DESARROLLO DE PROTOTIPO DE TURBINA TIPO H DARRIEUS

DESARROLLO DE PROTOTIPO DE TURBINA HIDRÁULICA (HIDROCINÉTICA) TIPO H DARRIEUS PARA PICOGENERACIÓN EMPLEANDO LA OPTIMIZACIÓN PARAMÉTRICA

UCC & ITM

Líder del Grupo CFD: Prof Dr Ramon Fernando Colmenares Quintero
Email ramon.colmenaresq@ucc.edu.co

PROYECTO «DESARROLLO DE PROTOTIPO DE TURBINA HIDRÁULICA (HIDROCINÉTICA) TIPO H DARRIEUS PARA PICOGENERACIÓN EMPLEANDO LA OPTIMIZACIÓN PARAMÉTRICA»

El Consorcio esta formado por dos socios de la academia, se cuenta con semilleros de investigación para desarrollar esta iniciativa.

 

Resumen del Proyecto

 

La necesidad de aprovechar los recursos hidráulicos y/o hidrológicos de una forma más amigable con el medio ambiente hace que las turbinas hidrocinéticas tomen fuerza para esta aplicación, ya que estas afectan el flujo de las corrientes de agua en áreas muy pequeñas en comparación con las grandes áreas que deben ser inundadas para los proyectos hidroeléctricos. La meta que este proyecto pretende alcanzar es la construcción de una turbina hidrocinética tipo H Darrieus (THHD) para la picogeneración a nivel de prototipo, para lograr esta meta se emplearan técnicas de diseño, ingeniería y manufactura asistida por computador (CAD-CAE-CAM) y, además, métodos de optimización paramétrica para los diseños detallados. La manufactura y ensamble de los componentes de la THHD se realizará en los laboratorios del ITM. La Universidad Cooperativa de Colombia contribuirá en el desarrollo del proyecto con su vasta experiencia en el análisis hidrodinámico de los alabes tipo NACA del rotor.

 

Entre los resultados más representativos se tiene el prototipo de la THHD que podrá ser instalado y probado en sitio en actividades posteriores al proyecto, la elaboración de dos artículos científicos tipo A donde se reflejará el proceso de diseño y el análisis de las variables hidrodinámicas que intervienen en el rendimiento de la THHD, se formará un estudiante a nivel de maestría y dos a nivel de pregrado con sus trabajos enmarcados en el desarrollo del proyecto. Con este proyecto se fortalecerá la experiencia que tienen los proponentes en la formulación y ejecución de proyectos.

Planteamiento del problema de Investigación

Tradicionalmente las turbinas de eje vertical Darrieus tipo H son usadas como turbinas de eólicas, pero esto no evita que sean utilizadas como turbinas hidrocinéticas, los principios básicos de funcionamiento son semejantes para ambas aplicaciones, la diferencia es el medio o fluido que interactúa con la turbomáquina. La idea de usar una turbina de esta clase para adquirir energía hidráulica ha llamado la atención de muchos investigadores por su facilidad de construcción, bajo costo y útil uso en condiciones de bajas velocidades de flujo.

Este apartado describe en su primera sección algunos principios básicos de funcionamiento de las THHD, con estos principios es suficiente para establecer un estado del arte alrededor del tema de las turbinas Darrieus en general, para terminar el apartado con la descripción del problema.

 

Justificación

 

En el año 2015, todos los estados miembros de la Organización de Naciones Unidas (ONU) adoptaron los Objetivos de Desarrollo Sostenible, también conocidos como Objetivos Mundiales, estos objetivos son un llamado universal para poner fin a la pobreza, proteger el planeta y garantizar que todas las personas gocen de paz y prosperidad para 2030 (ONU, 2019b). En total son 17 objetivos que se encuentran integrados y correlacionados, debido a que las intervenciones para lograr cada uno de ellos afectarán los resultados en los otros y su desarrollo debe equilibrar la sostenibilidad medio ambiental, económica y social. El objetivo número siete Energía asequible y no contaminante requiere que sea necesario intervenir las fuentes de energía limpia, como la solar, eólica y térmica y mejorar la productividad energética.

 

El 23 de septiembre del 2019 se realizó la Cumbre Sobre el Clima en la ciudad de New York, en ella se propusieron alrededor de 28 iniciativas colaborativas para enfrentar el cambio climático que es el mayor desafío de nuestro tiempo y nos encontramos en un momento decisivo para hacer algo al respecto (ONU, 2019a). Una de las iniciativas con más participantes es la LCTPi Renewables Rescale que soporta el desarrollo adicional de 1,5 TW de energía renovable a nivel global antes del 2025, en esta iniciativa se encuentran 21 compañías y dos organizaciones a nivel mundial, en las compañías tenemos que algunas son: ABB-Suiza, BT Group – Reino Unido, CPFL Energía SA-Brasil, Eaton Corporation EUA, Philips-Holanda, Schneider Electric -Francia, etc. y entre las organizaciones tenemos: La International Energy Agency IEA (Francia) y International Renewable Agency IRENA (Emiratos Árabes Unidos).

