TURBINA FLOTANTE PARA RÍOS, CANALES Y PEQUEÑOS

Tercer Congreso Nacional – Segundo Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2009
13-58
TURBINA FLOTANTE PARA RÍOS, CANALES Y PEQUEÑOS CURSOS DE AGUA
NATURALES CON PENDIENTE
Labriola, C.V.M.(1), Kirs, E.(2) Lagos, C.(2).
(1) Universidad Nacional del Comahue, Facultad de Ingeniería, Departamento de Electrotecnia,
Buenos Aires 1400, Neuquén (8300), Argentina.
(2) Instituto Tecnológico Patagónico, Chubut 234, Neuquén (8300), Argentina.
carloslabriola54@yahoo.com.ar
RESUMEN
Se propone una turbina flotante para cursos de agua entre 1,2 a 3 m/s de velocidad del fluido para la
obtención de energía eléctrica o bombeo de agua desde la costa a suelo firme. Dicha energía podrá
utilizarse para iluminación de senderos , perimetral, de seguridad; cerco electrificado para animales;
bombeo eléctrico de agua para elevación, acumulación, riego, etc. Para el caso particular de la
Provincia del Neuquén, en la zona cordillerana existen innumerables valles transversales con cursos de
agua estacionales cuyas velocidades de fluido están dentro del rango establecido. Además, en esos
valles hay crianceros y artesanos aislados de los servicios. Por ello se propone esta turbina flotante
semi-portátil que les permitirá tener luz , agua y alimentación para comunicaciones a aquellos que
viven en sitios aislados sin servicios y cercanos a un torrente con las características descriptas.
Palabras Claves: Energía, Turbina Hidráulica, Ríos, Canales, Pequeños cursos, Agua, Pendiente
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
Durante la crisis del petróleo de los 1980s
aparecieron muchas aplicaciones de conversores
de Fuentes de Energía Renovable (FER).
Particularmente
hubo
dispositivos
muy
ocurrentes para obtención de energía en sitios
aislados. En este trabajo se toma la idea de la
turbina flotante desarrollada con tecnología
intermedia en Canadá hace casi 30 años [1] y se
la adaptó a la tecnología disponible en el
mercado local para generación de electricidad.
Figura 1.2: Turbina flotante con tecnología
disponible en el corralón de materiales y talleres.
Figura 1: Turbina flotante canadiense [1].
1.2. Propuesta
Se analiza en este trabajo el diseño global y la
construcción de una turbina flotante para uso en
canales y cursos de agua en sitios aislados o
ribereños de la zona Comahue, basados en la
propuesta canadiense. Este diseño es aplicable a
otros lugares fuera de esta región, donde la
velocidad del curso de agua supere los 1,2 m/s.
Figura 1.1: Turbina flotante con tecnología
intermedia.
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2. DIMENSIONAMIENTO
El dimensionamiento realizado parte de la
verificación de algunas magnitudes para
determinar tamaños y espesores de piezas
críticas. No se ha pretendido un estudio
exhaustivo del diseño de cada elemento, sino
determinar las partes críticas de los elementos
disponibles y a construir, y diseñarlas en función
de las condiciones de contorno dadas.
Las partes críticas en el agua serán:
• Flotadores: sostén de todo el dispositivo.
• Rotor tripala sumergido: primer conversor
de energía.
El multiplicador no es crítico desde el punto de
vista constructivo porque se disponen en el
mercado adaptándolos a la aplicación.
2.1. Mediciones preliminares
Se parte de obtener la medición de la velocidad
del curso de agua [2] cercano al lugar de
fabricación (Neuquén Capital). La ubicación
geográfica para el funcionamiento del prototipo
será sobre el cauce principal del río Limay a
unos 3 km al sudeste del centro de la cuidad de
Neuquén. Se optó por este lugar porque reúne las
mejores condiciones físicas referidas al caudal de
agua, profundidad y estabilidad.
