Molinos de viento

Conrado Moreno Figueredo
Doctor en Ciencias Técnicas. Especialista en energía eólica. Director del Centro
de Estudios de Tecnologías Energéticas Renovables
(CETER). Miembro de CUBASOLAR Tel. (537) 2605060.
E-mail: conrado@ceter.ispjae.edu.cu

La ventura va guiando nuestras cosas mejor de lo que acertáramos á desear; porque ves allí, amigo Sancho Panza, donde se descubren treinta ó pocos mas desaforados gigantes con quien pienso hacer batalla y quitarles á todos las vidas (...). -Mire vuestra merced, respondió Sancho, que aquellos que allí se parecen no son gigantes, sino molinos de viento, y lo que en ellos parecen brazos son las aspas que, volteadas del viento, hacen andar la piedra del molino.  

He aquí un fragmento de la memorable historia sobre los «gigantes» que embistió el ingenioso hidalgo don Quijote de la Mancha, quizás los molinos de viento más famosos del mundo.

En Cuba
¿Cuándo se instaló el primer molino de viento para el bombeo de agua en Cuba? Esta es una pregunta interesante y digna de ser investigada por algún historiador curioso. Todos los interesados expresan que es tradicional el uso de los molinos de viento en Cuba, pero nadie sabe con exactitud cuándo comenzaron a utilizarse. Lo que sí se conoce es que hay molinos instalados con más de sesenta años de trabajo, según la tradición oral y la aseveración de sus propietarios.

Como se sabe, el molino de viento que hoy conocemos se desarrolló en los últimos cincuenta años del siglo xix en Norteamérica. Con el conocimiento de la historia de Cuba decimonónica y sabiendo la ya fuerte influencia de la economía norteamericana desde finales de ese siglo y principios del siglo xx, no es difícil asegurar que en el entorno de esa época debió instalarse el primer molino de viento.

¿Qué pasó ya en pleno siglo xx? Se difundió esta máquina principalmente en las zonas ganaderas, desde Camagüey hacia el oriente. Las llanuras camagüeyanas, sus posibilidades de buena exposición al viento y su suave brisa hicieron que fueran un éxito en esta región. De aquí que también en Camagüey se fabricaran los primeros molinos de viento cubanos, tradición que se mantuvo hasta finales de los años ochenta.

A principios de los años noventa estos molinos se fabricaban, en menor escala, en Bayamo, Ciego de Ávila y en otros talleres y fábricas de la Isla. Hoy continúan fabricándose en las provincias de Granma y Pinar del Río.

¿Cuántos molinos de viento hay instalados en la actualidad en Cuba? Se estiman en más de seis mil, según investigaciones de la Dirección de Ganadería del Ministerio de la Agricultura. Si a eso les sumamos otros cientos de los campesinos particulares, llegamos a siete mil; aunque no todos funcionan, fundamentalmente por falta de mantenimiento, reparación y piezas de repuesto.

Un poco de historia
Las turbinas eólicas se han utilizado desde hace muchos siglos para el bombeo de agua, la trituración de granos, cortar madera, etc.

La primera referencia de un molino de viento aparece en los escritos del historiador árabe Tabari, en el año 850 dne, sobre la existencia de estas máquinas en la provincia de Seistan, en Persia, en el 644 dne.

Durante las cruzadas (1096-1191), la existencia de los molinos de viento se conoció en Europa, más tarde comenzó la expansión y los primeros se reportan en Holanda (1240), Alemania (1222), Grecia (1239), Dinamarca (1259), Finlandia (1463) y Rusia (1622). En América aparecen en Brasil (1576), Estados Unidos (1621) y Barbados (1651). En África, al final del siglo xvii, en Sudáfrica.

El desarrollo de los molinos de viento cambió de Europa a Estados Unidos durante el siglo xix, motivado por el movimiento de los colonos hacia las grandes llanuras durante los años cincuenta, cuando el mayor problema era el aprovisionamiento de agua para las grandes dotaciones de ganado. Con el desarrollo del ferrocarril, la necesidad de agua para alimentar las locomotoras impulsó aún más el progreso de esta tecnología.

A finales de la década de los ochenta tuvo lugar la mayor producción de molinos de viento en Estados Unidos. El primer éxito comercial lo alcanzó el American Farm Windpump, inventado en 1854 por un mecánico de New England llamado Daniel Halladay, que tenía un rotor en forma de flor muy parecido al que conocemos hoy.

Los primeros molinos de viento fueron hechos de madera y el uso del hierro y el acero comenzó en el año 1870, pero se necesitaron dos décadas para que fuera producido un gran número de molinos de acero.

