Calculo turbina Amazonia

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1. INTRODUCCIÓN

La idea de utilizar la fuerza de lacorriente de los ríos no es nueva,existen muchas propuestas de diseñode turbinas para aprovechar este re-curso a pequeña y gran escala 1 . Sinembargo, en la realidad, poco se co-noce sobre experiencias de aplica-ción masiva, más allá de algunos mo-delos artesanales de aplicación muyrestringida (modelos ad-hoc paracada caso). La experiencia más desta-cable conocida por su largo esfuerzode desarrollo ha sido el caso de la tur-bina Garman, diseñada por el Británi-co Peter Garman, un investigadorquien inició en ITDG sus actividadesen el tema.

A inicios de los 80´s, la oficina deITDG en United Kingdom, realizó algu-nos trabajos sobre las turbinas de ríoutilizando un rotor de eje vertical tipoDarrieus. Un prototipo de 4m2 fue di-señado e instalado en el río Nilo al sur

de Sudán con resultados satisfacto-rios2 .

La falta de fondos hizo que ITDGdescontinuara la investigación. Entre1988 y 1994, Peter Garman, el inge-niero responsable del proyecto inicia-do por ITDG continuó con el trabajopor cuenta propia desarrollando unaturbina de eje inclinado respecto a lahorizontal (aprox. 30º) para el bombeode agua, diseño que obtuvo el premioa la Tecnología Apropiada en19903 .

El desarrollo, mejoras y pruebas de

la turbina han sido continuos, actual-mente se fabrica y comercializa en Su-dán, Egipto, Somalia y otros países delAfrica. Una de las características de es-tos equipos es que pueden operar convelocidades del río entre 0.6 y 1.5 m/s,pudiendo irrigar hasta 12 hectáreas devegetales en 14 horas de trabajo dia-rio. La máxima altura de bombeo es de25 m.

2. LA EXPERIENCIA DE ITDG-PERU

2.1. Actividades de desarrollo de turbi-nas de río en el Perú

En 1996, el Programa de Energía deITDG-Perú, inició algunas actividadesconjuntas con Peter Garman para adap-

Turbinas de rio: una alternativa energéticapara la Amazonía

Saúl Ramírez y Rafael Escobar

tar su diseño la turbina Garman, en lageneración de electricidad en peque-ñas potencias y así satisfacer las peque-ñas demandas de energía en las peque-ñas comunidades ribereñas de la selvaperuana, con la posibilidad de que unavez probado su funcionamiento, sepueda transferir dicha tecnología aotras regiones donde existan recursoshídricos utilizables mediante esta má-

quina.Algunas de las actividades conjuntas

fueron las visitas de prospección derecursos en los ríos, Napo, Amazonas yHuallaga, encontrándose viable el uso deesta máquina para una gran cantidad depequeñas comunidades de la selvaperuana, especialmente en aquellos ríoscuyo gradiente es un poco mayor como esel caso del río Napo.

Durante los siguientes años con la co-laboración de organismos de coopera-ción técnica se logró financiar e instalarun modelo de 500W de potencia en lacomunidad El Paraíso, y que actualmen-te sirve como unidad piloto, en la cualel Programa de energía continua su tra-bajo de investigación y adaptación de latecnología.

2.2. La turbina de río de la comunidadEl Paraiso

Tomando en consideración lasevaluaciones previas del potencialenergético, la evaluación del nivel deorganización de las comunidades, elgrado de interés y la cercanía a Iquitos loque facilitaba el montaje, pruebas ymonitoreo, se decidió la instalación del

prototipo en la Comunidad Centro UniónParaíso.

a) Ubicación del proyecto: La Comuni-dad de Paraíso se encuentra a orillasdel río Napo, distrito de Mazán, provin-cia de Maynas, departamento de Lore-to. El acceso a esta comunidad se reali-za en transporte bi-modal partiendo delPuerto de Productores en Iquitos en losllamados rápidos4 hasta el Puerto deVaradero en Mazán (1 hora de viajepor el río Amazonas), se continua víaterrestre en motocar hasta el Puerto deMazán, para finalmente cruzar el ríoNapo, normalmente en pequepeque5 ,hasta la comunidad de Paraíso. El tiem-po total de viaje efectivo es de aproxi-madamente 1.5 horas.

