MINI HIDRÁULICA *

Jaime G. Molina P.Carrera de Ingeniería Mecánica

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS

Procesado mediante LATEX2εSeptiembre, 2004

Resumen

La tecnología en el campo hidroeléctrico ha llegado, en la actualidad, a su plena madurez y el uso in-dustrial del recurso hídrico, por lo menos en los países desarrollados tras casi dos siglos de aprovechamiento,ha alcanzado prácticamente su potencial técnico. A diferencia de ello, la situación en los países latinoameri-canos y especialmente en Bolivia es completamente diferente; no se han realizados esfuerzos prácticos parala implementación de estos sistemas, sobretodo en áreas rurales. El objetivo principal de éste artículo esofrecer al lector del mismo, un instrumento de análisis y evaluación para la utilización de pequeños sistemasde producción descentralizada de energía eléctrica, que contribuyan, dentro del ámbito local, a moderar losefectos que conlleva la utilización incontrolada de combustibles fósiles y de recursos no renovables. Asimismo,pretende motivar a fortalecer la capacidad tecnológica regional local y la de manejo sostenible de sistemashidráulicos pequeños, mediante la revisión de técnicas y teoría necesaria para este efecto.

Índice1. Introducción 2

2. Energía Hidráulica 22.1. Cómo aprovechar la energía del agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2. Instalación hidráulica típica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3. Las instalaciones hidroeléctricas de pequeño tamaño . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3. Turbinas adecuadas a mini-hidráulica 63.1. Tipos comunes de micro-turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2. Aplicaciones de las micro-turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4. La realización de un sistema mini-hidráulico 11

5. Micro-turbinas de uso doméstico 12

6. Impacto ambiental 16

7. Conclusión 16

8. Referencias Documentales 17

* Protocolo de InvestigaciónCurso de Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica

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1. IntroducciónEn América Latina más del 50 % de la población rural no tiene acceso a la electricidad. La

alternativa más común de electrificación en zonas no citadinas es mediante interconexión a la redse va haciendo cada vez más complicada y costosa, debido al cada vez mayor aislamiento en que seencuentran miles de centros poblados. Las alternativas de generación de energía descentralizadas y depequeñas potencias como es la Mini y micro hidroenergía aún no son utilizadas en forma significativapara atender estas demandas, a pesar de que en muchas zonas existen abundantes recursos hídricos,de fácil explotación y en condiciones favorables económica, social y ambientalmente. Entre otrasrazones, entre las más importantes se encuentran la falta de acceso a la tecnologías confiables y debajo costo, la inexistente capacidad local para la evaluación, planificación, diseño e implementaciónde sistemas de generación de este tipo, la poca confianza sobre la sostenibilidad de los pequeñossistemas en zonas aisladas, así como también la falta de políticas y estrategias nacionales o regionalesque permitan su adecuada promoción, implementación y manejo.

Durante las dos últimas décadas, los gobiernos de la región han venido trabajando sostenidamenteen el desarrollo, diseminación de tecnologías apropiadas y de bajo costo; y en la creación de laindustria y capacidad local. Se han implementado más de dos centenas de sistemas hidráulicosen nuestro país Bolivia y en otros países. Se ha transferido tecnología y desplegado acciones deasistencia técnica y tecnológica, y en muchas de éstas acciones internacionales ha contado con elapoyo de instituciones relacionadas con este rubro.

El emprender cualquier esfuerzo destinado a proveer energía eléctrica basada en una generaciónde carácter hidro-hidráulico debería considerar los siguientes objetivos:

Fortalecer las capacidades técnicas regionales y nacionales en nuestro país, en el campo dela ingeniería, diseño y aplicación de las mini y microcentrales hidroeléctricas; y en el manejosostenible de los sistemas.

Contribuir a la promoción y desarrollo de la industria local en la fabricación de equipos y partesen el campo de las mini y microcentrales hidroeléctricas.

Contribuir al manejo sostenible de sistemas aislados de generación de energía mediante ladivulgación de métodos modernos y con participación de la comunidad.

Contribuir a la promoción de la energías renovables en nuestro país, específicamente en el campode mini y micro hidráulica como opción de generación de energía para zonas rurales aisladas.

Las energías renovables son necesarias para nuestro desarrollo futuro sostenible, reduciendo eluso de combustibles fósiles, las enormes cantidades de gases contaminantes emitidos a la atmósfe-ra y el uso de recursos naturales. La energía renovable no se agota, no reduce nuestros recursos yno contamina. La Conferencia de Kyoto obliga a todos los Países a desarrollar el uso de fuentesenergéticas renovables, para reducir el consumo de combustibles fósiles y reducir las emisiones con-taminantes en la atmósfera, que provocan el peligroso efecto invernadero. Por ello en todo el orbe seha tomado decididamente el apoyo a su utilización, consiguiéndose avances importantes. La energíamini-hidráulica debe retomar su papel, siendo necesario conseguir, por medio de voluntad políticaesencialmente, que alcance las cotas que se le han designado dentro de este fundamental objetivo denuestros países.

Las mini-centrales hidráulicas son instalaciones sencillas, respetuosas con el entorno y útiles paraaplicaciones cercanas a la instalación y que no precisen valores importantes de energía. Su futuro esalentador, con inversiones moderadas podemos asegurar que su crecimiento será continuo, aunquesolo llegará a significar un porcentaje muy bajo en el conjunto general de la generación energética.

2. Energía HidráulicaYa desde la antigüedad, se reconoció que el agua que fluye desde un nivel superior a otro inferior

posee una determinada energía cinética susceptible de ser convertida en trabajo, como demuestranlos miles de molinos que a lo largo de la historia fueron construyéndose a orillas de los ríos.

La energía hidráulica aprovecha el paso del agua continuo de un río para generar energía eléctrica.Se consigue por la diferencia de altura del agua que existe entre dos puntos diferentes. Hay diferentes

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Figura 1: Pequeña Represa Hidráulica

tipos de instalaciones que realizan este tipo de transformación energética. Según el tipo de centraltendríamos:

Central Hidráulica: necesita la construcción de una presa.

