UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
TÍTULO:
“Estudio experimental de una micro turbina hidráulica doméstica para producir electricidad”
Presentado por:
MICHAEL ROMERO CAMPOS
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO ELECTRICISTA
HUANCAYO – PERÚ
2023
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Av. MARISCAL CASTILLA N° 3909 – 4089 - El Tambo - Huancayo Pab. “C”– Ciudad Universitaria
Teléfono ():064-481060 anexos 7213, 7204 (064-481181), 7203 y 7206.
Web.: https://fieeuncp.edu.pe E-mail: [email protected]
_________________________________________________________________________
AL : Dr. BARTOLOME SAENZ LOAYZA DECANO DE LA FIEE
ASUNTO : INFORME DE ORIGINALIDAD DE SOFTWARE TURNITIN
INTERESADO : ROMERO CAMPOS MICHAEL
FECHA : Huancayo, 08 de abril de 2023
--- Mediante el presente informo a Ud., que el interesado ha concluido bajo mi asesoramiento con el desarrollo de la tesis intitulado: “ESTUDIO EXPERIMENTAL DE UNA MICRO TURBINA HIDRAULICA DOMESTICA PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD”, habiendo obtenido 18 por ciento de similitud con el Software TURNITIN en cumplimiento de las disposiciones de Investigación.
Es cuanto informo a usted para su conocimiento y fines.
Atentamente
Ing. Percy H. Cueva Ríos Docente FIEE
18 %
INDICE DE SIMILITUD
17 %
FUENTES DE INTERNET
2 %
PUBLICACIONES
10 %
TRABAJOS DEL ESTUDIANTE
1 4 %
2 3 %
3 3 %
4 2 %
5 1 %
6 1 %
7 1 %
8 1 %
Borrador de Tesis Romero
INFORME DE ORIGINALIDAD
FUENTES PRIMARIAS
Submitted to Universidad Nacional del Centro del Peru
Trabajo del estudiante
1library.co
Fuente de Internet
kipdf.com
Fuente de Internet
repositorio.uncp.edu.pe
Fuente de Internet
hdl.handle.net
Fuente de Internet
www.slideshare.net
Fuente de Internet
repositorio.unj.edu.pe
Fuente de Internet
repositorio.unheval.edu.pe
Fuente de Internet
Excluir citas Activo Excluir bibliografía Activo
Excluir coincidencias < 15 words
ASESOR:
Dr. Percy Humberto Cueva Rios
DEDICATORIA
A mis amados padres León Romero Pino y Eugenia Campos Contreras que siempre me apoyaron incondicionalmente en cada una de las etapas de mi vida, brindándome sus buenos consejos y la perseverancia en el logro de cada uno de mis objetivos.
A mis hermanos y familiares que me dieron esas fuerzas para siempre seguir hacia adelante.
AGRADECIMIENTO
A dios por haberme creado y regalado una vida maravillosa cada día, por ser mi protector, refugio y luz en mis tiempos difíciles y permitirme con éxito culminar este objetivo que un día me propuse.
Papá, gracias por confiar siempre en mí, los sabios consejos y la orientación que me diste fueron fundamentales para
enfrentarme a las adversidades y sobresalir con más fuerza en este proyecto de mi vida.
Mamá, gracias por ser la inspiración de mi vida, por ser una mujer luchadora y enseñarme a no rendirme fácilmente en todos los objetivos que me propuse.
A mis hermanos, por estar siempre conmigo en los buenos y los malos momentos. Los quiero y admiro.
A mis tíos, en especial a mi tío Juan Romero usted me apoyo mucho cuando decidí a iniciar esta carrera de Ingeniería Eléctrica, gracias por todo tu aliento y confiar en mí.
A todos mis amigos, que siempre me acompañaron en esta bonita etapa de mi vida.
A la Universidad Nacional del Centro del Perú, la Facultad de ingeniería Eléctrica y electrónica y a los docentes por haberme brindado sus conocimientos que apoyaron en mi formación profesional.
ÍNDICE
ASESOR: ... ii
ÍNDICE ... vi
ÍNDICE DE FIGURA ... viii
ÍNDICE DE TABLAS ... ix
RESUMEN ... x
ABSTRACT ... xi
INTRODUCCIÓN ... 9
Capítulo 1: PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO ... 10
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 10
1.2.1 Problema general ... 11
1.2.2 Problemas específicos ... 11
1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN ... 11
1.3.1 Objetivo general ... 11
1.3.2 Objetivos específicos ... 11
1.4 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ... 12
1.4.1 Justificación por su trascendencia ... 12
1.4.2 Justificación técnica ... 12
1.4.3 Justificación Social ... 12
1.4.4 Justificación Ambiental ... 12
Capítulo 2: BASES TEÓRICAS ... 13
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ... 13
2.2 BASES TEÓRICAS ... 17
2.2.1 Ecuación de la energía ... 17
2.2.2 Flujo de fluido en tuberías ... 17
2.2.3 Calculo del diámetro de la tubería. ... 17
2.2.4 Número de Reynolds ... 18
2.2.5 Microturbina Hidráulica ... 19
Cálculo de la energía eléctrica generada. ... 20
2.2.6 Turbinas hidro cinéticas... 21
2.2.7 Definiciones conceptuales ... 25
2.2.8 Definiciones operacionales ... 25
2.3 SISTEMA DE HIPÓTESIS ... 26
2.3.1 Hipótesis General: ... 26
2.3.2 Hipótesis específica ... 26
Capítulo 3: ASPECTOS METODOLÓGICOS ... 27
3.1 TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN ... 27
3.1.1 Tipo de Investigación: ... 27
3.1.2 Nivel de Investigación ... 27
3.2 MÉTODO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ... 27
3.2.1 Método ... 27
3.2.2 Diseño ... 28
3.3 Población y muestra ... 28
3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ... 28
3.5 TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO DE DATOS ... 28
Capítulo 4: PRESENTACIÓN DE RESULTADOS ... 29
4.1 Diseño de mini turbinas hidráulicas ... 29
4.1.1 Cálculos matemáticos. ... 29
4.1.2 Propuesta de prototipo ... 31
4.2 Potencia eléctrica a generar ... 35
4.2.1 Potencia teórica ... 35
4.2.2 Potencia eléctrica real. ... 36
4.3 PRUEBA DE HIPÓTESIS ... 38
CONCLUSIONES ... 42
RECOMENDACIONES ... 43
BIBLIOGRAFÍA ... 44
ANEXOS ... 45
ÍNDICE DE FIGURA
Diagrama de Moody ... 19
Turbina de flujo cruzado... 20
Turbina Pelton para micro generación... 20
Selección de turbinas ... 21
Clasificación de turbinas hidro cinéticas ... 22
Área de barrido ... 29
Diámetros de tuberías de agua fría ... 32
Micro turbina hidráulica tipo cuchara o cazoleta ... 33
Prototipo real turbina con alabes tipo cazoleta ... 33
Inyector para micro turbina ... 34
Diametro de la boquilla del inyector ... 34
Carcasa donde se ubicara la micro turbina ... 34
Eje de transmisión hacia el generador eléctrico ... 35
Diámetro de la cazoleta ... 36
Medida de tensión ... 36
Toma de medidas de corriente ... 37
Diagramas de cajas para potencia ... 39
Potencia -Diámetro Inyector _Velocidad fluido ... 40
Grafica de normalidad de los datos ... 41
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Índices para cálculo ... 24
Tabla 2: Matriz de operacionalización variable dependiente ... 25
Tabla 3: Matriz de operacionalización variable independiente ... 26
Tabla 4: Datos de caudal ... 32
Tabla 5: Datos de salida de fluido del inyector ... 34
Tabla 6: Potencia teórica ... 36
Tabla 7: Medida de potencia real ... 37
Tabla 8: Potencia teórica y real ... 38
