Turbinas

hidrocinéticas

Ing. Daniel Schenzer

MSc Ing. Rodolfo Pienika

IMFIA – Facultad de Ingeniería

rpienika@fing.edu.uy

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

Turbinas hidrocinéticas.

Otro cálculo:

moviendo un empaletado por empuje

V

dt

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

confinado

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 hidrocinéticas:

con rotor axial, flujo abierto

Turbinas axiales para ríos (mini- micro- pico)

Algunos diseños en

evaluación

(Brasil)

Muy sensibles a sólidos arrastrados

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 dobles, contra-rotantes

Rotores D = 15 m, 500 kW c/u

Turbinas Savonius

• Fuerza de empuje

diferencial sobre las palas

• Momento respecto al eje

Turbinas Savonius

Turbinas Darrieus – palas rectas

• Resultante de Lift y

Drag sobre las palas

• Momento respecto al eje

(idénergie, Canadá)

Turbinas

Darrieus:

velocidades y

fuerzas

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 para muy

bajo salto

Turbinas axiales

para muy bajo salto

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

Turbinas de hélice compactas

Hydrostatic Pressure Machine

Rueda de Presión Hidrostática (adaptación de water wheels)

Proyecto HYLOW

(http://www.hylow.eu/)

Hydrostatic Pressure Machine

Hydrostatic Pressure Machine

Máximo caudal que la

máquina puede procesar:

Hydrostatic Pressure Machine

Hydrostatic Pressure Machine

Proyecto HYLOW

Hydrostatic Pressure Machine

Proyecto HYLOW

Hydrostatic Pressure Machine

Mejoras:

•Palas diagonales

•Piso del canal modificado

•Ancho de rueda / ancho del canal óptimo

•Niveles de agua óptimos

•Palas flexibles

Counter-rotating runner

EPFL, Lausanne (Suiza)

Counter-rotating runner

Aprovechamiento de energía en líneas de agua potable

Turbina para flujo bi-direccional

UNIFEI, Minas Gerais (Brasil)

Aprovechamiento de energía mareomotriz

Turbina para flujo bi-direccional

UNIFEI, Minas Gerais (Brasil)

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