Aerobomba
Una bomba de viento es un tipo de molino de viento que se utiliza para bombear agua.
Las bombas eólicas se utilizaron para bombear agua desde al menos el siglo IX en lo que ahora es Afganistán, Irán y Pakistán. El uso de bombas de viento se generalizó en todo el mundo musulmán y luego se extendió a China e India. Más tarde, 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 el waterstaet implicó mejoras en las esclusas y aliviaderos para controlar las inundaciones. Los molinos de viento ya estaban en uso para bombear el agua, pero en Van de Molens (On mills), sugirió mejoras, incluida la idea de que las ruedas deberían moverse lentamente y un mejor sistema para el engrane de los dientes del engranaje. Estas mejoras aumentaron tres veces la eficiencia de los molinos de viento utilizados para bombear agua fuera de los pólderes. Recibió una patente sobre su innovación en 1586.
En la Región de Murcia, España, se utilizaron molinos de viento de ocho a diez palas para elevar el agua con fines de riego. El impulso del rotor del molino de viento se condujo 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 hasta el pozo. Los cubos se hacían tradicionalmente de madera o arcilla. Estos molinos de viento se mantuvieron en uso hasta la década de 1950 y muchas de las torres siguen en pie.
Los primeros inmigrantes del Nuevo Mundo trajeron consigo la tecnología de los molinos de viento de Europa. En las granjas estadounidenses, particularmente en las Grandes Llanuras, se usaban bombas eólicas para bombear agua de los pozos de las granjas 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 soportaba un tanque de secoya y estaba encerrado por un revestimiento de secoya (tanque). La bomba eólica agrícola autorregulada fue inventada por Daniel Halladay en 1854. Con el tiempo, las palas de acero y las torres de acero reemplazaron la construcción de madera, y en su apogeo en 1930, se estimaba que 600 000 unidades estaban en uso, con una capacidad equivalente a 150 megavatios. Las bombas eólicas muy grandes y livianas 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 de mucho viento y la manivela de la bomba evitan tratar de 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 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 salida.
La bomba de viento de múltiples aspas o la turbina de viento sobre una torre de celosía hecha de madera o acero se convirtió, durante muchos años, en un elemento fijo del paisaje en toda la América rural. Estos molinos, fabricados por una variedad de fabricantes, presentaban muchas aspas para que giraran lentamente con un par considerable en vientos moderados y se autorregularan con vientos fuertes. Una caja de engranajes y un cigüeñal en la parte superior de la torre convirtieron el movimiento giratorio en movimientos alternativos llevados hacia abajo a través de una varilla hasta el cilindro de la bomba que se encuentra debajo. Hoy en día, el aumento de los costos de la energía y la tecnología de bombeo mejorada están aumentando el interés en el uso de esta tecnología que alguna vez estuvo en declive.
Uso mundial
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 aerobombas, diseñadas para drenar la tierra. Estos son particularmente importantes ya que gran parte del país se encuentra por debajo del nivel del mar.
En el Reino Unido, el término bomba de viento rara vez se usa, y son más conocidos como molinos de viento de drenaje. Muchos de estos se construyeron en The Broads y The Fens de East Anglia para el drenaje de la tierra, pero la mayoría de ellos han sido reemplazados desde entonces por bombas diesel o eléctricas. Muchos de los molinos de viento originales aún se encuentran en estado de abandono, aunque algunos han sido restaurados.
Las bombas eólicas se usan ampliamente en el sur de África, Australia y en granjas y ranchos en las llanuras centrales y el suroeste de los Estados Unidos. En Sudáfrica y Namibia, todavía funcionan miles de bombas de viento. Estos se utilizan principalmente para proporcionar agua para uso humano, así como agua potable para grandes rebaños de ovejas.
Kenia también se ha beneficiado del desarrollo africano de tecnologías de bombas eólicas. A fines de la década de 1970, la ONG británica Intermediate Technology Development Group brindó apoyo de ingeniería a la empresa keniana Bobs Harries Engineering Ltd para el desarrollo de las bombas eólicas Kijito. Bobs Harries Engineering Ltd sigue fabricando aerobombas Kijito, y más de 300 de ellas están en funcionamiento en toda África Oriental.
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 (por lo general, una tubería simple 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.
Construcción
Para construir una bomba eólica, el rotor de palas debe coincidir con la bomba. Con las bombas eólicas no eléctricas, los rotores de alta solidez se utilizan mejor junto con las bombas de desplazamiento positivo (pistón), porque las bombas de pistón de acción simple necesitan aproximadamente tres veces más torque para arrancar 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 de lavado, donde el par de torsión 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.