Tabla 9: Prueba de muestras emparejadas ... 40
RESUMEN
La investigación desarrollada tiene por título “Estudio experimental de una micro turbina hidráulica doméstica para producir electricidad”, el objetivo fue diseñar y construir una pequeño hidro generador para generar energía eléctrica para beneficio de toda la población, porque utiliza las redes de agua domiciliaria para producir potencia mecánica y electricidad para suministrar a artefactos pequeños como cargadores de celular, luminarias led, carga de baterías y otros equipos eléctricos, la investigación busca promover el uso de energías limpias para el cuidado del medio ambiente, para realizar la investigación se utilizó el método experimental mediante la observación y el diseño cuasi experimental porque se centró en el análisis de la microturbina , para la recolección de datos el autor elaboró un instrumento y para el procesamiento de datos se utilizó la estadística descriptiva e inferencial. Se logró obtener un prototipo experimental de 60 mm de diámetro, el mismo que puede generar 9.73 Watts con 4 voltios de salida. También se logró comprobar que la potencia se puede incrementar hasta 30 Watts, si se reduce el diámetro del pequeño inyector.
Palabras claves: Energía limpia, Micro turbina doméstica y Producción de electricidad.
ABSTRACT
The research carried out is entitled "Experimental study of a domestic micro hydraulic turbine to produce electricity", the objective was to design and build a small hydro generator to generate electricity for the benefit of the entire population, because it uses domestic water networks to produce electricity. mechanical power and electricity to supply small devices such as cell phone chargers, led luminaires, battery charging and other electrical equipment, the research seeks to promote the use of clean energy for environmental care, to carry out the research the experimental method was used through observation and quasi-experimental design because it focused on the analysis of the microturbine, for data collection the author developed an instrument and for data processing descriptive and inferential statistics were used. It was possible to obtain an experimental prototype of 60 mm in diameter, the same one that can generate 9.73 Watts with 4 volts of output. It was also possible to verify that the power can be increased up to 30 Watts, if the diameter of the small injector is reduced.
Keywords: Clean energy, Domestic micro turbine and Electricity production.
INTRODUCCIÓN
Los gases contaminantes emitidos por las industrias o fabricas ocasionan que la atmosfera captura mayor calor aumentando la temperatura del planeta. El incremento de la temperatura de la tierra ocasiona catástrofes planetarias rpor el cambio de los climas y micro climas. El ser humano en su desarrollo y búsqueda de mejores comodidades para poder vivir a ocasionado la destrucción de ecosistemas, erosión de suelos, perdidas de vegetación y biodiversidades. El empleo de combustibles no renovables para generar electricidad ocasiona la contaminación del planeta y deterioro de la capa de ozono alterando de forma negativa el clima del planeta. Asimismo, en caso de centrales terminas para la generación de electricidad, utilizan el agua para su refrigeración el cual es devuelto al medio ambiente provocando daños no reparables de los ecosistemas. A diferencia de los combustibles fósiles, las energías renovables son limpias e inagotables, motivo por el cual las energías alternativas son cada vez más valoradas, uno de los tipos de energías renovables es la energía hidráulica el cual aprovecha las corrientes de agua o el movimiento del fluido. La presente investigación da a conocer el diseño y las pruebas experimentales de una micro turbina hidráulica que aprovecha el agua de las redes domesticas para producir electricidad para uso de pequeños artefactos eléctricos. La metodología y presentación de resultados de la experimentación realizada se dan a conocer en cuatro capítulos.
Capítulo 1:
PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La energía eléctrica se ha convertido en una necesidad básica e imprescindible para las personas. Encender una lámpara e incluso conectar el cargador del celular, son actos que realizamos de manera tan frecuente, que hace que las personas no reflexionan sobre el consumo de energía eléctrica y como se produce, así mismo las personas no recapacitan sobre la repercusión medioambiental. La energía eléctrica es la forma de energía producida por el movimiento y choque de partículas con distinto potencial, denominadas electrones, cuya interacción permite la generación de la corriente eléctrica que conocemos con el nombre de electricidad. Para producir energía eléctrica primero debemos transformar la energía primaria como el petróleo, gas y carbón en energía mecánica y luego en eléctrica, pero estas energías primarias son muy contaminantes motivo por el cual todos los países a nivel mundial están apostando por el uso de las energías limpias. Las energías limpias se caracterizan por su sistema de producción que excluye todo tipo de contaminación y elimina todos los residuos peligrosos para el planeta. Es decir, las energías limpias no producen residuos en ninguna de sus fases de obtención, podríamos decir que son aquellas que respetan el medio ambiente. Actualmente, este tipo de energía está en auge y en pleno desarrollo debido a la crisis de fuentes de energía agotables (como el gas o el petróleo) que
además son altamente contaminantes y que afectan negativamente el medio ambiente.
Las energías limpias provienen de fuentes naturales como el viento, el agua o el sol.
Visto la problemática expuesta la presente investigación dará a conocer el estudio experimental de una micro turbina hidráulica domestica que utilizará el agua potable para generar energía eléctrica para diferentes usos como cargar baterías de pequeños artefactos como el celular móvil, aspiradoras de mano, tabletas y otros.
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.2.1 Problema general
¿Cómo el estudio experimental de una micro turbina hidráulica domestica permitirá producción de electricidad?
1.2.2 Problemas específicos
• ¿Cómo el diseño de las paletas o alabes permitirá la construcción de una micro turbina hidráulica doméstica?
• ¿Cómo el estudio de los componentes eléctricos y electrónicos de la micro turbina hidráulica doméstica permitirá la producción de electricidad?
1.3 OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN 1.3.1 Objetivo general
Evaluar de forma experimental la micro turbina hidráulica doméstica para producir electricidad.
1.3.2 Objetivos específicos
• Diseñar las paletas o alabes de la micro turbina hidráulica doméstica para producir electricidad.
