Universidad Austral de Chile      Facultad de Ciencias de la Ingeniería          Escuela de Ingeniería Naval    “EVALUACIÓ...
Este Proyecto de Titulación ha sido sometido para su aprobación a la Comisión de Tesis,como requisito para obtener el grad...
ÍndiceResumen................................................................................................................
3.8.1.2 Estimación de Fuerzas ...............................................................................................
Resumen        En este escrito se describen los diversos problemas energéticos y las tendencias queapuntan a diversificar ...
Introducción        En este proyecto de título realiza una evaluación económica de una turbina hidrocinéticade tipo Darrie...
ObjetivosObjetivo Primario   -   Analizar la viabilidad de una planta de generación de energía, utilizando una turbina    ...
Capítulo 1 - Descripción del problema1.1 Problema energético nacional         En Chile, cada 10 años es necesario duplicar...
El objetivo de la Ley 20.257 es que la inyección de energía a través de ERNC sea de formagradual, iniciando el año 2010 co...
Capítulo 2 – Descripción de la zona de Aplicación        Este capítulo entrega información general respecto de la zona de ...
2.2 Energía en Melinka        Durante el mes de Junio del año 2012 el precio de 1 litro de petróleo fueaproximadamente de ...
El estudio es claro, la ventaja de elaborar un modelo es que permite caracterizar lahidrodinámica de las corrientes sobre ...
La consultora Garrad Hassan, realiza el año 2009 una selección preliminar de sitios clavepara la energía marina. Aquí se e...
Capítulo 3 - Descripción General del Dispositivo       Para comprender los distintos elementos que componen el dispositivo...
Las turbomáquinas también se clasifican según el sentido de intercambio de la energía, deacuerdo a dicha clasificación, se...
Figura 7: Tipos de Turbinas Axiales Verticales [11]         Si bien la turbina Darrieus fue desarrollada para ser aplicada...
3.1.1. Perfiles       La turbina de tipo Darrieus se construye utilizando perfiles hidrodinámicos. En este caso seha defin...
3.1.2 Eje        El eje forma parte fundamental del sistema de la turbina. Debe ser dimensionado de formaque soporte los e...
ii.    Hipoidales           iii.   De dientes helicoidales y ejes cruzados        d. Engranajes No Circulares        e. Ru...
3.3 Generador Eléctrico       Un generador por definición, es un dispositivo capaz de mantener una diferencia depotencial ...
Figura 11: Máquina elemental de Corriente Continua con conmutador, Fitzgerald [14]        Elegir adecuadamente un generado...
Es fundamental comprender el impacto que la correcta elección de un generador tendrásobre el desempeño final del dispositi...
Los conductores eléctricos se clasifican según su constitución:        a. Alambre, cuya alma conductora está formada por u...
3.8 Estimación Preliminar de las características del dispositivo        Para realizar una caracterización del dispositivo ...
Preliminarmente estableceremos los siguientes valores estimativos para cada uno de estoscoeficientes, de acuerdo a la reco...
De acuerdo a la expresión, se define entonces el Área proyectada de la turbina desde laecuación siguiente.                ...
3.8.1.1 Perfiles hidrodinámicos        Se ha utilizado la relación de aspecto RA que se define como el cociente de la Enve...
Figura 14: Efecto de la Solidez en Cp para Rn = 3x106, Strickland [17]        Debe notarse que la diferencia entre uno y o...
Figura 15: Número de álabes recomendados en función del valor TSR, Maldonado        Considerando el valor TSR que ya se en...
Figura 17: Modelo inicial incorporando perfiles       3.8.1.2 Estimación de Fuerzas       Con objeto de dimensionar los el...
En el esquema anterior se definen los siguientes parámetros:α = ángulo de incidencia del flujoP = punto de apoyo del perfi...
Se presenta entonces una serie de casos particulares para diferentes grados de avance deun perfil. No debe confundirse con...
Por otro lado, se considera el caso de menor inercia del perfil, como muestra la figura.                            Figura...
En la figura precedente, “L” corresponde a la envergadura del perfil, y “w” corresponde ala carga distribuida sobre el per...
Dado el esquema anterior, se obtiene el Momento producido por la fuerza resultante Rsobre el eje central del dispositivo. ...
El cálculo del momento se ha realizado para la condición más desfavorable que presenta elperfil a lo largo de su trayector...
Ya se ha calculado las fuerzas presentes en esta nueva condición de operación sinembargo, debe determinarse el brazo “b” p...
3.8.2 Generador Eléctrico y Caja Multiplicadora        El rotor definido, que para una velocidad del flujo de 1,5 m/s gira...
Figura 27: Generador PMG de PRECILEC [22]       Las características generales que permiten identificar el modelo exacto de...
Se aprecia que el modelo R/S H250 ATR 210 tiene un máximo de capacidad de generaciónde aproximadamente 23 kW, lo que supon...
3.8.3 Electrónica de Potencia        Como se mencionó antes, el dispositivo requiere un sistema de control de potencia dad...
3.8.3 Transmisión eléctrica         El cálculo de la sección del cable resulta simple utilizando como fuente la informació...
Con objeto de simplificar el cálculo, la fuerza se aplica en E/2, generando entonces unmomento igual a la fuerza Fx por el...
3.8.5 Diversas consideraciones       De acuerdo a la información que hasta el momento se maneja, la velocidad de la corrie...
energía requerida. Una aproximación lineal a estos requerimientos se puede apreciar en lasiguiente imagen.                ...
Capítulo 4 – Estimación de costos        Se comienza a definir el proyecto y con el fin de cumplir los objetivos propuesto...
4.3 MantenciónLos gastos de mantención son anuales y se consideran visitas técnicas semestrales.                     ITEM ...
Capítulo 5 – Comparación de Tecnologías         Considerando todos los elementos tratados hasta este momento, se ordenan l...
ConclusionesDel desarrollo de este proyecto de titulación podemos extraer las siguientes conclusiones:    1. Se ha present...
Bibliografía[1] La Encrucijada energética de Chile. Álvarez, Rodrigo. AIPEF Chile 2011[2] Ley 20257. Ministerio de Economí...
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  1. 1. Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Naval “EVALUACIÓN DE UNA TURBINA TURBINAHIDROCINÉTICA DE TIPO DARRIEUS PARA TIPO LA LOCALIDAD DE MELI MELINKA” Proyecto para optar al Título de Ingeniero Naval. Menciones Arquitectura Naval ectura Transporte Marítimo Profesor Patrocinante Dr. Ingeniero Naval Sr. Gonzalo Tampier Brockhaus PABLO WALTERIO JOOST WINKLER VALDIVIA-CHILE 2012 1
  2. 2. Este Proyecto de Titulación ha sido sometido para su aprobación a la Comisión de Tesis,como requisito para obtener el grado de Licenciado en Ciencias de la Ingeniería. El proyecto de Titulación aprobado, junto con la nota de examen correspondiente, lepermite al alumno obtener el título de Ingeniero Naval, mención Arquitectura Naval y TransporteMarítimo.EXAMEN DE TITULO:Nota de Presentación (Ponderada) (1) : ……………………………Nota de Examen (Ponderada) (2) : ……………………………Nota Final de Titulación (1+2) : ……………………………COMISION EXAMINADORA:--------------------------------------- --------------------------- DECANO FIRMA--------------------------------------- --------------------------- EXAMINADOR FIRMA--------------------------------------- --------------------------- EXAMINADOR FIRMA--------------------------------------- --------------------------- EXAMINADOR FIRMA--------------------------------------- --------------------------- SECRETARIO ACADEMICO FIRMAValdivia,…………………………………………………………………………………………………………………………Nota de Presentación = NC/NA * 0,6 + Nota de Tesis * 0,2 Nota Final = Nota de Presentación +Nota Examen * 0,2 NC = Sumatoria Notas de Currículo, sin Tesis NA = Número de asignaturascursadas y aprobadas, incluida Práctica Profesional. 2
  3. 3. ÍndiceResumen.............................................................................................................................................. 5Abstract ............................................................................................................................................... 5Introducción ........................................................................................................................................ 6Objetivos ............................................................................................................................................. 7 Objetivo Primario ............................................................................................................................ 7 Objetivos Secundarios ..................................................................................................................... 7Capítulo 1 - Descripción del problema ................................................................................................ 8 1.1 Problema energético nacional .................................................................................................. 8 1.2 Diversificación de la matriz energética ..................................................................................... 8 1.3 Tendencias ................................................................................................................................ 8 1.4 ERNC .......................................................................................................................................... 9 1.5 Melinka ...................................................................................................................................... 9Capítulo 2 – Descripción de la zona de Aplicación ............................................................................ 10 2.1 Ubicación ................................................................................................................................. 10 2.2 Energía en Melinka .................................................................................................................. 