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Diseño, construcción y ensayos de un modelo de turbina hidro-cinéticaMartínez Brunner, Fernando José January 2018 (has links)
Ingeniero Civil Mecánico / En Chile, se está apostando por las energías renovables y la generación distribuida, donde las turbinas hidro-cinéticas aparecen como una potencial alternativa a las soluciones actuales. Éstas son un tipo de turbina que se caracteriza por aprovechar directamente la velocidad del fluido, sin la necesidad de una diferencia de altura (columna de agua) para poder funcionar. Básicamente, energía cinética en vez de potencial. Mientras mayor es la velocidad del río, más se puede generar.
Dentro de estas turbinas, destacan los molinos de agua. Tienen gran potencial en proyectos rurales de bajos recursos, requiriendo menor inversión, con un diseño simple e intuitivo, pero sacrificando eficiencia y velocidad de giro, pensando en potencias menores a 10 kW.
El objetivo del presente informe es diseñar, construir y realizar ensayos a un modelo de turbina hidro-cinética, tipo molino de agua, considerando un análisis teórico de la transferencia de energía, una correcta metodología de experimentación y un análisis de los resultados obtenidos.
Con un modelo de diámetro de 40 centímetros, se busca aportar en la investigación y analizar si es que es factible introducirlas de forma masiva en terreno, mediante proyectos en alianzas con el Estado y privados. En Chile, el potencial de la pequeña hidroeléctrica se estima en unos 7 GW de potencia, de los cuales sólo se aprovecha el 2,5% (ONUDI, 2016).
El análisis teórico se llevó a cabo en base a la ecuación de Euler, la cual se expresa en función de las velocidades que componen los triángulos de velocidad, resumiendo todo en un código en MatLab que itera sobre la velocidad de giro y un ángulo, con el fin de converger en una solución para todas las posiciones del álabe y la interferencia entre éstos. Cabe destacar que, hoy en día, no hay modelos precisos para este tipo de turbina, ya que no llama la atención su baja eficiencia. Finalmente, se consideró que es turbina de acción, implicando un grado de reacción nulo.
El análisis dimensional realizado permite describir el comportamiento de la turbina con dos números adimensionales: Coeficiente de Potencia y Tip Speed Ratio.
Previo a la construcción final, se realizó una validación del diseño con una maqueta de 25 centímetros de diámetro, que permitió corregir errores y definir el material final: acero inoxidable.
Los ensayos se llevaron a cabo en las instalaciones del Canal de Calibraciones del Instituto Nacional de Hidráulica (INH), representando ésta la opción más factible para las pruebas. Para las mediciones, se construyó, en base a Arduino, un sistema de adquisición de datos de bajo costo para ir tomando la información en tiempo real y ser almacenada de buena forma en Excel. La Puesta en Marcha de las instalaciones fue un éxito, debido a que se respetó cada etapa de forma paciente y ordenada, sin subestimar la relevancia de cada una en los proyectos de modelación física en general.
El código que almacena el análisis teórico arrojó un comportamiento acotado dentro de los límites físicamente posibles, con la forma esperada de la curva, pero de magnitud del coeficiente de potencia considerablemente más alto que la experiencia.
En las mediciones experimentales, se alcanzó una eficiencia máxima de 21,01 % y potencia máxima de 14,61 W, en diferentes mediciones. El generador se comportó a la altura de lo exigido, con eficiencias sobre el 50% y una generación eléctrica de hasta 11,27 W. / Este trabajo de memoria de título ha sido financiado por Quillagua Innovation Labs y cuenta con la colaboración de BRAIN Chile, FabLab U. de Chile y el Instituto nacional de Hidráulica
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