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PEQUEÑAS CENTRALES
PEQUEÑAS CENTRALES
HIDROELECTRICAS
HIDROELECTRICAS

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Pequeñas Centrales hidroeléctricas
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Una instalación
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que contribuyen en el proceso
que contribuyen en el proceso
de transformación de la energía
de transformación de la energía
hidráulica a la energía eléctrica.
hidráulica a la energía eléctrica.

LAS PCH´s
TAMAÑO RANGO DE POTENCIA
Nano Vatios hasta 1 kW
Pico 1 kW hasta 10 kW
Micro 10 kW hasta 50 kW
Mini 50 kW hasta 1000 kW
Pequeñas 1 MW hasta 5 MW
Mediana 5 MW hasta 30 MW
Grande Arriba de 30 MW
Las Pequeñas Centrales Hidroeléctricas, son centrales
de generación hidroeléctrica con una potencia de
generación baja; que de acuerdo a la clasificación
centroamericana se pueden dividir en las que se
muestran en la tabla.
Esta característica de
baja generación hace
que sus instalaciones e
infraestructura sean
pequeñas y menos
complejas de planificar
diseñar y construir.

• La mayor parte de energía
hidroeléctrica es producida con
centrales de gran tamaño que
utilizan presas y embalses
grandes los cuales pueden
almacenar una gran cantidad de
agua para regular la generación.
Estas centrales tienen la
capacidad de producir
cantidades significativas de
electricidad en forma casi
constante durante ciertos
períodos pero también causan
grandes impactos ambientales y
sociales como: la obstrucción de
la corriente de ríos, la inundación
de áreas considerables y la
reubicación de comunidades.
LAS PCH´s

VENTAJAS ENTRE PCHS Y MEDIANAS Y
VENTAJAS ENTRE PCHS Y MEDIANAS Y
GRANDES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS.
GRANDES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS.
PEQUEÑAS CENTRALES
PEQUEÑAS CENTRALES
HIDROELECTRICAS
HIDROELECTRICAS
MEDIANAS Y GRANDES
MEDIANAS Y GRANDES
CENTRALES
CENTRALES
HIDROELECTRICAS
HIDROELECTRICAS
Generalmente se diseñan para
Generalmente se diseñan para
el caudal mínimo
el caudal mínimo
Necesitan reservorios de
Necesitan reservorios de
millones de metros cúbicos
millones de metros cúbicos
Uso de tecnologías locales,
Uso de tecnologías locales,
capacidades locales
capacidades locales
Uso de tecnologías importadas
Uso de tecnologías importadas
y capacidades importadas
y capacidades importadas
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Las obras civiles para la
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construcción son
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generalmente simples
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Las obras civiles son más
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complejas
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Integración
Integración fácil
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ecosistema Difícil integración al
Difícil integración al
ecosistema
ecosistema

Las pequeñas centrales hidroeléctricas, están muy condicionadas por
Las pequeñas centrales hidroeléctricas, están muy condicionadas por
las
las peculiaridades
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maquinaria.
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•
• Aprovechamient
Aprovechamientos de
os de agua fluyente
agua fluyente
•
• Centrales de pie de presa
Centrales de pie de presa
•
• Centrales integradas en redes de agua
Centrales integradas en redes de agua
TIPOS DE PCH
TIPOS DE PCH

Aprovechamientos de agua fluyente
Son aquellos aprovechamient
Son aquellos aprovechamientos que no
os que no disponen de embalse regulador
disponen de embalse regulador
importante
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, de modo que la central trabaja mientras el caudal que circula po
que la central trabaja mientras el caudal que circula por el
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cauce
cauce del río es superior al
del río es superior al mínimo técnico
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de las turbinas instaladas, y deja de
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funcionar cuando
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desciende por debajo de ese
de ese valor
valor.
.

Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en
que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para
accionarlas turbinashidráulicas.
En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia
máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia
disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época de
sequía.

Dentro de este concepto, y dependiendo de la topografía del terreno,
pueden diferenciarse varias soluciones :
La solución mas usada es
llevar el agua por un canal de
poca pendiente, hasta la
cámara de carga, desde la que
una tubería forzada la
conduce a presión a la casa
de máquinas. A la salida de
las turbinas el agua se
restituye al cauce mediante
un canal de desagüe.

