÍREZ

FUNDACIÓN UNÍVERSITARIA AGRARÍA DE COLOMBIA INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ 2016 PROYECTO DE GRADO

EDGAR LEONARDO TORRES RAMÍREZ

PROYECTO DE GRADO

ANDRÉS FELIPE SÁNCHEZ CRISTO Ingeniero Mecatrónico de la Universidad Militar Nueva Granada, Magister en Tecnología de Cómputo del Instituto Politécnico Nacional, México D.F. México.

FUNDACIÓN UNÍVERSITARIA AGRARÍA DE COLOMBIA INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ 2016

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Nota de Aceptación

Presidente del Jurado

Jurado

Jurado

Ciudad y Fecha (día, mes, año) (Fecha de entrega)

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Dedicatoria A mis padres, que, con su sacrificio y mucho empeĂąo, me estĂĄn dando las bases para ser una persona responsable, juiciosa y con sus consejos de su experiencia, me forjan cada dĂ­a ser cada vez mejor.

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AGRADECIMIENTOS

A el ingeniero Andrés Felipe Sánchez Cristo, que con su tiempo me ha apoyado en el desarrollo y culminación de mi proyecto de grado.

A la universidad Fundación Universitaria Agraria de Colombia, por brindarme los datos teóricos para realización del proyecto de grado.

A mi padre, que con su apoyo y conocimiento me sirvió de utilidad para el desarrollo de este proyecto.

A mis padres que con su sacrificio y con ayuda económica que brindo ICETEX, he podido culminar mis estudios y estar a punto de graduarme como ingeniero mecatrónico.

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CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………….13 OBJETIVOS……………………………………………………………………………………….15 - OBJETIVO GENERAL……………………………………………………………………15 - OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………………………………..15 1. REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE……………………………………………………….16 2. MARCO TEORICO…………………………………………………………………………….19 3. DISEÑO DEL SISTENA DEL DISPOSITIVO……………………………………………….36 3.1 REQUERIMIENTOS…………………………………………………………………36 3.2 DESARROLLO DEL DISPOSITIVO……………………………………………….38 3.2.1 DISEÑO DE LOS ÁLABES………………………………………………38 3.2.2 REVOLUCIONES DEL GENERADOR, VEOCIDAD TANGENCIALDE LA TURBINA Y DIÁMETRO DEL RODETE………………………………………………47 3.2.3 CALCULO Y DISEÑO DEL EJE DE LA TURBINA PELTON……………………………………………………….61 3.2.4 AMPLIFICACIÓN DE LA POTENCIA EN LA TURBINA PELTON……………………………………………………………………68 3.3 CONTROL DEL SISTEMA DE FRENO Y SISTEMA DE VELOCIDAD PRODUCIDA POR LA TURBINA PELTON………………………72 4.RESULTADOS……………………...................................................................................76

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5. CONCLUSIONES...........................................................................................................80 9.REFERENCIAS…………………………………………………………………………………81

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LISTA DE TABLAS

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Tabla 1. Porcentaje de generación de energía

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Tabla 2. Clasificación de centrales hidroeléctricas a pequeña escala

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Tabla 3. Comparación de turbina Pelton vs turbina Francis

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Tabla 4. Comparación de motores monofásicos

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Tabla 5. Comparación PLC Siemens vs Hitachi.

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Tabla 6. Estudio comparativo de 3 tipos de válvulas eléctricas de paso.

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Tabla 7. Características de la carga

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Tabla 8. Datos del generador eléctrico monofásico

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Tabla 9. Diámetro nominal PVC en pulgadas

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Tabla 10. Esfuerzos máximos presentes de menor área en el álabe

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LISTA DE FIGURAS Pág.

Figura 1. Sección transversal del vástago. diseño y construcción de una turbina Pelton para generación eléctrica, capacidad 2 KW.

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Figura 2. Álabe de la turbina Pelton

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Figura 3. Rodete de la turbina Pelton

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Figura 4. Perno del álabe

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Figura 5. Vástago del álabe

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Figura 6. Rueda Pelton

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Figura 7. Transmisión de potencia

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Figura 8 Eje de la turbina Pelton

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Figura 9. Turbina Pelton para generación de electricidad de carga 3KW

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Figura 10. Deformación unitaria estática del álabe

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Figura 11. Desplazamiento estático en el álabe

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Figura 12. Limite elástico en el álabe

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LISTA DE ANEXOS

Anexo A. PLANOS PIEZAS DE LA TURBINA EN CAD Anexo B. SIMULACIÓN DE FUERZA SOMETIDA EN EL ÁLABE

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GLOSARIO

ÁLABE: Cucharas de la turbina Pelton que con su forma ayudan a transformar casi la gran mayoría de energía del agua transformándola en energía mecánica.

ENERGÍA: Fuente de poder con aplicación a corto, mediano y largo plazo.

PISCICULTURA: Técnica para producción de pescados.

RODETE: Objeto de forma circular, cuerpo de la turbina Pelton.

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RESUMEN El objetivo de este proyecto de grado es diseñar un generador eléctrico que trabaje con energía renovable, para esto, se hizo una investigación de las energías renovables y se escogió la ideal teniendo en cuenta los datos físicos donde se encuentra Acualandia.

De ahí, se escogió la energía hidráulica para diseño del generador eléctrico, se tomaron mediciones entrada de agua que llega a Acualandia para luego empezar a tomar datos teóricos y diseñar la turbina Pelton.

Siendo el álabe, la pieza que tiene un papel muy importante en la turbina Pelton, con ayudas de herramientas CAD, se comprobó si la fuerza ejercida por el chorro del agua deformaría el álabe diseñado y se concluyó que está pieza no tendría deformaciones y seria apta para el diseño.

PALABRAS CLAVE: Turbina Pelton, energía renovable, generador eléctrico, álabe.

Abstract: The objective of this Project of grade is design a generator electric that work with Energy Renewable, for this, is made research of them energies renewable and is chose the ideal taking in has them data physical where is Acualandia.

Hence, the hydraulic energy to electrical generator design was chosen, measurements inlet reaching Acualandia then start talking theoretical data and the Pelton turbine design were taken.

As the Alabe, the part that has a very important in the Pelton turbine, with aid of CAD tools, was checked whether the force exerted by the water jet deform the Alabe designed and concluded that this piece would have deformation and would fit for design.

Keywords: Pelton turbine, renewable energy, electric generator, Alabe.

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INTRODUCCIÓN

La investigación de este proyecto tuvo como propósito el diseño de un dispositivo que sea capaz de proporcionar energía eléctrica 24 horas al día para uso en piscicultura mediante energía renovable.

Este dispositivo se realizó para satisfacer las necesidades eléctricas para piscicultura de la finca Acualandia, este sector se encuentra en una zona no interconectada a redes eléctricas y ha sido una gran falencia para trabajar con dispositivos eléctricos que requieran una alimentación continua.

Se ha optado anteriormente para solucionar el problema de ineficiencia de energía eléctrica, la instalación de un generador biodiesel, este tipo de solución genera un ruido que afecta el desarrollo de los pescados, provocando muerte de estos animales, también demora el proceso de producción de este mismo, además requiere de una gran cantidad de combustible al ser aparatos industriales que este dispositivo esté produciendo electricidad.

Se optó por el diseño de un generador eléctrico que trabaje con energía renovable teniendo en cuenta, el estudio de los recursos naturales que se encuentran en Acualandia, el entorno de esta, con respecto a cada tipo de energía.

Luego de tener el tipo de recurso natural para proceder a diseñar el generador eléctrico, se tomó mediciones físicas de cuanta cantidad de ese recurso se utilizar, se procedió por diseñar una turbina Pelton, este ya se ha venido trabajado desde mucho antes para generación de electricidad con poco caudal, guiándose con proyectos diseñados como “DISEÑO DE RODETE DE TURBINA HIDRÁULICA TIPO PELTON PARA MICROGENERACIÓN” de Lorena Andrea Ferrada Sepúlveda, y trabajos como “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW” contando también con el conocimiento y las tutorías del director de proyecto Andrés Felipe Sánchez Cristo, se realizó el diseño del proyecto para una carga de 3KW para la finca Acualandia.

Con el diseño de la turbina Pelton se dio de cuenta, que el álabe de la turbina Pelton cumple una función muy importante para la generación de energía, pues es el que recibe el impacto de la fuerza del agua y esta, ayuda a que casi el 90% de esta, sea aprovechada para generar electricidad. Se procedió por medio de herramientas

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CAD hallar el desplazamiento estático, limite elástico y deformación untaría estática del álabe con respecto a la fuerza que le ejerce el agua.

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OBJETIVOS

Diseñar un dispositivo capaz de proporcionar energía eléctrica 24 horas al día para el uso en piscicultura, mediante energía renovable.

Objetivos específicos    

Elaborar la revisión del estado del arte.

Obtener el diseño del sistema del dispositivo.

Elaborar el diseño detallado del dispositivo Validar el diseño del dispositivo mediante herramientas CAD

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1. REVISION DEL ESTADO DEL ARTE La energía eléctrica ha sido de gran aplicación para zonas industriales y residenciales, facilitando así procesos, su primer uso fue para alumbrado público, esta fue cogiendo mayor acojo entre las personas, entrando al mundo de la industria y uso comercial, llego a ser parte de la vida del ser humano, dándole mayores comodidades a las que tenía antes.

A continuación, se hará un estudio de los avances que se ha hecho hasta el día de hoy para generar electricidad, se estudiara también los tipos de energía renovables y no renovables, en este caso se analizaran proyectos a nivel industrial, ya que es lo que el proyecto requiere.

ESTUDIOS CIENTIFICOS DE DIFERENTES TIPOS DE ENERGIAS. Estudio de energía eólica.

Este es uno de los primeros estudios realizados por los científicos Haoyong Chen, Peizheng Xuan, Guoqing Wei y Xuanhao Xu en su artículo: “Robust Dispatch of Power Systems with Multi-Type Renewable Energy Sources”1, hacen un estudio sobre la energía eólica y la energía fotovoltaica, ambas tienen diferentes tipos de problemas para su instalación, problemas que fueron estudiados en este artículo para darles una solución.

