protocolo de investigacion de turbina hidroelectrica en rio

1. MORELIA, MICHOACÁN SEPTIEMBRE DE 2021
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA
DIVISIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES
INGENIERIA MECÁNICA
TALLER DE INVESTIGACIÓN 1
PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN
IMPLEMENTACIÓN DE TURBINA HIDROELÉCTRICA PARA
SATISFACER EL CONSUMO ENERGÉTICO EN PEQUEÑAS
COMUNIDADES RURALES.
SEPULVEDA HUANTE MARTHA XIMENA

2. 1
Resumen
Actualmente la explotación de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica sigue
siendo muy común, esto sigue deteriorando al medio ambiente cada vez más y hay zonas muy
remotas que ni siquiera cuentan energía eléctrica ya que resulta muy costosa, comunidades que
siguen usando leña para cocinar y calentarse. Hay muchas alternativas para la generación de
energía que no requieren combustibles fósiles ni generan ningún tipo de gas contaminante, son
energías limpias basadas en recursos naturales inagotables como lo es el agua o en este caso el
movimiento de ella, se pueden aprovechar las corrientes acuáticas y generar electricidad a partir de
ellas mediante una turbina hidroeléctrica. Muchas de estas comunidades rurales se encuentran cerca
de un rio o arroyo los cuales pueden ser aprovechados para la generación de electricidad; este
proyecto busca abastecer de energía eléctrica a la comunidad de Oropeo, Michoacán mediante la
explotación de la corriente del rio que se encuentra a un lado de ella.
Abstract
Currently fossil fuels continue being the go-to option to generate electricity and this is continually
affecting our environment. There is a lot of people living off grid where electricity grid connections
are not available or affordable, people who continue using firewood to survive. We have more
options to generate electricity which do not include fossil fuels and do not generate any polluting
gas, these energies are clean based on natural inexhaustible resources like water, or in this case the
movement of it, we can take advantage of the water currents and generate electricity from them
through a hydroelectric turbine. A lot of this off the grid communities are close to a river which we
could use to generate electricity. This project seeks to provide electricity to Oropeo Michoacán
through the exploitation of the river current located aside it.

3. 2
Índice
Introducción .................................................................................................................................................. 3
Planteamiento del problema.......................................................................................................................... 9
Justificación................................................................................................................................................. 10
Objetivos ..................................................................................................................................................... 11
General .................................................................................................................................................... 11
Específicos .............................................................................................................................................. 11
Hipótesis...................................................................................................................................................... 11
Información del lugar del proyecto ............................................................................................................. 12
Turbomáquinas motrices......................................................................................................................... 14
Turbina .................................................................................................................................................... 14
Turbinas de reacción o sobrepresión....................................................................................................... 15
Turbina hidráulica ................................................................................................................................... 16
Turbina Kaplan........................................................................................................................................ 16
Turbina Francis ....................................................................................................................................... 17
Turbina hidroeléctrica ............................................................................................................................. 18
Energía eléctrica...................................................................................................................................... 20
Energía hidroeléctrica.............................................................................................................................. 20
Tipos de corrientes .................................................................................................................................. 21
Movimiento lento de corrientes hídricas................................................................................................. 22
Gradiente y características del cauce....................................................................................................... 22
Comparación de generación hidroeléctrica entre los continentes ........................................................... 23
Tipos de centrales hidroeléctricas ........................................................................................................... 23
Evolución del rotor:................................................................................................................................. 25
Metodología ................................................................................................................................................ 26
Recursos, producción y presupuesto: .......................................................................................................... 28
Cronograma................................................................................................................................................... 0
Fuentes de información:................................................................................................................................ 0

4. 3
Introducción
En zonas rurales donde vive la mayor parte de la población de los países en vías de desarrollo, la
cantidad de población es muy baja y el consumo de energía está diseñado a pequeñas escalas. Así,
la provisión de la misma desde los alejados centros de generación, no resulta factible
económicamente. Como consecuencia de esta desfavorable situación, un gran porcentaje de la
población no se beneficia con las ventajas que ésta brinda.
La fuente de energía básica del área rural sigue siendo la leña con un consumo importante, usada
principalmente en requerimientos de calor y en lo que se refiere a iluminación, utilizan: velas,
mecheros de kerosén y lámparas a gas que aportan una intensidad luminosa deficiente. Esta
carencia en el servicio de electricidad conlleva al aumento en problemas de salud de sus habitantes
principalmente en la vista y pulmones. También contribuye a la contaminación al medio ambiente
debido a la emisión de gases al quemar combustibles fósiles
En comunidades cercanas a un rio es posible la generación de energía eléctrica a partir sus
corrientes hídricas. Una de las principales fuentes de provisión de energía es un salto de agua, la
que puede ser convertida en trabajo mecánico y energía eléctrica. La energía hidráulica es
renovable y no contaminante, está disponible en la zona geográfica de estudio ya que cuenta con
un río que presenta un potencial hidráulico muy interesante desde el punto de vista de la generación
de energía eléctrica, todavía inexplotado.
La conversión de la energía de un salto hidráulico en trabajo mecánico, se lleva a cabo con el
auxilio de una máquina llamada turbina hidráulica. Esta producirá más energía mecánica mientras
mayor sea la altura del salto hidráulico y el caudal disponible. La idea de utilizar la fuerza de la
corriente de los ríos no es nueva, existen muchas propuestas de diseño de turbinas hidráulicas para

