Practical Action/Windpumps/es

Una aerobomba es un molino de viento que se utiliza para bombear agua, ya sea como fuente de agua dulce de pozos o para drenar terrenos bajos. Antiguamente un elemento común en granjas de zonas semiáridas, las aerobombas se siguen utilizando donde no hay electricidad disponible o es demasiado cara.

La primera mitad del siglo XX presenció un mayor desarrollo, en particular la tendencia hacia las turbinas eólicas de hélice para la producción de electricidad. Para la década de 1920, solo en Estados Unidos se utilizaban 6 millones de aerogeneradores, y su fabricación y uso se habían generalizado en todos los continentes. Sin embargo, el auge del aerogenerador duró poco. Con la llegada de los combustibles fósiles baratos en las décadas de 1950 y 1960 y el desarrollo de la tecnología de bombeo, el aerogenerador quedó prácticamente obsoleto en Estados Unidos.

En varios países en desarrollo, existen fabricantes que producen aerobombas. Sin embargo, la adopción de máquinas eólicas para bombear agua ha sido, en general, muy lenta, a pesar de que la tecnología se adapta bien a la demanda de muchas regiones de África, Asia y América Latina.

Historial

La tecnología eólica se remonta a muchos siglos atrás. Existen afirmaciones históricas que indican que las máquinas de viento que aprovechan la energía del viento se remontan a la época de los antiguos egipcios. Herón de Alejandría utilizó un sencillo molino de viento para alimentar un órgano, mientras que el emperador babilónico Hammurabi los empleó para un ambicioso proyecto de irrigación ya en el siglo XVII a. C. Los persas construyeron molinos de viento en el siglo VII d. C. para la molienda y el riego, y aún hoy se pueden encontrar en la región molinos rústicos similares a estos primeros diseños de eje vertical. En Europa, los primeros molinos de viento se observaron mucho más tarde, probablemente introducidos por los ingleses a su regreso de las cruzadas en Oriente Medio o posiblemente trasladados al sur de Europa por los musulmanes tras su conquista de la Península Ibérica. Fue en Europa donde se produjo gran parte del desarrollo técnico posterior. A finales del siglo XIII se desarrolló el típico «molino de viento europeo», que se convirtió en la norma hasta que se introdujeron nuevos avances durante el siglo XVIII. A finales del siglo XIX había más de 30.000 molinos de viento en Europa, utilizados principalmente para moler cereales y bombear agua.

La primera mitad del siglo XX presenció un mayor desarrollo, en particular la tendencia hacia los aerogeneradores de hélice para la producción de electricidad. Sin embargo, los mayores avances en el diseño de la aerobomba se produjeron en Estados Unidos. La tecnología fue adoptada y desarrollada por los primeros pioneros o colonos que necesitaban un método para extraer agua subterránea para riego, abrevar al ganado y, posteriormente, para abastecer de agua a las locomotoras de vapor que comenzaron a extenderse por todo el país. Durante esta época, se produjeron varios avances técnicos significativos en las máquinas comerciales: la capacidad de la máquina para adaptarse automáticamente al viento predominante; el desarrollo de un mecanismo de autocontrol que la desactivaba automáticamente cuando la velocidad del viento alcanzaba la suficiente potencia como para causar daños; diversas mejoras en el diseño del rotor y su durabilidad general, y la introducción de mecanismos de engranajes. La tecnología pronto se extendió por todo el mundo, especialmente en las regiones áridas de reciente colonización, como Sudáfrica, Australia y Argentina, donde anteriormente la falta de agua había impedido el asentamiento y el desarrollo económico en zonas remotas. En la década de 1920, solo en los EE. UU. se utilizaban 6 millones de aerobombas y su fabricación y uso se habían vuelto comunes en todos los continentes.

