Evaluación de Energias Alternativas

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IM-2005-I-43 
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EVALUACION DEL POTENCIAL TÉCNICO Y ECONÓMICO DE LAS 
ENERGIAS ALTERNATIVAS EN ZONAS RURALES DE CASANARE 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FELIPE LEONARDO TIBOCHA CALA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA 
BOGOTÁ 
 JUNIO 23 DE 2005 
IM-2005-I-43 
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EVALUACION DEL POTENCIAL TÉCNICO Y ECONÓMICO DE LAS 
ENERGIAS ALTERNATIVAS EN ZONAS RURALES DE CASANARE 
 
 
 
 
 
 
 
FELIPE LEONARDO TIBOCHA CALA 
 
 
 
 
Proyecto de grado 
Pregrado Ingeniería Mecánica 
 
 
 
 
 
 
 
Asesor 
Ing. JAIME LOBOGUERRERO USCATEGUI Ph D. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA 
BOGOTÁ 
 JUNIO 23 DE 2005 
IM-2005-I-43 
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 NOTA DE ACEPTACIÓN: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Firma del presidente del jurado 
 
 
 
 Firma del jurado 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Bogotá 23 de Junio de 2005 
 
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Este proyecto representa un logro para mí y un orgullo para mis padres, porque 
ambos me han enseñado que no solo se necesita talento para ser el mejor, 
también es importante la constancia y el esfuerzo. 
 
Por esto y por mucho más, quiero dedicar este logro a mis padres por su talento y 
su esfuerzo, a mis amigos por su apoyo, y por supuesto a Dios por sus 
bendiciones. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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AGRADECIMIENTOS 
 
 
Quiero agradecer al Ingeniero Jaime Loboguerrro por su gran ayuda y asesoría en 
el desarrollo del proyecto, y por el apoyo que me brindo para decidir realizar el 
estudio en Casanare. 
 
Agradezco la ayuda que me brindo el ingeniero Santiago Pachón; secretario de 
Obras del municipio de Aguazul, con la información de necesidades de las 
diferentes comunidades rurales del municipio. 
 
Y finalmente a mi familia por su incondicional apoyo, pues siempre me brindaron 
ayuda en los momentos que la necesite. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CONTENIDO 
 
 
INTRODUCCIÓN 10 
1. OBJETIVOS DEL PROYECTO. 11 
1.1 OBJETIVO GENERAL 11 
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 11 
2. MARCO TEÓRICO 12 
2.1 ENERGÍAS RENOVABLES 12 
2.2.1 Energía solar fotovoltaica. 15 
2.2.2 Energía solar térmica. 16 
2.2.3 Energía solar pasiva. 16 
2.3 ENERGÍA EÓLICA 16 
2.3.1 Generación eléctrica. 17 
2.3.2 Fuerza Motriz. 18 
2.4 ENERGÍA DE LA BIOMASA 18 
2.4.1 Digestión anaerobia. 19 
2.4.2 Gasificación. 19 
2.4.3 Combustión. 19 
2.4.4. Biocombustibles. 19 
2.5 ENERGÍA HIDRÁULICA 20 
2.5.1 Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH). 21 
2.6 ENERGÍA GEOTÉRMICA 23 
2.6.1 Generación eléctrica. 23 
2.6.2 Usos directos. 23 
2.7 TURBINAS, TEORIA BASICA 23 
2.7.1 Selección de turbinas. 24 
3. PRESELECCIÓN DE ALTERNATIVAS 25 
3.1 SELECCIÓN DE ZONA 25 
3.2 NECESIDADES DE LA COMUNIDAD 25 
3.2.1 Trapiche de caña. 25 
3.2.2 Molienda de granos. 26 
3.3 POTENCIAL PRELIMINAR DE ALTERNATIVAS 27 
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3.3.1 Proceso de preselección de alternativas. 27 
3.3.2 Potencial preliminar energía eólica. 28 
3.3.3 Potencial preliminar energía Hidráulica. 29 
4. CÁLCULO DE POTENCIAL 31 
4.1 MÉTODOS DE MEDICIÓN 31 
4.1.1 Medición de cabeza. 31 
4.1.2 Medición de caudal. 32 
4.2 RESULTADO DE MEDICIONES 34 
4.2.1 Velocidad de flujo. 34 
4.2.2 Área Transversal. 34 
4.2.3 Cabeza disponible. 37 
4.3 CÁLCULO DE POTENCIAL 37 
5. DISEÑO DE LA PEQUEÑA CENTRAL HIDRÁULICA PCH 38 
5.1 OBRAS CIVILES 39 
5.1.1 Embalse o presa. 39 
5.1.2 Bocatoma. 40 
5.1.3 Canal de conducción. 41 
5.1.4 Tanque de carga. 42 
5.1.5 Tubería de carga. 43 
5.1.6 Casa de máquinas. 43 
5.2 DISEÑO DE LA TURBINA 44 
5.2.1 Rueda Pelton. 44 
5.2.2 Transmisión de Potencia. 45 
5.2.3 Diseño de la flecha. 45 
5.2.4 Selección de rodamientos. 46 
5.2.5 Elementos de control y seguridad. 46 
5.2.6 Esquema final. 47 
6. VIABILIDAD ECONÓMICA DEL PROYECTO 48 
6.1 PROYECCIÓN ENERGÉTICA 48 
6.2 CÁLCULO DE AMORTIZACIÓN DEL PROYECTO 49 
6.3 FUENTES DE FINANCIACIÓN 50 
7. CONCLUSIONES 51 
BIBLIOGRAFÍA 52 
 
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LISTA DE TABLAS 
 
 Pag 
 
Tabla 2,1 Energías Renovables: descripción, tecnologías y usos finales 14 
Tabla 2.2 Valores típicos de radiación solar 16 
Tabla 2,3 Posibilidades de uso de la energía eólica 18 
Tabla 2.4 Clasificación de PCH según potencia generada 22 
Tabla 3.1 Rangos de velocidades de viento con diferentes rugosidades de terreno 30 
Tabla 4.1 Datos primer perfil medido 36 
Tabla 4.2 Datos segundo perfil medido 36 
Tabla 4.3 Datos tercer perfil medido 37 
Tabla 4.4 Áreas calculadas de los perfiles 38 
Tabla 4.5 Resultado de mediciones de caudal 38 
Tabla 5.1 Resultados de diseño de rueda Pelton 45 
Tabla 6.1 Demanda sectorial de electricidad 49 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 2.1 Rangos de aplicación de las micro- turbinas hidráulicas 25 
Figura 4.1 GPS utilizado en la toma de datos 32 
Figura 4.2 Medición área 34 
Figura 4.3 Medición velocidad 34 
Figura 4.4 Tramo medido 35 
Figura 4.5 Ubicación del tramo medido 35 
Figura 4.6 Primer perfil medido 36 
Figura 4.7 Segundo perfil medido 37 
Figura 4.8 Tercer perfil medido 37 
Figura 4.9 Ubicación de bocatoma, tanque de carga y casa de máquinas 38 
Figura 5.1 Ilustración de los diferentes componentes que debe tener una PCH 40 
Figura 5.2 Efecto de un embalse sobre la caída disponible 41 
Figura 5.3 Desvío del flujo usando rocas 42 
Figura 5.4 Quebrada Chilipra 42 
Figura 5.5 Pasos para diseño de canal de conducción 43 
Figura 5.6 Perfil de canal trapezoidal 43 
Figura 5.7 Ejemplo de tanque de carga 44 
Figura 5.8 Desviador de chorro 45 
Figura 5.9 Esquema final de diseño 47 
Figura 5.10 Proyección de precio de energéticos en el sector industrial 47 
 
 
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LISTA DE ANEXOS 
 
 Pag 
ANEXO 1. Mapa de velocidad media anual de vientos de Colombia 53 
ANEXO 2. Mapa del potencial hídrico (preliminar) 54 
ANEXO 3. Tabla de costos de las diferentes partes diseñadas 55 
ANEXO 4. Memoria de cálculos 56 
ANEXO 5. Planos de diseño XX 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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INTRODUCCIÓN 
 
 
Actualmente Casanare tiene una gran participación en las regalías nacionales por 
la importante explotación petrolera que se ha venido desarrollando en el 
departamento, y considero que una buena forma de inversión de dichos recursos, 
es el desarrollo y aplicación de energías alternativas para que en un escenario en 
el que la producción de hidrocarburos disminuyera drásticamente, Casanare y sus 
municipios puedan tener conocimiento de las diferentes fuentes de generación de 
energía que poseen y porque no, lograr una autosostenibilidad energética en un 
futuro. 
 
Es importante anotar que actualmente; gracias a la explotación de hidrocarburos 
en el departamento, Casanare ha logrado un gran desarrollo tanto social como 
económico que tiene una fuerte dependencia de la producción petrolera, y la 
comunidad no puede permitir que dicho desarrollo se convierta en un recurso no 
renovable para el departamento. Para esto debemos desarrollar proyectos de gran 
contenido social que no permitan que se frene el desarrollo que se ha logrado y 
que por el contrario, lo sigan estimulando y permitiendo que Casanare siga siendo 
un ejemplo de progreso en el País. 
 
Aunque actualmente la comunidad en general no es consiente de la importancia de 
las fuentes energéticas, es crucial que empecemos a tomar conciencia porque es 
muy claro que día a día las fuentes de energía, y su aprovechamiento se están 
volviendo cada vez más importantes en el futuro económico de toda región y 
comunidad. Por eso espero que este proyectosirva para entregar de una manera 
más concreta y directa, la realidad de las fuentes de energía y su importancia en 
Casanare y en el resto del País. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. OBJETIVOS DEL PROYECTO. 
 
 
1.1 OBJETIVO GENERAL 
Calcular la factibilidad del uso de energías alternativas en zonas rurales del 
departamento de Casanare, para así saber que tan importante puede ser para la 
comunidad la implementación de plantas o procesos, que permitan el uso de las 
diferentes fuentes de energía disponibles en el departamento, y así aprovechar las 
regalías que Casanare recibe; por la producción petrolera, en proyectos que 
puedan ser importantes en la generación de energía en los próximos años. 
 
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 
• Identificar las necesidades energéticas en zonas rurales del departamento 
 
• Escoger en base a criterios ingenieriles entre los diferentes tipos de 
energías, cuáles son las de mayor potencial en la zona seleccionada y sobre 
dicho grupo calcular diferentes variables de aplicación. Para cada uno de los 
tipos de energía seleccionados, hacer una observación preliminar del 
potencial presente en la región y otras variables como la potencia que se 
podría generar, sus costos comparativos con los costos de generación para 
la actualidad y en un horizonte de tiempo; que sea significativo para las 
reservas de hidrocarburos presentes en el País. 
 
