PROYECTO ARRECIFE DE TURBINAS

¡40 a 70 kW/m de costa! ¡40 a 70 kW/m de costa! Dr. José Javier Doria Ó Óscar Villanueva Vill Iñigo Doria

Director Técnico del proyecto con gran experiencia en proyectos de investigación. Ha realizado múltiples proyectos exitosos, incluyendo records mundiales ‐ Doctor Ingeniero Industrial por la Universidad País Vasco ‐ Catedrático de E.U. UPV/EHU. Expresión Gráfica y Proyectos de Ingeniería ‐ Especialista en Aerodinámica y Dinámica de Fluidos

• • • •

Dr. José Javier Doria PhD

Evaluado como investigador por el Ministerio de Educación 400 Diseños industriales en el entorno de la energía y fluidos Diseñador y desarrollador para Saunier Duval (Vaillant Group) 36 Patentes : 36 Patentes : ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

Proyecto Arrecife 2015 Makser Golf Driver. World Guinness Record (Imbatido desde 1999) Vela con flap Vencedor todas las regatas Copa de América de 1995 Vela con flap. Vencedor todas las regatas Copa de América de 1995 Perfil aerodinámico de geometría sencilla Figuras geométricas. Descubrimiento inédito en 2.300 años

Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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2

La Aerodinámica actualmente Según la teoría actualmente admitida, un paraguas no se daría la vuelta con el viento, ni un avión o ave debería poder volar. Este resultado contradictorio es la Paradoja de D’Alembert . Se explica porque todos los fluidos tienen viscosidad y causan el fallo de la teoría. Navier y Stokes, sXIX, introdujeron la viscosidad en las Ecuaciones Generales de la Mecánica. Su solución forma p parte como nº3 de los “siete p problemas del milenio”,, p propuestos p por el Instituto Clay p y de Matemáticas, Massachusetts (EE. UU.), para premiar con un millón de dólares a quien resuelva al menos uno de ellos. Consecuentemente, cualquier diseño aerodinámico o hidrodinámico debe validarse en el laboratorio con un modelo. Nuestra hipótesis: Los fluidos son un medio continuo con interacción de todas sus partículas y consecuentemente el flujo que ha sobrepasado al paraguas o al ala sigue impulsando por succión sobre los mismos, por lo que las superficies superiores (extradós del ala) siempre tendrán presiones de succión que junto a las de compresión de la superficie opuesta darán una resultante de resistencia en el paraguas y de sustentación en el ala. Aplicación A li ió en Arrecife A if de d Turbinas: T bi P d Podemos estudiar t di la l mecánica á i de d las l partículas tí l de d las l olas l a partir del impulso horizontal del viento, hasta ahora imposible y diseñar la turbina idónea. Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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3

Nuestra hipótesis: El fluido aguas abajo sigue impulsando por succión. Paradoja de D’Alembert • Para un fluido ideal ofrece simetría en el flujo y presiones. • No hay sustentación ni resistencia. Sería imposible el vuelo de aves, aviones etc.

P+ push

P+ push

• Gracias a la viscosidad existe la sustentación y resistencia aerodinámicas. Nuestra teoría Nuestra teoría

Un fluido ideal exige y define analíticamente un fuselaje. Hay sustentación y resistencia. ¡Podemos hacer pasar un flujo por una turbina por diferencia de presiones!.

P-

P+ Push

Pull

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4

Actualmente la ciencia desprecia la succión desde aguas abajo, la cual existe experimentalmente. Se desprecia físicamente el flujo aguas abajo resultando una reducción en el Cx medido

La experimentación demuestra que existe: Turbina Kaplan, u otros ejemplos sencillos como un corte en una manguera o el cierre de una válvula, demuestran que el agua residual aguas abajo succiona inercialmente

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5

Nuestro modelo mecánico de ola transmite el impulso y la energía a larga distancia sin rozamiento y sin transporte de masa. Al igual que el péndulo de Newton. Mecánica de las partículas

Transmisión del impulso

N O T W E N E D O L U D N É P

Sin transporte de las partículas

o Hay un pequeño desplazamiento de toda la masa, sin t transporte, rozamiento ni circulación de partículas. t i t i i l ió d tí l o No es posible transmitir energía sin algún desplazamiento de masa (Newton)

F

E

Ds 1 = t C B

A

o Las turbinas de Arrecife utilizan la energía cinética obtenida de las olas, antes y después de romper. o Muy diferente es el transporte de masa y p o Dos formas muy diferentes de transmitir un impulso o La circulación de partículas implica turbulencias Movimiento circulatorio clásico de las partículas de agua

A

A

s 1 = t Con transporte de las partículas Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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6

La idea surge de la observación La idea surge de la observación del oleaje del oleaje

Olas de proa . Ría de Bilbao newcastle‐tank‐with‐waves Oleaje de 8m. El Abra.