La energía eólica es un tipo de energía que, para ser viable, se encuentra en pocos sectores del mundo, esta, también es difícil de lidiar los vientos, ya que estos, pueden cambiar de un momento para otro. Se ha tratado de almacenar la energía, pero es difícil almacenar grandes cantidades de energía, para esto, se ha diseñado una programación estocástica para así, encontrar un buen funcionamiento en los parques eólicos, estos lugares, deben ser ricos en vientos para que sea optimo trabajar con este tipo de energía. Y ahora con la energía fotovoltaica debe también ser instalada en un sitio de radiación solar estable, a esta energía también se le debe almacenar y también evitar sobre picos, para esto, se debe diseñar una programación estocástica y así se obtendría un buen aprovechamiento de esta.

Estudio de la energía solar y eólica. “Posibilidades” Este segundo estudio científico “Dependable Capacity Evaluation of Wind Power and Solar Power Generation Systems”2 de Chatbordin Naksrisuk y Kulyos Audomvongseree, explican que tanto la energía eólica como la solar podrían ayudar a mejorar la seguridad energética de un país, si esta no fuese de baja fiabilidad, la generación de la energía solar es de un 9.3% y un 20.11% en su capacidad instalada. Ellos hablan que a medida que se van 1

Haoyong Chen, Peizheng Xuan, Guoqing Wei y Xuanhao Xu. Robust Dispatch of Power Systems with Multi-Type Renewable Energy Sources. 978-1-4799-7537-2/14/$31.00 ©2014 IEEE. Pag 1, 2, 3, 4, 5, 6.

2 Chatbordin Naksrisuk y Kulyos Audomvongseree. Dependable Capacity Evaluation of Wind Power and Solar Power Generation Systems. 978-1-4799-0545-4/13/$31.00 ©2013 IEEE. Pag 1, 2, 3, 4, 5, 6.

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acabando la energía de los fósiles, como el gas natural y la gasolina, se deberá trabajar más con la energía renovable, esta es intermitente, se debe de hacer un análisis de estudio del lugar donde se quiere trabajar con esta energía, para luego escoger el tipo de energía renovable más fiable y sacarle un mayor provecho, así, reduciendo el consumo de la energía de los fósiles.

Estudio de energía renovable y energía fósil.

Estudios científicos de Peng Yang, miembro estudiante, IEEE y Arye Nehorai, Fellow, IEEE en su artículo “Joint Optimization of Hybrid Energy Storage and Generation Capacity With Renewable Energy”3, explican que las energías renovables actualmente en un país desarrollado como Estados Unidos, provocan un 3% de electricidad; la escases de combustibles fósiles ha hecho que este tipo de energía, sea mayor estudiada para que en un futuro, este satisfaciendo eléctricamente y remplazando en su mayoría a los recursos no renovables, dicen también que la National Renewable Energy Laboratory, con sus estudios, afirma que para el año 2050, Estados Unidos pasara a usar un 80% en energías renovables.

En su estudio quieren que las empresas, tomen conciencia de que si es óptimo usar energías renovables con una pequeña parte de energías fósiles y estar dependiendo tanto de estos como se hace actualmente.

Estudio comparativo de diferentes tipos de energías.

En el mismo estudio científico “Robust Dispatch of Power Systems with Multi-Type Renewable Energy Sources”4, se puede demostrar la energía real del aprovechamiento de diferentes tipos de energías como la del carbón, el gas natural, hidráulica, energía eólica y solar. A continuación, en la tabla1, se observarán los porcentajes reales de cada tipo de energías mencionadas anteriormente.

TIPO DE ENERGIA PORCENTAJE REAL Carbón 55.8% Gas natural 17.3% Hidráulica 7.2% Eólica 7.2% Solar 1.4% Tabla1. Porcentaje de generación real de energía.

Donde también dicen que la energía renovable es intermitente; estos resultados fueron sacados de la economía tradicional.

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Peng Yang, Student Member, IEEE, and Arye Nehorai, Fellow, IEEE. Joint Optimization of Hybrid Energy Storage and Generation Capacity With Renewable Energy. 1949-3053 © 2014 IEEE. Pag 1, 2, 3, 8, 9.

4 Haoyong Chen, Peizheng Xuan, Guoqing Wei y Xuanhao Xu. Robust Dispatch of Power Systems with Multi-Type Renewable Energy Sources. 978-1-4799-7537-2/14/$31.00 ©2014 IEEE. Pag 1, 2, 3, 4, 5, 6.

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GENERADORES HIDRAULICOS DE ENERGIA ELÉCTRICA Teniendo en cuenta el estudio comparativo de diferentes tipos de energías y sabiendo que el dispositivo que se diseño trabaja con energía renovable, se toma en cuenta la energía hidráulica para el diseño del generador eléctrico.

Según el libro “Pequeñas Centrales Hidroeléctricas”5, las primeras centrales de generación eléctrica fueron hidroeléctricas que trabajaban con corriente continua para fines de alumbrados eléctricos que quedaran cercanos a esta. Con el desarrollo de la electricidad, estos generadores eléctricos pasaron a trabajar con corriente alterna mejorando así su potencia y capacidad de carga. A mediados de mitad del siglo XX, la mayoría de fincas, municipios comenzaron a tener su propia micro generación para suministro de electricidad, este tipo de generadores hidráulicos los fueron mejorando cada vez diseñándolos para que generaran mayor cantidad de energía, luego con el tiempo, estas centrales hidroeléctricas empezaron a interconectar sus sistemas, siendo así, haciéndole frente a la generación con combustibles fósiles con respecto a generar electricidad.

Existen cuatro tipos de clasificación para pequeños aprovechamientos hidroergéticos según la potencia a suministrar.” Ver tabla 2”.

TIPO POTENCIA (KW) USUARIO Picocentrales (PicoCHE) 0.5 y 5 Finca o similar Microcentrales (MicroCHE) 5 y 50 Caserío (Establos) Minicentrales (MiniCHE) 50 y 500 Cabecera municipal Pequeñas centrales (PCH) 500 y 10000 Municipio Tabla 2. Clasificación de centrales hidroeléctricas a pequeña escala.

Un claro ejemplo de la importancia sobre los generadores eléctricos hidráulicos es un proyecto de ministerio de minas y energía que está publicado en la página IPSE “Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas en Zonas No Interconectadas”6 donde se mejoró el servicio de energía eléctrica en el Corregimiento de Palmor, en la Sierra Nevada de Santa Marta, donde, se instaló un nuevo equipo hidromecánico de generación de energía eléctrica que trabaja de forma continua con el equipo que fue construida el año 1989. Actualmente, el Palmor está siendo considerado la capital cafetera de la Sierra Nevada de Santa Marta ya que tiene la posibilidad de incrementar su producción de café, así como fomentación y desarrollo de proyectos agrícolas.

RAMIRO FLÓREZ Ortiz. Pequeñas centrales hidroelectricas(1era edición).Bogotá, Colombia, mayo del 2011. Ediciones de la U ISBN 978-958-8675-89-3. web.

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[CITADO 28 OCTUBRE DEL 2016] http://www.ipse.gov.co/comunicaciones‐ipse/noticias‐ipse/1093‐ gobierno‐nacional‐amplio‐microcentral‐hidroelectrica‐en‐la‐sierra‐nevada‐de‐santa‐marta

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2. MARCO TEORICO se procede a hacer un estudio de los avances que se ha hecho hasta el día de hoy para generar electricidad, se estudiara también los tipos de energías renovables, combinación entre energías renovables y no renovables, proyectos que se hicieron con cada una de estas. Luego se analizar si son viables o no, para escoger el tipo de energía renovable ideal y con esta diseñar el generador eléctrico.

Energías.

Importancia del uso de las energías renovables.

La energía renovable, o más conocida como energía limpia, es una energía de fuente natural que prácticamente es inagotable en el tiempo, el uso de esta a ayudado al medio ambiente previniendo la contaminación del ambiente y reducción de uso de energía fósil.

El inicio de las energías renovables viene de tiempos atrás antes de cristo, en el año 1000 a.c, cuando se empezó a usar el viento para impulsar los barcos con sus velas, la energía hidráulica es también una de las pioneras en el aprovechamiento, usándola para mover molinos de molienda de cereales, de hecho, es una de las más usadas ya sea para producir energía mecánica o eléctrica, la energía solar fue usada apenas el siglo pasado, no ha sido muy aprovechada por lo que de ahí mejores tipos de aprovechamientos de energías, pero ha servido desde antes para reflejar y concentrar los rayos solares sobre las velas de los barcos, para que así se incendien estos mismos.

Más adelante se encontró un tipo de energía no renovable como el carbón, el gas natural y las energías de los fósiles, que al comienzo se creyó que eran inagotables, pero ya haciendo un estudio más detallado, datos de libro Energías Renovables7, afirma que ¾ partes de energía consumida en el mundo, es fósil, se observa que esta se está agotando, así que es necesario usar energías renovables para evitar emisión de gases.

Estudio de energía eólica.

Datos del libro energías renovables8, la energía eólica una de las energías más antiguas que ha usado el ser humano, se usaba a principios para mover barcos con velas (500 A.C), en el siglo VII antes de Cristo se empezó a utilizar esta energía transformándola en energía mecánica para moler maíz, extracción del agua del suelo, entre otros trabajos mecánicos, la tecnología fue avanzando, y con el uso de la energía eólica tampoco se iba quedando atrás, en el tiempo de las cruzadas, en Europa, empezaron a tecnificar los molinos de eje horizontal, luego más adelante, llegaron los Alemanes y con sus conocimientos científicos, colaboraron con su mejoramiento de este. A finales del siglo XIX en Dinamarca, a cargo del CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009.

ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 12.

8 CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009.

ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 85.

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profesor Lacour en el año 1892, diseño un generador de 25 metros de diámetro, genero electricidad a través de varios molinos de viento, dando una salida de este de 25 KW. En la imagen 1, se podrán ver los aerogeneradores que este profesor construyo.

Imagen 1. Aerogenerador de Lacour (AÑO 1897).9 En el siglo XX, se empezó a diseñar la forma de las aspas y así, con la crisis del petróleo en el año 1973, profundizar más en su diseño para cuantificar el potencial eólico y generar mayor cantidad de electricidad, estos generadores eólicos los llaman parques eólicos ya que, para generar electricidad, se requiere más de un molino de viento para que sea sustentable.