• Estudiar los componentes eléctricos y electrónicos de la microturbina hidráulica doméstica para producir electricidad.
1.4 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA 1.4.1 Justificación por su trascendencia
El prototipo micro turbina hidráulica doméstica puede ser muy valorada por la población cuando tiene la necesidad de usar energía eléctrica eficiente y limpia.
1.4.2 Justificación técnica
El prototipo micro turbina hidráulica doméstica tiene justificación técnica porque trata de nuevos aportes en la generación de energía eléctrica utilizando redes de agua doméstica, el mismo que puede ser patentable.
1.4.3 Justificación Social
Con el resultado de la investigación se obtuvo una propuesta de microturbina domestica a favor de la población y cuidado del medio ambiente.
1.4.4 Justificación Ambiental
El uso de energías alternativas no convencionales son amigables con el medio ambiente la investigación da a conocer un prototipo de microturbina hidráulica que produce energía eléctrica limpia libre de gases de efecto invernadero.
Capítulo 2:
BASES TEÓRICAS 2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Se utilizó la investigación titulada “Estudio numérico sobre el rendimiento del impulsor de una mini turbina hidráulica” (Kim & Cahyono, 2015). El objetivo de este trabajo es explorar numéricamente la factibilidad de diseñar una Mini-Hydroturbina. El interés por este tipo de turbinas de eje horizontal radica en su versatilidad. En el presente estudio, la solución numérica de las desacreditadas ecuaciones de Navier-Stokes tridimensionales e incompresibles sobre una cuadrícula no estructurada se logra con un programa ANSYS. En este estudio, se ha considerado una mini turbina hidráulica (3kW) para la utilización del impulsor de eje horizontal. El rendimiento de la turbina y el comportamiento del flujo se han evaluado mediante simulaciones numéricas. Además, el rendimiento del impulsor varió en la distribución de la presión, el par, la velocidad de rotación y la potencia generada por el diferente número de álabes y ángulos. Las tendencias de los resultados son similares entre las distribuciones de presión más altas en el impulsor que también produjeron las salidas de potencia más altas en 6 números de álabes en el impulsor. El modelo ha sido validado, comparando los resultados numéricos con los datos experimentales disponibles.
Se empleó la investigación “Mini-Hydro Turbine: Solución a los Desafíos Energéticos en una Sociedad Emergente con Abundancia de Agua” (Ighodalo Okhueleigbe, 2017). La investigación de mini turbinas hidráulicas tiene como objetivo diseñar y construir
un modelo de central hidroeléctrica que pueda generar energía eléctrica, que pueda ser utilizada a nivel doméstico para alimentar aparatos eléctricos. Hay tres secciones principales para la turbina hidráulica, como la rueda Pelton que gira debido a la caída de agua desde el tanque de almacenamiento de agua a través de la tubería forzada, el alternador, que está hecho de un rotor de imán permanente y bobinas conductoras en el estator conectado a la turbina a través de un rodete, y el sistema de retroalimentación para el flujo continuo de agua. El resultado muestra que la construcción de una minicentral hidro turbina es factible y que no hubo mayores problemas aparentes en las etapas de diseño e implementación de la minicentral hidro turbina.
También se utilizó la investigación “La tesis Minicentral hidroeléctrica para la mejora del nexo urbano agua-energía hacia la sostenibilidad: un estudio de caso”(Comino et al., 2020). Este artículo práctico presenta una reflexión necesaria sobre el cambio de paradigma hacia una gestión consciente del agua en el contexto urbano para el suministro de energía renovable y para la mejora del patrimonio preindustrial. Investiga la transición hacia un enfoque sistémico y ecológico para enfrentar la complejidad del entorno urbano y las infraestructuras para el suministro de energía. El estudio investiga el marco de la energía sostenible en la Región de Piamonte y en el Municipio de Turín. En especial, analiza las oportunidades que brindan los ríos y arroyos urbanos para la instalación de minicentrales hidroeléctricas utilizando infraestructuras históricas en desuso. El estudio de caso real presenta la conversión de una histórica represa de contención del canal Regio Parco en una minicentral hidroeléctrica en la ciudad de Turín (Región de Piamonte, Italia), e investiga el
“nexo uso del suelo-agua-energía” desde una perspectiva ecológica. El documento considera los 12 principios de la ecología de la infraestructura en la gestión del agua urbana para proporcionar soluciones innovadoras para las infraestructuras urbanas azules que aumentan la sostenibilidad en las ciudades. De acuerdo con la infraestructura ecológica urbana, el proyecto de minicentral hidroeléctrica presenta características multifuncionales y este método puede ser replicado en otros contextos similares. En cuanto a las soluciones técnicas adoptadas para la minicentral hidroeléctrica, examina el potencial del enfoque de infraestructura verde/azul para integrar la gestión del riesgo de inundación y la producción de energía renovable. Analiza las oportunidades que brinda el desarrollo de bajo impacto para preservar los ecosistemas de agua dulce y mantener la biodiversidad utilizando una presa inflable, una turbina Kaplan y una escalera para peces. La minicentral hidroeléctrica
“Regio Parco” está diseñada para proporcionar energía a casi 600 hogares mejorando el valor
ambiental y la usabilidad del área. El documento analiza la adopción de un enfoque ecológico para diseñar una infraestructura azul de funciones múltiples que se puede implementar en otras redes para mejorar el paisaje urbano.
Se utilizó la tesis “Generación de energía hidroeléctrica del tipo de río de escorrentía mediante el uso de una curva de duración de flujo plural” (Bisri et al., 2019). Esta investigación pretende presentar un nuevo método sobre el modelado de descargas para mini-hidroeléctricas para que se pueda obtener la máxima energía. La metodología consiste en el modelado por la Curva de Duración de Flujo plural (FDC). Al usar este método, se espera que la potencia de descarga oculta en un río pueda aparecer y usarse de manera óptima. La metodología detallada es la siguiente: analizar la descarga confiable disponible en la cuenca hidrográfica de Konang, conocer el estado de la cuenca hidrográfica de Konang en función de la relación pf Qmax/Qmin, determinar el tipo de turbina adecuado para la mini-energía hidroeléctrica de escorrentía del río en el río Konang, y analizar la potencia y la energía en función de la Curva de Duración del Flujo (FDC) simple y plural. El resultado se puede aplicar al diseño de una minicentral hidroeléctrica de escorrentía en el río Konang, regencia de Trenggalek-Indonesia. Mediante el tratamiento, se espera poder producir una disminución significativa de la energía minihidroeléctrica.
