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