Bomba de viento - Windpump
Una bomba de viento es un tipo de molino de 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 hoy 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 . 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 la charca implicó mejoras en las compuertas y aliviaderos para controlar las inundaciones . Los molinos de viento ya estaban en uso para bombear el agua, pero en Van de Molens ( En molinos ), sugirió mejoras, incluida la idea de que las ruedas deberían moverse 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 pólders . 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. La impulsión del rotor del molino de viento fue conducida hacia abajo a través de la torre y hacia atrás a través de la pared para hacer girar una gran rueda conocida como noria . La noria sostenía una cadena de cangilones que colgaba dentro del pozo. Los cubos se hacían 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. En las granjas estadounidenses, particularmente en las Grandes Llanuras , se utilizaron bombas eólicas para bombear agua de los pozos agrícolas para el ganado. En California y algunos otros estados, el molino de viento formaba 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 rodeada por un revestimiento de secuoya (casa de tanques ). La bomba de viento agrícola autorregulable fue inventada por Daniel Halladay en 1854. Eventualmente, las aspas de acero y las torres de acero reemplazaron la construcción de madera, y en su punto máximo en 1930, se estimaba que 600,000 unidades estaban en uso, con una capacidad equivalente a 150 megavatios. Bombas de viento muy grandes y ligeras en Australia accionan directamente la bomba con el rotor del molino de viento. El engranaje trasero adicional entre los rotores pequeños para áreas de mucho viento y la manivela de la bomba evita 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 pandeen, lo que hace que el sello de la caja de empaquetadura tenga fugas y se desgaste a través de la pared de la tubería principal ascendente (Reino Unido) o la tubería de bajada (EE. UU.), Por lo que se pierde toda la salida.
La bomba de viento de palas múltiples o la turbina eólica 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, tenían muchas palas 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 convirtieron el movimiento giratorio en golpes 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
El Holanda es conocida 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 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 fueron construidos 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 de motor diesel o eléctricas. Muchos de los molinos de viento originales todavía se encuentran en un estado abandonado, aunque algunos han sido restaurados. [necesita una cita]
Las bombas de viento se utilizan 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 poblaciones de ovejas.
Kenia también se ha beneficiado del desarrollo africano de tecnologías de bombas eólicas. A finales 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 de viento Kijito. Bobs Harries Engineering Ltd todavía fabrica las bombas de viento Kijito, y más de 300 de ellas están operando en toda África Oriental .
En muchas partes del mundo, se utiliza una bomba de cable junto con turbinas eólicas. Esta bomba fácil de construir funciona tirando de una cuerda anudada a través de una tubería (generalmente una tubería de PVC simple), lo que hace que el agua se introduzca en la tubería. Este tipo de bomba se ha vuelto común en Nicaragua y otros lugares.
Construcción
Para construir una bomba de viento, el rotor de palas debe adaptarse a la bomba. Con las bombas de viento 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 par 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.
Bombas de viento de palas múltiples
Las bombas de viento 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 una "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 Una bomba de viento de 16 pies (4,8 m) de diámetro puede levantar 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 a 32 km / h ). Sin embargo, necesitan un viento fuerte para comenzar, por lo que giran la manivela de la bomba de pistón. Las bombas eólicas requieren poco mantenimiento, por lo general solo un cambio de aceite de la caja de engranajes anualmente. Se estima que todavía se utilizan 60.000 bombas de viento en los Estados Unidos. Son particularmente atractivos para su uso en sitios remotos donde la energía eléctrica no está disponible y el mantenimiento es difícil de proporcionar. Una bomba de viento común de múltiples palas bombea de manera útil con alrededor del 4% al 8% de la energía eólica anual que pasa por el área que barre. Esta menor conversión se debe a una mala adaptación de la carga entre los rotores eólicos y las bombas de pistón de carrera fija.
Problemas fundamentales de las bombas de viento de palas múltiples
Rotor ineficiente
La principal característica de diseño de un rotor de palas múltiples es un "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 palas múltiples funciona a una relación de velocidad de punta demasiado alta por debajo de su máxima eficiencia del 30%. Por otro lado, los rotores eólicos modernos pueden operar con una eficiencia aerodinámica de más del 40% a una relación de velocidad de punta más alta para un remolino más pequeño agregado y desperdiciado por el viento. Pero necesitarían un mecanismo de carrera altamente variable en lugar de solo una manivela a una bomba de pistón.
