Diseño y simulación de un sistema pico-hydro para la generación de energía eléctrica en zonas rurales, mediante un software de mecánica de fluidos computacional

  • Jorge Mario Illidge-Araujo Universidad Industrial de Santander
  • Jorge Luis Chacon-Velasco Universidad Industrial de Santander http://orcid.org/0000-0001-9658-698X
  • Angel José Chacon-Velasco Universidad Pedagógica y Tecnológica
  • Carlos Romero-Piehadraita Universidad Tecnológica de Pereira

Resumen

En este artículo se presenta un procedimiento para el diseño de todos los componentes de un sistema pico-hydro, a partir de una turbina hidráulica tipo hélice de acuerdo a las condiciones específicas del potencial del agua para un sitio estimado de operación basado en un análisis teórico y técnico. Para este fin, las principales características del rodete se determinan por medio de correlaciones estadísticas de diferentes autores que han estudiado turbinas instaladas alrededor del mundo, y definiendo restricciones para el diseño tales como el salto de la turbina, el caudal nominal y la potencia requerida, a partir de los datos mencionados anteriormente, se establece el valor de todas las variables relacionadas con el comportamiento del fluido en su paso por el rodete y a partir del valor de dichas variables y de la geometría establecida para el rodete, se procede a determinar la geometría y las especificaciones de los demás componentes del sistema pico-hydro tales como la cámara espiral, el tubo de aspiración, el generador y el distribuidor, para el cual se estudiaron dos tipos que son un distribuidor de entrada axial del fluido y otro de entrada radial del fluido con respecto al eje de rotación de la turbina. Para la verificación del diseño y de los resultados esperados, se utiliza una herramienta moderna de ingeniería como lo es la dinámica de fluidos computacional (CFD), en especial el componente (CFX) para predecir el flujo y el rendimiento que puede arrojar el sistema diseñado. Por último se procede a realizar un análisis técnico-económico para estudiar la viabilidad de implementar este tipo de sistemas en una zona rural.

Palabras clave: simulación, CFD, sistema pico-hydro, CFX, zonas rurales, análisis técnico-económico

Citas

[1] A. S. B. Ennil y S. Mahmouda, “Optimization of Small Scale Axial Air Turbine Using,” Proc. 22nd TheIIER Int. Conf. London, United Kingdom, no. abril, pp. 2013–2016, 2015.

[2] Ávila Reita, Walter y López, Anderson, “Selección y adecuación de un sistema hídrico para el aprovechamiento energético de zonas no interconectadas - ZNI con caudales y necesidades energéticas bajas,”. trabajo de fin de grado, Universidad de la Salle, 2016.

[3] M. Barglazan y I. Bordeasu, “Contribution to hydraulic turbines draft tube design,” Mag. Hydraul. Pneum. Tribol. Ecol. Sensorics, Mechatronics, vol. Hidraulica, no. 2, pp. 32–38, 2014.

[4] C. BUSEA y S. JIANU, “Optimization of Axial Hydraulic Turbines Runner Blades Using Hydrodynamic Simulation Techniques,” 6th Int. Conf. Hydraul. Mach. Hydrodyn., Timisoara, 2004, pp. 67–72.

[5] E. L. Chica, S. C. Agudelo y N. I. Sierra, “Application of CFD to the design of the runner of a propeller turbine for small hydroelectric power plants”, Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia, no. 69, pp. 181-192, 2013.

[6] A. Clement, A. Brunia y H. Aven, “Estudio para el desarrollo y fabricación de generadores de baja revolución para aplicación hidráulica desarrollado y patentado por Antonio Clement,” Alianza de energía y ambiente de Centroamérica, PA 7.20 Julio, 2011.

[7] N. Cotella, P. Varela, O. Villagra, R. Kohl, “Diseño y construcción de una micro turbina hidráulica de 1kW,” Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, vol. 6, no.1, pp. 11-15, 2002.

[8] D. Khalifa, “Simulation of an Axial Flow Turbine Runner’s Blades Using Cfd,” Indian J. Eng. Mater. Sci., vol. 16, pp. 229–236, 2009.

[9] R. Laguna-Ruiz, “Diseño de turbina Kaplan mediante Dinámica de Fluidos Computacional,” trabajo de fin de grado, Escuela Técnica Superior de Ingeniería, 2015.

[10] F. Landa, y L. Llanganate, “Diseño y construcción de una pico central hidroeléctrica utilizando una turbina Michell Banki para la generación de energía eléctrica en el sector de Las Carmelitas del Cantón Tena,” trabajo de fin de grado, Escuela Politécnica del Ejército, 2009.

[11] C. MATAIX, Turbomáquinas hidráulicas: Turbinas en: Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Madrid, España: Editorial ICAI.

[12] Y. Tobo, A. V. Ramayya, and G. Tibba, “CFD Simulation and Optimization of Very Low Head Axial Flow Turbine Runner,” International Journal of Renewable Energy Development, vol. 4, no. 3, pp. 181188, Oct. 2015. doi: 10.14710/ijred.4.3.181-188

[13] D. Novkovic, M. Lecic, J. Burazer, and D. Radenkovic, “Flow simulations in a small bulb turbine using two-equation turbulence models,” FME Trans., vol. 42, no. 2, pp. 118–127, 2014. doi: 10.5937/fmet1402118N

[14] P. Perez-Pantoja, “Grupo de Generación con turbina Kaplan Tubular,” trabajo de fin de grado, Pontificia Universidad Católica del Perú, 2007.

[15] C. Pfleiderer, Bombas Centrífugas y Turbocompresores. Barcelona, España: Editorial Labor S. A, 1960.

[16] M. Polo, Turbinas hidráulicas de reacción de flujo radial. México: Editorial Limusa. 1975.

[17] A. Rivetti, C. Lucino, J. Torres y S. Liscia, “Modelación en CFD de una turbina Kaplan y comparación con resultados experimentales,” en XXV Congreso Latinoamericano de Hidráulica, Costa Rica, 2012.

[18] A Williams, R. Simpson, “Pico hydro – Reducing technical risks for rural electrification,” Renewable Energy, vol. 34, no. 8, pp. 1986-1991, 2009. doi: 10.1016/j.renene.2008.12.011

[19] E. Sisa-Amaguaya y W. Villarroel, “Diseño e instalación de una pico central hidroeléctrica en la hacienda la Isabela,” trabajo de fin de grado, Escuela de ingeniería mecánica, 2009.
Publicado
2020-01-30

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