Una aerobomba es un dispositivo impulsado por el viento que se utiliza para bombear agua .
Las bombas de viento se utilizaron para bombear agua al menos desde el siglo IX en lo que hoy es Afganistán , Irán y Pakistán . [1] El uso de bombas de viento se generalizó en todo el mundo musulmán y luego se extendió a China y la India . [2] Posteriormente, los molinos de viento se utilizaron ampliamente en Europa, particularmente en los Países Bajos y el área de East Anglia de Gran Bretaña , desde finales de la Edad Media en adelante, para drenar tierras con fines agrícolas o de construcción.
El trabajo de Simon Stevin en Waterstaet implicó mejoras en las esclusas y aliviaderos para controlar las inundaciones . Ya se utilizaban molinos de viento para bombear el agua, pero en Van de Molens ( Sobre los molinos ) sugirió mejoras, incluida la idea de que las ruedas se movieran lentamente y un mejor sistema para engranar los dientes de los engranajes . Estas mejoras aumentaron tres veces la eficiencia de los molinos de viento utilizados para bombear agua fuera de los pólderes . Recibió una patente por su innovación en 1586. [3]
En la Región de Murcia , España , se utilizaban molinos de viento de ocho a diez palas para elevar agua con fines de riego. [4] El motor del rotor del molino de viento bajaba a través de la torre y salía a través de la pared para hacer girar una gran rueda conocida como noria . La noria sostenía una cadena de cubos que colgaba hacia el pozo. Los cubos se fabricaban tradicionalmente de madera o arcilla. Estos molinos de viento permanecieron en uso hasta la década de 1950 y muchas de las torres todavía están en pie.
Los primeros inmigrantes al Nuevo Mundo trajeron consigo la tecnología de los molinos de viento de Europa. [5] En las granjas estadounidenses, particularmente en las Grandes Llanuras , se utilizaban bombas eólicas para bombear agua de los pozos agrícolas para el ganado. En California y algunos otros estados, el molino de viento era parte de un sistema de agua doméstico autónomo, que incluía un pozo excavado a mano y una torre de agua de secoya que sostenía un tanque de secoya y estaba rodeada por un revestimiento de secoya ( tanque de secoya ). La bomba eólica agrícola autorregulable fue inventada por Daniel Halladay en 1854. [5] [6] Con el tiempo, las palas y las torres de acero reemplazaron la construcción de madera y, en su apogeo, en 1930, se estimaba que se utilizaban unas 600.000 unidades, con una capacidad equivalente. a 150 megavatios. [7] En Australia, bombas eólicas muy grandes y ligeras hacen girar la bomba directamente con el rotor del molino de viento. El engranaje trasero adicional entre los rotores pequeños para áreas con mucho viento y la manivela de la bomba evita intentar empujar las varillas de la bomba hacia abajo en la carrera descendente más rápido de lo que pueden caer por gravedad. De lo contrario, bombear demasiado rápido hace que las varillas de la bomba se pandeen, lo que hace que el sello del prensaestopas tenga fugas y desgaste a través de la pared de la tubería principal ascendente (Reino Unido) o del tubo de bajada (EE. UU.), por lo que se pierde toda la producción.
La bomba eólica de múltiples palas o la turbina eólica situada encima de una torre de celosía hecha de madera o acero se convirtió, durante muchos años, en un elemento fijo del paisaje de toda la América rural. [8] Estos molinos, fabricados por diversos fabricantes, presentaban muchas aspas para que giraran lentamente con un par considerable con vientos moderados y se autorregularan con vientos fuertes. Una caja de cambios en la parte superior de la torre y un cigüeñal convertían el movimiento giratorio en golpes alternativos llevados hacia abajo a través de una varilla hasta el cilindro de la bomba que se encontraba debajo. Hoy en día, el aumento de los costos de la energía y la mejora de la tecnología de bombeo están aumentando el interés en el uso de esta tecnología que alguna vez estuvo en declive.
Los Países Bajos son bien conocidos por sus molinos de viento. La mayoría de estas estructuras icónicas situadas a lo largo del borde de los pólderes son en realidad bombas de viento, diseñadas para drenar la tierra. Estos son particularmente importantes ya que gran parte del país se encuentra bajo el nivel del mar .