Dependiendo del emplazamiento donde se sitúe la central será necesaria la construcción de
todos o sólo algunos de los siguientes elementos:
Azud.
Toma.
Canal de derivación
Desarenadores.
Cámara de carga.
Tubería forzada.
Edificio central y equipamiento electro-mecánico.
Canal de descarga.
Subestación y línea eléctrica.
Central de agua fluyente
La característica común a todas las centrales de agua fluyente es que dependen directamente
de la hidrología, ya que no tienen capacidad de regulación del caudal turbinado y éste es muy
variable. Estas centrales cuentan con un salto útil prácticamente constante y su potencia
depende directamente del caudal que pasa por el río. En algunos casos se construye una
pequeña presa en la toma de agua para elevar el plano de ésta y facilitar su entrada al canal o
tubería de derivación

COMPONENTESDEUNA PCHDEAGUAFLUYENTE

Central de pie de presa
La central suele situarse a pie de presa, alimentada por un conducto existente en el fondo,
o por un sifón en caso de que no existiese ninguna toma de agua

• En estos aprovechamientos existe la posibilidad de construir un embalse en el cauce del
río para almacenar las aportaciones de éste, además del agua procedente de las lluvias.
La característica principal de este tipo de instalaciones es que cuentan con la capacidad
de regulación de los caudales de salida del agua, que será turbinada en los momentos
que se precise. Esta capacidad de controlar el volumen de producción se emplea en
general para proporcionar energía durante las horas punta de consumo.
• En las pequeñas centrales hidroeléctricas con embalse el volumen de almacenado suele
ser pequeño, permitiendo por ejemplo producir energía eléctrica un número de horas
durante el día, y llenándose el embalse durante la noche. Dependiendo de la capacidad
del embalse la regulación puede ser horaria , diaria o semanal.

Centrales integradas en redes de agua
Existe también la posibilidad de insertar una central hidroeléctrica, para generar
electricidad, en una red de agua, existente o en proyecto. En una primera
aproximación se contemplan las redes de distribución de agua potable, los
canales de irrigación y, eventualmente, de navegación, y las estaciones de
tratamiento de aguas residuales. Estos aprovechamientos tienen la ventaja de
que muchas de los estructuras ya existen, lo que disminuye el coste de la
inversión; el impacto ambiental suplementario es prácticamente nulo, y las
gestiones burocráticas para la obtención de permisos se simplifican.

Central hidroeléctrica en canal de riego
Se distinguen dos tipos de centrales dentro de este grupo:
• Aquellas que utilizan el desnivel existente en el propio canal. Mediante la
instalación de una tubería forzada, paralela a la vía rápida del canal de riego, se
conduce el agua hasta la central, devolviéndola posteriormente a su curso normal
en canal.

Aquellas que aprovechan el desnivel existente entre el canal y el curso de un río
cercano. La central en este caso se instala cercana al río y se turbinan las aguas
excedentes en el canal. Se ensancha el canal para poder instalar en el la toma de
agua, la central y
el canal de fuga

Centrales en sistemas de alimentación de agua potable
Si La conducción de agua potable a una ciudad se efectúa con una tubería a presión que
conduce el agua desde un embalse a la estación de tratamiento, a cuya entrada, un sistema
de válvulas especialmente concebidas para ello se encargan de disipar la energía
hidrostática. Existe la posibilidad de sustituir estas válvulas de disipación por una turbina
que convierta esa energía disipada, en energía eléctrica utilizable. Esta solución conlleva la
utilización de una, o varias válvulas de bypass para garantizar la continuidad de suministro
de agua en caso de parada de la turbina

Por consiguiente:
La generación de energía
hidroeléctrica
requiere de dos elementos:
Un Caudal de
agua “Q” y de
una Carga “H”.
Parámetros de Diseño de una PCH
La potencia de una central hidroeléctrica es proporcional a la altura del salto y al
caudal turbinado, por lo que es muy importante determinar correctamente estas
variables para el diseño de las instalaciones y el dimensionamiento de los
equipos.

Determinación del caudal de equipamiento
Es fundamental la elección de un caudal de diseño adecuado para definir el
equipamiento a instalar, de forma que la energía producida sea la máxima posible en
función de la hidrología. Por tanto, el conocimiento del régimen de caudales del río
en la zona próxima a la toma de agua es imprescindible para la determinación del
caudal de diseño del aprovechamiento. La medición de los caudales del río se realiza
en las estaciones de aforo, donde se registran los caudales instantáneos que circulan
por el tramo del río donde está ubicada la estación y a partir de estos se determinan
los caudales máximos, medios y mínimos diarios correspondientes a un gran número
de años, con los que se elaboran series temporales agrupadas por años hidrológicos.

Hidrograma
Una manera de ordenarlos es representarlos secuencialmente
en lo que se denomina un hidrograma (caudales contra tiempo)
como el de la figura

• También se pueden ordenar los datos por orden de magnitud en vez de
por orden cronológico, indicando el número de días, o el porcentaje de
tiempo, en el que se alcanzan o se superan determinados valores del
caudal.
• nº de días % del año
• ______________________________________________________________
• Caudales de más de 8,0 m3/s 41 11,23
• Con esta tabla se puede dibujar el gráfico de la figura , conocido como
curva de caudales clasificados
Curva de caudales clasificados (CCC)

Curva de caudales clasificados (CCC)

Al final, en todo estudio hidrológico, sea teórico o con datos reales de caudales, se
obtendrá una serie anual lo suficientemente grande para realizar una distribución
estadística que nos tipifique los años en función de la aportación registrada: años
muy secos, secos, medios, húmedos y muy húmedos.