Un parque utiliza aparatos eléctricos para controlar cada generador y así aprovechar mayor recurso de la energía eólica para producir electricidad, A partir de mapas eólicos, se debe considerar una zona donde la velocidad del viento sea de 5m/s durante 3500 horas/año, si será optimo instalar un parque eólico.

Imagen 2. Mapa de Cundinamarca velocidad promedio del viento. UPME.10 CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009.

ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 85.

10 [Citado julio 14 del 2016] http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasVientos.html 9

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Imagen 3. Mapa de los municipios de Cundinamarca11 Según la imagen de la Pagina UPME (imagen 3), y con respecto a la imagen 2, en el municipio de Sasaima, hay un promedio de 3 a 4 m/s, vientos no ideales para instalación del parque ecológico, además, en Acualandia no se dispone suficiente espacio para la construcción de un parque eólico.

Estudio de energía solar.

Energía proveniente del sol, información obtenida del libro Energías renovables12, esta se produce por reacciones de fusión de los átomos de hidrogeno, dando lugar a un átomo y liberando una gran cantidad de energía, de esta liberación, llega solo una pequeña cantidad de calor ya que la capa atmosférica ayuda a reflejar gran cantidad de esta.

La radiación que recibe la tierra neta. Se calcula teniendo en cuenta las ondas que inciden y se reflejan, esto es llamado efecto invernadero, se debe también tener en cuenta las ondas largas infrarrojas incidentes y salientes

.

Donde; SWi = Ondas cortas que inciden.

SWo = Ondas cortas que salen.

LWi= Ondas largas que inciden.

SWo = Ondas largas que salen.

[Citado julio 14 del 2016] http://espanol.mapsofworld.com/continentes/mapa-de-suramerica/colombia/cundinamarcaB 12 CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009.

ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 385.

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La distancia entre la tierra y el sol es de 1.5 x 1011 metros, el flujo de energía que emite el sol a la tierra es de: 3.87 ⋅ 10 ∧ 26 1370 4 ⋅ 1.5 ⋅ 10 ∧ 11 ∧ 2 Teniendo en cuenta el área de la tierra sobre la superficie, el flujo solar promedio en todos sus puntos seria: 3.87 ⋅ ⋅ 342.5

4 ⋅ ⋅ ∧ 2 Ec. Radiación Neta. .

Esta llega a la superficie de la tierra con un valor promedio de 170 W En las imágenes 4 y 5, se podrá observar como es el balance de la radiación solar en la tierra y en la superficie.

Imagen 4. Balance de la radiación solar en la tierra13

Imagen 5. Mapa mundial de la radiación solar en superficie en w/m2 (media 170 w/m2). 14

CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009. ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 383.

14 CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009. ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 383.

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La energía solar, se puede obtener de dos formas, la primera es de forma indirecta, en esta se encuentra el carbón, el petróleo, la madera, material orgánico y el gas natural; la segunda forma es de forma directa, este proceso funciona usando la transferencia de luz solar, calentar directamente el agua contenida en paneles solares de gran superficie, esta circula por intercambiadores de calor con el fin de calentar agua en un deposito destinado.

La energía fotovoltaica, transforma directamente la energía del sol en electricidad usándola capacidad de los cristales como el silicio y arseniuro de galio, esta energía se ha usado en relojes, calculadoras, neveras de energía solar, botes, postes de socorro de las autopistas, teléfonos, en casas rurales, y en automóviles que disponen de una gran área para recibir la energía solar.

Cuando se trata de grandes capacidades para generar energía eléctrica, se debe de tener un gran espacio para así, instalar paneles solares que se enfoquen en los rayos solares; en el futuro, para satisfacer a las industrias en tanto a combustible, lo más prometedor en usar será el uso de gas hidrogeno fabricado con la electricidad generada en la misma energía solar.

En la imagen 3, se observan los municipios del departamento de Cundinamarca, el municipio de Sasaima ubicado en dicho departamento, se ubica con un punto negro, con la información de la imagen 6 y 7, este municipio se podría producir una cantidad de energía en tan solo 4 a 5 horas al día, algo que solo sería viable dependiendo de de 4 a 4.5 KW/ una fuente de energía no renovable.

Imagen 6. Radiación solar con respecto a la cantidad de kilovatios que se pueden aprovechar en energía solar UPME.15

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[Citado julio 14 del 2016] http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html 23

Imagen 7. Cantidad de horas de horas de sol de Cundinamarca. UPME.16 Teniendo en cuenta las tres imágenes anteriores, se puede deducir que en Sasaima, solo hay de provecho para energía solar solo de 4 a 5 horas, esto no hace que sea tan viable como en otro tipo de energías que pueden trabajar continuamente, también por la información anterior, esta requiere de un buen espacio para así producir mayor cantidad de electricidad, espacio que no se tiene en Acualandia, así que por lo tanto, este tipo de aprovechamiento de energía solar no es óptimo para usarlo en dicho sector.

Estudio de energía hidráulica.

Estudio de pequeñas centrales hidroeléctricas17, afirman que la energía hidráulica fue una de las primeras en producir electricidad, se empezó desde pequeñas centrales con corriente continua, ya luego, más adelante a mediados de mitad del siglo XX, se logra aumentar la potencia y capacidad, usando generadores de corriente alterna, la mayor parte de generación de electricidad, este tipo de energía es ideal para zonas no interconectadas a electricidad, esta puede generar un 7.2% de uso real y es la principal entre todas las energías renovables ya que se le puede sacar más uso… véase tabla1… se llevó de esta forma, claro que se dejó de usar en cierta forma por los combustibles fósiles, estos son mucho más económicos, pero no son renovables, además generan mayor contaminación que la energía hidráulica. En la imagen 8, de datos de UPME, se podrá ver la cantidad de agua neta, un sector rico hídricamente al ser un municipio ubicado entre montañas de nacimientos de agua tal como se ve en la imagen 9.

[Citado julio 14 del 2016] http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009. ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 197.

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Imagen 8. Agua neta en el suelo anual de Cundinamarca. UPME.18

Imagen 9. Mapa físico del departamento de Cundinamarca19 En las anteriores imágenes, se puede analizar que Cundinamarca, al ser un departamento ubicado en una de las cordilleras de Colombia, hace que este sea un lugar montañoso, rico [Citado julio 14 del 2016] http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasClimatologico.html [Citado 17 julio del 2016] https://ccssciclocuatro.wordpress.com/2011/06/14/departamento-de-cundinamarca-mapafisico/ 18 19

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en lluvias y nacimientos de aguas, está rodeado de importantes ríos como el rio magdalena, tiene grandes lagunas, estas características hacen que la energía hidráulica sea viable para trabajar en este departamento.

ENERGIA ESCOGIDA PARA TRABAJAR EN EL GENERADOR ELÉCTRICO Se escogió la energía hidráulica para el diseño del generador eléctrico por ser abundante en la zona donde se diseñó. La energía hidráulica, es el aprovechamiento de la energía hídrica para conversión de energía mecánica a eléctrica, esta se puede aprovechar de dos formas; la primera es de forma hidrostática, esta es aprovechada usando represas o envases, el segundo método es hidrodinámico, que este, puede ser aprovechado desde los ríos, quebradas, aguas de movimiento, en Acualandia, se tomara el aprovechamiento de forma hidrodinámica, ya que, en dicho sector, está rodeado por ríos haciendo factible este método.

TIPOS DE TURBINA.20 Existen dos tipos de turbinas, las cuales son:  Turbinas de acción: estas tienen una acción directamente del agua sobre el rodete  Turbinas de reacción: se produce por la reacción del agua a su salida En la imagen 10, se puede apreciar estos dos tipos de turbinas.

Imagen 10. movimiento por reacción y acción del fluido21 En el movimiento por acción es importante tener una gran altura para que esta, golpee fuerte los alabes (cucharas), este tipo usa toda la energía cinética con la que llega al agua, es ejercida para mover la turbina, y en movimiento por reacción, se requiere tener mayor caudal posible, para que esta salga con mayor fuerza y pueda mover el rodete, en esta, no

[Citado 27 agosto del 2016] http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinashidraulicas.html 21 [Citado 27 agosto del 2016] http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinashidraulicas.html 20

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se requiere mayor altura sino gran cantidad de caudal, esta es ejercida por la fuerza cinética y la presión del caudal Las 3 turbinas más usadas para generación de electricidad, son las siguientes:  Turbina Pelton  Turbina Kaplan  Turbina Francis La turbina Pelton Turbina de acción, esta requiere una mayor altura del agua con poco caudal, la fuerza del impulso del agua, es la responsable de la rotación de la turbina, el distribuidor de este, está rodeado por una o varias entradas al rodete…ver imagen 11…, esta tiene menor cantidad de componentes que las turbinas Francis y Kaplan, es de fácil ensamble, tiene buen rendimiento para cargas variables, el agua entra tangente a lo que es el rodete y normalmente se encuentran en ejes horizontales

Imagen 11. Rueda pelton y sus entradas de agua al rodete.22 Este tipo de turbina, usa el 90% de la energía hidraulica para transformarla en electricidad.

Turbina Kaplan Turbina de reacción, es radial axial…ver imagen 12…, esta requiere de una baja altura hasta 50 metros con un gran caudal de 15 metros cúbicos por segundo.

[Citado 27 agosto del 2016] http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinashidraulicas.html 22

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Imagen 12. Turbina Kaplan23 Este tipo de turbina requiere de un flujo de agua fuerte, y es de reacción eficiente 4.4 Turbina Francis Turbina versátil, de reacción, se usa en alturas intermedias (hasta 200 metros), el caudal de esta puede variar entre los 2 a 200 metros cúbicos por segundo, es una de las turbinas mayor usadas ya que se puede decir que, esta se ubica entre las dos turbinas mencionadas anteriormente, esta se puede encontrar en eje vertical como horizontal. En la imagen 4, se caracteriza igual que la turbina Kaplan que también es turbina radial axial, es muy usada en represas para generación de electricidad.

Imagen 13. turbina Francis, características de esta misma.24

[Citado 27 agosto del 2016] http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinashidraulicas.html 24 [Citado 27 agosto del 2016] http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinashidraulicas.html 23

28

SELECCIÓN DE TIPO DE TURBINA HIDRAULICA En la imagen 14, se hace una comparación de altura con respecto al caudal para así hacer la elección del tipo de turbina y aprovechar mayor la energía hidráulica.

Imagen 14. Comparación entre las tres turbinas más usadas con respecto a la altura y al caudal viables para generación de electricidad para producción de electricidad en media escala25.