En el Reino Unido, el término bomba de viento rara vez se utiliza y son más conocidos como molinos de viento de drenaje . Muchas de ellas se construyeron en The Broads y The Fens de East Anglia para drenar la tierra, pero desde entonces la mayoría de ellas han sido reemplazadas por bombas diésel o eléctricas. [9] Muchos de los molinos de viento originales todavía se encuentran en estado abandonado, aunque algunos han sido restaurados. [ cita necesaria ]
Las bombas de viento se utilizan ampliamente en el sur de África , Australia y en granjas y ranchos de las llanuras centrales y el suroeste de los Estados Unidos. En Sudáfrica y Namibia miles de aerobombas siguen funcionando. Estos se utilizan principalmente para proporcionar agua para uso humano, así como agua potable para grandes poblaciones de ovejas.
Kenia también se ha beneficiado del desarrollo africano de tecnologías de bombas de viento. A finales de la década de 1970, la ONG británica Intermediate Technology Development Group proporcionó apoyo de ingeniería a la empresa keniana Bobs Harries Engineering Ltd para el desarrollo de las bombas eólicas Kijito. Bobs Harries Engineering Ltd todavía fabrica las aerobombas Kijito y más de 300 de ellas están operativas en todo el este de África . [ cita necesaria ]
En muchas partes del mundo se utiliza una bomba de mecate junto con turbinas eólicas. Esta bomba, fácil de construir, funciona tirando de una cuerda anudada a través de una tubería (generalmente una simple tubería de PVC), lo que hace que el agua suba hacia la tubería. Este tipo de bomba se ha vuelto común en Nicaragua y otros lugares. [ cita necesaria ]
Para construir una aerobomba, el rotor de palas debe coincidir con la bomba. En el caso de las aerobombas no eléctricas, los rotores de alta solidez se utilizan mejor junto con bombas de desplazamiento positivo (de pistón), porque las bombas de pistón de simple efecto necesitan aproximadamente tres veces más torque para arrancarlas que para mantenerlas en funcionamiento. Los rotores de baja solidez, por otro lado, se utilizan mejor con bombas centrífugas , bombas de escalera de agua y bombas de cadena y lavadoras, donde el par que necesita la bomba para arrancar es menor que el necesario para funcionar a la velocidad de diseño. Los rotores de baja solidez se utilizan mejor si están destinados a impulsar un generador de electricidad; que a su vez puede impulsar la bomba. [10]
Las bombas eólicas de palas múltiples se pueden encontrar en todo el mundo y se fabrican en los Estados Unidos, Argentina, China, Nueva Zelanda, Sudáfrica y Australia. Comúnmente conocida en los EE. UU. y Canadá como "veleta" porque se comporta de manera muy similar a una veleta tradicional, moviéndose con la dirección del viento (pero también midiendo la velocidad del viento). La marca Butler agregó mejoras a la tecnología de las bombas de viento en 1897. 1898 y 1905 [11] Una bomba eólica de 4,8 m (16 pies) de diámetro puede levantar hasta 6,4 toneladas métricas (1600 galones estadounidenses) de agua por hora a una altura de 100 pies con un viento de 15 a 20 mph (24–32 km/h). [12] Sin embargo, necesitan un fuerte viento para arrancar, por lo que giran la manivela de la bomba de pistón. Las bombas eólicas requieren poco mantenimiento; normalmente sólo un cambio anual del aceite de la caja de cambios. [13] Se estima que todavía hay 60.000 bombas eólicas en uso en los Estados Unidos. Son particularmente atractivos para su uso en sitios remotos donde no hay energía eléctrica disponible y el mantenimiento es difícil de realizar. [14] Una aerobomba común de múltiples palas bombea útilmente con alrededor del 4% al 8% de la energía eólica anual que pasa por el área que barre [15] [16] Esta menor conversión se debe a una mala adaptación de la carga entre los rotores eólicos y los de carrera fija. bombas de pistón.
