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Sistema de producci�n de energ�a hidroel�ctrica mediante una rueda hidr�ulica en el r�o Chone, Ecuador.

 

Hydroelectric power production system using a waterwheel on the Chone River, Ecuador.

 

Sistema de produ��o de energia hidrel�trica usando uma roda d'�gua no rio Chone, Equador.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: walterzambrano@gmail.com

 

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

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* Recibido: 23 de enero de 2023 *Aceptado: 25 de febrero de 2023 * Publicado: 27 de marzo de 2023

 

      I.         Mag�ster en Pedagog�a menci�n en Innovaci�n Educativa, Ingeniero en Dise�o Gr�fico,

Universidad T�cnica de Manab�, Facultad de Ciencias Human�stica y Sociales.

Resumen

En la presente investigaci�n se explican las maneras utilizadas por la humanidad para la produccion de energ�a hidroel�ctrica, con un m�todo limpio usando recursos renovables de poco impacto ambiental, dando realce a la energ�a hidr�ulica, por ser la metodolog�a que usa� uno de los recursos m�s predominantes en el planeta como lo es el agua de los r�os utilizada en tiempos pasados en las que se empleaba otro tipo de m�todo para la producci�n de energ�a como lo es la rueda hidr�ulica, que data de tiempo antes de Cristo, que permite que hoy son las grandes turbinas empleadas en las centrales hidroel�ctricas. En esta fase de fundamentos que apoyan este estudio se dispone de informaci�n te�rica con la cual se tendr� una idea m�s clara acerca del tipo de sistema utilizado para la transformaci�n de energ�a como, estudios hidrol�gicos, tipo de conexiones y generalidades de la rueda hidr�ulica, canales y caracter�sticas de dise�o. Se da �nfasis a la transformaci�n de energ�a, mediante el aprovechamiento del caudal del r�o por la rueda hidr�ulica, para de esta manera adaptar un sistema de rueda hidr�ulica al r�o Chone de la provincia de Manab�, Ecuador por ser un m�todo de producci�n de energ�a limpia y que beneficiar� a personas, as� como al medio ambiente y proveer un aporte para que las personas tengan conciencia aplicando energ�a limpia libre de contaminantes, con todos los datos y ecuaciones, se espera que sea de un f�cil entendimiento para la generaci�n de la energ�a.

Palabras Clave: Energ�as alternativas; Hidroelectricidad; Rueda hidr�ulica.

 

Abstract

In the present investigation, the ways used by humanity for the production of hydroelectric energy are explained, with a clean method using renewable resources with little environmental impact, highlighting hydraulic energy, as it is the methodology that uses one of the most predominant resources. on the planet, such as the water from rivers used in the past, in which another type of method was used for the production of energy, such as the hydraulic wheel, which dates from before Christ, which allows today to be the large turbines used in hydroelectric power plants. In this phase of foundations that support this study, theoretical information is available with which a clearer idea will be had about the type of system used for the transformation of energy, such as hydrological studies, type of connections and generalities of the hydraulic wheel, channels and design features. Emphasis is given to the transformation of energy, through the use of the river flow by the hydraulic wheel, in order to adapt a hydraulic wheel system to the Chone river in the province of Manab�, Ecuador for being a clean energy production method. and that it will benefit people, as well as the environment and provide a contribution so that people are aware of applying clean energy free of contaminants, with all the data and equations, it is expected to be easy to understand for energy generation.

Keywords: Alternative energies; Hydroelectricity; Waterwheel.

 

Resumo

Na presente investiga��o s�o explicadas as formas utilizadas pela humanidade para a produ��o de energia hidrel�trica, com m�todo limpo utilizando recursos renov�veis ​​com pouco impacto ambiental, destacando a energia hidr�ulica, por ser a metodologia que utiliza um dos recursos mais predominantes. planeta, como a �gua dos rios utilizada no passado, em que outro tipo de m�todo era utilizado para a produ��o de energia, como a roda hidr�ulica, que data de antes de Cristo, que permite hoje serem as grandes turbinas utilizadas em usinas hidrel�tricas. Nesta fase de funda��es que suportam este estudo, est�o dispon�veis informa��es te�ricas com as quais se ter� uma ideia mais clara sobre o tipo de sistema utilizado para a transforma��o de energia, como estudos hidrol�gicos, tipo de liga��es e generalidades da roda hidr�ulica, canais e recursos de design. �nfase � dada � transforma��o de energia, atrav�s da utiliza��o do fluxo do rio pela roda hidr�ulica, a fim de adaptar um sistema de roda hidr�ulica ao rio Chone na prov�ncia de Manab�, Equador por ser um m�todo de produ��o de energia limpa. e que beneficiar� as pessoas, assim como o meio ambiente e dar� uma contribui��o para que as pessoas tenham consci�ncia de aplicar energia limpa e livre de contaminantes, com todos os dados e equa��es, espera-se que seja de f�cil entendimento para gera��o de energia.

Palavras-chave: Energias alternativas; Hidroeletricidade; Roda d'�gua.

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Introducci�n

La producci�n de energ�a limpia a trav�s de un sistema hidroel�ctrico en un canal abierto utilizando la energ�a cin�tica que se produce mediante el movimiento del agua del rio Chone, que a su vez impactan con los �labes de la rueda hidr�ulica y transmitiendo su movimiento, produciendo el movimiento giratorio de la rueda y as� aprovechar para lograr obtener, generar as� como transmitir la energ�a mec�nica transform�ndola en energ�a hidroel�ctrica para poder ser aprovechada de diversas formas como pueden ser en el alumbrado p�blico, motores para riego, uso de c�maras de seguridad y m�s aplicaciones que son necesarias para el uso del ser humano.