La turbina Pelton, en comparación con las turbinas mencionadas anteriormente, presenta un alto rendimiento en condiciones desfavorables, y es eficaz para caudales menores

Hydrodynamicsof the free Surface flow in Pelton turbine buckets, AlexandrePerrig, ÉcolePolytechniqueFédérale de Laussane. PourL´obtention du grade de docteurésciences.Lausame, EPFL2007.

25

29

SELECCIÓN DE TIPO DE TURBINA SEGÚN EL PROYECTO A continuación, se estudió los 3 tipos de turbinas mayor usadas para la generación de electricidad.

El tipo más conveniente de la elección de turbina, conviene según las características donde se desee instalar, las características más importantes que se tuvieron en cuenta fueron:  La potencia a generar de la turbina. (Carga).  Salto de agua (Velocidad del agua).

A continuación, se realizó una comparación de la turbina Pelton con respecto a la turbina Francis.

CARACTERISTICAS MONTAJE

FRANCIS VS PELTON El montaje de la turbina Francis es mucho más profundo que para la turbina Pelton ya que se requiere de más excavaciones para el tubo de aspiración COSTO El costo de la turbina Pelton es menor que la turbina Francis.

POTENCIA A GENERAR La turbina Pelton acepta variables en la potencia generada con mayores eficiencias.

DISEÑO El diseño de la turbina Pelton es mucho mas sencillo MANTENIMIENTO La turbina Pelton es de fácil y requiere de menor tipo de mantenimiento, más si se está trabajando con agua sin sólidos.

SENCIBILIDAD La turbina Pelton es mayor sensible a diferencias de altura o salto de altura.

GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD La turbina Pelton es eficaz para producir cargas de electricidad relativamente bajas.

CAUDAL La turbina Pelton trabaja con grandes alturas y poco caudal a comparación de la turbina Francis que esta requiere mayor cantidad de caudal con poco salto de agua Tabla 3. Comparación turbina Pelton vs turbina Francis.

La turbina Kaplan se emplea para mayores tipos de caudales con pequeños saltos de altura, teniendo eso en cuenta, se procedió a hacer un estudio donde se instaló. Acualandia, es un sitio productor de piscicultura, se obtiene poco caudal, también se requiere suministrar una carga pequeña de 1.42KW. teniendo estas características y comparándolas con la tabla 3, se opta por la turbina Pelton.

30

MEDIDAS DE LOS ÁLABES (CUCHARAS) DE LA TURBINA PELTON El rodete Pelton está comprendido por un disco con ciertos números de álabes de doble cuchara, sobre estas cucharas, es donde incide el chorro del inyector, este choque del agua con las cucharas se produce en dirección tangencial al rodete para así maximizar la potencia de la propulsión. En las turbinas Pelton, se puede encontrar dos tipos de construcción de estas, la primera es fundiendo el rodete con los álabes para solo formar una pieza, la segunda forma es ensamblar los álabes con el rodete, esto facilita que cuando se dañe un álabe, pueda ser retirado del rodete fácilmente para instalar uno nuevo.

Las medidas de los álabes varían dependiendo el diámetro del chorro que en ellas incide, cuanto menor sea el diámetro de esta, los álabes serán de menor tamaño y mayor número de estas se situaran en el rodete.

Hace importancia para la construcción de loa álabes el diseño de la mella...ver imagen 15… donde esta tiene como función evitar el rechazo del agua, esto ocurre cuando al chocar el agua a un alabe y llega el siguiente, la mella evita que la cuchara tape la anterior.

Imagen 15. Principales dimensiones y formas de un álabe en la turbina pelton26

.

APUNTES PARA UN MANUAL DE DISEÑO ESTANDARIZACIÓN Y FABRICACIÓN DE EQUIPOS PARA PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS – OLADE Volumen II Turbinas Pelton, Pág. 16.

26

31

Forma axial del álabe según ángulo de posición del rodete.

La forma axial de los álabes evita que se produzca fuerza neta en dirección axial por acción del chorro, en la imagen 16. 27, se puede observar la trayectoria de las diversas partículas en la cuchara en función a el giro que ha dado el rodete.

Imagen 16. Transformación del movimiento del agua con respecto al giro del rodete.28 COMERCIALIZACIÓN DE UN GENERADOR ELÉCTRICO HIDRÁULICO EN EL MERCADO. Lo primero a tener en cuenta, es hacer un análisis de estudio de agua (cantidad de caudal, agua venga libre de sólidos, cálculo de velocidad del agua), luego, se procede a hacer una muestra de la suma de cargas eléctricas que se deseen alimentar con el generador “se debe tener en cuenta que a la suma de la carga total se debe trabajar con un factor de seguridad mayor o igual a 1.5.” se debe tener en cuenta también el tipo de voltaje que esta produzca, existen marcas como INTEREMPRESAS, CORELTEC, CSEC que venden sus generadores eléctricos hidráulicos para uso industrial y zonas no interconectadas.

GENERADORES ELÉCTRICOS HIDRAULICOS Un generador eléctrico, es un dispositivo que es capaz de sustentar una diferencia de potencial transformando la energía mecánica a eléctrica, ahora, comparando un generador

Lorentz Fjellanger Bastard: CFD Analysis of a Pelton Turbine. Master of Science in Product Design and Manufacturing.Norwegian University of Science and Technology. June 2012.

28 AlexandrePerrig: Hydrodynamicsof the free surface flow in Pelton turbine buckets. ÉcolePolytechniqueFédérale de Laussane. PourL’obtention du grade de docteuréssciences.Lausanne, EPFL2007.

27

32

con respecto a un motor eléctrico, el motor puede transformar también energía mecánica a eléctrica cumpliendo el papel de un generador.

A continuación, se realizó una comparación de tres marcas de motores y así, escoger el generador ideal del proyecto.

TIANMING SIEMENS Reconocimiento en el NO SI país Fiabilidad de la NO SI empresa Eficiencia del motor IE1 IE2 Tabla 4. Comparación de motores monofásicos 3KW – 4HP.29 Donde: IE1= Eficiencia estándar.

IE2= Eficiencia alta.

DT MOTOR NO NO IE2

Teniendo en cuenta los datos de la tabla 4, se tomó como opción la marca SIEMENS por ser reconocida en Colombia, facilitando esto, los repuestos de este mismo y mantenimiento para el motor.

ENCODER: Dispositivo que puede monitorear un movimiento de la posición y velocidad de un eje giratorio, este movimiento lo transforman en un dato binario que puede ser almacenado en una programación y así tener mayor claridad de que velocidad o giro se obtiene en el eje.

PLC El PLC “Programador Lógico Controlable” son dispositivos con lenguaje alto, capaz de resolver minimizando los problemas de secuencias, este dispositivo también puede ser programado por el usuario, haciendo esto un lenguaje hombre-máquina, esto hace que sea muy confiable, el PLC puede abarcar cualquier proceso industrial, permite hacer reportes y reporta alarmas.

Para la selección del PLC a este proyecto, se tuvo en cuenta que como solo se usaran dos terminales de este para el encoder, el PLC se escogió es de tamaño más pequeño posible, permite imprimir y visualizar los esquemas programados, SIEMENS LOGO30 Es de un tamaño pequeño, eficaz en construcción de máquinas, edificios y aparatos como electrobombas, su programación se hace desde las teclas que tiene frontalmente, posee una pequeña pantalla LCD de forma gráfica, posee contactares auxiliares de hasta 25 A, 29

[CITADO DIA 27 AGOSTO DEL 2016] https://spanish.alibaba.com/product‐detail/0‐55kw‐low‐price‐yl‐ single‐phase‐electric‐motor‐60460714931.html?s=p 30 [CITADO DIA 28 OCTUBRE DEL 2016] http://olmo.pntic.mec.es/jmarti50/logo/logo.htm

33

dispone de entrada bus para comportarse como esclavo, este tiene un costo de 300000 pesos

Imagen 17. Siemens logo.31 A continuación, se comparó el PLC Siemens LOGO con el PLC HitachiWeb Controller EHWD10DR / WA23DR, dispositivos pequeños, pero de gran capacidad en programación programable.

PLC FUNCIÓN PANTALLA COMUNICACIÓN PROGRAMACIÓN FACILIDAD PRECIOS LCD LENGUAJE PROGRAMA‐ GRAFICO CIÓN 1 Industrial SI Serial SI SI $300000= Hogar 2 Industrial NO Serial NO NO NN Ethernet Tabla 5. Comparación PLC Siemens vs Hitachi.

Donde: 1. Siemens LOGO 2. PLC Hitachi Web Controller EH-WD10DR / 23DR 3.

Teniendo en cuenta la información de la tabla 5, se tomó la decisión de trabajar con el PLC Siemens por ser un dispositivo que puede ser programado con las 6 teclas que se situadas en su frontal, también este, tiene visualización pantalla LCD de forma gráfica, observando visualización del programa, entradas, salidas y parámetros de programación.

31

[CITADO DIA 28 OCTUBRE DEL 2016] http://olmo.pntic.mec.es/jmarti50/logo/logo.htm

34

VALVULA ELECTRICA DE PASO Es una válvula que tiene dos posiciones, abierta y cerrada, esta se mueve gracias a una bobina solenoide y es hecha para controlar un fluido.

Imagen 18. Electroválvula de paso.32 Se realizó una comparación de 3 tipos de marcas de las válvulas eléctricas escogió la válvula con mejores características técnicas MARCA FUNCIONAMIENTO TEMP. VOLTAJE PRESIÓN OPERACIÓN DE TRABAJO ‐5°C a 80°C 12V 0 a 0.8MPa SKY@LAN AGUA GAS DIESEL FPD‐270ª AGUA NN 12V 0 a 0.8MPa FUDI AIRE ‐5°C a60°C 12V 0 a 0.8MPa AGUA Tabla 6. Estudio comparativo de 3 tipos de válvulas eléctricas de paso.

de paso y se PRECIO

$169000.

$28000. $28000.

Teniendo en cuenta los datos de la tabla 6, se escogió la válvula eléctrica de paso marca FUDI, teniendo en cuenta que tiene características similares a las 2 marcas que están estudiados en la tabla 6 escogiendo esta marca por tener un precio más económico.