11 2.3 Hidrología ................................................................................................................................ 11 2.4 Comportamiento del Consumo de Energía en Melinka .......................................................... 13Capítulo 3 - Descripción General del Dispositivo ............................................................................. 14 3.1 Turbina .................................................................................................................................... 14 3.1.1. Perfiles ............................................................................................................................. 17 3.1.2 Eje ..................................................................................................................................... 18 3.2 Transmisión Mecánica............................................................................................................. 18 3.3 Generador Eléctrico ................................................................................................................ 20 3.4 Electrónica de Potencia ........................................................................................................... 22 3.5 Transmisión Eléctrica .............................................................................................................. 22 3.6 Panel Eléctrico ......................................................................................................................... 23 3.7 Casco ....................................................................................................................................... 23 3.8 Estimación Preliminar de las características del dispositivo ................................................... 24 3.8.1. Diseño de la Turbina........................................................................................................ 26 3.8.1.1 Perfiles hidrodinámicos ............................................................................................. 27 3
  4. 4. 3.8.1.2 Estimación de Fuerzas ............................................................................................... 30 3.8.1.3 Dimensionamiento del eje del rotor ......................................................................... 36 3.8.2 Generador Eléctrico y Caja Multiplicadora ...................................................................... 38 3.8.3 Electrónica de Potencia .................................................................................................... 41 3.8.3 Transmisión eléctrica ....................................................................................................... 42 3.8.4 Casco ................................................................................................................................ 42Capítulo 4 – Estimación de costos..................................................................................................... 46 4.1 Fabricación .............................................................................................................................. 46 4.2 Instalación ............................................................................................................................... 46 4.3 Mantención ............................................................................................................................. 47 4.4 Sistema alternativo ................................................................................................................. 47Capítulo 5 – Comparación de Tecnologías ........................................................................................ 48Conclusiones ..................................................................................................................................... 49Bibliografía ........................................................................................................................................ 50 4
  5. 5. Resumen En este escrito se describen los diversos problemas energéticos y las tendencias queapuntan a diversificar la matriz utilizando fuentes alternativas de energía, conocidas como ERNC.También se conoce el caso particular de Melinka, localidad ubicada en la Región de Aysén quecarece de acceso a la red pública de energía. Se describen las características del lugar seleccionadopara aplicar la turbina, utilizando información basal obtenida de estudios previos. También, se hace una descripción del dispositivo proyectado, mostrando suscaracterísticas principales, clarificando conceptos a través de una serie de esquemas. Se definendimensiones iniciales en base a cálculos teóricos. Posteriormente se realizará una estimación delos costos de fabricación, instalación y operación del dispositivo. Con los costos claros, se realizauna evaluación y se compara económicamente con un sistema diesel de generación eléctrica. AbstractThis paper describes some energy issues and trends that point to diversify the use of alternativeenergy sources, known as NCRE. Also known the particular case of Melinka, a town located in theAysén Region without access to power net. It describes the characteristics of the site selected toimplement the turbine, using baseline information obtained from previous studies.Also, a description of the planned device, showing its main characteristics, clarifying conceptsthrough a series of schemes. Initial dimensions are defined based on theoretical calculations.Subsequently carry out an estimate of the costs of manufacturing, installation and operation ofthe device. With the costs clear, an assessment is made and compared economically with dieselpower generation system. 5
  6. 6. Introducción En este proyecto de título realiza una evaluación económica de una turbina hidrocinéticade tipo Darrieus, ubicada en una localidad aislada en los canales del sur de Chile, Melinka. Para establecer los criterios y realizar dicha evaluación, se requiere dimensionaradecuadamente el dispositivo, de forma tal que cumpla con los requerimientos tanto energéticoscomo estructurales. Para ello se describe inicialmente una reseña respecto a la situaciónenergética nacional y global, de forma que se justifica la inclusión de nuevos tipos de tecnologías. Por otro lado, con el fin de realizar un buen diseño, deben conocerse los parámetrosambientales que afectan al dispositivo, vale decir, la corriente y profundidad del canalseleccionado, dado que como se verá, estos factores representan limitantes y capacidades para eldispositivo. La estimación de los costos debe tener sustento en la realidad, y para ello se realiza unarevisión a través de la web de los diversos proveedores de insumos. Estos datos son asimiladosdirectamente al dispositivo, de forma que se pueda generar una idea o estimación de costostotales de fabricación, instalación y operación de la turbina. 6
  7. 7. ObjetivosObjetivo Primario - Analizar la viabilidad de una planta de generación de energía, utilizando una turbina hidrocinética tipo Darrieus, que abastece al Aeródromo de Melinka, ubicado en esta localidad de la Región de Aysén. Se estima que la potencia requerida es de unos 10 kW.Objetivos Secundarios - Conocer sobre el problema energético actual y la tendencia de las políticas de desarrollo de las ERNC. - Determinar una configuración de componentes en una turbina hidrocinética tipo Darrieus, detallando sus características y funcionamiento. - Realizar una estimación de costos de la construcción, instalación y operación de una turbina hidrocinética tipo Darrieus. - Conocer el caso particular de la localidad de Melinka, destacando su situación energética respecto del resto del país. Además, describir las características que sustentan una planta de energía mareomotriz. 7
  8. 8. Capítulo 1 - Descripción del problema1.1 Problema energético nacional En Chile, cada 10 años es necesario duplicar la producción de energía para mantener elnivel de crecimiento en el desarrollo económico/industrial. Se ha estimado que es necesarioinstalar alrededor de 8.000 MW para el año 2020 [1]. De esta manera, el Estado a través de laComisión Nacional de Energía CNE a través de diversos estudios ha llevado a cabo políticas delargo plazo tendientes a apoyar el desarrollo sostenible, satisfaciendo la demanda energéticaindustrial y doméstica de manera segura, equitativa, a buen precio y velando por la preservaciónde los bienes ambientales y recursos naturales. Sin embargo, desde el año 2000 ha tenido un significativo aumento la producción deenergía por Gas Natural, Diesel y Carbón. Básicamente, el país ha duplicado prácticamente laproducción energética en base a recursos no renovables y que además aportan con un altoimpacto en los ecosistemas.1.2 Diversificación de la matriz energética Si bien no se aprecia un avance que apunte hacia la utilización masiva de las EnergíasRenovables No Convencionales (ERNC), es loable que la matriz energética presente unadiversificación de las fuentes de obtención sin embargo, según la Agencia Internacional de Energía,para el año 2020 en América Latina el nivel de penetración de las ERNC sería del orden de un 6%,dado que tiene directa relación con el nivel de desarrollo de los países. Por su parte, Europatendría el 2020 un nivel de penetración de ERNC del orden de un 20%. Uno de los principalesavances en Chile respecto de la ERNC es la aprobación en el congreso de la Ley 20.257 el año 2008,que obliga a las compañías generadoras a que el retiro de energía ya sea por sus propios medios ocontratados sea en un 10% proveniente de ERNC, sin embargo el sistema permite que losexcedentes de energía “limpia” sean transferidos a otra compañía generadora, lo que impide ladiversificación a nivel de compañías [2].1.3 Tendencias Mientras que en los países miembros de la OECD durante los años 2001-2008, la emisiónde CO2 por consumo de combustible aumentó en un 0,9% respecto del 2001, en Chile se produjoun aumento de un 37,7% [3]. Se perfila entonces una necesidad imperiosa; impulsar políticas dedesarrollo y financiamiento de proyectos de bajo impacto medioambiental. 8