Central Mini-hidráulica: puede ser con la construcción de una presa, o bien de aguas pa-santes, es decir, se genera electricidad con el continuo paso del agua, sin necesidad de construiruna presa.

Central Micro-hidráulica: no necesita construir una presa. Esta es la opción más viable paralas economías domésticas por ser la más barata y para todos los bolsillos. Y además la másrespetuosa con su entorno natural y el medioambiente. Puede incluso instalarse sin que existaun río caudaloso. Únicamente se necesita un pequeño cauce de agua. Más adelante hablamosde la energía mini-hidráulica y la aplicación para viviendas.

La energía minihidráulica se genera a partir de una instalación de una pequeña presa, que nosiempre es necesario, sin sobrepasar los 15 metros de altura y la potencia no superará los 10 mega-vatios. Normalmente son instalaciones pequeñas que empezaron a construirse a principios del sigloXX y que proporcionaban luz a poblaciones pequeñas, como muestra la fotografía que se aprecia enla Figura 1.

Más recientemente, hace más de un siglo, se aprovecha la energía hidráulica para generar electrici-dad, y de hecho fue una de las primeras formas que se emplearon para producirla. El aprovechamientode la energía potencial del agua para producir energía eléctrica utilizable, constituye en esencia laenergía hidroeléctrica. Es por tanto, un recurso renovable y autóctono. El conjunto de instalacionese infraestructura para aprovechar este potencial se denomina central hidroeléctrica.

Hoy en día, con los problemas medioambientales, se ven las cosas desde otra perspectiva. Estoha hecho que se vayan recuperando infraestructuras abandonadas dotándolas de nuevos equiposautomatizados y turbinas de alto rendimiento. En consecuencia, el impacto ambiental no es más delque ya existía o por lo menos inferior al de una gran central. A estas instalaciones, con potenciainferior a 5.000 KW se les denomina mini-hidráulicas.

Las mini-centrales hidroeléctricas están condicionadas por las características del lugar de empla-zamiento. La topografía del terreno influye en la obra civil y en la selección del tipo de máquina.

Por el tipo de captación y uso del agua en el sistema hidráulico de generación de energía eléctricaen una central mini-hidráulica, se las puede subdividir en:

CENTRALES DE AGUA FLUYENTE Aquellas instalaciones que mediante una obra de toma,captan una parte del caudal del río y lo conducen hacia la central para su aprovechamiento, paradespués devolverlo al cauce del río.

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CENTRALES DE PIE DE PRESA Son los aprovechamientos hidroeléctricos que tienen la op-ción de almacenar las aportaciones de un río mediante un embalse. En estas centrales se regulan loscaudales de salida para utilizarlos cuando se precisen

CENTRALES DE CANAL DE RIEGO Se pueden distinguir dos tipos: a) Con desnivel existenteen el propio canal : Se aprovecha mediante la instalación de una tubería forzada, que conduce el aguaa la central, devolviéndola posteriormente al curso normal del canal. b) Con desnivel existente entreel canal y el curso de un río cercano: En este caso la central se instala cercana al río y se aprovechanlas aguas excedentes en el canal.

A la hora de realizar un proyecto de una mini-central hidroeléctrica y dependiendo del tipo porsu emplazamiento, la determinación del caudal y la altura de salto definirán la potencia a instalar,así como el tipo de mini-turbina a ser utilizada.

2.1. Cómo aprovechar la energía del aguaLas turbinas hidráulicas utilizan la energía potencial que tiene una masa de agua en un desnivel,

llamado salto, existente entre las dos secciones de canal a cielo abierto, la superior (aguas arriba) yla inferior (aguas abajo).

La transformación de la energía potencial del agua en energía mecánica se realiza a través deturbinas, que se activan gracias a la masa de agua que pasa por su interior. A su vez, la potenciamecánica en el eje de la turbina se puede utilizar directamente para realizar trabajo (como en losmolinos de agua) o para producir energía eléctrica, conectando el eje de la turbina, a través dereductores adecuados, a un alternador.

La potencia que se puede obtener de una turbina hidráulica está expresada por la siguienteecuación:

P = η γ QH

donde :P = potencia mecánica en el eje de la turbinaη = rendimiento global del sistema *γ = peso específico del aguaQ = caudal circulante de aguaH = salto o desnivel aprovechable

* Por rendimiento global de la instalación se entiende el porcentaje de potencia que se puede real-mente obtener respecto al potencial técnico, teniendo en cuenta las inevitables pérdidas de la trans-formación.

Para un cálculo aproximado del rendimiento de un micro-sistema se aconseja hacer referencia aun rendimiento global inferior al que normalmente se utiliza en las instalaciones de gran tamaño,considerando un rendimiento global comprendido en el rango: 0, 5 ≤ η ≤ 0, 7.

2.2. Instalación hidráulica típicaUna instalación hidroeléctrica está formada por canales y componentes hidráulicos (sistema de

captación de agua, tomas de agua, sistema de canalización y de restitución, centralita) y por com-ponentes electromecánicos (turbina, alternador, cuadros eléctricos, sistemas de mando).

El agua procedente de los sistemas de toma de agua es canalizada, a través de canales o conductos,a la cámara de carga, que determina el nivel del canal a cielo abierto superior, necesario en función delsalto útil para la central. Desde este punto, el agua es canalizada a las turbinas a través de conductosforzados y, al pasar a por las paletas móviles (ubicadas en el rotor), generan el movimiento rotacionalde éste. El eje del rotor que gira está conectado a un generador de electricidad (alternador); el aguaque sale de la turbina es devuelta, a través de los sistemas de restitución a su curso original, a unnivel determinado por el canal a cielo abierto inferior. Este proceso se ilustra en las Figuras 2 y 3.

