Una bomba de viento es un dispositivo impulsado por el viento que se utiliza para bombear agua .
Las bombas de viento se utilizaron para bombear agua desde al menos el siglo IX en lo que ahora 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 e India . [2] Los molinos de viento se utilizaron más tarde 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 la tierra con fines agrícolas o de construcción.
El trabajo de Simon Stevin en el estado del agua implicó mejoras en las compuertas y aliviaderos para controlar las inundaciones . Los molinos de viento ya se utilizaban para bombear el agua, pero en Van de Molens ( Sobre los molinos ), sugirió mejoras, incluida la idea de que las ruedas debían moverse lentamente y un mejor sistema para engranar los dientes de los engranajes . Estas mejoras aumentaron la eficiencia de los molinos de viento utilizados para bombear agua fuera de los pólderes en tres veces. 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 extraer agua para riego. [4] El motor del rotor del molino de viento se conducía hacia abajo a través de la torre y de regreso a través de la pared para hacer girar una gran rueda conocida como noria . La noria sostenía una cadena de cangilones que colgaba hacia el pozo. Los cangilones estaban hechos tradicionalmente de madera o arcilla. Estos molinos de viento permanecieron en uso hasta la década de 1950, y muchas de las torres aún están en pie.
Los primeros inmigrantes del Nuevo Mundo trajeron consigo la tecnología de los molinos de viento de Europa. [5] En las granjas de Estados Unidos, particularmente en las Grandes Llanuras , se usaban bombas de viento 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 secuoya que sostenía un tanque de secuoya y estaba encerrado por un revestimiento de secuoya ( tanque ). La bomba de viento agrícola autorregulable fue inventada por Daniel Halladay en 1854. [5] [6] Con el tiempo, las palas de acero y las torres de acero reemplazaron la construcción de madera y, en su apogeo en 1930, se estima que estaban en uso 600.000 unidades, con una capacidad equivalente a 150 megavatios. [7] Las bombas de viento muy grandes y ligeras en Australia hacen girar directamente la bomba con el rotor del molino de viento. El engranaje de retroceso adicional entre los rotores pequeños para áreas con mucho viento y la manivela de la bomba evita que se intente 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 doblen, lo que hace que el sello de la caja de empaquetadura tenga fugas y desgaste la pared de la tubería de subida (Reino Unido) o la tubería de bajada (EE. UU.), por lo que se pierde toda la potencia.
La bomba de viento o turbina eólica de múltiples aspas sobre 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 una variedad de fabricantes, tenían muchas aspas para que giraran lentamente con un par considerable en vientos moderados y se autorregularan en vientos fuertes. Una caja de cambios y un cigüeñal en la parte superior de la torre convertían el movimiento rotatorio en carreras recíprocas que se transmitían 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 famosos por sus molinos de viento. La mayoría de estas emblemáticas estructuras situadas a lo largo de los pólderes son en realidad bombas de viento diseñadas para drenar la tierra. Son especialmente importantes porque gran parte del país se encuentra por debajo del nivel del mar .
En el Reino Unido, el término aerobomba se utiliza muy poco y se conocen mejor como molinos de drenaje . Muchos de ellos se construyeron en The Broads y The Fens de East Anglia para drenar la tierra, pero la mayoría de ellos han sido reemplazados por bombas alimentadas por diésel o electricidad. [9] Muchos de los molinos de viento originales todavía se encuentran en estado de abandono, aunque algunos han sido restaurados. [ cita requerida ]
Las bombas eólicas 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 bombas eólicas siguen funcionando. Se utilizan principalmente para proporcionar agua para consumo humano, así como para beber a grandes rebaños de ovejas.
