Análisis numérico de una turbina Wells para la generación de energía eléctrica en un sistema de columna de agua oscilante

Abstract

En la actualidad existe un gran interés en el aprovechamiento de las energías renovables obtenidos de diferentes fuentes naturales como el mar, el viento, el sol, entre otros. En el caso del mar, la energía mareomotriz utiliza diferentes tecnologías para el aprovechamiento de la energía brindada por las olas a través de un sistema de columna de agua oscilante. La importancia de este sistema radica en el aprovechamiento mecánico obtenido por una boya u otro dispositivo oceánico para convertirlo en otra forma de energía. En la presente tesis se considera los diferentes factores para el diseño de una turbina Wells, WT, el cual forma parte de un sistema de columna de agua oscilante, OWC. Para este diseño, se analiza la ubicación geográfica del sistema de OWC, por medio del oleaje y periodo de las olas en la playa de Matarani, en el año 2022. También, se realizaron simulaciones numéricas del OWC para obtener el flujo de aire a la entrada de la WT con las condiciones iniciales. Se determina la potencia entregada por las olas P=8.52 Kw y se calcula los parámetros adimensionales de diseño U*,T* y P*, así como la eficiencia de la turbina. A partir de la simulación CFD en 2D del sistema OWC se obtiene la velocidad del viento U=5 m/s, que sirve como punto de partida para los cálculos de diseño de la WT. Se realiza el análisis numérico del del alabe de la WT con un perfil NACA 0015, de manera que la viabilidad de la WT se presenta en la eficiencia η=54.53% validando los cálculos de la presente tesis.

Currently there is great interest in the use of renewable energies obtained from different natural sources such as the sea, the wind, the sun, among others. In the case of the sea, tidal energy uses different technologies to take advantage of the energy provided by waves through an oscillating water column system. The importance of this system lies in the mechanical use obtained by a buoy or other ocean device to convert it into another form of energy. In this thesis the different factors are considered for the design of a Wells turbine, WT, which is part of an oscillating water column system, OWC. For this design, the geographical location of the OWC system is analyzed, through the waves and wave period on Matarani beach, in the year 2022. Also, numerical simulations of the OWC were carried out to obtain the air flow to the input of the WT with the initial conditions. The power delivered by the waves P=8.52 kW is determined and the dimensionless design parameters U*,T* and P* are calculated, as well as the efficiency of the turbine. From the 2D CFD simulation of the OWC system, the wind speed U=5 m/s is obtained, which serves as a starting point for the WT design calculations. The numerical analysis of the WT blade is carried out with a NACA 0015 profile, so that the viability of the WT is presented in the efficiency η=54.53%, validating the calculations of this thesis.