32

[CITADO 28 OCTUBRE DEL 2016] http://articulo.mercadolibre.com.co/MCO‐429805359‐electrovalvula‐de‐ plastico‐12v‐12‐_JM

35

3. DISEÑO DEL SISTEMA DEL DISPOSITIVO DISEÑO DE LA TURBINA PELTÓN. Teniendo en cuenta los datos de los generadores eléctricos hidráulicos, se empezó a diseñar la turbina Pelton, este tipo de turbina trabaja con caudales bajos ya que esta es de uso piscícola, se requiere mínima la cantidad de agua, además, la turbina es dotada con sus álabes para transformar la energía mecánica que es causada cuando el chorro de agua tiene contacto con el álabe, esta puede aprovechar la gran mayoría de esta energía para transformarla en electricidad, esta turbina es óptima para proyectos de microgeneración de energía.

3.1 REQUERIMIENTOS 

Datos tomados en la finca Acualandia

En la finca Acualandia, se tomaron datos del agua que llega a esta, este recurso hídrico viene desde el rio en una manguera de 4’’, para tomar la cantidad de agua, se propuso en un tanque de 500 litros, hacer mediciones de tiempo en un minuto, cuánta agua se almacenaba en el tanque, dando un resultado de 180 

.

Carga eléctrica a ser alimentada por la turbina Pelton

En Acualandia se diseñó la turbina Pelton para suministrar energía eléctrica a una carga de 1.492 KW con el fin de alimentar una electrobomba con las características que se muestran en la tabla 7.

SIEMENS Motor monofásico 60Hz 40°C 2.0 CP

Frecuencia Temperatura Ambiente Potencia 1.492KW Tabla 7. Características de la carga.

Dónde: CP es la familia de electrobombas centrifugas.

Para evitar y no reducirle la vida útil a carga, se diseñó esta misma con un factor de seguridad de 1.5 (F.S). ∗ .

Ec (1).

Donde:

.

Ñ

. .

36

.

Se remplazan los datos de la tabla 7 y el factor de potencia seleccionado por el diseñador a la ecuación 1.

1.492 ∗ 1.5 .

Ec (2).

2.238 Ec (3).

La mueva carga eléctrica diseñada fue de 2.238 KW. 

Selección del generador eléctrico

Se escogió un motor SIEMENS para ser implementado como generador eléctrico teniendo en cuenta la comparación de varios motores que se encuentra en la tabla número 4, para escoger el generador de la marca SIEMENS, se tomó en cuenta la carga eléctrica que se diseñó en la ecuación 7, y con esta, se procedió a escoger un generador que sea capaz de suministrar sin ningún inconveniente dicha carga mencionada anteriormente.

Tabla 8. Datos del generador eléctrico monofásico.33 Se escoge el generador de potencia nominal de 3 KW de velocidad de 1800rpm.

MOTORES ELÉCTRICOS INDUSTRIALES– SIEMENS, Características eléctricas, Siemens 2011, Calidad y Gestión Ambiental bien certificada, Pág. 25.

33

37

3.2

DESARROLLO DEL DISPOSITIVO.

3.2.1 DISEÑO DE LOS ÁLABES Los álabes o cucharas de la turbina Pelton, son pieza fundamental del diseño de la turbina Pelton, pues en estas, son las que reciben la fuerza del chorro transformándola en energía mecánica.  Dimensiones y formas de un álabe en la turbina Pelton Las dimensiones y formas del álabe van variando según la salida del chorro de agua y según variedades del diseñador.

Donde d = Diámetro de la salida del chorro de agua.

2.5 3 ∗ 2.7 ∗ 2.5 3.5 ∗ 3∗ 0.85 1.3 ∗ 1∗ 1 1.2 ∗ 1.1 ∗ 0.3 0.6 0.5 ∗ 1.6 1.7 ∗ 1.7 ∗ ß1 6° 20° 8° ß2 4° 20° 5° ß3 2° 5° 3° ß4 0° 20° 10° J 0.1 0.2 ∗ 0.1 ∗ 0.9 ∗ B = Ancho de la cuchara L = Longitud de las cucharas D = Profundidad de las cucharas f = Longitud de la cuchara desde el corte hasta el centro del chorro M = Ancho de corte de la cuchara e = Longitud radial del corte de la cuchara l = Longitud de la cuchara en la mitad de la misma ß1 = Angulo de salida del agua de la cuchara ß2 = Angulo de entrada del agua a la cuchara ß3 = Angulo formado por las medias cucharas ß4 = Angulo de la punta de la cuchara J = Espesor de las cucharas

38



Numero de álabes (cucharas) de la turbina Pelton.

Imagen 19. Paso de un álabe34 Con respecto a la imagen 19, se determinó el valor de la distancia que se encuentra la diferencia que hay entre el diámetro del rodete y el diámetro en la cresta del álabe. ƛ

2

Ec (4).

Se halla k, que es la relación existente entre los diámetros de paso, de cresta y de diámetro de chorro35 1 ∗ 2 Ec (5).

Se determina los valores del paso angular y del paso medio de la circunferencia D.36 1 1

ϭ 2 ∗ϭ Ec (6).

34FERNANDA

SEPÚLVEDA, Lorena Andrea. Diseño del rodete de turbina hidráulica tipo Pelton para microgeneración. Santiago de Chile, Diciembre 2012. Memoria para optar título de ingeniería civil mecánica. Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y 35 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 61.

36 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 63.

39

El valor del ángulo que hay entre la arista del álabe y el punto máximo de la salida del chorro es37: 2

∗

1

2 ∗ϭ

1

ϭ Ec (7).

El paso máximo medido en la circunferencia seria: 2∗

∗

2

Ec (8).

El número teórico de la cantidad de álabes va de acuerdo a la siguiente ecuación: 2∗ Ec (9).

Donde:



á . á . Ángulo de posición del álabe sobre el rodete.

se procede a calcular el ángulo de posición que cada álabe debe tener.

Imagen 20. Ángulo de espacio para un álabe en un rodete.

360° ∅ Ec (10).

Donde: ∅

ó .

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 63.

37

40



Velocidad del agua que interactúa en el álabe

Imagen 21. Diagrama de velocidades del álabe38 Según “diseño y construcción de una turbina Pelton para generación eléctrica, capacidad 2KW” que, para hallar las revoluciones del rodete, es importante hallar la velocidad tangencial, para esto, se sabe que el coeficiente de la velocidad tangencial varía entre 0.4 a 0.8 y que el ángulo por las componentes de velocidad absoluta (C2), y velocidad tangencial (W2), para las turbinas Pelton este ángulo es igual a cero. ∗

∗

0 Ec (11).

La velocidad relativa (W2), se puede determinar con las velocidades absolutas y tangenciales expresándose, así como: ∗ 1 Ec (12).

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 43.

38

41

Imagen 22. Velocidad absoluta de salida.39 Esta velocidad puede ser expresada por la siguiente ecuación: ∗

∗ 1

2∗

∗

∗

∗ 1

Ec (13).



VELOCIDAD DEL CHORRO Y FUERZAS EN LA TURBINA PELTON

Teniendo en cuenta los datos tomados de la finca Acualandia, mencionados anteriormente en la parte de requerimientos, se debe pasar el caudal de 180

∗

1

∗

60

a 1 1000

Ec (14).

0.003

Ec (15).

El área de la salida del chorro de agua es de 4’’ Donde: 0.1016 .

4

∗

Ec (16).

Donde:

. ∗ 0.0508 Ec (17).

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 45.

39

42

8.1073 10 Ec (18).

La velocidad de la salida del agua es:

Ec (19).

Se remplazan los valores de las ecuaciones 15 y 18 en la 19.

0.003 8.1073 10

Ec (20).

0.37 ⁄ Ec (21).

Ya teniendo la velocidad, se procede a hallar la fuerza en la turbina que ejerce el chorro del agua. ∗ ∗ ρ∗ ∗ ∗ Ec (22).

Donde:

∗ .

ρ

Se remplazan los valores de las ecuaciones 15, 18, 21 y datos de dimensiones y formas en el álabe en la 22.

1000

∗ 0.003

∗ 0.37

∗

8°

0.37

∗

165°

∗ 8.1073 10 Ec (23).

17.6 10

∗ Ec (24).

43

Para saber si esta fuerza es capaz de romper la inercia del generador, es necesario primero hallar dicha fuerza. Donde primero, se toma la fuerza de inercia multiplicándola por un factor de seguridad de 1.5.

0.0058

∗ 1.5

∗

Ec (25).

La inercia del generador se tomó de la tabla 8.

0.0087

∗ Ec (26).

Se procede a pasar esta inercia de

∗

a

∗

en la ecuación 26.

0.0087

∗

9.81 1 Ec (27).

85.347 10

∗ Ec (28).

Ahora, se compara la ecuación 24 con la 28 dando como resultado que dicha fuerza del chorro es muy baja para romper la fuerza de la inercia y eso se debe a la velocidad del chorro que es relativamente baja, por lo tanto, se reducirá el área de salida tal como se muestra en la imagen 21, el caudal será el mismo con la diferencia que la velocidad final aumentará a comparación a la inicial.

Imagen 23. Ecuación de continuidad.40 Y con la tabla 9, se reducirá de 4’’ a el menor diámetro para aumentar la velocidad.

[Citado agosto 25 del 2016] https://deisysegura.wordpress.com/fisicatermodinamica/mecanica-de-fluidos/2-h-la-ecuacion-de-bernoulli-y-la-ecuacion-decontinuidad/ 40

44

DIAMETRO NOMINAL (PULGADAS) 4’’ 3’’ 1 2 2 ′′ 2’’ 1 1 2 ′′ 11 2 ′′ 1’’ 3 ′′ 4 1 ′′ 2 Tabla 9. Diámetro nominal PVC en pulgadas.

Esta fuerza no es suficiente para romper la fuerza de inercia de la ecuación 28, así que, por lo tanto, se reducirá el diámetro de salida a la medida más pequeña que se puede conseguir en tuberías PVC. Tubería de ½’’.

Se procede a usar la ecuación 17 para hallar el área de la tubería de ½’’. ∗ 6.35 10 Ec (29) 126.677 10 Ec (30).

Usando la ecuación Bernoulli. Se procede a usar la ecuación de Bernoulli41 para hallar la velocidad de salida de la turbina Pelton, teniendo en cuenta que el caudal inicial es el mismo caudal que sale, la ecuación seria: ∗

∗ Ec (31).