5. 4
aprovechar este recurso a pequeña y gran escala. Sin embargo, poco se conoce sobre experiencias
de aplicación masiva más allá de algunos modelos artesanales de aplicación muy restringida.
En la literatura oficial disponible, el primer ejemplo de una turbina de río que fue desarrollado y
probado en el campo se le atribuye a Peter Garman (fig.1). Dicha iniciativa del Intermediate
Technology Development Group (ITDG) en 1978 dio lugar a la denominada Turbina Garman la
cual se utilizaba específicamente para el bombeo de agua y riego. En un plazo de unos cuatro años,
se desarrollaron un total de nueve prototipos; los que fueron construidos y probados en Juba y
Sudán en el Nilo Blanco (Figura 6). Estos diseños lograron trabajar por un total de 15 500 horas.
La experiencia adquirida durante esta aventura mostro un resultado técnico y económico favorable.
El diseño consistía en un pontón flotante en el cual estaba amarrada la turbina de eje vertical que
se encontraba completamente sumergida en el agua, y el cual todo el diseño estaba amarrado a un
poste en la orilla del río para que esto no se lo llevara la corriente.
En enero del 2009 se instala en Estados Unidos la primera turbina comercial en las aguas del río
Mississippi, cerca de Hasting, Minnesota. La turbina desarrollada por la empresa Hydro Green
Fig. 1 Primer Turbina Garman

6. 5
Energy, tiene una potencia de 100 kW y fue instalada en la cercanía de una central hidroeléctrica
preexistente.
Al igual que con la energía de las corrientes marinas, las de los ríos se ha ido expandiendo
desarrollándose varios proyectos y compañías en este campo.
Se propone la instalación de una turbina hidráulica en la comunidad de Oropeo Michoacán que se
encuentra a un costado del Río San Pedro Jorullo, este rio tiene una profundidad de
aproximadamente 1.7 metros, su corriente baja a la presa de infiernillo, cuenta con un salto y
velocidad bajos sin embargo ya existen tecnologías diseñadas especialmente para operar en estas
condiciones esto hace que sea factible instalar una turbina hidráulica en él. Al cumplir con los
requerimientos que la comunidad exija, será entonces el dimensionamiento de la capacidad de
entrega que dará la turbina seleccionada.
Antecedentes
Planta Micro-hidroeléctrica. Mosquera y Gallego (2018).
Se busca implementar una planta hidroeléctrica en la comunidad de Pie de Pepe, en esta comunidad
la energía eléctrica es precaria e intermitente. Se pretende utilizar una turbina tipo Kaplan ya que
la altura y el caudal del río se acoplan a los requerimientos necesarios para su instalación.
Para recolectar los datos del rio se realizó un trabajo de campo, mediante el método del flotador se
obtuvo el caudal, velocidad y sección transversal del río, estos parámetros permiten proyectar la
turbina a implementar y con los resultados del potencial estimado en el punto de estudio mediante
ANSYS se estudia la futura instalación de la micro planta hidroeléctrica (MPH).

7. 6
Diseño, construcción y caracterización de cinco prototipos de microturbinas de rio, utilizando
sistema CAD e impresión en tercera dimensión. Colina y Ordoñez (2017).
Como elemento principal de la energía hidráulica encontramos las turbinas hidráulicas, no obstante
en cuerpos de agua con bajo caudal estas turbinas resultan poco eficientes por esto se busca diseñar
microturbinas que puedan trabajar eficientemente en condiciones de poco caudal como sucede en
los ríos. Pretende diseñar y construir 5 microturbinas utilizando AUTO CAD e impresión 3D con
el fin de generar energía eléctrica en un sistema de baja potencia. Se implementa un sistema de
poleas para incrementar la potencia generada por las microturbinas.
Este trabajo retomó un proyecto de modelación matemática de diseño de una turbina de río con el
objetivo de mejorar su funcionalidad en la generación de energía eléctrica.
Diseño y construcción de una turbina de impulso, Hernández (2013).
El autor sintetiza estableciendo que La turbina de impulso ha sido construida para ser utilizada en
el programa de Hidráulica De la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Pontificia
Bolivariana, Bucaramanga. Para la construcción de la turbina de impulso (Pelton) se elaboraron
planes detallados Teniendo en cuenta el diseño y la implementación de las ecuaciones
fundamentales de la hidráulica Turbomáquinas A partir de los datos experimentales se encontró
una máxima eficiencia mecánica de 0,6 ± 0,03 para un flujo de agua de 2,1l/s. La máxima eficiencia
global fue de 0,23 ± 0,02 para un agua Flujo de 0,83 l / s. El parámetro de diseño utilizado fue una
potencia de 1KW, ya que el regulador de flujo Regulador tipo aguja, que funcionó bien, el modelo
de la cubeta o pala está Tipo de máquina CNC. Para la construcción del impulsor y blades se utiliza
aluminio debido a las características químicas y físicas y la carcasa fue fabricada en acrílico.

