Turbina de tornillo

Turbina hidráulica que utiliza el principio del tornillo de Arquímedes.

Acción inversa del tornillo de Arquímedes, el principio de la turbina de tornillo obtiene energía del agua que fluye hacia abajo a través del tornillo.

Las turbinas de tornillo suelen tener tres o cuatro vuelos (segunda fila)

Dos turbinas de tornillo paralelas capaces de producir 75 kW cada una, en Monmouth, Gales

Vídeo de una turbina de tornillo de 40 kW en Múnich, Alemania

Una turbina de tornillo (también conocida como turbina de Arquímedes , generador de tornillo de Arquímedes o ASG , o turbina de tornillo de Arquímedes o AST ) es una turbina hidráulica que convierte la energía potencial del agua en un nivel ascendente en trabajo . Este convertidor de energía hidroeléctrica es impulsado por el peso del agua, de manera similar a las ruedas hidráulicas , y puede considerarse como una máquina de presión cuasiestática. Los generadores de tornillo de Arquímedes operan en un amplio rango de caudales (0,01 a 14,5 ) y alturas (0,1 m a 10 m), incluidos alturas bajas y caudales moderados que no son ideales para turbinas tradicionales y no están ocupados por tecnologías de alto rendimiento. ${\displaystyle m^{3}/s}$ ${\displaystyle m^{3}/s}$

El tornillo de Arquímedes se puede utilizar para generar energía si se acciona mediante un fluido que fluye en lugar de mediante un fluido que se eleva. El agua que pasa por el tornillo desde una altura mayor a una menor genera un par en las superficies del plano helicoidal, lo que hace que el tornillo gire. El generador del tornillo de Arquímedes consta de un rotor con forma de tornillo de Arquímedes que gira en un canal semicircular. El agua fluye hacia el interior del tornillo y su peso presiona las palas de la turbina, lo que a su vez obliga a la turbina a girar. El agua fluye libremente por el extremo del tornillo hacia el río. El extremo superior del tornillo está conectado a un generador a través de una caja de cambios. El tornillo de Arquímedes es teóricamente una máquina hidráulica reversible, y hay ejemplos de instalaciones individuales en las que los tornillos se pueden utilizar alternativamente como bombas y generadores.

Historia

Una turbina de tornillo en una pequeña central hidroeléctrica en Goryn, Polonia

El tornillo de Arquímedes es una invención antigua, atribuida a Arquímedes de Siracusa (287–212 a. C.), y comúnmente utilizada para extraer agua de un curso de agua con fines de riego . En 1819, el ingeniero francés Claude Louis Marie Henri Navier (1785–1836) sugirió utilizar el tornillo de Arquímedes como un tipo de rueda hidráulica. En 1916, William Moerscher solicitó una patente estadounidense sobre la turbina de tornillo hidrodinámico. ^[1]

Solicitud

Turbina de tornillo de 12 kW en la finca Cragside

La turbina de tornillo de Arquímedes se utiliza en ríos con una caída relativamente baja (de 0,1 m a 10 m) y con caudales bajos (de 0,01 m ³ /s a unos 10 m ³ /s en una turbina). Debido a su construcción y al movimiento lento de sus aspas, se considera que la turbina es respetuosa con la fauna acuática. A menudo se la etiqueta como "amigable con los peces". La turbina de Arquímedes se puede utilizar en situaciones en las que se exige la conservación y el cuidado del medio ambiente y de la fauna.

Diseño

Una central hidroeléctrica con turbina de tornillo de Arquímedes (AST) puede considerarse como un sistema con tres componentes principales: un depósito, un vertedero y la AST (que está conectada al sistema mediante una compuerta de control y una rejilla para desechos). En la mayoría de las ubicaciones reales de AST, el flujo entrante debe dividirse entre la AST y un vertedero paralelo. Por lo general, se exige un flujo mínimo sobre el vertedero para la protección del medio ambiente local. Otras salidas, así como una escala de peces, podrían considerarse como los otros componentes de este sistema. Una guía completa sobre los principios de diseño de turbinas de tornillo de Arquímedes y plantas hidroeléctricas de tornillo está disponible en "Archimedes Screw Turbines: A Sustainable Development Solution for Green and Renewable Energy Generation—A Review of Potential and Design Procedures" ^{[2] .}

Caudal

Para diseñar turbinas de tornillo de Arquímedes y plantas hidroeléctricas, es esencial estimar la cantidad de agua que pasa a través de la turbina de tornillo, ya que la cantidad de energía generada por una turbina de tornillo de Arquímedes es proporcional al caudal volumétrico de agua que la atraviesa. El volumen de agua que ingresa a una turbina de tornillo de Arquímedes depende de la profundidad del agua de entrada y de la velocidad de rotación del tornillo. Para estimar el caudal total que pasa a través de una turbina de tornillo de Arquímedes para diferentes velocidades de rotación (ω) y niveles de agua de entrada, se podría utilizar la siguiente ecuación:

${\displaystyle Q=\alpha Q_{Max}(A_{E}/A_{Max})^{\beta }(\omega /\omega _{M})^{\gamma }}$