Olas 0,1m Castropol

Olas de altamar

De la observación: En apariencia, todas las olas tienen un perfil semejante Investigación: Encontramos un perfil que se corresponde con datos eperimentales Resultado teórico: La energía, potencia, velocidad g p de fase, λ y y T son función sólo de H. Ingeniería: Conocemos de cada ola su velocidad eficaz y la velocidad de rompiente. Aplicación: Podemos utilizar y diseñar turbinas de flujo cruzado Adoptamos λ λ=2·π·H 2πH

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7

Hipótesis: Todas las olas en ausencia de viento o corrientes, en aguas profundas, tienen perfiles semejantes.

H

Adoptamos λ=2·π·H

° 6 , 6 2

H · · 2

Y x · c s o c · 2 / H + 2 / H = y

H

︵

︶

Calculamos su Energía Potencial: k 2

X

E p  2· g· ·

0

2

k

Todos los parámetros de la ola son exclusivamente función de H Todas la olas tienen idéntico perfil* Se puede tratar cualquier oleaje por sus olas, individualmente. Muy fiable * En ausencia de vientos, corrientes y en aguas profundas



y · y·dx 2

J/m

La energía es Eola=Ep+Ek=2·Ep La energía es E E ola

3·g· · ·H 3  E p  Ed  4

J/m

La potencia es Pola=Eola/Tz Pola

E ola 3·g 1,5 · ·H 2,5 W/m   Tz 16

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8

8

¿Se justifica ¿Se justifica este perfil perfil??

p V

B r V

t V

a0

pendiente a=f(Hs estad) a=26,6º 35

y = 0,7716x + 21,946 R² = 0,1902

30

' B

a

20

y = 21,898x0,1134 R² = 0,3872  2· H 

    atg

15

 Tz

10

Efecto de plano inclinado Resultante vertical en superficie

 

vri  vp

 g 

0 0

tg ( a ) 

·

5

Efecto impulso horizontal

 

1

2

3

4

g·H g·H 2· · H   g·Tz vp Tz · g 2·

tg ( 26,565)  0,5 

La pendiente en el punto de inflexión de olas medidas por la boya R2 de IH Univ. de Cantabria se corresponde d con 26,6º 26 6º con poca desviación (±2º)

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vri  vp

g·H vp

vp es un parámetro muy fácil de medir y es experimentalmente fiable p

5

6

7

8 Hest 9

Proponemos una onda elástica con movimiento armónico, sin fricción y perfil constante, con energía y potencia bien definidas a partir de datos estadísticos í medidos por boyas en cada lugar.

vri es la velocidad de caída desde H al punto de inflexión. Se corresponde con (1‐7) (Dean). vt es la velocidad en plano inclinado (surf) Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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La justificación La justificación

H

 

° 6 , 6 2

H · · 2

Pola 

E ola 3·g 1,5 · ·H 2,5  16 Tz

 

E ola  E p  E k 

3· g· ·H 2 · k 8

k 

H ∙  2∙ ∙ H tg ( a )

 

Tk 

k vp



2· ·H 2· g·H

 ·

H g

El periodo entre olas y la velocidad de fase se correlacionan con datos con datos experimentales  

Tz  4· ·

H  4· H g

T  f ( H 1 / 2 , g 1 / 2 )

vp

T



g·Tz 2·

Tiene sentido:

20 18

y = 4,971x0,3745 R² = 0,845

16

vp 

14

8 6

Una ola más tendida tendría una potencia exagerada.

g·Tz 2·

12

y = 4x0,5 R² = 1

10 8

T  4∙ H

4



Vp=2∙(g∙Hestad)^0,5 Vp=g∙Tzestad/2/π

 Tz 14

10

vp 

vp mov. armónico vs. vp teoría ondulatoria

T=4∙Hestad^0,5) Tz (medio estadist.)