• Realizar el diseño de algún proceso y sus componentes que logre 
aprovechar la fuente de energía de mayor viabilidad de aplicación, 
basándose en los resultados obtenidos en los objetivos anteriores. 
 
• Calcular la viabilidad del proyecto y buscar posibles fuentes de financiación 
que permitan implementar la solución energética propuesta 
 
 
 
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2. MARCO TEÓRICO 
 
2.1 ENERGÍAS RENOVABLES 
Energía renovable es la que se aprovecha directamente de recursos considerados 
inagotables como el Sol, el viento, los cuerpos de agua, la vegetación o el calor del 
interior de la Tierra. 
 
La energía convencional proviene de recursos NO RENOVABLES (combustibles 
fósiles), de los cuales se dice que están "almacenados" y cuyas reservas se agotan 
a medida que se utilizan. El caso contrario ocurre con las energías RENOVABLES, 
las cuales provienen de recursos que están relacionados con los ciclos naturales de 
nuestro planeta, haciendo posible que dispongamos del recurso de manera 
permanente. 
 
La dependencia del petróleo, el carbón y el gas ha generado conflictos de orden 
polít ico (guerras entre naciones) y ambiental (emisiones de dióxido de carbono, 
azufre, etc.); por esta razón, en los últimos años se ha hecho necesario invertir en 
el desarrollo y aplicación de tecnologías alternativas de producción de energía que 
funcionen con recursos renovables. Para el ser humano es claro que estas fuentes 
de energía están disponibles en su entorno, entonces su interés por explotarlas 
también radica en una mejor administración de los recursos locales. Además, en el 
mundo entero el término renovable se asocia con la disminución de emisiones 
contaminantes y con la "no-producción" de desechos, lo cual garantiza un medio 
ambiente más limpio y apropiado para nosotros y para las futuras generaciones. 
Actualmente las energías renovables cubren cerca del 20% del consumo mundial 
de electricidad. 
 
Para un mejor entendimiento y estudio se han clasificado estas energías en seis 
grupos principales: 
 
ENERGÍA SOLAR ENERGÍA HIDRÁULICA 
ENERGÍA EÓLICA ENERGÍA DE LOS OCÉANOS 
ENERGÍA DE LA BIOMASA ENERGÍA GEOTERMICA 
 
Cada una de las energías implica diferentes tipos de tecnologías que utilizan 
distintos elementos o equipos de transformación, según los cuales se obtiene 
energía en forma de electricidad, fuerza motriz, calor o combustibles. El siguiente 
esquema nos brinda un panorama general de cómo las energías renovables 
pueden ayudarnos a suplir nuestras necesidades energéticas. 
 
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Tabla 2.1 Energías Renovables: descripción, tecnologías y usos finales. (5) 
 
 2.2 ENERGÍA SOLAR 
La estabilidad de la energía que proviene del Sol se refleja en la temperatura 
relativamente constante que se percibe en la Tierra y en la evolución de otras 
estrellas similares; por esta razón, la energía solar se puede considerar como 
fuente renovable, ya que puede permanecer esencialmente inalterable por billones 
de años. 
 
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Por otra parte, se considera que la mayoría de recursos renovables provienen 
indirectamente de la energía del Sol. El calor del Sol genera los vientos; luego, los 
vientos y el calor del Sol hacen que el agua se evapore y cuando este vapor de 
agua se convierte en lluvia o nieve, se forman nacimientos de agua que originan 
ríos; junto con la lluvia, la luz del Sol hace que las plantas crezcan. Las mareas se 
originan de la fuerza gravitatoria que la luna y el Sol ejercen sobre la Tierra. 
 
La energía solar se define como la energía producida por reacciones nucleares al 
interior del Sol, que son transmitidas en forma de ondas electromagnéticas a 
través del espacio (radiación solar). 
 
El Sol irradia energía a una tasa de 3.9 x 1026 vatios, y perpendicularmente, sobre 
la parte superior de la atmósfera, nuestro planeta recibe una radiación solar 
promedio de 1 367 vatios por cada metro cuadrado. 
 
Las variaciones en la cantidad de radiación solar recibida por nuestro planeta 
dependen de los cambios en la distancia entre el Sol y la tierra debido a la 
trayectoria elíptica que recorre la Tierra alrededor del Sol. Otras variaciones son 
ocasionadas por pequeñas irregularidades en la superficie solar en combinación 
con la rotación del Sol y posibles cambios temporales de su luminosidad. 
 
La radiación solar directa no tiene cambios en su dirección desde el Sol hasta la 
superficie terrestre. Una vez dentro del planeta, las características físicas y la 
composición química de la atmósfera terrestre afectan la cantidad y el tipo de 
radiación que alcanza la superficie del planeta, razón por la cual durante períodos 
de abundante nubosidad o bruma, la radiación que incide es esencialmente 
dispersada por partículas y moléculas del aire, este tipo de radiación se conoce 
como radiación difusa. 
 
Para conocer la cantidad de energía que se puede obtener del Sol, es necesario 
medir la cantidad de radiación solar (directa más difusa) que recibe realmente una 
región. Esta cantidad de radiación disponible para convertir en energía útil en una 
localidad depende de varios factores: posición del Sol en el cielo, que varía diaria y 
anualmente; condiciones atmosféricas generales y del microclima; altura sobre el 
nivel del mar y la duración del día (época del año). La máxima cantidad disponible 
sobre la superficie de la Tierra en un día claro, fluctúa alrededor de 1 000 vatios 
pico por metro cuadrado. La siguiente gráfica muestra los rangos de radiación 
solar que recibe la tierra dependiendo de las condiciones de claridad del cielo. 
 
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Tabla 2.2 Valores típicos de radiación solar. (5) 
 
Para transformar la energía solar se utilizan principalmente tres tipos diferentes de 
tecnologías: energía solar fotovoltaica, energía solar térmica y energía solar pasiva. 
 
2.2.1 Energía solar fotovoltaica. La luz del Sol se puede convertir directamente en 
electricidad mediante celdas solares, conocidas también como celdas fotovoltaicas, 
que son artefactos que utilizan materiales semiconductores. La corriente eléctrica 
puede ser utilizada inmediatamente o puede ser almacenada en una batería para 
utilizarla cuando se necesite. Una celda fotovoltaica típica puede ser cuadrada y 
medir 10 centímetros por lado y producir cerca de 1 vatio de electricidad, más que 
suficiente para que un reloj de pulsera funcione, pero no para encender un radio. 
Las celdas individuales se ensamblan para formar módulos (40 celdas); si se 
necesita generar más electricidad los módulos se agrupan para formarlo que se 
conoce como arreglo (10 módulos). 
 
Un sistema solar fotovoltaico funciona cuando el campo de módulos fotovoltaicos 
convierte en corriente eléctrica directa la energía solar que recibe durante el día. 
Dicha corriente transporta y almacena la energía eléctrica en la batería para ser 
utilizada en el momento que el usuario lo requiera. 
 
La energía eléctrica que los módulos fotovoltaicos envían a la batería y que ésta 
suministra a la carga pasa por el controlador de carga, cuya función es proteger a 
los otros elementos del sistema contra sobrecargas o descargas excesivas, altas 
corrientes y bajos voltajes. Todos los módulos se conectan en serie o en paralelo 
para obtener las tensiones y corrientes que provean la potencia deseada. 
 
Los módulos se fabrican, generalmente, para tener una salida de 12 Voltios de 
corriente directa, varían desde unos cuantos vatios fotovoltaicos (2.8 Vatios pico, 
Wp) hasta 300 Wp, y su voltaje y corrientes varían según la configuración de los 
paneles. 
 
Los sistemas fotovoltaicos con batería de almacenamiento pueden diseñarse para 
equipos que utilicen corriente del tipo directa (DC) o alterna (AC). Si se quiere 
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utilizar un equipo que funciona con corriente alterna, debe acondicionarse un 
inversor para alimentar la carga. 
 
2.2.2 Energía solar térmica. El aprovechamiento de la energía solar térmica basa 
su tecnología en la captación de la radiación por medio de elementos denominados 
colectores o concentradores, los cuales disminuyen las pérdidas de calor y 
aumentan la energía absorbida y, en algunos casos, cuentan con seguidores de Sol 
para mejorar este propósito. 
 
Estos sistemas están diseñados para proveer energía eléctrica a la red o para usos 
térmicos de naturaleza industrial, a través de la transferencia de calor a un fluido 
térmico; se destinan a suplir grandes demandas y no se utilizan en aplicaciones 
que requieran bajas capacidades de carga o calor. 
 
2.2.3 Energía solar pasiva. Comprende elementos que se aprovechan en la 
construcción o adecuación de una vivienda con el fin de calentarla o refrescarla; 
estos elementos pueden ser muros o cubiertas que actúan como colectores 
solares, construidos con materiales acumuladores de calor, como el ladrillo, la 
piedra y la teja de barro. 
 
2.3 ENERGÍA EÓLICA 
El viento es aire en movimiento, una forma indirecta de la energía solar. Este 
movimiento de las masas de aire se origina por diferencias de temperatura 
causada por la radiación solar sobre la superficie terrestre. Cuando el aire se 
calienta su densidad se hace menor y sube, mientras que las capas frías 
descienden. Así se establece una doble corriente de aire, cuya velocidad es mayor 
mientras mayor sea la diferencia de temperatura entre las capas. 
 
La energía eólica es la que está presente en forma de energía cinética en las 
corrientes de aire o viento. Para el aprovechamiento energético del viento es 
esencial realizar una valoración energética del recurso disponible en una localidad 
y una caracterización de su comportamiento. Las estimaciones del recurso eólico 
se basan en algunas estrategias útiles como son la colección de información de 
manera empírica, anemómetros totalizadores, por factores de correlación, o por 
adquisición de datos en tiempo real. 
 
La información empírica se recoge con base en visitas realizadas al lugar, donde se 
examinan las características de topografía y vegetación y se indaga el 
conocimiento de los habitantes de la región con el fin de obtener información 
valiosa en la identificación de lugares con altos niveles de velocidad de viento. Por 
ejemplo, la constante incidencia del viento en los árboles a lo largo del tiempo, o 
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sobre la vegetación, hace que estos crezcan inclinados en la dirección 
predominante desde donde sopla el viento. 
 