La curva de caudales clasificados
proporciona una valiosa
información gráfica sobre el
volumen de agua existente, el
volumen turbinado y el volumen
vertido por servidumbre, mínimo
técnico o caudal ecológico.
Una vez obtenida la distribución anterior, se tomará un año medio representativo y
se construirá la curva de caudales clasificados de la cuenca estudiada que nos dará
el caudal en la toma en función de los días del año en que se supera dicho valor.
Caracteriza muy adecuadamente, en términos adimensionales, el régimen
hidrológico de un cauce a efectos de su aprovechamiento hidroeléctrico.
Para elaborar esta curva, hay
que calcular los siguientes
parámetros:
QM: Caudal máximo
alcanzado en el año o caudal
de crecida.
Qm : Caudal mínimo del año o
estiaje.

Qsr : Caudal de servidumbre que es necesario dejar en el río por su cauce
normal. Incluye el caudal ecológico y el necesario para otros usos. El caudal ecológico
lo fija el Organismo de cuenca, si no se conociera, una primera estimación es
considerarlo igual al 10% del caudal medio interanual.
Qmt: Caudal mínimo técnico. Es aquel directamente proporcional al caudal de
equipamiento con un factor de proporcionalidad “K” que depende del tipo de turbina.
A continuación se muestra una primera aproximación de los valores de “K” según el
tipo de turbina:
Tipo de turbina K
Pelton 0,10
Kaplan 0,25
Semikaplan 0,40
Francis 0,40
Qe: Es el caudal de equipamiento y se elegirá de forma que el volumen turbinado sea
máximo. A veces no se elige el caudal que proporciona mayor producción, ya que hay que
tener en cuenta otros factores como pueden ser: la inversión necesaria, instalaciones ya
existentes que condicionan el caudal a derivar (por ejemplo, canales, túneles, etc.)
Según las recomendaciones habituales para el diseño de minicentrales y la experiencia
acumulada, el caudal de equipamiento se suele seleccionar entre la horquilla aproximada
del caudal superado entre 80 y 100 días al año

Determinación del salto neto
El salto es la otra magnitud fundamental para el diseño de una minicentral
hidroeléctrica. Deberá ser el máximo permitido por la topografía del terreno,
teniendo en cuenta los límites que marcan la afección al medio ambiente y la
viabilidad económica de la inversión.

• Salto total: Altura existente entre el punto de la toma de agua del azud y el punto de
descarga del caudal turbinado al río.
• Salto bruto: Desnivel existente entre la superficie libre del agua en la cámara de carga y
el nivel de desagüe en la turbina.
Salto neto: Conocido también como altura neta representa la energía puesta a
disposición de la turbina, siendo su valor: Hn= Salto bruto – pérdidas de carga
producidas a lo largo de la tubería forzada
• Pérdidas de carga: Son las pérdidas por fricción del agua contra las paredes del canal y
sobre todo en la tubería forzada, más las pérdidas ocasionadas por turbulencia, al
cambiar de dirección el flujo, al pasar a través de una rejilla o de una válvula, etc. Se
miden como pérdidas de presión (o altura de salto) y se calculan mediante fórmulas
derivadas de la dinámica de fluidos.
Para una primera aproximación, se puede estimar el salto bruto mediante un plano
topográfico. No obstante, para una determinación más correcta y exacta es necesario
realizar un levantamiento topográfico de la zona. Asimismo, también se puede estimar
que las pérdidas de carga son del orden del 5% al 10% del salto bruto.

Potencia a instalar y producción
La minicentral hidroeléctrica cuenta con una potencia disponible que varía en
función del caudal de agua disponible para ser turbinado y el salto existente en cada
instante. La expresión que nos proporciona la potencia instalada es la siguiente:
( PkW) = ·Qe ·Hn · total
Según el tipo de equipo y el fabricante, el rendimiento de la maquinaria varía, pero a
efectos de una primera aproximación, se puede tomar como factor de eficiencia para
turbo generador moderno el valor de 0,80.
Una vez conocida la potencia es posible calcular la producción media de la
mini central hidroeléctrica, como producto de la potencia en cada momento por las }
horas de funcionamiento. Para la simulación del cálculo de la producción se tendrán en
cuenta las siguientes consideraciones:
Como el caudal es variable en función del tiempo, la energía se calculará en
períodos de tiempo en los que el caudal pueda considerarse constante.
Respecto al salto, se podrá considerar constante en centrales fluyentes y será
variable en centrales de pie de presa (curva Q-H del embalse)

PRINCIPALES COMPONENTES DE LAS PCH
Los trabajos de construcción de una PCH son muy reducidos en comparación con las
grandes centrales hidroeléctricas, y sus impactos sobre el medio ambiente pueden ser
minimizados si se desarrollan las medidas correctoras necesarias para ello.

