Evolución hidroeléctrica

Una entrevista con el hidro experto Chris Soler

Chris Soler ha experimentado con pequeños sistemas hidroeléctricos durante tres décadas. Comenzó configurando sistemas caseros para sí mismo y sus vecinos, y es conocido por su ingenio y habilidad creativa para conseguir Kilowatts-hora de arroyos con un bajo presupuesto. Chris ha estado viviendo con un sistema hidroeléctrico personalizado en su casa en las estribaciones de las montañas Cascade en el estado de Washington desde 1986.

Con los años, el conocimiento y experiencia de Chris han crecido, y al mismo tiempo, las necesidades en energía eléctrica de sus clientes y su presupuesto han incrementado. Las personas que pudieron haber sido consideradas "rústicas" cuando Chris trabajó por primera vez con ellas ahora están desempeñando su profesión, o incluso están empezando a jubilarse. Sus casas originalmente simples se han vuelto más modernas y complejas, y requieren más energía. Chris ha estado modernizando varios de sus sistemas caseros simples en sistemas hidroeléctricos más productivos.



Esta historia y evolución están llenas de lecciones para usuarios con potencial en hidroelectricidad, y esta entrevista permite compartir algunas de esas lecciones, y las historias que van junto con ellas.




¿Cuál fue su primera experiencia con hidroelectricidad, y que lo atrajo hacia la tecnología?

Cuando era niño, yo fingía producir electricidad haciendo una represa en una zanja en la granja de mi familia. Así que, siendo adulto en mi propio lugar en 1986, cuando necesitaba complementar mi módulo solar eléctrico de 30 watts para la luz durante el invierno nublado, yo pensé naturalmente en tratar de aprovechar la energía hidroeléctrica.

Yo había instalado una tubería de 1” para llevar agua de un estanque a mis jardines, y caía aproximadamente 10.6 metros de altura del estanque al jardín. Ajusté el extremo superior de la tubería con una cubierta de malla fina envuelta alrededor del extremo en forma de cono, y el tubo se enterró a través de la orilla del estanque, lo que descartó la necesidad de un sifón. El estanque era alimentado por una cuneta que fluía fuertemente después de llover, pero el flujo disminuía rápidamente después de unos días sin lluvia. Formé cubos que se deslizaban sobre el eje de un generador de bicicleta, y dirigí un chorro de agua para hacerlo girar.



Tener 3 W para cargar una batería para una lámpara de lectura en lugar de confiar en las lámparas de queroseno me enganchó en seguir mejorando mi sistema hidroeléctrico. Mejoré las tuberías por unas de 2” y añadí otros 609.6 metros de tubería para ganar 33.52 metros de caída de una segunda fuente. La fuente más alta provenía del escurrimiento del pastizal de una colina con flujos entre 10 y 200 galones por minuto (gpm) de noviembre a junio.

Actualicé a alternadores de automóviles montados en cubos de plástico cuadrados, con la turbina adentro para dirigir el agua lejos del alternador. Cuatro boquillas acomodadas alternando los flujos de corriente. Empecé a usar un motor de imán permanente de baja velocidad para producir 2 A a 12 V, saltando a una salida de 24 W. Más tarde, después de hablar con el microhidro experto Don Harris, comencé a usar alternadores de automóviles Motorcraft de 70-amp. Después de eso, le compré turbinas "reales" de bronce Pelton. Cada cambio trajo mayores eficiencias y más potencia para hacer algo más en la granja.

Describa sus primeros años en la industria.

Los primeros sistemas hidroeléctricos que puse juntos para algunos amigos locales utilizaban un alternador de coche en un cubo de plástico, con cuatro boquillas y una turbina Harris Pelton. Me apodaron "la retroexcavadora humana", ya que excavé a mano miles de metros de tubería para mis clientes. El primer sistema incluía algunos módulos eléctricos solares viejos para proporcionar energía durante los veranos secos. Un inversor Trace de onda cuadrada modificada hacía funcionar algunas luces de CA, un televisor, una lavadora, y la bomba de agua. Los radios y cargadores funcionaban directamente con 12 VCC. Eso permitió que el inversor permaneciera en modo de espera por la noche. Todo estaba hecho para optimizar hasta la menor cantidad de energía disponible.