Pero la gloria de la aerobomba duró poco. Con la llegada de los combustibles fósiles baratos en las décadas de 1950 y 1960 y el desarrollo de la tecnología de bombeo, la aerobomba quedó prácticamente obsoleta en Estados Unidos. Hoy en día, con las crisis periódicas de combustible y el aumento de los precios, ha resurgido el interés por la energía eólica, pero la aerobomba aún no ha recuperado el prestigio que tuvo en su época dorada.

rurales del mundo en desarrollo

En varios países en desarrollo, existen fabricantes que producen aerobombas. Sin embargo, la adopción de aerogeneradores para el bombeo de agua ha sido generalmente muy lenta, a pesar de que la tecnología se adapta bien a la demanda de muchas regiones de África, Asia y Latinoamérica. Donde se utilizan, la demanda se dirige a uno de los siguientes usos finales:

• suministros de agua de la aldea
• riego
• suministros de agua para el ganado

El bombeo de agua es una de las necesidades energéticas más básicas y extendidas en las zonas rurales del mundo. Se estima que la mitad de la población rural mundial carece de acceso a agua potable.

técnica

El poder del viento

Los sistemas eólicos que existen sobre la superficie terrestre son resultado de las variaciones en la presión atmosférica. Estas, a su vez, se deben a las variaciones en el calentamiento solar. El aire cálido asciende y el aire más frío lo reemplaza. El viento es simplemente el movimiento del aire de un lugar a otro. Existen patrones eólicos globales relacionados con el calentamiento solar a gran escala de diferentes regiones de la superficie terrestre y las variaciones estacionales en la incidencia solar. También existen patrones eólicos localizados debido a los efectos de las diferencias de temperatura entre la tierra y el mar, o entre montañas y valles.

Los datos de velocidad del viento pueden obtenerse de mapas de viento o de la oficina meteorológica. Lamentablemente, la disponibilidad y fiabilidad de los datos de velocidad del viento son extremadamente bajas en muchas regiones del mundo. Sin embargo, en importantes zonas del mundo se registran velocidades medias del viento superiores a 3 m/s, lo que convierte el uso de aerobombas en una opción económicamente atractiva. Es importante obtener datos precisos de la velocidad del viento para el lugar en cuestión antes de tomar una decisión sobre su idoneidad. Los métodos para evaluar la velocidad media del viento se encuentran en los textos pertinentes (véase la sección «Referencias y recursos» al final de esta hoja informativa). La potencia del viento es proporcional a:

• El área del molino de viento siendo barrida por el viento
• el cubo de la velocidad del viento
• la densidad del aire, que varía con la altitud

La fórmula utilizada para calcular la potencia del viento se muestra a continuación:

P _W = ½ ρ AV ³

dónde,

P _W es la potencia en vatios disponible en el viento (W)

ρ es la densidad del aire en kilogramos por metro cúbico (kg/m ³ )

A es el área barrida del rotor en metros cuadrados ( ^m2 )

V es la velocidad del viento en metros por segundo (m/s)

El hecho de que la potencia sea proporcional al cubo de la velocidad del viento es muy significativo. Esto se puede demostrar señalando que si la velocidad del viento se duplica, ¡su potencia se multiplica por ocho! Por lo tanto, conviene buscar un sitio con una velocidad media del viento relativamente alta.

Viento en vatios

Aunque la ecuación de potencia anterior nos da la potencia del viento, la potencia real que podemos extraer es significativamente menor de lo que sugiere esta cifra. La potencia real dependerá de varios factores, como el tipo de máquina y rotor utilizados, la sofisticación del diseño de las palas, las pérdidas por fricción, las pérdidas en la bomba u otros equipos conectados al aerogenerador. Además, existen límites físicos a la cantidad de potencia que se puede extraer del viento de forma realista. Se ha demostrado teóricamente que cualquier aerogenerador solo puede extraer un máximo del 59,3 % de la potencia del viento (esto se conoce como el límite de Betz). En realidad, para una aerobomba, esta cifra suele rondar el 30 % al 40 %, y para una gran turbina eléctrica, alrededor del 45 % como máximo (véase la sección sobre el coeficiente de rendimiento más adelante).