Kenia también se ha beneficiado del desarrollo africano de las tecnologías de aerogeneradores. A finales de los años 70, la ONG británica Intermediate Technology Development Group proporcionó apoyo de ingeniería a la empresa keniana Bobs Harries Engineering Ltd para el desarrollo de los aerogeneradores Kijito. Bobs Harries Engineering Ltd sigue fabricando los aerogeneradores Kijito y hay más de 300 de ellos en funcionamiento en todo el este de África . [ cita requerida ]
En muchas partes del mundo, se utilizan bombas de cuerda junto con turbinas eólicas. Esta bomba, fácil de construir, funciona tirando de una cuerda anudada a través de un tubo (normalmente un tubo de PVC sencillo) y haciendo que el agua suba hasta el interior del tubo. Este tipo de bomba se ha vuelto común en Nicaragua y otros lugares. [ cita requerida ]
Para construir una bomba eólica, el rotor de paletas debe coincidir con la bomba. En el caso de las bombas eólicas no eléctricas, los rotores de alta solidez se utilizan mejor junto con bombas de desplazamiento positivo (pistón), porque las bombas de pistón de simple efecto necesitan aproximadamente tres veces más torque para arrancarlas que para mantenerlas en funcionamiento. Por otro lado, los rotores de baja solidez se utilizan mejor con bombas centrífugas , bombas de escalera de agua y bombas de cadena y de lavado, donde el torque 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 múltiples aspas se pueden encontrar en todo el mundo y se fabrican en Estados Unidos, Argentina, China, Nueva Zelanda, Sudáfrica y Australia. Comúnmente conocidas en Estados Unidos y Canadá como "veleta" porque se comportan 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 eólicas en 1897, 1898 y 1905 [11] Una bomba eólica de 16 pies (4,8 m) de diámetro puede elevar hasta 1600 galones estadounidenses (aproximadamente 6,4 toneladas métricas) 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 viento fuerte para arrancar, por lo que hacen girar la manivela de la bomba de pistón. Las bombas eólicas requieren poco mantenimiento, generalmente solo un cambio de aceite de la caja de cambios al año. [13] Se estima que todavía se utilizan 60.000 bombas eólicas en los Estados Unidos. Son particularmente atractivas para su uso en sitios remotos donde no hay energía eléctrica disponible y es difícil realizar mantenimiento. [14] Una bomba eólica común de múltiples aspas bombea de manera útil con aproximadamente el 4%–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 las bombas de pistón de carrera fija.
La característica principal del 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 que se pone en marcha, un rotor de múltiples palas funciona a una relación de velocidad de punta demasiado alta y con una eficiencia inferior a la óptima 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 de punta más alta para un remolino más pequeño que se agrega y se desperdicia en el viento. [17] Pero necesitarían un mecanismo de carrera altamente variable en lugar de solo una bomba de pistón y manivela. [ cita requerida ]
Un molino de viento de múltiples palas es un dispositivo mecánico con una bomba de pistón. Debido a que una bomba de pistón tiene un recorrido fijo, 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 eso, un rotor eólico funciona a una velocidad superior a la necesaria, lo que produce una pérdida de eficiencia aerodinámica.
Un motor de carrera variable haría coincidir la velocidad del rotor con la velocidad del viento, funcionando como un "generador de velocidad variable". El caudal de una aerobomba de carrera variable se puede incrementar 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 aplica un gran par de torsión en el rotor de arranque cuando la manivela está horizontal y asciende. Un contrapeso en la manivela hacia arriba en la torre y que gire en la dirección del viento puede al menos distribuir el par de torsión hacia el descenso de la manivela. [ cita requerida ]
Aunque las bombas eólicas de múltiples palas se basan en tecnología probada y se utilizan ampliamente, tienen los problemas fundamentales mencionados anteriormente y necesitan un mecanismo práctico de carrera variable. [ cita requerida ]
Entre 1988 y 1990, se probó una bomba eólica de carrera variable en el Centro de Investigación Agrícola del USDA en Texas, basada en dos diseños patentados (Patente de Don E. Avery n.° 4.392.785, 1983 y Patente de Elmo G. Harris n.° 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 bombas eólicas. Después de los experimentos con esta bomba eólica de carrera variable, la investigación se centró en sistemas de bombeo de agua eólico-eléctricos; todavía no existe ninguna bomba eólica de carrera variable comercial. [ cita requerida ]
En Canadá se han desarrollado aerobombas con un recorrido de bombeo que varía considerablemente con la amplitud para absorber toda la potencia variable del viento y evitar que la pala única se desplace 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 las bombas eólicas de carrera variable utilizando un equipo de control electrónico moderno. La investigación comenzó en 2004, con apoyo gubernamental de I+D. Tras diez años de I+D, se han diseñado las primeras bombas eólicas de carrera variable de nueva generación comerciales. El diseño de la bomba eólica de carrera variable de 30 kW incluye un rotor eólico moderno tipo Darrieus, contrapeso y tecnología de freno regenerativo. [21]
Utilizando 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 básica del eje entre la turbina y la bomba. [22] La conexión directa puede producir una bomba eólica más eficiente. Por ejemplo, la combinación del sistema VAWP con un sistema de riego por goteo de alta presión (HP-VAWP) puede conducir, con la optimización adecuada, a una eficiencia dos o tres veces mayor que las bombas eólicas 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 zonas donde solo se necesita una pequeña elevación. El eje del molino se asienta sobre un trípode que le permite pivotar. El tornillo de Arquímedes eleva el agua hasta un anillo colector, desde donde se extrae hasta una zanja a un nivel superior, drenando así el terreno. [24]
En Tailandia, las bombas eólicas se construyen tradicionalmente según los diseños de las bombas eólicas chinas. Estas bombas se construyen a partir de postes de bambú reforzados con alambre que llevan velas de tela o estera de bambú; una bomba de paletas o una bomba de escalera de agua se fija a un rotor de paletas tailandés. Se utilizan principalmente en salinas donde la elevación de agua necesaria es típicamente inferior a un metro. [25]