12

 

 v p  2· g·H  2·v ri

U ao Una ola a menos e os te tendida d da tendría una pendiente exagerada

 v ppk  2· g·Hestad

6 4

2

2 0

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8 Hest 9

0

1

2

3

4

5

6

7

8 Hest 9

No existirían correlaciones

P, vp y Tz del perfil se correlacionan con datos experimentales Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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RESUMEN ENERGÍA. Comparación de formulaciones usuales Origen: Pierson (espectral). Herbich (ondulatoria). Doria (energía potencial). Dean (ondulatoria)

Nuestra fórmula (4‐10) ofrece unos resultados de potencia y energía anual coherentes y fiables (*)

Energía anual en diferentes mares en % ‐ Hs. Fórmula de potencia utilizada (4‐10) J.J.Doria (*) 14,00 11,5

9,7

12,00 9,8

12

11,0 10,110,4

8,0

10

8,7 6,4

6,2 4,6

6,00 , 4,1 3,1

3,2 1,9 1,0 1,0

0,1

0,5 0,5

0,00 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Hs 

4

2,5

2,00 0,0

6 4,3 3,3

4,00 0,9 0,0 0,0

8,9 7,5

8

7,9

8,4 8,5

8,9 7,4 6,4

7

8

7,2

8,00

10

5,7

6

5,0

5

4,0 3,5

4

2,6

3 1,7

2

1,5

1,0

0,6 0,7

2

0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 Hs 

1

4,9 4,9

0,0

0,4

1,4 0,9

0,5 0,4

0,2

0

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

% kWh/m/año

% kWh/m/año

% …

% …

9

9,1

10,00

8,8

% kWh/m/año

% …

16,3

% … 12,00

11,4 10,7 10,6

17,3

9,4

10,00

9,4 9,2

15,2 7,3

11,8

7,6

8,00 6,3

10,2

6,00

8,4 6,9

37 3,7

1,8

1,2

0,1

1

1,9

1,9 0,2

0,5

4,00

2,9

3,6

2,9 0,0

4,4

56 5,6

1,5

2

Hs 

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

7

1,0

2,00 0,6 0,0

0,3

0,00

9

Hs 

BIMEP Costa Vasca BIMEP Costa Vasca Viana Porto Irlanda W California 46028 Viana Porto Irlanda W California 46028

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0

12,913,212,6

9,7

% kWh/m/año

% …

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5

% kWh/m/año

Hs 

Menorca N Menorca N

(*) La fórmula (4‐10) aplica a cada ola una energía y una potencia función exclusivamente de su Hs (muy fiable) Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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Estudiamos la dinámica de partículas para su uso con turbinas en nuestro proyecto. Proponemos cada ola como un sistema independiente Teoría ondulatoria clásica estricta: considera el oleaje como una onda continua de diversas alturas . Precisa entrar en resonancia H

T

Resonador Teoría olas solitarias: consideramos las olas como unidades independientes. Onda discontinua. Se basa en la Mecánica de las partículas

Turbinas

• Estadísticamente hemos verificado que en la costa cantábrica las olas se han ido separando a lo

largo de las largas distancias hasta (periodo medio) T g g (p ) z=4·TK • El tiempo durante el que se entrega la potencia de la ola sería TK para nosotros y Tz para la Teoría Clásica, siendo la energía cedida por cada ola E=P·TK (4 veces menos que con la teoría ondulatoria). ) • Debemos calcular la frecuencia (f=1/Tz) con Tz porque es el tiempo real medio entre olas. Cada mar tiene un característico número de olas/día medio 12 Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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Hipótesis: La mitad de la ola, aguas arriba, descarga su energía y la capa de agua subyacente la refleja elásticamente , impulsando a la otra mitad de aguas abajo. o Energía: potencial +cinética + elástica en movimiento armónico o Proponemos una propagación elástica por impulso horizontal del viento y vertical gravitatorio o La falta de rozamiento justificaría la transmisión de energía a larga distancia L f lt d i t j tifi í l t i ió d í l di t i o Coherente: las ripple marks están formadas verticalmente por las olas en aguas someras y espaciadas por la frecuencia propia de vibración de la capa de agua e j a e l o

e j a e l o

s k r a m e l p p i r

Ola rompiendo Víd Olas Vídeo Ol Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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El dispositivo imita el comportamiento de un arrecife, absorbiendo la energía de la ola. Consideramos que para absorber energía hay que oponerse a la ola.