De forma más especifica, una instalación hidroeléctrica consta de los siguientes componentes:

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Figura 2: Esquema de una instalación hidroeléctrica

Figura 3: Esquema detallado

sistemas de toma de agua, cuya configuración depende de la tipología del curso de agua inter-ceptado y de la orografía de la zona

sistemas de filtración, para la eliminación de cuerpos en suspensión en el agua; su tipologíaincluida su mayor o menor automatización depende del caudal derivado y de la entidad de lossólidos transportados por el flujo hídrico

sistemas de conducción de las aguas formados por canales o conductos forzados según laorografía y por consiguiente la tipología de instalación, con un mayor o menor salto

casa de máquinas, que en su interior contiene los sistemas electromecánicos: grupo turbina-alternador, transformador, contadores, cuadros eléctricos y sistemas de control

sistemas de restitución de las aguas al curso de agua principal

La potencia que se puede obtener de una instalación, a igualdad de caudal y salto, dependedel rendimiento global de transformación de una instalación hidroeléctrica, que es el resultado delproducto de, al menos, los siguientes rendimientos parciales:

rendimiento hidráulico

rendimiento volumétrico de la turbina

rendimiento mecánico del grupo turbina-generador

rendimiento eléctrico del generador

rendimiento del transformador

2.3. Las instalaciones hidroeléctricas de pequeño tamañoLas instalaciones de pequeño tamaño (micro hidráulicas), de potencia inferior a 100 Kw, son más

versátiles y no tienen efectos negativos sobre el medioambiente.

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Mini-hidráulica es el término con el que la UNIDO (Organización de las Naciones Unidas para elDesarrollo Industrial), denomina a las centrales hidroeléctricas de potencia inferior a 10 MW. Dentrode la mini-hidráulica, puede realizarse la siguiente clasificación:

pico centrales P < 5 kWmicro centrales P < 100 kWmini centrales P < 1.000 kWpequeñas centrales P < 10.000 kW

La clasificación de los sistemas de mini-hidráulica es una convención útil para reflejar diferentesmodalidades de funcionamiento. En países latinoamericanos, se consideran centrales mini-hidráulicas;aquellas con una potencia instalada de 10 MW o menos, una frontera que hasta hace poco se situabaen los 5 MW.

Son numerosos los lugares aptos para el desarrollo de la energía hidráulica, teniendo también encuenta que la tipología de los posibles usuarios es muy variada: entidades locales, parques naturales,usuarios aislados, núcleos familiares, aldeas, empresas agrícolas y establecimientos de turismo rural,artesanos, empresas industriales, etc.

Aunque sea difícil cuantificar el potencial micro hidráulico disponible (harían falta estudios muydetallados del territorio y el potencial hídrico), es presumible que el residuo potencial pueda serutilizado por las centrales hidroeléctricas de pequeño tamaño.

De todos modos la ventaja de las micro centrales hidroeléctricas distribuidas sobre el territoriono es tanto la aportación energética que puede darse a la necesidad eléctrica nacional, cuanto el valorde la utilización del recurso hídrico en su conversión eléctrica a nivel local.

El potencial hidroeléctrico en pequeña escala bien proporcionado y ubicado, resulta económi-camente competitivo respecto a las otras fuentes energéticas renovables y, considerando los costosglobales reales, también respecto a las fuentes energéticas tradicionales.

Las instalaciones micro hidráulicas representan por lo tanto una forma de energía valiosa, porquecon un impacto medioambiental muy bajo utilizan una fuente energética renovable, que de otramanera se perdería.

Entre las ventajas de las micro-instalaciones hidroeléctricas, podemos mencionar las siguientes

Aprovechan al máximo todos los recursos hídricos disponibles, ya que los lugares de instalaciónson muy variados y su central es muy sencilla.

Necesitan un limitado recurso hídrico para producir energía eléctrica.

Producen energía eléctrica cerca del usuario.

Ocupan poco sitio y, gracias a su estructura compacta, son relativamente fáciles de transportarincluso en lugares inaccesibles.

Las Administraciones Publicas locales, los profesionales y los responsables de energía y medio-ambiente tienen un papel fundamental para el desarrollo de las instalaciones micro hidráulicas parala producción de energía eléctrica.

Por una parte, los responsables de la Administración Local en materia de energía y medioambientetienen la posibilidad de favorecer la difusión en su territorio de pequeñas instalaciones hidroeléctricas,a través de los instrumentos de la programación, de la simplificación de los trámites de autorización,de los incentivos y de la adhesión a proyectos e iniciativas locales.

Por otra, los profesionales tienen la tarea de identificar las potencialidades del territorio, estudiarcomo integrar estos sistemas en el entorno típico local, definir proyectos piloto que ayuden a deter-minar y difundir un estándar aplicable localmente, con el objetivo de contribuir a mitigar los efectosproducidos por la utilización incontrolada de los combustibles fósiles.

3. Turbinas adecuadas a mini-hidráulicaLas máquinas que se encargan de realizar la conversión de energia potencial gravitatoria del

agua almacenada y convertirla en energía cinética rotacional en un eje que acciona el generador oalternador se denominan turbinas hidráulicas.

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Así, una turbina hidráulica es una máquina motriz que permite transformar la energía potencialdel agua en energía mecánica rotacional. Consta de:

una parte fija - distribuidor - con la función mecánica de dirección y regulación del caudal quellega al rodete, y la función hidráulica de transformación de la energía potencial del agua enenergía cinética.

una parte móvil - rodete - puesto en movimiento por el agua que sale del distribuidor con lafunción de comunicar energía mecánica al eje en el que está montada.

Según la terminología utilizada en el ámbito internacional, se llaman micro centrales (micro-hidro)a las centrales eléctricas de potencia inferior a 100 Kw., que normalmente utilizan caudales y saltosreducidos.

En relación a sus características dinámicas, las turbinas se pueden clasificar de la siguiente manera:

TURBINAS DE ACCIÓN: la energía del agua que sale del distribuidor es totalmente cinética(la transformación de energía potencial a cinética, se produce al pasar a través de una aguja queprovoca un estrechamiento del diámetro del conducto forzado). A lo largo de todo el recorrido através del rodete, el fluido se encuentra a la presión atmosférica. Las únicas turbinas de acciónutilizadas en la práctica son las turbinas PELTON.

TURBINAS DE REACCIÓN: la energía del agua que sale del distribuidor es en partecinética y en parte de presión (la transformación de potencial a cinética que se produce en eldistribuidor no es completa: el agua sale con una velocidad inferior a la de las turbinas de acción,pero con una presión no nula). Las turbinas de reacción trabajan completamente sumergidasen el agua y tienen en su parte final un difusor. Existen numerosos tipos que se pueden resumiren las FRANCIS y las DE HÉLICE (entre las cuales se encuentran las turbinas KAPLAN).