 

El Plan Nacional de Desarrollo 2018 – 2022, tiene 20 metas que transformaran a Colombia (Gobierno Colombiano, 2019), la décimo octava meta es Aumentar capacidad de generación con energías limpias en 1.500 MW, frente a 22,4 MW actuales y además para la región Seaflower (Archipiélago San Andrés y Providencia), se propone promover una matriz diversa de energía basada en energías limpias que promuevan la seguridad energética del archipiélago.

 

Paralelamente a lo anterior, la Unidad de Planeación Minera Energética (UPME), plantea: En la permanente búsqueda de la sostenibilidad en el desarrollo, el uso de las energías renovables a gran escala es uno de los grandes desafíos del hombre del siglo XXI, en virtud a sus perspectivas ventajosas en términos ambientales frente a los sistemas tradicionales de generación, se prevé que para el 2030 las energías alternativas aportaran al menos en un 30% de la capacidad requerida por la humanidad para atender adecuadamente sus necesidades energéticas. No obstante, con su amplio inventario de recursos energéticos primarios como carbón, gas natural y petróleo, Colombia afronta el reto de satisfacer su demanda energética en términos de calidad y oportunidad con criterios de eficiencia técnica y económica y a precios asequibles a sus usuarios, especialmente en zonas geográficas aisladas, de difícil acceso y distantes del sistema interconectado. Es en este contexto que el aprovechamiento del recurso hídrico a través de pequeñas centrales hidráulicas se convierte en una atractiva opción para la solución de requerimientos energéticos en el país (UPME, 2009).

 

En el 2015, la Unidad de Planeación Minero Energética UPME en conjunto con Colciencias y la Universidad Javeriana publicaron el primer atlas del Potencial Hidroenergético de Colombia, que es una herramienta de conveniencia nacional que garantiza la planificación adecuada para el abastecimiento energético del país en el futuro (UPME, Colciencias, & Universidad Pontificia Javeriana, 2015). Actualmente contamos con una capacidad eléctrica instalada de 15 GW, de los cuales 10 GW corresponden a generación hidráulica. Con esta nueva herramienta, se logró estimar que dicha cifra tiene un potencial de aprovechamiento de hasta 6 veces la capacidad actual del país, para un total de 56 GW sólo en proyectos a filo de agua, afirmó Jorge Alberto Valencia Marín, director general de la UPME al término del lanzamiento del nuevo atlas.

 

Una de las soluciones convergente a lo mencionado anteriormente es el proyecto I+D Desarrollo de prototipo de turbina hidráulica (hidrocinética) tipo H-Darrieus para picogeneración empleando la optimización paramétrica, ya que con el prototipo de THHD se podrán reducir las brechas tecnológicas en el campo de la transformación energética para regiones aisladas o apartadas geográficamente en nuestro país, proporcionando soluciones tipo Agua Cable (water – wire) y/o Agua- Máquina (water-machine), de alto desempeño, con un alto valor científico y tecnológico.

Objetivo General

 

Diseñar una turbina hidrocinética tipo H-Darrieus de 100 Vatios empleando la optimización paramétrica que permita el aprovechamiento de recursos hidráulicos en zonas no interconectadas.

Objetivos Específicos

  • Identificar los parámetros de diseño que determinan la eficiencia de una turbina hidrocinética tipo H-Darrieus (THHD) y la relación entre ellos para poder establecer una hoja de ruta en el desarrollo del proyecto.
  • Implementar un proceso de diseño conceptual que considere las especificaciones y los sistemas de la turbina que intervienen en su funcionamiento para establecer un diseño esquemático y otro detallado.
  • Evaluar paramétricamente la variante de diseño o el diseño esquemático mediante la simulación numérica de elementos finitos y la dinámica de fluidos computacionales, para diseñar detalladamente la THHD.
  • Construir la THHD diseñada empleando técnicas de manufactura avanzada y/o aditiva que garanticen que esta cumpla con las especificaciones establecidas y que sea completamente funcional.

 

 

Metodología

 

Para cumplir el primer objetivo específico de Identificar los parámetros de diseño que determinan la eficiencia de una turbina hidrocinética tipo H-Darrieus , (THHD), y la relación entre ellos para poder establecer una hoja de ruta en el desarrollo del proyecto, es necesaria la búsqueda de información técnica y científica reportada en la literatura y las bases de datos, esta información será analizada para determinar los parámetros geométricos que son involucrados en la eficiencia THHD, se categorizará la información obtenida realizando un mapeado cuantitativo de los parámetros, para después, establecer la hoja ruta para el diseño de la THHD. La hoja de ruta será el producto de este objetivo y será un documento de circulación restringida.

