MODELAMIENTO NUMÉRICO DE UNA TURBINA HIDROCINÉTICA
Presentación por
Donald R. Delgadillo, P.E., MSc.
Marzo 25, 2017
TURBINA HIDROCINÉTICA
TURBINA HIDROCINÉTICARESUMEN TECNOLÓGICO
Introducción:• Resumen Tecnológico• Pluviosidad• Desarrollo Hidrocinético Reciente• Reseña Literatura
Objetivos:Optimización del MantoAnclaje
Análisis EconómicoConclusión
TURBINA HIDROCINÉTICA
Manto (corte)
Turbina, Bujey Generador
Sistema Anclaje
A Distribución
TURBINA HIDROCINÉTICARESUMEN TECNOLÓGICO
TURBINA HIDROCINÉTICARESUMEN TECNOLÓGICO
TURBINA HIDROCINÉTICAPLUVIOSIDAD
TURBINA HIDROCINÉTICARESUMEN TECNOLÓGICO
Ventajas No embalse o vertedero – impacto ambiental mínimo Selección del Sitio es Menos Restrictivo Sin Presas o Casas de Máquinas – Bajo Costo de
Instalación Rápido Tiempo de Despliegue Modular – Fácil Expansión Flujo Estable, Producción de Energía Estable
TURBINA HIDROCINÉTICARESUMEN TECNOLÓGICO
Desventajas Condiciones de Flujo Posiblemente Peligrosas No control de Condiciones Aguas Arriba Turbulencia, Desperdicios Sumergidos Rata de Mortalidad de Peces Desconocida
TURBINA HIDROCINÉTICADESARROLLO HIDROCINÉTICO RECIENTE
Poca Literatura para Turbinas Hidrocinéticas en Ríos Propósito:
Desarrollar Técnicas de Modelamiento Numérico para Optimizar Manto en Turbinas Cinéticas en Ríos
Entender la Confiabilidad de Estos Modelos Usar Estos Modelos para Evaluar y Mejorar el
Comportamiento de Turbinas Cinéticas
1970 1980 1990 2000
Coriolis Program (Gulf Stream)
ITDG / IT Power (Sudan)
UEK (Various)
Nova Energy, NRC (3 sites)
Nihon University (Japan)
Scottish Nuclear, IT Power (Scotland)
Northern Territory University (Australia)
Marine Current Turbines (UK)Turbina Eje Horizontal
Turbina Eje Vertical
Turbina con Manto
TURBINA HIDROCINÉTICADESARROLLO HIDROCINÉTICO RECIENTE*
*Adoptado de Segergren, 2005
1990 2000
Turbina Eje Horizontal
Turbina Eje Vertical
Turbina con Manto
Ontario Power Generation, UEK (Ontario)
Hammerfest Strøm AS (Norway)
Exim & Seapower (Sweden / Scotland)
Hydro Venturi (Various)
TidEl Generator (Unspecified)Stingray Tidal Stream, Eng Business Ltd.
New Energy (Alberta)
Pearson College, et al. (B.C.)
Starkraft Development (Norway)
TURBINA HIDROCINÉTICADESARROLLO HIDROCINÉTICO RECIENTE*
*Adoptado de Segergren, 2005
TURBINA HIDROCINÉTICARESUMEN LITERATURA
1980 1990 2000
N x 5
N x 2
E x 3E x 1
E x 1.25E x 1.3TEORÍA TEORÍA
TEORÍA
TEORÍA
TEORÍA – Estudio Cubre Teoría Turbina con MantoN – Estudio Numéricox 3 – Resultados con aumento por factor de 3E – Resultados Experimentales
N x 4N x 3.2
N x 2
Igra Grassmann et al.Lewis et al.
Helmy
HelmyPhillips et al.
Bet et al.
TURBINA HIDROCINÉTICAECUACIONES
TURBINA HIDROCINÉTICAECUACIONES
Teoría
Velocidad(m/s)
Diámetro500 W
(m)
Diámetro1kW(m)
Diámetro2kW (m)
0.4 5.88 8.31 11.75
0.6 3.20 4.52 6.40
0.8 2.08 2.94 4.16
1 1.49 2.10 2.97
1.2 1.13 1.60 2.26
1.4 0.90 1.27 1.80
1.6 0.73 1.04 1.47
1.8 0.62 0.87 1.23
2 0.53 0.74 1.05
2.4 0.40 0.57 0.80
2.8 0.32 0.45 0.63
3 0.29 0.40 0.57
TURBINA HIDROCINÉTICAOPTIMIZACIÓN DEL MANTO
Teoría
Turbina Convencional
Pequeña Potencia Disponible
Pa < 60% P∞ Límite de Betz (Betz, 1926)
TURBINA HIDROCINÉTICAOPTIMIZACIÓN DEL MANTO
TeoríaTurbina con Manto
Mayor Potencia Disponible
(Lewis et al., 1977)
TURBINA HIDROCINÉTICAEQUACIONES DE GOBIERNO
Ecuaciones de Navier-Stokes
Continuidad:
Momentum:
TURBINA HIDROCINÉTICAEQUACIONES DE GOBIERNO
Ecuaciones de Navier-Stokes
Continuidad:
Momentum:
TURBINA HIDROCINÉTICAEQUACIONES DE GOBIERNO
PROGRAMAS DE COMPUTACIÓN
COMSOL Aerosoft
BARRACUDAFLUENT
CFXSimFlowStarCD
TURBINA HIDROCINÉTICAMODELAMIENTO DE TURBINA
Cuatro Estrategias de Modelamiento de Turbina:
1. No modelo
2. Fuente Momentum
3. Rotación Promedio
4. Rotación Cuadrícula Corrediza
• No Captura Caída de Presión, Remolinos
• Respuesta No-Lineal a Presión no Modelada
• No Usado
• Conducto Abierto
TURBINA HIDROCINÉTICA MODELAMIENTO DE TURBINA
Cuatro Estrategias de Modelamiento de Turbina:
1. No modelo
2. Fuente Momentum
3. Rotación Promedio
4. Rotación Cuadrícula Corrediza
k – Factor Fuente
Momentum
• Modela Turbina como Bloque de Momentum