PRINCIPALES COMPONENTES DE LAS PCH

OBRAS DE RETENCION Y DERIVACIÓN
Azudes
Muro trasversal al curso del río, de poca altura, que provoca un remanso de agua sin producir
una elevación notable del nivel. Su objetivo es desviar parte del caudal del río hacia la toma de
la central.
Aquella parte que no es derivada vierte por el aliviadero y sigue su curso normal por el río. El
azud puede construirse de hormigón, ladrillos, escollera o tierra. Resiste al empuje del agua
por su propio peso, aunque en los azudes de tierra y escollera se suele colocar un anclaje al
terreno con el fin de aumentar su estabilidad

Presas
En este caso el muro que retiene el agua tiene una altura considerable y provoca una
elevación notoria del nivel del río mediante la creación de un embalse. En función
del tamaño de éste se podrán regular las aportaciones. Hay varios tipos de presas,
según la forma de resistir el empuje hidrostático.
Sin embargo, debido a su elevado costo, las presas rara vez se utilizan en proyectos de
pequeñas centrales.

En funcionamiento
normal esta
compuerta
permanece abierta,
cerrándose
únicamente en caso
de emergencia o
cuando se va a
realizar una inspección
o reparación
Tomas de agua
• Consiste en la estructura que se realiza para desviar parte del agua del cauce del río y
facilitar su entrada desde el azud o la presa. Su diseño debe estar calculado para que las
pérdidas de carga producidas sean mínimas. La toma normalmente dispone de una rejilla
que evita la entrada de elementos sólidos al canal y una compuerta de
seguridad que se denomina ataguía.
.

Canales, túneles y tuberías
Según el tipo de mini central que vayamos a construir, se necesita una red mayor o
menor de conducciones. Las instalaciones situadas a pie de presa no tienen cámara
de carga (es el propio embalse), al contrario que las centrales en derivación donde el
agua tiene que hacer un recorrido más largo: primero desde la toma a la cámara de
carga, y después hasta la turbina.

Canales de
Canales de derivación
derivación

En el
En el
segundo
segundo
tramo hasta
tramo hasta
la turbina,
la turbina,
se utilizan
se utilizan
siempre
siempre
tuberías.
tuberías.
El primer tramo
El primer tramo
que recorre el
que recorre el
agua se realiza
agua se realiza
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canales, túneles
canales, túneles
o tuberías
o tuberías

Desarenador:
Desarenador: se utiliza para eliminar la arena y
se utiliza para eliminar la arena y sedimentos de la corriente en el
sedimentos de la corriente en el canal.
canal.

Cámara de carga
La cámara de carga es un
depósito localizado al final del
canal del cual arranca la
tubería forzada.
En algunos casos se utiliza como
depósito final de regulación,
aunque normalmente tiene
solo capacidad para suministrar
el volumen necesario para el
arranque de la turbina sin
intermitencias.
Cuando la conducción entre la
toma de agua y la cámara de
carga se realiza en presión, ésta
última será cerrada y tendrá
además una chimenea de
equilibrio, para amortiguar las
variaciones de presión y
protegerla de los golpes de
ariete.

Al diseñar la geometría de la cámara hay que evitar al máximo las pérdidas de carga y los
remolinos que puedan producirse, tanto aguas arriba como en la propia cámara.
Si la tubería forzada no está suficientemente sumergida, un flujo de este tipo puede
provocar la formación de vórtices que arrastren aire hasta la turbina, produciendo una
fuerte vibración que bajaría el rendimiento de la mini central. La cámara de carga
debe contar además con un aliviadero, ya que en caso de parada de la central el agua
no turbinada se desagua hasta el río o arroyo más próximo. También es muy útil la
instalación en la cámara de una reja con limpia-rejas y compuertas de desarenación y
limpieza.

Tubería forzada
Es la tubería que se encarga de llevar el agua desde la cámara de carga hasta la
turbina. Debe estar preparada para soportar la presión que produce la columna de
agua, además de la sobrepresión que provoca el golpe de ariete en caso de parada
brusca de la mini central.
Dependiendo de la orografía del terreno y de los factores medioambientales, la
colocación de la tubería forzada será enterrada o aérea. En este último caso, será
necesario sujetar la tubería mediante apoyos, además de los anclajes necesarios en
cada cambio de dirección de ésta y la instalación de juntas de dilatación que
compensen los esfuerzos originados por los cambios de temperatura.

Elementos de cierre y regulación
En caso de parada de la central es imprescindible la existencia de dispositivos que
aíslen la turbina u otros órganos de funcionamiento. Aunque estos dispositivos han
sido ya mencionados a lo largo del texto, recordamos cuales son:
Ataguías: Se emplean para cerrar el acceso de agua a la toma cuando es
necesario realizar una limpieza de la instalación o reparaciones en las
conducciones.
Compuertas: En las centrales de pequeño salto se suelen emplear las
compuertas verticales, que cortan el paso del agua a la mini central, donde se
encuentra la turbina.