La energía eólica puede transformarse principalmente en energía eléctrica por 
medio de aerogeneradores, o en fuerza motriz empleando los comúnmente 
llamados molinos de viento. 
 
A continuación se indican las posibilidades de uso de la energía eólica, con base en 
valores promedios de velocidad de viento anual. 
 
 
Tabla 2.3 Posibilidades de uso de la energía eólica (5) 
 
Debe existir claridad en el sentido de que esta tabla es una indicación de rápida 
referencia y no pretende ser completamente concluyente. 
 
2.3.1 Generación eléctrica. Bajo el nombre de turbinas eólicas (aerogeneradores) 
se designan diferentes sistemas para aprovechar mecánicamente la energía 
contenida en el viento. En general, son máquinas rotativas de diferentes tipos, 
tamaños y conceptos, en los que el dispositivo de captación (rotor) está unido a un 
eje. 
 
Hay varios criterios para clasificar estas turbinas. Si se clasifican por la posición del 
eje, se agrupan como de eje horizontal o eje vertical. Si se clasifican por el tipo de 
aprovechamiento de la energía del viento, entonces se tienen rotores de 
accionamiento por arrastre y por sustentación. 
 
De los sistemas empleados para la generación de energía eléctrica, los más 
utilizados son los de eje horizontal por sustentación y, en menor grado, los de eje 
vertical, accionado también por sustentación. Las plantas de generación eléctrica 
con sistemas eólicos a gran escala se denominan parques eólicos. Estos son 
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lugares en donde se instalan varios aerogeneradores y se conectan de manera 
apropiada para suministrar energía eléctrica que puede ser interconectada a una 
red. 
 
2.3.2 Fuerza Motriz. Las máquinas eólicas para esta aplicación son, normalmente, 
de múltiples alabes (alta solidez). Sus tamaños más grandes a escala comercial 
internacional no pasan de los 8 metros de diámetro, aunque hay casos particulares 
poco difundidos que se han construido e instalado con rotores de hasta 12 metros 
de diámetro o el caso de los molinos de viento holandeses. Estas máquinas por ser 
de muchos alabes, son relativamente lentas y generalmente son acopladas a 
bombas de desplazamiento positivo, las cuales, a su vez, requieren bajas 
velocidades pero altos torques para su arranque y funcionamiento. 
 
La potencia aprovechable por este tipo de rotores esta definida por: 
 
 
 
 
 
A = área perpendicular al viento 
V = velocidad del viento 
η = eficiencia equipo 
 
2.4 ENERGÍA DE LA BIOMASA 
La mayoría de seres vivos, como las plantas y los animales que están en nuestro 
entorno, dependen de la luz del sol, del agua y del aire para vivir. Las plantas, por 
su parte, transforman y almacenan la energía que reciben del sol; esta energía 
bien puede ser utilizada para producir electricidad, combustibles, químicos o servir 
de alimento a otros seres vivos. Al recibir este alimento (energía) o al morir, los 
animales y los seres humanos producen residuos orgánicos que al descomponerse 
generan gases. Estos ciclos, al repetirse continuamente, aseguran que la energía 
de la biomasa esté disponible permanentemente y que, según su manejo, se logre 
un verdadero autoabastecimiento energético. 
 
La biomasa es cualquier material proveniente de organismos vivos tales como 
vegetación, bosques, selvas, cultivos acuáticos, bosques naturales, residuos 
agrícolas, desechos animales y desechos urbanos e industriales de tipo orgánico 
que puede utilizarse para producir energía. 
 
Para transformar la energía contenida en la biomasa se utilizan tecnologías que 
dependen de la cantidad y clase de biomasa disponible. Con los principales 
η***
2
1 3VAPotencia =
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sistemas de transformación pueden obtenerse combustibles, energía eléctrica, 
fuerza motriz o energía térmica. 
 
Los siguientes son los diferentes procesos para el aprovechamiento de la energía 
de la biomasa. 
 
 
2.4.1 Digestión anaerobia. Para transformar la energía contenida en la biomasa se 
utilizan tecnologías que dependen de la cantidad y clase de biomasa disponible. 
Con los principales sistemas de transformación pueden obtenerse combustibles, 
energía eléctrica,fuerza motriz o energía térmica. 
 
 
2.4.2 Gasificación. Son los procesos térmicos que convierten la materia prima 
sólida o líquida en una mezcla de gases (hidrógeno, monóxido de carbono y 
metano). Este gas es luego utilizado como combustible en plantas de ciclo 
combinado, las cuales combinan turbinas de gas y turbinas de vapor para producir 
electricidad. El material que se utiliza comúnmente como combustible es madera y 
sólo algunos tipos de residuos agrícolas (mazorcas de maíz, cáscaras de coco, 
carbón vegetal). A escala mundial, aunque ya existe este tipo de plantas y están 
produciendo energía eléctrica, se considera como tecnología de demostración. 
 
 
2.4.3 Combustión. La biomasa es quemada en una caldera para producir vapor, el 
cual es introducido en una turbina conectada a un generador eléctrico; el flujo de 
vapor hace rotar la turbina, el generador eléctrico se acciona y se produce 
electricidad. 
 
En el mundo es una tecnología ampliamente utilizada, en Colombia su aplicación se 
hace en pequeña escala y con poca tecnología, en complejos azucareros y en el 
sector panelero. Otra opción consiste en quemar parte de biomasa con parte de 
combustibles fósiles (co-combustión) pero se limita a utilizarse en áreas donde 
existan plantas de carbón. 
 
2.4.4. Biocombustibles. Los biocombustibles líquidos son combustibles para 
transporte (principalmente biodiesel y bioetanol) procesados de cosechas agrícolas 
y otras plantaciones renovables. En menor escala, pero igualmente importantes, se 
encuentran biometanol y biocrudo o crudo de pirolisis. La utilización de 
biocombustibles reduce la dependencia del petróleo como combustible. 
 
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Fermentación alcohólica. El bioetanol se obtiene por fermentación de ciertos 
azúcares, especialmente glucosa, y se utilizan como materias primas melazas 
azucareras, maíz, almidón de trigo y residuos de papa. 
 
Esterificación. Los bioaceites (biodiesel) son aceites vegetales obtenidos de plantas 
oleaginosas, ésteres metílicos o etílicos derivados de estos, o de ácidos grasos de 
otras procedencias. Algunas materias primas utilizadas en los procesos de 
obtención de bioaceites son: especies con semillas oleaginosas (girasol, colza, 
soja), especies con frutos oleaginosos (coco, palma), cultivos no tradicionales 
(brassica carinata, camelina sativa, cynara cardunculus) y otras (aceites de fritura 
usados, grasas animales). 
 
El biodiesel funciona en cualquier motor diesel, el cual puede ser adaptado o 
utilizado sin ninguna modificación, produce bajas emisiones de óxidos de 
nitrógeno, óxidos de azufre, CO2 y CO, es biodegradable y no tóxico; su manejo, 
transporte y almacenamiento son seguros. 
 
Pirolisis. El calor puede ser usado para la conversión química de la biomasa en 
combustible crudo. Después de la pirolisis, la biomasa se torna líquida - aceite de 
pirolisis- el cual puede ser tratado como el petróleo para generar electricidad. 
 
La aplicación del producto líquido (combustible de pirolisis) en motores y/o en 
turbinas o incluso en calderas aun necesita ser demostrada para obtener más 
información sobre sus propiedades, estabilidad, esquemas de producción y 
manejo. Es una tecnología en investigación. 
 
2.5 ENERGÍA HIDRÁULICA 
El calor del sol hace que el agua se evapore y se condense en las nubes. Los 
vientos arrastran las nubes hasta las regiones montañosas donde se producen 
lluvias o nieve. El agua lluvia se mezcla con la de los manantiales conformando las 
quebradas y luego ríos que por acción de la gravedad y topografía de los terrenos 
retornan el agua al mar, donde el ciclo inicia una vez más. 
 
La energía hidráulica es aquella que proviene del agua y que se manifiesta como 
energía cinética en el caudal de las corrientes, y como energía potencial en la 
altura de las caídas de los ríos. 
 
Mediante las plantas o centrales de generación hidráulica se aprovecha la energía 
potencial almacenada en el agua contenida en un embalse, con base en una 
diferencia de nivel, para transformarla inicialmente en energía mecánica o cinética, 
haciéndola pasar por una turbina hidráulica a la cual se puede acoplar un 
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 21
generador que finalmente es el encargado de transformar la energía mecánica en 
eléctrica, o simplemente utilizar la energía mecánica sin ningún tipo de conversión 
energética. 
 
En la siguiente tabla se muestra la clasificación de diferentes centrales, según su 
capacidad de generación. 
 
 
Tabla 2.4 Clasificación de PCH según potencia generada. (5) 
 
2.5.1 Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH). Una PCH es una instalación 
donde se utiliza la energía hidráulica para generar reducidas cantidades de 
electricidad, hasta 10000 kW aproximadamente; estos sistemas se incluyen dentro 
de las tecnologías alternativas de generación de energía ya que su diseño y 
construcción ocasionan bajos impactos ambientales además de que se utilizan en 
zonas aisladas donde pueden ser operadas por personal local. 
 
Las PCH se pueden clasificar por: 
 
Por su forma de captación. PCH filo de agua. En este tipo de proyectos no se 
cuenta con embalse, lo que implica que la planta solo utiliza el agua que fluye por 
el río en condiciones normales. La potencia de salida en estas plantas depende de 
los ciclos de hidrología por lo cual generalmente se dimensionan para que el 
mínimo flujo del río pueda suplir la demanda requerida. 
 
En los proyectos filo de agua se requiere un sistema para desviar el agua del río y 
así aprovechar al máximo el flujo de agua disponible, por lo general se emplea un 
dique de derivación o una pequeña presa para esto. 
 
PCH con embalse. En este tipo de desarrollos el agua es almacenada en un 
reservorio (puede ser un lago existente o un embalse), esto implica la construcción 
de una o mas presas que puede tener un alto impacto ambiental. Aunque estos 
proyectos ofrecen una potencia firme, los costos de las obras para el 
almacenamiento del agua generalmente hacen que el proyecto no sea viable 
económicamente. 
 
Por su funcionamiento diario. Puede ser de uso continuo cuando operan durante 
las 24 horas del día o discontinuo cuando se opera solo en algún período del día. 
 