• Captura Caída de Presión
• Evita Geometría Compleja
TURBINA HIDROCINÉTICAMODELAMIENTO DE TURBINA
Cuatro Estrategias de Modelamiento de Turbina:1. No modelo
2. Fuente Momentum
3. Rotación Promedio
4. Rotación Cuadrícula Corrediza
k – Factor FuenteMomentum
• Models turbine as block of momentum
• Captures pressure drop
• Avoids complex geometry00.10.20.30.40.50.60.7
-0.6 -0.1 0.4 0.9
Uw / U∞P
/ P
TheoryExperiment
• No Considera Curvas de Potencia, Pérdidas Mecánicas
• Cercano a Teoría de Betz
• ≈ 5% Sobre-Predice Potencia
Cuatro Estrategias de Modelamiento de Turbina:1. No modelo
2. Fuente Momentum
3. Rotación Promedio
4. Rotación Cuadrícula Corrediza
• Modela geometría del rotor
• Promedios a lo largo circumferencia de rotación para pseudo estado uniforme
• Circulación axi-simétrica solamente
TURBINA HIDROCINÉTICAMODELAMIENTO DE TURBINA
TURBINA HIDROCINÉTICAMODELAMIENTO DE TURBINA
1. No modelo
2. Fuente Momentum
3. Rotación Promedio
4. Rotación Cuadrícula Deslizante
• Rota e interpola cuadrícula a cadaincremento de tiempo
• Computacionalmente intensivo; gran salida datos
• Solución totalmente transiente
Cuatro Estrategias de Modelamiento de Turbina:
Variables de Diseño:
1. Ángulo de Difusión
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACION DEL MANTO
FUENTE MOMENTUM
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE MOMENTUM
Variables de Diseño:
1. Ángulo de Difusión
2. Relación de Areas
Dhub=0.4mDturbine=2.4m
Lturbine=0.8m
Lhub=2.2m
θ diffuser
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE MOMENTUM
Dimensiones Modelo
Dominio del FlujoMalla Superficial
0
10
20
30
40
50
60
0 2 4 6 8
Area ratio
Pow
er [k
W]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8
Area ratio
Drag
[kN]
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE MOMENTUM
Variable: Relación de Areas
15
Variable: Ángulo de Difusor0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60
Diffuser Angle [degrees]
Pow
er [k
W]
No diffuser
0
5
10
15
20
25
30
35
0 20 40 60
Diffuser angle [°]
Dra
g [k
N]
Total dragShroud dragTurbine drag
No diffuser
■ Potencia aumenta conun factor de 3.1
■ Arrastre aumenta con unfactor de 3.9
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE MOMENTUM
Líneas de Flujo paraDifusor de 45°
Líneas de Flujo paraDifusor de 20°
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE MOMENTUM
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE MOMENTUM
Potencia: 25.6 kW Potencia: 51.3 kW
Diámetro: 3.0 m Diámetro: 2.4 m
Si área es limitada, manto reducirá tamaño de turbina Manto es beneficioso
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE ROTACIÓN
A. B.
C. D.
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE ROTACIÓN
Malla Tetahedra
Dominio del Flujo
Malla Hexahedra
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE ROTACIÓN
TURBINA HIDROCINÉTICA OPTIMIZACIÓN DEL MANTO
FUENTE ROTACIÓN
100%46.4 kW
95.8%44.4 kW
84.7%39.3 kW
105.5%48.9 kW
Potencia Relativa
(estandard)A.B. C.D.
TURBINA HIDROCINÉTICA ANCLAJE
Estrato-Límite causa pérdida de potencia
0
1
2
0 1 2U/U∞
y/δ
Velocidad
0
1
2
0 1P/P∞
Potencia
TURBINA HIDROCINÉTICAANÁLISIS ECONÓMICO
Generador Diesel Kubota 10 kW TAC
Inversión Inicial: $7,000Transporte e Instalación: $4,000O&M: $1.5/litro
4.1 litros/horaOper 12 hrs: 17,958 lts/año
$26,937/añoMant: $1,000/año
i = 4% n = 5 añosValor Presente = $137,408
Inversión Inicial: $36,000Transporte e Instalación: $9,000
O&M: $4,800/año
i = 4% n = 5 añosValor Presente = $66,720
TURBINA HIDROCINÉTICA CONCLUSIÓN
Turbinas hidrocinéticas de río han sido estudiadas a través de Modelamiento Numérico
Optimización del manto (fuente momentum): Potencia aumenta con un factor de 3.1 Sacrificando área turbina con ducto duplica potencia
Optimización del manto (fuente rotación promedio): Manto cilíndrico puede causar 30% pérdida de potencia Potencia aumenta >5% con un difusor cónico truncado Potencia aumenta 25% con turbina con manto
TURBINA HIDROCINÉTICA
AMANECER EN RIO SAN JUANHACIENDA TALALEGUALE
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