• •

Las olas disipan su energía en acantilados, arrecifes y playas

• •

La extracción de energía implica una reducción ostensible de la ola Casi todos los dispositivos flotantes actuales tienen una forma defensiva frente a las olas. Casi todos los dispositivos flotantes actuales tienen una forma defensiva frente a las olas.

Nuestra alternativa se opone a las olas, de forma similar a como lo hace naturalmente un p , arrecife de coral, donde múltiples frágiles corales absorben una enorme energía.

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Modelo ensayado a escala 1:10. Las turbinas giran siempre en el mismo sentido. La alta viscosidad sobre los álabes (Re≈250) impide obtener datos fiables de potencia alta viscosidad sobre los álabes (Re ≈250) impide obtener datos fiables de potencia

IH 1 IH 2

Objetivo superado: Las turbinas toman energía en sus volantes de inercia y resisten ante olas de 6m. Conocemos los esfuerzos triaxiales sobre el modelo y la variación de altura de las olas. Financiado por el Ente Vasco de la Energía, y Ensayado con éxito en el Instituto de Hidráulica de Cantabria. Inversión recomendada por el Clúster Energía de las Olas *

*

http://www.clusterenergia.com/Canales/Ficha.aspx?IdMenu=f690caa7-c162-402d-8fa8-91203d0bee46&Cod=e412dbe8-c349-4ebf-8ac5-cc47f1fe5904&Idioma=es-ES

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Diseños de los sistemas de inmersión, eléctricos e hidráulicos también realizados. CARACTERÍSTICAS DE INTERÉS

CORRIENTES FLUVIALES Y DE MAREAS

‐Giro de turbinas con sentido constante ‐Se activan por: la oscilación vertical de las olas. Energía cinética. el flujo horizontal de la ola rompiente. Energía potencial la oscilación vertical inercial agua‐dispositivo las corrientes de superficie las corrientes de marea ‐Entrega de energía uniforme. Se compensa entre turbinas ‐Sumergible en temporales ‐Construcción en astillero ‐Compatible con parques de eólicas offshore. ‐Las turbinas giran sin dañar la fauna ‐Transportable mediante remolcador ‐Maquinaria en cámara visitable ‐Útil como arrecife off shore o como escollera ‐Geometría adaptada al flujo de la energía ‐Disponible como captador flotante de corrientes.

Tenemos experiencia en el diseño de toberas, turbinas y álabes con una patente propia de perfiles aerodinámicos bien probada (*) * Perfiles aerodinámicos de geometría sencilla España: Nº9301663 Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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Inmersos en un temporal. en un temporal. Hay protección frente a olas gigantes Hay protección frente a olas gigantes Energía de la ola: energía potencial (50%) + energía cinética (50%) 9

9

Energía cinética

Rompiente:  Energía potencial en cinética

3

3

P i ió en temporall Posición

G Generando d energía í

Turbinas: utilizan las energías cinética y potencial, que al romper la ola es cinética

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Esquema genérico

G

G

PLC

G

PLC

G

PLC

G

PLC

G

PLC

PLC

380V/13200V

13,2kV III

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380V II

optic fib.

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Pruebas realizadas con éxito en el Instituto IH. Prototipo sometido a oleajes de distinta altura y frecuencia, así como a diferentes profundidades.

• •

Modelo fijo y tres posiciones relativas nivel de agua vs Turbinas. M di i Mediciones: velocidad l id d angular l media, di altura lt nivel i l de d agua, empuje j triaxial. t i i l

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Los resultados reflejan el funcionamiento del sistema. Obtenemos alta potencia en las turbinas. Hay disminución de la altura de la ola tras el paso por el modelo. CONFIGURACIÓN 1 turbinas 1,50 m bajo nivel Hs m 4 1,5 3 Ts 10 10 10 Fz t 16,37 1,28 8,2 Fx t 12,87 5,48 11,01 WG5 Hs m 4,43 1,82 3,66 WG6 Hs m 3,81 1,61 3,32 rpm t1 16,62 3,17 11,36 rpm t2 13,68 2,27 8,89 rpm t3 15,09 3,83 11,59 rpm t4 14,78 3,41 11,54 rpm t5 15,7 2,87 11,3 rpm t6 17 35 17,35 4 97 4,97 12 83 12,83 Hs5-Hs6 0,62 0,21 0,34 CONSIDERANDO LOS 20m DE ANCHO DEL CANAL dP kW 1396,49 127,00 596,81