Se empleó “Actas de la Conferencia Internacional sobre Tecnologías Renovables, Aplicadas y Nuevas Energías” (Hussain & Akhter, 2018). Las centrales hidroeléctricas (HP) representan el medio de electrificación rural más respetuoso con el medio ambiente y rentable. En áreas con topografía montañosa, el uso de plantas mini/micro hydel (MHP) es una de las tecnologías recomendadas. Esta instalación puede servir a una comunidad aislada generando de 100 kW a 1 MW de electricidad. En la mayoría de los países, incluido Pakistán, no se presta la debida atención a la evaluación posterior al proyecto. La evaluación del rendimiento de las turbinas MHP y los equipos de control son necesarios para lograr los mejores y más eficientes resultados. El Departamento de Agua y Energía de Gilgit-Baltistan (GBPWD) y diferentes Organizaciones No Gubernamentales (ONG) han identificado más de 278 sitios hidroeléctricos, actualmente 119 plantas hidroeléctricas están en funcionamiento y producen 148,69 MW de electricidad. Aproximadamente el 70 % de la región se ha beneficiado con energía eléctrica obtenida de centrales hidroeléctricas, la demanda de suministro se ha visto afectada por las variaciones estacionales. El objetivo de esta investigación es evaluar la eficiencia de mini/micro centrales hidroeléctricas (MHP) ya
instaladas en Gilgit Baltistan (GB). A través de estudios de casos de tres (3) sitios diferentes, se presentan las eficiencias de las turbinas hidráulicas. El marco de investigación en este trabajo es que se compara la eficiencia de la turbina con estándares internacionales. Se espera que la discusión y los resultados presentados al final sean útiles en la generación de energía en el futuro.
Se empleó la investigación “Desarrollo de Construcción de Modelo de Mini Central Hidroeléctrica Basado en Turbina Pelton” (Tomović et al., 2019). En este trabajo se presenta el desarrollo constructivo de un modelo de mini central hidroeléctrica, basado en turbina Pelton. El modelo 3D de la turbina Pelton fue construido y dibujado en ambiente de trabajo SOLIDWORKS. La construcción se ejecuta hasta el final, donde se obtuvo el modelo de mini central hidroeléctrica. Las partes de un modelo donde están hechas de varios materiales.
Las partes de soporte estaban hechas de acero, y sobre ellas se adjunta plexiglás, por lo que el modelo parece un acuario. La parte principal de la turbina, el rodete, se compila con dos discos hechos de aleación de aluminio y cubos que se imprimieron en una impresora 3D con plástico PLA. Para la simulación de la columna de agua, se utiliza una bomba de agua.
Se utilizó la investigación denominada “Análisis comparativo de miniturbinas hidroeléctricas para Bumaji Stream, Boki, estado de Cross River, Nigeria” (Uhunmwangho et al., 2018). El estudio tiene como objetivo principal examinar el rendimiento de varias miniturbinas hidroeléctricas para el arroyo Bumaji en el estado de Cross River. El estudio se basó en los datos del arroyo obtenidos durante las temporadas de lluvias máximas y escasas del año y los potenciales hidroeléctricos estimados del río. El rendimiento, la viabilidad técnica y económica de las turbinas hidráulicas muestreadas también se llevó a cabo utilizando el software RETScreen Renewable. El resultado del análisis muestra que la energía más barata fue generada por una turbina de flujo cruzado que entregó 0.67 MW a
$100.8/MWh con una tasa interna de retorno de 20.4%, un valor presente neto de $358 un payback de menor de cinco años y un ahorro anual de $63,000. Sin embargo, la turbina Kaplan tenía más sentido técnico ya que entrega 0,748 MW a $106,2/MWh con una tasa interna de retorno del 19,3 %, un valor presente neto de $295, payback de menor de cinco años y un ahorro anual de $52 000.
2.2 BASES TEÓRICAS 2.2.1 Ecuación de la energía
Para estudios de generación de energía eléctrica con el fluido del agua se utilizan ecuaciones que permitan modelar solucionar problemas de pérdidas y ganancias de energía.
“La energía que posee un fluido en movimiento está integrada por la energía interna y las energías debidas a la presión, a la velocidad y a su posición en el espacio”
(Giles,1994):
“Energía en la sección 1 + energía añadida – energía pérdida – energía extraída = energía de la sección 2”.
Según Giles (1994) “El comportamiento de un fluido, en lo que se refiere a las pérdidas de energía, depende de que el flujo sea laminar o turbulento”.
(𝑝1
𝛾 +𝑣12
2𝑔 + 𝑧1) + 𝐻𝐴 − 𝐻𝐿− 𝐻𝐸 = (𝑝2
𝛾 +𝑣22
2𝑔 + 𝑧2)………(1)
2.2.2 El flujo de fluido en tuberías
Entre las pérdidas de energía que se producen en el flujo de fluido en tuberías son la fricción interna, la fricción entre el fluido y la pared. Para el estudio adecuado es importante comprender conceptos sobre flujo laminar y turbulento, fricción de tubería debido a materiales y superficies diferentes, pérdidas de carga en tuberías.
2.2.3 Cálculo del diámetro de la tubería.
Según aspectos teóricos se puede emplear la siguiente ecuación para determinar el diámetro adecuado de una tubería.
𝑑′= 0.3 √𝑄2.𝐿
𝐻𝑏
5 ……….(2)
Según algunos autores es recomendado el diámetro mínimo, pero es recomendable considera valores un poco elevados para reducir perdidas por fricción y turbulencias.
2.2.4 Número de Reynolds
“El número de Reynolds representa la relación entre las fuerzas de inercia y las viscosas en la tubería” (Calculo y Diseño de Instalaciones de Fontanería, 2014).
• “Si las fuerzas viscosas predominan ocurre valores bajos para Re (Re ˂ 2000) y el fluido discurre de forma laminar por la tubería por lo que la pérdida de carga debido a la rugosidad es mínima debido al propio comportamiento viscoso del fluido”.
• “Si 2000 ˂ Re ˂ 4000 se encuentra en una zona o franja crítica o de transición”.
• “Si las fuerzas de inercia predominan sobre las viscosas, la influencia de la rugosidad se hace más notorio y entra en un régimen turbulento con Re grande (Re ˃ 4000)”.
Si nos encontramos en un régimen laminar es posible hallar valores de la densidad del fluido (ρ) en kg/m3, la velocidad del agua en el interior de la tubería (v) en m/s, el diámetro interior de la tubería (d) en metros y la viscosidad dinámica del fluido (μ) en kg/m.s:
𝑅𝑒 =𝜌.𝑣.𝑑
𝑢 ……….(3)
Con el valor del número se obtiene el factor de fricción:
∈=64
𝑅𝑒………...(4)
Las ecuaciones de Colebrook-White se utiliza en regímenes turbulentos para obtener la fricción,
Si se emplea los métodos gráficos o empíricos se puede calcular de forma fácil el factor de fricción, el método grafico más empleado es el Diagrama de Moody.
El diagrama de Moody es logarítmica de doble entrada donde encontramos el factor de fricción en función del número de Reynolds.