8. 7
Concluye estableciendo que una turbina Pelton de escala de laboratorio para la generación
hidroeléctrica se ha construido y utilizado en la Currículo educativo del Programa de Ingeniería
Mecánica de la Pontificia Bolivariana Universidad. A partir de los resultados experimentales, se
encontró que la turbina tenía una mecánica máxima Eficiencia de 0,6 ± 0,03 para un caudal de
2,1l/s. La turbina Pelton demuestra los principios de Hidroeléctrica y se adaptan bien en la
educación de estudiantes de Ingeniería Mecánica.
Diseño de una turbina de río para la generación de electricidad en el distrito de Mazán-
Región Loreto. F. Maldonado (2015).
Para el diseño de este prototipo de turbina de río fabricada en fibra de vidrio y resina, cuenta con
un árbol de transmisión de acero galvanizado el cual está acoplado directamente al rotor, este tubo
va encapsulado en otro de las mismas características que sirve de soporte y protección. El sistema
cuenta además con un generador de imanes permanentes de neodimio ferrítico el cual permite
reducir la velocidad de generación y obtener un bajo costo del equipo. Todos los componentes
del sistema se instalan en una balsa flotante que es fabricada localmente, esta puede ser un pontón.
A partir de los datos de diseño como son potencia, velocidad del agua, celeridad de diseño etc. se
diseña y fabrica la turbina. La energía eléctrica generada es almacenada en una batería y puede
utilizarse posteriormente en cualquier aplicación deseada.
El trabajo abarca el diseño hidráulico de la turbina, los planos del proyecto y los costos de
fabricación del mismo.

9. 8
Miniturbina hidrocinética: un desarrollo para obtener energía eléctrica. Universidad
Nacional de Cuyo - Facultad de Ingeniería.
Fue instalada en las aguas turbulentas del río Mendoza y pretende generar energía renovable para
el sistema eléctrico mendocino. Está en etapa de prueba y, a futuro, el plan es instalar un parque
hidrocinético. Además de generar energía amigable con el medio ambiente, el desarrollo tiene la
ventaja de emplear menor cantidad de recursos que las centrales hidroeléctricas tradicionales. El
canal San Martín, al sur de la ciudad de Mendoza, es el lugar que se eligió para probar si a partir
de la velocidad de la corriente de agua se puede conseguir energía eléctrica renovable. Así se lo
propusieron en el Instituto de Energía de la Universidad Nacional de Cuyo y la empresa estatal
INVAP, que prevén también diseñar equipos comerciales y lograr que la energía generada en las
turbinas pase a la red eléctrica en las próximas etapas.
En conjunto se planificó y desarrolló una miniturbina cinética "La tecnología hidro-cinética
describe la capacidad de producir de energía renovable de cero emisiones mediante la circulación
de agua."
Diseño de una turbina hidrocinetica para pruebas en el canal de ensayos hidrodinamicos de
la universidad nacional. Linares Colmenares (2019).
En este documento se muestra el diseño de una turbina hidrocinética condicionado por el tamaño
del canal de ensayos hidrocinéticos de la Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá.
Mediante el uso de este canal de ensayos se evalúa el comportamiento de una turbina, simulando
los factores a los cuales esta se verá sometida en un entorno real. Tanto el diseño de la turbina de
este trabajo, como las características de funcionamiento, mantienen las características hidráulicas
del río como son: la velocidad y la potencia media del río en el cual estará funcionando.

10. 9
El presente proyecto contiene todo el diseño de una turbina hidrocinética. Con este se pretende
resaltar la importancia y motivar el aprovechamiento de los recursos naturales sin afectaciones ni
contaminación. Así mismo, se busca que este proyecto sea para beneficio de aquellos que quieren
trabajar en el diseño de turbinas hidrocinéticas.
Planteamiento del problema
Actualmente en los países subdesarrollados como el nuestro, la implementación de fuentes de
energía alternativa o renovable resultan ser tecnologías poco utilizadas.
Las grandes ventajas de estas tecnologías, dentro de las más importantes están por ejemplo el no
uso de materiales contaminantes o de combustibles fósiles.
Si se habla del área de la hidráulica, hay un déficit importante en el uso de estas fuentes de energía
alternativa en nuestro país, con este proyecto se busca reducir este déficit y considerando que es
un campo de fácil aplicación con un casi nulo impacto ambiental y resulta muy conveniente su
aplicación en la comunidad de estudio.
La viabilidad y magnitud de este proyecto dependerá entonces del caudal, velocidad y profundidad
del río en el que se instalará la turbina, en este caso el rio san pedro Jorullo, cuya comunidad vecina
se encuentra en una condición precaria en cuanto a energía eléctrica se refiere.