Válvulas: Pueden ser de compuerta, de mariposa o esférica. Las válvulas
ofrecen una mayor fiabilidad que las compuertas, pero producen mayores
pérdidas de carga y se utilizan principalmente en centrales donde el salto es
considerable

Edificio de la central o Casa de Máquinas

Edificio de la central o Casa de Máquinas
Es el emplazamiento donde se sitúa el equipamiento de la mini central: turbinas,
bancadas, generadores, alternadores, cuadros eléctricos, cuadros de control, etc.
La ubicación del edificio debe analizarse muy atentamente, considerando los estudios
topográficos, geológicos y geotécnicos, y la accesibilidad al mismo.

Canales de descarga.
Después de pasar por la turbina, el agua tiene que ser devuelta al río a través de un canal,
generalmente corto, conocido como canal de descarga.

Las turbinas de acción pueden llegar a tener velocidades de salida muy elevadas, por lo que
habrá que proteger el canal para que la erosión no ponga en peligro la casa de máquinas.
Hay que prever también que, incluso en los períodos de grandes crecidas, el nivel del agua
en el canal nunca llegue al rodete de la turbina. En casas de máquinas equipadas con
turbinas de reacción, el nivel del agua en el canal de descarga influencia el comportamiento
de la turbina ya que si no es el correcto, puede dar lugar a cavitación. Ese nivel también
afecta al valor de la altura de salto, y en saltos de pequeña altura puede llegar hacer que el
proyecto sea económicamente inviable

• Equipamiento electromecánico
La tecnología desarrollada hasta ahora en el área de la energía hidroeléctrica es muy avanzada,
ya que se han aplicado los avances logrados en los últimos 150 años.
Las turbinas y el resto de equipos de una central presentan actualmente una alta
eficiencia, Los equipos asociados, como reguladores de velocidad, son de tecnología
electrónica, lo que permite alcanzar una gran precisión en la regulación y el acoplamiento de
grupos, y el control y regulación de las turbinas se gestiona por autómatas de última
generación.

Turbinas hidráulicas
La turbina hidráulica es el elemento clave de la mini central. Aprovecha la
energía cinética y potencial que contiene el agua, transformándola en un
movimiento de rotación, que transferido mediante un eje al generador produce
energía eléctrica.
Existen diferentes tipos de turbinas. El tipo más apropiado para un proyecto
depende de las condiciones topográficas e hidrológicas del sitio, siendo el caudal
y caída las más importantes.
Las turbinas hidráulicas se clasifican en dos tipos generales:
Turbinas de acción
Turbinas de reacción.

Turbinas de acción
El estator de una turbina de acción opera en aire y se propulsa por la energía cinética del
agua que lo impacta a alta velocidad, provocada por uno o más chorros de agua. El agua está
a presión atmosférica antes y después del contacto con el estator, por lo tanto sólo se
necesita una cubierta para controlar el chapoteo del agua y prevenir accidentes. Este
tipo de turbina es muy apropiada para sitios con pequeños caudales y grandes caídas, un
escenario común para proyectos micro-hidro.

Los tipos mas comunes de T de acción son las Pelton, las Banki y las Turgo
Pelton: Este es el tipo de turbina de acción más común. Consta de un disco circular
que tiene montados en su periferia unas paletas en forma de doble cuchara y de un
inyector que dirige y regula el chorro de agua que incide sobre las cucharas, y que
provoca así el movimiento de giro de la turbina. Se usa cuando la caída de agua es
grande (alrededor de 80 mts). La eficiencia está entre el 84 y 92%.

De flujo cruzado: también conocida como de doble impulsión o Michael-Banki. Constituida
principalmente por un inyector de sección rectangular provisto de un álabe longitudinal
que regula y orienta el caudal que entra en la turbina, y un rodete de forma cilíndrica, con
múltiples palas soldadas por los extremos a discos terminales. Se usa para caídas bajas y
medianas (10 – 80 mts). La eficiencia se considera que alcanza del 70 al 80%.

Turbinas Turgo
La turbina Turgo puede trabajar en saltos con alturas comprendidas entre 15 y 300 metros.
Como la Pelton, se trata de una turbina de acción, pero sus alabes tienen una distinta forma
y disposición. El chorro incide con un ángulo de 20º respecto al plano diametral del rodete,
entrando por un lado del disco y saliendo por el otro. A diferencia de la Pelton, en la turbina
Turgo el chorro incide simultáneamente sobre
varios alabes, de forma semejante a como lo hace el fluido en una turbina de vapor. Su
menor diámetro conduce, para igual velocidad periférica, a una mayor velocidad angular, lo
que facilita su acoplamiento directo al generador, con lo que al eliminar el multiplicador
reduce el precio del grupo y aumenta su fiabilidad.