Diagrama de Moody
2.2.5 Las Microturbinas Hidráulicas
La mayoría de las microturbinas hidráulicas son construidas en conjunto con un generador eléctrico, el propósito es convertir la energía cinética del agua en energía eléctrica sin utilizar transmisores. Las pequeñas microturbinas y generadores mediante electrónica de potencia es posible el almacenamiento de la energía en baterías. Y para utilizar en viviendas se puede utilizar de forma directa de los pequeños generadores eléctricos o utilizar inversores para obtener corriente alterna.
También se puede utilizar las pequeñas turbinas con una válvula automática y un controlador para parar y arrancar la turbina en función de la carga.
Las microturbinas Pelton y Banki
Son ideales para lugares de difícil acceso donde las redes eléctricas se encuentran a kilómetros de distancia.
El rango de operación flujo cruzado (Banki) La altura donde se ubica va desde (H): 5 … 50 m El Caudal aprovechable va desde (Q): 10 … 1500 L/s La potencia a obtener va desde (P): 1 … 250 kW
Turbina de flujo cruzado
Rango de operación Pelton
La altura donde se puede ubicar va desde (H): 20 … 550 m El caudal aprovechable va desde (Q): 0.5… 450 L/s
La potencia a obtener es de (P): 0.5 … 750 kW
Turbina Pelton para micro generación
Cálculo de la energía eléctrica generada.
La energía eléctrica generada se obtiene de una maquina eléctrica que es puesto en movimiento por una turbina que es una maquina mecánica que convertir la energía de la masa de agua en trabajo. (Bustamante & Arias, 2008).
𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 = γ. Q. 𝐻𝑛. 𝑛𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎………....(5)
Dónde:
Pturbina es la potencia obtenida en la turbina.
Q es el caudal del agua
nturbina es el rendimiento de las turbinas.
ϒ peso específico del líquido.
Para realizar la selección de una turbina es importante considerar datos exactos de la altura y caudal un error en las variables indicadas ocasionaría muchos errores en los cálculos. Un método muy utilizado involucra una gráfica de doble entrada donde se relaciona la altura y el caudal.
Selección de turbinas
2.2.6 Turbinas hidro cinéticas
“Son otra clasificación de turbinas donde la energía cinética de las corrientes de agua es convertida en potencia mecánica que hace girar un generador sincrónico o asincrónico según el caso, para producir electricidad, el trabajo de una turbina hidrocinética es similar al de una turbina eólica”.
La clasificación de las turbinas hidro cinéticas es en función a la rotación del eje es decir pueden ser de eje vertical u horizontal.
Clasificación de turbinas hidro cinéticas
El modelo matemático de las turbinas hidro cinéticas utilizan las fórmulas físicas de la energía cinética:
𝐸𝑘 =1
2𝑚𝑉2………..(6)
Donde:
𝐸𝑘 Energía cinética del fluido en Joules 𝑚 Masa de agua en Kg
𝑉 velocidad del fluido en m/s
Para determinar la masa del fluido se utiliza la fórmula de densidad.
𝜌=𝑚/𝑉=𝑚/𝐴∙𝐿 →𝑚=𝜌∙𝐴∙𝐿………(7)
Donde:
ρ: “Densidad del agua” [kg/m3]
A: “Área de la porción de agua” [m2]
L: “Lado de la porción de agua” [m]
Reemplazando la ecuación 7 en 6 resulta:
𝐸𝑘 =1
2𝜌𝐴𝐿𝑉2………..…..(8)
Luego de realizar algunas simplificaciones se obtiene la potencia mecánica en el eje de la turbina para lo cual la energía cinética es dividida por la unidad de tiempo.
𝑃𝑤 =𝐸𝑘
𝑡 =1
2𝜌𝐴𝐿𝑉2 1
𝑡………(9)
𝑃𝑤 =𝜕𝐸𝑘
𝜕𝑡 =1
2𝜌𝐴𝑉3………..(10)
Donde:
A: Área barrida por los álabes [m2]
v: Velocidad del agua [m/s]
Se observa que la potencia depende del área de la turbina donde impacta el fluido y la velocidad del fluido.
Si estimamos el área de impacto en una circunferencia perfecta la potencia se modificaría según la ecuación 12.
𝐴 = 𝜋𝑅2………(11)
𝑃𝑤 =1
2𝜌𝜋𝑅2𝑉3………..(12)
Dónde:
R: Radio del rotor de la turbina [m]
Al igual que en aerogeneradores no todo el viento se puede aprovechar. Motivo por el cual se establece coeficientes establecido por Betz.
𝑐𝑝 =𝑃𝑚
𝑃𝑤 < 1………(13)
Dónde:
CP: “Coeficiente de potencia del rotor de la turbina”
Pm: “Potencia mecánica de la turbina” [W].
PW: “Potencia cinética del flujo de agua” [W]
Con un fluido de densidad igual a 1000 kg/m3 se puede obtener la ecuación de la potencia mecánica de una forma más exacta.
𝑃𝑚 = 1
2𝜌𝜋𝑅2𝑉3𝐶𝑝……….(14)
𝑃𝑚 = 1
21000. 𝜋. 𝑅2. 𝑉3. 𝐶𝑝……….(15) Respecto al coeficiente de potencia se puede indicar que es una “expresión no lineal que depende de la relación tip-speed ratio y del ángulo de ataque del fluido sobre el álabe de la turbina”.
𝐶𝑝(𝜆, 𝛽) = 𝐶1(𝐶2.1
𝜆𝑖− 𝐶3𝛽 − 𝐶4) . 𝑒
−𝐶𝑠
𝜆𝑖 + 𝐶6𝜆……….(16)
“El caso de las turbinas hidrocinéticas, a diferencia de las eólicas, donde por su tamaño, no existe la posibilidad de realizar movimiento de los álabes, se puede decir qué el ángulo de los álabes con respecto a la línea de ataque de la corriente acuática es cero (β=0)”.
Tabla 1: Índices para cálculo
El valor de Lambda i necesario para calcular el coeficiente de potencia, puede ser obtenido mediante la expresión 17 que se muestra a continuación.
1
𝜆𝑖 = 1
𝜆+0.08.𝛽− 0.035
1+𝛽3………(17)
El parámetro tip-speed ratio, se calcula en la ecuación 13, el mismo que depende del radio de la turbina, la velocidad del flujo de agua y de la velocidad de rotación de la turbina en radianes por segundo
C1 C2 C3 C4 C5 C6 β
0.5176 116.00 0.40 5.00 21.00 0.0068 0°
𝜆 =𝑤𝑚.𝑅
𝑉 ………..(18)
Dónde:
ωm: Velocidad de rotación de la turbina [rad/s]
R: Radio del rotor de la turbina [m]
v: Velocidad del agua (constante) [m/s]
2.2.7 Definiciones conceptuales
VI: Micro turbina hidráulica doméstica
Son equipos mecánicos eléctricos que son empleados para convertir la energía cinética de las corrientes de agua en energía eléctrica.