De la ecuación 31, se despeja la velocidad de la salida ( ). ∗ Ec (32).

Se remplazan los de la ecuación 18, 21 y 30 en la 32.

[Citado 14 de agosto 2016] https://deisysegura.wordpress.com/fisicatermodinamica/mecanica-de-fluidos/2-h-la-ecuacion-de-bernoulli-y-la-ecuacion-decontinuidad/ 41

45

8.1073 10 ∗ 0.37 ⁄ 126.677 10

Ec (33).

23.68 ⁄ Ec (34).

Se recalcula la fuerza del agua para saber si esta sobrepasa la fuerza de inercia del generador. ρ∗

∗

∗

∗

∗ Ec (35).

Donde:

∗

.

ρ

Se remplazan los valores de las ecuaciones 15, 18, 34 y datos de dimensiones y formas en el álabe en la 35.

1000

∗ 0.003

∗ 23.68

∗

8°

23.68

∗

165°

∗ 8.1073 10 Ec (36).

1.1266 ∗ Ec (37).

La fuerza del chorro es mayor a la fuerza de la inercia del rodete, así que se requiere aumentar la velocidad del chorro reduciendo el área de salida.

1.1266 ∗

85.347 10

∗ Ec (38).

46

3.2.2

REVOLUCIONES DEL GENERADOR, VELOCIDAD TANGENCIAL DE LA TURBINA Y DIÁMETRO DEL RODETE.

Las revoluciones del generador son de 1800 RPM 42, se tomó de esa velocidad, la cuarta parte de esta para las revoluciones de la turbina y con factor de potencia, se aumentó la velocidad a deseada por el generador.

Se debe pasar la velocidad de la turbina Pelton a radianes por segundo.

450

∗

1 60

∗2 Ec (39).

47.12 Ec (40).

A continuación, se usará la ecuación 41 para encontrar la velocidad tangencial, sabiendo que por continuidad y que el chorro pierde velocidad por efecto de fricción de la superficie del álabe, se debe considerar que el coeficiente de velocidad relativa es estimado en un 0.98, siendo así la velocidad relativa W1 se expresa como: ∗

∗ 1 Ec (41).

Donde:

.

ó .

. .

Donde para todas las turbinas Pelton

tiene un valor de 0.46. 43 .

Se remplaza el valor de la ecuación 34 en la 42.

0.98 ∗ 23.68 ⁄ ∗ 1

0.46 Ec (42).

MOTORES ELÉCTRICOS INDUSTRIALES– SIEMENS, Características eléctricas, Siemens 2011, Calidad y Gestión Ambiental bien certificada, Pág. 25.

43FERNANDA SEPÚLVEDA, Lorena Andrea. Diseño del rodete de turbina hidráulica tipo Pelton para microgeneración. Santiago de Chile, Diciembre 2012. Memoria para optar título de ingeniería civil mecánica. Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería mecánica. Pág. 16, 17.

42

47

12.53 ⁄ Ec (43).

Teniendo la velocidad en radianes por segundo, con el radio del rodete de la turbina Pelton, se procede a encontrar esta velocidad a ⁄

∗

Ec (44).

Se despeja de la ecuación 44 el radio del rodete.

12.53

47.12 Ec (45).

265.917 10 Ec (46).

El diámetro del rodete es:

∗2 Ec (47).

Se remplaza el valor de la ecuación 46 en la 47.

265.917 10

∗2 Ec (48).

531.834 10 Ec (49).



vs rodete y cálculo de la masa del

relación de diámetros rodete.

Relación de diámetros de salida del agua de la turbina con respecto al del rodete. ϭ Ec (50).

48

Donde; ϭ

ó

.

.

12.7 10

.

Se remplaza el valor de la ecuación 49 en la 50.

12.7 10 531.834 10

ϭ

ϭ

Ec (51).

23.879 10 Ec (52).

Con el dato del diámetro del rodete y el diámetro del chorro que llega a la turbina, se procede a encontrar el diámetro de la turbina Pelton ( ).

7

3

Ec (53).

Se remplaza el valor de la ecuación 49 en la 53. (Dp).

7 0,0127 3

531.834 10

Ec (54).

561.467 10 Ec (55).

Se procede a calcular el diámetro de la circunferencia que describe la punta de la arista al girar el rodete.

2∗ Ec (56).

Se remplaza el valor de la ecuación 55 en la 56 y tomamos el valor f como el diámetro del chorro, teniendo en cuenta que el diámetro de salida es 1 2 ′′.

561.467 10

2 ∗ 0,0127 Ec (57).

49

586.867 10 Ec (58).

El material del disco de la rueda más común usado es el acero fundido o forjado por presentar una resistencia extraordinaria a la cavitación y a la abrasión, a continuación, en la imagen 24, estarán las medidas del rodete de la turbina Pelton.

Imagen 24. Rodete de la turbina Pelton.

En la ecuación 59 se hallar el volumen del rodete. ∗

∗

∗

∗ Ec (59).

Donde:

0.01 0.01 .

.

Remplazando los valores de la ecuación 46 en la 59: ∗ 265.917 10

∗ 0.01

∗ 0.01

∗ 0.01 Ec (60).

Donde:

.

2.2183 10 Ec (61).

La masa en Kg del rodete seria: ᶁ∗ Ec (62).

Donde: ᶁ

7800

.

50

.

Se remplaza el valor de la ecuación 61 en la 62.

7800

∗ 2.2183 10 Ec (63).

17.3 Ec (64).



DATOS DE FORMULAS ANTERIORES YA RESUELTAS.

Ecuación 4.

Se remplaza las variables de las ecuaciones 49 y 58 en la 65. ƛ

531.834 10

586.867 10 2

ƛ

Ec (65).

27.5165 10 Ec (66).

Ecuación 5.

En esta ecuación, se calcula la relación existente entre los diámetros de paso, de cresta y de diámetro de chorro44.

Se remplaza las variables de las ecuaciones 49 y 58 en la 66.

1 586.867 10 531.834 10 ∗ 2 12.7 10

Ec (67).

4.33 Ec (68).

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 61.

44

51

Ecuación 6. valores del paso angular y del paso medio de la circunferencia D Se remplaza la variable de la ecuación 52 en la 69.

1

1 23.879 10 2 4.33 ∗ 23.879 10 Ec (69).

557.78 10 Ec (70).

Ecuación 7.

Se remplaza las variables de las ecuaciones 52 y 68 en la 71.

2 0.44 ∗ 0.98

1

2 4.33 ∗ 23.879 10

1

34.3 10 Ec (71).

573.58 10 Ec (72).

Ecuación 8.

Se remplaza las variables de las ecuaciones 70 y 72 en la 73 2 ∗ 557.78 10

573.58 10 Ec (73).

541.98 10 Ec (74).

Ecuación 9.

Se remplaza las variables de las ecuaciones 49, 70 y 72 en la 77 2 ∗ 557.78 10

573.58 10

∗

531.834 10 2

Ec (77).

144.12 10 Ec (78).

52

Ecuación 10 Se remplaza la variable de la ecuación 74 en la 79 2∗ 541.98 10

11.59

Ec (79).

12 á Ec (80).

Ecuación 13.

Se remplaza la variable de la ecuación 34 en la 81 0.46 ∗ 23.68

∗ 1 Ec (81).

10.89 Ec (82).

Ecuación 14.

Se remplaza la variable de la ecuación 34 en la 83.

23.68

∗ 1

0.46 Ec (83).

12.787 Ec (84).

Ecuación 15.

Se remplaza la variable de la ecuación 34 en la 85.

23.68

∗

0.46

0.98

∗ 1

0.46

2 ∗ 0.46 ∗ 0.98 ∗ 1

0.46 ∗

10 Ec (85).

2.61 Ec (86).

53



FUERZAS EN LA TURBINA PELTON.

FUERZA RADIAL CENTRIFUGA. La fuerza radial centrifuga se calcula mediante la ecuación 87. ∗ Ec (87).

Donde:

. á

.

Se remplazan los valores de la ecuación 58, 64 y 82 en la 87.

17.3 ∗ 10.89 ⁄ 293.43 10

Ec (88).

6.99 Ec (89).



FUERZA DEL CHORRO DEL AGUA EN (Kgf):

La fuerza debida al chorro de agua, es la que genera el esfuerzo tangencial, para calcular esta fuerza, en la ecuación 90 se supondrá que recibe en un instante todo el impacto del agua. ρ∗Q ∗ ∗ ∗ Ec (90).

Donde:

.

ρ

Densidad agua

54

Se remplaza los valores de la ecuación 15, 34 y datos de dimensiones y formas de un álabe en una turbina Pelton en la 90.

1000

∗ 0.003 9.81

∗

23.68

∗ cos 8

23.68

∗ cos 165 Ec (91).

14.16 Ec (92).

Se procede a pasar

de la fuerza del chorro a 14.16

de la ecuación 92 en la 93. ∗

9.81 1 Ec (93).

138.9 Ec (94).



ESFUERZOS ESTÁTICOS DEBIDO A LA FUERZA CENTRÍFUGA Y A LA FUERZA DEL CHORRO.

Basándose en información del “diseño y construcción de una turbina Pelton para generación eléctrica, capacidad 2 KW.”45 Indica que, para estimar esfuerzos estáticos, primero se debe considerar la sección menor área en el álabe que es la zona donde se concentran los mayores esfuerzos.

En la figura 1, se podrá observar la sección representada en el corte indicado, donde se determinará las propiedades de la sección transversal y momento de inercia.

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA. Pág. 83.

45

55

Figura 1. Sección transversal del vástago. diseño y construcción de una turbina Pelton para generación eléctrica, capacidad 2 KW. El área de menor sección se determina como: ∗ Ec (95).

Donde: 0.010 .

0.0184 .

0.010

∗ 0.0184 Ec (96).

184 10 Ec (97).

El momento de la inercia de la sección transversal del vástago se determina como: ∗ 12

Ec (98).

Remplazando los datos de la ecuación 95 en la 98: 0.010

∗ 0.0184 12

56

Ec (99).

5.19 10 Ec (100).

El modulo resistente, se calcula mediante la siguiente ecuación:

Ec (101).

Donde: á

9.2 10

.

Se remplazan los valores de la ecuación 100 a la 101: 5.19 10 9.2 10

Ec (102).