Foto 1: Turbina Garman para bombeo de agua



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b) El acceso a la energía: La comunidad ElParaíso como la gran mayoría de comu-nidades rurales de la selva peruana tie-ne problemas muy serios para el acce-so a la energía; especialmente en lo quese refiere al alumbrado, ya que cuentacon limitadas opciones energéticas; su

posibilidad de acceso a la red nacionales nula, no existen (o si existen sonmuy escasos) lugares donde se puedautilizar energía hidráulica bajo la ópticay las tecnología existentes en el medio(mini o microcentrales hidráulicas),existen abundantes recursos de bioma-sa en base a una muy rica y variada flo-ra de la zona, sin embargo este recursono se puede utilizar sólo para la coc-ción de alimentos, pues su uson o via-bilidad en la generación de energía apequeña escala está aún en investiga-ción, la energía solar fotovoltaica esuna alternativa pero todavía sigue sien-do costosa.El uso de baterías ha servido actual-mente para satisfacer pequeñas deman-das de energía (radio, TV, iluminación).La desventaja, en este sentido, es el altocosto que implica el servicio de recar-ga, el cuál sólo se puede realizar en lasgrandes ciudades o capitales de distrito,con el consiguiente gasto en tiempo (enalgunos hasta dos días de viaje) y dine-ro (pasaje, alimentación y el costo delservicio). Dependiendo del lugar y la

oferta, el costo por recargar una bateríavaría entre S/. 3 a S/.7.No obstante, las comunidades ribere-ñas de la selva tiene la oportunidad deutilizar un recurso natural existente enlos ríos, potencial que ha sido confir-mado por ITDG en una breve evalua-ción de campo, en las que se realizaronmediciones de la velocidad en algunosríos de la selva alta y baja del Perú6 .

c) Instalación del primer prototipo: Lainstalación de un equipo en calidad deprueba fue la primera fase del desarro-

llo, este equipo fue donado en su totali-dad por Thropton Energy Systems (TES-UK). El equipo estaba compuesto porun rotor tripala (fibra de vidrio), un ge-nerador eléctrico acoplado directamen-te a un generador multipolo a través deun eje tubular y un tablero de controlde carga de baterías.

Los resultados del modelo instaladosirvieron como una fuente importante deinformación en el proceso de aprendizajedel equipo técnico, no solamente en eltema técnico sino en el tema social, sirviópara obtener información valiosa para eldesarrollo de un nuevo modelo bajo elconcepto de tecnología apropiada,utilizando materiales locales así comoconocimientos y habilidades locales.

Ese proceso de desarrollo se inició enAgosto de 1999, con la instalación delprimer prototipo por el equipo Técnicodel Programa de Energía de ITDG y lospobladores de la comunidad de Paraí-so. El funcionamiento de la máquinaprototipo instalada fue altamente irregu-lar, entre otras cosas debido a que lamáquina donada no había sido proba-da en campo. Las fallas fueron tanto enlos componentes eléctricos y electróni-cos, así como en los componentes me-cánicos.

A pesar de ello, en el poco tiempo queestuvo funcionando el equipo losresultados fueron alentadores:

- La comunidad comprendió que estetipo de tecnología es una opción realpara acceder a la energía eléctrica, portanto el entusiasmo por continuar in-vestigando conjuntamente con ITDGfue en aumento.

- Durante los cortos períodos que llego afuncionar la máquina prototipo, los po-bladores de comunidades vecinas y deMazán7, recurrían a Paraíso para recar-gar sus baterías, tanto por el costocomo por la rapidez del servicio.

- El costo del servicio de cargado de ba-terías en comunidades vecinas habíabajado sustancialmente, en Mazán, porejemplo el costo inmediatamente se re-dujo al 50%8.