Los resultados de las mediciones realizadas a 5
m de la costa en el lugar denominado “La
Herradura”, con rugosidad dada por canto rodado
en orilla y lecho del curso de agua, se pueden
apreciar en la Figura 2.
Velocidad Media
1.4
1.2
Veloc idad M edia
(m /seg)
0.8
0.6
Potencial (Velocidad
M edia (m /seg) )
0.4
0.2
0
0
2.2. Cálculos de dimensionamiento
Se calcula primeramente la potencia obtenida de
la corriente de agua por el rotor. Para ello se
asume un Coeficiente de Extracción de Potencia
de Cp: 0,35 (máximo), similar al de turbinas
eólicas rápidas. La expresión para la Potencia
Máxima Extraída [3] es la siguiente:
Pt =
1
cp ρ A d v 3
2
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Profundida d
Figura 2: Velocidad media vs. Profundidad.
Se midió mediante el método de flotante [2],
cargando al mismo con diferentes pesos y
circulando a distintas profundidades, tomando la
velocidad mediante cronómetro.
Para el diseño del rotor se parte de un aspa con
perfil utilizado en microturbinas eólicas (ver
Figura 3) usada en barcos, casas aisladas, salas
de salud, cabinas de seguridad, etc.
Con el valor medido de 0,42 m se calcula el área
barrida por el rotor (como si fuera un disco) que
será de Ad = 0,45 m2. El área del aspa se calcula
por sus dimensiones y es Aa = 0,05 m2
(1)
Donde:
• Cp = 0,35
• ρ = 1000 Kg/m3
• Ad = 0,45 m2
• v = 1,2 m/s (máxima medida)
Reemplazando valores se obtiene:
Pt=
1
2
3
0,35.1000.( Kg / m ).0,45 m .(1,2m/s) =136 W
2
3
La Potencia Máxima extraída de la corriente de
agua calculada es de 136W.
Para el dimensionamiento de la base flotante se
calcula el empuje con una estimación del peso
completo del equipamiento.
E = VC ρg
La H erradura
1
Figura 3: Modelo de aspa utilizada.
(2)
De esta expresión del Empuje (Peso de todas las
partes), calculamos el volumen desalojado de
agua donde:
• E: Empuje (Kg) = 225,4 Kg
• ρ = 1000 Kg/m3
• g = 9,8 m/s2
Despejando en (2) se obtiene:
• Vc: Volumen desalojado calculado =
0,023 m3
Con este volumen se dimensionan los flotadores.
Para el caso del aspa se trabajará con plástico
reforzado con fibra de vidrio. El espesor mínimo
por razones prácticas es de 2 mm. La
verificación de la fuerza normal sobre un aspa
[3] se realiza mediante la expresión siguiente:
1
Fn = ρAa v 2(cz cosα + cxsenα )
2
(3)
Donde los nuevos valores son:
• Ad: Area del aspa = 0,45 m2
• V: velocidad máx. del fluido = 1,2 m/s
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•
•
•
Cz. Coef. de sustentación máximo = 1,2
Cx: Coef. de arrastre para Czmax = 0,12
α: angulo de ataque óptimo = 8º
Reemplazando valores en (3) para la peor
condición (Cz: coeficiente de sustentación
máximo, y α: óptimo), se obtiene lo siguiente:
Fn=
1
.1000( Kg / m 3 ).0.45 m 2 .(1,2 m/s)2.
2
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aspas en Fibra de Vidrio (rowing) con Plástico
Reforzado (resina poliéster) (FVPR) mediante el
método de Centrifugado [3], utilizando pare
ello un torno.
Este método consiste en disponer de un molde de
dos piezas al cual se lo unta internamente con
desmoldante y luego se le incorpora la fibra en
ambas caras internas. Después se cierra con
apriete fuerte en los bordes mediante tornillos
pasantes ajustados con tuerca y arandela partida.
