Bomba de agua de molino de viento

¿Qué es?

Una bomba de agua de molino de viento es una máquina puramente mecánica que convierte el viento en agua subterránea elevada, sin electricidad en ninguna parte de la cadena. Una rueda de ventilador de acero de múltiples aspas se asienta sobre una torre y se orienta hacia el viento. Su rotación se reduce mediante engranajes dentro de una pequeña caja de cambios y se convierte en un movimiento ascendente y descendente, que se transmite directamente por la torre mediante una larga varilla vertical —la varilla de bombeo— hacia un pozo. En la parte inferior, la varilla acciona una bomba de pistón (cilindro) simple que eleva el agua en golpes discretos a la superficie. Es el arquetipo de molino de viento de granja y rancho que se ve en el Medio Oeste americano y que todavía se fabrica y utiliza hoy en día, incluso por comunidades Amish y otras comunidades fuera de la red.

¿Para qué sirve?

• Abastecimiento de agua para ganado en un pastizal o rancho remoto sin línea eléctrica cercana.
• Suministro de agua doméstica y de riego para granjas fuera de la red eléctrica.
• Cualquier aplicación donde el pozo esté lejos de la infraestructura pero el viento esté disponible de manera confiable.
• Como respaldo resiliente: sin electrónica, sin controlador, nada que hackear o perder por un corte de energía — mientras sople el viento, la bomba funciona.

La física detrás de esto

La rueda es un rotor de alta solidez: muchas (típicamente 12–24) aspas de acero cortas, estrechas y curvadas cubren la mayor parte del disco barrido. Esta es la elección de diseño opuesta a una turbina eólica moderna de dos o tres aspas que genera electricidad, la cual utiliza baja solidez y aspas largas y delgadas para alcanzar una alta velocidad de punta para una transmisión eficiente del generador. Una rueda de bomba, en cambio, necesita alto par de arranque a baja velocidad del viento, porque debe superar el peso estático de la varilla de bombeo y la carga de succión/elevación de una columna completa de agua en cada golpe — incluso con una brisa ligera. Intercambiar la velocidad de rotación máxima por par, y reducir aún más la rotación (comúnmente de 3:1 a 6:1 dentro del cabezal), proporciona golpes lentos pero fuertes adaptados a una bomba de pistón en lugar de un generador.

La rueda se mantiene orientada al viento mediante una veleta de cola detrás de ella, actuando como una veleta. Por encima de una velocidad de viento establecida, el cabezal está diseñado para autorregularse: la veleta está articulada (o descentrada) de modo que la creciente presión del viento balancea progresivamente la rueda fuera del viento (o pliega la veleta contra un resorte), reduciendo el área barrida efectiva y la velocidad de rotación. Esta acción de gobernador es pasiva — sin controlador, sin freno — y es lo que permite que un molino de viento desatendido sobreviva a una tormenta sin acelerarse demasiado y desintegrarse.

El movimiento descendente de la varilla de bombeo empuja un émbolo con una válvula de retención hacia abajo a través de un cilindro fijo que también tiene una válvula de pie (de retención) en su base, sumergida por debajo del nivel freático. En el movimiento descendente, la válvula del émbolo se abre y este se hunde a través del agua que ya está en el cilindro; en el movimiento ascendente, la válvula del émbolo se cierra, atrapando el agua por encima y elevando ese volumen a la superficie, mientras que la válvula de pie se abre para permitir que el agua fresca rellene el cilindro desde abajo. Cada rotación completa de la rueda produce, por lo tanto, un golpe de bomba discreto — un pequeño pulso de agua — y la tasa de bombeo promedio escala con la velocidad del viento, no con un flujo continuo.

Historia

La clásica bomba de molino de viento con engranajes, de múltiples aspas y autorregulable se perfeccionó en los Estados Unidos en la segunda mitad del siglo XIX — el molino de viento Halladay (1854) es generalmente reconocido como el primer diseño práctico autorregulable, seguido por diseños de aspas de acero como el Aermotor (1888), que en gran medida desplazaron a los molinos de aspas de madera porque las aspas de acero mantenían su forma y requerían mucho menos mantenimiento. Estos molinos se convirtieron en la forma estándar de abastecer de agua al ganado y a las granjas en las áridas llanuras americanas antes de la electrificación rural, y diseños equivalentes de bombas eólicas con engranajes se extendieron a Australia, Sudáfrica y Argentina por la misma razón: puntos de agua distribuidos lejos de cualquier fuente de energía. Las comunidades Amish y otras comunidades fuera de la red han mantenido la tecnología en uso continuo, y los fabricantes todavía construyen esencialmente el mismo diseño mecánico hoy en día.

