Turbinas
hidrocinéticas
Ing. Daniel Schenzer
MSc Ing. Rodolfo Pienika
IMFIA – Facultad de Ingeniería
MAESTRÍA EN
INGENIERÍA DE LA ENERGÍA Fundamentos de
Generación Hidroeléctrica
• Energía cinética (por unidad de peso)
• Energía potencial (por unidad de peso)
g
vEC
2
2
pzEP
pz
g
vE
2
2
Según que aprovechen la energía cinética o la potencial:
•Turbinas hidrocinéticas •Turbinas de salto
Turbinas hidrocinéticas
Transforman la energía cinética del
cauce en energía mecánica de un
eje en rotación
(sin generar un desnivel o con un desnivel
mínimo)
Turbinas hidrocinéticas: ruedas
hidráulicas (waterwheels)
Alimentación inferior (undershot)
Alimentación tangencial (hidrocinética pura)
Alimentación superior (overshot)
Turbinas hidrocinéticas : Un cálculo
Cualquier río: v 0,2 a 0,8 m/s
v2 /2g = 0,002 m a 0,032 m
Equivale a disponer de un desnivel de entre 2 mm y 32 mm.
La carga cinética (energía cinética por unidad de peso) del agua en los cauces naturales es
insignificante
Turbinas hidrocinéticas : Un cálculo
Conclusiones:
a. Para aprovechar la energía cinética del río se debe acelerar mucho
b. O bien se debe interceptar una gran sección transversal del curso
c. Cualquier desnivel pequeño permite disponer más fácilmente de la energía
V
Por ejemplo, placas planas rectangulares de 0,50m x 2,0m :
Sup. vrío= 0,6 m/s ;
Pmáx = 4/27 . 1000 . (0,5 x2) . 0,63 W = 32 W
Con 1 m/s : 148 W
Una rueda de ancho 2 m y palas de 50 cm permite generar 32 W
Disminuye por: Salpicado
Desviación en los bordes
Incidencia no perpendicular
pérdidas en la transmisión
Turbinas hidrocinéticas:
aumentando la velocidad
Por ej., restringiendo la
sección de pasaje a ¼,
pot. aumenta 64 veces
32 W 2 kW
Turbinas hidrocinéticas:
aumentando la velocidad
Impactos:
• Obras de porte
• Genera un desnivel (por pérdidas de carga)
• Navegación
• Migración de peces
• Posible erosión, resaltos
• Zonas “muertas”
• Arrastre sedimentos y flotantes
Turbinas hidrocinéticas:
Conclusión
No es razonable transformar la energía cinética del agua en el curso mediante su empuje sobre un empaletado.
Empaletados clásicos (waterwheels) : se generaba un desnivel y
a) Se utilizaba la energía potencial del salto
o bien
b) Se utilizaba el desnivel para acelerar el agua
Turbinas hidrocinéticas
Se puede aprovechar mejor la energía cinética
a) Aumentando la velocidad del flujo (mediante obras de restricción)
b) Obligando al agua a pasar por la turbina
c) Mediante un rotor (axial o de otro tipo)
Turbinas hidrocinéticas:
con rotor axial, flujo abierto
V1
A1
A
A2
V2
V
Análogamente a generadores eólicos.
la potencia máxima extraíble del flujo
vale (límite de Betz):
3
1. ..27
8VAP rotorfluidomáx
Turbinas axiales para ríos (mini- micro- pico)
Flotantes
Apoyadas en el lecho
(Smart Hydro Power, https://www.smart-hydro.de/)
Turbinas hidrocinéticas: con
rotor axial, flujo no confinado
(para energía mareomotriz)
Requieren grandes diámetros (profundidad)
2 rotores D=18m, con v = 3 m/s 2,5 MW total
Turbinas Darrieus – palas rectas
• Resultante de Lift y
Drag sobre las palas
• Momento respecto al eje
(idénergie, Canadá)
Turbina Kobold (Darrieus modif.)
Palas no fijas, ángulo
variable
D = 6m,
3 palas L=5m
v = 2 m/s: 25 kW
Estrecho de Messina, Italia
Turbinas Gorlov
Hasta 95% más potencia y 50% mayor N que Darrieus de iguales dimensiones
Eliminan fluctuaciones de par de potencia y velocidad
Ensayo de una turbina Gorlov Según Gorlov (1998):
• 600 mm
• L = 860 mm
• Naca 0020, cuerda 175mm
N = 100 rpm
Potencia según curva
Pot (W) = 152. v(m/s) 2,9
Turbinas axiales para muy bajo salto
D: 3500 a 5600 mm; P: 100 a 500 kW
Q: 10 a 30 m3/s ; H: 1,4 a 3,2 m
www.vlh-turbine.com/
Ventaja de las turbinas para muy bajo salto
Comparación
de estructuras
a igual salto y
caudal
(cantidad de
hormigón, longitud
de río)
Turbinas de hélice compactas
Para instalación en presas existentes, en
descarga de compuertas, etc.
Hydromatrix, ANDRITZ
Hydrostatic Pressure Machine
Rueda de Presión Hidrostática (adaptación de water wheels)
Proyecto HYLOW
(http://www.hylow.eu/)
Hydrostatic Pressure Machine
Mejoras:
•Palas diagonales
•Piso del canal modificado
•Ancho de rueda / ancho del canal óptimo
•Niveles de agua óptimos
•Palas flexibles
Turbina para flujo bi-direccional
UNIFEI, Minas Gerais (Brasil)
Aprovechamiento de energía mareomotriz
Bibliografía • A. Gorlov: “Development of the helical reaction hydraulic turbine”, D.O.e.,
USA, 1998
• M.J. Khan et al.: “Hydrokinetic energy conversión systems and assessment of horizontal and vertical axis turbines for river and tidal applications: A technology status review”. In Applied Energy 86 (2009).
• F. O Rourke et al.: “Tidal energy update 2009”. In Applied Energy 87 (2010).
• http://www.vlh-turbine.com/
• https://www.andritz.com/products-en/group/products/hydromatrix
• http://www.hylow.eu/
• https://www.hevs.ch/en/minisites/projects-products/hydroelectricity/projects/duo-turbo-8924
• A.C. Barket Botan: “Desenvolvimento de uma turbina de fluxo reversível
para uso em usina maremotriz com operação em duplo efeito”, Tesis de
Maestría em Ingeniería de la Energía, UNIFEI, 2014