Turbinas de reacción
En este tipo de turbina, el elemento de rotación o estator está totalmente sumergido en el agua
y encerrado en una caja de presión. El flujo del agua sobre las aspas causa diferencias de
presión del agua que hacen girar al rotor. La velocidad de rotación de las turbinas de reacción en
comparación con turbinas de acción y bajo las mismas condiciones de caudal y caída, es alta.
Esto hace que una turbina de reacción muchas veces se pueda acoplar directamente al
generador sin necesidad de un sistema que incremente la velocidad. Algunos fabricantes
producen combinaciones de turbina y generador, lo cual ayuda a disminuir el costo y simplifica
el mantenimiento.
La fabricación de turbinas de reacción es
más sofisticada que las turbinas de acción
porque tiene aspas más grandes y
perfiladas. El costo adicional de
producción se compensa con una mayor
eficiencia y un simple mantenimiento. La
fabricación más complicada hace que estas
turbinas sean menos atractivas para
sistemas nano- y micro-hidro.

Turbinas Francis Son turbinas de reacción de flujo
radial y admisión total, muy utilizadas en saltos de
altura media, equipadas con un distribuidor de
alabes regulables y un rodete de alabes fijos. En las
turbinas Francis rápidas la admisión sigue siendo
radial, pero la salida tiende a ser axial. En estas
turbinas el agua se desplaza como encauzada en una
conducción forzada, pasando del distribuidor fijo al
rodete móvil al que cede su energía, sin entrar, en
ningún momento, en contacto con la atmósfera

Las turbinas Kaplan son de admisión radial mientras que las semi-kaplan puede ser de
admisión radial o axial Las turbinas de hélice se caracterizan porque tanto los alabes del
rodete como los del distribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan
cuando el caudal y el salto son prácticamente constantes.
Turbinas Kaplan y de hélice
Son turbinas de reacción de flujo axial. Los alabes del rodete en las Kaplan son siempre
regulables, mientras que los de los distribuidores, pueden ser fijos o regulables. Si ambos son
regulables la turbina es una verdadera Kaplan; si solo son regulables los del rodete, la turbina
es una Semi-Kaplan.

Prototipo de 25kW instalado en Las Juntas, Perú, 2000
TURBINAS KAPLAN

Bombas trabajando como turbinas
Las bombas centrífugas pueden trabajar como turbinas sin más que invertir su sentido de giro
y hacer pasar el agua de la salida hacia la entrada. Como no tienen posibilidad de regulación,
solo pueden utilizarse con un caudal y una altura de salto prácticamente
constantes.
Como alternativa de bajo costo y conveniente, se puede usar una bomba de agua industrial,
instalada en reversa, como turbina, en particular cuando el caudal es relativamente
constante. Las bombas se pueden conseguir fácilmente en muchos lugares y son más
económicas porque se producen a una escala mayor que las turbinas. Sin embargo, tienen
eficiencias más bajas.
La aplicación de una bomba como turbina
es más apropiada en sitios con caídas
medianas. Para sistemas menores de 10
kW y caídas de menos de 30 metros, el
uso de una bomba puede ser
significantemente menos costosa que una
turbina Pelton o Banki.

En función del salto (grande o pequeño) y del caudal (variable o constante, alto o bajo), es
más conveniente usar un tipo u otro de turbina. Esto es lo que nos indica el rango de
utilización. Además, hay que tener en cuenta la curva de rendimiento de cada turbina, que
varía según sea el caudal de funcionamiento. Las características hidráulicas de utilización para
las turbinas tradicionales, sería:
• Kaplan: Saltos pequeños y caudales variables.
• Francis: Saltos más elevados y variaciones de caudal moderadas.
• Pelton: Grandes saltos, independientemente de la variación de caudal.
También varía el rendimiento en función del salto donde vayamos a instalar la minicentral.
Esta variación es menos acusada, pero conviene analizarla, ya que para obtener una
estimación correcta de la energía producida en un aprovechamiento hay que analizar el
rendimiento de la turbina en cada régimen de funcionamiento.
A veces, para aumentar la velocidad de giro del rotor del generador puede instalarse un
multiplicador de velocidad entre la turbina y éste. Si se coloca este aparato, el tamaño del
generador disminuye y también su coste, ya que el número de polos del generador disminuye
al aumentar la velocidad de giro. Hay que considerar que el multiplicador de velocidad
produce pérdidas mecánicas, alcanzando un rendimiento próximo al 98%, que hay que tener
en cuenta en el cálculo de la potencia nominal así como en la conveniencia técnica-económica
de instalarlo o no.
Rangos de utilización de las distintas turbinas

FRANCIS
KAPLAN
BANKI
PELTON
TURGO
0 0.2 0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 50 100
2
3
6
10
20
30
50
100
200
300
500
1000
10
kW
50
kW
100
kW
500
kW
1000
kW
5000
kW
10000kW
CAUDAL [m /s]
3
S
A
L
T
O
N
E
T
O
[m
]

• A veces, para aumentar la velocidad de giro del rotor del generador
puede instalarse un multiplicador de velocidad entre la turbina y
éste. Si se coloca este aparato, el tamaño del generador disminuye
y también su coste, ya que el número de polos del generador
disminuye
• al aumentar la velocidad de giro. Hay que considerar que el
multiplicador de velocidad produce pérdidas mecánicas,
alcanzando un rendimiento próximo al 98%, que hay que tener en
cuenta en el cálculo de la potencia nominal así como en la
conveniencia técnica-económica de instalarlo o no.