VD: Producción de Electricidad
Es la producción de tensión y corriente eléctrica a partir de fuente renovable no contaminante.
2.2.8 Definiciones operacionales VI: Micro turbina hidráulica doméstica
Conjunto de actividades para realizar el diseño y construcción de la microturbina hidráulica doméstica.
VD: Producción de Electricidad
Es el conjunto de procedimientos para medir los parámetros de producción de electricidad los cuales están expresados con la variación de la tensión, corriente y potencia.
Tabla 2: Matriz de operacionalización variable dependiente Variable dependiente Indicador Valor final Tipo de variable
Producción de Electricidad
Cantidad de corriente eléctrica (I) que circula por
un conductor.
Corriente.
Tensión.
Potencia.
Numérica continua
Tabla 3: Matriz de operacionalización variable independiente
2.3 SISTEMA DE HIPÓTESIS 2.3.1 Hipótesis General:
La evaluación experimental de la micro turbina hidráulica domestica permitirá la producción de electricidad.
2.3.2 Hipótesis específica
• El diseño correcto de las paletas o alabes permitirá la construcción de una micro turbina hidráulica doméstica.
• El estudio adecuado de los componentes eléctricos y electrónicos de la micro turbina hidráulica doméstica permitirá la producción de electricidad.
Variable independiente Indicadores Valor final Tipo de variable
Micro turbina hidráulica doméstica
Conjunto de actividades para
diseñar y construir una microturbina hidráulica doméstica.
Informes de diseño y construcción
Cualitativa
Capítulo 3:
ASPECTOS METODOLÓGICOS 3.1 TIPO Y NIVEL DE INVESTIGACIÓN
3.1.1 Tipo de Investigación:
El tipo de investigación que se empleó fue la aplicada porque se buscó nuevos conocimientos con el empleo del objeto de estudio para la solución de los problemas que tiene la sociedad o el sector productivo. La investigación da a conocer una turbina doméstica para producir electricidad, este tipo de investigación se fundamenta en la investigación básica, específicamente en la relación entre la teoría y el producto.
3.1.2 Nivel de Investigación
Se empleó en la presente investigación fue el explicativo porque se buscó las causas y la solución del problema de estudio es decir se buscó explicar como una microturbina hidráulica en uso doméstico puede generar energía eléctrica.
3.2 MÉTODO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN 3.2.1 Método
La tesis empleó el método experimental porque un cambio en la variable dependiente fue producido a causa de la manipulación de la variable independiente, es decir una variación en los alabes de la microturbina hidráulica domestica permitió una variación en la producción de la electricidad.
3.2.2 Diseño
El diseño de la investigación fue la cuasiexperimental porque un determinado cambio en la variable independiente afecta un ítem específico. Es decir, una variación en la turbina afecta la generación de energía eléctrica. Es importante indicar que los elementos analizados no son seleccionados aleatoriamente.
3.3 Población y muestra
La tesis no cuenta con una población porque los resultados obtenidos son específicos.
3.4 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS
La técnica que se empleó para la toma de datos fue la empírica con observación directo del prototipo elaborado por el autor. El instrumento utilizado fue la ficha de registro el cual también fue elaborado por el autor.
También se utilizó instrumentos especializados como multímetros digitales.
3.5 TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO DE DATOS
Los métodos de procesamiento fueron: Tabulación, Medición y Síntesis.
Para el análisis de datos se utilizó la estadística descriptiva e inferencial como:
medidas centrales, medidas de dispersión y medidas de forma.
.
Capítulo 4:
PRESENTACIÓN DE RESULTADOS 4.1 Diseño de mini turbinas hidráulicas
4.1.1 Cálculos matemáticos.
Para el diseño el autor se basó en la teoría de una turbina sumergida o hidro cinética. Cuando se instala una turbina hidro cinética las cucharas interceptan el agua con un área de tamaño
“A”, el cual es denominado área de barrido por la máquina.
En la figura 6 se observa el área de barrido.
Área de barrido
Fuente: (Silva, 2017)
“La potencia generada por una turbina sumergida depende del área barrido por el álabe, la energía cinética del agua debida a la masa en movimiento” se determina con la siguiente ecuación:
𝐸𝑐 =1 2𝑚𝑣2 Donde:
m : “masa del agua”, Kg
v : “velocidad instantánea del agua”, m/s.
La masa o cantidad de agua se determina con la siguiente ecuación:
𝑚= 𝜌 × 𝑉
ρ : “Densidad del fluido”, Kg/m3 V : “Volumen del área de barrido”, m3.
El volumen del área de barrido según la gráfica 6 es:
𝑉= 𝐴 × 𝐿 Donde:
A : “Superficie o área de barrido”, m2.
L : “Longitud del área de barrido”, m.
Se puede indicar que L un espacio representado como:
𝐿= 𝑣 × 𝑡 Donde:
v : “Velocidad del agua”, m/s.
t : “Tiempo”, s.
Reemplazando las ecuaciones se tiene el siguiente resultado:
𝐸𝑐 = 1 2ρ𝐴𝑡𝑣3 La potencia teórica hidráulica del agua es:
P =𝐸𝑐 𝑡
P =1
2ρ𝐴𝑣3 en Watts.
Es conocido que no es posible extraer toda la potencia disponible de una corriente de flujo porque para el agua otorgue toda su energía tendría que tener el flujo de agua, lo que es imposible de realizar, además en toda transformación de energía es limitada por la disipación de la energía.
Luego de explicar que no es posible extraer toda la potencia de una corriente de flujo la ecuación se tiene que afectar de un coeficiente.
P =1
2ρ𝐴𝑣3𝐶𝑝 Donde:
𝐶𝑝 es el coeficiente de potencia.
“Para una máquina que opera sobre fuerzas de arrastre como una rueda hidráulica es posible emplear el valor de 0.33”.
4.1.2 Propuesta de prototipo
La microturbina hidráulica propuesta tiene como propósito utilizar el agua potable de las viviendas para producir energía eléctrica para uso doméstico como en cargadores de celular, luminarias led y otros equipos eléctricos pequeños.
Es importante indicar que el caudal del agua potable domestica se puede terminar con el método volumétrico que es la medición directa del tiempo que se tarda en llenar un recipiente de volumen conocido.
La fórmula del caudal es:
𝑄 =𝑉
𝑡 = 𝐴. 𝑣 Donde:
V: Volumen del agua t : tiempo en segundos.
A: área o sección por donde circula el fluido.
v : Velocidad del fluido.
El área utilizada para la experimentación es de una tubería de diámetro 3/4 de pulgada es decir de 26.67 mm , el área calculada es de 0.00055864 m2. Mayores detalles de tuberías para agua fría se muestra en el anexo 2.