11. 10
Justificación
Una de las más importantes fuentes de energía alterna es la energía hidráulica, ya que dentro de sus
ventajas se encuentran que produce energía limpia puesto que no genera emisiones tóxicas durante
su funcionamiento, su energía es de alto rendimiento, es inagotable debido al ciclo del agua, además
que los costos de operación son bajos ya que está automatizada por el movimiento natural de las
corrientes acuáticas no necesitan personas para su operación normal, solo para su mantenimiento.
Está enfocada en el aprovechamiento del movimiento de los fluidos para transformarlo en energía
mediante el uso de obras de captación como por ejemplo las represas, las turbinas o micro turbinas
de rio.
Actualmente por energía basada en diesel estamos pagando aproximadamente $0.83 pesos por kW-
h solo por los primeros 75, después la tarifa se eleva hasta casi $3 pesos por kW-h, con esta turbina
se puede generar un kW-h por $0.05 - $0.10, en una casa promedio se utilizan 3000 kW-h por año.
En comparación con la energía solar que sólo genera electricidad en presencia del sol, la energía
hidráulica no tiene limitantes, a menos que el rio se seque o congele puede estar trabajando las 24
horas del día.
Las turbinas de rio cumplen un papel fundamental, pues es el puente mediante el cual, junto con
un alternador o motor, convierte la energía cinética y potencial de la corriente del agua en energía
eléctrica, todo este sistema funciona de forma casi automatizada.
Se desea mejorar la situación que se vive en muchos lugares que son de difícil acceso pero que son
óptimos para la instalación de las turbinas generadoras de electricidad. Como en este caso la
comunidad de Oropeo que se encuentra a un costado del rio San Pedro. Con la instalación de esta
turbina se busca tanto abastecer a los hogares como al alumbrado público.

12. 11
Objetivos
General
Implementación de una turbina generadora de energía eléctrica a partir de la corriente de agua lenta
del río que atraviesa la comunidad de Oropeo Michoacán para contribuir al uso de las energías
renovables y satisfacer la demanda energética de esta comunidad sin generar residuos o
contaminación.
Específicos
Análisis de consumo de energía eléctrica en la comunidad.
Medición de velocidad y caudal del rio en diferentes estaciones del año.
Selección de la turbina que cumpla con la demanda energética de la comunidad.
Instalación y verificación del correcto funcionamiento de la turbina.
Hipótesis
La turbina que se pretende utilizar está especialmente diseñada para operar en ríos o arroyos donde
las corrientes llegan a ser muy lentas, puede operar en corrientes muy lentas de hasta 3.2 km/h (0.9
m/s), no consume ningún tipo de combustible, no genera emisiones durante su operación y tiene
un impacto ecológico muy bajo, puede ser utilizada para reemplazar tecnologías que generan CO2
y otros gases contaminantes.
Son operadas únicamente por las corrientes naturales del agua y requieren de un mantenimiento
muy básico.

13. 12
Es compacta y para su instalación sólo se necesita acondicionar un espacio con arena o concreto
para fijar la turbina donde la velocidad del agua no exceda 2.68 metros por segundo y que la
profundidad del rio sea mayor a 1.5 metros, está hecha de plástico de construcción muy resistente
a la corrosión y algunas piezas de acero de alto grado.
Con estas referencias, se planea la instalación de turbinas de la compañía Waterotor la cual
especifica que puede trabajar con corrientes de baja velocidad con las que cuenta el canal que
atraviesa la comunidad en cuestión. Su instalación se probó en Canadá luego de su invención y su
mejoramiento, se realizaron varias pruebas en un túnel de viento de la NASA y en la universidad
Memorial, que cuenta con el tanque de tiro más grande del mundo. Al traer este sistema de
generación de energía al estado de Michoacán en la comunidad de Oropeo se le abastecerá de la
energía eléctrica necesaria.
Información del lugar del proyecto
La comunidad de Oropeo (fig.2) Michoacán cuenta con 176 habitantes, 88 hombres y 88 mujeres.
Se encuentra a un costado del Río San Pedro Jorullo que cuenta con una profundidad y anchura de
aproximadamente 1.7 y 8 metros respectivamente.

14. 13
La figura 3 muestra el consumo promedio de electricidad en un hogar de esta comunidad.
Fig 3. Demanda energética de un hogar promedio
Fig 2. Fotografía de Oropeo que muestra el rio en cuestión

15. 14
Para el alumbrado público se requieren módulos de 48 o 64 LEDs, se pueden utilizar en vialidades
o cualquier espacio de carácter público, para su encendido requieren:
• Potencia de 90W (48 diodos emisores de luz) o de 110W (64 diodos emisores de luz).
• Voltaje universal de alimentación de 120-277 V o 347-480 V de corriente alterna a 60 Hz.
• Corriente de operación de 350, 530 o 700 mA.
• Temperatura de operación de -20 a 50°C.
El alumbrado público se utiliza aproximadamente 4,200 horas anuales.
Marco teórico
Turbomáquinas motrices.
Recogen la energía cedida por el fluido que las atraviesa, y la transforman en energía mecánica,
pudiendo ser de dos tipos:
Dinámicas o cinéticas: Ruedas Hidráulicas y Turbinas Hidráulicas
Estáticas o de presión: Celulares (paletas), de engranajes, helicoidales, etc.
Turbina
Una turbina, es una máquina la cual transforma la energía causada por el fluido que atraviesa un
eje rotativo en energía eléctrica. Es decir, al pasar el fluido por los alabes de la máquina, parte de
su energía la absorbe la máquina en forma de movimiento giratorio por lo que frenará el fluido a