Eólicas multipala
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 conocido en los EE. UU. y Canadá como "veleta" porque se comporta como 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. La bomba puede elevar hasta 1600 galones estadounidenses (alrededor de 6,4 toneladas métricas) de agua por hora a una altura de 100 pies con un viento de 15 a 20 mph (24 a 32 km/h). 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, generalmente solo un cambio de aceite de la caja de cambios anualmente. Se estima que 60,000 bombas eólicas todavía están 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 proporcionar. Una bomba eólica de palas múltiples común bombea de manera útil con alrededor del 4% al 8% de la energía eólica anual que pasa a través del área que barre. Esta conversión más baja se debe a una mala coincidencia de carga entre los rotores eólicos y las bombas de pistón de carrera fija.
Problemas fundamentales de las aerobombas multipala
Rotor ineficiente
La principal característica de diseño de un rotor de palas múltiples es el "par de arranque alto", que es necesario para arrancar una bomba de pistón. Una vez arrancado, un rotor de palas múltiples funciona a una velocidad de punta demasiado alta a menos de su mejor eficiencia del 30 %. Por otro lado, los rotores eólicos modernos pueden operar con una eficiencia aerodinámica de más del 40 % con una relación de velocidad máxima más alta para un remolino más pequeño que se agrega y desperdicia al viento. Pero necesitarían un mecanismo de carrera altamente variable en lugar de solo una bomba de manivela a pistón.
Coincidencia de carga deficiente
Un molino de viento de múltiples aspas 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. Por eso, un rotor de viento funciona a una velocidad excesiva (más velocidad de la necesaria), lo que genera una pérdida de eficiencia aerodinámica.
Una carrera variable coincidiría con la velocidad del rotor según la velocidad del viento, funcionando como un "generador de velocidad variable". El caudal de la bomba eólica de carrera variable se puede aumentar dos veces, en comparación con las bombas eólicas de carrera fija con la misma velocidad del viento.
Variación del par cíclico
Una bomba de pistón tiene una fase de succión muy ligera, pero la carrera ascendente es pesada y genera un gran par de torsión en el rotor de arranque cuando el cigüeñal está en posición horizontal y ascendente. Un contrapeso en la manivela hacia arriba en la torre y guiñando con la dirección del viento puede al menos distribuir el par al descenso de la manivela.
Desarrollo de aerobombas mejoradas
Aunque las bombas eólicas de palas múltiples se basan en tecnología comprobada y se usan ampliamente, tienen los problemas fundamentales mencionados anteriormente y necesitan un mecanismo práctico de carrera variable.
Experimentos del USDA en Texas
Entre 1988 y 1990, se probó una aerobomba de carrera variable en el USDA-Agriculture Research Center-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). Los sistemas de control de las bombas eólicas de carrera variable eran mecánicos e hidráulicos; sin embargo, esos experimentos no llamaron la atención de ningún fabricante de aerobombas. Después de experimentar con esta aerobomba de carrera variable, la investigación se centró en los sistemas de bombeo de agua eólico-eléctricos; Todavía no existe una bomba de viento comercial de carrera variable.
Bombas de viento que revolotean
En Canadá se han desarrollado aerobombas de aleteo con una carrera de bomba que varía mucho con la amplitud para absorber toda la potencia variable del viento y evitar que la pala única oscile 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 de forma eficaz en regímenes de vientos más ligeros.
Eólica de carrera variable
Un ingeniero turco rediseñó la tecnología de aerobombas de carrera variable mediante el uso de modernos equipos de control electrónico. La investigación comenzó en 2004, con apoyo gubernamental de I+D. Las primeras bombas eólicas comerciales de carrera variable de nueva generación se han diseñado después de diez años de I+D. El diseño de la aerobomba de carrera variable de 30 kW incluye un moderno rotor eólico tipo Darrieus, contrapeso y tecnología de frenado regenerativo.
Bomba eólica de eje vertical (VAWP)
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. 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.
Combinaciones
Tjasker
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 pivotar. El tornillo de Arquímedes eleva el agua a un anillo colector, donde se extrae hacia una zanja en un nivel más alto, drenando así la tierra.
Bombas eólicas tailandesas
En Tailandia, las bombas de viento se construyen tradicionalmente sobre diseños de bombas de viento chinos. Estas bombas están construidas con 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 tailandesas. Se utilizan principalmente en salinas donde la elevación de agua necesaria suele ser inferior a un metro.