Para analizar este tema es necesario conocer las causas que llevan a elaborarlo, entre algunas de las razones se encuentra el hecho que existen zonas a los cuales no llegan los tendidos el�ctricos ya que son localidades alejadas y disponen de un curso de agua cercano, pueden ser beneficiados para que puedan gozar de energ�a el�ctrica sin la necesidad de generadores de combustible f�siles haciendo uso de este modelo de producci�n de energ�a.

Este modo de producir energ�a no solo va dirigido hacia las zonas donde la energ�a el�ctrica no llega, tambi�n puede ser usada en cualquier localidad donde exista un r�o y que la poblaci�n se quiera beneficiar para ser autogenerada la energ�a que ellos consumen. La importancia de esta investigaci�n est� dirigida, hacia las necesidades de las personas y en el cuidado del medio ambiente ya que se genera energ�a limpia proveniente de un recurso renovable. Teniendo presente que cada vez est� m�s afectada la capa de ozono por las grandes cantidades de di�xido de carbono producidas por centrales de energ�a con recursos no renovables, por lo que se deber�a contribuir con innovaciones para mantener y cuidar nuestro medio ambiente que es el �nico lugar donde podemos vivir y que, a causa de las malas decisiones, malos h�bitos en las cuencas, cultura general perjudicamos y ponemos en riesgo nuestra vida y la de los dem�s.

Esta investigaci�n se basa en una idea extra�da de la ingenier�a de 200 a�os antes de Cristo donde los romanos y griegos usaban grandes molinos de agua con la finalidad de moler granos y producir harina o en ferrer�as para elaborar artefactos met�licos, esta idea es llevada con el paso de los a�os a lo que hoy son las grandes represas de agua.

Como intenci�n principal de esta investigaci�n se centra en aprovechar el caudal de los r�os sin la necesidad de represarlos y as� satisfacer una necesidad humana como lo es la energ�a el�ctrica. En agricultura tambi�n ser�a de gran apoyo ya que con la misma estructura se podr�a llevar la misma agua del rio hacia lugares apartados del mismo y poder servir de almacenamiento para riego o para el consumo de personas y animales.

En la antig�edad los romanos y griegos aprovechaban el gasto de los r�os para utilizar esa energ�a; usando molinos hidr�ulicos para obtener harina o para llevar el agua por tuber�as a lugares lejanos al rio y usarlo para regad�o o consumo de las personas y los animales. Sin embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de carga retras� su aplicaci�n hasta el siglo XII. En la edad media, las ruedas hidr�ulicas generaban una potencia de cincuenta caballos (Espacio Eureka, 2016). La energ�a hidr�ulica en los tiempos de la revoluci�n industrial fue de mucha ayuda ya que se empezaba a aprovechar el trabajo de los r�os o canales y las industrias cada vez necesitaban de menos hombres para realizar sus trabajos ya que fueron sustituidos por las m�quinas (Velasco, 2009). La energ�a hidr�ulica ayud� al crecimiento de las nuevas ciudades industriales que se crearon en Europa y Am�rica. Para la instalaci�n de m�s de una rueda en el mismo r�o era necesario la adecuaci�n de canales para asegurar un flujo permanente y de la misma manera cuando el desnivel era mayor a cinco metros se elaboraban represas, la construcci�n de grandes represas de contenci�n todav�a no era posible.

En este sentido el estudio evidencia que est� basado en el desarrollo de este tipo de sistema de obtenci�n de energ�a limpia por el caudal del rio, es justificada ya que se est� usando un recurso renovable que se puede implementar a cualquier �rea en la que se encuentre un r�o cercano, benefici�ndola de energ�a el�ctrica. Es importante destacar que el medio ambiente no se ver� afectado y al contrario es un aporte para mantener nuestro ecosistema libre de contaminaci�n, poniendo en segundo plano los generadores a combusti�n.

El objetivo general de este estudio est� centrado en la generaci�n de energ�a limpia mediante el aprovechamiento del caudal del rio, sin necesidad de represar el agua y su aplicabilidad en el r�o Chone, provincia de Manab� Ecuador.

En este orden de ideas algunas consideraciones te�ricas necear�as para sustentar la investigaci�n se describen a continuaci�n. Energ�a es la capacidad de un cuerpo para efectuar un trabajo (aprendemostecnologia.org, 2015). El principio de conservaci�n de la energ�a expresa que la energ�a no se crea ni se destruye, solo se transforma. (aprendemostecnologia.org, 2017).

La energ�a el�ctrica es la forma de energ�a m�s empleada debido a su gran capacidad de transformarse en otras formas de energ�a, el transporte a largas distancias es sencillo y las p�rdidas son relativamente bajas.

La corriente el�ctrica se la define como el flujo de electrones a trav�s de un material conductor, existen dos tipos de corriente el�ctrica continua y alterna.

Energ�a no renovable se obtiene de la afectaci�n al medio ambiente y al recurso que se utilice para la generaci�n de la misma, estos recursos tardan varios a�os en regenerarse (Josep Puig, 1990). Este tipo de energ�a es obtenida a trav�s de un recurso natural que a diferencia con la energ�a renovable dicho recurso no es aprovechado nuevamente y son obtenidas de fuentes que tienen un largo tiempo en renovarse por lo tanto son limitadas.

