SIMULACIÓN DE TURBINAS HIDRÁULICAS PARA EXTRACCIÓN DE ENERGÍA DE MAREAS EN MODELOS HIDRODINÁMICOS Y APLICACIÓN EN CANAL CHACAO

Abstract

En la práctica actual, la cuantificación de energía de corrientes de mareas no considera que el comportamiento natural se verá perturbado por la instalación de los extractores de energía. Mediante la adaptación de la Teoría del Disco Actuador para turbinas hidráulicas en canales con corrientes y la formulación de Morison, se estiman las fuerzas de arrastre generadas sobre turbinas. Estas fuerzas se logran incluir en las ecuaciones de conservación del momentum de modelos hidrodinámicos, obteniendo una estimación de la extracción energética y la perturbación en el comportamiento del flujo. El estudio se compone de dos etapas fundamentales: En la primera se establecen las herramientas para simular turbinas, evaluando un modelo llamado paramétrico de arrastre que permite cuantificar las potencias extraídas y las fuerzas de arrastre generadas por el flujo utilizando la formulación de Morison. La segunda etapa considera el uso de este modelo para la simulación de un campo de turbinas en Canal Chacao. En ambas se aplica como base el modelo hidrodinámico del software Mike21 Flow Model HD FM que permite incluir el modelo paramétrico de arrastre y que resuelve las ecuaciones de conservación de masa y momentum mediante el método de elementos finitos en el espacio. En la primera etapa se comparan los resultados obtenidos a partir de la aplicación directa de la Teoría para turbinas de corriente que es presentada y analizada en el marco de esta memoria (denominada modelo analítico) y el modelo paramétrico de arrastre aplicado en Mike21. La comparación fue realizada sensibilizando la velocidad de la corriente y el nivel de obstrucción en un canal de pruebas. Las potencias calculadas con el modelo analítico son 18% menores a las obtenidas con el modelo paramétrico de arrastre. Para la aplicación en un caso real se seleccionó Canal Chacao por sus fuertes corrientes mareales que pueden alcanzar velocidades cercanas a los 6[m/s] en sicigia. A modo de analizar plantas de gran escala, se simula una granja de dispositivos Seagen (MCT Ltd.) de 553.2 [MW] de potencia instalada al oeste del canal. Considerando eficiencias de transmisión y generación obtenidas de bibliografía especializada, se estima una extracción media mensual entre 102[MW] y 122[MW], asociado a un Factor de Planta del 18%. La disposición de la granja resulta en una disminución de la velocidad media mensual del 13% en la granja de dispositivos y un aumento del 15% fuera de la misma. Los resultados de la simulación de turbinas en el modelo hidrodinámico de Mike21 parecen ser satisfactorios para una cuantificación preliminar de los impactos hidrodinámicos en el medio y la extracción de energía. No obstante, las discrepancias entre el modelo analítico y paramétrico de arrastre y la incertidumbre en cuanto a sus calidades sugieren una validación mediante modelación física, la que además considere aquellas limitaciones no contempladas en el estudio.