Análisis de sensibilidad geométrica, condiciones óptimas de instalación y estudio comparativo de tecnologías de generación energética en minicentrales hidráulicas a través de análisis CFD

Abstract

En el presente trabajo se realizó un análisis de sensibilidad geométrica y se estudiaron las condiciones óptimas de instalación, cuantificando la capacidad de generación eléctrica de dos dispositivos a ser utilizados en mini centrales hidráulicas. Ambos clasificados como dispositivos de generación ERNC, ya que cuentan con potencias instaladas menores a 20 MW. Esto con el fin de encontrar las condiciones y geometría que maximice la generación de energía eléctrica bajo condiciones preestablecidas determinando cuál es el que presenta un mayor retorno de la inversión. Los dispositivos analizados, corresponden a un equipo de tornillo hidráulico y turbina Banki, los cuales comparten rangos de utilización similares, y representan soluciones para la generación de energía en recursos de baja altura neta (potencial energético). Este documento consta de seis capítulos, dentro de los cuales se abordaron los pasos necesarios para la obtención de los objetivos mencionados en el primer párrafo. En el primer capítulo se entregó el primer acercamiento al problema en donde se plantean las motivaciones que mueven la realización de este documento, para luego pasar a los objetivos planteados que debieron ser cumplidos a medida que transcurre este informe. En el segundo capítulo se entregaron los antecedentes teóricos necesarios para comprender el funcionamiento y las posibles configuraciones de las herramientas de análisis usadas, además de los fenómenos que rigen el movimiento del fluido. En el tercer capítulo se abordaron las metodologías usada para la obtención de las variables que debieron ser estudiadas para optimizar el diseño y las operaciones de cálculo, como los diferentes métodos que fueron requeridos para la obtención de las geometrías, la obtención de las condiciones operativas (caudal y altura neta), y los procesos de configuración de las herramientas de análisis CFD utilizadas, específicamente, para simular ambos dispositivos. En el cuarto capítulo se presentaron los resultados de los análisis de sensibilidad realizados, de las cuales se obtuvieron las geometrías óptimas y la potencia máxima que genera cada uno de los dispositivos, para luego abordar la evaluación económica, en donde se indicaron los costos de realización de cada uno de los proyectos, además de la determinación de la tasa de retorno de la inversión que determinaron la selección de uno de los dos dispositivos. En el quinto capítulo se concluyó a partir de los resultados obtenidos, relacionados con los objetivos planteados en el primer capítulo. Por último, en los dos últimos capítulos se presentan los anexos, que complementaron la información entregada en los capítulos anteriores y la bibliografía específica utilizada para la confección de este informe. Los resultados obtenidos demostraron menores costos de inversión en el proyecto de Turbina Banki, sin embargo, el mayor retorno a la inversión se logró en el dispositivo de tornillo hidráulico, debido a una mayor potencia generada de acuerdo a las configuraciones geométricas óptimas, obtenidas de las simulaciones CFD realizadas, por lo que se optó por su selección como dispositivo de generación eléctrica de acuerdo a las condiciones de operación establecidas. Al terminar la lectura de este documento se conocerán las razones empíricas de la selección del dispositivo de tornillo hidráulico, con base en los resultados de los análisis geométricos, realizados a través de herramientas CFD y cálculos de evaluación económica.