16. 15
la salida de la máquina. El fluido puede ser líquido, como es este caso el agua de un canal, o gaseoso
como pueden ser las turbinas de los aerogeneradores, las turbinas de vapor y las turbinas de gas.
Turbinas de reacción o sobrepresión
En las turbinas de reacción el agua sale del distribuidor con una cierta presión que va disminuyendo
a medida que el agua atraviesa los alabes del rodete, de forma que, a la salida, la presión puede ser
nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete
y, por lo tanto, la energía potencial del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra,
en energía de presión. El difusor o tubo de aspiración, es un conducto por el que desagua el agua,
generalmente con ensanchamiento progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce
hasta el canal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energía cinética a la salida del rodete para
lo cual debe ensancharse; si por razones de explotación el rodete está instalado a una cierta altura
por encima del canal de fuga, un simple difusor cilíndrico permite su recuperación, que de otra
forma se perdería. Si la turbina no posee tubo de aspiración, se la llama de escape libre.
En las turbinas de reacción, el empuje y la acción del agua son opuestos como se muestra en la fig.
4. Este empuje es consecuencia de la diferencia de velocidades entre la entrada y la salida del agua
en el rodete (w1 – w2), según la proyección de la misma sobre la perpendicular al eje de giro.
Fig. 4 Empuje y acción del agua “reacción opuesta”

17. 16
Turbina hidráulica
Una turbina hidráulica es una turbo máquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un
fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante
un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador eléctrico que transforma la energía
mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una central hidroeléctrica.
Las turbinas más utilizadas son la turbina Francis, Kaplan y Pelton esta última se utiliza cuando se
cuentan con grandes saltos por lo cual no resulta relevante para este proyecto.
Turbina Kaplan; son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de
sus palas durante su funcionamiento. Se utiliza en saltos de pequeña altura de agua (hasta 50m) y
con caudales que suelen superar los 15 metros cúbicos por segundo. Para mucho caudal de agua a
poca altura esta turbina es la mejor opción.
Fig. 5 Turbina Kaplan

18. 17
Turbina Francis; son turbinas de flujo mixto y de reacción. Existen algunos diseños complejos
que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento. Están diseñadas para
trabajar con saltos de agua medios y con caudales muy variados lo que la hace la más versátil.
La turbina Francis fue desarrollada en 1848 por el ingeniero francés James B. Francis y es el tipo
de turbina hidráulica más utilizado. Es una turbina de flujo centrípeto en la que el agua llega al
rotor a través de un conducto en espiral; después, un rodillo en la parte fija dirige el caudal para
invertir las palas del rotor. Se utiliza para saltos de altura media (de 10 a 300/400 metros) y caudales
de agua de 2 a 100 metros cúbicos por segundo.
Es una turbina de reacción, radial-axial, normalmente de eje vertical. El agua procedente de la
tubería forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina y sale paralela a él.
Fig. 6 Turbina Francis

19. 18
En la fig. 7 se muestra una gráfica comparativa entre las aplicaciones ideales de las diferentes
turbinas dependiendo de la altura del salto y caudal.
Turbina hidroeléctrica
Es un dispositivo capaz de transformar la energía cinética del agua en energía mecánica. Es un
elemento esencial de las centrales hidroeléctricas y muestra un rendimiento altísimo: se estima que
las turbinas son capaces de convertir más del 90 % de la energía cinética del agua que captan en
energía mecánica.
Fig.7 Turbina ideal en función del caudal y salto

20. 19
Una turbina hidroeléctrica está formada por una parte fija, llamada estator, y por la rueda o rotor.
El primero sirve para dirigir y regular el caudal de agua y el segundo transfiere la energía cinética
del agua al eje en el que está montado.
Las turbinas generadoras de energía eléctrica se han estado utilizando ya desde hace varios años,
creando un incremento de su uso en la actualidad. Este sistema que permite extraer altos niveles de
energía de corrientes de baja velocidad y, además, hacerlo a un coste muy reducido, puede paliar
la carencia de suministro que todavía enfrentan más de 1.300 millones de personas en el mundo y
convertirse en una alternativa a las energías fósiles. El agua tiene 830 veces más de energía que el
aire y es una fuente de energía inagotable ya que el agua por naturaleza siempre está en
movimiento.
Fig.8 Turbina waterotor