Versión simple

Una pequeña rueda de ventilador (6–8 pies de diámetro) en una torre de celosía corta sobre un pozo poco profundo excavado o perforado a mano, con una varilla de bombeo básica de madera o acero ligero y una bomba de pistón simple con copas de cuero o goma, descargando directamente en un abrevadero. Sin tanque de almacenamiento — el agua solo está disponible mientras sopla el viento.

Versión avanzada

Una rueda con engranajes más grande (10–12 pies) en una torre más alta, con una bomba de cilindro correctamente empaquetada y adaptada a la profundidad del pozo, descargando en un tanque de almacenamiento elevado para que el agua alimentada por gravedad esté disponible bajo demanda incluso durante períodos de calma. Incluye arriostramiento de la torre, una caja de cambios con baño de aceite para un mantenimiento reducido y un mecanismo de ajuste de la veleta sintonizado a las velocidades del viento de tormenta locales.

Versión industrial

Conjuntos de bombas eólicas utilizados históricamente (y todavía hoy en algunas regiones) para el suministro de agua ferroviario, redes de abastecimiento de ganado a escala de rancho con múltiples molinos alimentando una tubería compartida, o bombeo de drenaje/riego en tierras de cultivo bajas (como se usó históricamente de forma extensiva en los Países Bajos, aunque esos molinos generalmente movían agua superficial en lugar de elevar agua de pozo). El bombeo eólico a escala industrial moderno ha sido reemplazado en su mayoría por bombas sumergibles solares-eléctricas, pero las bombas eólicas mecánicas siguen en producción para entornos remotos y de baja infraestructura porque no necesitan baterías, inversores o componentes electrónicos que puedan fallar.

Construyendo el tuyo propio

1. Primero el sitio y el pozo. Elija un lugar con la mejor exposición al viento (terreno abierto, libre de árboles y edificios) directamente encima o inmediatamente al lado del pozo — vea hand-well-drilling para la perforación del pozo en sí.
2. Torre. Erigir una torre de celosía atornillada lo suficientemente alta como para superar las obstrucciones circundantes con un margen cómodo (la altura extra se amortiza de forma fiable en la producción). Anclar las patas en cimientos de hormigón y arriostrarla si el diseño lo requiere.
3. Conjunto del cabezal. Montar la caja de cambios/cabezal en la parte superior, luego fijar la rueda del ventilador y la veleta de cola según la geometría del fabricante (o la suya propia) — la veleta debe poder girar libremente y estar correctamente compensada para que la acción autorreguladora funcione.
4. Varilla de bombeo. Pasar una varilla recta y correctamente guiada por la línea central de la torre hacia la tubería del pozo, con guías de varilla a intervalos para evitar el latigazo y el desgaste.
5. Cilindro de la bomba. Instalar la bomba de pistón/cilindro en la parte inferior, sumergida por debajo del nivel freático bajo esperado, conectada a una tubería ascendente (tubería) que transporta el agua elevada a la superficie.
6. Fontanería de superficie. Conectar la descarga a un abrevadero, cisterna o tanque elevado; instalar un rebosadero para que el tanque no se dañe una vez lleno.
7. Puesta en marcha. Ciclar manualmente la varilla unas pocas veces para cebar la bomba y comprobar la acción de la válvula de retención antes de dejar que la rueda gire libremente; verificar que la veleta se pliegue correctamente con una brisa fuerte.

Errores comunes

Cómo medir

• Conteo de golpes y desplazamiento: multiplicar los golpes de la bomba por minuto por el volumen barrido del cilindro por golpe para estimar el caudal instantáneo.
• Rendimiento diario/semanal: medir el aumento en un tanque de almacenamiento de sección transversal conocida durante un período, cotejado con un registro simple de velocidad o recorrido del viento (muchos anemómetros pequeños informan el "recorrido total del viento" en km o millas, un buen indicador del total de golpes entregados).
• Verificación de la acción de la rueda y la veleta: observar el molino en una variedad de condiciones de viento — la rueda debe seguir el viento suavemente a baja velocidad y girar progresivamente fuera del viento a medida que aumenta la velocidad, sin golpes ni vibraciones excesivas.
• Verificación de cebado: confirmar que la bomba eleva un chorro constante (no solo aire o volúmenes intermitentes) después de cada reinicio — una señal de que las válvulas de retención y el sello del cilindro están en buen estado.

Videos

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