Coincidencia de carga deficiente
Un molino de viento de palas múltiples 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 solo proporcional 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 de viento funciona a más de velocidad (más velocidad de la necesaria), produciendo una pérdida de eficiencia aerodinámica.
Una carrera variable coincidiría con la velocidad del rotor de acuerdo con la velocidad del viento, funcionando como un "generador de velocidad variable". El caudal de la bomba de viento de carrera variable se puede aumentar dos veces, en comparación con las bombas de viento de carrera fija a la misma velocidad del viento.
Variación cíclica de par
Una bomba de pistón tiene una fase de succión muy ligera, pero la carrera ascendente es pesada y pone un gran par de torsión en un rotor de arranque cuando la manivela está horizontal y ascendente. Un contrapeso en la manivela hacia arriba en la torre y guiñar con la dirección del viento puede al menos distribuir el par al descenso de la manivela.
Desarrollo de bombas de viento mejoradas
Aunque las bombas de viento 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.
Experimentos del USDA en Texas
Entre 1988 y 1990, se probó una bomba de viento de carrera variable en el USDA-Agriculture Research Center-Texas, basada en dos diseños patentados (Patente de Don E. Avery # 4.392.785, 1983 y Patente de Elmo G. Harris # 617.877, 1899). Los sistemas de control de las bombas de viento de carrera variable eran mecánicos e hidráulicos; sin embargo, esos experimentos no atrajeron la atención de ningún fabricante de bombas de viento. Después de experimentos con esta bomba de viento de carrera variable, la investigación se centró en los sistemas de bombeo de agua eólico-eléctricos; todavía no existe ninguna bomba de viento comercial de carrera variable.
Bombas de viento revoloteando
En Canadá se han desarrollado bombas de viento de aleteo con un golpe de bomba que varía fuertemente con la amplitud para absorber toda la potencia variable en el viento y evitar que la uniblade oscile demasiado más allá de la horizontal desde su posición media vertical. Son mucho más livianos y usan menos material que las bombas de viento de múltiples palas y pueden bombear de manera efectiva en regímenes de viento más livianos.
Bomba de viento de carrera variable
Un ingeniero turco rediseñó la tecnología de la bomba de viento de carrera variable utilizando un moderno equipo de control electrónico. La investigación comenzó en 2004, con el apoyo gubernamental de I + D. Las primeras bombas eólicas comerciales de carrera variable de nueva generación se han diseñado después de diez años de investigación y desarrollo. El diseño de la bomba de viento de carrera variable de 30 kW incluye un rotor eólico moderno tipo Darrieus, contrapeso y tecnología de freno regenerativo.
Bomba de viento de eje vertical (VAWP)
Utilizando una turbina eólica de eje vertical, se puede resolver la redirección del par de la turbina desde el eje horizontal al vertical, creando así una conexión básica del eje entre la turbina y la bomba. La conexión directa puede producir una bomba de viento 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 de viento tradicionales.
Combinaciones
Tjasker
En los Países Bajos , el tjasker es un molino de drenaje con velas comunes conectadas a un tornillo de Arquímedes . Se utiliza para bombear agua en áreas donde solo se requiere un pequeño ascensor. El eje del viento se asienta sobre un trípode que le permite girar. El tornillo de Arquímedes eleva el agua a un anillo colector, donde se extrae a una zanja en un nivel más alto, drenando así la tierra.
Bombas de viento tailandesas
En Tailandia, las bombas de viento se construyen tradicionalmente con diseños chinos de bombas de viento. Estas bombas están construidas con postes de bambú reforzados con alambre que transportan velas de tela o de estera de bambú; una bomba de paletas o bomba de cámara de agua está fijada a un rotor de palas tailandés. Se utilizan principalmente en salinas donde la elevación de agua necesaria suele ser inferior a un metro.
Ver también
- Tjasker en Wikipedia en holandés
- Turbina eólica
- Solidez de la hoja
- Bomba de bobina , otra bomba de uso frecuente
- Loeriesfontein, Northern Cape , donde hay un museo dedicado a los molinos de viento de bombeo de agua
- Aermotor Windmill Company , un fabricante estadounidense de bombas de viento