  9. 9. El objetivo de la Ley 20.257 es que la inyección de energía a través de ERNC sea de formagradual, iniciando el año 2010 con un 5% para llegar al año 2024 con un 10%. Sin embargo la Leyno toca temas esenciales como subvención o bonos a empresas o instituciones que generen ERNC.1.4 ERNC La situación actual de las ERNC es bastante alentadora. Según el SEIA un 37% de losproyectos en evaluación corresponden a ERNC, mientras que de los proyectos aprobados y sinconstruir solo un 15% corresponde a ERNC. Esto es reflejo de que cada proyecto que se inicia tieneun sustento y una vez que se ha generado es llevado adelante hasta que se concreta.1.5 Melinka Este poblado de pescadores y mariscadores ha sufrido un incipiente aumento depoblación debido a la actividad industrial relacionada a la crianza del salmón destinado a laexportación a distintos países de la Unión Europea, Estados Unidos, Japón e incluso Brasil. A raízde ello, los medios de transporte desde y hacia la isla se han diversificado, desarrollándoseampliamente la oferta aérea civil. Esto ha suscitado por lo tanto una mejora en las característicasde los diferentes puntos de acceso (rampas, muelles, aeródromo). En definitiva, se ha mejoradonotoriamente la calidad de vida en el pueblo, cambios que están orientados a satisfacer lasnecesidades de la industria. Sin embargo, existe un gran problema, relacionado a la generación deenergía eléctrica domiciliaria e industrial, la cual está acotada debido a la utilización de motoresgeneradores diesel. Todos estos antecedentes, nos dan luces sobre la necesidad de una solución innovadora,práctica y segura que ayudaría a mitigar las falencias energéticas de la localidad, en especialcuando tiene relación con la seguridad en la navegación aérea civil. 9
  10. 10. Capítulo 2 – Descripción de la zona de Aplicación Este capítulo entrega información general respecto de la zona de aplicación deldispositivo, junto con algunos elementos que resultan claves para la determinación de lascaracterísticas de éste.2.1 Ubicación Melinka es un pueblo de pescadores y mariscadores ubicado en la zona norte de la Regiónde Aysén, a unos 300 kilómetros de la Capital Regional Coihaique y 90 kilómetros del centrourbano más cercano, Quellón en la isla de Chiloé. Isla Ascensión Isla Westhoff Melinka Figura 2: Melinka en Google Earth Figura 1: Mapa de XI Región Las rutas de navegación definidas por la autoridad marítima pasan al oriente de la IslaWesthoff, por el cual transitan las embarcaciones de mayor tamaño. De esta manera el canal formadoentre la Isla Ascensión y la Isla Westhoff está libre de embarcaciones de gran tamaño. Por otro lado,este canal tiene aproximadamente 4 cables de ancho (unos 740 metros) [4]. 10
  11. 11. 2.2 Energía en Melinka Durante el mes de Junio del año 2012 el precio de 1 litro de petróleo fueaproximadamente de $900 en Melinka. Durante el mismo periodo el valor del litro de petróleo enla Región Metropolitana fue de $520 aproximadamente (según Informe Semanal de Precios ENAP[5]) resultando en una diferencia de un 73% en el valor. En adición a esto en Puerto Montt,durante el mismo periodo el valor promedio del litro de petróleo, fue de $630, resultando en unadiferencia de un 42% respecto del valor promedio en Melinka (valores observados en terreno). Existe una empresa Distribuidora en la zona, la cual además vende el combustible a laempresa generadora de energía que depende de la Municipalidad de Guaitecas la que a su vezrecibe dinero de parte del Gobierno Regional. Junto a todo lo anterior, se suma el clima de la zona que aporta en el aislamiento y portanto la vulnerabilidad del suministro. En lo concreto, la generación eléctrica se realiza en base a 2 motores diesel de 360 KVAcada uno.2.3 Hidrología Las profundidades del canal entre la Isla Ascensión y la Isla Westhoff, según consta en elAtlas Hidrográfico de la Armada de Chile, varían entre 31 metros en su parte media y alrededor de13-15 metros en la costa. Estos valores son conocidos como N.R.S. (Nivel de Reducción de Sondas)y es la mínima profundidad que se puede presentar en el lugar señalado. Se garantiza laprofundidad mínima en el lugar señalado al realizar una lectura de las profundidades en este Atlas.Lógicamente, en caso de existir un evento que altere la geografía, deberán realizarse nuevamentelas mediciones de profundidad. Si bien no se conocen antecedentes específicos sobre las corrientes en este canal, en elmismo Atlas se pueden apreciar valores que han sido ingresados por el SHOA, los cuales varíanentre 2 y 4 nudos de velocidad. A pesar de eso, el año 2009 se realizó en la Universidad de Valparaíso un estudio llamado“Generación de Energía por Corrientes Marinas. Una aplicación al caso de Melinka” [6]. En éste seentregan datos relevantes respecto a la batimetría de la zona y también a las medidas decorrientes. Sin embargo, lo más importante a extraer de este estudio, es el resultado de lamodelación numérica que simplifica el fenómeno de las corrientes. Si bien no se entregan datos precisos del canal seleccionado como emplazamiento deldispositivo, se entregan algunas señales de cual debiera ser el comportamiento de las velocidadesdel agua, dado que se pueden incorporar los datos conocidos desde el SHOA. 11
  12. 12. El estudio es claro, la ventaja de elaborar un modelo es que permite caracterizar lahidrodinámica de las corrientes sobre toda la región abarcada por el modelo [6]. Gracias a la modelación, se extrae el siguiente diagrama, en el cual el estudio de laUniversidad de Valparaíso hace énfasis en las corrientes producidas en los canales Leucayec yCarbunco, ubicados ligeramente al sur de Melinka. Punto de Interés Figura 3: Simulación de corrientes, U. Valparaíso [6] Si bien la imagen no es clara, en el documento original se puede apreciar claramente queel rango de velocidades en el canal de interés es entre 1.5 a 2.0 m/s. Además, se entrega elsiguiente gráfico con la variación de velocidad del agua durante un periodo de tiempo. De lainformación del SHOA podemos permitirnos decir que la velocidad media en el canal es de 1.5m/s. Como se verá más adelante, éste es uno de los datos más importantes al momento dedimensionar el dispositivo. Figura 4: Distribución de Velocidad de corrientes, U. Valparaíso [6] 12
  13. 13. La consultora Garrad Hassan, realiza el año 2009 una selección preliminar de sitios clavepara la energía marina. Aquí se enfoca en dos tipos de energía en particular, la energía undimotrizy la energía mareomotriz [7]. A pesar de que considera otros elementos, como proximidad a centros urbanos, a líneasde transmisión entre otros, entrega también un mapeo del potencial por corrientes en el cual, engeneral, todos los canales interiores se encuentran en rangos de entre 1.4 a 1.6 m/s.2.4 Comportamiento del Consumo de Energía en Melinka Si bien el consumo energético en Melinka, descrito por la Universidad de Valparaíso, notiene directa relación con el consumo de las instalaciones del aeródromo, puede entregar lucesrespecto a cuándo se tendrán los peaks de consumo. Figura 5: Patrón de Consumo en Melinka, U. Valparaíso [6]Se puede apreciar en la Figura 5, que el peak de consumo energético medio en la localidad deMelinka es entre las 18 hrs y las 24 hrs. Por otro lado, de acuerdo al horario de vuelo de la líneaAerocord [8], que realiza el recorrido hacia la isla, el peak de consumo debiera darse entre las 13hrs y las 15 hrs aproximadamente (se considera el uso de equipos de comunicaciones, iluminación,etc.). Se puede suponer entonces que se tendrán dos horarios en que el consumo será llevado allímite, entre las 13 hrs a 15 hrs y entre las 18 hrs a las 24 hrs. 13
  14. 14. Capítulo 3 - Descripción General del Dispositivo Para comprender los distintos elementos que componen el dispositivo de generación, sepresenta el siguiente esquema simplificado. Figura 6: Esquema Simplificado de Dispositivo3.1 Turbina El objetivo general de una turbina como se conoce tradicionalmente es convertir laenergía hidráulica generada por la corriente de un fluido en energía mecánica, la cual es utilizadapor un generador eléctrico el cual la convierte finalmente en corriente eléctrica. Sin embargo, lasturbinas son parte de una clasificación más general, dado que se encuentran dentro de lasllamadas turbomáquinas. Las turbomáquinas son aquellas máquinas en las que el intercambio de energía esproducido por la variación del movimiento cinético de un fluido al pasar por un órgano que semueve de forma rotacional llamado rotor [9]. Las turbomáquinas se pueden clasificar según la compresibilidad del fluído, a pesar de quetodo fluído real es compresible. Se tiene entonces la clasificación: a. Turbomáquinas térmicas, en las que el fluído presenta una variación de la densidad tal que no puede obviarse y trabajarse como constante en el diseño. b. Turbomáquinas hidráulicas, en las cuales el fluído presenta una variación despreciable de su densidad y por lo tanto de su volumen específico. 14
  15. 15. Las turbomáquinas también se clasifican según el sentido de intercambio de la energía, deacuerdo a dicha clasificación, se tienen: a. Turbomáquinas motoras o motrices, las cuales transfieren energía mecánica al fluído. b. Turbomáquinas generadoras o generatrices, las cuales de forma inversa a las primeras, transfieren o transforman la energía cinética del fluído en energía mecánica. Otra forma de clasificación que cabe destacar es de acuerdo a la dirección del flujoincidente sobre el rotor. De acuerdo a esta clasificación, se tienen: a. Turbomáquinas de flujo axial, en las que toda partícula de fluído recorre el rotor de forma paralela al eje de éste. b. Turbomáquinas de flujo radial, en las cuales el fluído recorre el rotor siguiendo una trayectoria perpendicular a éste, es decir, sobre un plano que corta el eje en el sentido del radio de éste. c. Turbomáquinas de flujo diagonal, en la que el flujo incide sobre el rotor siguiendo una trayectoria diagonal al eje, como por ejemplo, siguiendo la trayectoria de un ducto cónico. La tecnología seleccionada para desarrollar este proyecto de evaluación, como se anticipaen el título, es la generación a través de un sistema que utiliza un rotor de tipo Darrieus. Estaturbina fue patentada por un ingeniero aeronáutico el año 1931, el francés George Darrieus, alcual debe su nombre la turbina. La turbina Darrieus es una turbomáquina hidráulica generatriz, está constituida por un ejevertical al que van unidos una serie de perfiles que giran de forma solidaria al eje. La dirección delflujo es horizontal de forma que este incide de forma radial en el eje y por lo tanto en el rotor. La turbina Darrieus no es la única en su tipo, dado que existen otras configuraciones deperfiles como la turbina Gorlov (Fig. 7.d) o la turbina Savonius (Fig. 7.e). Como se puede apreciar en la Figura 7, existen a su vez diferentes tipos de turbinaDarrieus, como la turbina Darrieus Jaula de Ardilla (Fig. 7.a), la turbina H-Darrieus (Fig. 7.b) o laturbina Darrieus Troposkien (Fig. 7.c). 15