A principios del siglo xx la mayor parte de los molinos se fabricaba de acero, posteriormente le introdujeron los cojinetes en el eje principal, la autolubricación y el mecanismo reciprocante, que fue encerrado en un recipiente de hierro fundido que contenía aceite.

El pico de producción de molinos de viento en Estados Unidos tuvo lugar desde finales del siglo xix hasta la Primera Guerra Mundial. Al finalizar el siglo xix sólo la compañía Aermotor produjo más de ochocientos mil molinos de viento.

La tecnología del molino americano se difundió en el mundo durante la última década del siglo xix y se producían, bajo licencia o con diseños similares, en Australia, Argentina, África del Sur, Inglaterra, Francia, Italia, Alemania y Suecia.

Esta situación favorable se mantuvo hasta la década de los años veinte. En la década posterior, la gran depresión económica, los motores de combustión interna y la electrificación después de 1945 afectaron fuertemente a la industria de los molinos de viento. Durante los años cincuenta y sesenta sólo unos pocos fabricantes permanecían activos.

Sin embargo, la crisis del petróleo en 1973 provocó un interés renovado en las fuentes renovables de energía, en particular en la energía eólica, y las inversiones en la fabricación de molinos se tornaron nuevamente atractivas. A partir de este momento en que tuvo lugar el renacimiento de las aerobombas, apareció un gran número de interesantes innovaciones. Sin embargo, los sistemas de bombeo eólico pueden ser divididos en cinco categorías en dependencia de su diseño y construcción.

Molino de viento multipala tradicional
Este es el más común de los molinos de viento, su desarrollo tuvo lugar entre 1850 y 1930 y es conocido comúnmente como el molino de viento americano (American Farm Windpump).

Este tipo de máquina aprovecha la potencia del viento con un rotor compuesto por un rango de doce a veinticuatro palas o más, que mueve una bomba de pistón a través de una barra vertical (Figs.1 y 2). El acoplamiento entre el rotor y la barra se realiza mediante un mecanismo de biela y manivela con reducción a través de engranes. La utilización de la caja reductora hace más versátil la máquina y la adecua para trabajar con agua a grandes profundidades. Por otro lado, la baja velocidad de trabajo hace la máquina más fiable debido al menor desgaste por fricción de los elementos de la bomba y disminuyen las roturas por fatigas. Los engranajes giran en un baño de aceite lubricante que debe ser comprobado periódicamente. En conclusión, estas máquinas requieren un mantenimiento mínimo.

 

Figs. 1 y 2. Los molinos de viento tradicionales, conocidos también como Aermotor o molino americano, comenzaron a utilizarse en Cuba probablemente en la segunda mitad del siglo xix, hoy forman parte del paisaje rural y periurbano, y ya se les puede ver en las ciudades como parte de la estrategia de la agricultura urbana

El diámetro del rotor de estos molinos oscila entre 2 y 5 m, pudiendo llegar excepcionalmente hasta 10 m. Estas máquinas pueden ser instaladas en sitios con bajas velocidades del viento, entre 2 y 5 m/s.

A pesar de las bondades de estos molinos, poseen una serie de problemas, como son:

- La construcción es muy pesada debido a las necesidades del alto par de arranque (torque) requerido por la bomba, y en otros casos por el uso de una tecnología de fabricación obsoleta, lo que influye en los altos costes tanto de la propia máquina como en el transporte e instalación.

- La tecnología no es fácil de reproducir en países con bajo desarrollo industrial.

- Tiene poca resistencia al polvo y la arena que penetran en el mecanismo de transmisión. Y el agua salobre puede reducir considerablemente la vida útil de los sellos de la bomba (de 6 a 12 meses).

- El molino de viento debe ser ubicado sobre el pozo o cercano a él; es decir, no tiene flexibilidad para instalar adecuadamente el rotor y la bomba. Esto ocasiona serios problemas en el caso de terrenos que no son llanos.

- La eficiencia general es muy baja, principalmente debido al pobre diseño del rotor, al incorrecto acoplamiento entre el par entregado por el rotor y necesitado por la bomba y el comportamiento del par de la bomba de simple efecto, caracterizado por una alta razón entre el par máximo y el par promedio (pulsación del par). La eficiencia global promedio, definida como la razón entre la energía hidráulica neta producida y la energía disponible en el viento, se encuentra normalmente entre 2 y 5 %.

Los principales esfuerzos para aumentar la eficiencia están dirigidos a reducir los efectos de las pulsaciones del par, por medio de bombas de doble efecto (bajas cargas) y por el balanceo del peso de la barra mediante contrapesos y muelles.