Diámetros de tuberías de agua fría
Para nuestra experimentación se realizó las siguientes medidas para un litro de agua, es decir se calculó el área de la tubería, el caudal y la velocidad del fluido.
Tabla 4: Datos de caudal
Tiempo (s)
Volumen (Litros)
Metros
cúbicos Caudal (m3/s)
Área tubo PVC 3/4"
Velocidad del fluido
(m/s)
M1 21.85 1 0.001 4.57666E-05 0.000558645 0.08192428
M2 20.64 1 0.001 4.84496E-05 0.000558645 0.08672701
M3 20.53 1 0.001 4.87092E-05 0.000558645 0.0871917
M4 20.75 1 0.001 4.81928E-05 0.000558645 0.08626726
PROMEDIO 20.9425 1 0.001 4.77795E-05 0.000558645 0.08552756
De la tabla se puede observar como datos importantes la velocidad del fluido que tiene un valor de 0.086 m/s y el valor del caudal de 4.57666E-05 m3/s del agua doméstica.
Según las dimensiones de la tubería y el caudal se determinó las dimensiones del prototipo de la micro turbina hidráulica domésticas.
El prototipo tiene forma de cucharas o cazoletas de 16 mm de diámetro, la rueda interior tiene 22 mm de diámetro y la rueda exterior tiene un diámetro de 54.96 mm el detalle de los planos se muestra en el anexo1.
Micro turbina hidráulica tipo cuchara o cazoleta
En la figura se muestra el diseño en el software solidwork y el prototipo real elaborado con una impresora 3D, el material empleado fue el plástico.
Prototipo real turbina con alabes tipo cazoleta
El prototipo utilizan un solo inyector para incrementar la velocidad del fluido.
Inyector para micro turbina
El diámetro de la boquilla del inyector es de 3 mm el cual modifica el área de salida del fluido el cual es de 7.0686E-06 m2; en consecuencia varia la velocidad del mismo. En la tabla 5 se muestra los resultados.
Diametro de la boquilla del inyector
Tabla 5: Datos de salida de fluido del inyector
MEDICIONES
Caudal (m3/s)
Área Inyector
Velocidad del fluido
(m/s) M1 4.79616E-05 7.06858E-06 6.78518276 M2 4.84496E-05 7.06858E-06 6.85421805 M3 4.87092E-05 7.06858E-06 6.89094304 M4 4.81928E-05 7.06858E-06 6.81788243 PROMEDIO 4.83283E-05 7.06858E-06 6.83705657
Carcasa donde se ubicara la micro turbina
El generador que se utilizó es de imanes permanentes el cual es pequeño para obtener un nivel de tensión de 5 voltios en la salida de generador eléctrico. Así mismo se adecuó un circuito eléctrico convertidor de DC-DC para tener diferentes salidas de niveles de tensión.
Eje de transmisión hacia el generador eléctrico
4.2 Potencia eléctrica a generar 4.2.1 Potencia teórica
La potencia teórica se obtiene utilizando la ecuación 10 para lo cual se tiene los siguientes datos:
Velocidad de fluido: 0.0863 m/s
Densidad especifica del agua: 1000 Kg/m3 Coeficiente de potencia: 0.33
Áreas de las microturbina:
• El diámetro de cazoleta es de 16 mm.
• El área es de: 0.000201062 m2.
Diámetro de la cazoleta
En la tabla siguiente se muestra el calculó de potencia teórico de la micro turbina, observándose que la potencia promedio es de 10.6 Watts.
Tabla 6: Potencia teórica
MEDICIONES
Velocidad del fluido
(m/s)
Área Cazoletas
P Alabe Cazoletas M1 6.78518276 0.00020106 10.36330883 M2 6.85421805 0.00020106 10.68286007 M3 6.89094304 0.00020106 10.85549847 M4 6.81788243 0.00020106 10.51386304 PROMEDIO 6.83705657 0.00020106 10.6038826
Fuente: Elaboración propia 4.2.2 Potencia eléctrica real.
En las siguientes figuras se da a conocer las pruebas realizadas con la microturbina hidráulica doméstica, se tomaron medidas de la tensión y corriente.
Medida de tensión
Fuente: Elaboración propia
Toma de medidas de corriente
Fuente: Elaboración propia
Luego tomar las medidas se determinó una tensión promedio de 4.26 Voltios y 2.2 Amperios, es importante indicar que el generador del micro turbina hidráulica domestica fue dimensionado para equipos de baja potencia como cargadores de celular, luminarias, etc.
Tabla 7: Medida de potencia real
MEDICIONES Tensión (V)
Corriente (A)
P Real (Watts)
M1 4.26 2.3 9.798
M2 4.27 2.4 10.248
M3 4.27 2.5 10.675
M4 4.25 2.2 9.35
M5 4.26 2.1 8.946
M6 4.26 2.2 9.372
PROMEDIO 4.26 2.28 9.73
4.3 PRUEBA DE HIPÓTESIS
La tesis planteó dos hipótesis el cual es:
La hipótesis nula es H0: La evaluación experimental de la micro turbina hidráulica domestica no permitirá la producción de electricidad.
La hipótesis alterna es H1: La evaluación experimental de la micro turbina hidráulica domestica permitirá la producción de electricidad.
Para probar la hipótesis alterna se realizó la comparación entre la potencia teórica y la potencia real generada por la microturbina hidráulica cuando se varia el diámetro del inyector. En la tabla 7 se muestra los resultados.
Tabla 8: Potencia teórica y real
Item
Caudal (m3/s)
Diametro Inyector
(m)
Area de inyector (m2)
Velocidad del fluido
(m/s)
Area Cazoletas
(m2)
P teórica Micro turbina (W)
Potencia Real
(W) 1 4.7962E-05 0.001 7.85398E-07 61.0666448 0.00020106 7554.852138 0 2 4.7962E-05 0.0015 1.76715E-06 27.140731 0.00020106 663.2517652 0 3 4.7962E-05 0.002 3.14159E-06 15.2666612 0.00020106 118.0445647 0 4 4.7962E-05 0.0025 4.90874E-06 9.77066317 0.00020106 30.94467436 0 5 4.7962E-05 0.003 7.06858E-06 6.78518276 0.00020106 10.36330883 9.73 6 4.7962E-05 0.0035 9.62113E-06 4.98503223 0.00020106 4.109771752 3.85 7 4.7962E-05 0.004 1.25664E-05 3.8166653 0.00020106 1.844446323 1.74 8 4.7962E-05 0.0045 1.59043E-05 3.01563678 0.00020106 0.909810378 0.85 9 4.7962E-05 0.005 1.9635E-05 2.44266579 0.00020106 0.483510537 0.45 10 4.7962E-05 0.0055 2.37583E-05 2.01873206 0.00020106 0.272929093 0.25 11 4.7962E-05 0.006 2.82743E-05 1.69629569 0.00020106 0.1619267 0.14 12 4.7962E-05 0.0065 3.31831E-05 1.44536437 0.00020106 0.100171881 0.1 13 4.7962E-05 0.007 3.84845E-05 1.24625806 0.00020106 0.064215184 0.05 14 4.7962E-05 0.0075 4.41786E-05 1.08562924 0.00020106 0.042448113 0.03 15 4.7962E-05 0.008 5.02655E-05 0.95416633 0.00020106 0.028819474 0.03 16 4.7962E-05 0.0085 5.6745E-05 0.84521308 0.00020106 0.020031451 0.02 17 4.7962E-05 0.009 6.36173E-05 0.7539092 0.00020106 0.014215787 0 18 4.7962E-05 0.01 7.85398E-05 0.61066645 0.00020106 0.007554852 0
En la figura 17 se muestra el diagrama de caja de las potencias, se muestra que la potencia teórica siempre va a depender de la velocidad del fluido motivo por el cual para un diámetro del inyector de 1mm se puede generar 7554.85 Watts que en la practica no se va a cumplir. En el caso de determinar la potencia real no se podrá generar mayores potencias para lo que se ha dimensionado el generador eléctrico que para nuestro caso es de solo 10 Watts.
