Diseño de una turbina micro hidrocinética para canales de riego

Abstract

Small-scale hydropower (micro and pico-hydroelectric) is a promising technology that combines economic accessibility and environmental sustainability, particularly relevant for rural areas with limited access to conventional energy sources. Its ability to generate electricity from low-velocity flows in irrigation canals offers a key opportunity to reduce dependence on fossil fuels, improve local quality of life, and promote sustainable development. This research designed and evaluated a hydrokinetic turbine tailored to the characteristics of the irrigation canal from the “Centenario de la Revolución Francisco J. Múgica” dam in Michoacán, Mexico. The methodology included estimating hydraulic energy availability through the Flow Duration Curve, designing a diffuser-duct to maximize flow velocity, and optimizing the rotor using the Blade Element Momentum (BEM) theory. Results demonstrated that the proposed design increased flow velocity by 60% and hydraulic energy availability by 43.15 %. The mechanical energy extracted was converted into electricity using a permanent magnet synchronous generator (PMSG) coupled with a speed multiplier system, achieving a total efficiency of 78.53 %. This generated 4,444.15 kWh annually, sufficient to meet basic electrification needs in rural communities and support agricultural operations. This research highlights the potential of irrigation canals as low-cost renewable energy sources, promoting accessible and low-maintenance technological solutions for rural populations.

La micro o también pico energía hidroeléctrica es una tecnología prometedora que combina accesibilidad económica y sostenibilidad ambiental, particularmente relevante para zonas rurales con acceso limitado a fuentes de energía convencionales. Su capacidad para generar electricidad partiendo de flujos de velocidad baja en canales de riego representa una oportunidad clave para reducir la dependencia de combustibles fósiles, mejorar la de vida de las comunidades aisladas y promover el desarrollo. En esta investigación se diseñó y evaluó una turbina hidrocinética adaptada a las características del canal de riego que parte de la presa Centenario de la Revolución Francisco J. Múgica en Michoacán, México. La metodología incluyó la estimación de la energía hidráulica disponible mediante la Curva de Duración de Flujo, el diseño de una tobera-difusor para maximizar la velocidad del flujo, y la optimización del rotor utilizando la Teoría de Momentum del Elemento de Pala (BEM). Los resultados indicaron que, con el diseño propuesto, fue posible incrementar la velocidad del flujo en un 60% y la energía hidráulica disponible en un 43.15 %. La energía mecánica extraída se convirtió en electricidad mediante un generador síncrono de imanes permanentes (PMSG) acoplado a un sistema multiplicador de velocidades, alcanzando una eficiencia total del 78.53 %. Esto resultó en una generación anual de 4,444.15 kWh, suficiente para cubrir necesidades básicas de electrificación en comunidades rurales y operaciones agrícolas. Esta investigación evidencia el potencial de los canales de riego como fuentes de energía renovable de bajo costo, promoviendo soluciones tecnológicas accesibles y de bajo mantenimiento para poblaciones rurales.