Construí un controlador de desviación de un circuito descrito por Chris Greacen en una edición temprana de la revista Home Power. Antes de Internet, me buscaba en los artículos y anuncios de revistas para obtener ideas sobre cómo otras personas trataban de producir su propia electricidad. Las innovaciones estaban siendo promovidas por aquello que en ese momento las utilizaban, quienes después contaron sus experiencias en la revista Home Power.

¿Cómo ha cambiado la industria y la tecnología a través de las décadas desde que usted comenzó? ¿Cuáles son los mayores avances en la tecnología?

El negocio de micro hidroelectricidad sigue siendo un nicho de mercado pequeño. La mayoría de los productos, con la excepción de las propias turbinas, se adaptan del mercado solar. Las turbinas de América del Norte provienen de pioneros de la micro hidroelectricidad como Don Harris de Harris Hydro; Paul Cunningham de Energy Systems & Design (ESD); y Jerry Ostermeier de Alternative Power & Machine (APM). Ha sido agradable poder llamar y hablar directamente con las personas que diseñaron y construyeron los sistemas. Cuando Don Harris se retiró, estaba preocupado por obtener piezas y turbinas nuevas. Sin embargo, Denis Ledbetter se ha hecho cargo de la producción de las turbinas y piezas de repuesto.

En 2001, Don Harris comenzó a producir generadores de imanes permanentes ajustables para sus turbinas hidroeléctricas. Me cambié a esos y conseguí un incremento de 40% en la producción de energía. Entonces me di cuenta de que las nuevas mejoras venían de fabricantes especializados.





Hoy en día, los sistemas típicos son mucho más grandes, y los propietarios están más preocupados por la fiabilidad y la facilidad del uso que cuando yo comencé con mis sistemas caseros. El uso de imanes permanentes elimina el cambio de escobillas en los alternadores. El uso de rejillas de entrada que se limpian automáticamente reduce el tiempo requerido para su limpieza. Alto voltaje y corriente baja ahora es posible con los controladores y cargadores del tipo MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) adoptada de los sistemas solares eléctricos. Unos interruptores especiales manejan los voltajes más altos. Los inversores de onda senoidal pura manejan todas las cargas de CA sin la preocupación de dañar componentes electrónicos sensibles, que a veces ocurría con inversores más viejo de onda cuadrada modificada.

Llévenos hacia una actualización típica de uno de sus primeros sistemas hidroeléctricos. ¿Qué cambia en una actualización como esa, y cuál es la mejora del rendimiento?


Algunos de mis sistemas más antiguos siguen siendo de 12 V y producen pequeñas cantidades de energía. Otros sistemas han añadido progresivamente módulos solares fotovoltaicos, lo que convierte al sistema en una solución integral, pues se combinan dos fuentes de energía y se complementan una con la otra, pues cuando no hay sol, sigue existiendo el flujo de agua, entonces un banco de baterías bien diseñado, jamás se descargará por completo. El recurso hídrico por lo general es limitado, por lo que una mayor eficiencia es la única manera de obtener más potencia. Miro lo que el dueño quiere lograr y veo qué mejoras son posibles.

Mejoré muchos de mis sistemas hidroeléctricos ya que había nuevos productos disponibles, y también se necesitaba más potencia o mayor confianza. Todos los sistemas están utilizando alternadores de imanes permanentes. Al continuar utilizando las turbinas originales Pelton, Don Harris fue capaz de mantener los costos de la actualización bajos.

Algunos de mis clientes cambiaron a un voltaje más alto con los controladores MPPT para minimizar las pérdidas de línea asociadas con el aumento de la corriente de salida. Algunos sistemas extienden la tubería para aumentar la fuerza del chorro, si es posible. El cambio a las rejillas que se limpian automáticamente reduce pérdidas causadas por las entradas enchufadas. La actualización a una tubería de carga de mayor diámetro para reducir las pérdidas por fricción puede permitir un mayor flujo de agua.

Cuéntanos más acerca de la tecnología MPPT en hidroeléctrica.

La introducción de los controladores MPPT solares a precios razonables ha abierto nuevas posibilidades de diseño para pequeños sistemas hidroeléctricos de CC. Antes de que los controladores MPPT estuvieran disponibles, la generadora hidroeléctrica funcionaba con el voltaje de la batería. Eso significaba grandes cables, o aceptar la gran pérdida de tensión en los cables a grandes distancias.

