Análisis Fluido-Estructura Comparativo de Turbinas H-Darrieus con Winglets y Darrieus-Savonius Híbrida

Abstract

Las turbinas eólicas han emergido como una alternativa clave para la transición energética, pero los diseños comerciales eficaces suelen exigir velocidades de viento superiores a 10 [m/s] o presentan estructuras masivas poco compatibles con entornos urbanos o rurales. Para cubrir la brecha de velocidades moderadas, la academia ha propuesto conceptos innovadores que aún carecen de validación integral. Se identificaron, caracterizaron y compararon dos prototipos de turbina de eje vertical optimizados para una velocidad de 5 [m/s]: (i) una turbina híbrida Darrieus-Savonius y (ii) una turbina H-Darrieus con aletas tipo winglet. El estudio integró un acoplamiento fluido-estructura: las cargas aerodinámicas transitorias obtenidas mediante dinámica de fluidos computacional se aplicaron en un análisis estructural no lineal para evaluar tensiones equivalentes de von Mises, desplazamientos y frecuencias naturales durante el régimen estacionario y el arranque. Ambos modelos alcanzaron coeficientes aerodinámicos característicos (coeficiente de arrastre 0.88, coeficiente de sustentación 1.25 y coeficiente de potencia 0.31). Estructuralmente, las tensiones máximas fueron de aproximadamente 38 [MPa], menos de la mitad del límite elástico del aluminio 6061-T6 (95 [MPa]), lo que arroja factores de seguridad mayores que 2.1 y deformaciones angulares menores que 0.2 [°]. La primera frecuencia natural se mantuvo por encima de 11 [Hz], separada del rango operativo de 0 a 6 [Hz], evitando la resonancia. La configuración H-Darrieus con winglets mostró un 8 % menos de tensiones pico y un aumento del 12 % en el coeficiente de potencia respecto a la turbina híbrida. El análisis fluido-estructural confirma que la turbina H-Darrieus con winglets ofrece mejor desempeño aerodinámico y adecuada integridad mecánica para vientos bajos, constituyéndose en una opción prometedora para generación distribuida en entornos con recursos eólicos limitados.