Desarrollo de una turbina Oscilante bioinspirada

Abstract

RESUMEN : La demanda de energía a nivel mundial mantiene una tendencia al alza. Al mismo tiempo, el calentamiento global pone en crisis la estabilidad del medio ambiente. Por tanto, toma importancia el desarrollo de fuentes renovables de bajo impacto ambiental como la energía solar y la energía eólica. Aunque no es la única tecnología renovable no convencional, los sistemas hidrocinéticos están llamando la atención de la industria y la academia dado que presentan ventajas sobre los sistemas de generación solares y eólicos, principalmente una menor intermitencia en la operación, lo que genera un flujo confiable de energía. Colombia posee sus desafíos propios en materia de generación de energía y cobertura; estos sistemas pueden jugar un papel crucial para garantizar la diversificación de la canasta energética nacional a la vez que aumenta la cobertura de las zonas no interconectadas (ZNI). Colombia tiene un gran potencial para la creación de sistemas hidrocinéticos, dado la gran cantidad de afluentes que posee el territorio nacional. Dentro de los sistemas de generación hidrocinéticos, se comienzan a destacar un tipo de turbinas denominadas turbinas oscilantes, las cuales presentan una ventaja sobre otros tipos de turbinas, particularmente su rango de operación a bajas velocidades del fluido, además poseen una geometría de fácil construcción. Pero su principal ventaja es el aprovechamiento de afluentes de baja profundidad, cualidades que las vuelven óptimas para expandir la cobertura de la red nacional disminuyendo el número de zonas sin suministro eléctrico. Las turbinas oscilantes permiten la incorporación de características biomimeticas o bioinspiradas, dado que la fauna acuática usa los mismos fenómenos hidrodinámicos que estos tipos de turbinas, para ganar energía del medio que habitan. Colombia también es uno de los lugares con mayor diversidad del planeta y sus ríos están llenos de peces con adaptaciones particulares para su vida en las corrientes, por tanto, en este documento se propone el estudio y diseño de una turbina de tipo oscilantes bioinspirada en la fauna acuática nacional, buscando diversificar los sistemas de generación con los que cuenta el país. Se colocaron a prueba seis geometrías de turbinas oscilantes, flapping foil. Cinco geometrías con características bioinspiradas en el "bocachico" (Prochilodus magdalena), un pez nativo de Colombia conocido por realizar grandes recorridos durante las migraciones, cuyos comportamientos alimenticios tienen semejanza con las condiciones de operación de las turbinas oscilantes. Estas cinco geometrías se compararon con un modelo generado con base a la literatura, que mantiene una relación con el área longitudinal o con la relación de aspecto, con los modelos bioinspirados. La evaluación se centró en dos características: el borde de ataque y el borde de fuga. Para determinar la influencia de estas características, se llevaron a cabo simulaciones CFD en Ansys Fluent. Además, se realizaron pruebas experimentales con las seis geometrías usando dos métodos. En el primero se usó un acelerómetro para lograr determinar la fuerza que experimentaban los álabes durante su desplazamiento senoidal. El segundo método utilizado es el análisis por visión artificial, con el cual se rastreó el desplazamiento del modelo, recreando la trayectoria descrita por cada modelo, a la vez que por medio de los cambios de velocidad se determinó la fuerza y rendimiento de los modelos. Se concluyó que el tipo de movimiento influye significativamente en el rendimiento de las turbinas. Se determinó que los modelos con borde de ataque requieren un sistema de control semiactivo para lograr valores representativos de potencia. Mientras tanto, los modelos con borde de fuga presentan un comportamiento más versátil frente al tipo de movimiento.