  16. 16. Figura 7: Tipos de Turbinas Axiales Verticales [11] Si bien la turbina Darrieus fue desarrollada para ser aplicadas en sistemas de generaciónpor viento, ya se han realizado experiencias con flujos de agua, tanto para corrientes producidaspor la influencia de las mareas, como para corrientes producidas por ríos.Una de las experiencias que cabe destacar, es la desarrollada por la firma canadiense New EnergyCorporation [10], quienes desde el año 2003 han explotado comercialmente turbinas tipo Darrieusde 5, 10 y 25 kW de potencia, apoyados también con investigación respecto al desempeño dedichas turbinas. Otra experiencia notable es la desarrollada el año 2012 en la Universidad Australde Chile en la que construyó un prototipo de turbina Darrieus y se ensayó en dependencias delInstituto de Ciencias Navales y Marítimas [11]. Una de las principales razones para utilizar este tipo de turbinas, es que se considera queen sistemas de aerogeneradores ha demostrado ser un aparato eficiente, con un diseño simple yde fácil construcción. Por otro lado, la forma en que está diseñado permite que opere sindistinción de la dirección del flujo, es decir que éste puede incidir en el dispositivo desde distintosángulos respecto de la crujía del pontón, ya que el flujo se mantiene siempre en un planoperpendicular al eje del rotor. Sumado a lo anterior es altamente ventajoso el diseño que permite acceder al sistema detransmisión, generación y control de potencia sin mayores complicaciones que montarse en elpontón, dado que estos sistemas están instalados sobre la cubierta del pontón. 16
  17. 17. 3.1.1. Perfiles La turbina de tipo Darrieus se construye utilizando perfiles hidrodinámicos. En este caso seha definido utilizar un perfil perteneciente a la serie NACA, específicamente un perfil lperteneciente a la serie de 4 dígitos llamado NACA 0015. Los perfiles NACA son una serie de perfiles creados por la “National Advisory Committeefor Aeronautics”, quienes desde la década de 1930 iniciaron la investigación de perfiles ,aerodinámicos analizando los efectos del espesor, curvatura y diversas formas geométricas.Existen diversas series, que aparecieron en función a la complicación que fueron presentando lasgeometrías, que se diferencian por el número de dígitos utilizados para denominarlas y definirlasde acuerdo a sus características. Entre las series de perfiles NACA se consideran las Serie-1, Serie- . Serie4, Serie-5, Serie-6, Serie-7 y Serie [12] 7 Serie-8. La serie de 4 dígitos, NACA 4 Serie, define sus características geométricas de acuerdo a la 4-Serie,siguiente nomenclatura: El primer dígito indica la máxima curvatura en porcentaje respecto de lacuerda del perfil, el segundo dígito indica la posición del punto de máxima curvatura a lo largo dela línea media en décimos de cuerda. Por último los dos dígitos restantes indican el espesormáximo del perfil expresado en porcentaje de la cuerda. El caso particular del perfil seleccionado NACA 0015, tiene un espesor máximo de 15% de seleccionado,la cuerda y además indica que este no posee curvatura (es un perfil simétrico), por lo que ladistancia de esta es también 0. Figura 8: Perfil NACA 0015 [12] Una de las principales ventajas que presenta este perfil es su fácil construcción, su simetría estey además que está disponible para ser utilizado (libre de patentes). 17
  18. 18. 3.1.2 Eje El eje forma parte fundamental del sistema de la turbina. Debe ser dimensionado de formaque soporte los esfuerzos producidos en él por la fuerza del agua en los perfiles. El materialseleccionado debe tener las características adecuadas para construir ejes de maquinarias yademás debe ser capaz de soportar los embates del medioambiente, ya que está inmerso en unambiente marino. Es por ello que para su elección deben considerarse el esfuerzo admisible del material y lascaracterísticas químicas que lo definen.3.2 Transmisión Mecánica Uno de los principales elementos que componen el dispositivo es el sistema detransmisión mecánica. En el desarrollo del prototipo de la Universidad Austral de Chile, podemosapreciar que, llevadas adelante una serie de mejoras al sistema de transmisión, la velocidad delrotor no supera las 120 RPM. Es conocido que un generador eléctrico trabaja a altas RPM y bajotorque, por lo que se hace necesario un sistema que amplifique las RPM de entrada a éste. Si bienel dispositivo se debe diseñar de acuerdo a las condiciones particulares del lugar deemplazamiento, es impensable que las RPM del rotor sean suficientes para satisfacer lasnecesidades del generador eléctrico. Una clasificación general de los distintos sistemas de engranajes, puede darse de lasiguiente manera: a. Según la distribución espacial de los ejes de rotación b. Según la forma de dentado c. Según la curva generatriz de diente Comúnmente se clasifican los engranajes de la primera forma señalada, distinguiendo 3subclases, a saber: a. Engranajes Cilíndricos i. De dientes rectos (Interiores y Exteriores) ii. De dientes helicoidales (Interiores y Exteriores) iii. De dientes rectos con cremallera b. Engranajes Cónicos i. De dientes rectos ii. De dientes helicoidales c. Engranajes hiperbólicos i. Sin fin-corona 18
  19. 19. ii. Hipoidales iii. De dientes helicoidales y ejes cruzados d. Engranajes No Circulares e. Ruedas dentadas para fines específicos De acuerdo al reporte “Sistema Mecánico de Transmisión de Aerogeneradores de EjeHorizontal” de Francisco González [13], las cajas multiplicadoras de justifican por la diferencia enel régimen de giro del rotor y del generador. Según este autor, los engranajes de dienteshelicoidales son los utilizados en las cajas multiplicadoras de tipo planetario, y la relación demultiplicación por cada etapa puede ser como máximo de 1:12. Esto deja entrever la necesidad decontar con una caja multiplicadora que empleen al menos dos o tres etapas de multiplicación. Elrendimiento depende del número y tipo de etapas de multiplicación, la potencia transmitida y lavelocidad de giro. Dado lo anterior, un sistema de multiplicación con engranajes helicoidales(sistema planetario) presenta perdidas del orden del 1% por cada etapa. Figura 9: Caja Multiplicadora Planetaria, Romax Technology En la Figura 9 se puede apreciar el modelo de una caja multiplicadora planetaria de dosetapas de multiplicación con engranajes helicoidales y una tercera etapa con un engranaje recto.Al respecto, González indica que los engranajes de dientes rectos pueden presentar una relaciónde multiplicación de 1:5 por cada etapa como máximo, con pérdidas de un 2% aproximadamente. 19
  20. 20. 3.3 Generador Eléctrico Un generador por definición, es un dispositivo capaz de mantener una diferencia depotencial entre 2 puntos llamados polos. Esto se logra gracias a la aplicación de un conceptoconocido como fuerza electromotriz.Los generadores se clasifican en: a. Generadores de Corriente Alterna i. Monofásicos ii. Polifásicos b. Generadores de Corriente Continua i. Dínamos ii. Excitación Independiente iii. Excitación en paralelo iv. Excitación en serie v. Excitación Compuesta Los generadores son máquinas de rotación y como tal el voltaje se genera al girar eldevanado de armadura o inducido alrededor de un campo magnético o viceversa. En las máquinasde corriente alterna, el devanado o inducido se encuentra en la porción estacionaria delgenerador, también conocido como estator. En las máquinas de de corriente continua el devanadose encuentra en el miembro que gira, llamado rotor [14]. Figura 10: Vista esquemática de un generador Síncrono Trifásico de 2 polos, Fitzgerald [14] 20
  21. 21. Figura 11: Máquina elemental de Corriente Continua con conmutador, Fitzgerald [14] Elegir adecuadamente un generador puede resultar bastante dificultoso cuando no seposeen conocimientos acabados de electricidad. Es por ello que en esta investigación sehomologarán las características de un generador eléctrico utilizado en la producción de energíacon aerogeneradores. Esto se justifica debido a que el funcionamiento de ambos dispositivospresenta características similares. Casi todos los aerogeneradores pequeños utilizan generadores de imanes permanentesPMG (Permanent Magnet Generator) [15]. Este produce corriente alterna AC y las bobinas estándispuestas en 3 fases de forma que a la salida del rectificador la tensión de la corriente sea lo máspareja posible. Figura 12: Pequeño generador PMG, Ibáñez [15] 21