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 22
Por su Sistema de Control. Se clasifican en plantas de carga variable cuando la 
planta se regula con un sistema automático o manual, ó, de carga constante la 
cual es mantenida mediante sistemas de disipación de carga o utilizando los 
excedentes de energía en aplicaciones complementarias 
 
Por el Uso Final de la Energía. Pueden ser de fin hidráulico es decir cuando la 
turbina es conectada directamente a una bomba o elevador de agua; de finalidad 
mecánica, cuando la turbina es conectada a través de correas de transmisión para 
molinos de grano, motosierras, etc.; de finalidad eléctrica cuando la turbina es 
conectada a un alternador y por lo tanto a una red eléctrica. 
 
Por su Conexión con el Sistema Eléctrico. Las plantas pueden ser aisladas, 
conectadas a una pequeña red comunitaria, o, integradas al Sistema 
Interconectado Nacional. 
 
Por sus Características Técnicas se pueden clasificar en: 
 
Plantas Convencionales: Todos los componentes, obras civiles, captación del agua, 
canales, desarenadores, tanque de carga, túneles, tubería de presión, equipo 
electromecánico e hidráulico, son diseñados, construidos y probados de acuerdo 
con tecnologías comprobadas y estrictamente normalizadas. Las instalaciones de 
control, medida, protección, señalización, sincronización, etc., son fabricados, 
probados y puestos en servicio, mediante protocolos que deben cumplir 
indicadores internacionales que cumplen con normas internacionales establecidas 
por países desarrollados. 
 
Plantas No Convencionales: Utilización y adaptación de captaciones existentes para 
otros usos (canales de irrigación, acueductos), tubería de presión en materiales 
menos exigentes (concreto, PVC), equipos electromecánicos e hidráulicos 
diseñados, construidos y fabricados con tecnologías apropiadasy paneles de 
control, medida y protección, con un mínimo de instrumentos. 
 
Plantas Parcialmente Convencionales: Obras civiles con cierta calidad y equipo 
electromecánico e hidráulico adaptado de oras plantas convencionales fuera de 
servicio por diferentes razones (abandonadas, dañadas, vencimiento de vida útil, 
etc.). 
La potencia que se puede generar con este tipo de centrales está dada por: 
 
Aguaγ
= Peso especifico 
Q = Caudal 
H = Caída 
η = Eficiencia equipo 
ηγ *** HQPotencia Agua=
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 23
2.6 ENERGÍA GEOTÉRMICA 
La energía geotérmica ha estado presente tanto tiempo como la Tierra existe. 
"Geo" significa tierra y "termia" significa calor. Por lo tanto geotermia significa 
"Calor de la Tierra". Bajo la corteza terrestre, existe una capa superior del manto la 
cual es una roca líquida caliente llamada magma. La corteza terrestre flota sobre 
ese manto de magma líquido. Cuando el magma llega a la superficie de la tierra a 
través de un volcán, se le conoce como lava. Por cada 100 metros bajo la 
superficie de la tierra la temperatura se incrementa cerca de 3 grados centígrados. 
Por lo tanto a 3000 metros de profundidad la temperatura sería lo suficientemente 
alta como para hacer hervir agua. El agua algunas veces hace su recorrido cerca 
de rocas calientes que se encuentran muy por debajo de la superficie y retorna en 
forma de agua caliente a temperaturas de más de 148 °C (agua termal) o en 
forma de vapor. 
 
La extracción y transformación del agua caliente o el vapor de los yacimientos 
geotérmicos para generar energía eléctrica en superficie implica la aplicación de 
tecnología avanzada. Pero existe otra forma de aprovechar esta energía a la cual 
se le conoce como usos directos. 
 
 
2.6.1 Generación eléctrica. De acuerdo con las características de producción del 
campo geotérmico, se puede seleccionar tanto el tamaño como el ciclo térmico de 
la planta de generación. 
 
La capacidad instalada de generación de la planta puede determinarse con base en 
el mercado de energía y la productividad actual del yacimiento. El ciclo térmico se 
selecciona de acuerdo con las características del fluido, pero también tomando en 
consideración las condiciones económicas del proyecto. 
 
2.6.2 Usos directos. Comúnmente el agua caliente que proviene de estos 
yacimientos se utiliza en piscinas termales con fines recreativos. Otros usos 
directos de naturaleza residencial incluyen calentar invernaderos para las plantas y 
a nivel industrial incluyen calefacción, procesamiento de alimentos, lavado y 
secado de lana, fermentación, industria papelera, producción de ácido sulfúrico, 
manufactura de cemento, etc. 
 
2.7 TURBINAS, TEORIA BASICA 
El agua bajo presión contiene energía, esta energía puede ser aprovechada por 
medio del rodete de una turbina en dos formas: 
 
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 24
En la primera, la presión puede ejercer una fuerza directamente en la superficie 
del rodete impartiendo energía al rodete, y haciendo que el agua pierda energía 
mientras pasa por el rodete. Las turbinas que operan de esta manera son llamadas 
turbinas de reacción y en este grupo se encuentra la turbina Francis. 
 
En la segunda, La presión es primero convertida en energía cinética, generando 
un chorro de alta velocidad por medio de una boquilla. En este caso la pérdida de 
presión ocurre a través de la boquilla, el chorro de agua golpea el rodete, 
impartiendo el momento a la superficie que golpea. Las turbinas que operan de 
esta manera son llamadas turbinas de impulso y en este grupo se encuentran las 
turbinas Pelton, Turgo, y las de flujo cruzado. 
 
2.7.1 Selección de turbinas. En la selección de turbinas se tienen en cuenta 
diferentes factores, la figura que se muestra a continuación muestra un método 
fácil y eficaz para la selección de turbinas en pequeñas centrales hidráulicas (PCH). 
 
 
Figura 2.1 Rangos de aplicación de las micro- turbinas hidráulicas. (5) 
 
 
 
 
 
 
 
 
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 25
3. PRESELECCIÓN DE ALTERNATIVAS 
 
 
En este capitulo se van a discutir los criterios de selección de alternativas, que se 
tuvieron en cuenta para escoger las mas viables en el sitio de estudio, y 
finalmente, escoger una definitiva a partir de un cálculo preliminar del potencial de 
cada una de las alternativas en la vereda El Rincón de Vijua 
 
3.1 SELECCIÓN DE ZONA 
Para la selección del sitio se tuvieron en cuenta dos factores principales, la 
existencia de la necesidad energética, y buenas condiciones de orden público. 
 
Lo primero que se realizo fue una entrevista con el secretario de obras del 
municipio de aguazul (Santiago Pachón), y se buscaron necesidades energéticas, 
que las comunidades han manifestado en los diferentes concejos comunales que 
se han realizado por parte del gobierno municipal. 
 
Después de seleccionar las zonas con necesidades que se pudieran solucionar con 
el desarrollo de un proyecto como este, se selecciono la vereda que presentaba las 
mejores condiciones de orden público, y desafortunadamente no se encontró una 
vereda en una zona rural no interconectada que presentara condiciones de 
seguridad adecuada. 
 
Después de recolectar la información suficiente, haciendo visitas a las zonas 
preseleccionadas y hablando con los presidentes de la junta de acción comunal de 
las veredas, se selecciono la vereda EL Rincón de Vijua ubicada en la rivera del río 
Cusiana en la frontera entre el municipio de Aguazul y el municipio de Recetor 
 
3.2 NECESIDADES DE LA COMUNIDAD 
La principal actividad económica de la vereda seleccionada (El Rincón de Vijua) es 
la ganadería, pero debido a problemas que han tenido últimamente los 
transportadores con las vías de acceso en las épocas de invierno, la comunidad ha 
buscado actividades alternas para el aprovechamiento de la tierra como el cultivo 
de caña y la molienda de granos en pequeña cantidad par producción de harina. 
 
 
3.2.1 Trapiche de caña. Para lograr un mejor aprovechamiento de los cultivos de 
caña, la gente de la vereda está interesada en montar un trapiche para el 
procesamiento de la caña. 
 
IM-2005-I-43 
 26
Para este fin tienen dos posibilidades energéticas actualmente, generación 
eléctrica a partir de combustión interna, o utilizando directamente un motor 
eléctrico gracias a la red eléctrica que cubre la zona. 
 
Inicialmente está proyectado cultivar 200 Hectáreas de caña en la vereda y se 
producen dos cosechas al año. Se proyecta adquirir un trapiche que tiene una 
capacidad de procesamiento de dos hectáreas diarias (Turnos de 8 horas), este 
trapiche requiere 6,3 HP (4,5 kW) de potencia de entrada, por especificaciones del 
fabricante para el nivel de producción dicho. 
 
En resumen la energía requerida teniendo en cuenta que se necesitan 200 días de 
funcionamiento para el procesamiento de toda la producción de caña es: 
 
Consumo diario: 4,5 kW * 8 horas/día =36 kWh/día 
Consumo anual: (36 kWh/día) * 200 días =7200 kWh/año 
 
kW = Kilowatt 
kWh = Kilowatt hora 
 
Es importante anotar que para que se cumplan estas suposiciones de 
requerimiento, se debe hacer plantaciones escalonadas a lo largo del año, pues de 
lo contrario el trapiche no podría procesar toda la cosecha. 
 
 
3.2.2 Molienda de granos. La necesidad de energética para la molienda se genera 
porque los problemas de transporte generan sobrecostos en algunos alimentos, 
por esto la comunidad está interesada en aprovechar otra parte de la tierra en la 
siembra de maíz, y a la vez implementar un proceso para molienda de pequeñas 
cantidades de dicho grano. 
 
Para cubrir el procesamiento de las cantidades proyectadas de cultivo de maíz, la 
potencia requerida es 2,1 HP (1,5 kW) de potencia. 
 
La energía requerida teniendo en cuenta que se necesitan 200 días de 
funcionamiento para el procesamiento de toda la producción de maíz es: 
 
Consumo diario: 1,5 kW * 4 horas/día = 6 kWh/día 
Consumo anual: (6 kWh/día) * 200 días = 600 kWh/año 
 
kW = Kilowatt 
kWh = Kilowatt hora 
 
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 27
En totalla potencia total requerida es 6 kW, aproximadamente 8 HP, y la 
proyección de consumo total de energía es de 7800 kWh/año 
 
3.3 POTENCIAL PRELIMINAR DE ALTERNATIVAS 
Inicialmente se seleccionaron dos de las energías disponibles, y se calculó un 
potencial preliminar por medio de datos existentes registrados en archivos de la 
UPME (Unida de Planeación Minero Energética). Aunque estos datos registrados en 
mapas son a nivel macro del País, sirven para dar una idea preliminar del potencial 
de cada una de las alternativas energéticas, pues medir el potencial de cada 
alternativa, podría resultar muy costoso y requeriría mas tiempo que el que hay 
disponible para este proyecto. 
 