Generador
El generador eléctrico es una máquina que convierte la energía
mecánica entregada por la turbina en energía eléctrica.

Generador
Elgenerador eléctrico es una máquina que convierte la energía mecánica entregada
por la turbina en energía eléctrica. Los principales componentes del generador son el
estator y el rotor.
El rotor es laparte del generador que se encuentra unidamecánicamente al
rodete de la turbina por medio de un eje, a través del cual se transmite el par. Para la
transferencia de la energía del sistema giratorio al estator (sistema estacionario) se utiliza
la energía electromecánica, la cual resulta de magnetizar o excitar los devanados del rotor.
El campo magnético del rotor genera una fuerza electromotriz en los terminales de los
devanados del estator, cuya magnitud y ángulo es controlado mediante la excitatriz, esto
para un generador sincrónico.

Generador
La velocidad de giro del generador está determinada por las características de la
turbina a que se encuentra unido, a menos que se utilicen sistemas de engranajes
para variar lavelocidad de salidaen el eje del rodete.
Los dos tipos principales de máquinas para generación que se pueden emplear en
minicentrales hidroeléctricas son las asíncronas (tipo inducción) que incluyen a los
motores funcionando como generadores; y las sincrónicas, que incluyen a los
alternadores

Sistemas y dispositivos de control
Sistemas de protección
Subestación

Automatización
La automatización de una minicentral permite reducir los costes de operación y
mantenimiento, aumentar la seguridad de los equipos y optimizar el
aprovechamiento
energético de la instalación.
El grado de automatización va a depender principalmente de la ubicación y el tipo de
central, de las posibilidades reales de regulación, y del presupuesto, incluyendo el
coste del personal de trabajo. La automatización será total cuando incluya el
arranque, regulación y parada de la central, y será parcial cuando mande solamente
parada y alarma, en caso de que actúen las protecciones de la central.
En la actualidad todas las centrales de nueva construcción son totalmente
automatizadas.
De hecho, una de las actuaciones que se viene realizando en el sector hidroeléctrico
consiste en la modernización de antiguas instalaciones en explotación para
automatizar todos sus equipos y sistemas con objeto de obtener mayores
rendimientos energéticos y menores gastos de explotación.

EL PROYECTO DE UNA PCH
El ciclo de un proyecto para la producción de
electricidad a partir de la transformación de un recurso
renovable se puede representar de diferentes formas.
La más tradicional es en términos de la inversión y la
operación de la central de producción, describiendo al
ciclo generalmente en 4 etapas que a continuación se
muestran en el cuadro:

EL PROYECTO DE UNA PCH
- Actividades de Planeación y de
Estudios de viabilidad
- Etapa de construcción
- Etapa de Operación y Mantenimiento
-Etapa de cierre de operaciones

Actividades de planeación y de estudios de
viabilidad
La formulación de una pequeña central hidroeléctrica requiere
investigaciones en ciertos niveles de estudio, los cuales nos
permiten llegar a la concepción de sus estructuras, que a su
vez deben responder a la mejor alternativa desde el punto de
vista técnico-económico.
Los niveles de estudio que se requiere para la concepción de
una pequeña central hidroeléctrica son:
1. Prefactibilidad
2. Factibilidad
3. Diseño.

1. Prefactibilidad:
Estos estudios permiten reducir las posibilidades de que se presenten
conclusiones desfavorables durante los estudios de factibilidad, da impulso a
desarrollar el o los proyectos atractivos o recomienda que se terminen las
investigaciones, si éstos no presentan condiciones favorables.
Durante los estudios de prefactibilidad es necesario realizar un
predimensionamiento de las obras del proyecto asumiendo características
energéticas apropiadas. Igualmente, se requiere hacer una estimación de costos
de las obras civiles y el equipo electromecánico.
Un aspecto de fundamental importancia en esta etapa es el efectuar un
reconocimiento minucioso del lugar a fin de definir la ubicación de los sitios más
adecuados para el emplazamiento de las diferentes obras del proyecto. Esto
permite ratificar o modificar la implantación preliminar y la configuración
conceptual del proyecto, y llegar a la estimación de costos con un mayor nivel de
confiabilidad.