  22. 22. Es fundamental comprender el impacto que la correcta elección de un generador tendrásobre el desempeño final del dispositivo. La principal ventaja de este tipo de generadores, y que sehomologa desde los aerogeneradores, es la amplia gama de revoluciones por minuto RPM queadmite para operar eficientemente. Por otro lado, los generadores de corriente continua trabajancon escobillas en el rotor, los que requieren una mantención constante, por lo que no son opciónpara dispositivos instalados en lugares aislados y afectos a condiciones climáticas exigentes.3.4 Electrónica de Potencia Sobre el dispositivo flotante, que además de cargar con la turbina y generador, debeinstalarse un sistema adecuado para controlar la energía que será enviada a tierra a través de laslíneas de transmisión. La corriente AC variable proveniente del generador eléctrico no puede ser manejada por lared de energía, entonces se rectifica obteniendo corriente DC y para ello se utiliza tiristores otransistores. Posteriormente, la corriente pasa a través de un inversor del cual obtenemos unacorriente AC estable, es decir, de 220 V a 50 Hz dado que de esa manera puede ser utilizada porlos diversos aparatos que se conectarán a la red. Debe considerarse para ello un sistema electrónico diseñado para trabajar en condicionesde operación similares a las que presentan los aerogeneradores o los sistemas de paneles solares.3.5 Transmisión Eléctrica Este elemento constituyente del sistema, es de relevancia pues transmite la energía desdeel punto de generación al punto en que se ocupará la misma. Deben tomarse en cuenta una serie de características para realizar una elección adecuadadel tipo de transmisor. Los materiales utilizados para la fabricación de conductores eléctricos sonel cobre y el aluminio [16]. Según la red latinoamericana para la promoción del uso del cobre,PROCOBRE [16], el cobre es el material utilizado más comúnmente dado sus características deconductividad eléctrica y resistencia mecánica El cobre puede presentarse como de temple duro (con una capacidad de ruptura de 37 a45 kg/mm2) o de temple blando (con una capacidad de ruptura media de 25 kg/mm2), siendo elsegundo el que posee mejores capacidades conductivas. Según PROCOBRE, el conductor eléctrico se compone de tres partes bien definidas: el almao elemento conductor, el aislamiento y la cubierta protectora. 22
  23. 23. Los conductores eléctricos se clasifican según su constitución: a. Alambre, cuya alma conductora está formada por un solo elemento o hilo conductor b. Cable, cuya alma conductora es una serie de hilos o alambres de baja sección que otorgan gran flexibilidadSegún el número de conductores: a. Monoconductor, que posee solo un alma conductora b. Multiconductor, con dos o más almas conductoras aisladas entre sí. Dadas las condiciones particulares de operación, se deberán tomar todos los cuidadosnecesarios, especialmente al estimar el tipo de aislación y recubrimiento. PROCOBRE toma todoslos elementos necesarios y clasifica los conductores de acuerdo al uso que se le dará. Podemosdistinguir de esta clasificación los cables submarinos y los cables navales.3.6 Panel Eléctrico Este es el punto desde el cual se distribuye la energía al recinto e instalaciones delaeródromo. Debe ser adecuado y poseer todos los implementos que garanticen la proteccióneléctrica de los circuitos interiores y exteriores.3.7 Casco Una de las principales ventajas de un sistema de este tipo es que, mientras se realicen losestudios hidrográficos adecuados, puede moverse el dispositivo a cualquier lugar en el que serequiera la potencia para el cual fue diseñado. Para ello, se ha considerado un sistema deflotadores, dispuestos en forma de catamarán, en cuya estructura de unión se instalarán losequipos. Es necesario que, para soportar tanto el peso como los esfuerzos producidos por elfuncionamiento del dispositivo, ambos cascos y la estructura de unión sean construidos en unmaterial adecuado. Además, deberán considerarse los momentos producidos por el agua en laturbina, lo que se traduce en un movimiento de pitch en la estructura flotante. Se deberá diseñar de forma que el costo no sea elevado y que la vida útil de los cascos nosea relevante en la vida útil del dispositivo. 23
  24. 24. 3.8 Estimación Preliminar de las características del dispositivo Para realizar una caracterización del dispositivo es necesario considerar los diversosfactores que intervienen en el resultado final del dispositivo, la Potencia Eléctrica Generada. Sinembargo, cabe destacar que la estimación de los valores que determinan las características deldispositivo carece de una certeza absoluta dado que en diversas ocasiones se generaliza osuponen condiciones de operación, las cuales debieran ser estudiadas de forma particularrealizando ensayos específicos para cada una. De la bibliografía [9] se desprende una ecuación que puede ayudar en la estimación de lascaracterísticas del dispositivo. 1 ܲ= ∗ ߩ ∗ ‫ ܸ ∗ ܣ‬ଷ ∗ ‫ ݂ܥ‬ሾܹܽ‫ݐݐ‬ሿ 2El análisis de esta ecuación nos entrega las siguientes consideraciones: La determinación de la potencia suministrada por el dispositivo es altamente influenciadapor la Velocidad del flujo, dado que esta variable se encuentra en función a una potencia cúbica.Cabe destacar que esta variable es determinante al momento de situar el dispositivo en sulocalización final debido a que, sin utilizar ningún mecanismo o dispositivo auxiliar, no se tienecontrol del flujo. Es importante por lo tanto que se realice un detallado análisis de las corrientesen la zona de aplicación. Otro factor importante es la proyección frontal del Área de barrido del rotor de la turbina,debido a que puede ser modificada y adaptada durante la etapa de diseño del dispositivo. Al serdirectamente proporcional a la Potencia, el Área descrita nos permite anticipar el tamaño total deldispositivo, además de dar luces sobre los sistemas de sujeción, anclaje, etc. El valor Cf en la ecuación adquiere una especial importancia. Corresponde al producto delas pérdidas de energía que tiene el sistema. Ésta considera los siguientes elementos: ‫ܥ = ݂ܥ‬௉ ∗ ߟொ஼. ∗ ߟீாே. ∗ ߟ ்ோ஺ேௌி. ∗ ߟ ்ோ஺ேௌெ.Donde:CP, Coeficiente de PotenciaηMECÁNICO, Rendimiento del sistema de Transmisión Mecánico Turbina-GeneradorηGENERADOR, rendimiento que posee el Generador, debido principalmente a pérdidas por calorηTRANSFORMADOR, rendimiento asociado al transformador de corrienteηTRANSMISIÓN, pérdida de potencia asociada a la transmisión de la corriente desde el dispositivo alpanel de control en tierra. 24
  25. 25. Preliminarmente estableceremos los siguientes valores estimativos para cada uno de estoscoeficientes, de acuerdo a la recopilación de datos.CP = 0,40ηTRANSMISIÓN MECÁNICA = 0,95ηGENERADOR = 0,98ηELECTRONICA DE POTENCIA = 0,98ηTRANSMISIÓN ELÉCTRICA =0,98 De los datos previos y dado su magnitud, el más influyente dentro de la ecuación decálculo de Cf, es el llamado Coeficiente de Potencia CP. En una primera aproximación aldocumento “The Darrieus Turbine: A Performance Prediction Model Using Multiple Streamtubes”de James Strickland [17], se pueden apreciar valores para el Coeficiente de Potencia de 0,4. Se haasumido entonces este valor (CP=0,4) con objeto de realizar el dimensionamiento del rotor, perose trabajará posterior a ese paso con los valores que permiten obtener mayor claridad respecto aeste coeficiente. A modo de anticipo, cabe destacar los siguientes conceptos: a. TSR (Tip Speed Ratio), también llamado Celeridad, que representa la relación entre la velocidad tangencial de la pala y la velocidad de incidencia del fluido. El TSR es un valor asignado por el diseñador y representa por lo tanto un dato de entrada para el diseño de ܸ௧ la turbina. ܴܶܵ = ܸ௙ b. Solidez de la turbina, que representa la relación entre la superficie de los perfiles y la superficie barrida por estos. Para la obtención de la solidez S, con valores TSR<10 también se puede utilizar el cálculo simple que se muestra a continuación. 0,872 ܵ= − 0,086 ܴܶܵ c. Número de Reynolds, que relaciona la velocidad de un flujo, la dimensión (en este caso del perfil NACA 0015) y la viscosidad cinemática del fluído, y entre otras cosas sirve para determinar si el flujo es laminar o turbulento. ܸ∗‫ܮ‬ ܴ݊ = ߥ 25
  26. 26. De acuerdo a la expresión, se define entonces el Área proyectada de la turbina desde laecuación siguiente. 1 ܲ= ∗ ߩ ∗ ‫ܸ ∗ ܣ‬௙ ଷ ∗ ‫ ݂ܥ‬ሾܹܽ‫ݐݐ‬ሿ 2 Según la información recabada, la velocidad media de operación se estima en 1,5 m/s. Lapotencia requerida es de 10 kW. El desarrollo de la ecuación, arroja el siguiente valor del áreaproyectada. 2∗ܲ 2 ∗ 1019,36 ‫=ܣ‬ = ݉ଶ ߩ ∗ ܸ௙ ∗ ‫ܥ‬௙ ଷ 104,6 ∗ 1,5ଷ ∗ 0,35 ࡭ = ૚૟, ૛ ࢓૛ 3.8.1. Diseño de la Turbina La ecuación de cálculo de potencia, revisada en el punto previo, sin considerar elCoeficiente Cf, entrega el valor de la energía por unidad de tiempo, que es producto de la secciónde agua. Sin embargo, como se anticipó existe un coeficiente particular entre la potenciasuministrada por las sección de agua y el punto de salida en el eje de la turbina hacia el sistema detransmisión. Este Coeficiente de Potencia CP, el cual de forma inicial se ha considerado con unvalor de 0,40. El diseño de la turbina consiste en un eje al cual se unen varios perfiles por medio de unosbrazos de soporte (Figura 17). En este caso, se ha determinado que se utilizarán perfiles NACA0015 distribuidos uniformemente en torno al eje. Se define un valor de operación TSR = 6. El TSR fue definido como la relación entre lavelocidad tangencial de la pala y la velocidad de incidencia del flujo de agua. De esta manera,podemos realizar la siguiente relación de dimensiones: ܸ௧ ݉ ݉ ܴܶܵ = → ܸ௧ = 6 ∗ 1,5 = 9 ܸ௙ ‫ݏ‬ ‫ݏ‬ Si, la velocidad angular es ω y el radio r, V = ω * r. Además, de acuerdo al criteriopersonal, se establecen la altura de la sección como 3,2 metros y el ancho (y por lo tanto eldiámetro del rotor) de 5 metros. Dadas esas condiciones, la velocidad angular ω resulta en 3,68rad/s. Realizando la conversión correspondiente, la velocidad media del rotor es de 35 RPM. 26
  27. 27. 3.8.1.1 Perfiles hidrodinámicos Se ha utilizado la relación de aspecto RA que se define como el cociente de la Envergadurasobre la Cuerda con un valor de 6.5, dado que este valor fue el utilizado en el diseño del prototipoen la Universidad Austral de Chile [11]. Se ha definido la Envergadura de los perfiles, aldimensionar la sección de agua de la cual se obtiene la energía. ‫ܧ‬ ܴ‫= ܣ‬ = 6.5 ‫ܥ‬ ‫ܧ‬ 3.2 ݉ ‫=ܥ‬ = = 0.5 ݉ ܴ‫ܣ‬ 6.5Envergadura E = 3,2 mCuerda C = 0,5 mEspesor máximo t = 0,075 m De acuerdo a la información recopilada, la posición del espesor máximo en perfilesNACA0015 está dada por la relación x/C, con “x” medido desde el borde de ataque del perfil. Pararelaciones t/C con intervalos de 0,12 a 0,25 podemos encontrar valores de x/C de 0,2 a 0,4. En estaaplicación, se utilizará una relación x/C de 0,3. El radio del borde de ataque corresponde al valorde 1.1t2, dando como resultado 0.006 m. Con las dimensiones del perfil establecidas, cabe preguntarse si el Coeficiente de Potenciaestablecido está en concordancia con el diseño implementado. Para ello se presentan y analizanlos siguientes gráficos. Figura 13: Efecto de la Solidez en Cp para Rn = 0,3x106, Strickland [17] 27