(1.2 Cos 8º + 0,12 Sen 8º) = 390,32 N
La fuerza normal máxima estimada sobre un
aspa mediante este cálculo es de 390,32 N. Como
el rotor tiene tres aspas, entre las tres transmiten
a la estructura una fuerza producida por la
corriente de agua del orden de 1176 N.
Cabe destacar que esta fuerza está concentrada
en el centro hidrodinámico de fuerzas, que está
aproximadamente a ¼ de la cuerda del aspa. Esta
fuerza debe ser distribuida en la superficie del
aspa para obtener el esfuerzo correspondiente.
Con este valor se ingresa en tablas apropiadas [4,
5] de espesores para materiales compuestos
como el utilizado y se verifica qué espesores
entre 2 a 4 mm son suficientes.
De esta manera se puede ver la necesidad de que
las aspas sean macizas y que la zona de acople al
cubo o masa del rotor debe ser robusta,
superando los espesores determinados. Para ello
se pensó en un sistema tipo sandwich, donde las
aspas son contenidas entre dos discos metálicos,
todo ajustado mediante tornillos, tuercas y
arandelas partidas apropiadamente.
3. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
Como metodología iremos de lo más robusto
(flotadores y soporte) al detalle de eje-generador.
Los flotadores se hicieron con caño de PVC de
110 mm y 3 mm de espesor de pared, que
normalmente se utiliza en instalaciones sanitarias
domiciliarias. Se cortaron dos tramos para cada
lado (4 tubos), completando el volumen
calculado. Se hermetizaron con tapas pegadas
con adhesivo apropiado. La estructura de soporte
del rotor, multiplicador y generador sustentada
por los flotadores de PVC, se realizó con caño
estructural cuadrado y redondo. El montaje
preliminar para prueba de aspas se muestra en la
Figura 4. Se destaca la estructura triangular
rebatible para sumergir el rotor en el agua. Esta
estructura facilita ajustes y mantenimiento.
Para la confección del rotor se realizó un molde
negativo en chapa del aspa tomada como
modelo. Dicho molde se utilizó para obtener las
Figura 4: Flotadores y soporte de estructura de
montaje en prueba del rotor.
Se lo dispone en torno y por un extremo del
molde se incorpora en su interior la resina con
los acelerantes apropiados y se lo hace girar
hasta que la resina toma consistencia. Las
primeras pruebas dieron aspas con burbujas
internas, que son oquedades de inicio de fractura,
por lo que fueron descartadas. Con la segunda
tanda se mejoró la técnica, y obteniendo aspas
macizas similares a la muestra. El molde
metálico se puede apreciar en la Figura 5.
Figura 5: Molde metálico acostillado para
obtener aspas por centrifugación en torno.
Obtenidas las tres aspas en la calidad necesaria
sin burbujas internas, se procedió según lo
estimado en el cálculo de esfuerzos, a armar el
rotor. La Figura 6 muestra el armado del rotor.
Para el caso del eje que será movido por el rotor,
se utilizó un eje de hierro soportado por dos
rodamientos herméticos para que puedan operar
sumergidos. La Figura 7 muestra el detalle de
partes y eje ensamblado.
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Figura 6: Detalle de ensamble de aspas en la
masa para armado del rotor.
n (rpm)
50
100
200
300
375
500
600
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Tensión (V)
1
2,5
5,7
9
10
13,5
16
Tabla I: Velocidad del Rotor n (rpm) vs Tensión
de salida del generador (V).
Figura 7: Ensamble de eje y rodamientos.
La Figura 8 muestra el conjunto rotor y eje
ensamblados.
Figura 8: Conjunto rotor y eje.
Cuando el rotor estaba sumergido, se estimó la
velocidad de rotación del mismo en 100 rpm.
Para la generación de electricidad se ha
conseguido
un
alternador
de
imanes
permanentes, que ha sido probado a diferentes
velocidades, obteniéndose las siguientes
mediciones de la Tabla I.