Entonces, modificando la fórmula de 'Potencia del viento' podemos decir que la potencia que produce la máquina eólica puede venir dada por:

PM ⁼ ½C _p ρAV ₃

dónde,

P _M es la potencia (en vatios) disponible en la máquina

C _p es el coeficiente de rendimiento de la máquina eólica

También conviene tener en cuenta que un aerogenerador solo funcionará a máxima eficiencia durante una fracción de su tiempo de funcionamiento, debido a las variaciones en la velocidad del viento. Se puede obtener una estimación aproximada del rendimiento de una aerobomba mediante la siguiente ecuación:

PA ₌ 0,1 ^AV3

donde P _A es la potencia media de salida en vatios a lo largo del año V es la velocidad media anual del viento en m/s

la energía eólica

Existen dos principios físicos fundamentales mediante los cuales se puede extraer energía del viento: la creación de sustentación o la fuerza de arrastre (o una combinación de ambas). La diferencia entre la resistencia y la sustentación se ilustra con la diferencia entre usar una vela de spinnaker, que se infla como un paracaídas y arrastra un velero con el viento, y un aparejo Bermuda, la conocida vela triangular que se desvía con el viento y permite que un velero navegue transversalmente o ligeramente en contra del viento. Las fuerzas de arrastre proporcionan el medio de propulsión más obvio, siendo estas las fuerzas que siente una persona (u objeto) expuesta al viento. Las fuerzas de sustentación son el medio de propulsión más eficiente, pero al ser más sutiles que las fuerzas de arrastre, no se comprenden tan bien. Las características básicas que caracterizan la sustentación y la resistencia son:

• La resistencia está en la dirección del flujo de aire
• La sustentación es perpendicular a la dirección del flujo de aire.
• La generación de sustentación siempre provoca que se desarrolle una cierta cantidad de resistencia.
• Con un buen perfil aerodinámico, la sustentación producida puede ser más de treinta veces mayor que la resistencia.
• Los dispositivos de elevación son generalmente más eficientes que los dispositivos de arrastre.

características de los

Existen dos familias principales de aerogeneradores: los de eje vertical y los de eje horizontal. Estos, a su vez, pueden utilizar fuerzas de sustentación o de arrastre para aprovechar el viento. El dispositivo de sustentación de eje horizontal es el más utilizado. De hecho, salvo unas pocas máquinas experimentales, prácticamente todos los aerogeneradores pertenecen a esta categoría.

Existen varios parámetros técnicos que se utilizan para caracterizar los rotores de los aerogeneradores. La relación de velocidad de punta se define como la relación entre la velocidad de las extremidades del rotor y la velocidad del viento libre. Los dispositivos de arrastre siempre tienen relaciones de velocidad de punta inferiores a uno y, por lo tanto, giran lentamente, mientras que los dispositivos de sustentación pueden tener relaciones de velocidad de punta altas (hasta 13:1) y, por lo tanto, giran rápidamente en relación con el viento. La proporción de la potencia del viento que el rotor puede extraer se denomina coeficiente de rendimiento (o coeficiente de potencia o eficiencia; símbolo C _p ) y su variación en función de la relación de velocidad de punta se utiliza comúnmente para caracterizar diferentes tipos de rotor. Como se mencionó anteriormente, hay un límite superior de C _p = 59,3 %, aunque en la práctica, los rotores eólicos reales tienen valores máximos de C _p en el rango del 25 % al 45 %.

La solidez suele definirse como el porcentaje del área del rotor que contiene material en lugar de aire (véanse las figuras 1 y 2 a continuación). Las máquinas de alta solidez transportan mucho material y tienen ángulos de pala gruesos. Generan un par de arranque mucho mayor (el par es la fuerza de torsión o rotación producida por el rotor) que las máquinas de baja solidez, pero son inherentemente menos eficientes que estas últimas. La aerogeneradora suele ser de este tipo. Las máquinas de baja solidez suelen utilizarse para la generación de electricidad. Las máquinas de alta solidez tendrán una relación de velocidad de punta baja y viceversa.

La elección del rotor depende en gran medida de las características de la carga y, por consiguiente, del uso final. Algunos tipos comunes de rotores y sus características se muestran en la Tabla 1 a continuación.

Bombeo de agua

Rotor y bomba compatibles

Al instalar una aerobomba, es importante que las características de la bomba y del aerogenerador coincidan. Una buena interacción entre la bomba y el rotor es esencial. El tipo de bomba más común para bombear agua (especialmente para bombear agua de pozos) junto con un aerogenerador es la bomba reciprocante o de pistón. La bomba de pistón suele requerir un alto par al arrancar, ya que, al arrancar, el rotor debe proporcionar suficiente par para superar el peso de las varillas de la bomba y el agua en la tubería de impulsión. Una vez que el rotor gira, el par requerido disminuye debido a su momento de rotación. La velocidad del viento puede entonces descender a aproximadamente dos tercios de la velocidad inicial antes de que la aerobomba se detenga.