La energ�a renovable es una manera de energ�a compatible con el medio ambiente ya que es producida a trav�s de un recurso natural y no incide al mismo recurso. Siendo una de las energ�as m�s aconsejables por su menor impacto ambiental (Viloria, 2013; unesa, s.f.). Los progresos tecnol�gicos que ha alcanzado la humanidad hasta el d�a de hoy, han permitido producir por diversos m�todos una energ�a libre de contaminaci�n.

La energ�a hidr�ulica utiliza el recurso natural con mayor presencia en el planeta como lo es el agua de los r�os, por tanto, es renovable y una energ�a limpia. �Las centrales hidroel�ctricas son definidas como centros en los cuales se persigue utilizar la energ�a contenida en una masa de agua ubicada a una cierta altura, transform�ndola en energ�a el�ctrica.� (ESHA, 1998).

Esta metodolog�a consiste en aprovechar el caudal del r�o o salto de agua, posicionando una rueda hidr�ulica de tipo horizontal o vertical, el movimiento de esta rueda era transmitido a un sistema que dependiendo de su funci�n, moviliza las esferas que realizaban el trabajo de triturar, en el caso de la molienda los granos y en el caso de las fundiciones mov�a un martillo para la forja de metales, esta rueda hidr�ulica dio origen a los que en la actualidad son avances tecnol�gicos conocidos como las turbinas utilizadas en las centrales hidroel�ctricas (Dom�nguez, 2013). El funcionamiento de las hidroel�ctricas depende de la posici�n de la represa, deben ser un �rea en la que descarguen varios r�os y que las precipitaciones sean constantes, para asegurar un buen nivel en la represa y que la generaci�n sea la esperada.

Las turbinas Francis Fueron dise�adas en el a�o 1848 por James Francis, su caracter�stica es parecida a un caracol para garantizar la velocidad del flujo, que sea continua en cada parte de la turbina, posee un pre distribuidor compuesto por �labes fijos que garantizan la estructura de la caja y proporciona rigidez transversal, ayudan con las p�rdidas hidr�ulicas, en este sentido su distribuidor se asegura de direccionar el flujo al rodete y regular el caudal para de esta forma poder modificar la potencia de la turbina, el rodete es encargado del movimiento y es aqu� donde se realiza la transformaci�n de la energ�a potencial, la presi�n y energ�a potencial que al hacer mover la turbina �sta hace girar el alternador y se genera energ�a el�ctrica. Las ventajas de esta clase de turbinas permiten reducir perdidas hidr�ulicas por su dise�o, promueven alta velocidad de giro. Las desventajas de este tipo de turbinas son la baja resistencia de presi�n en los sellos, por lo cual no es recomendado utilizarla en alturas superiores a 800 metros, adicional se debe verificar la cavitaci�n.

Las Turbinas Kaplan fueron dise�adas por Viktor Kaplan y son de clase regulable, tanto los alabes del rodete, como los distribuidores, aunque se dice que cuando el distribuidor no es regulable la turbina es semi-kaplan. Son turbinas de admisi�n axial o radial. Se usan este tipo de turbinas en saltos peque�os, pero con un prominentes caudales.

En este sentido las Turbinas Pelton fueron dise�adas por Lester Allan Pelton y son las turbinas m�s eficientes empleadas en las hidroel�ctricas. Su operaci�n est� centrada en la combinaci�n de presi�n, volumen y velocidad del fluido dependiendo de la capacidad de la turbina y el generador a usar, el ingreso del fluido es conducido hacia la turbina por una tobera directamente a las paletas en direcci�n tangencial, golpeando el borde de la turbina, su descarga es por el otro sentido del que ingresa, de este modo se utiliza mejor la energ�a del agua. Existen varias turbinas Pelton peque�as utilizadas para la producci�n de energ�a el�ctrica para fin dom�stico. El chorro es regulable donde posee una v�lvula de aguja, el chorro contiene una mezcla de agua y aire para asegurar una buena regulaci�n, la variaci�n se lleva a cabo mediante estrangulaci�n de la secci�n de salida del inyector y esta puede ser en forma automatizada o mec�nica manual.

La rueda hidr�ulica en tiempos antiguos su desarrollo fue usado en norias que son m�quinas muy antiguas con la finalidad de elevar agua, el inventor de la rueda hidr�ulica es desconocido, pero su invenci�n se produjo en la �poca del imperio romano y dejo de ser utilizada a mediados del siglo XX. Su desarrollo fue analizado como un instrumento para el aprovechamiento del agua de los r�os como fuente de 33 energ�a, transformando la energ�a mec�nica �til para el funcionamiento de diferentes m�quinas que propician procesos como los de trituraci�n en el caso del cereal para hacer harina, el forjamiento de metales en las fundiciones, la fabricaci�n de papel, p�lvora, aceite, la trituraci�n de la ca�a de az�car en los trapiches, entre los principales.

