Este documento describe las microcentrales hidroeléctricas y sus componentes principales. Explica que las microcentrales tienen menos de 1 MW de potencia instalada y utilizan la energía hidráulica de ríos y arroyos para generar electricidad. Detalla los componentes como presas, tuberías, turbinas y generadores, y describe los diferentes tipos de turbinas como Pelton, Francis y Kaplan.

1. LAS MICROCENTRALES HIDROELECTRICAS.
Hace más de 100 años se empezó a utilizar la energía del agua para generar
electricidad.
La energía generada se puede utilizar para mejorar los servicios de nuestra comunidad,
para transformar nuestros productos o para facilitar nuestras tareas.
Alcance:
Según la potencia instalada, las centrales hidroeléctricas pueden ser:
 Centrales hidráulicas de gran potencia: más de 10MW de potencia eléctrica.
 Minicentrales hidráulicas: entre 1MW y 10MW.
 Microcentrales hidroeléctricas: menos de 1MW de potencia.
Existen diversos sistemas de producción de energía eléctrica mediante centrales
hidroeléctricas.
Estos sistemas se pueden clasificar según su rango de potencia instalada, tabla 1.
Componentes principales de una central hidroeléctrica
 La presa, que se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en
un embalse.
 Rebosaderos, elementos que permiten liberar parte del agua que es retenida
sin que pase por la sala de máquinas.
 Destructores de energía, que se
utilizan para evitar que la energía que
posee el agua que cae desde los
salientes de una presa de gran altura
produzcan, al chocar contra el suelo,
grandes erosiones en el terreno.
Básicamente encontramos dos tipos
de destructores de energía:
o Los dientes o prismas de
cemento, que provocan un
aumento de la turbulencia y de los remolinos.
o Los deflectores de salto de esquí, que disipan la energía haciendo
aumentar la fricción del agua con el aire y a través del choque con el
colchón de agua que encuentra a su caída.

2.  Sala de máquinas. Construcción donde se sitúan las máquinas (turbinas,
alternadores…) y elementos de regulación y control de la central.
 Turbina.Elementos que transformanen energía mecánicala energía cinética de
una corriente de agua.
 Alternador. Tipo de generador eléctricodestinado a transformar la energía
mecánica en eléctrica.
 Conducciones. La alimentación del agua a las turbinas se hace a través de un
sistema complejo de canalizaciones.
En el caso de los canales, se pueden realizar excavando el terreno o de forma artificial
mediante estructuras de hormigón. Su construcción está siempre condicionada a las
condiciones geográficas. Por eso, la mejor solución es construir un túnel de carga,
aunque el coste de inversión sea más elevado.
La parte final del recorrido del agua desde la cámara de carga hasta las turbinas se
realiza a través de una tuberíaforzada. Para la construcciónde estas tuberías se utiliza
acero para saltos de agua de hasta 2000m y hormigón para saltos de agua de 500m.
 Válvulas, dispositivos que permiten controlar y regular la circulación del
agua por las tuberías.
 Chimeneas de equilibrio: son unos pozos de presión de las turbinas que se
utilizan para evitar el llamado “golpe de ariete”, que se produce cuando hay un
cambio repentino de presión debido a la apertura o cierre rápido de las válvulas
en una instalación hidráulica.
Las turbinas que se utilizan actualmente con mejores
resultados son las turbinas Pelton, Francis y Kaplan.
A continuación, se enumeran sus características
técnicas y sus aplicaciones más destacadas:
Turbina Pelton.
También se conoce con el nombre de turbina de
presión. Son adecuadas para lossaltos de gran
altura y para los caudales relativamente
pequeños. La forma de instalación más habitual es
la disposición horizontal del eje.
Partes:
PARTES DE UNATURBINAPELTON

