Ingeniería Mecánica · 2024
Diseño de una turbina mareomotriz para pico generación en la costa pacífica colombiana empleando simulación numérica CFD
Se realizó el diseño de una turbina mareomotriz para la generación de energía eléctrica (pico generación) en la zona pacífica colombiana, utilizando simulación numérica CFD. Se seleccionó bahía Tumaco como punto a estudiar debido a su alto potencial mareomotriz y se diseñó la turbina mareomotriz con herramientas CAD, utilizando la metodología BEM para el diseño de los álabes seleccionando sus materiales como acero Duplex 2205 para la estructura y un compuesto de fibra de vidrio y resina epoxi para el álabe . Se sometió la turbina a un análisis hidrodinámico y estructural de la turbina bajo diferentes condiciones de operación con ayuda del software ANSYS. Finalmente, se realizó un análisis de la viabilidad económica del proyecto, estos análisis permitirán obtener información detallada sobre el rendimiento, la viabilidad económica y la integridad estructural de la turbina mareomotriz propuesta, lo que facilitará la toma de decisiones informadas para su implementación exitosa en la costa pacífica colombiana.
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Contenido
- Introducciónp. 10
- Objetivosp. 13
- Objetivo generalp. 13
- Objetivos específicosp. 13
- Marco teóricop. 14
- Energía mareomotrizp. 14
- Industria actual y dispositivos usadosp. 15
- Las mareas y corrientes marinasp. 19
- Tipos de mareasp. 20
- Perfiles aerodinámicosp. 21
- Ecuación de potencia para aerogeneradoresp. 25
- Dinámica de fluidos computacional CFDp. 26
- Blade Element Momentum (BEM) Theoryp. 31
- Metodologíap. 32
- Selección de la zona y turbina a estudiarp. 32
- Diseño de la turbinap. 33
- Análisis hidrodinámicop. 36
- Análisis estructuralp. 36
- Análisis económicop. 37
- Estudio de zona y potencial mareomotrizp. 37
- Diseño de la turbina mareomotrizp. 41
- Selección del tipo de turbinap. 41
- Selección de materialesp. 34
- Selección de parámetros inicialesp. 49
- Dimensionamiento del rotorp. 34
- Dimensionamiento del ejep. 35
- Diseño del álabep. 35
- Modelado CADp. 35
- Estudio hidrodinámicop. 76
- Geometría HATT y condiciones de simulaciónp. 76
- Dominio computacional y condiciones de fronterap. 78
- Generación de mallap. 80
- Resultados del estudio hidrodinámicop. 82
- Estudio estructuralp. 96
- Metodología MEF y condiciones de simulación turbina mareomotrizp. 96
- Dominio computacional y condiciones de frontera turbina mareomotrizp. 98
- Generación de mallap. 80
- Resultados del estudio estructuralp. 99
- Prefactibilidad económicap. 104
- Prestación del servicio de energía eléctricap. 104
- Demanda de servicio de energía en la regiónp. 105
- Costos asociadosp. 106
- Costo de capitalp. 107
- Costos de operación y mantenimientop. 107
- Plan de amortización inversión inicialp. 108
- Estudio de viabilidadp. 110
- Conclusionesp. 118
- Recomendacionesp. 120
- Referencias bibliográficasp. 121
- Apéndicesp. 125
- Figura 1 Caracterización energética de zonas no interconectadasp. 11
- Figura 2 Dispositivo tipo turbina de eje horizontalp. 15
- Figura 3 Turbina SeaGen instalada en Irlanda del Nortep. 16
- Figura 4 Dispositivo tipo turbina de eje verticalp. 17
- Figura 5 Turbina Kobold instalada en el estrecho de Messinap. 17
- Figura 6 Dispositivo tipo turbina de conductos cerradosp. 18
- Figura 7 Turbina tipo venturi llamada Rotech Tidalp. 19
- Figura 8 Alineación del Sol, Tierra y Luna para mareas vivasp. 20