En función del salto y del caudal disponible, se instalan diferentes tipos de turbinas:

PELTON: cuando el salto es grande y el caudal reducido;

FRANCIS: para valores medios de salto y caudal;

KAPLAN: cuando el salto es pequeño y el caudal es importante.

Cuando la potencia generada por estas máquinas es de reducida magnitud, evidentemente eltamaño físico de éstas, así como la instalación de obras civiles donde funcionan también es reducido,razón por la cual se les confiere el denominativo de micro-turbinas.

3.1. Tipos comunes de micro-turbinasComo se verá más adelante, la elección de la turbina adecuada se realiza a través de nomogramas

en los que la introducción de los datos de proyecto (salto y caudal de agua disponibles) permitenextrapolar la tipología de turbina más adecuada y el tamaño en términos de potencia.

La potencia de una instalación se define, como ya se ha visto, por el producto del caudal ydel salto. Aunque se puede obtener la misma potencia en sistemas que utilizan un gran caudaly saltos pequeños que en las que utilizan saltos grandes y caudales pequeños, las microcentrales(que producen bajas potencias) aprovechan normalmente caudales reducidos sobre saltos modestos.Además, se debe considerar que cada turbina tiene su propio rendimiento, en función del régimende utilización de la misma.

En la sección anterior yá se mencionaron los nombres de las turbinas que mejor se adecúan en suuso a la minihidráulica. A continuación mostramos en relativo detalle dichas turbinas:

Micro-turbina Pelton o de flujo cruzadoMuy parecida a las turbinas utilizadas en centrales más grandes, la Pelton puede ser de eje horizontalo vertical y, por el número de giros relativamente bajo, es adecuada para instalaciones con saltos deagua de unos centenares de metros.

De fácil y sólida construcción, ocupa poco espacio y tiene un rendimiento óptimo, funciona a lapresión atmosférica y no genera problemas de estanqueidad. Tiene palas de doble cuchara, con unnumero de chorros hasta 6.

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Figura 4: Micro-turbina Pelton

Generalmente todas las principales partes mecánicas están hechas de acero inoxidable. Las tur-binas Pelton son las más utilizadas en las micro centrales, porque son las más adecuadas paraaprovechar el potencial de caudales reducidos.

Entre las ventajas que ofrece esta turbina, podemos mencionar las siguientes: a) funciona a lapresión atmosférica (no ofrece problemas de estanqueidad o de cavitación); b) de fácil y sólidaconstrucción, ocupa poco espacio y tiene un rendimiento óptimo; c) el número de giros relativamentebajo (adaptable a saltos de agua incluso muy elevados).

En la Figura 4 se puede apreciar esta micro-turbina.

Micro-turbina de flujo radial o cruzadoEs una máquina utilizada exclusivamente para centrales de potencia pequeña; es apta para saltos deunos pocos metros hasta 100, y para caudales de 20 a 1000 litros/segundo.

Se trata de una máquina de entrada radial del agua, caracterizada por una doble acción delfluido sobre las palas. La transmisión del movimiento al generador se debe a una correa dentada.Generalmente los componentes metálicos están hechos de acero inoxidable.

El rendimiento de las turbinas de flujo cruzado es menor que el de las turbinas Pelton, pero tienenuna mayor facilidad constructiva y una mejor adaptabilidad a los pequeños saltos.

Las ventajas e inconvenientes de las turbinas de flujo cruzado son parecidas a las de las turbinasPelton, excepto porque tienen un menor rendimiento. Se fabrican con mayor facilidad y se puedenadaptar incluso a saltos inferiores que las Pelton.

En la Figura 5 se puede apreciar esta micro-turbina.

Micro-turbina de reacciónLa Francis es una turbina de reacción para potencias con límite inferior alrededor de los 100 kW:por esto se denomina miniturbina. La aplicación de turbinas de reacción en instalaciones pequeñases más problemática que la utilización de las de acción.

A pesar de ello, en las aplicaciones pequeñas se utilizan turbinas tipo Francis, aptas para saltosmedianos (de una decena a unos centenares de metros). Estas turbinas son muy parecidas a lasturbinas para instalaciones más grandes.

Entre las ventajas de este tipo de turbina, podemos mencionar las siguientes: a) aprovechan todoel salto disponible hasta el canal de desagüe; b) tienen una velocidad de rotación alta, apta parasaltos medianos-pequeños y no estrictamente relacionada con la entidad del salto, sino, al contrario,variable con el grado de reacción; c) es posible utilizarla para aplicaciones a sistemas en cámara librepara saltos muy pequeños.

En la Figura 6 se puede apreciar esta micro-turbina.

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Figura 5: Micro-turbina Kaplan

Figura 6: Micro-turbina Francis

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Figura 7: Ejemplo de utilización de presa hinchable

3.2. Aplicaciones de las micro-turbinasLos sistemas de micro-hidraúlica pueden utilizarse en todos los casos en los que haga falta un

suministro de energía y esté disponible un curso de agua, aunque sea pequeño, con un salto inclusode pocos metros. En esos casos, la introducción de sistemas de utilización de las aguas tiene unimpacto reducido ya que no se modifica el uso mayoritario del curso de agua, que puede ser vitalpara el suministro de zonas aisladas.

Una aplicación bastante útil para los sistemas hidráulicos de tamaño muy pequeño es su utiliza-ción en áreas de montaña, que son de difícil acceso y en las que existen dificultades de suministro porla red eléctrica. En estas zonas existe un elevado potencial para construir o restaurar mini-centralesen cursos de agua de régimen torrencial o permanente, que se utilizan para el suministro de pequeñascomunidades locales o granjas y hoteles aislados, y que son gestionadas en el marco de una planifi-cación territorial que aboga por la protección y conservación del territorio, la producción dispersarespecto a la concentrada, convencional y de gran tamaño.

Desde el punto de vista operativo, los sistemas actuales tienen la ventaja de su facilidad de gestión,gracias la introducción del telecontrol y del mando a distancia, lo que supone también un ahorro delpersonal de gestión, cuya intervención se limita a la manutención ordinaria y extraordinaria.