Con la evoluci�n de la rueda hidr�ulica y de m�s ingenios fueron surgiendo nuevas ideas y numerosos textos con aportes para la mejora de estos inventos, los aportes mayoritarios se direccionan siempre a la rueda hidr�ulica. El an�lisis de la rueda hidr�ulica toca conocimientos en mec�nica, energ�a hidr�ulica y cinem�tica de m�quinas. Estas ruedas se clasifican de diversas formas: Estas ruedas pueden ser de cajones o de paletas, y su clasificaci�n seg�n la admisi�n del agua y de eje horizontal son las siguientes:

� Admisi�n superior. La caracter�stica principal de estas ruedas es que son de eje horizontal y est�n constituidas por cajones los cuales se llenan de agua y por la fuerza del agua y de la gravedad provocan el giro de la rueda. (Gironi, 2009)

� Admisi�n intermedia.� Son denominadas ruedas hidr�ulicas de costado, el agua ingresa a ellas al mismo nivel del eje, esta rueda tambi�n trabaja gracias a la energ�a cin�tica del agua y la energ�a gravitacional. (Gironi, 2009)

� Admisi�n inferior. Este tipo de rueda aprovechan el choque del agua que pasa por debajo de la rueda, el canal debe de ser un poco m�s grande que la rueda, pero solo lo suficiente para no tener muchas p�rdidas, los �labes de esta rueda pueden ser curvos o planos. El agua puede pasar a la rueda por medio de compuertas. En la Figura 1 se puede evidenciar la curva de Poncelet, donde �Para describir la curvatura de Poncelet, la circunferencia externa c Girona y la l�nea α r el radio de la rueda, se toma a b = 1/3 a 1/4 de la ca�da, y se grafica el centro de la circunferencia de la envoltura, as� el �ngulo formado por e a r podr�a ser de 24� a 28�. Tomando a e, f g, y de los puntos a f =1/6, se gr�fica, desde este punto se hace un c�rculo desde a hasta el centro de la segunda circunferencia as� se describe la curvatura de los �labes� la curvatura a la que se refiere es a la curvatura de los �labes (BART, 1871).

Fig. 1 Curvatura de Poncelet

 

Materiales y m�todos.

En este orden de ideas el tipo de metodolog�a utilizada para el desarrollo de este estudio es explicativo, puesto que se detalla la funcionalidad de una mini central de producci�n el�ctrica en canal abierto usando la rueda hidr�ulica de una manera sencilla de entender, con la finalidad de aportar a la poblaci�n mundial para que se pueda hacer uso de este estudio para aprovechar las ideas y poder implementarlo o mejorarlo donde se busca como hip�tesis del estudio La generaci�n de energ�a hidroel�ctrica mediante el aprovechamiento de recursos naturales renovables, son un aporte importante para la disputa contra la contaminaci�n del medio ambiente y al aprovechar el caudal de un r�o sin necesidad de represarlo para producir electricidad, se contribuye positivamente a la reducci�n de la contaminaci�n.

En este sentido el alcance a desarrollarse en la investigaci�n recae en los siguientes aspectos fundamentalmente:

• Implementaci�n de la mini central de generaci�n en canal abierto mediante la rueda hidr�ulica de tal manera que se pueda comprobar los datos recolectados en este tema de titulaci�n.
• Beneficiar a personas que no poseen energ�a el�ctrica debido a que se encuentran en zonas donde los tendidos el�ctricos no llegan.
• Aportar a la reducci�n de la contaminaci�n del medio ambiente

 

Normativa legal para el desarrollo de mini centrales de energ�a renovable en Ecuador.

Este aspecto se hace menci�n a los art�culos que sustentan las bases de este estudio refiri�ndose a el art�culo 14 de la Constituci�n de la Rep�blica del Ecuador donde reconoce el derecho de la poblaci�n a vivir en un ambiente sano y ecol�gicamente equilibrado, que garantice la sostenibilidad y el buen vivir, el Sumak Kawsay y declara de inter�s p�blico la preservaci�n del ambiente, la conservaci�n de los ecosistemas, la biodiversidad y la integridad del patrimonio gen�tico del pa�s, la prevenci�n del da�o ambiental y la recuperaci�n de los espacios naturales degradados.

En este sentido el art�culo 15 de la Constituci�n de la Rep�blica del Ecuador, se�ala que corresponde al Estado promover, en el sector p�blico y privado, el uso de tecnolog�as ambientalmente limpias y de energ�as alternativas no contaminantes y de bajo impacto, as� como que la soberan�a energ�tica no se alcanzar� en detrimento de la soberan�a alimentaria, ni afectar� el derecho al agua.

adem�s, el art�culo 413 de la Constituci�n de la Rep�blica del Ecuador establece que el Estado debe promover la eficiencia energ�tica, el desarrollo y uso de pr�cticas y tecnolog�as ambientalmente limpias y sanas, as� como de energ�as renovables, diversificadas, de bajo impacto. Que, el incremento de la demanda de energ�a el�ctrica como resultado del crecimiento de la poblaci�n y de la econom�a, constituye no s�lo un gran desaf�o, sino exige la utilizaci�n de nuevas fuentes de abastecimiento de energ�a y conductas de consumo p�blico y ciudadano, acordes con la magnitud del desaf�o. Que, resulta imperativo construir una matriz de generaci�n el�ctrica econ�mica y ecol�gicamente equilibrada, incrementando la participaci�n de las energ�as limpias y renovables como la e�lica, biomasa, biog�s, fotovoltaica, geot�rmica, mareomotriz e hidroel�ctrica, disminuyendo la generaci�n t�rmica ineficiente que utiliza combustibles f�siles.