Donde , y son constantes relacionadas con las propiedades del tornillo. Las investigaciones preliminares sugieren que , y brindan predicciones razonables de para una amplia gama de tamaños de AST de escala pequeña a completa. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \alpha =1.242}$ ${\displaystyle \beta =1.311}$ ${\displaystyle \gamma =0.822}$ ${\displaystyle Q}$

Ejemplos

Reino Unido

• Presa de Woolston, Cheshire, en el río Mersey, 486 kW, en construcción ^{[3] [4] [5]}
• Devon, Totnes 320 kW, puesta en servicio en diciembre de 2015 ^[6]
• Romney, Berkshire , 270 kW, instalado para proporcionar una fuente de energía renovable al Castillo de Windsor , puesto en servicio en julio de 2013 ^[7]
• Presa de Bealey, Radcliffe , 100 kW, puesta en servicio en mayo de 2012 ^[8]
• Mapledurham, río Támesis , el mayor generador de tornillo único de Reino Unido con capacidad de caudal (8 m³/s), 99 kW. ^[9]
• Buckfast, río Dart , turbina de tornillo y paso de peces, 84 kW ^[9]
• El primer sistema hidroeléctrico de propiedad comunitaria del Reino Unido y paso de peces, 63 kW en New Mills . ^[9]
• La primera turbina de tornillo conectada a la red del Reino Unido, de 50 kW, en el parque rural River Dart . ^[9]
• Bainbridge , turbina de tornillo de propiedad comunitaria, 37 kW ^[9]
• Tipton, Nutria del río , 30 kW ^[9]
• Rochdale , turbina de tornillo y paso de peces, 20 kW ^[9]
• Cragside , la cuna de la energía hidroeléctrica, 12 kW ^[10]
• Tillydrone , Aberdeen Community Energy , 100 kW, la primera microcentral hidroeléctrica urbana del Reino Unido ^[11]

Estados Unidos

• Estanque Hanover en el río Quinnipiac en Meriden, Connecticut , 105 kW (o 920.000 kWh/año), conectado a la red, puesto en servicio en abril de 2017; la primera instalación de turbina de tornillo en los EE. UU. ^{[12] [13]}

Referencias

1. Estados Unidos 1434138, William Moerscher, "Sistema de energía hidráulica", publicado el 31 de octubre de 1922 
2. YoosefDoost, Arash; Lubitz, William David (8 de septiembre de 2020). "Turbinas de tornillo de Arquímedes: una solución de desarrollo sostenible para la generación de energía verde y renovable: una revisión del potencial y los procedimientos de diseño". Sustainability . 12 (18): 7352. doi : 10.3390/su12187352 . ISSN  2071-1050.
3. "Woolston | Solicitud de planificación". Ayuntamiento de Warrington . Consultado el 22 de marzo de 2021 .
4. "Woolston | Descripción general del proyecto". renfin.eu . Consultado el 22 de marzo de 2021 .
5. "Woolston | Noticias locales". Warrington Worldwide . Consultado el 22 de marzo de 2021 .
6. "Totnes | MannPower Consulting". www.mannpower-hydro.co.uk . Consultado el 5 de agosto de 2016 .
7. "Romney | MannPower Consulting". www.mannpower-hydro.co.uk . Consultado el 5 de agosto de 2016 .
8. "Bealeys Weir | MannPower Consulting" www.mannpower-hydro.co.uk . Consultado el 5 de agosto de 2016 .
9. "Estudios de casos de energía hidroeléctrica, estudios de casos de microcentrales hidroeléctricas - Western Renewable Energy". www.westernrenew.co.uk . Consultado el 5 de agosto de 2016 .
10. "La energía hidroeléctrica regresa a Cragside". National Trust . Consultado el 9 de agosto de 2016 .
11. Philippa Gerrard (4 de noviembre de 2016). "Powering Up". Press and Journal . Consultado el 20 de noviembre de 2023 .
12. Andrew Ragall, La tecnología antigua en la presa del estanque Hannover de Meriden comienza a generar electricidad, Meriden Record Journal, 27 de abril de 2017
13. New England Hydropower energiza la primera turbina de tornillo de Arquímedes en EE. UU., PR Newswire, 27 de abril de 2017

Lectura adicional

• PJ Kantert: Manual de la bomba de tornillo de Arquímedes , Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-896-6 
• PJ Kantert: Praxishandbuch Schneckenpumpe . Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-202-5 
• K. Brada, K.-A. Radlik - Motor de tornillo hidráulico para microcentral eléctrica: primeras experiencias de construcción y operación (1998)
• K. Brada - Microcentral eléctrica con motor de tornillo hidráulico (1995)
• K. Brada, K.-A. Radlik - Tornillo hidráulico - Características y uso (1996)
• K. Brada, K.-A. Radlik, (1996). Motor de tornillo de agua para microcentral eléctrica. 6to Internacional Síntoma. Intercambio de calor y fuentes de energía renovables, 43–52, W. Nowak, ed. Wydaw Politechniki Szczecińskiej, Szczecin, Polonia.

Enlaces externos

• Landustrie - Información sobre uno de los fabricantes
• spaansbabcock.com/products/screw-turbine Información sobre uno de los fabricantes
• (en polaco) La primera turbina de tornillo en Polonia