  28. 28. Figura 14: Efecto de la Solidez en Cp para Rn = 3x106, Strickland [17] Debe notarse que la diferencia entre uno y otro gráfico, radica en el Número de Reynolds(Rn) que ya se ha definido en el punto 3.8. Además se ha dibujado de forma conveniente una rectade color rojo en las dos imágenes precedentes que indica el máximo Coeficiente de Potencia paraun valor de Solidez de 0,1 y una recta de color azul que indica el valor TSR para el máximoCoeficiente de Potencia (S = 0,1) Dado que la velocidad tangencial del rotor es de 9 m/s, la cuerda del perfil es de 0,5 m y laviscosidad cinemática del agua a 20°C es de 1,004x10-6 m2/s, el valor del Número de Reynolds esde 4,48x106. El resultado de Rn se ajusta más al segundo gráfico (Rn=3x106). Se aprecia una tendencia frente al aumento del valor de Rn; mientras mayor es el valor deRn (S = 0,1), mayor es el CP y menor es el TSR. De forma más precisa, el valor de Rn se acerca a 0,4y el valor del TSR a 6. Esto permite de cierta forma comprobar que los datos dados inicialmentepara CP y TSR representan valores adecuados y por lo tanto, se aprueban para proseguir con lassiguientes etapas del cálculo del dispositivo. Francisco Maldonado en “Diseño de una turbina de río para la generación de electricidaden el distrito de Mazán-Región Loreto” [18] entrega una tabla con recomendaciones sobre lacantidad de álabes en función del valor TSR de operación del dispositivo. También de formageneral anticipa que para generación de electricidad, se trabaja con valores TSR de al menos 5. 28
  29. 29. Figura 15: Número de álabes recomendados en función del valor TSR, Maldonado Considerando el valor TSR que ya se encuentra definido con un valor de 6, el número deálabes debiera ser entre 2 y 3, sin embargo dado criterios de diseño se opta por utilizar 4 perfiles,que como se anticipaba corresponden a la serie NACA de 4 dígitos, NACA 0015.Los perfiles NACA 0015, por lo tanto simétricos, definen su geometría con el siguiente polinomio[12], donde “x” es la coordenada de cuerda (0,1; 0,2; 0,3;…; 1) e “y” es la coordenada vertical. ‫ݐ‬ ±‫= ݕ‬ ൫0.2969√‫ ݔ6153.0 − ݔ0621.0 − ݔ‬ଶ + 0.2843‫ ݔ‬ଷ − 0.1015‫ ݔ‬ସ ൯ 0,2Una ayuda tecnológica para graficar perfiles, es la herramienta en línea JavaFoil [19]. Figura 16: Perfil NACA0015, JavaFoil En adición, se ubica el centro de apoyo en el 25% de la cuerda del perfil. Al unir loselementos con los que se cuenta, se procede a modelar de forma inicial la conformación deldispositivo, anticipando un eje y sistema de sujeción. Esto se realiza a través del softwareRhinoceros. 29
  30. 30. Figura 17: Modelo inicial incorporando perfiles 3.8.1.2 Estimación de Fuerzas Con objeto de dimensionar los elementos de sujeción de los perfiles, así como los ejes, esnecesario conocer las fuerzas a las que estarán sometidos los perfiles producto del flujo de agua[13]. Figura 18: Diagrama de Fuerzas sobre perfil hidrodinámico 30
  31. 31. En el esquema anterior se definen los siguientes parámetros:α = ángulo de incidencia del flujoP = punto de apoyo del perfil hidrodinámicoCP = centro de presiones del perfil para el α determinadoA = fuerza axial, paralela a la línea media del perfilN = fuerza normal al perfil, perpendicular a la línea media del perfilL = fuerza de sustentación, perpendicular al flujo incidenteD = fuerza de arrastre, paralela al flujo incidenteR = fuerza resultante, resultado de los vectores de L y D o los vectores de A y NVR = Velocidad del flujo incidenteAt = Área lateral proyectada del perfil, definida como E*CSe definen también las siguientes ecuaciones: ଵ ଵ ‫ = ܮ‬ଶ ∗ ߩ ∗ ‫ܣ‬௧ ∗ ܸோ ଶ ∗ ‫ܥ‬௅ ‫ = ܦ‬ଶ ∗ ߩ ∗ ‫ܣ‬௧ ∗ ܸோ ଶ ∗ ‫ܥ‬஽ ܴ = √‫ܮ‬ଶ + ‫ ܦ‬ଶ ܰ = ‫ߙ݊݁ݏܦ + ߙݏ݋ܿܮ‬ ‫ ܰ√ = ܣ‬ଶ − ܴ ଶ Los coeficientes CL y CD se obtienen de forma empírica mediante el ensayo en túneles deviento o de forma teórica a través de métodos computacionales (CFD), sin embargo existenherramientas computacionales simples que entregan valores para cada ángulo de incidencia α. Eneste caso, se ha utilizado el software JavaFoil, que realiza un análisis de flujo potencial tomandodiversas coordenadas para calcular la velocidad local a lo largo de la superficie de sustentación[19]. Para realizar el análisis se define el “Grado de avance del perfil”. Este se mide respecto a lalínea perpendicular a la dirección del flujo de la corriente, en sentido anti horario con β = 0° en elprimer cuadrante. Figura 19: Definición del grado de avance del perfil 31
  32. 32. Se presenta entonces una serie de casos particulares para diferentes grados de avance deun perfil. No debe confundirse con la distribución de los 4 perfiles mostrada en 3.8.1.1. Figura 20: Diferentes posiciones del perfil Dado el esquema previo, la fuerza resultante para un perfil a lo largo de su trayectoriaradial es la siguiente. β Vr (m/s) α CL CD L (kg) D (kg) R (kg) 0 10,50 0 0 0,01867 0,0 172,2 172,2 45 10,12 6,7 0,797 0,02323 6825,5 198,9 6828,4 90 9,12 9,46 1,045 0,0327 7279,8 227,8 7283,4 135 8,01 7,6 0,89 0,02518 4778,2 135,2 4780,1 180 7,50 0 0 0,01867 0,0 87,9 87,9 225 8,01 7,6 0,89 0,02518 4778,2 135,2 4780,1 270 9,12 9,46 1,045 0,0327 7279,8 227,8 7283,4 315 10,12 6,7 0,797 0,02323 6825,5 198,9 6828,4 360 10,50 0 0 0,01867 0,0 172,2 172,2 Con objeto de garantizar la resistencia del perfil a la fuerza producida por el flujo de agua,se analiza el punto en que la fuerza resultante R tiene su mayor magnitud, es decir, para un Gradode avance β = 90°. Aún a pesar que la fuerza resultante en β = 90° tiene una dirección distinta a ladel flujo, se considera para este cálculo incidiendo de forma perpendicular. También, de acuerdo aBALAU [12], se determina el Centro de Presión del perfil para este caso. ܺ ‫ ∗ ܥ = ܲܥ‬ሾ0,23(1 + 0,02ߙ)(1,75 − 2,5 ) ‫ܥ‬CP = 0,32; medido en C desde el borde de ataque 32
  33. 33. Por otro lado, se considera el caso de menor inercia del perfil, como muestra la figura. Figura 21: Condición definida para el perfil Se considera que la acción de la fuerza resultante es una carga distribuida a lo largo de laEnvergadura del perfil, además se obtiene el valor de Ixx y valor de ӯ mediante el uso del softwareAutoCAD. Para realizar el análisis de los Momentos presentes en el perfil, se asume este como unaviga simplemente apoyada Figura 22: Viga simplemente apoyada, Hibbeler De acuerdo a R.C. Hibbeler en “Mecánica de Materiales” [20], se llama viga a miembrosesbeltos que soportan cargas aplicadas perpendicularmente a sus ejes longitudinales, y en generalson barras rectas y largas con una sección transversal conocida. Para diseñar adecuadamente unaviga es necesario determinar las fuerzas cortante máxima y el momento flexionante máximo. Sinembargo, el interés actual es determinar si el perfil NACA 0015, cuyas características geométricasya están determinadas, resiste los esfuerzos producidos por el flujo de agua. Según Hibbeler, en una viga simplemente apoyada los valores de momento flexionanteestán dados por el esquema siguiente, que además entrega el máximo valor. Figura 23: Diagrama de momentos flexionante, Hibbeler 33
  34. 34. En la figura precedente, “L” corresponde a la envergadura del perfil, y “w” corresponde ala carga distribuida sobre el perfil, equivalente a 2275 Kg/m. Dados estos valores, se tiene que elMomento Máximo se produce en L/2, y tiene un valor calculado M = 2912 Kg*m. Se tiene entonces el Momento Máximo y también los valores que describen la capacidadde la sección, y se trabajan en la siguiente ecuación para determinar el Máximo Esfuerzoproducido en la sección. ‫ܯ‬ ‫ܯ‬ 2912 ‫݉ .݃ܭ‬ ‫݃ܭ‬ ߪ= = = = 14330708 ൗ ଶ = 143 ‫ܽܲܯ‬ ܹ ‫ܫ‬௫௫ൗ 7,62‫݉ ଺ି01ݔ‬ସൗ ݉ ‫ݕ‬ത 0,0375 ݉ Si considera la construcción de los perfiles con fibra de carbono, este material aporta conuna gran resistencia a los esfuerzos y una baja densidad. Los valores de esfuerzo permisiblebordean los 1750 MPa y la densidad es de 1750 kg/m3. Si bien la sección de perfil hidrodinámicocumple con los criterios de Esfuerzo, un buen diseño debiera considerar la especificación delespesor de la pared del perfil, sin embargo no es objetivo de este estudio. Otro elemento a considerar para el caso más desfavorable β = 90° es el sentido delmomento generado por la fuerza resultante R, dado que un momento negativo frena eldispositivo. Sin embargo, en este caso, se debe analizar utilizando la fuerza R real, no idealizadacomo se hizo en el paso anterior. Para esto, se considera el ángulo de incidencia α = 9,46°. Dado α = 9,46°, BALAU define el CP = 0,115. Conocidos L = 7279 Kg, D = 227 Kg y R = 7283Kg, se define θ como el ángulo entre R y L. Cabe recordar que L es perpendicular a α. De estamanera, obtenemos el valor θ utilizando el teorema del seno. ‫ܦ‬ ߠ = ‫ି݊݁ݏ‬ଵ ൬ ൰ ܴEn resumen, para un ángulo β = 90°, con α = 9,46°, tenemos θ = 1,8°. Figura 24: Diagrama angular de fuerzas L, D y R 34
  35. 35. Dado el esquema anterior, se obtiene el Momento producido por la fuerza resultante Rsobre el eje central del dispositivo. ߠ ᇱ = ߙ − ߠ = 9,46° − 1,8° = 7,66° ܾ = 2,5 ∗ ‫ ߠ݊݁ݏ‬ᇱ = 0,33 ݉ ‫݉33,0 ∗ ݃ܭ3827 = ܾ ∗ ܴ = ܾ ∗ ܨ = ݋ݐܯ‬ ‫݉ .݃ܭ0042 = ݋ݐܯ‬ Figura 25: Método de cálculo de “b”Este valor está dado para un perfil. Luego se unen los momentos producidos por los 4 perfiles. 35
