Sección transversal típica de tornillo de Arquímedes
La turbina hidroeléctrica de tornillo de Arquímedes es relativamente nueva en el mundo de la hidroelectricidad a pequeña escala, ya que sólo ha aparecido en los últimos diez años. Sin embargo, han existido durante muchas décadas como bombas en las que se han instalado decenas de miles en todo el mundo, sobre todo en obras de tratamiento de aguas residuales. Los mismos fabricantes que dominan el mercado de las bombas son ahora los principales proveedores del mercado hidroeléctrico.
Diseño básico de una bomba de tornillo de Arquímedes
Como su nombre indica, Arquímedes es ampliamente reconocido como el inventor del tornillo en el año 250 a.C., aunque el crédito se ha atribuido erróneamente porque en realidad ya se utilizaban en Egipto muchos años antes. Históricamente, se utilizaban en la irrigación para elevar el agua a un nivel superior y generalmente eran impulsados por bueyes, o incluso por humanos en versiones más pequeñas. El principio básico de una bomba de tornillo de Arquímedes se muestra en el diagrama anterior. Si la manivela de la parte superior se gira en sentido contrario a las agujas del reloj, el agua sube desde el nivel inferior hasta el superior.
Cuando se utiliza como turbina hidráulica, el principio es el mismo pero actúa a la inversa. El agua entra en el tornillo por la parte superior y el peso del agua empuja las aletas helicoidales, permitiendo que el agua caiga al nivel inferior y haciendo que el tornillo gire. Esta energía de rotación puede ser extraída por un generador eléctrico conectado al eje principal del tornillo.
Los tornillos arquimédicos para la energía hidroeléctrica se utilizan en lugares de baja altura/alto caudal. Pueden trabajar eficazmente en saltos de hasta 1 metro, aunque generalmente no se utilizan en saltos inferiores a 1,5 m (más por razones económicas que técnicas). Los tornillos individuales pueden trabajar en alturas de hasta 8 metros, pero por encima de esto se suelen utilizar tornillos múltiples, aunque en muchos casos para alturas superiores a 8 metros puede haber turbinas más apropiadas disponibles con huellas mucho más pequeñas.
El caudal máximo a través de un tornillo de Arquímedes está determinado por el diámetro del tornillo. Los tornillos más pequeños tienen sólo 1 metro de diámetro y pueden pasar 250 litros/segundo, luego aumentan en pasos de 250 mm hasta llegar a 5 metros de diámetro con un caudal máximo de unos 14,5 m3/s. El máximo de 5 metros se basa realmente en las restricciones prácticas de entrega, y en muchos casos 3 metros es el diámetro máximo que puede entregarse en un sitio. Si hay más caudal disponible, se pueden instalar varios tornillos en paralelo.
En términos de potencia, los tornillos de Arquímedes más pequeños pueden producir tan sólo 5 kW, y los más grandes 500 kW.
Abajo se muestran las partes principales de un tornillo de Arquímedes utilizado como hidrogenerador. El tornillo real está debajo del cojinete superior. El tornillo helicoidal o los «tramos» están hechos de una placa de acero plana laminada que luego se suelda a un núcleo central de acero. La mayoría de los tornillos de Arquímedes tienen tres tramos, o tres hélices separadas que se enrollan alrededor del núcleo central.
Partes principales del extremo superior de un hidrogenerador de tornillo de Arquímedes
Los tornillos de Arquímedes suelen girar a unas 26 rpm, por lo que la parte superior del tornillo se conecta a una caja de cambios para aumentar la velocidad de rotación a entre 750 y 1500 rpm para que sea compatible con los generadores estándar. A pesar de que giran con relativa lentitud, los tornillos de Arquímedes pueden salpicar agua, aunque esto se reduce significativamente mediante el uso de un protector contra salpicaduras que se muestra a lo largo del lado izquierdo del tornillo, como se muestra a continuación.
Cuerpo de la turbina hidráulica del tornillo de Arquímedes
Los tornillos para turbinas hidroeléctricas Archimedean Screw se colocan normalmente a un ángulo de 22 grados respecto a la horizontal, que es el óptimo para las instalaciones más rentables. Existe la posibilidad de ajustar el ángulo ligeramente si el lugar lo requiere (para encajar en un espacio concreto, por ejemplo).
Los mejores tornillos de turbina hidráulica de Tornillo de Arquímedes tienen un funcionamiento de velocidad variable, lo que significa que la velocidad de rotación del tornillo puede aumentar o disminuir en función del caudal disponible en el río. Esto es mucho mejor que tener un tornillo de velocidad fija y variar el caudal a través de una esclusa automatizada, lo que genera grandes pérdidas de carga y afecta a la eficiencia global del sistema. Los tornillos de velocidad variable también son más silenciosos en su funcionamiento y no sufren el «contragolpe» en el extremo de descarga del tornillo.
A continuación se muestra una curva de eficiencia típica para un tornillo de Arquímedes de velocidad variable de buena calidad. Esta es la eficiencia mecánica, por lo que no incluye las pérdidas de la caja de cambios, el generador y el inversor (estos son aproximadamente el 15% en total). Hay que tener en cuenta que hay algunos proveedores de tornillos de Arquímedes que «sobrevenden» la eficiencia de los tornillos, por lo que hay que tener cuidado al comparar el rendimiento. Una menor eficiencia declarada puede no ser porque un tornillo en particular sea inferior; ¡podría ser simplemente que el proveedor es más honesto!
Curva típica de eficiencia de la turbina hidroeléctrica de tornillo de Arquímedes
Una turbina hidroeléctrica de tornillo de Arquímedes de buena calidad tiene una vida útil de 30 años, y esto se puede ampliar con una revisión importante que incluye volver a atar las aletas del tornillo.
Una ventaja significativa de una turbina hidráulica de tornillo de Arquímedes es su tolerancia a los desechos. Debido a las dimensiones relativamente grandes de las aletas del tornillo y a la baja velocidad de rotación, los residuos relativamente grandes pueden pasar sin obstáculos y sin dañar el tornillo, y ciertamente todos los residuos pequeños, como las hojas, pueden pasar sin ningún problema. Esto significa que no se necesitan cribas finas en la entrada del tornillo y que pueden arreglárselas con cribas de curso con una separación de barras de 100 o 150 mm. Esto conduce a cantidades relativamente modestas de acumulación de residuos en la pantalla de curso y elimina la necesidad de (costosos) limpiadores automáticos de pantalla de admisión que normalmente se requieren en los sistemas hidroeléctricos de baja altura.
Instalación del cuerpo del tornillo de Arquímedes
La baja velocidad de rotación y las grandes dimensiones de paso del flujo de los tornillos de la turbina hidráulica del tornillo de Arquímedes también permiten que los peces pasen aguas abajo a través del tornillo con relativa seguridad. Los tornillos de Arquímedes a menudo se promocionan como turbinas hidroeléctricas «respetuosas con los peces», lo que sin duda son, aunque en Renewables First diríamos que todos los sistemas hidroeléctricos deberían ser respetuosos con los peces, independientemente del tipo de turbina. En los sistemas hidroeléctricos que no son de tornillo, esto sólo significa que se necesitan pantallas de admisión bien diseñadas y pasos para peces. Tenga en cuenta que si se requiere un paso de peces aguas arriba en una turbina hidroeléctrica de tornillo de Arquímedes, se requerirá un paso de peces.
El lado de admisión de una instalación de tornillo de Arquímedes
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