1. Prefactibilidad:
. Identificación topográfica del lugar, incluido el salto bruto disponible
. Evaluación de los recursos hidráulicos, para calcular la producción de energía
. Definición del aprovechamiento y evaluación preliminar de su costo
. Evaluación del impacto ambiental y estudio de las medidas correctoras
. Posibilidades de financiación y estudio económico del aprovechamiento
. Conocimiento de los requisitos institucionales y de los procedimientos
administrativos para su autorización.
los pasos fundamentales que hay que seguir, durante esta etapa pueden
ser los siguientes:

2. Factibilidad:
Los estudios de factibilidad tienen como objetivo establecer la factibilidad o justificación
de un proyecto -de los seleccionados en la prefactibilidad-, tanto en su conjunto como en
sus dimensiones principales: técnicas, económicas, financieras, sociales y ambientales.
Se debe determinar si una idea dada de proyecto es suficientemente buena para proceder
con ella, y llegar a lamejor soluciónde acuerdoa las circunstancias.
Si los estudios de factibilidad se hacen correctamente, se disminuyen las posibilidades de
que se presenten dificultades y problemas durante la ejecución de los proyectos, con el
correspondiente ahorro de costos.
Durante estos estudios, se debe realizar el prediseño de las obras del proyecto sobre la
base de datos más fidedignos especialmente de hidrología, topografía, geología y
geotecnia.
La estimación de costos del proyecto será más detallada que en la etapa de
prefactibilidad, de tal manera que permita tener una idea más cierta de los recursos
financieros que se invertirán en el proyecto.
En esta etapa es importante elaborar varias alternativas de estudio dentro de las
alternativas propuestas en la prefactibilidad, a fin de seleccionar aquélla que presente
mayores ventajas desde el punto devista de eficiencia, funcionamiento y menor costo.
Específicamente se considera importante definir la estimación de la demanda y la
potencia a instalar.

Factibilidad:
En esta etapa se debe justificar y comprobar la viabilidad técnico - económica-
financiera -social y ambiental del proyecto.
Esta etapa abarca los siguientes estudios:
- Estudio hidrológico
- Estudio hidráulico
- Estudio geológico y geotécnico
- Planificación de las obras
- Producción eléctrica
- Análisis Económico y financiero
- Análisis Ambiental.

3.Diseño:
La etapa de diseño definitivo comienza una vez se define la alternativa con las mejores
expectativas desde el punto de vista técnico y económico.
Es aquí en donde se dimensionan las diferentes obras del proyecto, con el fin de
obtener un correcto funcionamiento estructural e hidráulico. Estos diseños deben
responder a las exigencias de resistencia, estabilidad, larga duración y fácil
explotación.
Se deben procurar diseños que sean sencillos para ejecutarlos fácilmente con la
mano de obra local y que se facilite la adquisición de elementos como compuertas y
rejillas. Las obras deben concebirse para una fácil operación y mantenimiento.
También es básico contemplar la posibilidad de utilizar materiales propios de la zona
o defácil transporte hasta el sitio de laobra.
En esta etapa, la parte del dimensionamiento se deberácalcular aldetalle:
• Las cantidades de obra de todos los rubros y componentes que se emplearán en la
construcción de las obras.
• Los precios unitarios, los mismos que deberán contemplar los costos de mano de
obra, adquisición y transporte de materiales, alquiler de maquinaria entre otros, que
se observan en lazona donde se construirá el proyecto.
• Presupuesto total, considerando costos directos e indirectos.

Por otra parte, se deben elaborar los planos, las especificaciones técnicas y los
documentos necesarios para la contratación, así como los cronogramas de ejecución
de las obras. Con respecto a la concepción del proyecto, al tipo y dimensionamiento
de las obras, no existen soluciones únicas, por que cada proyecto presenta sus
propias características y particularidades.
Todas las etapas mencionadas deben ser concebidas como un conjunto
coherente para determinar la viabilidad de la pch, de manera que la decisión de
construir que es el objetivo final de los estudios de viabilidad, que abarcan
inventario, reconocimiento, prefactibilidad, factibilidad y diseño básico, se lleve
a cabo tomando en consideración todas la variables técnicas, económicas ,
socialesy ambientales que se presentan en la concretizacióndel proyecto.
En general en las PCH de menor potencia, se requiere menor grado de detalle,
mayor factor de seguridad por ser mayor el grado de incertidumbre, mayor
incidencia de tecnologías no convencionales y se sacrificarán determinadas
márgenes de confiabilidad, eficiencia y vida útil.

EVALUACIÓN DE COSTOS DE UNA
PCH
Estos varían
dependiendo de las
condiciones
geográficas y de
acceso al sitio
seleccionado.
Para proyectos a
pequeña escala se
puede establecer de
manera generalizada:
Obra civil
• 30%-50%
Equipo Electromecánico
• 20%-35%
Sistema deTransmisión
• 10%-25%
Ingeniería y Administración
• 5%-15%

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