Adem�s, seg�n la Ley org�nica del servicio p�blico de energ�a el�ctrica: Art. 6.- Normas complementarias. - Son aplicables en materia el�ctrica las leyes que regulan el uso y aprovechamiento de los recursos naturales, la participaci�n ciudadana, la protecci�n del ambiente y otras de la legislaci�n positiva ecuatoriana aplicable al sector el�ctrico, en lo que no est� expresamente regulado en la presente ley.

El ministerio de electricidad y energ�a renovable (MEER) Art. 12.- Atribuciones y deberes. - Son atribuciones y deberes del Ministerio de Electricidad y Energ�a Renovable en materia el�ctrica, energ�a renovable y eficiencia energ�tica en el numeral nueve nos dice que son encargados de impulsar la investigaci�n cient�fica y tecnol�gica en materia de electricidad, energ�a renovable y eficiencia energ�tica.

En lo que concierne a la participaci�n empresarial en el art�culo 25 nos dice que: De las empresas privadas y de econom�a popular y solidaria. - El Estado, por intermedio del Ministerio de Electricidad y Energ�a Renovable, podr� delegar, de forma excepcional, a empresas de capital privado, as� como a empresas de econom�a popular y solidaria, la participaci�n en las actividades del sector el�ctrico, en cualquiera de los siguientes casos:

1. Cuando sea necesario para satisfacer el inter�s p�blico, colectivo o general;

2. Cuando la demanda del servicio no pueda ser cubierta por empresas p�blicas o mixtas; o,

3. Cuando se trate de proyectos que utilicen energ�as renovables no convencionales que no consten en el Plan Maestro de Electricidad;

Para los dos primeros casos, la delegaci�n de los proyectos, que deben constar en el PME, se efectuar� mediante un proceso p�blico de selecci�n, conducido por el Ministerio de Electricidad y Energ�a Renovable, que permita escoger la empresa que desarrolle el proyecto en las condiciones m�s favorables a los intereses nacionales. Para el tercer caso, el Ministerio de Electricidad y Energ�a Renovable podr� delegar su desarrollo, previo el cumplimiento de los requisitos establecidos en la normativa pertinente. Los proyectos que utilicen energ�as renovables, podr�n acceder a un esquema de incentivos que se determine en la normativa jur�dica respectiva. Las empresas privadas o de econom�a popular y solidaria que se mencionan en este art�culo deber�n estar establecidas en el Ecuador, de conformidad con la normativa correspondiente. Se except�a de los procesos p�blicos de selecci�n, mencionados en este cap�tulo, el otorgamiento de concesiones, que, conforme a este art�culo, efect�e el Estado por intermedio del Ministerio de Electricidad y Energ�a Renovable, respecto de proyectos que dispusiese, mediante delegaci�n a empresas estatales extranjeras o subsidiarias de estas, compa��as de econom�a mixta o a consorcios en que dichas empresas estatales tengan participaci�n mayoritaria.

En todo caso, los contratos de concesi�n, estar�n sujetos a la observancia de las normas de la Constituci�n de la Rep�blica, esta ley, su reglamento general y los acuerdos previos a su otorgamiento directo. Art. 26.- Energ�as renovables no convencionales. - El Ministerio de Electricidad y Energ�a Renovable promover� el uso de tecnolog�as limpias y energ�as alternativas, de conformidad con lo se�alado en la Constituci�n que propone desarrollar un sistema el�ctrico sostenible, sustentado en el aprovechamiento de los recursos renovables de energ�a. La electricidad producida con este tipo de energ�as contar� con condiciones preferentes establecidas mediante regulaci�n expedida por el ARCONEL.

 

Resultados de los c�lculos y An�lisis.

Estudio hidrol�gico en el r�o Chone/carrizal�

La cuenca del r�o Chone tiene una superficie de 2267 km2 el cual, se origina en las monta�as de la divisi�n con el rio Daule a 435 msnm y fluye hacia el oeste a trav�s de zonas onduladas, Despu�s de transitar dichas �reas monta�osas, el cauce Rio Chone se expande en una amplia llanura Aluvial, recibiendo los aportes de diversos afluentes tales como de los r�os Mosquitos, garrapata entre los m�s importantes. El curso principal antes de su uni�n con el rio el mosquito asume el nombre de rio grande. Hacia aguas abajo continua su camino hacia el este, con un patr�n meandriforme, atraviesa el �rea urbana de la ciudad de Chone y luego se une con su tributario principal, el rio carrizal en un punto situado a 32 km aguas arriba de su desembocadura en el estuario en la ciudad de Bah�a de Car�quez, descargando finalmente en el oc�ano pacifico. En �rea del estuario tiene una extensi�n aproximada de 32 Km2 y una longitud desarrollada de 16 km, en donde se nota una actividad intensa de siembra de camar�n. En la Figura 2 se muestra la figura del hidrograma de crecida el cual est� enmarcado en el funcionamiento h�drico de la cuenca del rio chone y grande de la provincia de Manab� Ecuador.