Para la mini-hidráulica se utilizan también pequeños cursos de agua, regueros y torrentes, conaplicaciones mínimamente invasivas (turbina-alternador estancos, insertados directamente en el caucedel curso de agua con el cable de la energía eléctrica generalmente de corriente continua que llegadirectamente al refugio o a la cabaña), que se insertan en el entorno natural sin necesidad de obras deinfraestructura y de control y consiguen proporcionar una aportación extra de unos kW, a menudosuficientes para alimentar un refrigerador o nevera, una radio trasmisora y receptora o la iluminaciónde un refugio o de una cabaña. Tal tipo de instalación solo requiere el almacenamiento transitoriodel agua circulante, haciendo uso de un dispositivo como el mostrado en la Figura 7.

Otro sector de aplicación cada vez más desarrollado es la llamada recuperación energética. Engeneral, en los sistemas de tipo disipador, como puntos de control y regulación del caudal (diques dedesconexión, aliviaderos, presas, divisores, portillos) con presencia de saltos, es posible instalar unaturbina con el fin de recuperar energía de la corriente.

En la práctica, la realización de una micro instalación en un sistema hídrico de este tipo es viableeconómicamente si los conductos ya existen y en los casos en los que los saltos y los caudales seangrandes.

Los sistemas hídricos en los que existe esta posibilidad son muchos:- acueductos locales o redes de acueductos complejas;- sistemas hídricos de uso múltiple (agua potable, industrial, de riego, recreativo, etc.);- sistemas de canales de bonificación y de riego;- canales o conductos de reflujo para los desbordamientos de caudal;- circuitos de enfriamiento de condensadores de sistemas con motores térmicos.Algunas aplicaciones prevén la realización de sistemas hidroeléctricos de producción con bombeo,

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que hacen funcionar el generador como un motor y permiten durante la noche, cuando la disponibi-lidad energética es mayor, bombear el agua de un embalse inferior al superior.

4. La realización de un sistema mini-hidráulicoLa realización de una micro-instalación hidroeléctrica depende mucho del tamaño (expresado en

términos de potencia) de la instalación misma. En términos de plantear una metodología teórica parauna evaluación previa de cálculos técnicos que indiquen una probable factibilidad de un proyecto deeste tipo se deben considerar los siguientes aspectos:

Elección del lugar y estudio de parámetros (caudal y salto disponibles, potencia)La elección del lugar se realiza basándose en:- la disponibilidad de terrenos (control de las propiedades o de vínculos);- la accesibilidad del lugar (cuanto mayor es la accesibilidad al curso de agua, menor será el impactosobre el mismo provocado por las posibles intervenciones);- la evaluación de los parámetros de referencia (caudal y salto disponible).

Una vez elegido el lugar que cumpla los requisitos adecuados, se pasa a la determinación delcaudal (Q) de agua (litros/s) y del salto (H) (m). Cuando se tengan estos valores, el cálculo de lapotencia teórica (vatios) se obtiene de la siguiente forma:

Pteórica = Q (l/s) x H (m) x 9,81Ejemplo: Pteórica = 25 (l/s) x 30 (m) x 9,81 = 7.357,5 W, que corresponden a aproximadamente a7,4 kW

Debido a que la turbina tiene su propia eficiencia (para estos tamaños comprendida entre el 50%y el 70%), la potencia mecánica efectiva es igual a:

Pmec. = Pteórica x eficiencia mec.Ejemplo: Pmec. = 7,4 x 0,60 = 4,4 kW

Finalmente, para obtener la potencia eléctrica, se aplica otra reducción para tener en cuenta elrendimiento del generador eléctrico, igual a 85%.

Pelectr = Pmec . x eficiencia electr.Ejemplo: Pelectr. = 4,4 x 0,85 = 3,8 kW que es poco más de la potencia necesaria para una familia.

Como hemos visto, los elementos que permiten elegir un lugar para la realización de una ins-talación hidroeléctrica se refieren al salto y al caudal disponible. El producto de los dos términosproporciona, teniendo en cuenta la aceleración de gravedad (9,81 m/s2) y el rendimiento medioglobal, la potencia de la instalación, considerando iguala ala unidad el peso específico del agua.

La evaluación del salto se puede realizar con un altímetro; la evaluación del caudal es bastantecompleja ya que requiere un estudio del régimen del curso de agua que se quiere aprovechar.

El caudal se puede medir de forma empírica. Se puede determinar por puntos la forma de lasección hídrica de interés, calcular el área (producto del ancho del canal a cielo abierto de la secciónpor un valor de altura media de la corriente), de forma paralela medir la velocidad de la corrientemediante un flotador y, finalmente, multiplicar los dos términos medidos experimentalmente.

En el caso de potencias más grandes (mayores de 10 kW) para tener un cuadro de la potencialidadde la instalación hace falta realizar un estudio hidrológico que se puede efectuar con métodos directoso indirectos. Los primeros permiten calcular el caudal de la sección de interés mediante medicionesexperimentales o utilizando las series temporales de los datos hidrológicos disponibles sobre el cursode agua. Los segundos calculan el caudal a través de la transformación flujos (o sea basándose sobreel estudio de las precipitaciones) o por extrapolación respecto a cursos de agua cercanos.

Elección del tipo de turbinaConsolidada la intención de realizar una instalación de mini-hidráulica, es oportuno contactar a losproductores o constructores de estas pequeñas máquinas (posiblemente a más de uno). A travésde su experiencia y mediante la comparación directa entre las posibles soluciones relativas al lugarespecifico, se podrán realizar las elecciones técnicas más oportunas y adecuadas.

A menudo, en las aplicaciones de pequeña escala los constructores de aparatos electromecánicospueden también ofrecer un asesoramiento en la fase de diseño de las obras, esto es, un proyecto llaveen mano.

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Figura 8: Nomograma para elección de mini-turbina

Turbina Caudal [l/seg] Salto [m]Pelton 1-1.000 20-300Kaplan 20-2.000 5-100Francis 500-2.000 2-10

Cuadro 1: Elección de mini-turbina

Según las características estimadas de salto y caudal y de la potencia que se necesite, es posible,con la ayuda de oportunos gráficos entregados por los constructores de la maquinaria, identificarla tipología de la turbina y el tamaño más adecuado, teniendo en cuenta que la turbina tiene quedimensionarse en base no sólo al caudal medio del año sino también al caudal de pico de los periodoscon mayor disponibilidad de agua.