Ahora, con las conversiones de CC a CC en distintos voltajes en los controladores MPPT, es posible operar el sistema hidroeléctrico a alta tensión para mantener el amperaje bajo, minimizando las pérdidas de línea en los cables a grandes distancias. Los controladores MPPT también permiten que la turbina gire a una velocidad y tensión que produzca la mayor cantidad de energía. Algunos sistemas hidroeléctricos pequeños permiten variar la fuerza de los imanes para adaptarse mejor al flujo de corriente variado, pero el MPPT descargará la unidad para que se acelere, y hará el ajuste automáticamente

El problema con el uso de estas unidades es que están diseñados para arreglos fotovoltaicos que ponen un límite de alta tensión definido que no es más alto que el voltaje del funcionamiento del sistema. Sin embargo, en una turbina hidroeléctrica de CC, la tensión en circuito abierto es el doble de la tensión del funcionamiento. Así, utilizando un controlador MPPT directamente con una turbina hidroeléctrica se limita a sistemas de bajo voltaje.

Un método más reciente y novedoso es conectar el sistema hidráulico en paralelo con un arreglo fotovoltaico a la tensión deseada, y el arreglo "fijará" la tensión máxima a aproximadamente 10% por encima de su tensión nominal de circuito abierto. Los módulos actúan como diodos gigantes Zener que protegen el controlador MPPT en condiciones de alta tensión. Muchos sistemas hidráulicos pequeños se encuentran en arroyos estacionales que se secan en el verano, por lo que un generador fotovoltaico ya es parte del sistema híbrido aislado. El controlador MPPT consigue la máxima salida de ambos componentes del sistema de energía renovable.

Si pudiera agitar una varita mágica para hacer algunos cambios en las turbinas hidroeléctricas y la industria, ¿cuáles serían?

Me encantaría ver algunos números reales que comparen la eficiencia entre las turbinas de diferentes fabricantes. Si las pruebas independientes demostraran su eficiencia bajo condiciones específicas, ayudaría a decidir qué turbina instalar. Hay nuevos productos disponibles, pero dudo en invertir en turbinas de menor costo si el ahorro se anula por una menor generación.

Todo lo que tengo son mis propias pruebas de las unidades de Harris que respaldan las afirmaciones de la eficiencia de hasta el 70%. Siempre utilizo estas turbinas, excepto para los sitios bajos donde la rueda Turgo en las turbinas de descarga electrostática puede manejar un mayor flujo y revoluciones por minuto más rápidas. Con imanes más simples y no ajustables, las turbinas APM podrían ser una opción de menor costo si la eficiencia sigue siendo alta. Las turbinas PowerSpout tienen algunas características interesantes, incluyendo una pinza integrada en el voltaje que funciona con MPPT sin otros trucos electrónicos, o con sistemas interconectados de alto voltaje. Pero si turbina de plástico Pelton más simple tiene menor eficiencia, puede no valer la pena el ahorro de costos.

¿Cuál es su consejo clave para las personas que están pensando en el uso de hidroelectricidad?

Aprenda usted mismo tanto como sea posible antes de conseguir la ayuda de expertos. Entre más sepa, podrá hacer mejores preguntas. Lea artículos más antiguos de Home Power y en línea. Me parece que el mejor nivel de expertos se encuentra en el foro www.fieldlines.com. Siempre trato de responder a las preguntas de hidroeléctrica publicadas en ese sitio.

Hay un número limitado de personas con experiencia en múltiples sistemas hidroeléctricos, por lo que tendrá que elegir a alguien que pueda ver todas las posibilidades en su sitio y crear un sistema que haga lo que usted necesita. Cualquier distribuidor de energías renovables puede proporcionar baterías e inversores, pero puede que sea más difícil encontrar a alguien que diseñe e instale el sistema hidroeléctrico.

¿Hoy en día cómo se ve el sistema de su casa?

Mi sistema aislado personal incluye dos turbinas hidroeléctricas Harris. Uno produce alrededor de 200 W a 24 V CC de 10.66 metros de subida. El otro está produciendo alrededor de 1000 W a 70 V CC de 33.52 metros de subida a un controlador de carga MPPT 80 OutBack Power Systems FLEXmax.