El proceso de adaptación de la tecno-

logía se aceleró con el lamentable falle-cimiento de Peter Garman (Propietariode TES-UK), puesto que al desaparecerel principal investigador e inventor deesta máquina en UK, ITDG continuósolo en el proceso. Este hecho implicoun trabajo mayor de gabinete no previs-to inicialmente9, desarrollo pormenori-zado de cada una de los componentes,pasando por cálculos teóricos, diseños

Fig. 1: Esquema de instalación de la turbina de río

Foto 2: Equipo donado por TES, montaje del generador



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de ingeniería, construcción y pruebasde un nuevo modelo.

3. LA NUEVA TURBINA DE RIO

3.1. Diseño de los alabes

Para el diseño aerodinámico de losalabes se ha aplicado la teoría del alautilizada en el diseño de aerogenerado-res, con la salvedad de que en este casose trata de una máquina sometida aeventuales esfuerzos mayores y obvia-mente con otro tipo de fluido (agua).Para el cálculo del diámetro del rotor seutilizó la ecuación de potencia de lasturbinas eólicas:

( ) ηρ ⋅⋅⋅⋅⋅= pC V AP 3

2

1

⋅⋅⋅⋅⋅

=ηρ π pC V

Pd

3

8

⋅=4

2d A π

Donde:d: Diámetro del rotor de la turbina de

río (m)P: Potencia de diseño del aerogenera-

dor (W)r: Densidad del agua (kg/m3 )V: Velocidad del agua o río (m/s)A: Area barrida por la turbina (m2)

Cp: Coeficiente de potencia (adimensio-nal)h: Eficiencia del generador

D D V

d N

V

U

60

d

V N D60

Donde:N: Velocidad de giro del rotor (r.p.m.)U: Velocidad tangencial al extremo de

la pala (m/s)V

D: Velocidad de diseño (m/s)

l: Celeridad

a) El Rotor- Tres alabes fabricados en fibra de

vidrio- Diámetro nominal, 1.75 m.- Velocidad de giro, 45 r.p.m. a 1 m/s

de la velocidad del río- Dos platos de sujeción en acero

inoxidables para el montaje de losalabes

b) El Generador: Siempre con el objetivode reducir costos y contar con una tec-

nología que pueda ser fabricado local-mente, ITDG comenzó a trabajar en eldesarrollo de un generador de imanespermanentes, los que permitieron redu-cir la velocidad de generación, por unlado y por el otro, obtener un bajo cos-to del equipo10 el mismo que pudieraser adaptado al rotor de la turbina derío y finalmente proceder a su fabrica-ción y pruebas. Los principales compo-nentes del sistema son: Generación de

corriente alterna que a través de un sis-tema de diodos rectificadores transfor-ma el voltaje a 12 V y potencia, 250 Wa 360 r.p.m.

c) Árbol de transmisión- Consiste en un tubo de acero galva-

nizado de 1.5 de diámetro nomi-

nal. Esta acoplado directamente alrotor.

- Este tubo va encapsulado en otrode las mismas características con2.5 de diámetro nominal, que sirvede soporte y protección.

d) Otros- Fajas y poleas: componente inter-

medio entre el árbol de transmisióny el generador, es un amplificador

de velocidad.- Tablero de control: cuenta con losinstrumentos de medición básicos(voltímetro y amperímetro), y los res-pectivos diodos rectificadores para12 V.

- Balsa flotante, de fabricación localpor los propios pobladores.

Foto 3: Primer prototipo en funcionamiento

Foto 4: Alabes del rotor



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El equipo se terminó de instalar enabril del 2002 y viene brindando elservicio de carga de baterías en lacomunidad de Paraíso. ITDG continúacon el monitoreo del equipo,habiéndose realizado la última visita enOctubre del 20021, después de 6 meses

de funcionamiento, en la que se pudocomprobar que el equipo vienefuncionando normalmente siendo lomás importante que los pobladores hanasimilado y apropiado la tecnologíapudiendo fácilmente realizar lasoperaciones de mantenimiento, montajey desmontaje del sistema.

3.2. La organización de la comunidad

Si bien el proyecto tenía esencialmenteobjetivos técnicos y por lo tanto lamáquina de carácter piloto, debíamostrar principalmente resultados sobresu comportamiento. El equipo encargadodel desarrollo consideró de muchaimportancia trabajar en el tema de laorganización, tanto para el apoyonecesario de la comunidad durante todala etapa de desarrollo así como para lafutura operación y mantenimiento delequipo y el uso de la energía.