 

Es necesario clarificar la tarea y establecer las especificaciones técnicas de la THHD que den cuenta de las condiciones de entrada del fluido, la transformación de energía requerida y el funcionamiento de la turbina, en general; estas especificaciones serán establecidas con la información de la de hoja ruta y recopiladas en la ejecución de otros proyectos que fueron ilustrados en los antecedentes. Partiendo de lo anterior, se inicia el proceso de diseño conceptual donde se identifica el problema esencial y se establece una función general, esta función general es dividida en subfunciones para encontrar los principios de solución para cada una de las subfunciones. Los principios de solución serán combinados para obtener las variantes de solución y estas serán evaluadas cualitativa y cuantitativamente para establecer la variante de diseño final y realizar el diseño esquemático de la THHD. Esta parte de la metodología permite cumplir con el segundo objetivo Implementar un proceso de diseño conceptual que considere las especificaciones y los sistemas de la turbina que interviene en su funcionamiento para establecer un diseño esquemático.

 

Evaluar paramétricamente la variante de diseño o el diseño esquemático mediante la simulación numérica de elementos finitos y la dinámica de fluidos computacional para diseñar detalladamente la THHD, es el tercer objetivo específico. Para cumplirlo es necesario realizar selección de los parámetros de diseño que son susceptibles de parametrización, estos parámetros son de tipo geométrico y afectan directamente el diseño del rotor.

 

Se realiza un diseño de experimentos para poder evaluar la incidencia de los parámetros seleccionados en el rendimiento de la turbina, los experimentos se realizarán utilizando herramientas computacionales de la dinámica de fluidos (CFD), y el análisis estructural (FEA), las herramientas que se utilizarán para realizar los experimentos son Fluent ® y/o CFX® para los experimentos de la mecánica de fluidos y para el análisis estructural el Ansys® Mechanical. Los resultados de los experimentos serán desplegados en gráficas y curvas en 2D y 3D que permitan una adecuada visualización y así poder determinar cuál es el punto óptimo de diseño. Con el punto óptimo de diseño se procede a realizar el diseño detallado de la THHD generando modelos 3D y planos 2D.

El último objetivo específico es construir la THHD diseñada empleando técnicas de manufactura avanzada y/o aditiva que garanticen que está cumpla con las especificaciones establecidas y que sea completamente funcional, para esto es necesario evaluar los procesos de manufactura adecuados para cada uno los componentes y así poder realizar los planos de taller y/o gamas de mecanizado, realizar los procesos de adquisición de materiales y compra de elementos comerciales, y fabricar los componentes diseñados empleando los proceso de manufactura adecuados.

Teniendo todos los elementos y/o piezas del diseño fabricadas y/o adquiridas se procede a realizar el ensamble de estas y así obtener la THHD. La THHD será sometida a pruebas de funcionamiento tanto mecánicas como hidráulicas.

 

 

Resultados Esperados

Durante la ejecución del proyecto se redactarán los informes de avances y final, lo mismo que los artículos científicos.

Impactos Potenciales

 

El impacto que se logra en el desarrollo de un proyecto de investigación que se enfoca en resolver un problema actual como lo es la falta de suministro eléctrico en ZNI mediante el desarrollo ingenieril, es gigantesco. No solo se contribuye a satisfacer las necesidades de las ZNI, sino que se propende que este proceso de satisfacción de necesidades sea amigable y sostenible con el medio ambiente. Científicamente, los productos de este proyecto serán los artículos de investigación comprometidos que permitirán sostener los grupos de investigación e investigadores en las categorías actuales y de ser posible subir estas en las próximas convocatorias de reconocimiento y clasificación de Colciencias.

 

Los impactos sociales se pueden dividir en dos tipos, el primero son los impactos sociales a los estudiantes involucrados en el desarrollo del proyecto, ya que este permitirá que ellos participen activamente en el desarrollo de este y, por tanto, ellos serán capacitados en campos específicos que normalmente no están contemplados en los programas de pregrado y maestría, sus trabajos de grado desarrollados en el marco del proyecto hacen que ellos estén más preparados y competentes en su futuro profesional. Los de segundo tipo son los que se reflejan en las comunidades que a futuro puedan implementar la tecnología de las turbinas hidrocinética para la generación de electricidad a pequeña escala para satisfacer las necesidades de la vida cotidiana y poder pensar en proyectos productivos más eficientes. Para ambos casos siempre se mejora la calidad de vida.

 

Los impactos económicos/productivos y ambientales son difíciles de predecir en este momento, ya que el proyecto no contempla la puesta en funcionamiento de la turbina, sí a futuro esto fuera posible los impactos económicos/tecnológicos impactarían las comunidades donde se instale y toda la cadena de producción y montaje que esta necesita. Los impactos en la parte ambiental serían positivos en comparación con otras tecnologías disponibles.