Durante temporadas de flujos altos, los imanes más grandes de la segunda turbina Harris aumenta la producción de energía. La configuración vieja llegó al punto máximo en 920 W, y ahora es más de 1000 W. No he completado las pruebas de este sistema para encontrar su salida máxima.

Para mantener la unidad más fría a una salida alta, tallé un aspa de ventilador de un pedazo de tubo de PVC de 2” y la deslicé en el eje superior dentro del alternador. Un interruptor de presión digital enciende varias válvulas eléctricas Belimo de 24 V para ajustar automáticamente el número de chorros de envío de agua a la rueda Pelton. El flujo de la corriente varía diariamente y esto permite el máximo aprovechamiento del agua disponible. También estoy experimentando con una boquilla de válvula de aguja pequeña (una boquilla ajustable) para variar el tamaño efectivo del chorro, pero necesitan una manera de estar más cerca a la turbina Pelton para una mayor eficiencia. Mis rejillas de admisión son barriles de 56.78 litros con decenas de ranuras cortadas en todo el barril, que se encuentra en un agujero del flujo de corriente principal.

¿Tiene otros sistemas de energía renovable que complementen sus sistemas hidroeléctricos?

Tengo 1500 W de módulos fotovoltaicos a través de un controlador de carga Xantrex XW-MPPT60, y más de 1000 W de módulos cableados directamente a la batería con cargas de desvío utilizando el excedente de energía para controlar la tensión. Mi casa todavía tiene muchas luces y un refrigerador funcionando con los originales 12 V. Un ecualizador de baterías Vanner de 24 a 12 V energiza esa parte del sistema. El banco de baterías es de ocho baterías Surrette de 360 Ah en serie-paralelo de 24 V. El inversor es un FX2824T OutBack Power Systems con un ventilador exterior controlado por termostato para aumentar la capacidad.

Las cargas voladas incluyen elementos de calefacción de CC en un tanque de agua caliente de 189.27 litros controlado por un controloador TriStar 45, los calentadores de aire de CC en la cocina funcionan por un Xantrex C40 y un calentador de agua de 3.78 litros de 24 V, fijado en 87.7 °C encendidos por la salida auxiliar del FLEXmax 80.

¿Ha implementado algunas innovaciones en su sistema casero?

Tengo la salida auxiliar del inversor OutBack programada para activar un relevador que envía electricidad a dos calentadores. Los controles automáticos pueden encender uno o ambos calentadores. En los días soleados de invierno con el sistema hidroeléctrico funcionando al mayor rendimiento, los dos calentadores pueden producir hasta 2000 W. En los días de baja producción, lo mínimo que puede producir el menor de los calentadores son 300 W.



Si hay suficiente electricidad disponible, puedo calentar nuestra casa subterránea por encima de 21.1 °C y caliento el agua doméstica a más de 65.55 °C. Cocinamos todas nuestras comidas con ollas express eléctricas aisladas, una sartén eléctrica o un horno de microondas de convección de 120 V. Utilizamos un refrigerador convertido de 12 V y un congelador con aislamiento adicional de espuma para reducir nuestro consumo de electricidad.

La computadora y el televisor están conectados a un multicontacto para evitar el consumo de electricidad del "modo de espera" cuando no están en uso. Cuando la entrada hidroeléctrica y fotovoltaica es baja, usamos madera de los árboles alrededor de nuestro huerto y jardín para calentar la casa y el agua.


Sigo experimentando con mi sistema, y mejorando la eficiencia de cómo se usa la energía. Toda la cocina y calentamiento de agua se produce con energía renovable; nuestro tanque de propano ha estado apagado durante 10 años. Y sigo disminuyendo la cantidad de leña necesaria para mantener nuestra casa cómoda.

Incluso la motosierra y cortadora de césped son alimentados con energía eléctrica del sistema. Mi objetivo cuando me mudé aquí en 1984 fue demostrar que era posible vivir cómodamente sin combustible fósil, que es cada vez más caro ya que los suministros fáciles de obtener se están agotando. Ahora estoy ayudando a otros a hacer el mismo cambio.

Referencia

Woofenden, I. (2014). Hydro-Electric Evolution. Home Power Magazine, 44-49.

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