  36. 36. El cálculo del momento se ha realizado para la condición más desfavorable que presenta elperfil a lo largo de su trayectoria, dado que para ésta solo 2 perfiles presentan la condición L > D.Ahora, integrando todos los perfiles como un conjunto “rotor”, se tiene el siguiente esquema,junto con el momento total. A la izquierda se puede apreciar las fuerzas que intervienen en el funcionamiento del rotor en la peor condición de operación. Para garantizar la continuidad en el movimiento rotatorio, debe darse que ΣMtos > 0. ෍ ‫3ܴ − 33,0 ∗ 2ܴ + 5,2 ∗ 1ܴ− = ݋ݐܯ‬ ∗ 2,5 + ܴ4 ∗ 0,33 Figura 26: Diagrama de fuerzas Donde: R1 = 172 Kg R2 = 7283 Kg R3 = 87,9 Kg R4 = 7283 Kg෍ ‫݉ .݃ܭ 7514+ = ݋ݐܯ‬ El resultado garantiza la continuidad del movimiento del rotor, que como se describióantes, gira en sentido anti horario a 35 RPM. 3.8.1.3 Dimensionamiento del eje del rotor Se destaca que, en la condición β = 90° (y correspondiente posición de los demás perfiles),la suma de las fuerzas resultante otorga al Momento de Torsión del eje un valor bajo. Es por elloque el sistema de ejes debe ser analizado para β = 45° (y correspondiente posición de los demásperfiles). 36
  37. 37. Ya se ha calculado las fuerzas presentes en esta nueva condición de operación sinembargo, debe determinarse el brazo “b” para completar la igualdad ‫ ݀ ∗ ܨ = ݋ݐܯ‬de cada uno delos perfiles. Se calcula utilizando la misma dinámica previa, asignando valores de θ’ al ánguloformado entre el radio del rotor (definido por β), y la extensión del vector R. Para simplificar lalectura de los datos, estos se presentan en la siguiente tabla. β° α° b (m) R (Kg) Mto (Kg.m) 45 6,7 0,21 6828 +1433 135 7,6 0,25 4780 +1195 225 7,6 0,25 4780 +1195 315 6,7 0,21 6828 +1433∑ ‫ ,݉ .݃ܭ 6525 = ݋ݐܯ‬es el mayor Momento aplicado al eje del rotor. ெ∗௬ത Por resistencia de materiales se sabe que ߪ = ூ , además si consideramos laconstrucción del eje utilizando un acero SAE 4340 [21], cuyo σf = 70 Kg/mm2. Por otro lado la గ∗஽ రinercia para una sección circular se define como ‫= ܫ‬ ଺ସ , y la distancia a la fibra más alejada comoD/2. Asumiendo un coeficiente de seguridad n=2 el esfuerzo admisible σadm= 35 kg/mm2 = 350MPa. 32‫ܯ‬ య 32‫ܯ‬ ߪ௔ௗ௠ = ⇒‫ =ܦ‬ඨ ߨ∗‫ܦ‬ ଷ ߨ ∗ ߪ௔ௗ௠ ‫݉݉ 011 = ݉ 11,0 = ܦ‬ Por lo tanto, se considera un eje construido en acero SAE 4340 con un diámetro mínimo de110 mm. 37
  38. 38. 3.8.2 Generador Eléctrico y Caja Multiplicadora El rotor definido, que para una velocidad del flujo de 1,5 m/s gira a 35 RPM, tiene uncoeficiente de potencia CP= 0,4 y conectado a él, tiene una caja multiplicadora con un rendimientomecánico ηTRANSMISIÓN MECÁNICA = 0,95. Para esta condición de operación, la potencia en el eje delGenerador Eléctrico está dada por la siguiente expresión. 1 ܲ௘௝௘ ௚௘௡௘௥௔ௗ௢௥ = ∗ ߩ ∗ ‫ܸ ∗ ܣ‬௙ ଷ ∗ ‫ܥ‬௉ ∗ ߟ ்ோ஺ேௌெூௌூÓே ொ஼Áேூ஼஺ 2 Peje generador = 1086 Kg.m/s = 10860 W El Generador Eléctrico, tiene un rendimiento ηGENERADOR = 0,98 que representa la capacidadde convertir energía es éste. Dada la potencia entregada al Generador, este debiera tener unasalida de 10,6 kW para la velocidad de operación de 1,5 m/s. Sin embargo, se debe considerar un factor altamente relevante. La velocidad de lacorriente es variable a lo largo del tiempo, alcanzando peaks de 2 m/s como ya se vio en elCapítulo 1. Como es deseable convertir toda la energía posible, debe considerarse en el diseño ungenerador que tenga la capacidad de trabajar en peaks de velocidad. En virtud a esta nuevaconsideración, se debe calcular la capacidad del generador utilizando el valor Vf = 2 m/s. 1 ܲ௘௝௘ ௚௘௡௘௥௔ௗ௢௥ = ∗ ߩ ∗ ‫ܸ ∗ ܣ‬௙ ଷ ∗ ‫ܥ‬௉ ∗ ߟ ்ோ஺ேௌெூௌூÓே ொ஼Áேூ஼஺ 2 Peje generador = 2575 Kg.m/s = 25750 W Considerando un rendimiento del generador eléctrico ηGENERADOR = 0,98 nuevamente secalcula la potencia de salida del generador, que debiera ser de 25,2 kW. En resumen, si se deseaaprovechar toda la energía disponible en el eje de entrada del generador, en aquellos peaks develocidad, debe considerarse un generador eléctrico que sea de esta potencia. Se procede entonces a realizar una búsqueda de un generador que se adecúe a lascaracterísticas deseadas. El módulo debe ser un generador de imanes permanentes (PMG)diseñado para entregar 25 kW y que además soporte las condiciones de trabajo (ambientemarino). Se tiene entonces un generador de fabricación francesa, marca PRECILEC [22] que estáconcebido para trabajar con turbinas de viento y funciona con RPM relativamente bajas. 38
  39. 39. Figura 27: Generador PMG de PRECILEC [22] Las características generales que permiten identificar el modelo exacto de generador, seencuentran en el catálogo on-line del producto. Figura 28: Características de serie R/S H250 de PRECILEC [22] 39
  40. 40. Se aprecia que el modelo R/S H250 ATR 210 tiene un máximo de capacidad de generaciónde aproximadamente 23 kW, lo que supone una pérdida de 2 kW al operar a la máxima velocidaddel flujo, sin embargo esta pérdida es despreciable en relación a la necesidad energética real, esdecir, la finalidad de optar por un generador de mayor capacidad es el aprovechamiento delexceso de energía. Las características específicas del generador seleccionado se aprecian en lasiguiente tabla. Otro elemento que cabe destacar en la Figura 28 es que, para producir los 10,6 kW para lavelocidad de corriente de 1,5 m/s el generador debe girar a 200 RPM aproximadamente. Estosvalores son de importancia para definir la caja multiplicadora planetaria que más acomode a losrequerimientos de operación. A una velocidad del flujo de agua de 1,5 m/s la velocidad del rotor es de 35 RPM y lavelocidad requerida por el generador para producir los 10,6 kW son 20 RPM aproximadamente.Esto implica que la relación de multiplicación debe ser de 200:35 o más bien de 5,7:1. El torque enel eje del rotor ya fue calculado para su dimensionamiento, con un valor de 52 KN m. Se selecciona una caja multiplicadora del fabricante italiano BREVINI [23] el cual poseedentro de su catálogo la serie de alto torque llamada “S Series”. En particular se elige el modeloBREVINI S12001, con una relación de multiplicación de 6:1 y que soporta un torque máximo de198 kN m. Figura 29: Multiplicadora Planetaria BREVINI S12001 [23] 40
  41. 41. 3.8.3 Electrónica de Potencia Como se mencionó antes, el dispositivo requiere un sistema de control de potencia dadoque la velocidad del rotor (y por lo tanto del generador eléctrico) es variable. Esto ocasiona que lacorriente AC producida no tenga una frecuencia constante de 50 Hz ni que el voltaje sea de 220 v. Para ello se selecciona un inversor del fabricante norteamericano Power-One [24] cuyalínea Aurora Wind de inversores aporta con el modelo de 25 kW, cuyas características hacenposible que este pueda configurarse a la medida del usuario. Su eficiencia es de un 99,6% y supeso aproximado es de 25 kg Figura 30: Control de Potencia Aurora 25 kW, Power-One [24] 41
  42. 42. 3.8.3 Transmisión eléctrica El cálculo de la sección del cable resulta simple utilizando como fuente la informaciónemanada desde la industria. Dados el largo del cable L, la potencia máxima transportada W, laconductibilidad eléctrica K, la caída de tensión ΔV (equivalente al 2% de V) y la tensión de servicioV, la sección del cable se define se la siguiente manera. ‫ܹ∗ܮ‬ ܵ= ݉݉ଶ ‫ ∗ ܭ‬Δܸ ∗ ܸPor lo tanto, S = 138 mm2 y el diámetro del cable resulta en D = 13,2 mm. 3.8.4 Casco En el punto 3.7 se realizó una descripción sobre la estructura flotante que soporta tanto elpeso del dispositivo, como también el momento de pitch generado por el flujo de la corriente.Inicialmente se consideró un diseño de catamarán, dado que era una configuración adecuada, sinembargo, al dimensionar el dispositivo se hace necesario un sistema de flotadores que permitapor un lado soportar el peso en cubierta y por otro lado, que tenga suficiente eslora para soportarlos momentos de pitch. No es objetivo de este estudio realizar el cálculo de la estructura flotante,más bien se requiere conocer una aproximación de esta con el fin de atribuir un costo económicode su fabricación. Sin embargo, se deja constancia de los valores que deben considerarse para eldiseño adecuado.Se consideran los siguientes pesos aproximados. Ítem Peso (Kg) Perfiles + Componentes 1100 Eje Principal 240 Transmisión 50 Generador + Inversor 150 Peso Liviano 8000 Varios ( 30% del total) 2860 TOTAL 12400 Kg Por otro lado, la componente de la fuerza resultante en el sentido de la crujía Fx se calculaconsiderando el ángulo de la fuerza resultante de cada perfil con 45° respecto a la crujía deldispositivo, dado que los ángulos θ’ definidos con anterioridad no superan los 2°. Dicho loanterior, Fx se calcula de la siguiente manera. ‫°54ݏ݋ܿ ∗ )4ܴ + 3ܴ + 2ܴ + 1ܴ( = ݔܨ‬ ‫݃ܭ 31461 = ݔܨ‬ 42
  43. 43. Con objeto de simplificar el cálculo, la fuerza se aplica en E/2, generando entonces unmomento igual a la fuerza Fx por el brazo E/2, con un valor de 26,2 Ton.m Un diseño innovador para la plataforma flotante se presenta a continuación, entendiendoque es solo un esquema conceptual. Figura 30: Diseño conceptual de flotadores En el diseño debe considerarse inicialmente el peso total para calcular el desplazamientode cada casco. Se ha estimado que el desplazamiento total es de 12,4 Ton, es decir que cada cascodebe desplazar 3,1 Ton. Se establecen las medidas de cada casco cuya relación L/B = 3, B/T = 2 yun coeficiente de block CB = 0,8. Si ∆= ‫ܥ ∗ ߛ ∗ ܶ ∗ ܤ ∗ ܮ‬஻ y utilizando las relaciones previas, sedespeja el valor de la Manga B, dando un valor de B = 1,35 m, L = 4,5 m y T = 0,68 m. De acuerdo al diseño del rotor y los cascos, la Eslora Total del pontón es de 14 metros, y laManga Total del pontón es de 6,7 metros. Estas medidas consideran espacio para el Rotor,recordando que este tiene un diámetro de 5 metros. De acuerdo a lo calculado anteriormente, el momento producido en el pontón por efectode la fuerza del agua sobre los perfiles (26 Ton.m) ocasionaría un hundimiento de 0,4 metros enlos cascos de “proa”. Resulta razonable entonces que el puntal de cada casco sea el Calado T, másel hundimiento producto de la operación más un francobordo adecuado. Resumiendo, el pontón ylos cascos tendrían las siguientes características:-Eslora Total = 14 metros- Manga Total = 6,7 metros- Eslora Casco = 4,5 metros- Manga Casco = 1,35 metros- Puntal Casco = 1,5 metros 43