- Figura 9 Marea viva y muerta según la posición del Sol y la Lunap. 20
- Figura 10 Comportamiento gráfico de las presiones y las velocidades en el perfilp. 22
- Figura 11 Elementos que componen el perfilp. 23
- Figura 12 Fuerzas que experimenta el perfilp. 23
- Figura 13 Blade Element Theory aplicado a un perfil alarp. 32
- Figura 14 Coeficiente de potencia vs TSR para diferentes tipos de turbinasp. 33
- Figura 15 Fases para el diseño de la turbinap. 34
- Figura 16 Diseño del álabe usando SolidWorksp. 36
- Figura 17 Zonas potenciales para energía marítima en el pacífico colombianop. 38
- Figura 18 Mapa interactivo de corrientes superficiales DIMARp. 40
- Figura 19 Comportamiento de la velocidad de corrientep. 41
- Figura 20 Ventajas y desventajas de las alternativas de energía marinap. 41
- Figura 21 Clasificación de importanciap. 44
- Figura 22 Matriz de decisiónp. 45
- Figura 23 Coeficiente de potencia en función del número de alabesp. 51
- Figura 24 Sistema de transmisión de potencia de turbina mareomotrizp. 52
- Figura 25 Sistema de transmisión de potencia considerando eficienciasp. 52
- Figura 26 Estructura góndolap. 55
- Figura 27 Plano en corte del eje lentop. 56
- Figura 28 Fuerzas aplicadas sobre los elementos de transmisión, vista isométricap. 57
- Figura 29 Plano isométrico de las fuerzas aplicadas sobre el ejep. 58
- Figura 30 Condiciones de simulación: Fijaciones y fuerzasp. 60
- Figura 31 Grafica de SN para acerosp. 61
- Figura 32 Factor de seguridad a diferentes diámetros de ejep. 62
- Figura 34 Factor de seguridad en eje principalp. 63
- Figura 35 Dimensiones en plano de caja de engranajes planetariosp. 64
- Figura 36 Generador eléctrico de 21,5 kWp. 64
- Figura 37 Dimensiones generador eléctrico de 21,5 kWp. 65
- Figura 38 Regiones de un álabep. 66
- Figura 39 Distribución de perfiles para un álabep. 67
- Figura 40 Distribución de perfiles para la turbina diseñadap. 67
- Figura 41 Cl/Cd vs Alpha para selecciónp. 68
- Figura 42 Fragmento perfil S814p. 70
- Figura 43 Puntos en formato texto para el diseño del álabep. 70
- Figura 44 Selección puntos del perfilp. 71
- Figura 45 Perfiles álabe en SolidWorksp. 71
- Figura 46 Creación del plano paralelo a la curvap. 72
- Figura 47 Croquizado de la curva en el plano generadop. 72
- Figura 48 Perfil con el ángulo de girop. 73
- Figura 49 Estructura del álabep. 73
- Figura 50 Álabe recubiertop. 74
- Figura 51 Creación de la raíz del álabep. 74
- Figura 52 Diseño final álabep. 75
- Figura 53 Modelado de la estructurap. 75
- Figura 54 Geometría turbina mareomotrizp. 76
- Figura 55 Dominios computacionales de simulaciónp. 79
- Figura 56 Dominio computacional malladop. 80
- Figura 57 Dominio interior malladop. 81
- Figura 58 Inflation generado en el alabe de la turbinap. 81
- número de elementosp. 82
- Figura 61 Ángulo de alabe a 0,5 metrosp. 86
- Figura 62 Ángulo de alabe a cada 0,5 metrosp. 87
- Figura 63 Ángulo de alabe a cada 0,5 metrosp. 88
- Figura 64 Torque a diferentes velocidades de flujop. 92
- Figura 65 Potencia a diferentes velocidades de flujop. 93
- Figura 66 Coeficiente de potencia a diferentes velocidades de flujop. 94
- Figura 67 Fuerza de sustentación a diferentes velocidadesp. 95
- Figura 68 Coeficiente de sustentación a diferentes velocidades de flujop. 96
- Figura 69 Dominio de análisis estructuralp. 97
- Figura 70 Técnica una vía (One way) en Ansysp. 97
- Figura 71 Punto de fijación en la turbinap. 98
- Figura 72 Presión sobre la góndola vista frontalp. 99