La Tabla I nos dice que la relación de
multiplicación debe estar en 1:6 para obtener
unos 16 V , que con las pérdidas de cables e
internas del generador bajará a unos 14 V cuando
esté en funcionamiento. Los 14 V permitirán
cargar una batería, si es necesario. El
multiplicador puede ser con engranajes y cadena
tipo de bicicleta o poleas y correas dentadas.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Todas las mediciones y pruebas in situ se
realizaron hasta fines de abril de 2009, gracias a
las temperaturas benignas en la región.
Se pudo comprobar la rotura de las primeras tres
aspas por existencia de burbujas en su estructura
cercana a la masa del rotor. Por ello, se realizan
las aspas con resina sin color para verificar
visualmente la no existencia de burbujas u
oquedades. Luego se les da terminación con
pintura epoxi.
Como se sabe, los rotores quedan bien
equilibrados mediante el uso de un rotor de tres
aspas balanceado y sus ejes no están sujetos a
esfuerzos cíclicos como el caso de dos aspas. A
pesar de ello, con tres aspas se obtiene una
menor velocidad de rotación que con dos. Esta
menor velocidad se puede compensar mediante
mayor multiplicación en los engranajes. En
nuestro caso la multiplicación será de 1:6
Definidas estas situaciones y con multiplicador
apropiado se podrá obtener una potencia del
orden de 130 W. Para ciertas aplicaciones sería
poca potencia, pero hay casos en que sería
suficiente, como los siguientes:
• Alumbrado con hasta 10 lámparas de bajo
consumo de 13 W cada una.
• Alimentación
de
cerco
perimetral
electrificado para animales de pastura.
• Alimentación y carga de baterías para
comunicaciones o equipos de medición local.
• Bombeo de agua para riego, acumulación
doméstica o bebederos en zona de orilla alta.
Es similar a la producción de hasta tres paneles
fotovoltaicos con una radiación de unos 400
W/m2.
El costo estimado es de alrededor de $ 1500
(405 U$S), mucho menor que los U$S 1800 de
los tres paneles (95 Wp) sin accesorios.
Con 1,5 m/s e iguales dimensiones de rotor se
puede obtener una potencia de más de 250 W y
con 2 m/s, más de 600 W. Pero hay que reforzar
las aspas por tener mayores esfuerzos por efectos
de la flexión en la rotación.
La ventaja de ser semi-portátil le permite un uso
estacional o por cambio de curso de agua por
traslado o condiciones del mismo. También es
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ventajosa sobre instalaciones de microturbinas y
paneles solares fijos.
El ajuste final “in situ” rotor-multiplicadorgenerador no se ha podido realizar al momento
de esta publicación por las condiciones
climáticas en la zona del Comahue.
5. CONCLUSIONES
Se puede apreciar que con tecnología disponible
en un corralón y repuestos automotrices se puede
construir esta turbina flotante para la zona de
chacras y valles transversales, como las
existentes en la Región Comahue y Cuyo.
En estas regiones se disponen de algunos ríos,
corrientes de agua, canales o acequias en
pendiente, en los que se puede obtener una
electrificación localizada, lejos de la red.
Lo novedoso de este trabajo es que trae
incorporada la generación de conocimiento y
técnicas de moldeo de piezas con FVPR por
centrifugado en torno, para producción en escala
[6]. El tiempo de moldeo de una pieza en forma
manual teniendo el molde, es de unas 3 horas;
mediante centrifugado óptimo es ½ hora.
Sus aplicaciones para iluminación y seguridad de
bienes, personas y animales son importantes y de
bajo costo relativo.
El costo de $ 1500 (U$S 405) es muy bajo
respecto del valor de unos $ 15000/kW instalado
(casi U$S 4000), donde este último es un valor
razonable en el mercado local para microturbinas
hidráulicas y mini turbinas eólicas de potencia de
1 kW. En todos los casos se puede reducir este
valor con producción en escala.