La principal característica de diseño de un rotor de múltiples palas es el "alto par de arranque", que es necesario para poner en marcha una bomba de pistón. Una vez iniciado, un rotor de múltiples palas funciona con una relación de velocidad punta demasiado alta y menos de su mejor eficiencia del 30%. [17] Por otro lado, los rotores eólicos modernos pueden funcionar con una eficiencia aerodinámica de más del 40% con una relación de velocidad punta más alta para un remolino más pequeño agregado y desperdiciado por el viento. [17] Pero necesitarían un mecanismo de carrera altamente variable en lugar de simplemente una bomba de manivela a pistón. [ cita necesaria ]
Un molino de viento de múltiples palas es un dispositivo mecánico con una bomba de pistón. Debido a que una bomba de pistón tiene una carrera fija, la demanda de energía de este tipo de bomba es proporcional únicamente a la velocidad de la bomba. Por otro lado, el suministro de energía de un rotor eólico es proporcional al cubo de la velocidad del viento. Debido a esto, un rotor eólico funciona a una velocidad excesiva (más velocidad de la necesaria), lo que produce una pérdida de eficiencia aerodinámica.
Una carrera variable igualaría la velocidad del rotor según la velocidad del viento, funcionando como un "generador de velocidad variable". El caudal de la aerobomba de carrera variable se puede aumentar dos veces, en comparación con las aerobombas de carrera fija a la misma velocidad del viento. [18]
Una bomba de pistón tiene una fase de succión muy ligera, pero la carrera ascendente es pesada y genera un gran contrapar en el rotor de arranque cuando la manivela está horizontal y ascendente. Un contrapeso en la manivela en la torre y guiñando con la dirección del viento puede al menos distribuir el par al descenso de la manivela. [ cita necesaria ]
Aunque las aerobombas de palas múltiples se basan en tecnología probada y se utilizan ampliamente, tienen los problemas fundamentales mencionados anteriormente y necesitan un mecanismo práctico de carrera variable. [ cita necesaria ]
Entre 1988 y 1990, se probó una bomba de viento de carrera variable en el Centro de Investigación Agrícola del USDA en Texas, basada en dos diseños patentados (Patente Don E. Avery #4.392.785, 1983 y Patente Elmo G. Harris #617.877, 1899). [18] Los sistemas de control de las bombas eólicas de carrera variable eran mecánicos e hidráulicos; sin embargo, esos experimentos no atrajeron la atención de ningún fabricante de aerobombas. Después de experimentos con esta aerobomba de carrera variable, la investigación se centró en los sistemas de bombeo de agua eólico-eléctricos; Todavía no existe ninguna bomba de viento de carrera variable comercial. [ cita necesaria ]
En Canadá se han desarrollado bombas de viento con aleteo con una carrera de bomba que varía fuertemente con la amplitud para absorber toda la potencia variable del viento y evitar que la pala se balancee demasiado más allá de la horizontal desde su posición media vertical. Son mucho más ligeras y utilizan menos material que las aerobombas de palas múltiples y pueden bombear eficazmente en regímenes de viento más ligeros. [19] [20]
Un ingeniero turco rediseñó la tecnología de la bomba de viento de carrera variable utilizando modernos equipos de control electrónico. La investigación comenzó en 2004, con apoyo gubernamental de I+D. Las primeras bombas eólicas comerciales de nueva generación se han diseñado después de diez años de I+D. El diseño de la bomba eólica de carrera variable de 30 kW incluye un moderno rotor eólico tipo Darrieus, contrapeso y tecnología de freno regenerativo. [21]
Usando una turbina eólica de eje vertical, se puede resolver la redirección del par de la turbina del eje horizontal al vertical, creando así una conexión de eje básica entre la turbina y la bomba. [22] La conexión directa puede producir una bomba eólica más eficiente. por ejemplo, combinar el sistema VAWP con un sistema de riego por goteo de alta presión (HP-VAWP) puede generar, con una optimización adecuada, una eficiencia dos o tres veces mayor que las bombas de viento tradicionales. [23]
En los Países Bajos , el tjasker es un molino de drenaje con aspas comunes conectadas a un tornillo de Arquímedes . Se utiliza para bombear agua en áreas donde solo se requiere una pequeña elevación. El eje del viento se asienta sobre un trípode que le permite girar. El tornillo de Arquímedes eleva el agua hasta un anillo colector, desde donde se conduce a una zanja situada a un nivel más alto, drenando así el terreno. [24]
En Tailandia, las aerobombas se construyen tradicionalmente según diseños chinos. Estas bombas están construidas con postes de bambú reforzados con alambre que llevan velas de tela o de estera de bambú; una bomba de paletas o una bomba de escalera de agua se fija a un rotor de palas tailandés. Se utilizan principalmente en salinas donde la elevación de agua requerida suele ser inferior a un metro. [25]