Fue así que se realizó un estudiosocioeconómico de la comunidad con laparticipación activa de la población a finde identificar las principales necesidades

básicas, el nivel de organización y elgrado de instrucción y habilidades de lospobladores. En base a este estudio seconsideró muy importante trabajar en eltema de creación de la capacidad local yde la organización para el correctomanejo de los equipos y el eficiente usode la energía.

Un tema importante fue definir el tipode organización que tendría a cargo laresponsabilidad del manejo y adminis-tración del sistema en su conjunto (ge-neración, cargador de baterías, TV, VHSy refrigerador). Después de un análisisconjunto entre la población, autorida-

des e ITDG se llegó a la decisión de for-mar un COMITÉ DE ADMINISTRACION

Y GESTION, que se encargaría de darcuenta del manejo del sistema en suconjunto, así como de velar por su buenestado.

3.3. La capacitación en O&M

Los miembros del Comité y losencargados de la operación del equipodebían ser capacitados para el manejo yadministración de los servicios instalados.En consecuencia la capacitación se dio endos rubros: técnico y administrativo.

En la capacitación se utilizó conbastante insistencia el principio deaprender haciendo, es decir en lamedida en que se hacía la instalación lasautoridades y pobladores intervenían enel montaje de los equipos; estametodología tuvo importantes resultados,ya que al final del proceso de instalaciónse podía contar con un grupo importantede pobladores con el conocimiento yhabilidad necesarias para el montaje ydesmontaje de la turbina en su conjunto.

La capacitación no se limita a laformación de los comuneros a cargo de laoperación y mantenimiento de losequipos, sino a toda la población, porcuanto era imprescindible que lospobladores conozcan algunos temascríticos como la capacidad de generaciónde los equipos y por ende la capacidad

de suministro de energía, la necesidad decuidado en términos de operación ymantenimiento y la necesidad de contarcon sistemas sostenibles en el tiempo.

3.3. Los impactos en la población

El proyecto durante su desarrollo, talcomo se ha indicado, atravesó etapas deincertidumbre, sin embargo pese a ello laorganización comunal continuó impul-sando el desarrollo total del mismo. El li-derazgo de los representantes de la co-munidad ha sido muy importante paracontar con la mano de obra local, asícomo el apoyo brindado a la instalaciónde los equipos. Esto ha servido para queotras comunidades como Petrona se ha-yan beneficiado con la implementaciónde otros equipos, como parte de este pro-yecto.

La economía de las familias de Paraísose ha visto favorecida ya que es posiblebrindar el servicio de cargado de bateríasen la propia comunidad y a un costomenor en relación a Mazán, sin incluir losgastos en transporte o tiempo dedicadopara este efecto. Se estima que cadafamilia que hacía uso de este servicioestaría ahorrando un promedio de 6 solespor cada recarga que realice.

El impacto de los servicios de educa-ción y salud han servido para identificardos factores importantes. La utilización de

la energía para el alumbrado de aulas y elfuncionamiento de TV y VHS son impor-tantes, ya que no sólo han mejorado elservicio de iluminación sino que los do-centes tienen la oportunidad de utilizarlos equipos de audio video en el procesode enseñanza aprendizaje, mejorandoasí el aprovechamiento de los educandos.

La salubridad, beneficiada también porla iluminación en el tópico, es la quehace posible que la atención se realiceen condiciones más favorables. De igualmanera, el equipamiento con un refrige-rador permite tener en condiciones útiles

vacunas y otras sustancias que sirvenpara curaciones como mordeduras de ví-boras (que son muy permanentes) y tam-bién para campañas de vacunación, pre-viniendo diversas enfermedades, espe-cialmente en niños y jóvenes.

4. CONCLUSIONES

- Se ha logrado desarrollar y probar conéxito un prototipo de la turbina de río,el que después de 6 meses de instaladoviene funcionado sin ningún problemabeneficiando a los pobladores de Paraí-so y comunidades vecinas con el servi-cio de carga de baterías.

