Diseño y optimización de turbina para sistemas de captación de energía del oleaje

Resumen

El desarrollo de fuentes de energía eléctrica renovables y no contaminantes es una prioridad en los países preocupados por el cambio climático y la contaminación. Precisamente, la energía oceánica es una de las mejores candidatas gracias a su gran potencial, asociado a la gran cantidad de superficie ocupada por los océanos y a la gran longitud de costa disponible en nuestro planeta. Irónicamente, este tipo de energía es uno de los menos explotados, ya que requiere una tecnología muy compleja para su extracción. Dentro de los captadores de energía de las olas, el dispositivo más ampliamente instalado para extraer la energía oceánica es el sistema de columna de agua oscilante (OWC, en su acrónimo en inglés). Esto es debido a que sus componentes más importantes se ubican fuera del mar (turbina y generador), lo cual es una ventaja en comparación con otros dispositivos diseñados para el mismo fin. Los componentes ubicados por encima del nivel del agua se ven menos afectados por la salinidad, lo cual resulta en una mayor vida útil de los componentes y, por consiguiente, del sistema en general. Además, colocar el sistema en la costa deriva en ventajas adicionales, como una mayor protección frente a tormentas y temporales, que podrían dañar a los dispositivos que se colocan mar adentro. Sin embargo, si el sistema se coloca mar adentro, el potencial energético es mayor que en la costa, permitiendo obtener más energía de las olas. Normalmente los sistemas OWC están compuestos por una cámara de columna de agua oscilante, un dispositivo que transforma la energía neumática en mecánica y un generador eléctrico. En primer lugar, la energía de las olas se convierte en energía neumática en la cámara, la cual se transforma en energía mecánica por medio de un dispositivo, el cual mueve el generador que produce la energía eléctrica. La cámara de columna de agua oscilante se encuentra parcialmente sumergida y abierta por sus dos extremos, por uno al mar, de manera que éste puede entrar o salir de ella libremente, y por el otro extremo a la atmosfera. El nivel del agua dentro de la cámara sube y baja siguiendo a las olas incidentes, actuando como un pistón que empuja o succiona el aire en el interior de la cámara. Este flujo bidireccional de aire pasa a través del dispositivo que se coloca entre la atmosfera y la cámara, y que extrae la energía de la corriente de aire. Este dispositivo es el componente que ha suscitado desde siempre un mayor estudio en este tipo de aplicaciones y que, en la mayoría de los casos, es una turbina de aire. Esta tesis se centra en el diseño y optimización de turbinas, específicamente desarrolladas para funcionar en sistemas OWC, utilizando tanto metodologías numéricas como experimental. La parte numérica ha sido realizada con ANSYS Fluent, mientras que la experimental se ha basado en un novedoso método de fabricación como es la impresión 3D. Adicionalmente, se ha construido una instalación experimental para la experimentación de turbinas OWC. En esta tesis se han probado varías geometrías, tanto axiales como radiales, obteniendo buenos resultados globales. Además, durante el desarrollo de la tesis se ha desarrollado y patentado una novedosa turbina, llamada Double Decker Turbine (DDT).