Habiendo efectuado las mediciones de caudal disponible de agua (Q), y del salto disponible neto(H) que puede aprovecharse en su energía potencial, podría usarse el nomograma que se presenta enla Figura 8, para realizar la elección de la turbina más adecuada.

En el caso de micro-sistemas, el mercado no ofrece, como ya se ha comentado, muchos modelos.El rango de valores de caudal y salto dentro de los cuales elegir se expone a continuación, medianteel Cuadro 1.

Considerada la simplicidad constructiva de una micro instalación, el mantenimiento y su ges-tión de operación resultan mucho menos complicadas que las de instalaciones más grandes. No esnecesaria la presencia de una persona continuamente, sino de un operador que de vez en cuandocontrole el correcto funcionamiento de las instalaciones hidráulicas (de toma y de filtración) y de laselectromecánicas (turbina-alternador).

En resumen, la instalación de un mini-sistema hidroeléctrico requiere una somera evaluación detipo técnico, la cual en su concepción más simplificada es la tratada en el presente artículo. Por otraparte, es necesario también realizar una evaluación de carácter económico para definir la viabilidadfinal del proyecto de generación de energía eléctrica mediante cualquiera de estos mini-sistemas.

En la Figura 9 se muestran los componentes que hacen a un mini-sistema de generación de energíaeléctrica, donde se consideran elementos accesorios y adicionales.

5. Micro-turbinas de uso domésticoLas micro-turbinas de uso doméstico son de diseño super-compácto y de fácil instalación, es de-

cir, sus dimensiones son las mínimas necesarias como para satisfacer la demanda de un solo grupofamiliar y su instalación y puesta en marcha puede ser efectuada por usuario directamente, conasesoramiento de un técnico del ramo. Evidentemente son de muy pequeña potencia. Existen diver-sas alternativas de este tipo de turbinas en el mercado comercial. En este artículo mencionaremossolamente dos de ellas a modo de ejemplos ilustrativos.

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Figura 9: Componentes de mini-sistema hidroeléctrico

Figura 10: Esquema de funcionamiento de la PowerPal

Micro-turbina PowerPalEs una micro-turbina muy versatil con un diseño compacto y de fácil instalación. Su comerciali-

zación es en tres tamaños diferentes: 200 W, 500 W y 1000 W. La turbina PowerPal más pequeñaproduce energía eléctrica con un caudal de agua de 35 lt/seg. Gracias a que es muy sencilla instalarla,cualquiera lo puede hacer con el manual de instrucciones. No necesita ningún tornillo.

En su proceso de instalación hay que cuidar los siguientes puntos relevantes:- El canal de canalización del agua hasta la boca de la turbina.- El ensamble de partes en la turbina misma.El tubo de desagüe es vertical y tiene que tener siempre una altura mínima de 1,5 m. El tubo hace

funcionar la turbina por la succión del agua hacia abajo por efecto sifón. Por eso deben respetarseestas especificaciones. En la Figura 10 se muestra un diagrama esquemático de esta micro-turbina.

La turbina se coloca encima del tubo de desagüe y queda sujetada por la propia succión queproduce el flujo de agua hacia abajo. Por eso no necesita ningún anclaje.

Si el flujo de agua es constante, la turbina Powerpal produce electricidad las 24 horas del día.Y la genera directamente a 220 voltios de corriente alterna. O sea que no hacen falta convertidoresni acumuladores. Evidentemente también puede ser utilizada para cargar baterías. Estas micro-turbinas son el sistema de apoyo más adecuado para una instalación fotovoltaica aislada porquepuede completar la producción de electricidad cuando la luz del sol escasea. En este caso hay queponer un regulador de carga que desconecte la turbina en el momento que las baterías ya esténcargadas. O bien incorporar resistencias eléctricas que disipen calor en el aire (perdiendo toda laproducción) o en un depósito de agua y aprovechar para calentar el agua de este. Si se quisieraaumentar la potencia podría hacerse también instalando varias turbinas juntas.

Lo mejor de todo es que no hace falta cambiar ningún cauce del río. Solamente un canal de

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Figura 11: Funcionamiento de la PowerPal

entrada para riegos de huertos es ideal para poner la turbina PowerPal y comenzar a generar energíaeléctrica.

Las dos fotografías que se muestran en la Figura 11 nos dan una idea más clara de este sistema,la facilidad de su instalación y su funcionamiento en situación real.

Bombas utilizadas como TurbinasCuando se discute la situación energética en países en desarrollo y especialmente en las áreas

rurales de estos, es de reconocimiento general que las pequeñas centrales hidráulicas juegan unimportante rol en el desarrollo de las mismas. Sin embargo, el costo de inversión inicial de las pequeñascentrales hidroenergéticas es considerado relativamente alto y esto ha restringido, en algunos paísesmas que en otros, de manera considerable el desarrollo de estas potenciales energía renovables. Eluso de Bombas Centrífugas Standard como Turbinas puede ofrecer, y desde yá lo están haciendo,una alternativa técnica y con una considerable ventaja económica y por lo tanto, debe contribuir auna amplia aplicación en pequeñas centrales hidráulicas.

Desde hace varias décadas, las bombas con sentido de rotación inverso, están siendo utilizadascomo turbinas en aplicaciones industriales, y mas recientemente en centrales de generación hidroener-gética para sitios aislados o, en algunos casos, conectadas a la red, sobre todo en países desarrollados.En virtud del mayor tamaño de su mercado, las bombas usadas como turbinas (BUTUs) represen-tan tener un costo menor y están de manera más rápida en disponibilidad respecto a las turbinasconvencionales; además es más fácil su mantenimiento, debido a la amplia disponibilidad de tallerescon técnicos y/o idóneos experimentados. Sin embargo, algunas incertidumbres que se encuentranpresente aun sobre estos equipos con rotación invertida, y ha frenado su difusión, particularmenteen el contexto de los países en desarrollo.