Fig. 2 Hidrograma de crecida Sandoval y Aguilera 2014

 

En funci�n de la pr�ctica de la ingenier�a, el gasto de dise�o de las obras de derivaci�n para la construcci�n de una presa, es el que corresponde a un per�odo de retorno de 50 a�os que, en el caso del dise�o de la Presa R�o Grande la estructura hidr�ulica cercana al rio Chone, se lo fij� en 45 m3 /s. Ante un incremento tan significativo, como el que se observa al comparar los datos del dise�o de la presa y el que se present� el 4 de marzo de 2013, durante el per�odo de construcci�n, surge la necesidad de evaluar el per�odo de retorno de esta crecida extraordinaria, como un elemento �til para verificar los caudales de dise�o y su relaci�n con la seguridad de esta importante obra, entre estos se aplicaron diversos m�todos los cuales proporcionaron informaci�n necesaria para el c�lculo de gasto de dise�o

 

M�todos Emp�ricos

En los estudios y par�metros de los te�ricos tabulados, se encuentran algunas f�rmulas, desarrolladas por varios autores para cuencas particulares, que se procura aplicarlas en otras, en las que no se dispone de informaci�n hidrol�gica. A continuaci�n, en la figura 3, se presentan algunas de ellas, citadas por P�rez y Rodr�guez [12] con su aplicaci�n al presente caso de estudio:

Fig. 3 Ecuaciones auxiliares de gasto de dise�o en funci�n de diversos autores

 

Entre �stas tambi�n se incluye la ecuaci�n desarrollada en el INERHI, citada por Krochin, en la que K depende del per�odo de retorno (para Tr=1000 a�os, K=1).

Fig. 4 Ecuaci�n de Caudal en funci�n de tiempo de retorno INEHI.

 

La cantidad de ecuaciones propuestas por los diversos autores es amplia, pero, como se visualiza, estas ecuaciones muestran datos diferentes, que tienden a potenciar la inc�gnita en relaci�n al establecimiento de los gastos de dise�o del proyecto.

M�todos semi-emp�ricos.

Son modelos que se soportan en observaciones pr�cticas como, por ejemplo, las huellas dejadas por los grandes eventos hist�ricos, o la informaci�n recabada de los pobladores de una determinada �rea lleg� a la cota 32 msnm que, a partir de aproximaciones realizadas por los autores corresponde a un caudal Q= 695,1 m3 /s. Con base en un an�lisis expost de la crecida del 4 de marzo de 2013, realizado en la secci�n de cierre de la presa del rio grande/Chone puesto que la misma est� enmarcada en uno de los eventos hidrol�gicos m�s importante en los �ltimos tiempos y brindar mejor informaci�n para el c�lculo del caudal de dise�o ideal donde, los mismos evaluaron un caudal de crecida Q=703 m3/s. Para �reas en las que aguas abajo existen edificaciones y cultivos, como es el caso en an�lisis, la SEGARPA (Secretar�a de Agricultura, Ganader�a, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentaci�n de M�xico) aconseja considerar que los caudales hist�ricos representan el 50% del caudal m�ximo, a partir de lo cual se tendr�a que:

QM=1390,2 m3/s para la cota 32 en la Ca�da y QM=1406 m3/s para la crecida del 4 de marzo.

Ambos valores presentan un buen grado de similitud, al tratarse de una evaluaci�n preliminar como la que se ha realizado. Ante la falta de informaci�n espec�fica, los datos suministrados de las cuencas pr�ximas constituyen una buena referencia para la estimaci�n de caudales. Para el presente caso se dispone de un informe, elaborado por Moncayo, que determina el caudal m�ximo del R�o Jama Max= 3847 m3/s, con un �rea de la cuenca A= 1094 km². A partir de este dato se instaur� el valor de la constante de la Envolvente de Creaguer en C=66,52 con lo que, el gasto m�ximo de la cuenca del R�o Grande/chone ser�a; 1359 m3/s

 

Tabla 1 Caudales para rio Yesca (Jama) y Grande (Chone) Sandoval y Aguilera 2014

 

Para un valor estimando de un �rea A=187,9 km2, se conocen los caudales que aparecen en la Tabla 1, con los que se ha inferido los del R�o Grande/Chone, a trav�s de una simple relaci�n de �reas. Se destaca que el caudal m�ximo para un per�odo de retorno de 10.000 a�os es QM=1430,4 m3 /s, bastante similar a los valores evaluados con los otros m�todos antes descritos. Otra de las ecuaciones muy utilizada es la del M�todo Racional, que se fundamenta en la ecuaci�n, Q = kCIA; En la que k depende de las unidades que se utilice para la Intensidad I y para el �rea A; y C es el coeficiente de escorrent�a, que depende de varios factores tales como; el tipo de suelo, la pendiente de escurrimiento, el tiempo de concentraci�n y otros. La intensidad de la lluvia guarda relaci�n con las precipitaciones en la cuenca, sobre las cuales existen datos estimados por el INAMHI, insertos en el Estudio Hidrol�gico de Inundaciones en la Cuenca Alta del R�o Chone, de Guti�rrez, G�ngora y Melo, que es bastante completo y actualizado porque cubre un periodo de 42 a�os (1964-2005), en el que se incluyen varios fen�menos El Ni�o, Tabla 2 de precipitaciones medias anuales que est�n estimadas por las ecuaciones conocidas

 

Tabla 2. Precipitaciones Medias Anuales Guti�rrez, G�ngora, Melo

 

Considerando que, para transformar los datos de precipitaciones en intensidades de lluvia se necesita conocer de registros pluviogr�ficos, no disponibles en la cuenca del R�o Grande/Chone, es indispensable apelar a t�cnicas emp�ricas orientados a suplir esta deficiencia de informaci�n. La ecuaci�n de Gorbachov permite evaluar la intensidad instant�nea Ii, que corresponde a la intensidad de la lluvia en la unidad de tiempo. Donde se obtiene a trav�s de la ecuaci�n Ii= 0,046*�Donde, H es la columna de precipitaciones media anual, en mm (en el presente caso H=1309 mm), y T el tiempo de recurrencia, en a�os, en la tabla 3 se aprecian los resultados de las intensidades de lluvia de los tiempos de retorno para diversos periodos de tiempo.