Un esfuerzo muy importante se realiza con la introducción de un mecanismo reciprocante variable para incrementar el par entregado a la bomba a medida que aumenta la velocidad de rotación. Igualmente se trabaja en el mejoramiento de la aerodinámica de las palas.
Un aumento de 30 a 100 % puede esperarse en el volumen de agua bombeada con la aplicación de estos mecanismos.

Otras mejoras pueden incrementar la fiabilidad de estas máquinas, como son el uso de cámaras de aire que reducen las ondas de choque en la carrera hacia arriba, y la utilización de sistemas de transmisión sellados y elementos de la bomba reemplazables que incrementan en gran medida la vida útil de la bomba.

Actualmente, los principales productores de estas máquinas en el mundo son Australia, África del Sur, Estados Unidos y Argentina. Este tipo de molino se conoce también en la literatura técnica como aerobombas de primera generación.

Aerobombas de segunda generación

En un intento por superar las limitaciones que aún persisten en el molino tradicional para su aplicación extensiva en los países en desarrollo, ha surgido otro grupo de aerobombas con diferentes características, a las que se les ha denominado aerobombas de segunda generación (Fig. 3). La mayor parte de estas máquinas fue desarrollada después del año 1975 por varios fabricantes y organizaciones, como IT Power en Inglaterra, Gaviotas en Colombia, CWD en Holanda, Vita en Estados Unidos, CAAMS en China, entre otros.

 


Fig. 3. Molinos de viento MV-2/9, MV-3/9 y MV-3/9 modificado, que se experimentan desde la década anterior en el polígono de pruebas del Centro Integrado de Tecnología Apropiada (CITA), en Camagüey.

Los objetivos del diseño de estas nuevas aerobombas son, esencialmente, más bajo coste inicial, menor peso de la estructura, mayor eficiencia, y manufactura, producción y mantenimiento locales.


Fig. 4. Ejemplo típico de molinos de manufactura informal, acoplado a una bomba de soga de torre, muy frecuentes en América Central
y otros países del Sur.

  Estas modernas aerobombas de bajo peso trabajan también con bombas de pistón y se caracterizan por el uso de materiales estándar, disponibles en el mercado (rodamientos, tuberías, angulares, etc.), la ausencia de elementos de fundición y de cajas reductoras.

Otro parámetro fundamental para disminuir el peso y el coste es la reducción del par de arranque de la bomba, lo que permite la utilización de pocos álabes (de 3 a 8 álabes para bajas cargas), por medio de un pequeño orificio en el pistón; de esta forma el par de arranque es casi nulo y la velocidad del rotor aumenta. El efecto de fuga de líquido por el orificio es despreciable.

La eliminación de la caja reductora hace que la bomba trabaje con mayor velocidad, lo que aumenta las cargas sobre la bomba y disminuye la vida útil si la máquina no ha sido diseñada adecuadamente. La vida útil estimada de estas máquinas es de sólo diez años, contrastando apreciablemente con el molino tradicional que en muchos casos alcanza más de cincuenta años.

Una de las desventajas fundamentales de este tipo de máquinas es que sólo son capaces de trabajar a bajas cargas, como consecuencia de las transformaciones del rotor y la transmisión.

Aerobombas de manufactura informal
Este tipo de aerobomba se caracteriza por su simplicidad, y por su fabricación y explotación con materiales disponibles localmente. Los diseños pueden ser originales o modelos simplificados según los existentes, para adaptarlos a las disponibilidades locales.
Los materiales de construcción son de gran variedad. Pueden emplearse, por ejemplo, madera u otros materiales que se trabajan de forma artesanal con un mínimo de facilidades. La mayor parte de estas aerobombas no usan caja reductora de velocidad, sino simplemente un cigüeñal rudimentario o un sistema de leva.


Fig. 5. Molino de viento Delta, de tipo no convencional,
que se significa por poseer 32 aspas cortas en forma
de delta.

No obstante, la fiabilidad y el comportamiento son pobres en la mayor parte de los casos. Las ventajas son los bajos costes y el fácil mantenimiento por el propio usuario.
La aplicación de estas máquinas está restringida para bajas cargas. Un ejemplo de estas aerobombas es la fabricada en Nicaragua basada en una de segunda generación, CWD, acoplada a una bomba de soga que puede bombear agua desde 40 m de profundidad (Fig. 4).

Aerobombas no convencionales
Bajo esta denominación se agrupan las aerobombas cuyos diseños y formas exteriores difieren de los tipos anteriores. Sus inventores, buscando máquinas más eficientes y simples a la vez, utilizan tecnologías de última generación, resultantes de investigaciones científicas en el campo de la aerodinámica, los nuevos materiales, la hidráulica, la mecánica, etc., que aportan como resultado máquinas atípicas.