21. 20
Energía eléctrica
Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia
de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando
se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico. El origen de la energía eléctrica está
en las centrales de generación, determinadas por la fuente de energía que se utilice.
Así, la energía eléctrica puede obtenerse de centrales solares, eólicas, hidroeléctricas, térmicas,
nucleares y mediante la biomasa o quema de compuesto de la naturaleza como combustible.
Energía hidroeléctrica
La energía hidroeléctrica es electricidad generada aprovechando la energía del agua en
movimiento. La lluvia o el agua de deshielo, provenientes normalmente de colinas y montañas,
crean arroyos y ríos que desembocan en el océano.
La energía que generan esas corrientes de agua puede ser considerable, como sabe cualquiera que
haya hecho descenso de rápidos. El agua de detrás de la presa fluye a través de una entrada y hace
presión contra las palas de una turbina, lo que hace que éstas se muevan. La turbina hace girar un
generador para producir la electricidad. La cantidad de electricidad que se puede generar depende
de hasta dónde llega el agua y de la cantidad de ésta que se mueve a través del sistema. La
electricidad puede transportarse mediante cables eléctricos de gran longitud hasta casas, fábricas y
negocios. La energía hidroeléctrica es la que genera electricidad de forma más barata en la
actualidad. Esto se debe a que, una vez que la presa se ha construido y se ha instalado el material
técnico, la fuente de energía (agua en movimiento) es gratuita. Esta fuente de energía es limpia y
se renueva cada año a través del deshielo y las precipitaciones.

22. 21
Tipos de corrientes
El agua puede fluir de dos maneras: como flujo laminar o como flujo turbulento como se muestra
en la figura 9. Cuando el movimiento es laminar. Las partículas de agua fluyen en trayectorias
rectas que son paralelas al cauce. Las partículas de agua se mueven corriente abajo sin mezclarse.
Por el contrario, cuando el flujo es turbulento, el agua se mueve de una manera confusa y errática,
que a menudo se caracteriza por la presencia de remolinos turbulentos. La velocidad de la corriente
es un factor fundamental que determina si el flujo va a ser laminar o turbulento. El flujo laminar
sólo es posible cuando el agua se mueve muy lentamente a través de un cauce suave. Si la velocidad
aumenta o el canal se vuelve abrupto, el flujo laminar cambia a flujo turbulento. El movimiento
del agua en las corrientes suele ser lo bastante rápido como para que el flujo sea turbulento
Fig. 9 Velocidad con respecto al flujo laminar y turbulento

23. 22
Movimiento lento de corrientes hídricas; la velocidad de los hilillos de agua varía
considerablemente a lo largo del cauce, pero también en cada punto de la sección mojada, tanto de
una orilla hacia la otra como del fondo a la superficie. La velocidad depende también de la
pendiente, la profundidad y la rugosidad del lecho, las irregularidades de los márgenes.
Los hilillos de agua son tanto más rápidos cuanto más lejos circulan de los márgenes y del fondo.
La mayor rapidez se da en la zona sub - superficial, por encima de los puntos más profundos.
Cuando el régimen del río es normal, con un caudal medio, la velocidad suele ser inferior a 1 m/s
en los cursos de agua de pendiente suave se incrementa en el curso inferior si aumenta mucho la
profundidad del cauce.
En los ríos de mucho caudal y de pendiente acentuada, la velocidad suele ser de 1,5 a 2 m/s. Durante
las crecidas excepcionales la velocidad llega a ser de 4 m/s en los ríos más caudalosos y de 5 a 10
m/s en algunos afluentes.
Gradiente y características del cauce
Uno de los factores más obvios que controlan la velocidad de la corriente es el gradiente, o
pendiente, de un cauce fluvial. El gradiente se expresa normalmente como la caída vertical de una
corriente a lo largo de una distancia dada. Los gradientes varían considerablemente de una corriente
a otra, así como a lo largo del curso de una corriente determinada La forma transversal de un canal
determina la cantidad de agua que estará en contacto con el cauce y, por tanto, afecta a la fricción
por arrastre.
El cauce más eficaz es aquel cuya área transversal tiene el menor perímetro. Como consecuencia,
si todos los demás factores son iguales, el agua fluirá con mayor rapidez en el cauce semicircular.

24. 23
El tamaño y la irregularidad del cauce afectan también a la cantidad de fricción. Un aumento del
tamaño del cauce reduce el radio del perímetro con respecto al área transversal y por consiguiente,
aumenta la eficacia del flujo. El efecto de la irregularidad es obvio. Un canal liso propicia un flujo
más uniforme, mientras que un canal irregular lleno de enormes piedras crea suficiente turbulencia
como para retrasar significativamente el movimiento hacia delante de la corriente.
Comparación de generación hidroeléctrica entre los continentes
La producción anual media de energía hidroeléctrica a nivel mundial es de 2.600 TWh, lo que
representa aproximadamente el 19% del total de la energía eléctrica producida. La potencia
hidroeléctrica instalada en todo el mundo asciende a 700 GW. A gran escala esta fuente de energía
tiene un campo de expansión limitado, ya que en los países más desarrollados la mayoría de los
ríos importantes ya cuentan con una o varias centrales, y en los países en vías de desarrollo los
grandes proyectos pueden chocar con obstáculos de carácter financiero, ambiental y social. A
menor escala, sin embargo, la generación de electricidad con minicentrales hidroeléctricas sí ofrece
posibilidades de crecimiento, debido a la diversidad de caudales que aún son susceptibles de ser
aprovechados con las nuevas tecnologías.
Tipos de centrales hidroeléctricas
Las centrales hidroeléctricas, y dentro de ellas las minicentrales hidroeléctricas, están
condicionadas por las características del lugar donde vayan a ser ubicadas. Hay que tener en cuenta
la topografía del terreno que influye en la obra civil como la selección de la maquinaria. Según el
emplazamiento se realiza la siguiente clasificación general:

25. 24
 Centrales de agua fluyente. Recogen una parte del caudal del río, lo trasladan hacia la
central y una vez utilizado, se devuelve al río.
 Centrales de pie de presa. Situadas por debajo de los embalses destinados a usos
hidroeléctricos o a otros usos, aprovechando el desnivel creado por la propia presa.
 Centrales en canal de riego o de abastecimiento. Se dan 2 casos, las que utilizan el desnivel
existente en el propio canal o las que aprovechan el desnivel existente entre el canal y el
curso de un río cercano.
Dentro de este grupo de mini centrales hidroeléctricas, podríamos sacar una nueva “rama” en la
que entrarían los equipos de turbinas hidrocinéticas. Básicamente tienen el mismo proceso
mecánico para la producción energética, salvo la diferencia de que las mini centrales hidroeléctricas
aprovechan la energía potencial y cinética asociada a la diferencia de desniveles existente entre dos
puntos, mientras que las turbinas hidrocinéticas están diseñadas para aprovechar solo la energía
cinética de la corriente de las aguas de los ríos. Sin embargo, ambos métodos tratan de obtener la
energía del flujo para transformarla primero en energía mecánica, que luego activa el generador
eléctrico consiguiendo que esa energía mecánica se convierta en energía eléctrica. El proceso de
conversión de energía hidrocinética consiste en la utilización de la energía cinética contenida en
Fig.10 Central de agua fluyente (1) Central de pie de presa (2) Central de canal de riego (3)

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las corrientes de los ríos o de las corrientes marinas para la generación de electricidad. Este tipo de
tecnología de energía renovable está teniendo cada vez mayor repercusión como una solución única
y poco convencional dentro de los recursos hídricos, tanto en los ríos como en la mar.
En comparación con las mini centrales hidroeléctricas convencionales, así como las centrales
hidroeléctricas, donde la fuente de energía se obtiene mediante obras civiles (diques, presas o
compuertas); las turbinas hidrocinéticas no necesitan de obras civiles para acondicionar las zonas
de trabajo, por lo que supone una gran ventaja medioambiental y económica no tener que alterar la
vía natural de la corriente de agua.
Evolución del rotor:
Se puede observar en la siguiente imagen el proceso de diseño y la comparación de las eficiencias
entre cada turbina, hasta llegar al óptimo con la que se desea trabajar en este proyecto de
investigación.
Fig. 11 Evolución en el modelaje del rotor implementado por Waterotor

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Metodología:
Primeramente, se deberá evaluar la demanda energética real del lugar, tanto en cada hogar como
en cada calle en lo que al alumbrado público se refiere, conociendo la demanda se hará un estudio
en la población para conocer las condiciones de las instalaciones eléctricas, en qué lugares se
necesita reemplazar y en qué otros se debe instalar nuevos elementos.
Contando con estos datos se procederá a recabar la información de nuestra fuente de energía, en
este caso el rio, para implementar este tipo de sistemas hay que hacer un trabajo de campo de
recolección de datos, y posteriormente con esos datos analizarlos y obtener un estimado del
potencial energético en el punto de estudio del rio. Para obtener los datos hidrográficos de esta
investigación se utilizara el método del flotador que nos permitirá mediante un trabajo de campo
medir y calcular los parámetros característicos del rio como caudal, velocidad y sección transversal,
con este método se miden caudales de pequeños a grandes con mediana exactitud. Conviene
emplearlo más en arroyos de agua tranquila y durante períodos de buen tiempo, porque si hay
mucho viento y se altera la superficie del agua, el flotador puede no moverse a la velocidad normal.
Posteriormente con el método racional se determinaran los caudales máximos y mínimos que se
presentan, todos estos parámetros permitirán proyectar qué tipo de turbina utilizar tanto como el
potencial de su instalación.
Para la obtención de los datos hidrológicos del lugar necesitamos 3 factores los cuales son el área
transversal del rio, velocidad y caudal para ello presentaremos los pasos que nos ayudaran a
obtenerlos.
Paso 1: Seleccionamos el lugar indicado en el rio que esté libre de todo obstáculo que influya en el
libre movimiento del agua, no se presente turbulencia y sea recto el tramo.