 
3.3.1 Proceso de preselección de alternativas. Para la preselección de alternativas 
se tomo como factor determinante uso final de la energía. 
 
Para determinar la forma de aprovechamiento final de la energía, se tuvieron en 
cuenta factores como el costo de la planta, la capacidad de entendimiento de 
tecnología de la comunidad, las perdidas de por conversión de energía, y la 
transmisión de potencia. 
La generación eléctrica requiere el uso de equipo adicional, como un generador, 
sistemas de control, sistemas de monitoreo, y equipo de protección. Este conjunto 
de equipos adicionales genera un incremento de costos, pues en un sistema de 
generación mecánica el sistema de control puede ser manual. 
 
A pesar de que en la zona de estudio existe red eléctrica, esta es una zona 
bastante aislada en donde la capacidad de entendimiento de tecnología no es muy 
alta, esto se refiere a que a pesar de que en zonas aisladas como esta puede 
existir un entendimiento de la operación, mantenimiento y reparación de 
elementos mecánicos; un entendimiento similar de generadores eléctricos, 
motores, y del equipo eléctrico asociado, requeriría un mayor esfuerzo de 
entrenamiento a la comunidad. 
 
La conversión de energía mecánica a eléctrica puede representar perdidas 
considerables sobretodo en los rangos de potencia que están siendo considerados. 
La eficiencia de los generadores eléctricos varía de 60 % para pequeños 
generadores de corriente alterna, 80% para uno de 5 a 10 kW, hasta 
aproximadamente 90% para generadores superiores a 50 kW. Si la velocidad del 
generador es superior a la de la turbina, una transmisión es necesaria. La 
eficiencia de las transmisiones comúnmente varía desde 90% hasta 98%, 
dependiendo del tipo de acoplamiento y del número de etapas de la transmisión. 
IM-2005-I-43 
 28
 
Si la potencia generada por la turbina se convierte en energía eléctrica y dicha 
potencia es usada en propósitos mecánicos, la eficiencia global puede variar entre 
40% y 70%. En otras palabras, si se genera electricidad para usos finales 
mecánicos, el tamaño de un sistema de generación energética puede ser el doble 
del de un sistema que provea energía mecánica directamente 
 
Una de las principales ventajas de la generación eléctrica es la posibilidad de 
transmitir potencia a una distancia considerable desde el lugar de generación. La 
transmisión de energía mecánica está restringida al área de la casa de máquinas. 
 
Teniendo en cuenta todos los criterios para seleccionar entre generación de 
energía eléctrica y mecánica que se mencionaron anteriormente, y las necesidades 
energéticas se concluyo que la mejor opción es el uso directo de energía mecánica. 
 
Según la tabla 1.1, las dos alternativas más viables para generación de energía 
mecánica, son la energía eólica y la energía Hidráulica, por lo que se seleccionaron 
para realizar un cálculo preliminar del potencial de estas dos alternativas en la 
zona. 
 
 
3.3.2 Potencial preliminar energía eólica. Para estimar el recurso eólico en una 
zona determinada, se necesitan conocer diferentes variables que requieren 
mediciones apropiadas, a pesar de esto, se encontró una forma de estimar dicho 
potencial utilizando el mapa de velocidad anual de vientos de Colombia (ver el 
anexo 1), realizado por el Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas 
INEA, el cual permite establecer un valor aproximado del recurso eólico en las 
diferentes regiones del país. 
 
Localizando la zona de estudio en el mapa, se obtiene un índice de velocidad de 4, 
y según la tabla de rugosidad el rango de rugosidad está entre 3 Aspera; que 
corresponde a cultivos ásperos en línea y árboles bajos, y 4 Muy Aspera; bosques 
y huertos. Tabulando estos índices en la tabla 3.1 se obtiene un rango de 
velocidad anual promedio entre 2,6 m/s y 3,7 m/s a 10 metros de altura. 
 
IM-2005-I-43 
 29
 
Tabla 3.1 Rangos de velocidades de viento con diferentes rugosidades de terreno. (4) 
 
Según la literatura, estos rangos de velocidades pueden se una buena opción para 
aerobombeo de agua, pero no para generación eléctrica. A pesar de que 
inicialmente se podría aprovechar directamente la energía mecánica generada, se 
debe recordar que el bombeo de agua no se ha planteado como una de las 
necesidades de la comunidad en cuestión. 
 
Otra forma de estimar el potencial fue interrogando a la gente local sobre que tan 
importante creen que es el recurso eólico en la región. Estas entrevistas arrojaron 
como resultado que el viento no es un recurso con potencial importante en la 
zona, pues los lugareños manifestaron que a pesar que en algunas épocas del año 
la intensidad del viento aumenta, esto ocurre en periodos de tiempo muy cortos y 
nunca se han presentado velocidades de viento que ellos consideren altas. 
 
3.3.3 Potencial preliminar energía Hidráulica. Como una aproximación inicial del 
valor del recurso hídrico de la zona, se utilizo el mapa de potencial hidroenergético 
de Colombia realizado por el Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas 
INEA (Ver anexo 2). En este mapa como primera aproximación para establecer el 
potencial físico hidroenergético se han tomado como base las características del 
territorio, en este caso, el agua y las posibilidades del terreno para aprovecharla, a 
partir de dos variables. 
 
La primera es la escorrentía, cuyos datos proceden del estudio de Balance Hídrico 
de Colombia, realizado por la Universidad Nacional para la UPME (Unidad de 
Planeación Minero Energética). 
 
 La segunda variable es la pendiente del terreno, ésta se construye como una capa 
de información a partir de modelos computacionales, tomando como variables de 
entrada las curvas de nivel que dan cuenta de la topografía y la red de drenajes. 
IM-2005-I-43 
 30
Con dichas variables se construye un Modelo de Elevación Digital (DEM), a partir 
de este modelo se obtiene la pendiente en valores de porcentaje. 
 
Para obtener el mapa se realiza la siguiente clasificación de donde se obtienen los 
seis niveles, alto, medio alto, medio bajo, bajo y muy bajo. 
 
A la escorrentía dada en mm al año, se le asignó un peso del 60% sobre la 
calificación total, y se clasificó en las siguientes cinco clasificaciones: Muy baja (0–
1000), Baja (1000–1500), Media (1500–2000), Alta (2000–2500) y muy alta 
(>2500). 
 
A la pendiente del terreno dada en porcentaje, se le asignó un peso del 40% 
sobre la calificación total, y se clasificó en las siguientes tres calificaciones: Baja 
(0-3%), Media (3%-15%) y Alta (>15%). 
 
Localizando la zona de estudio en el mapa, se observa que según los criterios 
mencionados, el potencial Hidroenergético de la región es Medio Alto, lo que 
muestra que aunque se tienen que hacer estudios mas puntualizados en las 
corrientes de agua de la Vereda, la energía Hidráulica es una alternativa con 
potencial altamente aprovechable en la región. 
 
En la vereda está ubicada la quebrada Chilipra, que según los habitantes de la 
zona es la corriente de agua más grande de la región después del río Cusiana, por 
esto y porque presenta una topografía favorable se selecciono este cuerpo de agua 
para realizar el estudio de potencial para el diseño de una PCH. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
IM-2005-I-43 
 31
4. CÁLCULO DE POTENCIAL 
 
 
Como se concluyóen el capitulo anterior, la alternativa seleccionada fue la 
generación de Energía hidráulica para la molienda de caña y de granos, 
aprovechando el recurso disponible en la Quebrada Chilipra ubicada en la vereda El 
Rincón de Vijua. 
 
Las variables que se buscan medir para calcular el potencial energético del recurso 
hídrico, son el caudal o descarga, y la cabeza disponible o caída. En el presente 
capitulo se van a describir los métodos utilizados para medir las variables 
mencionadas, los problemas que se tuvieron en la recopilación de datos, y el 
potencial calculado en la corriente de agua seleccionada. 
 
4.1 MÉTODOS DE MEDICIÓN 
Actualmente existen varias técnicas con diferentes niveles de sofisticación, para 
medir tanto la cabeza como el caudal de una corriente de agua, pero para el 
diseño de una Pequeña Central Hidráulica PCH, no se necesitan técnicas de 
medición que sean muy precisas, pues datos con dos cifras significativas son mas 
que suficientes para realizar el diseño de este tipo de centrales. Experiencias 
anteriores; registradas en la literatura, muestran que mediciones más precisas no 
representan ganancia alguna a este tipo de proyectos, y por el contrario aumentan 
los costos en la etapa de estudio de potencial. 
 
4.1.1 Medición de cabeza. Lo primero que se hizo, fue recorrer la quebrada y 
seleccionar con ayuda de un mapa topográfico de la zona, un buen sitio para la 
bocatoma y para el tanque de carga, después de esto se buscó la forma de 
aprovechar la cabeza disponible, diseñando el recorrido del agua de forma que 
permitieran una reducción en la longitud de la tubería necesaria. 
 
Después de ubicar el tanque de carga; con ayuda de un Sistema de 
Posicionamiento Global GPS; por sus siglas en inglés, y utilizando el mapa 
topográfico, se buscó una buena ubicación para la casa de máquinas y se midió la 
diferencia de nivel entre las dos ubicaciones, dicha diferencia de nivel es la cabeza 
aprovechable para la generación de energía. 
 
IM-2005-I-43 
 32
 
Figura 4.1 GPS utilizado en la toma de datos. 
 
 
4.1.2 Medición de caudal. A diferencia de la caída aprovechable, los caudales 
varían a lo largo del año. Lo primero que se hizo fue buscar datos históricos del 
caudal de la quebrada y de corrientes cercanas con cuencas similares en el IDEAM 
(Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales). 
 
Debido a que la quebrada no está instrumentada y a que no se dispone del tiempo 
suficiente para realizar mediciones a lo largo del año, se buscó un método para 
estimar el caudal mínimo anual, pues se espera que a lo largo del año el caudal no 
baje de dicho valor, para que se pueda cumplir con los requerimiento de cantidad 
de agua de la turbina. 
 
