Estudio experimental y numérico de una turbina horizontal de tres aspas en un túnel de viento

Resumen

La generación de electricidad a partir de fuentes renovables es fundamental para el desarrollo sustentable y resulta particularmente crítica en regiones afectadas por la pobreza energética. En este contexto, las turbinas eólicas de microescala representan una alternativa viable para la electrificación de comunidades rurales aisladas. En este estudio se evalúa, de manera experimental y numérica, el desempeño de una turbina eólica de eje horizontal y tres aspas, diseñada para operar bajo condiciones controladas en un túnel de viento. La turbina fue fabricada mediante impresión 3D y evaluada en el túnel de viento de la Universidad Autónoma Metropolitana–Azcapotzalco, México. Se realizaron simulaciones numéricas en estado estacionario en ANSYS Fluent utilizando el modelo de turbulencia k-ω SST. El dominio computacional se discretizó con elementos poliédricos y hexaédricos bajo condiciones rotacionales de Marco de Referencia Múltiple (MRF). Se llevó a cabo un análisis de independencia de malla basado en el torque numérico, obteniéndose una malla óptima de 2,191,718 elementos. Posteriormente, el modelo numérico fue validado con datos experimentales, mostrando una desviación promedio de torque del 9.27%. La visualización del flujo mediante líneas de corriente y contornos de magnitud de velocidad reveló la presencia de vórtices no deseados en la región de la veleta, los cuales indujeron inestabilidad del flujo y vibraciones mecánicas en el diseño actual. Estos efectos deberán mitigarse en futuras mejoras de diseño. La curva de eficiencia de la turbina se obtuvo a partir de mediciones de potencia eléctrica bajo diferentes cargas resistivas, ajustadas mediante un tablero de resistencias con focos, a una velocidad del túnel de viento de 18.19 m/s. La eficiencia máxima alcanzada fue del 24%, correspondiente a una potencia generada de 15.2 W a una velocidad de rotación de la turbina de 3224 RPM. Los resultados validan el modelo CFD propuesto y proporcionan una base sólida para la optimización futura del diseño de sistemas eólicos de microescala con aplicaciones rurales.