Una aplicación interesante es la instalación de
varias turbinas seguidas, una atrás de otra,
separadas una distancia conveniente (4 a 6 m –
más de 8 diámetros rotóricos) para disipación de
la estela provocada por el rotor en el agua, y
conectarse en paralelo, obteniéndose mayor
potencia para una aplicación dada. Esto se
facilita en canales o acequias profundas (≥ 2 m),
ya que puede apoyarse en los bordes del mismo,
en lugar de estar flotando.
Es necesario solicitar oportunamente permiso a
Prefectura Naval de la Zona / Agrupación de
Riego Local del lugar de instalación, en caso de
quedar en el río o canal permanentemente o
cuando se disponga de caudal suficiente.
Además, se debe proteger la turbina aguas arriba
con alambrado tejido, de tal manera de separar
todo posible obstáculo flotante o a medio flotar
que dirigirse hacia la misma.
Otro detalle a tener en cuenta es que aquí no se
ha utilizado acero inoxidable dada la pureza de
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las aguas de deshielo del Río Limay, pero hay
que tener en cuenta material resistente a la
oxidación si se instalan cerca de volcado de
aguas cloacales o aguas volcánicas.
Finalmente se destaca que este trabajo está
realizado por alumnos de la Tecnicatura Superior
en Energía Renovable del ITP, Neuquén, que da
prioridad al manejo de técnicas aplicadas a la
tecnología disponible, lo que permite una mayor
internalización de conocimientos por medio de la
práctica [6]. La adquisición de conocimiento de
esta manera permite generar conciencia de
“Emprendedor” y motivar a ello mediante
facilidades de financiamiento.
6. REFERENCIAS
[1] Pictorial View of water Current/river
Turbine, Canadá, 18 de agosto de 1985.
[2] ITDG: Handbook of micro and Mini turbines,
design, manufactures and instalation, Reino
Unido, ITDG press, 1999.
[3] Le Gourieres, D.: Energía Eólica: Teoría,
concepción y cálculo práctico de
instalaciones, Cap. II, Cap VIII, Masson
S.A., Barcelona, 1983.
[4] Mayer, C.: Composite materials of Fiber
Glas reinformes Plastic, Cap. V y
VI,Willey and Sons, Reino Unido, 1995.
[5] Fraga, O.: Manual sobre plásticos reforzados
(PRFV), Publicaciones Técnicas S.R.L.,
Buenos Aires, Willey and Sons, Reino
Unido, 1995.
[6] Labriola, C.; Sierra, E.: Energía Renovable,
un tema de motivación en la enseñanza
tradicional, ASADES, Facultad Regional
Buenos Aires, UTN, noviembre 2007.
8. ANEXO
Se incorpora el detalle de las etapas del proceso
de producción de aspas por centrifugado en
torno. El largo de piezas lo más simétricas
posibles, está limitado a la distancia entre puntas
del torno. Para un torno estándar está entre 1,5 a
2 m de distancia entre puntas.
Se detalla el proceso de Centrifugado en torno
para producción en escala de aspas en la página
siguiente.
S
S
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Provisión de un aspa (original)
Se deja reposar para su
“endurecimiento”
Fabricación del molde en base al modelo
original
Se retira el molde del torno
Se corta la fibra de vidrio con dimensiones
mayores a las del aspa original
Se coloca la fibra dentro del molde
Se ajusta el molde con sus determinados
tornillos y tuercas
Se extrae la pieza del molde
Se corrigen y lijan las
imperfecciones y bordes.
Luego se pintan
Se recorta la fibra de vidrio sobrante
En un recipiente, se mezcla, según proporciones, la
resina, el catalizador y el acelerador
Se vierte el contenido del recipiente dentro del
molde
Se coloca en todo el perímetro del molde cinta de embalar, para
evitar el escape de resina debido a la rotación del torno
Se coloca el molde en el torno para lograr que la resina
se expanda en todo el volumen del molde
Aspa Terminada