 
Velocidad de flujo. Lo primero fue determinar la velocidad de flujo por medio 
del método del flotador, este método consiste en seleccionar una longitud del flujo 
que sea relativamente recto y uniforme, luego se pone un flotador (Un pedazo de 
madera, o una botella plástica medio llena pueden servir) y se mide el tiempo t, 
que se demora el flotador en recorrer una distancia D previamente medida en el 
IM-2005-I-43 
 33
tramo seleccionado. Luego se puede estimar la velocidad superficial de flujo “vs” 
con la formula vs=D/t. 
 
La velocidad del agua en la superficie “vs”, no representa la velocidad promedio 
de flujo ya que el agua cerca de los bordes de la corriente y cerca al fondo, se 
mueve más lento que en el centro de la superficie, debido a la rugosidad del fondo 
y a la viscosidad del agua. Un valor aproximado de la velocidad media de flujo “V”, 
se puede obtener multiplicando la velocidad superficial “vs” por un factor de 
corrección “C”, el cual varía desde 0,6 para fondos rocosos, hasta 0,85 para fondos 
lisos. 
 
 
Área transversal. Luego de calcular la velocidad media de flujo se realiza un aforo 
que consiste en medir el área transversal de la quebrada en diferentes secciones 
de un tramo seleccionado de la quebrada para calcular el caudal aproximado de la 
quebrada. 
 
Para aforar se divide cada una de las secciones en puntos equidistantes; el 
espaciamiento de los puntos depende del ancho de flujo, de la rugosidad del 
fondo, y de la precisión requerida. Se requieren menos puntos de medición si el 
perfil de la sección transversal es uniforme. Luego de determinar el número de 
puntos y su espaciamiento se mide la profundidad en cada uno de ellos, se 
promedian las profundidades de los extremos de cada área parcial y el resultado 
se multiplica por el espaciamiento entre puntos, después se suman las áreas 
calculadas para obtener un estimativo del área de cada sección transversal del 
flujo. 
 
Teniendo la velocidad media de flujo y el estimativo de las áreas, se multiplica la 
velocidad por cada área, y se promedia el resultado para así obtener un valor 
aproximado del caudal de la quebrada. 
 
 
 Figura 4.2 Medición área. (1) Figura 4.3 Medición velocidad. (1) 
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 34
4.2 RESULTADO DE MEDICIONES 
La fotografía es del lugar donde se hicieron las mediciones, también se presenta 
un mapa para ubicar el lugar en la quebrada. 
 
 Figura 4.4 Tramo medido Figura 4.5 Ubicación del tramo medido.(7) 
 
4.2.1 Velocidad de flujo. La longitud medida del tramo seleccionado para las 
mediciones es de 3 metros, se tomaron diez medidas del tiempo que le tomo al 
flotador recorrer esta distancia, y se obtuvo un tiempo promedio de 3,7 segundos. 
Entonces la velocidad superficial central de flujo “ vs” es: 
 
 
 
 
 
 
Debido a que el fondo de la quebrada en el tramo medido es rocoso, se toma el 
factor de corrección como 0,6, lo que indica que la velocidad media de flujo es: 
 
 
 
 
 
 
Este valor de 0,49 m/s es el que se va a utilizar para calcular el caudal de la 
quebrada. 
 
4.2.2 Área Transversal. Se midieron tres secciones en el tramo seleccionado, los 
datos tomados se presentan en la memoria de cálculos en el anexo 4. Los 
resultados fueron los siguientes: 
 
s
m
s
s
v
v
81,0
7,3
0,3
=
=
s
mV
s
mvs
01,049,06,0*81,0
81,0
±==
=
IM-2005-I-43 
 35
i Profundidad(m) AREA (m2)
0 0
1 -0,2 0,05
2 -0,3 0,12
3 -0,55 0,1
4 -0,48 0,13
5 -0,32 0,2
6 -0,3 0,15
7 -0,15 0,11
PERFIL 1
 
Tabla 4.1 Datos primer perfil medido 
 
Perfil 1
-0 ,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
Pr
o
fu
nd
id
ad
 (m
)
Figura 4.6 Primer perfil medido 
 
i Profundidad(m) AREA (m2)
0 -0,05
1 -0,06 0,03
2 -0,65 0,18
3 -0,34 0,25
4 -0,27 0,15
5 -0,15 0,1
6 -0,15 0,08
PERFIL 2
 
Tabla 4.2 Datos segundo perfil medido 
 
IM-2005-I-43 
 36
PERFIL 2
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
Pr
of
un
di
da
d 
(m
)
 
Figura 4.7 Segundo perfil medido 
 
i Profundidad(m) AREA (m2)
0 0
1 -0,3 0,08
2 -0,36 0,16
3 -0,51 0,22
4 -0,7 0,3
5 -0,36 0,26
6 -0,15 0,13
7 -0,15 0,08
PERFIL 3
 
Tabla 4.3 Datos tercer perfil medido 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4.8 Tercer perfil medido 
 
PERFIL 3
-0,8
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
Pr
of
un
di
da
d 
(m
)
IM-2005-I-43 
 37
Los resultados de las mediciones del área se muestran en la siguiente tabla. 
 
Perfil AREA (m2)
1 0,86±0,0002
2 1,23±0,0002
3 0,79±0,0002 
Tabla 4.4 Áreas calculadas de los perfiles 
 
4.2.3 Cabeza disponible. Utilizando el GPS utilizado y el mapa topográfico utilizado 
con escala (1: 25000), la diferencia aprovechable de nivel es 25 metros. En la 
siguiente figura se muestra la zona en el mapa par mostrar la ubicación de la 
bocatoma (cuadro gris), del tanque de carga (cuadro negro) y de la casa de 
máquinas (cuadro blanco). 
 
 
Figura 4.9 Ubicación de bocatoma, tanque de carga y casa de máquinas (7) 
 
4.3 CÁLCULO DE POTENCIAL 
 
Q = A * V 
 
AREA (m2) Velocidad (m/s) Caudal (lts/s)
0,86 0,49±0,01 0,42
1,23 0,49±0,01 0,60
0,79 0,49±0,01 0,39
0,47±0,01Caudal Promedio (m3/s)
 
Tabla 4.5 Resultado de mediciones de caudal 
 
Los datos fueron tomados en la última semana de Abril de 2005, época en la que 
el invierno predomina enla región, por esto el caudal calculado no se puede 
utilizar como el valor mínimo anual. 
IM-2005-I-43 
 38
 
Para estimar el caudal mínimo anual se utilizó la siguiente formula de Manning: 
 
 
 
Q = Caudal 
A = Área 
n = n de Manning 
R = Radio hidráulico 
S = Pendiente del terreno 
 
Para una Pequeña Central Hidroeléctrica PCH, el caudal de diseño debe tener un 
85% de confiabilidad, lo que equivale a decir que el caudal de la quebrada puede 
estar por debajo del valor de diseño, máximo quince días al año. 
 
El factor n de Manning se obtiene comparando el fondo de la quebrada con 
fotografías de referencia que se pueden encontrar en libros de hidráulica de 
canales abiertos. 
 
El área y el radio hidráulico se pueden estimar preguntando a los ribereños, los 
niveles mas bajos que han observado en la quebrada a lo largo de los últimos 
años. 
 
El resultado de la estimación del caudal mínimo es: Qmin = 190 lts/s. 
 
Según las necesidades energéticas descritas en el capitulo anterior, se necesitan 6 
kW de potencia, utilizando la formula de potencia para turbinas hidráulicas, se 
calculó que el caudal necesario es 37,4 litros por segundo, con lo que se puede 
afirmar, que la quebrada cuenta con el potencial suficiente para cumplir con los 
requerimientos del proyecto a lo largo del año. 
 
 
 
Q = Caudal 
H = Caída 
Η = eficiencia ≈ 70 % 
 
 
5. DISEÑO DE LA PEQUEÑA CENTRAL HIDRÁULICA PCH 
 
 
2/13/2 ***
1
SRA
n
Q =
ηγ *** HQPotencia Agua=
IM-2005-I-43 
 39
En este capitulo se mostrara una descripción y el resultado del proceso de diseño 
de cada componente de la central, los cálculos se pueden consultar en el anexo 4. 
El diseño se enfocó en las partes mecánicas más que en las obras civiles; debido al 
contexto del proyecto, por esto se muestra solo una breve referencia del diseño de 
la parte civil (excepto la tubería de carga) y una descripción mas detallada del 
diseño de elementos mecánicos. 
 
5.1 OBRAS CIVILES 
Las obras civiles para una microcentral pueden ser simplemente las que se 
muestran en la imagen, pero algunas veces algunos componentes extras como 
vertederos, compuertas o rejillas se deben incorporar al diseño. 
 
 
 
 
Figura 5.1 Ilustración de los principales componentes que se deben incluir en una PCH. 
(1) 
 
 
5.1.1 Embalse o presa. Como se mostró en el capitulo anterior, la quebrada 
cuenta con el potencial suficiente, para cumplir con los requerimientos de caudal y 
de cabeza de la central, lo que permite evitar la construcción de un embalse como 
IM-2005-I-43 
 40
reservorio de agua, ya que el agua va a ser usada a una tasa menor a la que fluye 
normalmente por el río; inclusive en las épocas secas del año. 
 
La construcción de un embalse también 
permite aumentar la cabeza disponible en 
un sitio determinado, pero en los lugares 
donde la cabeza disponible es suficiente 
para la potencia que se quiere generar, el 
incremento de cabeza producido por un 
embalse, no es significativo en comparación 
con el costo que implica su construcción. En 
la gráfica se ilustra las limitaciones del 
incremento de cabeza que puede ofrecer 
una presa. 
 
 
 
 
 
Figura 5.2 Efecto de un embalse sobre la caída disponible (1) 
 
 
5.1.2 Bocatoma. La bocatoma permite mantener un flujo controlado desde la 
corriente de agua hacia el canal de conducción, funcionando como un área de 
transición entre un flujo que puede crecer y volverse turbulento, y un flujo de agua 
que debe ser controlado en cantidad y calidad 
 
Debido a que el fondo de la quebrada está compuesto principalmente por cantos 
rodados (rocas de forma redondeada) de diferentes tamaños, no es recomendable 
hacer una bocatoma en concreto, porque puede ser destruida por la fuerza del 
agua, ya que según testimonios de los ribereños, durante las crecientes la 
quebrada arrastra muchas rocas grandes, que pueden destruir obras en concreto 
pequeñas. Por esta razón se decidió que la bocatoma se puede construir 
acomodando algunas de las rocas de la quebrada, que se pueden reemplazar 
fácilmente en la eventualidad que la fuerza del agua las desacomode. En las 
siguientes fotografías se muestra el tipo de rocas que hay en la quebrada y como 
acomodándolas se puede desviar el agua. 
 