564.13 10 Ec (103).

El momento flector máximo, se determina mediante la siguiente ecuación: ∗ Ec (104).

Remplazando los valores de la ecuación 92 en la 104: 14.16

∗ 0.09 Ec (105).

Donde 0.09m son la longitud de la viga.

1.2744

∗ Ec (106).

De la ecuación 106, se procede a pasar los Kg a N

57

1.2744

∗ 9.81 Ec (107).

12.5 ∗ Ec (108).

El esfuerzo de flexión (intervalo de esfuerzos) es determinado mediante la siguiente ecuación46

Ec (109).

Se remplazan los valores de la ecuación 103 y 108 en la 109: 12.5 ∗ 564.13 10

Ec (110).

221.631 Ec (111).

que actúa sobre El esfuerzo cortante promedio se produce debido a la fuerza centrifuga la sección donde esta empernada la cuchara al disco, esta se calcula mediante la ecuación 112.

Ec (112).

Se remplaza el valor de la ecuación 89 y 97 en la 112: 6.99 184 10

Ec (113).

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 83.

46

58

37.9910 Ec (114).

Para obtener el esfuerzo de apoyo sobre el disco (esfuerzo estático), álabe, se utiliza la ecuación 115 con las variables de la ecuación 89. 47

∗

Ec (115).

Donde: 26 .

5 .

La ecuación 129 seria: 6.99 0.026 ∗ 0.005

Ec (116).

53.769 Ec (117).

Los esfuerzos máximos presentes de menor área en el álabe se presentan en la tabla 10.

Esfuerzo estático ∗

Intervalo de esfuerzos

53.769

221.631

Esfuerzo máximo Esfuerzo mínimo Amplitud de esfuerzos

2

Esfuerzo medio

2 Tabla 10. Esfuerzos máximos presentes de menor área en el álabe.

275.4 53.769 110.8155 164.584

El rango de esfuerzos se define de la siguiente forma:

Ec (118).

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA Pág. 90.

47

59

Se remplazan las variables de la tabla 10 a la 118, el rango de esfuerzos seria: 57.962

47.686 Ec (119).

10.276 Ec (120).

La relación para determinar los esfuerzos es:

Ec (121).

Se remplaza el valor de la tabla 10 en la ecuación 121.

47.686 57.962

Ec (122).

822.71 10 Ec (123).

Ec (124).

Se remplaza el valor de la tabla 10 en la ecuación 124.

5.138 52.824

Ec (125).

97.266 10 Ec (126).

Al ser R y A positivos y estar en el rango entre 0 y 1, estos patrones de carga resultan de esfuerzos a flexión axial y torsión. Entonces el rodete está sometido a esfuerzos fluctuantes.

60



PERNO QUE CONECTA EL ÁLABE DEL RODETE.

La sujeción de los álabes se realizará con pernos M5, así que, el área transversal de esta es: ∗ Ec (127).

Donde:

. 2.5 10

. ∗ 2.5 10 Ec (128).

19.63 10 Ec (129).

Para obtener los esfuerzos nominales de apoyo en el vástago de cada álabe, se utilizará la ecuación 130.

∗

Ec (130).

Donde:

.

á

0.05375 .

ó 0.005

.

Remplazando los valores de la ecuación 89 en la 130.

6.99 0.05 ∗ 0.005 Ec (131).

27.96 10 Ec (132).

3.2.3

CALCULO Y DISEÑO DEL EJE DE LA TURBINA PELTON.

La potencia al freno de la turbina se determina mediante la siguiente ecuación ∗ Ec (133).

Donde

61

.

0.96 . ó 0.96 .

.

Se remplazan los datos de la tabla 10 en la ecuación 133 3 0.96 ∗ 0.96 Ec (134).

3.255 Ec (135).

La fuerza ejercida por el chorro sobre la turbina (F) se calcula mediante la siguiente ecuación: 974 ∗ ∗ Ec (136).

Donde: á

. ú

450 .

Se remplaza los valores de las ecuaciones 55, 135 y datos de la tabla 4 en la 136.

974 ∗ 3.225 ∗ 450 561.467 10

Ec (137).

12.43 Ec (138).

Se procede a pasar los Kgf a N Donde: 12.43

∗

9.81 1 Ec (139).

62

121.94 Ec (140).

Una vez obtenida la magnitud de F, se procede a hallar la fuerza resultante. ∗

∝

∝ Ec (141).

Donde: ∝

ó

° .

Imagen 25. Chorro de agua en la turbina Pelton.48 Se remplazan el valor de la ecuación 138 en la 141.

12.43

∗

∝

∝ Ec (142).

12.43 Ec (143).

Donde: 12.43

∗

9.81 1 Ec (144).

[Citado 19 de agosto del 2016] http://physicsspectres.blogspot.com.co/2014/11/calculode-fuerza-del-chorro-sobre-los.html 48

63

121.94 Ec (145).

Se procede a encontrar la fuerza en el eje y. ∗

∝

∝ Ec (146).

Donde: ∝

ó

90° . .

Se remplaza el valor de la ecuación 64 y 138 a la 153.

12.43

∗

90°

90°

17.3 Ec (147).

4.877 Ec (148).

Donde: 4.877

∗

9.81 1 Ec (149).

47.77 Ec (150).

Por lo tanto, la fuerza resultante sería:

Ec (151).

Se remplazan los valores de las ecuaciones 143 y148 en la 151.

12.43

4.877 Ec (152).

64

13.35 Ec (153).

Donde: 13.35

∗

9.81 1 Ec (154).

130.96 Ec (155).

Una vez encontrada la fuerza resultante que actúa en el centro del eje, se determinara el valor de las reacciones en cada uno de los extremos.

Imagen 26. Diagrama de cuerpo libre en el eje.49 En la imagen 26, se presentan el diagrama de fuerzas, a continuación, se determinará las fuerzas que en este actúan.

Ec (156).

Donde 13.35

y

.

tendrían el valor de 2

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA. Pág. 105.

49

65

Ec (157).

Se remplaza el valor de la ecuación 153 en la 157.

13.35 2

Ec (158).

6.675 Ec (159).

Donde: 6.675

∗

9.81 1 Ec (160).

65.48 Ec (161).

Se determina el momento flector máximo que se presenta en el eje mediante la siguiente ecuación: ∗ 4

Ec (162).

Donde:

.

0.07

.

Se remplaza el valor de la ecuación 153 en la 162.

13.35

∗ 0.07 4

233.625 10

Ec (163).

∗ Ec (164).

66

Donde: 233.625 10

∗

9.81 1 Ec (165).

2.29 Ec (166).

La inercia del eje se determina mediante la siguiente ecuación:50 ∗ 64

Ec (167).

Donde:

0.01

. ∗ 0.01 64

Ec (168).

490.87 10 Ec (169).

El esfuerzo de flexión del eje es: ∗

Ec (170).

Donde:

5 10

.

Se remplazan los valores de las ecuaciones 166 y 169 en la 170.

2.29 ∗ 5 10 490.87 10

Ec (171).

23.326 Ec (172).

50

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 106.

67

El torque máximo que se presenta en el eje, está determinado mediante la siguiente ecuación.

974 ∗ á

Ec (173).

Donde:

é

.

.

Se remplaza los valores de la ecuación 135 y la tabla 3 en la 173.

974 ∗ 3.255 1800

á

1.7613

á

Ec (174).

∗ Ec (175).

Donde: 1.7613

á

∗

9.81 1 Ec (176).

17.28

á

Ec (177).

3.2.4

AMPLIFICACIÓN DE LA POTENCIA EN LA TURBINA PELTON.

Para el diseño de un sistema de transmisión se debe considerar factores como:  Potencia a transmitir.  Velocidades de entrada y salida.  Condiciones de servicio.

Para la transmisión de potencia de la turbina a el generador, se utiliza transmisión por poleas, estos elementos mecánicos tienen una función importante en la absorción de cargas de impacto.

68

Para transmitir la potencia de la turbina al generador eléctrico se utilizará bandas tipo V, las poleas a utilizar en la transmisión tienen que ser poleas acanaladas tipo A.

Imagen 27. Esquema de una transmisión por correa.

Donde: 1

2

∝1 Á ∝2 Á 1 2

á á

. .

.

. .

. .

Relación de transmisión.

La relación entre las velocidades de la polea de la turbina y la polea del generador es: 1 2

Donde: 1 1

Ec (178).

. .

450 1800 1

69

Ec (179).

4

Ec (180).

Con la relación de los diámetros, se puede calcular los diámetros de las poleas que se utilizaran. Para la determinación de estos diámetros se considera varios criterios como la relación de velocidad obtenida y el diámetro mínimo tolerable en el generador.

Ec (181).

Se remplaza el valor de la ecuación 180 en la 181.

4′′

1 4

Ec (182).

16

0.406 Ec (183).

4

0.101 Ec (184).

Velocidad periférica.

Se determina la velocidad periférica en la polea del generador, también denominada velocidad tangencial. ∗

Se remplaza los valores de la ecuación 183 en la 185. ∗ 0.406

∗ 60

∗ 450 60

Ec (185).

Ec (186).

9.566 ⁄

Ec (187).

Se determina la distancia entre centros de las poleas, determinado por la ecuación 188.

3∗ 2

70

Ec (188).

Se remplaza los valores de la ecuación 183 y 184 en la 188.

0.406

3 ∗ 0.101 2

Ec (189).

0.3545 Ec (190).

Se realiza el cálculo de la longitud de la banda. ∗

2∗

2

4∗

Ec (191).

Se remplaza los valores de las ecuaciones 183, 184 y 190 en la 191. ∗ 0.406

2 ∗ 0.3545

0.101 2

0.406 0.101 4 ∗ 0.3545

Ec (192).

1.572 Ec (193).

Para esta aplicación se usará una banda V A62 51, su longitud interna es de 62’’ (1.5748m). El siguiente paso es recalcular la distancia entre centros que se tendrá con la banda seleccionada.

2

Ec (194).

Donde: ó

.

.

62.

.

Se remplaza las variables de las ecuaciones 190, 193 y los datos de la banda V A62 a la 201.

[Citado 16 de agosto del 2016] http://www.gprindustrial.com/es/correas-en-v-tipo-a/75a62-classic-vbelt.html 51

71

1.5748

0.3545

1.572 2

Ec (195).