T retorno	5	10	25	50	100	500	1000	5000	10000
I. instant�	9.4	11.9	16.1	20.3	25.5	43.7	55.0	94.0	118.5
I. mm/min	0.58	0.74	1.00	1.26	1.58	2.71	3.41	5.83	7.35
I. mm/h	4.52	5.70	7.73	9.74	12.27	20.98	26.43	45.20	56.94
P. 24 h	138.7	155.7	186.1	207.5	229.8	278.6	299.9	349.5	370.9

Tabla 3. Intensidades para diferentes tiempos de retorno. Guti�rrez, G�ngora, Melo 2008

 

Dise�o del canal por el cual se transporta el caudal del r�o

Para el c�lculo del punto �ptimo donde se llevar� a cabo el estudio se debe tener en consideraci�n que el r�o debe tener un buen caudal para garantizar la producci�n de energ�a, otras caracter�sticas para la construcci�n del canal donde ser� montada la rueda hidr�ulica de eje horizontal con el paso de agua por debajo, es que la forma del canal depende de la forma de la rueda y en este caso es un canal rectangular, para la construcci�n del canal se debe tomar en cuenta que la rueda debe tener una m�nima distancia de separaci�n con el canal, para de esta manera aprovechar el flujo y la rueda no roce por lo lados ni por debajo, aunque esto representa una m�nima p�rdida. La construcci�n del canal deber� ser de cemento pulido debido a que el coeficiente de p�rdida es m�nimo y todos estos factores influyen en los c�lculos para encontrar la velocidad y la pendiente seg�n las f�rmulas que se emplean. No se dise�ar� ning�n tipo de vertedero, compuertas o muros de captaci�n con rejillas para evitar el paso de maleza ya que la gran dimensi�n de los alabes de la rueda no dejan que los residuos de basura, troncos, etc. ocasionen alg�n da�o.

El final del canal en el sentido del caudal del r�o deber� ser dise�ado con dimensiones mayores en el sentido horizontal, de esta forma asegurar que el agua que ya fue aprovechada por la rueda tenga una pronta salida, esto es motivado a que el agua choca con los �labes y se reduce su velocidad y el agua tiene que tener una r�pida salida, el dise�o del canal a la salida del agua, va apoyar para que el agua no se represe y el sistema no aminore su velocidad. Para conocer la rapidez admisible del canal se tiene en consideraci�n que no se puede superar los l�mites ya que se perder�a altura y tampoco se puede disminuir la velocidad porque esto nos llevar�a a tener un canal muy ancho y eso no es lo que buscamos ya que la rueda no debe de ser tan ancha. Los datos del canal; Largo del canal ser� de 13 metros. Profundidad de 3.5 metros. Ancho secci�n A2 de 4 metros (desde el inicio hasta los 11 metros). Ancho secci�n A1 de 5 metros (a partir de los 11 metros).

Selecci�n del tipo de rueda hidr�ulica

El tipo de rueda hidr�ulica a usarse deber� ser de eje horizontal, denominada rueda de Poncelet debido a que estas son de admisi�n inferior y son las propicias para el desarrollo de este sistema de generaci�n el�ctrica, en la figura 5 se evidencia los tipos de ruedas hidr�ulicas posibles a utilizarse y sus formas de colocaci�n en el cauce del curso de agua.

Figura 5 Tipos de Ruedas Hidr�ulicas

 

Especificaciones de la rueda

El eje es horizontal, sobre el cual se sujeta a la rueda mediante radios. La rueda a lo largo de la circunferencia lleva en intervalos unas paletas las cuales deben estar ubicadas en sentido opuesto al flujo del agua. La ubicaci�n de esta clase de rueda por lo general se ubica en r�os caudalosos para asegurar un buen aprovechamiento del movimiento de la rueda. La rueda oscila entre los 5,36 y 9,05 metros de di�metro, las aspas o �labes entre 1,70 y 3,84 metros de anchura y 2,80 y 3,36 metros de largo. El tipo de paletas es curvo. Utilizan 1/3 de la potencia del agua que las mueve. Su construcci�n es sencilla y pueden funcionar a altas velocidades.

Funcionamiento de la rueda

Los �labes o paletas de la rueda ingresan al agua, la velocidad del agua del r�o se transmite a la rueda de tal manera que produce el movimiento giratorio, la orientaci�n de los alabes es tangente al centro de la rueda para fijar que ingresen al r�o sin choque y sean m�s eficientes. Es recomendable que la instalaci�n de la misma se haga en un canal donde la rueda se encuentre paralela a las paredes del canal, para de esta manera impedir el paso de agua fuera de la rueda y tener un aprovechamiento m�ximo del caudal del r�o

 

 

Teor�a de la rueda de Poncelet

En este sentido el agua entra a la rueda y golpea las paletas sin choque debido a la forma de las paletas que son curvas y esto asegura que las paletas ingresen al r�o sin choque, disminuyendo p�rdidas. Partiendo del principio deducido de la ecuaci�n general, para obtener el efecto m�ximo absoluto de efecto �til, el agua debe ingresar en los �labes sin choque y salir de ellos a la misma velocidad que la rueda. Ecuaci�n general que expresa el trabajo total de una rueda hidr�ulica.

