Aprovechamiento energético de corrientes de agua de baja velocidad con turbinas hidrocinéticas de eje vertical en condiciones de bloqueo

Resumen

La presente Tesis se presenta como compendio de tres publicaciones de impacto que versan sobre el estudio de turbinas hidrocinéticas de eje vertical trabajando en condiciones de baja velocidad de agua (menor de 1 m/s) y bloqueo de la corriente. Cada uno de los artículos aporta conocimiento teórico y práctico sobre el estudio de la etapa de potencia de este tipo de rotores, mostrando resultados numéricos y experimentales. Más en concreto, la Tesis presenta tres claras aportaciones: • Diseño de un túnel hidrodinámico para la simulación de corrientes de agua de baja velocidad y la caracterización de turbinas hidrocinéticas de eje vertical. • Diseño y construcción de un sistema electrónico de control de las variables hidrodinámicas del túnel y la adquisición de los datos correspondientes a las características de potencia de las turbinas a ensayar. • Definición de dos procedimientos experimentales para la caracterización de la etapa de potencia de turbinas hidrocinéticas que, por su versatilidad, permite el estudio de su funcionamiento a partir de datos eléctricos y mecánicos. En este documento y, como contextualización de la investigación, se ha realizado un breve análisis sobre el estado actual del sector energético a nivel mundial, europeo y español. Este estudio se ha enfocado en la presentación de las actuales tecnologías hipocarbónicas existentes, así como su futuro impacto en el mix energético mundial. Además, se han extraído conclusiones de cómo ha afectado la pandemia de la COVID-19 al sector de las energías renovables durante el año 2020, concluyéndose que éstas han mostrado resiliencia a los cambios de consumo. También se ha puesto de manifiesto la importancia que tendrá la utilización de fuentes renovables en la producción de hidrógeno verde ya que será un recurso relevante en el futuro. Por último, si bien en las últimas décadas las fuentes renovables de energía han ido ganando peso en el mix energético, algunos recursos como las corrientes de marea o fluyentes en canales de baja velocidad tienen un prometedor futuro. Es en este ámbito donde cobra importancia el diseño, desarrollo e instalación de turbinas hidrocinéticas. A continuación, se han presentado las principales tipologías de turbinas hidrocinéticas existentes en la actualidad, haciendo hincapié en las de flujo cruzado por su excelente comportamiento en condiciones de baja velocidad. También se han descrito algunos de los principales proyectos reales en los que estas turbinas han sido utilizadas, bien en fase comercial (y por tanto conectadas a la red eléctrica) o de prototipo. Se concluye que, en general, realizar experimentaciones a escala real con turbinas de flujo cruzado presenta importantes complejidades técnicas y económicas por lo que la propuesta de técnicas más sencillas y de menor coste, como las que se presentan en esta Tesis, supondrán un importante avance. En este sentido, la Tesis incluye el diseño y desarrollo de una metodología de estudio de la fase de potencia de turbinas hidrocinéticas de baja velocidad de corriente y en condiciones de bloqueo. Más en concreto, se describen dos metodologías experimentales (eléctrica y mecánica) que se complementan con estudios numéricos para un análisis detallado de los campos de velocidad y presión. Las metodologías experimentales se llevaron a cabo en un túnel hidrodinámico diseñado y fabricado específicamente para tal fin, mientras que los estudios numéricos se basan en técnicas de fluidos computacional (CFD). A partir de la aplicación de las metodologías y estudios anteriormente descritos se ha podido estudiar el fenómeno del bloqueo y sus efectos en el funcionamiento de las turbinas hidrocinéticas de eje vertical desde dos puntos de vista. En primer lugar, como un fenómeno que mejora el aprovechamiento energético para casos de corrientes de baja velocidad y, en segundo lugar, como una condición inherente a la experimentación en canales que debe corregirse para extrapolar su funcionamiento a campo abierto. En una primera fase se realizó la investigación experimental, completada con un estudio numérico, de un rotor de diseño simple de 0,23 m de diámetro y 0,30 m de altura. Éste ha sido fabricado con componentes comerciales y con el objetivo de inducir un valor elevado de bloqueo en el interior de un canal con baja velocidad de corriente, lo que facilita la obtención de energía. El procedimiento experimental utilizado permitió estudiar en detalle la variación de potencia y rendimiento con la velocidad de rotación de la turbina, mientras que el modelo numérico complementó el estudio al detallar los campos de presiones y velocidades que aparecen en la turbina. De este modo se concluye que el efecto del bloqueo influye en la mejora de la generación de energía, lográndose potencias de hasta 10W para velocidades de corriente de 0,57 m/s. En una segunda fase se realizó una investigación experimental con dos turbinas hidrocinéticas tipo Darrieus diseñadas e impresas con tecnología 3D. Para su caracterización se aplicó la metodología experimental basada en datos mecánicos (par de fuerza). Geométricamente, sus dimensiones fueron de 0,28 m y 0,15 m de diámetro y altura de 0,30 m y 0,15 m respectivamente. En este caso en concreto se estudió el bloqueo como un fenómeno inherente a la experimentación en canales y se aplicaron correcciones analíticas obtenidas del estado del arte para extrapolar su funcionamiento a condiciones de campo abierto. Más en concreto, en condiciones de bloqueo se alcanzaron coeficientes de potencia de hasta 2,5, los cuales tras la corrección disminuyeron hasta 0,3. Se concluye que, si bien las turbinas utilizadas tienen un reducido tamaño, éstas son válidas para estudiar los efectos del bloqueo de la corriente, pudiéndose obtener su característica de potencia funcionando en condiciones de campo abierto. Los resultados obtenidos son similares a aquellos obtenidos por turbinas del mismo tipo con mayor tamaño y operando en aguas abiertas. En la actualidad, se están desarrollando nuevas investigaciones cuyos resultados se pretende publicar en breve. En concreto, se plantea seguir estudiando el fenómeno del bloqueo y sus efectos en la obtención de potencia. Para ello, se está trabajando en el diseño de diferentes dispositivos aceleradores de sencillo diseño para incrementar la potencia obtenida de las turbinas hidrocinéticas de eje vertical en canales con baja velocidad de corriente. Asimismo, se están llevando a cabo pruebas en túnel de viento con los mismos diseños testeados en agua para lograr comparar resultados que inclusive permitan mejorar las expresiones analíticas existentes de corrección del bloqueo.