Diseño de una turbina hidrocinética de eje horizontal con álabes multi-elemento

Abstract

RESUMEN: Las turbinas hidrocinéticas son dispositivos de aprovechamiento de energía renovable que convierten la energía cinética de los ríos, canales artificiales y corrientes marinas en electricidad. El rotor es el componente más importante en una turbina hidrocinética, diseñado para convertir la energía cinética de una corriente de agua en energía mecánica de rotación que posteriormente es convertida en energía eléctrica mediante un generador eléctrico. El rotor consiste en un ensamble de varios álabes unidos en un hub o cubo común. Los álabes son componentes críticos que tiene un gran impacto en el rendimiento de la turbina estos se diseñan a partir de perfiles hidrodinámicos para interactuar directamente con la corriente de agua. Existen diversos tipos de perfiles aerodinámicos que pueden ser usados como perfiles hidrodinámicos para este tipo de turbina. En el diseño de los álabes se requieren altas fuerzas de elevación a velocidades de flujo reducidas. En este sentido, los perfiles multi-elemento son a menudo una solución adecuada para lograr este objetivo. Por lo tanto, mediante un estudio numérico en dos dimensiones utilizando el software ANSYS se determinó una configuración de perfil multi-elemento óptima para los álabes de una turbina hidrocinéticas de eje horizontal. Mediante un estudio de optimización se definió las relaciones geométricas óptimas entre los parámetros de estos perfiles que garantizaron un máximo y mínimo coeficientes de elevación y arrastre respectivamente. En este sentido, se examinó diferentes distribuciones de perfiles multi-elemento a través el uso de técnicas de optimización de modelo sustituto y dinámica de fluido computacional (CFD) buscando obtener un perfil multi-elemento con la mejor relación C_L/C_D. La técnica Blade Element Momentum (BEM) se utilizó para definir la geometría del álabe de la turbina hidrocinética de eje horizontal con y sin perfil del álabe multi-elemento. La geometría del álabe se validó con un análisis tridimensional fluido dinámico y estructural para ello, el dominio de fluido se acopla con el dominio estructural mediante un acoplamiento de una vía y se llevará a cabo un análisis de interacción fluido-estructura para determinar el efecto de las condiciones de operación fluido dinámicas sobre el comportamiento estructural del álabe. Posteriormente se procedió a fabricar a escala de laboratorio el rotor de una turbina, para realizar pruebas en un canal hidráulico, que permitieron contrastar el comportamiento hidrodinámico de los modelos teóricos, computacional y experimental, para ajustar los detalles que permitan la construcción de un prototipo a escala real y realizar un estudio comparativo del rotor multi-elemento contra el tradicional para la producción de energía en la zona no interconectada (ZNI) de Colombia.