3. Figura 1 Partes De una turbine Pelton
PARTES SEGÚN EL FLUJO
INYECTOR
Es el elemento mecánicodestinado a dirigir y regular el chorro de agua. Estácompuesto
por:
Tobera: constituye una boquilla, con orificio de sección circular de un diámetro,
instalada al final de la cámara de distribución. Dirige el chorro de agua, tangencialmente
hacia la periferia del rotor, de tal modo que la prolongación de la tobera forma un ángulo
de 90º con los radios de rotor
Aguja: Constituye un vástago situado concéntricamente en el interior del cuerpo de la
tobera con movimiento de desplazamiento longitudinal en dos sentidos.
ROTOR O RODETE
Es la pieza clave donde se transforma la energía hidráulica del agua en energía
mecánica. Consta de la rueda con cucharas alrededor, sobre las que actúa el chorro
inyector. Se encuentra montado sobre el árbol motor. Esencialmente consta de los
siguientes elementos.

4. Rueda motriz, está unida rígidamente al eje por medio de chavetas y anclajes
adecuados.
Su periferia está mecanizada apropiadamente para ser soporte de los cangilones.
Pastes físicas del rodete:
Cangilones, cazoletas o álabes: Tiene forma de doble cuchara y es el elemento
constructivo más importante de la Turbina Pelton, esta recibe el chorro directamente en
la arista media dividiendo al chorro en 2 para que circule por su cavidad y recorra un
ángulo de casi 180°. Esto ayuda a contrarrestar los empujes axiales por cambio de
dirección de los 2 chorros y hacer mínima la pérdida por velocidad residual y por fricción
del agua sobre las cucharas.
CÁMARA DE DESCARGA
La cámara de descarga, también conocida como tubería de descarga, es la zona por
donde cae el agua libremente hacia el desagüe, después de haber movido el rotor. Para
evitar deterioros por la acción de los chorros de agua, y especialmente de los originados
por la intervención del deflector.
Partes Operativas
EJE
El eje va según la polea que le trasmite al generador.
CARCASA
Es la envoltura metálica que cubre los inyectores, el rotor y los otros elementos
mecánicos de la turbina. Su principal objetivo es evitar que el agua salpique al exterior
cuando, luego de abandonar los cangilones.
SISTEMADE FRENADO
Figura 6 Rodete de una Turbina Pelton

5. Consiste en un circuito de agua derivado de la cámara de distribución. El agua,
proyectada a gran velocidad sobre la zona convexa de los cangilones, favorece el rápido
frenado del rodete, cuando las circunstancias lo exigen.
 Bombas
 Válvula de descarga de bombas
 Tanque
 Vertedero Triangular
 Válvula de aguja
 Manómetros
 Turbina Pelton
 Balanzas
 Tambor de freno
Funcionamiento:
La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas en
forma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia
entre el eje de la rueda y el centro del chorro de agua se denomina diámetro Pelton. El
agua acciona sobre las cucharas intercambiando energía con la rueda en virtud de su
cambio de cantidad de movimiento, que es casi de 180°. Obsérvese en la figura anexa
un corte de una pala en el diámetro Pelton; el chorro de agua impacta sobre la pala en
el medio, es dividido en dos, los cuales salen de la pala en sentido casi opuesto al que
entraron, pero jamás puede salir el chorro de agua en dirección de 180° ya que si fuese
así el chorro golpearía a la pala sucesiva y habría un efecto frenante. La sección de
entrada del fluido a la cuchara se denomina 11, así como 12 a la sección de salida.
El estudio analítico de la interacción agua-pala puede ser sumamente complicado
debido al desplazamiento relativo entre la pala y el chorro de agua. Por otro lado se
simplifica el estudio de las turbinas Pelton a la sección cilíndrica del diámetro Faubert.
Figura 7 Esquema del equipo de Turbina Pelton
Fuente: EPN-Lab. De Turbomaquinas