CONFIGURACIÓN 2 turbinas 0 m a nivel Hs m 4 Ts 10 Fz t 33,39 Fx t 9,6 WG5 Hs m 4,42 WG6 Hs m 4,62 rpm t1 9,22 rpm t2 10,84 rpm t3 15,4 rpm t4 11,55 rpm t5 10,54 rpm t6 15 5 15,5 Hs5-Hs6 -0,2 dP kW

-517,32

3 10 29,58 7,78 3,71 3,89 5,91 10,48 12,01 8,78 7,5 11 52 11,52 -0,18

1,5 10 19,59 3,65 1,85 1,68 1,26 0,9 2,83 1,74 1,44 1 68 1,68 0,17

2 10 19,12 2,93 2,21 1,81 1,9 3,2 6,9 3 2 28 2,8 0,4

-358,90

107,32

307,17

CONFIGURACIÓN 3 turbinas 1,50 m sobre nivel Hs m 5 Ts 10 Fz t 28,8 Fx t 7,16 WG5 Hs m 4,69 WG6 Hs m 3,66 rpm t1 10,3 rpm t2 13,3 rpm t3 16,06 rpm t4 6,54 rpm t5 3,33 rpm t6 2 91 2,91 Hs5-Hs6 1,03 dP kW

2369,42

3 10 14,82 4,15 3,76 2,7 2,6 3 9,5 9 11 49 4,9 1,06 1661,74

• Las tres configuraciones reflejan potencia en los volantes de inercia de todas las turbinas • La resistencia Fx implica que la ola rompe y activa las turbinas finales • La elevación de la ola en config. 2 se explica por el efecto del fondo tubular (aguas someras) • Elevación que ofrece Δp%5,7 having regard to Re 138 rpm 5,7W

Valoramos muy positivamente este resultado que convalida tanto nuestra teoría de las de las olas solitarias o individuales, así como nuestro conservador método de cálculo Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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Equipo inicial con perfiles variados y comprometidos con el proyecto. En una segunda fase de producción y comercialización se profesionalizaría la gestión. Departamento Técnico Dr José Javier Doria Gran experiencia en desarrollos industriales Dr. José Javier Doria: Gran experiencia en desarrollos industriales,  patentes y proyectos. Perfil técnico Departamento Comercial  Óscar Villanueva: Ingeniero en Organización Industrial. Executive MBA  por Universidad Barcelona y Programa Desarrollo Directivo IESE. Director Planta de Gas de Repsol en Zaragoza. Perfil técnico y comercial l d d l fl é l Departamento Financiero Iñigo Doria: Licenciado en Administración y Dirección de Empresas.  g y p Máster Asesoramiento Financiero Universidad Politécnica de Valencia Gestor comercial en Crédito y Caución. Perfil financiero y comercial El proyecto es iniciado por el equipo citado para posteriormente profesionalizarlo con un gestor comercial especializado en el sector de las renovables. Se aportarían: patentes conocimiento estudios realizados y las horas de trabajo necesarias para Se aportarían: patentes, conocimiento, estudios realizados y las horas de trabajo necesarias para alcanzar la fase de producción. Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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El proceso creativo

‐Aerodinámica ‐Geometría Geometría ‐Energía del oleaje E í d l l j

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Origen idea: 40 años de investigación en Aerodinámica y Mecánica de Fluidos.

José Mª Olazábal Master de Augusta 1999 Karl Woodward. Guinness Record imbatido desde 1999: 408 yds vuelo (373m) El driver Makser TM440 en el British Golf Museum de St. Andrews de St Andrews Nuestra patente del “fuselaje truncado estabilizador de truncado estabilizador de torbellinos” triunfa en el golf Y actualmente ampliamente extendido al automóvil extendido al automóvil

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Idea origin: 40 years of research in Aerodynamics and Fluid Mechanics. Tunnel tests the School of Aeronautical Engineers of Madrid, INTA and NASA

La patente del “fuselaje truncado estabilizador de torbellinos” se industrializa. Evolución Audi

La experimentación y la industria confirman la forma de truncar un fuselaje Proyecto Arrecife ‐ Turbina Undimotriz 2015

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La Geometría desde la Aerodinámica

1‐perfil elíptico 7‐elipse 7 elipse relacionada relacionada Cono de condensación en la condensación en la zona de nuestra onda de choque de succión

Más datos en https://ehu.academia.edu/JJavierDoria

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La Geometría desde la Aerodinámica

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