Evaluación de un diseño funcional de una turbina hidrocinética tipo H-Darrieus de 100 vatios como recurso de hidrogeneración en zonas no interconectadas

Abstract

En los últimos años la energía del flujo de agua se ha convertido en un recurso importante para la transformación y generación de energía eléctrica, esto ha promovido el desarrollo de dispositivos como las turbinas hidrocinéticas. Es así como en la familia de turbinas hidrocinéticas, aparece el modelo tipo H-Darrieus, la cual viene siendo estudiada para mejorar su desempeño, mediante métodos de dinámica de fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics – CFD) permitiendo así, el análisis de los parámetros que intervienen en su rendimiento. En el presente estudio, se llevó acabó la elaboración de una hoja de ruta para el desarrollo y modelamiento de una turbina hidrocinética tipo H-Darrieus. Los perfiles utilizados fueron el NACA 0018, 0025, 2415 y 4415 para valores de solidez desde 0.5 hasta 1.64. Además, se emplearon rotores de dimensiones de 900,733.6 y 597.8 mm. Posteriormente, se modelaron los rotores de la turbina en 2D, seguido de las simulaciones CFD con el fin de predecir la potencia generada por la turbina, evaluando la incidencia de la solidez, el tipo de perfil y diámetro del rotor en su rendimiento. Luego, los rotores modelados fueron evaluados estructuralmente con los materiales PA66, acero inoxidable y aleación de aluminio, para ello se hizo necesario modelarlos en 3D, con el fin de conocer la incidencia de la carga de presión que se ejerce sobre la estructura de los álabes. El perfil NACA 0018 alcanzó un coeficiente de potencia máximo de 0.606 con una solidez de 0.5, seguido del perfil NACA 2415 a la misma solidez alcanzó un Cp máximo de 0.594. Así mismo, el perfil NACA 0025 para una solidez de 1.0 alcanzó un valor máximo de Cp de 0.527, mientras que el perfil NACA 4415 con una solidez de 1.5 obtuvo un Cp máximo de 0.496. Los resultados de Cp máximos de los perfiles NACA 0018 y 2415 se dieron en un rango de TSR de 2 a 4 con un valor medio de 3.5. Es así como, el perfil NACA 0025 con solidez de 1.09 y 1.64 a alcanzo valores de Cp máximo de 0.49 y 0.31, mostrando que el aumento de la solidez en un rango mayor a 1.0 tienen una incidencia negativa en el Cp. Los resultados evidencian que los rotores de 900 mm de diámetro y solidez de 1 y 1.09 presentan mejores rendimientos, respecto a los resultados experimentales con los que el presente estudio se está comparando. Además, resultados estructurales mostraron que el momento crítico del sistema, se presenta en la posición a 270° del perfil A3, donde la carga de presión genera mayor esfuerzo en la estructura de la turbina. Aun así, el sistema no falla estructuralmente, lo que permite que el diseño sea funcional e independiente del material de fabricación. Por tanto, los rotores modelados cumplen con las características de rendimiento y funcionalidad