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 que obtiene energía del agua que fluye hacia abajo a través del tornillo.

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

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

Vídeo de una turbina de tornillo de 40 kW en Munich, 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 en trabajo la energía potencial del agua en un nivel aguas arriba . Este convertidor de energía hidroeléctrica es impulsado por el peso del agua, similar a las ruedas hidráulicas , y puede considerarse como una máquina de presión casi estática. Los generadores de tornillo de Arquímedes operan en una amplia gama de flujos (0,01 a 14,5 ) y alturas (0,1 ma 10 m), incluidas alturas bajas y caudales moderados que no son ideales para turbinas tradicionales y no están ocupadas por tecnologías de alto rendimiento. ${\displaystyle m^{3}/s}$ ${\displaystyle m^{3}/s}$

El tornillo de Arquímedes se puede utilizar para generar energía si son impulsados ​​por un fluido que fluye en lugar de un fluido que lo levanta. El agua que transita por el tornillo desde una elevación alta a una baja genera un torque en las superficies del plano helicoidal, lo que hace que el tornillo gire. El generador de tornillo de Arquímedes consta de un rotor en forma de tornillo de Arquímedes que gira en un canal semicircular. El agua fluye hacia el 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 desde el extremo del tornillo hacia el río. El extremo superior del tornillo está conectado a un generador a través de una caja de cambios. En teoría, el tornillo de Arquímedes es una máquina hidráulica reversible y existen 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 un invento antiguo, atribuido a Arquímedes de Siracusa (287-212 a. C.) y se utiliza comúnmente 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 para la turbina de tornillo hidrodinámica. ^[1]

Solicitud

Turbina de tornillo de 12 kW en la finca de Cragside

La turbina de tornillo de Arquímedes se aplica en ríos con una altura relativamente baja (de 0,1 ma 10 m) y en caudales bajos (0,01 m ³ /s hasta aproximadamente 10 m ³ /s en una turbina). Debido a la construcción y al lento movimiento de las palas de la turbina, se considera que la turbina es amigable con la vida silvestre acuática. A menudo se le etiqueta como "amigable con los peces". La turbina de Arquímedes podrá utilizarse en situaciones donde exista una estipulación para la preservación y cuidado del medio ambiente y la vida silvestre.

Diseño

Una central hidroeléctrica de turbina de tornillo de Arquímedes (AST) puede considerarse como un sistema con tres componentes principales: un depósito, una presa y la AST (que está conectada al sistema mediante una puerta de control y un estante para basura). En la mayoría de las ubicaciones reales de AST, el flujo entrante debe dividirse entre el AST y un vertedero paralelo. Normalmente, se exige un caudal mínimo sobre el vertedero para proteger el medio ambiente local. Otros componentes de este sistema podrían considerarse otras salidas, así como una escalera para peces. Una guía completa sobre los principios de diseño de turbinas de tornillo de Arquímedes y plantas hidroeléctricas de tornillo está disponible en "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". ^[2]

Tasa de flujo

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 a través de ella. 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 dan predicciones razonables para una amplia gama de tamaños de AST de pequeña a gran escala. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \alpha =1.242}$ ${\displaystyle \beta =1.311}$ ${\displaystyle \gamma =0.822}$ ${\displaystyle Q}$

Ejemplos

Reino Unido

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

Estados Unidos

• Hanover Pond 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 turbinas de tornillo en 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". Sostenibilidad . 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 en todo el mundo . Consultado el 22 de marzo de 2021 .
6. "Totnes | Consultoría MannPower". www.mannpower-hidro.co.uk . Consultado el 5 de agosto de 2016 .
7. "Romney | Consultoría MannPower". www.mannpower-hidro.co.uk . Consultado el 5 de agosto de 2016 .
8. "Bealeys Weir | Consultoría MannPower". www.mannpower-hidro.co.uk . Consultado el 5 de agosto de 2016 .
9. "Estudios de casos de energía hidroeléctrica, estudios de casos de microhidráulica: energías renovables occidentales". www.westernrenew.co.uk . Consultado el 5 de agosto de 2016 .
10. "La energía hidroeléctrica regresa a Cragside". Confianza nacional . Consultado el 9 de agosto de 2016 .
11. Philippa Gerrard (4 de noviembre de 2016). "Encendiendo". Prensa y Diario . Consultado el 20 de noviembre de 2023 .
12. Andrew Ragall, La tecnología antigua en la presa Hannover Pond de Meriden comienza a generar electricidad, Meriden Record Journal, 27 de abril de 2017
13. La energía hidroeléctrica de Nueva Inglaterra energiza la primera turbina de tornillo de Arquímedes en EE. UU., PR Newswire, 27 de abril de 2017

Otras lecturas

• 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 - Característica 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