La velocidad tangencial del generador es: ∗

∗ 60

Ec (196).

Se remplaza el valor de la ecuación 184 en la 196. ∗ 0.101

∗ 1800 60

Ec (197).

9.52 ⁄ Ec (198).

3.3 CONTROL DE SISTEMA DE FRENO YSISTEMA DE VELOCIDAD PRODUCIDA POR LA TURBINA PELTON Se implementó un encoder para saber a qué revoluciones va el generador, este me envía datos de velocidad, el PLC lee y luego almacena este tipo de información que le suministre el encoder que está en el eje del generador.

El encoder va conectado a os pines uno y dos del PLC y de ahí se empezará hacer su programación, del pin 4 de este, va conectada la electroválvula que tiene como función cerrar suministro de agua en caso de que el generador no esté a las revoluciones deseadas y evitar fallos del sistema.

72

Imagen 28. Esquema conexión PLC a sistema de control de freno y velocidad del generador.

El PLC, así como el lenguaje humano, tiene diferentes tipos de formas para programación según su diseñador, a continuación, se demostrará en forma de diagrama de flujo del esquema del sistema de frenado usando también visualización y un sistema de alarma para que el operario se informe de la falla, revise y repare daños para otra vez volver a generar electricidad, el diagrama de flujo puede ser programado en cualquier lenguaje PLC.

73

Imagen 29. Diagrama de flujo Esquema de freo y visualizaciรณn.

El sistema de freno se activara por medio de una electrovalvula de paso para proteger el generador de que en este aya mayor revoluciones y asi acortar drasticamente este mismo, se activara la alarma para reparaciones o mantenimiento.

74

INTEGRACIÓN DEL SISTEMA.

Imagen 30. Integración del sistema del dispositivo generador eléctico con renergia renovable.

75

4. RESULTADOS Con las herramientas CAD (SolidWorks), se procedió hacer las piezas calculadas matemáticamente de la turbina Pelton, para tener más idea del diseño de este dispositivo.

A continuación, se procederá a ensamblar pieza por pieza para llegar a tener el generador eléctrico.

Grafica 2. Álabe de la turbina Pelton.

Grafica 3. Rodete de la turbina Pelton.

76

Grafica 4. Perno del álabe.

Grafica 5. Vástago del álabe.

Ya teniendo el rodete (ver grafica 2 y 3), se procede a ensamblar el álabe al rodete.

Después, se procede a ensamblar también el perno y vástago al álabe que estos cumplen como función sujetar la pieza del álabe con respecto al rodete tal como se muestra en la gráfica 6.

Grafica 6. Rueda Pelton.

77

Se procede luego hacer las piezas de amplificación de potencia de la turbina Pelton, basándose de los datos matemáticos hallados.

Figura 7. Transmisión de Potencia.

Para transmitir la energía recibida en la rueda Pelton a la transmisión de potencia, se procede hacer la pieza del eje con los datos matemáticos hallados anteriormente.

Grafica 8. Eje de la turbina Pelton.

El siguiente paso, es ensamblar el generador a la transmisión de fuerza y así obtener el dispositivo generador de electricidad como se aprecia en la gráfica 9.

78

Figura 9. Turbina Pelton para generación de electricidad de carga 3 KW. El diseño del generador eléctrico se elaboró para que este trabaje con energía renovable que sea optima teniendo en cuenta el sitio donde se ubica Acualandia, que este dispositivo este bien diseñado para poder suministrar electricidad a una carga (electrobomba) en un estanque de Acualandia.

Con el diseño de la turbina Pelton se dio de cuenta, que el álabe de la turbina Pelton cumple una función muy importante para la generación de energía, pues es el que recibe el impacto de la fuerza del agua y esta, ayuda a que casi el 90% de esta, sea aprovechada para generar electricidad. Se procedió por medio de herramientas CAD hallar el desplazamiento estático, limite elástico y deformación untaría estática del álabe con respecto a la fuerza que le ejerce el agua.

79

Figura 10. Deformaciรณn unitaria estรกtica del รกlabe

Figura 11. Desplazamiento estรกtico en el รกlabe

80

Figura 12. Limite elรกstico en el รกlabe.

81

5. CONCLUCIONES 

Las formas del álabe hacen cambiar la dirección del agua al chocar está en ellas haciendo mayor provecho transmitir casi instantáneamente en energía mecánica.



La deformación unitaria estática del álabe cuando el chorro del agua le ejerce fuerza es mínima haciendo de esto una vida útil larga para el álabe



El diámetro del rodete es proporcional a la velocidad del agua que llega a la turbina Pelton



La cantidad de álabes va de acuerdo a el diámetro del rodete, diámetro del chorro del agua, coeficiente de fricción y coeficiente de velocidad tangencial



Fue de muy vital importancia el estudio y selección de energía para diseñar el generador eléctrico que mayor vendría beneficiando teniendo en cuenta los recursos naturales que hay en dicho sector, viabilidad mayor provecho

82

6. REFERENCIAS 

















 

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Chatbordin Naksrisuk y Kulyos Audomvongseree. Dependable Capacity Evaluation of Wind Power and Solar Power Generation Systems. 978-1-4799-05454/13/$31.00 ©2013 IEEE. Pag 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Peng Yang, Student Member, IEEE, and Arye Nehorai, Fellow, IEEE. Joint Optimization of Hybrid Energy Storage and Generation Capacity With Renewable Energy. 1949-3053 © 2014 IEEE. Pag 1, 2, 3, 8, 9.

Haoyong Chen, Peizheng Xuan, Guoqing Wei y Xuanhao Xu. Robust Dispatch of Power Systems with Multi-Type Renewable Energy Sources. 978-1-4799-75372/14/$31.00 ©2014 IEEE. Pag 1, 2, 3, 4, 5, 6.

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CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009. ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 12.

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[Citado julio 14 del 2016] http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasVientos.html [Citado julio 14 del 2016] http://espanol.mapsofworld.com/continentes/mapa-desur-america/colombia/cundinamarcaB

83



CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009. ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 385.CREUS SOLE, Antonio.

Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009. ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 383.





CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009. ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 383.

[Citado julio 14 del 2016] http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html



[Citado julio 14 del 2016] http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html



CREUS SOLE, Antonio. Energías renovables (2ª. Ed,). Barcelona, ES: Cano Pina, 2009. ProQuest ebrary. web. 14 June 2016. Pág. 197



[Citado julio 14 del 2016] http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasClimatologico.html

[Citado 17 julio del 2016]https://ccssciclocuatro.wordpress.com/2011/06/14/departamento-decundinamarca-mapa-fisico/







[Citado 27 agosto del 2016] http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinashidraulicas.html

[Citado 27 agosto del 2016] http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinashidraulicas.html



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

Citado 27 agosto del 2016] http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinashidraulicas.html

[Citado 27 agosto del 2016] http://www.areatecnologia.com/mecanismos/turbinashidraulicas.html

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Hydrodynamicsof the free Surface flow in Pelton turbine buckets, AlexandrePerrig, ÉcolePolytechniqueFédérale de Laussane. PourL´obtention du grade de docteurésciences.Lausame, EPFL2007.

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APUNTES PARA UN MANUAL DE DISEÑO ESTANDARIZACIÓN Y FABRICACIÓN DE EQUIPOS PARA PEQUEÑAS CENTRALES HIDROELECTRICAS – OLADE Volumen II Turbinas Pelton, Pág. 16.

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Lorentz Fjellanger Bastard: CFD Analysis of a Pelton Turbine. Master of Science in Product

Design and Manufacturing.Norwegian University of Science and Technology. June 2012.  AlexandrePerrig: Hydrodynamicsof the free surface flow in Pelton turbine buckets. ÉcolePolytechniqueFédérale de Laussane. PourL’obtention du grade de docteuréssciences.Lausanne, EPFL2007.    

[CITADO DIA 27 AGOSTO DEL 2016] https://spanish.alibaba.com/product‐detail/0‐55kw‐ low‐price‐yl‐single‐phase‐electric‐motor‐60460714931.html?s=p [CITADO DIA 28 OCTUBRE DEL 2016] http://olmo.pntic.mec.es/jmarti50/logo/logo.htm

[CITADO DIA 28 OCTUBRE DEL 2016] http://olmo.pntic.mec.es/jmarti50/logo/logo.htm

MOTORES ELÉCTRICOS INDUSTRIALES– SIEMENS, Características eléctricas, Siemens 2011, Calidad y Gestión Ambiental bien certificada, Pág. 25.

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FERNANDA SEPÚLVEDA, Lorena Andrea. Diseño del rodete de turbina hidráulica tipo Pelton para microgeneración. Santiago de Chile, Diciembre 2012. Memoria para optar título de ingeniería civil mecánica. Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 61.

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 63.

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 63.

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 43.

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 45.

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[Citado agosto 25 del 2016] https://deisysegura.wordpress.com/fisicatermodinamica/mecanica-de-fluidos/2-h-la-ecuacion-de-bernoulli-y-la-ecuacion-decontinuidad/

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[Citado 14 de agosto 2016] https://deisysegura.wordpress.com/fisicatermodinamica/mecanica-de-fluidos/2-h-la-ecuacion-de-bernoulli-y-la-ecuacion-decontinuidad/

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MOTORES ELÉCTRICOS INDUSTRIALES– SIEMENS, Características eléctricas, Siemens 2011, Calidad y Gestión Ambiental bien certificada, Pág. 25.



FERNANDA SEPÚLVEDA, Lorena Andrea. Diseño del rodete de turbina hidráulica tipo Pelton para microgeneración. Santiago de Chile, Diciembre 2012. Memoria para optar título de ingeniería civil mecánica. Universidad de Chile. Facultad de ciencias físicas y matemáticas. Departamento de ingeniería mecánica. Pág. 16, 17.

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 61.

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA. Pág. 83.

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 83.

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA Pág. 90.

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[Citado 19 de agosto del 2016] http://physicsspectres.blogspot.com.co/2014/11/calculo-de-fuerza-del-chorrosobre-los.html DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA. Pág. 105.

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TURBINA PELTON PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA, CAPACIDAD 2 KW: DISEÑO HIDRÁULICO Y MECÁNICO DE LA TURBINA, Pág. 106.

[Citado 16 de agosto del 2016] http://www.gprindustrial.com/es/correas-en-v-tipoa/75-a62-classic-vbelt.html

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