Optimización de turbinas hidrocinéticas de eje horizontal

Título

Optimización de turbinas hidrocinéticas de eje horizontal

Colaborador

Menéndez, Ángel

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2022-07-08

Extensión

195 p.

Resumen

Las distintas fuentes de energía, las consecuencias de su agotamiento y las fluctuaciones en los precios de dicha energía en el mercado mundial forman el eje del debate energético global. La creciente necesidad de energía y los impactos ambientales asociados a toda obra de generación, sumado a la preocupación por el cambio climático, han llevado a la búsqueda de nuevos horizontes en el área de energías renovables no contaminantes. Esta coyuntura mundial ha permitido el desarrollo de una nueva fuente de energía: la energía hidrocinética, que utiliza la energía cinética contenida en corrientes fluviales, corrientes de mareas, y corrientes en cauces artificiales para la generación de energía eléctrica. A pesar de sus potenciales beneficios, como su bajo impacto ambiental y elevada previsibilidad comparada a otras fuentes renovables, la energía hidrocinética se encuentra aún en una etapa temprana de desarrollo. Si bien existen ya dispositivos de tipo comercial instalados en el mundo, todavía se requieren grandes esfuerzos de investigación y desarrollo para convertir a la energía hidrocinética en una alternativa competitiva frente a otras fuentes energéticas más consolidadas. Esta tesis desarrolla una metodología integral de optimización para el diseño hidráulico de una turbina hidrocinética de eje horizontal, basada en la modelación numérica. La metodología busca maximizar la energía extraíble del flujo, aumentando así la rentabilidad del sistema y contribuyendo entonces a la factibilización de la energía hidrocinética como una sólida alternativa de desarrollo energético en el siglo XXI. Se propone la utilización de una metodología compuesta que aplica en forma sucesiva métodos de diseño inverso y directo. En una etapa inicial, se genera una geometría preliminar utilizando el método de línea de sustentación y optimizando la distribución de presiones en las palas del rotor para condiciones de flujo ideales. La geometría del rotor se optimiza en una segunda etapa en base a un modelo sustituto, generado a partir de análisis numéricos utilizando un método de cálculo de flujo viscoso tridimensional tipo Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS). Se busca de esta manera generar una metodología robusta y flexible, que permita el diseño sistemático de rotores hidrocinéticos para una combinación arbitraria de condiciones de flujo y de instalación. El método minimiza la cantidad de hipótesis geométricas requeridas y por lo tanto también su dependencia en la experiencia del diseñador.
The different sources of energy, the consequences of their depletion, and the fluctuations in energy prices in the world market form the axis of the global energy debate. The growing need for energy and the environmental impacts associated with all energy generation projects, in addition to the concern over climate change, have led to the search for new horizons in the area of non-polluting renewable energies. This global situation has allowed the development of a new source of energy: hydrokinetic energy, which uses the kinetic energy contained in river currents, tidal currents, and artificial channel currents to generate electrical energy. Despite its potential benefits, such as its low environmental impact and high predictability compared to other renewable sources, hydrokinetic energy is still at an early stage of development. Although there are already commercial-type devices installed in the world, significant research and development efforts are still required to turn hydrokinetic energy into a competitive alternative compared to other more established energy sources. This thesis develops a comprehensive optimization methodology for the hydraulic design of a horizontal axis hydrokinetic turbine, based on numerical modeling. The methodology seeks to maximize the energy extracted from the flow, increasing the profitability of the system and contributing to the feasibility of hydrokinetic energy as a solid alternative for energy development in the 21st century. The use of a composite methodology that successively applies inverse and direct design methods is proposed. In an initial stage, a preliminary geometry is generated using the lifting line method and optimizing the pressure distribution on the rotor blades for ideal flow conditions. The rotor geometry is further optimized in a second stage based on a surrogate model, generated from numerical analyses using a Reynolds-Averaged Navier Stokes (RANS) three-dimensional viscous flow model. The goal is to create a robust and flexible methodology that allows the systematic design of hydrokinetic rotors for an arbitrary combination of flow and installation conditions. The method minimizes the number of geometric assumptions required and therefore also its dependence on the designer's experience.