IM-2005-I-43 
 41
 
 Figura 5.3 Desvío de flujo usando rocas Figura 5.4 Quebrada Chilipra 
 
5.1.3 Canal de conducción. Este canal se usa para llevar agua a una distancia 
relativamente grande, desde la corriente del agua hasta la entrada de la tubería de 
carga, minimizando las perdidas de cabeza a un costo mínimo. 
 
Para determinar la dimensión del área transversal, y la pendiente del canal, 
primero se deben determinar, la velocidad del agua en el canal, el coeficiente de 
rugosidad del canal y la forma del área transversal. 
 
La velocidad del agua debe ser lo suficientemente alta para evitar sedimentación, y 
lo suficientemente baja para evitar la erosión de las paredes y el fondo del canal, y 
para mantener las pérdidas de cabeza por debajo de límites permisibles a lo largo 
del canal. 
 
Aunque no se realizo un estudio del agua, se puede decir que el agua no lleva 
partículas muy gruesas, pues por observaciones previas se sabe que el agua de la 
quebrada, no permanece turbia a lo largo del año, excepto en las crecientes. 
 
Para la calidad de agua de la quebrada, la velocidad mínima permisible para evitar 
sedimentación en el canal es aproximadamente 0,4 m/s, y la máxima para evitar 
erosión en el canal es 0,45 m/s. Para determinar la rugosidad se busco información 
sobre suelos y se encontró que para tierra, la rugosidad es aproximadamente 
0,03. 
 
El perfil más común y de más fácil realización es la trapezoidal, por esto va a ser el 
que se va a utilizar para la excavación del canal, dicha excavación se va a realizar 
a pala por los jornaleros de la zona. 
Flujo Normal
Flujo desviado
IM-2005-I-43 
 42
 
 
Figura 5.5 Pasos para diseño de canal de conducción (1) 
 
En el diagrama anterior se muestra el procedimiento que se debe seguir para 
diseñar el canal de conducción. 
 
El área se calcula sabiendo que A=Q/v, y el resultado es A= 0.082 m2 
El radio hidráulico para el perfil seleccionado es 0.106 m, lo que quiere decir que 
las dimensiones son: d=21,2 cm, w=60 cm, y θ=45O 
 
 
Figura 5.6 Perfil de canal trapezoidal (1) 
 
Según la solución gráfica de la ecuación de Manning, la pendiente del canal debe 
ser 0,5%. 
 
 
5.1.4 Tanque de carga. El diseño del tanque de carga es muy simple, para esto se 
puede utilizar un tanque rectangular de concreto. Las dimensiones que se van a 
utilizar son: Longitud 2 metros, Ancho 1 metro y Altura 1 metro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
IM-2005-I-43 
 43
 
Figura 5.7 Ejemplo de tanque de carga (1) 
 
En la gráfica anterior se observa una ilustración de un diseño del tanque, que 
además permite que se use una tapa para evitar que caigan contaminantes al 
tanque. 
 
 
5.1.5 Tubería de carga. Para reducir costos y simplificar el diseño, se va a utilizar 
una tubería flexible para agua potable (ACUAFLEX de PAVCO), la ventaja de esta 
tubería radica en que presenta un coeficiente de fricción muy bajo y además 
puede ir enterrada evitando así evita la necesidad de soportes que pueden 
aumentar el costo del proyecto. 
 
Los cálculos de diámetro se pueden encontrar en el ANEXO 4. Los resultados son 
los siguientes: para cumplir con los límites de perdidas por fricción y turbulencia el 
diámetro mínimo comercial para transportar el caudal de diseño es 160 mm. La 
tubería de PAVCO de ese diámetro cumple además con los requerimientos de 
presión estática, y de presión adicional causada por el golpe de ariete. 
 
Las especificaciones para instalación de la tubería se pueden encontrar en el 
manual de la tubería ACUAFLEX de PAVCO. 
 
5.1.6 Casa de máquinas. La casa de máquina puede ser una estructura enramada 
de 20 metros cuadrados de área, pues las máquinas no exigen mayor espacio y 
simplemente se necesita protección contrael clima, ya que la seguridad no es un 
problema en la zona. 
IM-2005-I-43 
 44
5.2 DISEÑO DE LA TURBINA 
En esta parte del capítulo se van a describir los procesos de diseño de las 
diferentes partes mecánicas de la turbina, solo se van a mostrar los resultados de 
diseño, pues los cálculos se presentan en el ANEXO 4 
 
5.2.1 Rueda Pelton. La rueda peltón se diseña para que la máxima entrega de 
potencia, ocurra cuando la velocidad del chorro de agua sea el doble de la 
velocidad lineal del cangilón. En la siguiente tabla se muestra las dimensiones 
obtenidas para diferentes velocidades de rotación del rodete (N). D es el diámetro 
del rodete. 
 
N(rpm) nj d2(m) D(m) m nc A(m) B(m) C(m)
1 0,047 21,34 25,92 0,058 0,148 0,049
2 0,033 30,90 30,45 0,042 0,105 0,035
3 0,027 37,83 33,91 0,034 0,085 0,028
1 0,047 10,92 20,46 0,058 0,148 0,049
2 0,033 15,45 22,72 0,042 0,105 0,035
3 0,027 18,91 24,45 0,034 0,085 0,028
1 0,047 7,28 18,64 0,058 0,148 0,049
2 0,033 10,30 20,15 0,042 0,105 0,035
3 0,027 12,61 21,30 0,034 0,085 0,028
200
400
600
1,029
0,514
0,343
 
 Tabla 5.1 Resultados de diseño de rueda Pelton (2) 
 
En amarillo se muestran los resultados obtenidos de acuerdo con los parámetros 
seleccionados. Ya que los cangilones se van a fabricar por fundición, utilizando 
moldes ya construidos por el Ingeniero Jaime Loboguerrero (asesor del proyecto), 
se selecciono la dimensión del cangilón de acuerdo a las dimensiones del molde 
más grande. 
 
Para lograr un diseño eficiente se debe buscar una buena combinación, entre el 
número de cangilones, la relación de diámetro (m) del disco y el chorro y el 
número de chorros. 
 
Al tener en cuenta todas las variables de diseño mencionadas, se decidió tomar los 
valores mostrados en amarillo en la tabla. El rodete se va a fijar a la flecha usando 
un ajuste de interferencia suave, y un cuñero en el cubo. Los planos se muestran 
en el ANEXO 5. 
 
Para la fabricación de la rueda se sueldan los cangilones fundidos y pulidos al 
disco, y se deja enfriar la soldadura lentamente para lograr una unión más tenaz. 
 
 
IM-2005-I-43 
 45
5.2.2 Transmisión de Potencia. La forma de transmisión de potencia se definió 
teniendo en cuenta varios factores. Lo primero fue averiguar la velocidad de 
operación tanto del trapiche como del molino para saber si se podía acoplar 
directamente, pero ambas máquinas operan a 200 rpm, y la rueda pelton se 
diseño para operar a 400 rpm, por lo que se necesita alguna transmisión que 
permita una reducción de velocidad. 
 
Los molinos de granos generalmente están diseñados para acoplarse a una fuente 
de potencia por medio de una transmisión de correa en v, y los trapiches 
funcionan con una transmisión de banda plana. Por esto se decidió que las 
transmisiones usadas para cada aplicación, fueran las mencionadas anteriormente, 
a pesar que las dimensiones de las correa y de la banda están determinadas por el 
diseño de los fabricantes, en el anexo 4 se pueden encontrar los cálculos de 
selección de bandas y correas. 
 
El tipo de transmisiones por correa son las más usadas en pequeñas centrales 
hidráulicas, ya que cuando existe mas de una máquina impulsada por una única 
turbina, es difícil hacer un acoplamiento directo, y las correas son una buena 
solución porque son fáciles de encontrar y económicas, además las bandas y 
correas absorben choques que se pueden causar repentinamente por cambios de 
la carga u otros factores. Una medida del efecto de los choques es el factor de 
servicio, este factor es necesario para calcular la potencia de diseño de las correas. 
Para aplicaciones en pequeñas centrales hidráulicas un factor de servicio de 1,5 es 
adecuado. 
 
Las poleas que se van a utilizar son comerciales, se van a utilizar poleas de 
aluminio de la mitad del diámetro de las poleas de cada máquina, para lograr así la 
reducción de velocidad deseada. 
 
5.2.3 Diseño de la flecha. La primera parte en el diseño de una flecha giratoria es 
establecer las fuerzas estáticas y dinámicas que actuarían sobre la flecha. Luego se 
cálcula el diámetro mínimo para cumplir con los límites de deflexión de los 
rodamientos. Y después se calcula utilizando la teoría de esfuerzos de Von-Misses, 
los diferentes diámetros que soporten los esfuerzos en los diferentes puntos a lo 
largo del eje. El resultado de este procedimiento es un eje escalonado que permite 
un buen apoyo para los rodamientos. 
 
El resultado de diseño se encuentra en el ANEXO 5, y los cálculos en la memoria 
de cálculos en el ANEXO 4. Los cálculos para el diseño de la flecha se hicieron para 
un acero AISI 1020 CR, obteniendo un factor de seguridad de 3, pero sabiendo 
que la máquina probablemente no va a ser operada de una forma cuidadosa, se 
IM-2005-I-43 
 46
decidió utilizar un acero AISI 4140 CR, que tiene mayor resistencia a la fatiga y 
permite obtener un factor de seguridad de 11. 
 
Las poleas y la rueda pelton van sujetas al eje utilizando un ajuste de interferencia 
suave y un sistema de cuña y cuñero, las cuñas se diseñan con un factor de 
seguridad de 4 que garantiza que en una eventualidad que pueda ocurrir, fallen 
primero las cuñas que el eje u otros elementos. Las cuñas son rectangulares de ¼ 
de pulgada y de 1 ½ pulgadas de longitud. 
5.2.4 Selección de rodamientos. Los rodamientos que se van a usar son de bolas 
de contacto angular pues tienen un buen balance entre resistencia a la fatiga y 
costo. Se seleccionan los diámetros comerciales más cercanos por encima a los 
diámetros obtenidos en los cálculos de resistencia. Tanto la selección de los 
rodamientos y soportes como el cálculo de vida se realizaron con los 
procedimientos y recomendaciones del manual SKF. 
 