  44. 44. 3.8.5 Diversas consideraciones De acuerdo a la información que hasta el momento se maneja, la velocidad de la corriente ,puede alcanzar peaks de hasta 2 m/s. De acuerdo a la distribución de la velocidad a través deltiempo, se presenta un gráfico con la potencia generada en un periodo de tiempo de 12 horas. 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 5 10 15 Figura 31: Distribución de potencia entregada El diagrama tiene una importancia relevante para evaluar la viabilidad del proyecto. No seha mencionado antes, pero es necesario contar con un sistema de almacenamiento de energía,dado que la demanda energética es de 10 kW. Como no se han considerado patrones de consumoen la demanda, se asume que esta es constante a lo largo del tiempo (una presunción irreal). , Dado lo anterior, se hace necesario cubrir los baches energéticos con un sistema debaterías el cual debe contar con una capacidad suficiente para soportar la entrega de la potenciarequerida por el espacio de tiempo que se necesite. Figura 32 Potencia Entregada vs Potencia Requerida 2: En la figura, la potencia requerida es de 112 kWhr y la potencia entregada es de 134 kWhr.Los baches de energía se complementan con el uso de baterías, las que debieran suplir la cantidadde energía en kWhr que restan entre los puntos donde la energía entregada es menor que la energía 44
  45. 45. energía requerida. Una aproximación lineal a estos requerimientos se puede apreciar en lasiguiente imagen. Figura 33: Potencias consideradas Este esquema representa el peor caso de operación. Las baterías deben tener unacapacidad de potencia de 48 kWhr. Dada las condiciones de operación y de acuerdo con lainvestigación sobre el tema, se recomienda el uso de baterías de “ciclo profundo” que permiten ladescarga total. La industria nuevamente aporta, entregando como dato que se requiere un bancode baterías con una capacidad de 850 Ah. 45
  46. 46. Capítulo 4 – Estimación de costos Se comienza a definir el proyecto y con el fin de cumplir los objetivos propuestos, esnecesario realizar una estimación preliminar de los costos de fabricación, instalación y operacióndel dispositivo.4.1 Fabricación ITEM COSTO $ Cuerpo Rotor (Perfiles + Eje ) 5.000.000 Transmisión Mecánica 500.000 Generador + Electrónica de Potencia 2.000.000 Transmisión eléctrica 2.800.000 Pontón 15.000.000 Baterías 1.000.000 Varios (10% de total) 2.630.000 TOTAL 28.930.000 ̴US$ 58,000.004.2 Instalación ITEM COSTO $ Barcaza con grúa x 10 días 6.000.000 Muertos de concreto 500.000 Tendido cable 1.000.000 Configuración sistemas 500.000 Varios 1.000.000 TOTAL 9.000.000 ̴ US$ 18,000.00 46
  47. 47. 4.3 MantenciónLos gastos de mantención son anuales y se consideran visitas técnicas semestrales. ITEM COSTO $ Honorarios + Gastos 2.000.000 Gastos administrativos 1.000.000 Varios 1.000.000 TOTAL 4.000.0004.4 Sistema alternativo Como se ha mencionado, actualmente la energía eléctrica en Melinka se obtiene a travésde generadores diesel. Para cumplir con el requerimiento de 10 kW para este proyecto, seselecciona un generador diesel marca Kubota [25] con capacidad máxima de 25 kW diseñado paraoperar 24 hrs al día. El costo aproximado de este equipo es de $4.000.000. Los costos deinstalación se estiman en $4.000.000 dada la distancia desde los centros de consumo y por lotanto la logística asociada a la operación. El consumo promedio de este generador al 50% de su capacidad es de 4,5 lts/hr.Realizando el cálculo correspondiente, anualmente se tendría un consumo aproximado de 40.000litros de diesel. Llevados al valor del combustible en Melinka, suma un gasto de $36.000.000anuales. Por otro lado se tienen los costos por mantención, equivalentes a $2.000.000 anuales,tendríamos con gasto anual de $38.000.000. Este consumo se encuentra abultado dado que se ha considerado la operación delgenerador durante las 24 hrs del día. Si consideramos una operación de 12 hrs diarias, implica unareducción de los costos anuales de operación del generador. En ese caso, el costo anual deoperación considerando el consumo de combustible y los gastos por mantención, asciende a lasuma de $20.000.000. 47
  48. 48. Capítulo 5 – Comparación de Tecnologías Considerando todos los elementos tratados hasta este momento, se ordenan los datos dela siguiente manera.Inversión Inicial Tecnología COSTO $ (millones) HIDROCINÉTICA 37,9 DIESEL 8 Ahorro Diesel 78% Claramente la opción más económica desde el punto de vista de inversión inicial es lacompra de un generador diesel.Gastos AnualesSe realiza para el funcionamiento del generador diesel durante 12 y 24 hrs al día. Tecnología COSTO $ (millones) HIDROCINÉTICA 4 DIESEL 12 hrs 20 DIESEL 24 hrs 38 Este punto resulta crucial y concluyente. La utilización de un dispositivo captador de laenergía de las corrientes marinas es altamente viable a lo largo del tiempo. Por una parte la utilización de un generador diesel durante 12 hrs diarias, tiene un gastoanual de 5 veces más que lo que tiene la turbina Darrieus. En adición, el generador operando las24 hrs del día, tiene un costo que llega a las 9,5 veces el costo de operación de la turbina Darrieus. Lo anterior, entrega una rentabilidad al proyecto al finalizar el segundo año de operaciónconsiderando la operación del generador las 24 hrs, dado que este último tiene un gasto de 1.83veces más que la inversión, instalación y operación de la turbina Darrieus. Por su parte, con una operación de 12 hrs diarias, el gasto anual del generador diesel alfinalizar el segundo año es de 1.04 veces el gasto de la turbina Darrieus. El tercer año se haceevidente la conveniencia de la operación del dispositivo dado que el gasto del generador diesel es1,5 veces mayor que el dispositivo hidrocinético. 48
  49. 49. ConclusionesDel desarrollo de este proyecto de titulación podemos extraer las siguientes conclusiones: 1. Se ha presentado un proyecto de evaluación sobre la viabilidad económica de una turbina hidrocinética de tipo Darrieus, la cual en base a los costos de fabricación, instalación y operación, resulta viable a corto plazo. Esto comparado con la tecnología actual utilizada en la zona de aplicación del dispositivo. 2. Melinka representa uno de los cientos de casos en Chile de aislamiento no solo geográfico, sino que también energético. Este tipo de dispositivo no representa una solución definitiva y total al problema energético, pero sin duda puede aportar a una matriz energética que contemple la generación diesel, mareomotriz e hidroeléctrica, entre otras. 3. El diseño de este tipo de dispositivos requiere una amplia investigación, dado que a pesar de existir algunos casos de aplicación comercial, requiere verificación de información para ser aplicada en condiciones distintas, por ejemplo, velocidades de corrientes inferiores, configuraciones de turbinas diferentes o incluso considerar turbinas híbridas. 4. A pesar de lo anterior, es altamente probable que la viabilidad económica para este tipo de instalaciones, sea efectiva. Sin embargo es recomendable utilizar información precisa para un correcto diseño. Uno de los principales factores a considerar en el diseño de este tipo de turbinas es la velocidad de la corriente. En el caso presentado, esta velocidad es relativamente baja y por lo tanto la turbina debe ser muy grande. 5. Sin embargo, se puede prever un futuro auspicioso a este tipo de tecnologías siempre y cuando se fundamenten en estudios acabados tanto a nivel hidrológico como de eficiencia de los perfiles, específicamente lo que tiene relación al Coeficiente de Potencia. 6. Una de las principales falencias son los conocimientos específicos que deben aplicarse para el desarrollo de un proyecto de este tipo. Dicho eso, es importante que en el desarrollo comercial de éstos, sea un equipo multidisciplinario el que trabaje en el diseño y ejecución de las obras. 49
  50. 50. Bibliografía[1] La Encrucijada energética de Chile. Álvarez, Rodrigo. AIPEF Chile 2011[2] Ley 20257. Ministerio de Economía. Chile 2008[3] OECD Library, Link: http://www.oecd-ilibrary.org/environment/co2-emissions-from-fuel-combustion_2075826x-table1. Consultado el 20 de Mayo del 2012[4] Derrotero de la Costa de Chile Volumen II. SHOA. 1968[5]ENAP, Link: http://www.enap.cl/comercial_relations/informe_semanal_de_precios.php).Consultado el 20 de Junio del 2012[6] Generación de Energía por Corrientes Marinas, Una aplicación al caso de Melinka. Universidadde Valparaíso. 2009[7] Preliminary site selection – Chilean marine energy resources. Garrad Hassan. 2009[8] Aerocord. http://www.aerocord.cl/spanish/inicio.html. Consultado el 23 de Julio del 2012[9] Turbomáquinas Hidráulicas. Mataix, Claudio. Editorial ICAI. España. 1975[10] New Energy Corp, Link: http://www.newenergycorp.ca/. Consultado el 29 de Julio del 2012[11]Diseño y construcción de un prototipo de turbina hidrocinética tipo Darrieus, para lageneración de corriente eléctrica. Oyarzo, Eduardo. UACh 2012.[12] Apuntes de Maniobrabilidad y Timones. Pérez, Nelson. UACh 2011[13] Reporte 2007-13: Sistema Mecánico de Transmisión de Aerogeneradores de Eje Horizontal.González, Francisco. Venezuela. 2007[14] Máquinas Eléctricas 6ta Edición. Fitzgerald, A. E. Editorial McGraw Hill[15] Especificación técnica para la réplica en la UPC de un aerogenerador de baja potencia. Ibáñez.2006.[16] Conductores Eléctricos, PROCOBRE, Perú[17] The Darrieus Turbine: A Performance Prediction Model Using Multiple Streamtubes.Strickland, James. Sandia Laboratories. 1975[18] Diseño de una turbina de río para la generación de electricidad en el distrito de Mazán-RegiónLoreto. Maldonado, Fernando. Perú. 2005[19] Applet JavaFoil. Link: http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javafoil.htm . Consultado el 20 deJunio del 2012[20] Mecánica de Materiales 6ta Edición. Hibbeler, R.C. Editorial Pearson Education. México 2006[21] Aceros Otero. Link: http://www.acerosotero.cl/acero_aleado_sae_4340.html. Consultado el10 de Julio del 2012[22] PRECILEC. Link: http://www.precilec.com/. Consultado el 30 de Julio del 2012[23] Brevini Power Transmision. Link: http://www.brevini.com. Consultado el 30 de Julio del 2012[24] Power-One. Link: http://www.power-one.com/. Consultado el 30 de Julio del 2012[25]Kubota Engine America. Link: http://www.kubotaengine.com/. Consultado el 20 de Julio del2012 50

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