Una bomba presenta las siguientes ventajas respecto a una turbina:

Economía

• Los fabricantes de Turbinas son pocos.• El mercado de turbinas es pequeño comparado con el mercado que presentan las bombas

centrífugas.• Una turbina es mas cara que una bomba standard, siempre comparando dimensiones se-

mejantes.

Disponibilidad

• La disponibilidad de una bomba centrífuga y sus partes de stock, es mas accesible que enel caso de turbinas; esto toma mas evidencia cuando se trata para países en desarrollo.

Construcción

• Las bombas centrífugas son de concepción robustas y simple y no requieren de un técnicoy/o mecánico altamente calificado para su mantenimiento; esto hace que la bomba centrífu-

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Figura 12: Comparación de funcionamiento

ga utilizada como turbina sea mas apropiada para países en desarrollo que las relativamentesofisticadas turbinas .

La máquinas rotantes que manejan fluido son totalmente reversibles, por lo tanto una bombapuede efectivamente trabajar como tal o como turbina. Sin embargo el rendimiento o perfomanceno son los mismo, aunque el análisis teórico para un escurrimiento ideal predice lo contrario. Sinexcepción alguna, la altura y caudal en su punto óptimo en el modo turbina es mayor que en elmodo bomba; la principal razón de esta diferencia esta relacionada con las perdidas hidráulicas dela máquina.

Conceptualmente cualquier tipo de bomba puede ser utilizada como turbina. Sin embargo laprincipal ventaja de una bomba como turbina, que está en el menor costo que representa respectoa una turbina convencional, esta muy a favor en el campo de las bombas centrífugas standard ybombas de flujo mixto, mientras que para el caso de bombas de flujo axial, estas ventajas se hacenmenos notorias analizando cualquier aspecto de estas.

La teoría hidrodinámica básica de aplicación es la misma para ambas máquinas; sin embargo, elcomportamiento del flujo de fluido real incluyendo la fricción y la turbulencia resultan diferentes enalgunos aspectos para el diseño de la bomba y la turbina.

La Figura 12 nos muestra esquemáticamente las diferencias en cuanto al modo de funcionamientode una bomba, comparada con una turbina.

Idealmente la selección de una BUTUS debe ser tan fácil y sencilla como la selección de unabombas centrífuga standard: Para ello se consideran diagrama de perfomance de diferentes fabricantesen función de los requerimientos de la bomba en cuestión y que estarán en función del caudal, alturay óptima eficiencia. Pero desafortunadamente, hoy en día este no es el caso de las BUTUS, dado queno se cuenta con información suficiente respecto a la perfomance de las bombas funcionando en elmodo de turbina, y la poca que existe resulta insuficiente.

En los últimos años se han publicado diversos métodos de aproximación para predecir la perfo-mance del modo turbina de una bomba centrífuga; las mismas son de carácter empírico y teóricos.El objetivo principal es el de poder predecir la perfomance de la BUTUS a partir de datos hidrodi-námicos como ser la altura, el caudal y la eficiencia para su mejor punto de funcionamiento.

Sin embargo, todos los métodos propuesto no han resultados muy confiables, dado que se handetectados errores en predecir la perfomance del modo turbina de bombas centrífugas, y que oscilanentre un 20% y más.

Por lo general no se realizan cambios o modificaciones en el diseño cuando se va ha utilizar unabomba como turbina; pero una vez realizada la selección deberemos realizar una verificacion deldiseño de manera adecuada, dado que durante la operación de la bomba como turbina, la altura yla potencia son por lo general mas altas que las correspondientes a su operación como bomba.

En base a lo expuesto se hace necesario una revisión del diseño poniendo un especial énfasis enlos siguientes puntos:

Cambiar el sentido de las roscas en los componentes del eje de modo que estos no puedan

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aflojarse (tuerca sujeta rotor, tapa de cojinetes, etc).

Chequear los limites de presión de la carcaza; para ello es necesario verificar que la presión deprueba de la carcaza no sea inferior a 1,50 veces la máxima presión de operación de la bombacomo turbina. Para esta evaluación es recomendable evaluar el fenómeno de golpe de ariete quees frecuente que se haga presente durante el proceso de embalamiento del grupo. En caso deque esta verificación, de realizada, no verifica la carcaza se deberá cambiar el material de lacarcaza, o eventualmente seleccionar alternativamente una nueva unidad con una velocidad deoperación menor.

Verificar que el eje pueda resistir el torque ejercido en la operación como turbina.

Evaluar el diseño adecuado para los cojinetes.

Las ventajas especificadas anteriormente de modo muy resumido, hacen de la conversión debombas a turbinas, una opción muy factible para casos de generación de energía hidráulica decaracterísticas domiciliarias.

6. Impacto ambientalSeguramente las consideraciones medio ambientales sobre el uso hidroeléctrico cambian radical-

mente si nos referimos a los sistemas de pequeño tamaño (debajo de los 100 kW) que se analizanen este documento. Los sistemas pequeños son diferentes de los de elevada potencia, ya que estáncaracterizados por modelos de organización diferentes, distribuidos en el territorio, gestionados porpequeñas comunidades e integrados en un uso múltiple y equilibrado del recurso agua.

El caso de la hidroeléctrica de dimensiones reducidas es emblemático en la investigación de fuentesenergéticas alternativas. Aunque no utilicen una fuente energética o una tecnología del todo nueva(la técnica constructiva ha progresado mucho, pero el aprovechamiento hidroeléctrico tiene orígenesantiguos), hoy en día los sistemas de mini-hidráulica pueden contribuir al desarrollo sostenible delterritorio en el que se ubican.

Los beneficios desde el punto de vista ambiental de los microsistemas hidroeléctricos son notables:servicio a zonas aisladas o suministrada a través de obras de mayor impacto, actuación de una políticade regionalización de la producción, contribución a la diversificación de las fuentes, disminución de ladependencia energética de fuentes convencionales de la zona afectada por el proyecto, y disminuciónde emisiones de sustancias contaminantes y causantes del efecto invernadero.