 
5.2.5 Elementos de control y seguridad. Debido a que no se va generar energía 
eléctrica el sistema de control es muy simple, consta de un freno y una válvula al 
final de la tubería de carga, si se quiere detener la rueda, se debe aplicar el freno 
que simplemente es un sistema que desvía el flujo de los chorros y evita que 
golpeen los cangilones y después se cierra la válvula lentamente. En la siguiente 
gráfica se muestra un esquema del funcionamiento del sistema de freno. 
 
 
 Figura 5.8 Desviador de chorro. (10) 
 
 
Para seguridad de los operadores todo el sistema se va cubrir con una tapa que 
evita que nada toque ninguno de los elementos en movimiento. 
 
IM-2005-I-43 
 47
 
5.2.6 Esquema final. En la siguiente gráfica se muestra una vista del esquema 
final de montaje de la turbina. 
 
 
Figura 5.9 Esquema final de diseño 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
IM-2005-I-43 
 48
6. VIABILIDAD ECONÓMICA DEL PROYECTO 
 
6.1 PROYECCIÓN ENERGÉTICA 
Para establecer una proyección energética a nivel macro, se analizó el Plan 
Energético Nacional y se tomaron como guía tanto la proyección de demanda, 
como la proyección de precios, para el sector industrial. 
 
En el sector industrial se esperan tasas de crecimiento entre 4% y 5% cada cuatro 
años desde la actualidad hasta el año 2020, que está hecho el estudio. Los datos 
mencionados se encuentran en la siguiente tabla. 
 
Tabla 6.1 (6) 
 
Según el Plan Energético Nacional, los costos de energía no van a tener aumentos 
considerables para el sector industrial, lo que nos permite usar el precio actual de 
la energía para el cálculo de amortización del proyecto. En la siguiente gráfica se 
observa la proyección de pecios mencionada. 
 
 
Figura 6.1 (6) 
IM-2005-I-43 
 49
6.2 CÁLCULO DE AMORTIZACIÓN DEL PROYECTO 
Como se menciono en el capitulo 3, el consumo de energía de las máquinas se 
estima en 7800 kWh/año, y el precio actual de energía en la zona para el sector 
industrial es de $240/kWh, lo que implicaría un ahorro en energía de $1’872.000 
por año. Como se menciono en el numeral anterior, según los pronósticos del plan 
energético nacional, se espera que el precio de la energía para el sector industrial, 
no cambie significativamente en los próximos16 años, por lo que se puede usar el 
gasto de energía calculado en todo el horizonte de tiempo, para determinar el 
tiempo de amortización del proyecto. 
 
En el anexo 3 se muestra una tabla con los precios cotizados para las diferentes 
partes de la PCH, al sumar estos precios unitarios se obtuvo un costo total del 
proyecto de $7’920.000, para una potencia total instalada de 6kw, con lo que se 
obtiene un costo aproximado de 660 dólares por kilowatt ($US 660/kW). 
 
Según experiencias anteriores registradas en la literatura, se sabe que el costo 
anual de mantenimiento de una PCH, es aproximadamente el 5% de la inversión 
inicial. Lo que sería un costo aproximado de 400000 pesos por año ($400000/año). 
 
Para el cálculo del tiempo de amortización, se realizó un flujo de caja con una 
inversión inicial equivalente al costo del proyecto, y unos ingresos anuales 
equivalentes al ahorro de energía menos el costo de mantenimiento de la PCH. Lo 
resultados son: 
 
 
 
Después de establecer el flujo de caja, se estima el tiempo de amortización, 
calculando el número de años de funcionamiento necesarios, para que el valor 
presente neto VPN del proyecto en el año cero sea nulo. Se asume una tasa 
representativa del 12% efectivo anual. 
 
 
 
 
 
 
7’920.000
1472000 
añosn
ii
iiVPN
n
n
 15,9
12% del interes de tazaPara
)1(
1)1(*14720007920000)(
≈
+⋅
−+
+−=
IM-2005-I-43 
 50
Según los cálculos el tiempo de amortización del proyecto es 9,8 años lo que 
equivale a 9 años y 2 meses. 
 
6.3 FUENTES DE FINANCIACIÓN 
El gobierno nacional a través de la Unidad de Planeación Minero Energética UPME, 
cuenta con unos fondos de financiación para proyectos de energización en zonas 
rurales, uno de estos fondos es el FAER o Fondo para la Energización de las Zonas 
Rurales Interconectadas, este fondo fue creado por la ley 788 de 2002 y 
reglamentado por el Decreto 3652 de 2003. Su objeto es aportar recursos para 
desarrollar proyectos que lleven energía a las zonas rurales del sistema 
interconectado nacional. 
 
Para acceder a los recursos del fondo, el proyecto debe ser estructurado por unja 
entidad territorial, después de ser presentado a la UPME esta entidad se encarga 
de verificar si cumple con los requisitos, y si el proyecto es viable técnica y 
financieramente. 
 
Para la ejecución de los recursos del FAER asignados a un proyecto, el Ministerio 
de minas y energía firma un convenio con la entidad territorial para la ejecución 
del proyecto. El proyecto debe contar con recursos de la entidad territorial, que 
representen mínimo el 10% del valor solicitado al fondo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
IM-2005-I-43 
 51
7. CONCLUSIONES 
 
Los cálculos demostraron que la alternativa mas viable en la vereda que se realizo 
el estudio, es la energía Hidráulica, pero gracias a la diversidad topográfica que 
posee Casanare, las otras energías renovables; excepto la de los océanos, 
pueden ser alternativas bastante viables, para solucionar necesidades energéticas 
de comunidades ubicadas en lugares con condiciones climáticas, topográficas y 
geológicas diferentes a la de la vereda seleccionada. 
 
Es importante mostrar la importancia de la medición de recursos naturales en 
Casanare, ya que actualmente no existen un número suficiente de estaciones 
metereológicas, que midan las diferentes variables que permitan calcular con mas 
precisión, el potencial energético de las diferentes regiones del departamento. 
 
Después de hablar con las diferentes autoridades civiles del departamento, se 
puede decir que se está despertando un interés, por empezar a invertir una mayor 
parte de las regalías destinadas a desarrollo de infraestructura, en proyectos de 
solución a necesidades energéticas, pues en la actualidad dichas regalías están 
siendo invertidas en su mayoría, en proyectos de obras civiles. 
 
Las energías renovables son alternativas importantes para solución de necesidades 
energéticas, tanto en zonas rurales no interconectadas, como en zonas rurales o 
urbanas que cuenten con interconexión eléctrica. Tanto así, que los fondos 
disponibles para la financiación de este tipo de proyectos, abarcan el desarrollo de 
los mismos en las dos situaciones mencionadas. 
 
Según el cálculo realizado para el tiempo de amortización de la inversión inicial, el 
proyecto muestra una viabilidad financiera alta, pues si se logra acceder a una 
fuente de financiación, la inversión inicial sería menor y por ende se reduciría el 
tiempo de amortización. Si por el contrario no se logra obtener una financiación 
gubernamental, al comparar la opción de energizar el proyecto utilizando la 
energía eléctrica de la red que pasa por la vereda, contra la opción propuesta en 
este proyecto, el valor presente neto daría positivo, demostrando una vez mas que 
el proyecto es financiera y técnicamente viable, sabiendo que la vida útil es mayor 
a diez años. 
 
Actualmente las comunidades rurales de Casanare desean diversificar sus 
actividades económicas, pero el precio de la energía eléctrica o la falta de 
interconexión en estas zonas, no permiten desarrollar proyectos financieramente 
viables, por esto, proyectos como este son importantes pues generan confianza en 
la comunidad, para la implementación de las energías renovables como solución de 
necesidades energéticas. 
IM-2005-I-43 
 52
BIBLIOGRAFÍA 
 
 
1. INVERSIN, Allen. Micro-Hydropower Sourcebook: A practical guide to 
design and implementation in developing countries. Primera edición. USA 
1986 
 
2. BALJE, O.E. Turbomachines, a guide to design, selection, and theory. 
USA 1981 
 
3. GOLDEN, Frederick y BATRES DE LA VEGA, Luis. Termofluidos, 
Turbomáquinas y Máquinas térmicas. México, 1981 
 
4. PINILLA, Alvaro. Manual de aplicación de la energía eólica. Primera 
edición. Bogotá 1997 
 
5. UPME. Energías renovables: descripción, tecnologías y usos finales. ISBN 
9383-36-X. 
 
6. UPME. Plan energético nacional, estrategia energética integral, Visión 
2003-2020. Bogotá. 2003 
 
7. IGAC. Carta general 211-II-a. Escala 1:25000. Bogotá 1998 
 
8. PAVCO. Manual técnico: sistemas de tuberías y accesorios PEAD para 
conducción de agua potable acuaflex. 
 
9. UPME. Mapa de recursos energéticos renovables. Bogotá 2003 
 
10. VIVIER, Lucien. Turbines hydrauliques et leur regulation : theorie-
contribution-utilisation / par Lucien Vivier. Paris : Albin Michel, 1966 
 
11. SHIGLEY, Joseph E. Diseño en ingeniería mecánica. Sexta edición. 
McGraw Hill. Mexico 2003 
 
12. STREET,Robert L. Elementary fluid mechanics. Séptima edición. John 
Wiley & Sons. USA 1996 
 
13. MATAIX, Claudio. Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. Ediciones 
del castillo. Madrid 1970 
 
 
IM-2005-I-43 
 53
ANEXO 1 
 
 
Mapa de velocidad media anual Vientos de Colombia, versión 
Preliminar 
 
 
 
 Fuente (9) 
 
 
IM-2005-I-43 
 54
ANEXO 2 
 
 
Mapa de potencial hídrico (Preliminar) 
 
 
 
 Fuente (9) 
 
 
IM-2005-I-43 
 55
ANEXO 3 
 
Tabla de costos de las diferentes partes diseñadas 
 
Descripción Costo 
Canal de 
conducción 1000000 
Tanque 500000 
Zanja tubería 300000 
Casa de máquinas 500000 
Tubería de carga 3500000 
Válvula de cortina 480000 
Rodete 650000 
Flecha 160000 
Rodamientos 280000 
Soportes 
rodamientos 385000 
Poleas 100000 
Correas 29000 
Otros 30000 
Costo Total 7914000 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANEXO 5 
IM-2005-I-43 
 56
 
Planos de diseño 
 
Plano del eje, las medidas están en milímetros.