- Figura 73 Presión sobre el álabe derecho vista frontalp. 100
- Figura 74 Presión sobre el álabe derecho vista traserap. 100
- Figura 75 Deformación total en la turbina, vista frontalp. 101
- Figura 76 Deformación álabe derecho vista frontalp. 101
- Figura 77 Esfuerzo equivalente vista frontalp. 102
- Figura 78 Esfuerzos álabe derecho vista frontalp. 102
- Figura 79 Esfuerzo álabe derecho, vista traserap. 103
- Figura 80 Factor de seguridad en la turbinap. 103
- Figura 81 Curva de generación simulaciónp. 112
- Figura 82 Velocidades promedio de corriente de marea para el año 2022p. 112
- Tabla 1 Velocidades de corriente para diferentes puntos en el pacífico colombianop. 38
- Tabla 2 Potencial energético para diferentes zonas del pacífico colombianop. 39
- Tabla 3 Tabla de relaciónp. 43
- Tabla 4 Tabla de clasificaciónp. 45
- Tabla 5 Materiales usados en turbinas eólicasp. 46
- Tabla 6 Comparación de la resistencia a la corrosión de aceros en agua saladap. 47
- Tabla 7 Propiedades mecánicas del acero duplex2205p. 47
- Tabla 8 Propiedades mecánicas para el compuesto Resina-Fibra de vidriop. 48
- Tabla 9 TSR óptimo para diferentes números de alabesp. 49
- Tabla 10 Parametrización de fuerzas en el eje a diferentes velocidadesp. 59
- Tabla 11 Elementos de malla eje principalp. 60
- Tabla 12 Dimensiones de caja de engranajes planetariosp. 63
- Tabla 13 Parámetros inicialesp. 76
- Tabla 14 Parámetros de convergenciap. 77
- mallap. 80
- Tabla 16 Número de elementos por secciónp. 99
- septiembre 2023p. 105
- Tabla 18 Consumo aproximado para una familia en Tumaco según el PERSp. 105
- Tabla 19 Valor a pagar en la factura para un hogar en Tumacop. 106
- Tabla 20 Valor real a pagar en la factura para un hogar en Tumacop. 106
- Tabla 21 Costos asociados a la turbina mareomotriz 5kW-aproximación 2020p. 108
- Tabla 22 Valor de anualidad como ejemplo Banco AV Villasp. 109
- Tabla 23 Estimación de préstamo para inversión inicialp. 109
- Tabla 24 Resultados simulaciónp. 111
- Tabla 25 Energía generada a plena cargap. 113
- Tabla 26 Energía real y a plena carga generada por la turbinap. 114
- Tabla 27 Criterios de viabilidad económica para la turbina mareomotrizp. 114
- Tabla 28 Criterios decisorios para la turbina mareomotrizp. 116
- Apéndice A Cálculo de fuerzasp. 125
- Apéndice B Cálculo del ejep. 130
- Apéndice C Cálculo de cuerda y ángulo de torsiónp. 138
- Apéndice D Resultados del estudio estático para el álabe izquierdop. 139
- Apéndice E Velocidad en perfiles hidrodinámicosp. 142
- Apéndice F Datos de entrada de malla para independenciap. 143
- Apéndice G Datos de salida para independencia de mallap. 144
- Apéndice H Ansys independencia de mallap. 145
- Apéndice I Ansys simulación hidrodinámicap. 146
- Apéndice J Tratamiento de datos simulaciónp. 147
- Apéndice K Parametrización de fuerzas de las 3 condiciones críticas del ejep. 148
- Apéndice L Plan de amortización Banco AV Villasp. 149
- Apéndice M Plan de amortización Bancolombiap. 150
- Apéndice N Plan de amortización Banco Caja Socialp. 151
- Apéndice O Plan de amortización Banco de Bogotáp. 152
- Apéndice P Comportamiento de interés en las diferentes entidades bancariasp. 153
- Apéndice Q Comportamiento de Saldo en las diferentes entidades bancariasp. 154
- Apéndice R Comportamiento de interés y saldop. 155
- Apéndice S Valor presente ingresos VPIp. 156
- Apéndice T Valor presente egresos VPEp. 160
- Apéndice U Tiempo retorno inversión TRIp. 161
- Apéndice V Tasa interna de retorno TIRp. 165