También los microsistemas hidroeléctricos pueden tener impactos negativos sobre el medio am-biente, impactos que el proyectista/constructor tendrá que intentar minimizar. Estos impactos ne-gativos están relacionados sobre todo con la ocupación del terreno, la transformación del territorio,la derivación y captación de recursos hídricos superficiales y posibles alteraciones sobre la flora yla fauna, aunque son de mucha menor entidad que los de sistemas de mayor tamaño. También pa-ra las micro-aplicaciones es importante mantener un reflujo adecuado (caudal ecológico) para laconservación del ecosistema fluvial en el que se encuentra la instalación.

Es necesario recordar que, sobre todo en el caso de sistemas llamados de recuperación energética,el impacto puede ser muy limitado ya que, además de su reducido tamaño, estos se introducen enesquemas hídricos ya existentes y en un territorio ya antropizado. No obstante, en aplicaciones deeste tipo situadas cerca de los centros urbanos es necesario programar actuaciones que reduzcan losruidos y de las vibraciones producidas por las máquinas.

7. ConclusiónSe ha constatado que las técnicas de Adecuación Tecnológica (AT) están siendo adoptadas de

forma creciente tanto por pequeñas empresas de influencia regional como por organizaciones de pro-moción rural y organizaciones no gubernamentales (ONG´s), pero el crecimiento es lento, y muchasmás de estas entidades, especialmente entre las de menor tamaño, pueden hacer que pequeñas po-blaciones puedan beneficiarse de las metodologías de implementación de generación mini-hidráulica.

Pero, sin embargo, puede concluirse que tal como ocurre con cualquier nuevo enfoque, existeahora la necesidad de innovadores que se conviertan en defensores del cambio en el aprovechamiento

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de la información existente y accesible sobre la ciencia y tecnología asociada con la mini-hidráulica.Tanto Internet como el mercado proporcionan nuevas oportunidades y soluciones, aunque el apoyoestatal puede todavía jugar un importante papel para acelerar el cambio.

Y a propósito de la más grande red de información mundial, sin equivocarme puedo afirmar: “Labuena noticia es que todo está en Internet. La mala es que todo está en Internet”. Aunque seamosconscientes de los límites en la fiabilidad y en la actualización de los datos que se encuentran através de la red Internet, no cabe duda que el creciente número de servicios y bases de datos a losque hoy en día se puede acceder representan una de las fuentes de información más eficientes. Perola búsqueda en la web con frecuencia es como buscar una aguja en un pajar. Lo que está en cuestiónes la capacidad de conseguir resultados útiles a partir de una inmensa maraña sin sentido.

Aquellos que desean poner en práctica la Mini Hidráulica por su cuenta necesitarán el apoyode la dirección de la entidad en la que prestan servicios profesionales, que ha de comprometerseclaramente facilitando los recursos y los medios. Y eso sin olvidar que, cualquiera que sea el nivelde sofisticación de la organización o las técnicas y herramientas disponibles, finalmente la toma dedecisiones y el proceso inteligente que subyace en este campo son actividades humanas. Las personasconstituyen la diferencia.

Esperamos que este artículo ayude a sus lectores a utilizar sus competencias para el beneficio desus entidades, organizaciones y de la sociedad en su conjunto.

8. Referencias DocumentalesDe igual manera que en tantos otros temas, la red Internet es una de las mejores fuentes de in-

formación, tanto teórica como práctica, sobre cuestiones relacionadas con la Mini Hidráulica. Comosucede con frecuencia, la información existente es tan amplia y variada que resulta excesiva, siendodifícil orientarse hacia lo que más interesa en la maraña de páginas disponibles. Seguidamente da-mos una serie de referencias generales, que pueden resultar de utilidad para una primera y rápidaaproximación.

Aportación de la Mini-hidráulica - http://www.revistaespacios.com/a00v36n04/42002682.htmlNavarra Industrial - http://www.navaindus.com/Observatorio de Prospectiva Tecnológica - http://www.opt.com/Primer Consorsio Hidráulica VT - http://www.primerhid.net/Recursos Hídricos y Utilización - http://revista.robotiker.com/

Baldroom Hydraulics Research - http://www.baldhydra.org/CT Source Enterprises - http://www.ctsourceent.org/Dataquest Hydro Interactive - http://www.datahydroquest.com/Data Hydraulics at Stanford - http://www-db.stanford.edu/hydrodata/Dynamics Corporation - http://www.dynacorp.com/Emerging Technologies Research - http://www.cyberdialogue.com/Faulkner Sons - http://www.faulknersons.com/Find/SQM - http://www.findsqm.com/Forrester Research Institute- http://www.forresins.org/Fulton & Company, Inc. - http://www.fulton.com/GarychGroup - http://www.garych.com/International Research Corporation (IRC) - http://www.interresearch.com/Microfluidics Technology Institute - http://mti.org/Mogul Research Associates - http://www.mogul.com/NSTI Montague Institute - http://www.montague.com/Society of Hydraulic Professionals - http://www.shyp.org/SKAT*USA - http://www.skat-usa.gov/UnDisCoverWeb! - http://undisweb.karl.org/Washington Researchers Group - http://www.washresearchers.com/

Es evidente que al igual que sucede con los sitios en Internet relativos al tema, la lista de libros,

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revistas y otros escritos que pueden consultarse es muy abundante. Aquí simplemente proporciona-mos aquellos volúmenes que fueron consultados para la elaboración del presente documento.

Consorsio CETISME, La Mini-Hidráulica en Acción. Comunidad Económica Europea (con colabo-ración de Meta Group), 2003. versión PDF. pp.42

Degoul Paul et al., AMIA Technological Innovation. Research Annual, 2001. versión PDF. pp.23

Drucker P., Pump to Turbine Conversion. Caltech University Library, 2002. versión PDF. pp.45

Gonzato Amado Jesús., Mini-Hidráulica y Aplicaciones. Anales de Ciencia e Investigación No.5.2003. versión PDF. pp.19

Palop F. y Vicente J.M., Fundamentos de Hidráulica. Serie Estudios Universitarios, No 13, 2002.versión PDF. pp.68

Shiba Shoji et al. Mini Hydraulics: Problems and Opportunities A New Perspective. Texas Univer-sity. Mayo-Agosto 2003. versión PDF. pp.36

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