6. Así la energía convertida por unidad de masa de agua está dada por la ley de Euler de
las turbomáquinas:
Aplicaciones:
Existen turbinas Pelton de muy diversos tamaños. Hay turbinas de varias toneladas
montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las
turbinas Pelton más pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en
equipamientos domésticos.
En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, se necesita menor
caudal de agua para generar la mismapotencia. La energía es la fuerza por la distancia,
y, por lo tanto, una presión más alta puede generar la misma fuerza con menor caudal.
Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación de presión, velocidad y
volumen de funcionamiento más eficiente. Usualmente, las pequeñas instalaciones
usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las familias de generadores
y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden
ajustar algo variando el número de toberas y paletas por rueda, y escogiendo diferentes
diámetros por rueda. Las grandes instalaciones de encargo diseñan el par torsor y
volumen de la turbina para hacer girar un generador estándar.

7. CALCULO DE LA POTENCIAHIDRAULICA.
Un aspecto fundamental de estos molinos es el conocimiento de la potencia capaz de
generar por el cauce fluvial y la capacidad de mover las piedras del molino.
Desgraciadamente, en el momento en que se está realizando este estudio las
condiciones fluviales son diferentes de las existentes a principios del siglo XX y
anteriores. Se han construido embalses, desvíos, acequias de riego que han cambiado
el balance hidráulico en este punto.
Por eso para el cálculo de la potencia hidráulica se ha tenido que recurrir a una
estimación teórica a partir de ciertas hipótesis y recuerdos de la gente del lugar.
Después de efectuar un levantamiento topográfico de los últimos 170 metros del caz y
calcular diferentes perfiles transversales se ha podido estimarque la cota del agua podía
estar alrededor de 62 cm y que la pendiente del terreno es del 0,37%.
Para un cálculo más exacto se ha procedido a seleccionar dos perfiles transversales
consecutivos y una horquilla de profundidades entre 60 a 75 cm con un intervalo para
el cálculo de 5cm.
Se ha utilizado para los cálculo el método de Antoine de Chezy Manning.
Debemos primero determinar para cada sección los valores de su superficie (A), su
perímetro mojado (Pm) y su radio hidráulico (Rh).
Rh = A / Pm
Se determina a continuación la constante de Chezy Manning considerando que estamos
en un canal excavado en tierra en terreno pedregoso.
Donde el valor de n, es el coeficiente de Manning que para el tipo de canal considerado
es toma el valor de 0,045 y Rh es el radio hidráulico.
Se puede calcular a continuación la velocidad del agua en la sección a partir de la
expresión.
Donde s es la pendiente del tramo, C la constante de Manning y Rh el radio hidráulico.
Determinada la velocidad en la sección, el caudal Q se obtiene como:
Q = V x A
Repetido este cálculo para las secciones de referencia y con profundidades entre 60 y
75 cm, los valores promedio del caudal Q que se obtienen para el canal en estudio son:

8. ALTURA (CM) CAUDAL (M3/S)
60 2,73985908
65 3,11947938
70 3,51681085
75 3,93117226
Finalmente podremos calcular la potencia hidráulica del molino considerando que el
salto hidráulico es de unos 3 metros. La expresión que nos permite calcular la potencia
es:
P = 100 x Q x H/75
Donde Q es el caudal, H altura del salto y P la potencia en CV.
PROFUNDIDAD (CM) POTENCIA (CV)
60 10,95
65 12,47
70 14,06
75 15,72
Al resultado anterior hay que reducirlo en 50% debido a las perdidas de rendimiento por
rozamiento y otros (según conclusiones expuestas en el XVIII Congreso Nacional de
Ingeniería Mecánica, publicadas en “Evolución Tecnológica en los Molinos Hidráulicos
de Rodete Horizontal”) por lo que la potencia calculada de este molino estaría entre 5,5
y 7,8 CV.
El motor eléctrico que se instaló fue de 15 CV, lo que permitió asegurar el correcto
funcionamiento del molino.
CALCULO DE LA POTENCIADE UN GENERADOR.
Cada vez más usuarios de diversos sectores, disfrutan de los beneficios de la energía
del generador electrico que producen los grupos electrógenos.
En este apartado aprenderemos a calcular su potencia real.
El giro de una espira en un campo magnético es captado por un voltímetro, y así, un
generador electrico comienza a generar energía eléctrica.
Nos referiremos a un período, cuando el giro de la espira complete una vuelta.
Nos referiremos a frecuencia, cuando podamos detectar la cantidad de vueltas que
realiza una espira en un segundo.
Dependiendo del origen de fabricación, podremos realizar el cálculo de potencia que
necesitamos para saber, si los datos del empaque son certeros:

9. 3000 rpm (motor)
EUROPA: 50 Hz.= ───────────
60 seg / min
3600 rpm (motor)
AMÉRICA: 60 Hz.= ───────────
60 seg / min
Generador Eléctrico
Debemos considerar, que la potencia que necesitamos conocer para saber el tipo de
trabajo que es capaz de realizar un generador eléctrico, es la potencia que brinda.
La potencia activa o efectiva nos demuestra la potencia que consume un generador
eléctrico. Los valores de potencia activa se expresan en Kw (Kilo – vatio).
La potencia reactiva nos demuestra los valores eficaces cuando la tensión y la corriente
son desplazadas a 90º. Los valores de potencia reactiva se expresan en Var (Vario) o
en Kva (kilo- vario).
La potencia aparente es la que realmente nos interesa, ya que se refiere a la potencia
que brinda un generador electrico en marcha. Los valores de potencia aparente se
expresan en KVA (kilo – Volt- Amperio).
TEOREMA DE DANIEL BERNOULLI
El principio de Bernoulli, también denominado
ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli,
describe el comportamiento de un fluido en reposo
moviéndose a lo largo de una corriente de agua. Fue
expuesto por Daniel Bernoulli en su obra
Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal
(sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de
circulación por un conducto cerrado, la energía que
posee el fluido permanece constante a lo largo de su
recorrido. La energía de un fluido en cualquier
momento consta de tres componentes:
 Cinética: es la energía debida a la velocidad
que posea el fluido.
 Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.
 Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que
posee.
La siguiente ecuación conocida como “Ecuación de Bernoulli” (Trinomio de Bernoulli)
consta de estos mismos términos.

10. donde:
 V = velocidad del fluido en la sección considerada.
 rho = densidad del fluido.
 P = presión a lo largo de la línea de corriente.
 g = aceleración gravitatoria
 z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:
 Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente
sobre la cual se aplica se encuentra en una zona ‘no viscosa’ del fluido.
 Caudal constante
 Flujo incompresible, donde ρ es constante.
 La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo
rotacional
Aunque el nombre de la ecuación se debe a Bernoulli, la forma arriba expuesta fue
presentada en primer lugar por Leonhard Euler.
Un ejemplo de aplicación del principio lo encontramos en el flujo de agua en tubería.
Cada uno de los términos de esta ecuación tiene unidades de longitud, y a la vez
representan formas distintas de energía; en hidráulica es común expresar la energía en
términos de longitud, y se habla de altura o cabezal, esta última traducción del inglés
head. Así en la ecuación de Bernoulli los términos suelen llamarse alturas o cabezales
de velocidad, de presión y cabezal hidráulico, del inglés hydraulic head; el término z se
suele agrupar con P/gamma (donde gamma = rho g) para dar lugar a la llamada altura
piezo métrica o también carga piezométrica.[editar]Características y consecuencia.
También podemos reescribireste principio en forma de sumade presiones multiplicando
toda la ecuación por gamma, de esta forma el término relativo a la velocidad se llamará
presión dinámica, los términos de presión y altura se agrupan en la presión estática.
Esquema del efecto Venturi.

11. o escrita de otra manera más sencilla:
Donde:


 p_0 es una constante-
Igualmente podemos escribir la misma ecuación como la suma de la energía cinética,
la energía de flujo y la energía potencial gravitatoria por unidad de masa:
ESQUEMAPICTORICO DE UNAMICROCENTRAL HIDROELECTRICA.