- Los principales componentes de la tur-bina de río (rotor, generador y otros)

Foto 5: Generador de imanes permanentes



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pueden ser fácilmente transferidos a pe-queños talleres locales. De hecho yaexiste una pequeña empresa que ha re-cibido esta transferencia de tecnología.

- Es necesario continuar el trabajo de in-vestigación y desarrollo de esta tecnolo-gía, puesto que quedan pendientes res-ponder a importantes preguntas sobreel comportamiento de estas máquinas alargo plazo, especialmente tratándose

de ríos cuyos caudales varían fuerte-mente durante las épocas de lluvias yestiaje. El comportamiento de las má-quinas frente al arrastre de sólidos flo-tantes de gran tamaño (frecuentes en es-tos ríos), las implicancias sobre la nave-gación, y otros puntos deben ser tam-bién analisados.

- La selva peruana cuenta con importantesrecursos hídricos para la aplicación deesta tecnología la misma que puede satis-facer las demanda básica de energía delos pobladores rurales de la zona que di-fícilmente podrían contar con un serviciode energía en el mediano y largo plazo.

- La organización de un Comité de Admi-nistración y Gestión ha permitido forta-lecer a la comunidad, dotándole de ha-

bilidades y destrezas en el manejo eco-nómico y en la planificación de sus ser-vicios.

5. BIBLIOGRAFIA

ITDG, Informes y evaluaciones de cam-po del proyecto Small wind system for

battery charging, Lima, Perú, 1998 2001

ITDG, Informes del proyecto conjuntocon PROPERU Electrificación de uncentro educativo y una posta médicamediante SFV en Paraíso-Iquitos, Perú,2002

ITDG, Informe final del proyecto Turbi-na de río en la amazonía, un proyectodemostrativo, Perú, 1999

Tesis para optar el grado de IngenieroMecánico, Bombas de desplazamientopositivo para molinos de viento, Teodo-ro Sánchez C., Lima, Perú, 1986

Curso internacional para la implemen-tación de sistemas eólicos de energía,ECN (Energy Center Foundation), Ho-landa 1994

1 Se han hecho propues tas de diseño parala generación de decenas de MW 2 Water Current Turbines, A Field WorkersGuide, Peter Garman, ITDG, UK.3 Shell /Financial Times Environment Awardfor Appropriate Technology, 1990

4 Botes pequeños con motores fuera de bor-da de 60 a 120 HP de potencia, es el trans-

porte usual entre Iqui tos y Mazán, también se les conoce como deslizadores.5 Son botes o canoas fabricadas localmentecon motores pequeños (entre 5 a 12 HP de

potencia), llevan este nombre al sonido ca-racterístico de sus motores.6 En Abril de 1996, un equipo técnico delPrograma de energía de ITDG y el Ing. PeterGarman de Thropton Energy System (UK),realizaron las primeras mediciones de cam-

po en algunos ríos de la selva: Huallaga,Napo y Amazonas.7 Mazán es la capital del distrito y la ciudadmás cercana que cuenta con servicio eléctri-co, 4 horas al día a través de un sistema die-

sel. Se encuentra a 15 minutos de Paraíso enpequepeque

8 El costo inicial por el servicio de carga debaterías en Mazán era de 7.0 soles, redu-ciéndose entre 2.5 y 3.0 soles.9 La idea original fue que una vez probadala tecnología, Peter Garman haría la transfe-rencia a través de ITDG, esto con el objetivode optimizar los siempre escasos recursosexistentes para investigación.10 El Programa de energía de ITDG entre1999 y el 2001, desarrollo un aerogeneradorde 100 W cuyo sistema de generación utilizala tecnología de los imanes permanentes yque se aplicó para el caso de la turbina derío.11 Se realizó una visi ta conjunta con repre-

sentantes de la Dirección Regional de Ener-gía y Minas de Loreto, Ings. Guillermo Ruck yGonzalo Marina. La DREM-Loreto esta inte-resado en la diseminación de esta tecnologíaen comunidades de la selva.

Mayores informes:Programa de energía de [email protected]

Foto 6: Instalación actual de la turbina de río

Foto 7: Sistema de TV/VHS en el Centro Educativo Paraíso, Iquitos.

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