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Paso 2. Medimos la velocidad, siendo esta la distancia recorrida del agua en un tiempo tomado con
el cronometro.
Para medir esta velocidad en campo se trazan 2 puntos de referencia paralelos o en la misma
dirección del recorrido del agua, se ubica una persona en cada uno de los puntos, la persona ubicada
en el punto de arriba soltó el flotador y la persona del punto de abajo registró el tiempo que este
tardo en llegar a su sitio.
Paso 3. Medimos las distintas profundidades para determinar el área de la sección del ancho del
rio, es importante tener en cuenta que la profundidad puede variar considerablemente a lo largo del
año dependiendo si se encuentra en régimen vaciante o creciente.
También se puede utilizar un caudalimetro para obtener resultados con mayor exactitud pero esto
dependerá del presupuesto.
Con los datos obtenidos se podrá escoger la turbina idónea para su aplicación en esta comunidad
pero todas estas mediciones deberán repetirse en diferentes estaciones del año ya que las
propiedades de los ríos varían según la temporada, cuando llueve el caudal aumenta y cuando es
temporada seca, disminuye. Así tendremos la certeza de que esta turbina podrá abastecer a la
comunidad a lo largo del año.

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Recursos, producción y presupuesto:
El presupuesto estará definido por la elección que se haga en la turbina Waterotor debido a que
existe tres diferentes tipos, dependiendo de la potencia que generan estas van desde 1kW a 1MW.
Al hacer el estudio de la comunidad en la que se va a trabajar se decidirá esta turbina.
Opción 1 de 1kw $5000 usd
Opción 2 de 10 kw $50000 usd
Para la instalación de la turbina independientemente de la potencia bastan solo 2 personas y esto
ya incluye todo el material necesario para su instalación sólo se deberá acondicionar la zona de
instalación para fijar la turbina al fondo del rio, para esto se necesitará material como cable de
acero inoxidable, rollo de 30 metros $360 pesos y algunas herramientas básicas.
Fig. 13 Comparación entre las características de los diseños de Waterotor

30. Cronograma
agosto
septiembre
octubre
noviembre
diciembre
enero
febrero
marzo
abril
mayo
junio
julio
agosto
septiembre
octubre
noviembre
diciembre
enero
febrero
marzo
abril
mayo
junio
a
c
t
i
v
i
d
a
d
e
s
análisis de las instalaciones eléctricas
existentes
instalación de la turbina
análisis de consumo de energia
electrica en la comunidad
medición de velocidad y caudal del
rio en diferentes estaciones del año
selección de la turbina
obtención de la turbina
instalación de elementos eléctricos
necesarios
verificación del correcto
funcionamiento

31. Fuentes de información:
Monagas, Eva, & Palacios, Bincer, & Rueda, Milady (2010). Análisis de la estabilidad transitoria
de un sistema de generación y transmisión de energía eléctrica. Caso: Electricidad de Valencia-
Corpoelec.
Espejo Marín, Cayetano, & García Marín, Ramón (2010). Agua y energía: producción
hidroeléctrica en España.
Guacaneme Moreno, Javier Antonio, & Trujillo Rodríguez, César Leonardo, & Peña Suesca,
Rafael Antonio (2007). Generación híbrida de energía eléctrica como alternativa para zonas no
interconectadas.
Leyva Fontes, Carmen, & Alonso Gatell, Aymeé, & Reynoso Flores, Miguel (2016). Viviendas
con bajo consumo energético. Tipologías de diseño en el contexto cubano.
Roux-Gutiérrez, Rubén Salvador, & María Eugenia, María Eugenia, & Gómez-de León, Ana
Berenice (2016). Diagnóstico del consumo energético y propuesto del código regulador para las
viviendas en Tamaulipas.
Montero-Sarmiento, Romilio, & Arencibia-Ávila, Karel (2012). Eficiencia energética en equipos
de refrigeración. Ciencias Holguín
F. Maldonado, (2005) “Diseño de una turbina de río para la generación de electricidad en el
distrito de Mazán-Región Loreto” .

32. 1
C. S. Andrade, L. P. Rosa, and N. F. Da Silva, “Generation of electric energy in isolated rural
communities in the Amazon Region a proposal for the autonomy and sustainability of the local
populations,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 15, no. 1, pp. 493–503, 2011.
P. Garman, "Water current turbines: Providing pumping, power in remote areas”, Hydro Review
Worldwide, vol. 6, pp. 24-28, 1998.
M. Khan, M. Iqbal and J. Quaicoe, (2008) "River current energy conversion systems: progress,
prospects and challenges.," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 12, p. 2177–2193.
V. E. Peña, Piura, Perú, (2013). "Diseño de una turbina hidro-cinética para aprovechamiento
energético de ríos no caudalosos," Repositorio institucional PIRHUA – Universidad de Piura, Tesis
de Grado.
Verdant Power Canada ULC., Canada, June 2006. Technology Evaluation of Existing and
Emerging Technologies, "Water Current Turbines for River Applications, Tech. Rep.," Natural
Resources Canada, NRCan-06-01071.
Colina & Ordoñez (2017). Diseño, construcción y caracterización de cinco prototipos de
microturbinas de rio, utilizando sistema CAD e impresión en tercera dimensión.
Waterotor (Waterotor, 2021) https://waterotor.com/technology/.