1 /2 M𝑉 ² + 𝑀𝑔ℎ = 𝑃𝑣 + 1 /2 𝑀𝑉 ² + 1 /2 𝑀𝑊 ²�����

Donde;

𝑃𝑣 = 1/2 𝑀𝑉² + 𝑀𝑔ℎ − 1/2 𝑀𝑈² − 1 2 𝑀𝑊²

De donde se visualiza que� 𝑃𝑣: Potencia en kw; �: 50% de eficiencia; V: Velocidad del agua;� v: Velocidad de la rueda;� M: Masa de agua/segundo que pasa por el canal.

Selecci�n de la transmisi�n mec�nica y multiplicador

Por corresponder a un estudio de producci�n de energ�a mediante el aprovechamiento del caudal de un r�o chone se va a tener la desventaja de que no se tendr� una gran velocidad para el giro de la rueda. Tomando en cuenta que la velocidad en el r�o que se eligi� como en cualquier otro r�o no es favorable, pero el caudal juega a favor ya que se aprovechar�a que es un r�o con abundante agua y de esta manera podr� mover una rueda con un gran di�metro. Al elegir una rueda con un gran di�metro estamos hablando que nuestra rueda tendr� un peso considerable y podremos aprovechar este peso para asegurar de tener un buen sistema de transmisi�n ya que se cuenta con un buen torque para la produccion de energ�a hidroel�ctrica y beneficiar a la poblaci�n cercana que puede aprovechar el recurso renovable.

 

Conclusiones

Luego de analizar los resultados obtenidos de las ecuaciones de dise�o aplicada, as� como de las estimaciones realizadas se puede llegar a concluir que este tipo de sistema de producci�n de energ�a hidroel�ctrica aplicado en r�os con el uso de ruedas hidr�ulicas puede ser implementado por cualquier persona natural, grupo de comunidades o de peque�as empresas para el suministro de energ�a el�ctrica promoviendo el hecho de ser auto generadores de la energ�a que requieren.

El estudio demostr� que m�s de beneficiar con energ�a el�ctrica limpia ya que la misma procede de utilizar la energ�a que el rio posee con su movimiento natural y no utiliza sistemas alternos de consumo de energ�a f�sil o de otro tipo para la producci�n de energ�a el�ctrica, es un factor que protege adem�s de beneficiar al medio ambiente ya que no se arrojan contaminantes en ninguna de las fases de la producci�n de energ�a, debido a que los alav�s de la rueda hidr�ulica, lo que requieren es de la inserci�n del caudal y este hace la rotaci�n o movimiento de la misma.

En esta investigaci�n se conocen ecuaciones te�ricas proporcionadas por diversos autores que estudian comportamientos similares en sistemas h�dricos con caracter�sticas comunes y aplicadas en funci�n de la disponibilidad de datos en la cuenca aportante y del rio Chone, adem�s de conocer de los diagramas de funcionamiento h�drico de los alabes as� como de los momentos angulares tangenciales y modelos de funcionamiento de generaci�n , orientaciones generales y procedimientos para la fabricaci�n de la rueda hidr�ulica as� como del canal de tipo rectangular establecido en el estudio necesarios para la generaci�n de energ�a hidroel�ctrica ya que en funci�n de dichas caracter�sticas se establecer�n los gastos del rio que aportan la energ�a necesaria para la movilidad de la rueda hidr�ulica y esta pueda realizar el trabajo electro mec�nico necesario para promover la produccion de energ�a hidroel�ctrica.

En el proceso de an�lisis del funcionamiento del sistema de rotaci�n de las rueda hidr�ulica y �del canal rectangular de este sistema de produccion de energ�a hidroel�ctrica a trav�s de un sistema hidr�ulico en canal abierto se da por concluido que el r�o Chone de la provincia de Manab� si cumple con los par�metros para la aplicaci�n de este sistema esto radica que el sistema se caracteriza por ser vers�til y puede ser implementado en diversos cauces de rio con la condici�n que posea un estiaje suficiente para la produccion de energ�a potencial que se le imprima a la rueda como sistema de generaci�n.

Estas alternativas de energ�a limpia o de bajo impacto al medio ambiente para la produccion de energ�a el�ctrica, donde se aprovechen los recursos naturales deber�an ser promovidos y auspiciados por parte de las autoridades gubernamentales para que las personas, comunidades e industrias de peque�o o mediano tama�o, escojan por tener sus propios mecanismos de produccion y se pueda contribuir a la lucha contra la contaminaci�n del medio ambiente.

Este estudio est� enfocado de forma exclusiva a la produccion de energ�a el�ctrica, pero el sistema de rueda hidr�ulico tambi�n tiene aplicaciones para el traslado de agua hacia lugares lejanos del mismo r�o, esto de forma mec�nica en diversas fases o etapas buscando establecer acciones que favorezcan el desarrollo sustentable en zonas m�s apartadas.

Existe la probabilidad que la carga a suplir por la rueda hidr�ulica aumente con el transcurrir del tiempo, refiri�ndose a que su uso sea residencial o comercial, en este caso se puede instalar una rueda adicional en el mismo canal para incrementar la posibilidad de produccion de energ�a, en ese caso ser�a lo m�s conveniente y si se da el caso de que el consumo sea mayor si las posibilidades del rio lo permite establecer otro sistema de generaci�n adicional de la misma manera que el dise�ado inicialmente para suplir dicha demanda.

 

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