Optimización del rendimiento aerodinámico de la turbina eólica en espiral de Arquímedes: análisis experimental y CFD combinado de los efectos de la relación de paso y el número de palas

Por qué importa un nuevo tipo de turbina eólica

Mientras las ciudades buscan energía más limpia, la energía eólica parece una opción obvia. Sin embargo, las turbinas altas de tres palas comunes en campos abiertos tienen dificultades en entornos urbanos densos, donde el viento es más lento, caótico y cambia de dirección continuamente. Este artículo explora una máquina distinta: la turbina eólica en espiral de Arquímedes, con forma de concha espiralada. Los investigadores plantean una pregunta práctica: ¿cómo deben ajustarse la geometría espiral de esta turbina y el número de palas para que funcione de manera eficiente y fiable en vientos urbanos reales y de baja velocidad?

Una turbina en espiral diseñada para vientos urbanos

La turbina eólica en espiral de Arquímedes (ASWT) es una turbina compacta de eje horizontal cuyas palas envuelven el eje central en una espiral suave, en lugar de extenderse rectas hacia afuera. Esta forma le permite captar el viento desde muchas direcciones y comenzar a girar incluso cuando las rachas son débiles e inestables —condiciones típicas entre edificios. No obstante, el mismo diseño en espiral y multi-pala que ayuda a bajas velocidades también puede aumentar la resistencia aerodinámica y las cargas estructurales, limitando la eficiencia máxima. El estudio se centra en encontrar un punto óptimo en el que la turbina arranque con facilidad y funcione de forma estable, pero convierta la mayor parte posible de la energía del viento en potencia útil.

Ajustando la forma de la espiral

Una característica clave del diseño es la rapidez con la que la espiral «se desenrolla» a lo largo del eje, controlada por dos longitudes denominadas Paso 1 y Paso 2. Su relación (S1/S2) determina si las palas están más curvadas o más estiradas. Para estudiar esto sin mezclar otros efectos, el equipo mantuvo el tamaño y las proporciones generales del rotor fijos, cambiando solo S1/S2 en seis versiones. Construyeron modelos 3D, realizaron simulaciones detalladas del flujo de aire y luego probaron modelos físicos correspondientes en un túnel de viento a velocidades realistas entre 5 y 10 metros por segundo. Todas las versiones alcanzaron su mejor rendimiento en un régimen rotacional similar, pero una configuración de rango medio (denominada PR-5) destacó claramente, logrando la mayor potencia al guiar el aire con más suavidad a lo largo de la pala sin provocar una resistencia excesiva.

Encontrar el número adecuado de palas

Con la forma espiral fijada en ese ajuste óptimo, los investigadores examinaron a continuación cuántas palas debería tener la turbina: probando configuraciones de dos, tres, cuatro, cinco y seis palas. Más palas ofrecen una mayor superficie para que el viento empuje, lo que ayuda a que la turbina arranque a bajas velocidades y produzca un par estable. Pero añadir demasiadas palas también engrosa el rotor, incrementando la turbulencia y la fricción en el aire, lo que puede consumir eficiencia cuando gira más rápido. Las simulaciones y las medidas en túnel mostraron un patrón claro: la versión de tres palas ofreció el mejor equilibrio global, alcanzando un coeficiente de potencia máximo de aproximadamente 0,264 a una relación de velocidad de punta moderada, mientras que las versiones con más palas sufrieron por la resistencia añadida y estelas desordenadas detrás del rotor. El modelo de dos palas rindió algo mejor a velocidades de rotación más altas, pero era menos eficaz con vientos bajos.

Mirando dentro del flujo

Para entender por qué surgen estas diferencias, el equipo examinó mapas detallados de presión y velocidad alrededor de las palas. En el diseño de tres palas más exitoso, el aire se aceleraba de forma uniforme en el lado de succión de cada pala y se desaceleraba en el lado opuesto, creando una fuerte y uniforme diferencia de presión que impulsa la rotación. La estela detrás de la turbina permanecía compacta y relativamente ordenada, señal de una extracción eficiente de energía con turbulencia moderada. En contraste, el rotor de dos palas mostró una carga más débil y parcheada, mientras que los rotores de cinco o seis palas producían zonas de presión superpuestas y estelas anchas y lentas —señales de que el aire estaba siendo sobrecargado y gran parte del área adicional de las palas en realidad estorbaba en lugar de ayudar.

Qué significa esto para la energía eólica urbana

En términos cotidianos, el estudio demuestra que la turbina en espiral de Arquímedes puede ajustarse para funcionar bien donde las turbinas convencionales de torre alta tienen dificultades: en vientos urbanos bajos y variables. Al fijar con cuidado la rapidez con la que la espiral se abre (la relación S1/S2) y elegir una disposición de tres palas, los diseñadores pueden lograr un rotor compacto que arranque con facilidad, funcione con estabilidad y convierta una parte respetable de la energía del viento en electricidad —sin sistemas complejos de orientación. Aunque su eficiencia máxima sigue siendo inferior a la de las grandes turbinas de campo, este diseño espiral optimizado ofrece una opción prometedora para azoteas y energía distribuida a pequeña escala, y proporciona una base sólida para futuros refinamientos en forma, estructura y materiales.

Cita: Faisal, A.E., Lim, C.W., Al-Quraishi, B.A.J. et al. Aerodynamic performance optimization of the archimedes spiral wind turbine: combined experimental and CFD analysis of step ratio and blade number effects. Sci Rep 16, 13455 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43165-9

Palabras clave: turbina eólica urbana, rotor en espiral de Arquímedes, optimización del número de palas, dinámica de fluidos computacional, energía eólica a pequeña escala