Otros tipos comunes de bombas utilizadas para el bombeo eólico son la bomba de cavidad progresiva o monobomba y la bomba centrífuga. Ambas ofrecen ventajas en ciertas circunstancias, pero también suelen ser caras y menos utilizadas.

La Figura 3 ilustra un ejemplo típico de una aerobomba moderna de múltiples palas. Su alta solidez se traduce en un alto par de arranque y de funcionamiento, así como en una baja velocidad de funcionamiento, lo cual es ideal para su uso con la bomba de pistón.

Obviamente, es importante ajustar la demanda de bombeo de agua a la disponibilidad de viento y, por lo tanto, determinar el tamaño adecuado del rotor. Para calcular la demanda, necesitamos conocer los siguientes datos:

• La altura a la que se debe bombear el agua, en metros
• Volumen de agua a bombear por día - en metros cúbicos

Para el agua a nivel del mar, el requerimiento energético aproximado se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:

E = 0,002725 x volumen x altura (en kilovatios-hora)

Normalmente, las alturas de bombeo pueden variar entre unos pocos metros y 100 m (y ocasionalmente más), mientras que el volumen de agua necesario puede variar desde unos pocos metros cúbicos al día para uso doméstico hasta unos pocos cientos de metros cúbicos para riego.

Anatomía de la aerobomba

Un pozo es, con mucho, la fuente de agua más común de la que extrae agua una aerobomba. Una aerobomba clásica multipala para granjas cuenta con una bomba de pistón que bombea a un tanque de almacenamiento elevado. Existen muchas otras configuraciones posibles, según la naturaleza de la fuente de agua y la demanda. Estas máquinas tienen diámetros de rotor de entre 1,5 y 8 metros, pero rara vez superan los 4 o 5 metros. La potencia se transmite del rotor a las varillas de la bomba mediante un sistema de engranajes o un mecanismo de accionamiento directo. El movimiento de las varillas de la bomba hace que esta eleve agua al tanque. Desde este, el agua puede entonces alimentarse a la red de distribución. La función de la aleta de cola es mantener el rotor orientado hacia el viento. La mayoría de las aerobombas tienen una aleta de cola, diseñada para el enrollado automático (girando la máquina hacia afuera del viento) a altas velocidades del viento para evitar daños.

Bombeo de viento con electricidad

Aunque la aerobomba multipala es, con diferencia, la más común, no es la única opción disponible. Otra opción, especialmente cuando se requiere que la bomba esté ubicada lejos del aerogenerador, es usar un aerogenerador para suministrar electricidad a una bomba eléctrica. Si bien suelen ser más caros, ofrecen la ventaja de que la electricidad se puede utilizar para otras aplicaciones cuando no se está bombeando y también de que se puede almacenar en baterías para su uso cuando la velocidad del viento no es suficiente para el suministro eléctrico directo.

Otros problemas

Fabricación local

Las aerobombas se fabrican en pequeñas cantidades en diversos países del mundo. Existen fabricantes que las producen en Europa, Australia, Sudáfrica y Estados Unidos para la exportación, pero también existen empresas comerciales en países en desarrollo que las fabrican. Uno de estos fabricantes, el RIIC (Centro de Industrias Rurales e Innovaciones), se menciona a continuación.

En las últimas dos décadas se han llevado a cabo varios proyectos con el objetivo de transferir la tecnología de aerobombas a fabricantes del Sur, con cierto éxito. Un ejemplo de ello son las aerobombas Kijito [1] (véase la figura 3), fabricadas en Kenia. Esta aerobomba fue desarrollada originalmente por el Grupo de Desarrollo de Tecnología Intermedia (ITDG, ahora conocido como Practical Action), con sede en el Reino Unido, en colaboración con Bobs Harries Engineering Ltd. (BHEL), Kenia. BHEL ha perfeccionado el diseño de Kijito y actualmente produce unas 25 aerobombas al año, con capacidad para producir hasta 50 unidades.