En la figura se observa que siempre la potencia teórica será mayor que la potencia real.
Diagramas de cajas para potencia
La figura 18 indica la dependencia de la potencia teórica al diámetro del inyector y la velocidad del fluido (agua potable). En el caso de la potencia real va a depender de muchos factores como tamaño real del inyector, velocidad de fluido en función del área de salida del inyector, tamaño de generador, materiales utilizados en la construcción de los alabes de la turbina, duración del material ante impactos y otros.
Potencia -Diámetro Inyector _Velocidad fluido
Para la validación de las inferencias se planteó las siguientes hipótesis estadísticas.
H0 : Las medias de la potencia teórica y potencia real son iguales ut=ur.
H1: Las medias de la potencia teórica y potencia real son diferentes ut≠ur.
Para validar la hipótesis alterna se utilizó la prueba "t" de Student “el cual es un tipo de estadística deductiva que se utiliza para determinar si hay una diferencia significativa entre las medias de dos grupos”.
“Con toda la estadística deductiva, asumimos que las variables dependientes tienen una distribución normal”.
El nivel de significancia a aceptar es de 0.05.
El valor de t calculado se obtuvo utilizando el software spss 25 el cual se muestra en la siguiente tabla.
Tabla 9: Prueba de muestras emparejadas
Diferencias emparejadas
95% de intervalo de confianza de la diferencia
Par 1
Media
Desv.
Desviación
Desv. Error
promedio Inferior Superior t gl Sig.
(bilateral) P_T - P_R 464.90222 1776.31702 418.68194 -418.43945 1348.24390 3.110 17 0.000
El valor de t tablas para el grado de libertad de 17 y un nivel de significancia de 0.05%
es de 2.8982 valor que limita la zona de rechazo de la hipótesis nula como se observa en la siguiente grafica de normalidad de datos.
Grafica de normalidad de los datos
De la gráfica se puede observar que el valor de t calculado 3.110 se ubica en la zona de rechazo de la hipótesis nula concluyéndose que las medias de la potencia teórica y potencia real son diferentes y además se puede afirmar que la evaluación experimental de la micro turbina hidráulica domestica permite la producción de electricidad.
CONCLUSIONES
• La evaluación experimental de la micro turbina hidráulica domestica permite la producción de electricidad, para un caudal de 4.79616E-05 m3/s se puede obtener 9.73 Watts.
• El prototipo diseñado puede generar energía eléctrica con niveles de tensión que van desde 2 voltios hasta 10 voltios.
• El material utilizado para la experimentación fue de plástico con fibra de vidrio obteniéndose buenos resultados durante los impactos de chorros de agua.
• Se diseño un regulador DC-DC para estabilizar la tensión y corriente generado por el prototipo.
• El prototipo diseñado no utiliza regulador de caudal porque el sistema de agua potable siempre mantiene constante el volumen de agua.
• El empleo de una microturbina eléctrica para generar electricidad puede ser utilizado para cargar dispositivos electrónicos pequeños como cargadores de celular, luminarias led y otros.
RECOMENDACIONES
• Se recomienda realizar más estudios comparativos respecto al tipo de alabes de las microturbinas.
• Se recomienda realizar estudios de uso materiales para la construcción de alabes.
• Se recomienda utilizar implementos de protección durante la realización de la experimentación de microturbinas hidráulicas cuanto están en contacto con el agua.
• Se recomienda realizar mayor investigaciones para mejorar la tecnología y escalar para venta en el mercado.
BIBLIOGRAFÍA
Bisri, M., Limantara, L. M., Rispiningtati, & Ramadhani, A. R. (2019). Hydro power energy generation of run-off river type by using plural flow duration curve.
International Journal of Recent Technology and Engineering, 8(3).
https://doi.org/10.35940/ijrte.C5812.098319
Comino, E., Dominici, L., Ambrogio, F., & Rosso, M. (2020). Mini-hydro power plant for the improvement of urban water-energy nexus toward sustainability - A case study.
Journal of Cleaner Production, 249. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119416 Hussain, M., & Akhter, P. (2018). Efficiency Analysis of Hydro Turbine Used in
Mini/Micro Hydel Plants: A Case Study of Gilgit-Baltistan. Proceedings of the International Conference on Renewable, Applied and New Energy Technologies, November.
Ighodalo Okhueleigbe, E. (2017). Mini-Hydro Turbine: Solution to Power Challenges in an Emerging Society with Abundance of Water. American Journal of Engineering and Technology Management, 2(2). https://doi.org/10.11648/j.ajetm.20170202.11 Kim, K. H., & Cahyono, J. (2015). Numerical Study on Impeller Performance of Mini
Hydro Turbine. Applied Mechanics and Materials, 772.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.772.552
Tomović, R., Tomović, A., Mumović, M., & Vujošević, V. (2019). Development of Construction of Mini Hydro Power Plant Model Based on Pelton Turbine. In Lecture Notes in Networks and Systems (Vol. 42). https://doi.org/10.1007/978-3-319-90893- 9_48
Uhunmwangho, R., Odje, M., & Okedu, K. E. (2018). Comparative analysis of mini hydro turbines for Bumaji Stream, Boki, Cross River State, Nigeria. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 27. https://doi.org/10.1016/j.seta.2018.04.003
ANEXOS
1 Planos de diseño de las micro turbinas
2- Datos técnicos de tuberías para agua fría PVC
3. Panel fotográfico del prototipo de la micro turbina hidráulica doméstica
Alabes tipo cazoleta Alabes con diferente diámetro
Carcasa Transmisión
Inyector Tapa
Partes de la microturbina
4. Panel fotográfico de la experimentación realizada.
Prueba de prototipo Medición de tensión Medición de Corriente
