Repositorio
Institucional

Delgado-Currin, Raul R.

Effect of Electrical Load and Operating Conditions on the Hydraulic Performance of a 10 kW Pelton Turbine Micro Hydropower Plant

MDPI

ENERGIES

en

Micro-hydroelectric power plants play a fundamental role in microgrid systems and rural electrification projects based on non-conventional renewable energies, where the stability of the electricity supply and load variability are critical factors for efficient operation. This work focuses on analyzing the impact of electrical load variation on the performance of a 10 kW micro hydroelectric power plant equipped with a Pelton turbine coupled to an electric generator. The main objective is to characterize the behavior of the turbine-generator system under different operating conditions, evaluating the hydraulic performance of the turbine, the electrical performance of the generator, and the overall performance of the micro power plant. Key variables such as flow rate, pressure, shaft speed, mechanical torque, current, and electrical voltage are monitored, considering the effect of electrical consumption on each of them. The experimental methodology includes tests at different electrical loads connected to the generator, using the spear system, which allows the flow rate in the injector to be modulated. The results indicate that reducing the flow rate using the spear increases the torque on the shaft, as well as the electrical current and voltage, for the same energy demand. Likewise, it is observed that the electrical efficiency of the generator remains stable for shaft speeds above 400 rpm, while the overall efficiency of the turbine-generator improves by up to 25% at this same speed. However, a voltage drop of more than 8% is recorded when the electrical power consumption increases from 3 kW to 9 kW, which demonstrates the sensitivity of the system to load variations. This work provides a comprehensive view of the dynamic behavior of micro-hydraulic power plants under realistic operating conditions, proposing an experimental methodology that can be applied to the design, optimization, and control of small-scale hydroelectric systems. These results provide novel experimental evidence on how electrical load variations affect the global performance of P -based micro hydropower systems.Las centrales microhidroeléctricas desempeñan un papel fundamental en los sistemas de microrredes y en los proyectos de electrificación rural basados ​​en energías renovables no convencionales, donde la estabilidad del suministro eléctrico y la variabilidad de la carga son factores críticos para una operación eficiente. Este trabajo se centra en analizar el impacto de la variación de la carga eléctrica en el rendimiento de una central microhidroeléctrica de 10 kW equipada con una turbina Pelton acoplada a un generador eléctrico. El objetivo principal es caracterizar el comportamiento del sistema turbina-generador bajo diferentes condiciones de operación, evaluando el rendimiento hidráulico de la turbina, el rendimiento eléctrico del generador y el rendimiento general de la central. Se monitorizan variables clave como el caudal, la presión, la velocidad del eje, el par mecánico, la corriente y la tensión eléctrica, considerando el efecto del consumo eléctrico en cada una de ellas. La metodología experimental incluye pruebas con diferentes cargas eléctricas conectadas al generador, utilizando el sistema de inyección, que permite modular el caudal en el inyector. Los resultados indican que la reducción del caudal mediante la inyección aumenta el par en el eje, así como la corriente y la tensión eléctricas, para la misma demanda de energía. Asimismo, se observa que la eficiencia eléctrica del generador se mantiene estable para velocidades de eje superiores a 400 rpm, mientras que la eficiencia global de la turbina-generador mejora hasta un 25 % a esta misma velocidad. Sin embargo, se registra una caída de tensión superior al 8 % cuando el consumo de energía eléctrica aumenta de 3 kW a 9 kW, lo que demuestra la sensibilidad del sistema a las variaciones de carga. Este trabajo ofrece una visión integral del comportamiento dinámico de las centrales hidroeléctricas micro en condiciones de funcionamiento realistas, proponiendo una metodología experimental aplicable al diseño, optimización y control de sistemas hidroeléctricos de pequeña escala. Estos resultados aportan nuevas evidencias experimentales sobre cómo las variaciones de carga eléctrica afectan al rendimiento global de los sistemas hidroeléctricos micro basados ​​en P.

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Pelton turbine

micro hydroelectric power plant

energy

spear nozzle

electrical power consumption

10.3390/en18164413

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Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Ingeniería Ambiental y Geológica

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Effect of Electrical Load and Operating Conditions on the Hydraulic Performance of a 10 kW Pelton Turbine Micro Hydropower Plant

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