Propiedad, uso, mantenimiento e impacto ambiental Perspectiva del usuario - Aerobombas en Botsuana Se realizó una encuesta en Botsuana a propietarios/usuarios de aerobombas. El objetivo era determinar la propiedad, adquisición e instalación, uso, impacto ambiental y promoción de las aerobombas. La encuesta reveló que el 54% de las aerobombas eran propiedad de hogares y el 23% de grupos o sindicatos de agricultores. El resto (23%) eran propiedad de la comunidad. La mayoría de las aerobombas (85%) fueron compradas y el resto fueron donadas. El cincuenta y seis por ciento de los encuestados compró aerobombas o recaudó el dinero de los bancos para comprarlas, mientras que el 18% utilizó contribuciones grupales. La mayoría de los encuestados compró las aerobombas a RIIC, el proveedor local. La instalación de las aerobombas fue realizada por RIIC en el 69% de los casos y por propietarios y distribuidores extranjeros en el 23% y el 8% respectivamente. El noventa y dos por ciento de los encuestados opinó que la instalación se realizó satisfactoriamente. Los operadores habían sido capacitados por el proveedor en el 39% de los casos y el resto habían aprendido por sí mismos (31%) o habían sido capacitados por los técnicos locales (8%).

Todos los encuestados revelaron que las aerobombas se utilizaban para bombear agua para el ganado, así como para riego y fines domésticos. El noventa y dos por ciento de los encuestados opinaba que la aerobomba había mejorado significativamente su suministro de agua. El ochenta y cuatro por ciento pensaba que las aerobombas satisfacían las necesidades de agua de la comunidad. El treinta y uno por ciento dependía completamente de las aerobombas para bombear agua, mientras que el 69% tenía otros sistemas. Los encuestados percibían las aerobombas como una buena tecnología principalmente porque eran más económicas de usar. Uno de los problemas asociados con el uso de las aerobombas era la alta frecuencia de averías. El cuarenta y seis por ciento indicó que se averiaban una vez al año, el 31% dos veces al año y el 23% más de tres veces al año. Las reparaciones importantes eran realizadas por RIIC (54%), técnicos locales (8%) o una combinación de ambos (8%).

El estudio también investigó la percepción de los encuestados sobre el impacto ambiental del uso de aerobombas. La mayoría (85%) consideró que las aerobombas mejoran el paisaje, mientras que el 15% afirmó que no influyen. No se reportaron impactos negativos. El 92% de los encuestados también consideró que el ruido de las aerobombas no es una molestia. Los encuestados consideraron que la adopción de la tecnología de aerobombas se vio limitada por factores como la falta de políticas adecuadas, el desconocimiento de la tecnología, los altos costos de mantenimiento y los regímenes de viento inadecuados.

Fuente: Mosimanyane et al 1995 (citado en Karekezi y Ranja 1997)

Referencias y recursos

• P. Fraenkel, R. Barlow, F. Crick, A. Derrick y V. Bokalders: Bombas de viento: una guía para trabajadores del desarrollo. ITDG Publishing, 1993
• David, A. Spera: Tecnología de turbinas eólicas, conceptos fundamentales de la ingeniería de turbinas eólicas. ASME Press, 1994
• EW Golding: Generación de electricidad mediante energía eólica. Redwood Burn Limited, Trowbridge, 1976
• Hugh Piggot: Taller de energía eólica: construye tu propia turbina eólica. Centro de Tecnología Alternativa, 1997
• S. Karekezi y T. Ranja: Tecnologías de energía renovable en África. AFREPREN/SEI, 1997
• C. Borg y H. Oden: La bomba eólica Kijito: una iniciativa privada para el abastecimiento de agua en zonas rurales de Kenia, tesis de maestría, Universidad Tecnológica de Chalmers, Gotemburgo, 1995
• Paul T. Smulders y Jan de Jongh: Bombeo eólico: estado, perspectivas y obstáculos, artículo, Energías renovables, vol. 5, parte 1, págs. 587-594, 1994

Fabricantes

Nota: Esta es una lista selectiva de proveedores y no implica el respaldo de Practical Action.