En este grupo se encuentran también las aerobombas que retoman patentes que fueron desechadas en su momento y que pueden, con los adelantos de la ciencia, reutilizarse y mejorarse.

Ejemplo de las primeras son las aerobombas tipo Delta, varias de ellas instaladas y en operación en el Centro Integrado de Tecnología Apropiada (CITA), de Camagüey. Esta es una máquina con aletas en forma de delta, muy diferentes a las aspas que mueven los molinos tradicionales, porque son más cortas, se distribuye un número mayor y se ubican en el perímetro del rotor (Figs. 5, 6 y 7). Los resultados alcanzados indican mayor entrega de agua en las mismas condiciones que otras aerobombas similares.

 

Figs. 6 y 7. Molino de viento Delta Junior, con transmisión directa, sin caja reductora, y con una biela que conecta el rotor a la barra vertical. Posee 24 aspas cortas en forma de delta y permite bombear agua desde un pozo o un estanque, además de oxigenar el estanque donde se instale.

Al segundo grupo pertenecen los conocidos molinos tipo Savonius, máquina patentada a principios del siglo xix y retomada en los comienzos de la crisis petrolera de los años setenta, que por su alto torque de arranque permite extraer agua de mayores profundidades. Son, además, muy simples y fáciles de fabricar. Han sido retomadas y desarrolladas en centros de investigación de varios países, distinguiéndose entre ellos Canadá.

Sistema avanzado de bombeo eólico-eléctrico
En los países desarrollados hay un gran número de productores de aerogeneradores que recomiendan el uso de sus equipos acoplados a electrobombas para el trasiego de líquidos, los denominados sistemas avanzados de bombeo eólico-eléctrico (Fig. 8).
Estos se componen de un aerogenerador que produce potencia eléctrica y alimenta al motor eléctrico, que mueve una bomba con baterías o sin ellas y otros equipos de conversión de potencia.

Las principales ventajas con respecto a los sistemas mencionados anteriormente son:
- Mayor flexibilidad en cuanto a la ubicación; o sea, se puede ubicar el aerogenerador en el lugar de más fuerte viento, aún cuando este no coincida con el lugar del pozo.
- Mayor eficiencia de bombeo (de 10 a 12 %).
- Incremento del volumen de agua bombeada y mayores cargas (de 10 a 40 m), debido a la posibilidad de usar rotores de mayor diámetro.
- Mayor versatilidad en su uso (bombeo, iluminación, etc.).
- Menor requerimiento de mantenimiento.
- Mayor fiabilidad.

Las desventajas principales son:

- Mayor coste de la inversión inicial.
- Para la instalación y el mantenimiento se necesita personal especializado.
- Necesita mayores velocidades del viento para operar (v > 4 m/s).

La clasificación expuesta intenta sistematizar la amplia gama de molinos de viento que se producen en la actualidad. Y se puede concluir que los sistemas avanzados de bombeo eólico-eléctrico son más adecuados para regímenes de viento entre medios y altos, y uso de gran potencia; mientras que los sistemas mecánicos resultan más convenientes para regímenes de viento entre bajos y medio, y aplicaciones de baja potencia.

 


Fig. 8. Los sistemas de bombeo eólico-eléctrico han alcanzado
una gran versatilidad y demuestran cada día factibilidad económica
y eficiencia. En la imagen aparece un sistema de bombeo eólico-fotovoltaico.

Determinación del número de molinos de viento
Si conocemos las estadísticas del viento, las capacidades de bombeo de los molinos, las profundidades del manto freático y los volúmenes de agua a satisfacer, se puede determinar el tipo de molino que debemos emplear para cada sitio o región con características diferentes.

El mejor aprovechamiento de la potencia obtenida se logra al evitar pérdidas innecesarias de agua y con una interrelación eficiente entre los diferentes componentes del sistema: la fuente de agua, la velocidad y la estabilidad de los vientos, el molino, el cilindro o bomba, las tuberías de succión y conducción y el almacenamiento del agua.

Para determinar el número de molinos de viento que deben instalarse para satisfacer una demanda, se divide la necesidad de bombeo horaria requerida entre la capacidad de bombeo horaria del molino específico. Esta ecuación se comprende fácilmente mediante el siguiente ejemplo:

Partimos de la existencia de una vaquería de cien vacas lecheras. Como cada animal debe consumir como promedio 140 L de agua diarios, entonces se necesitan 14 000 L de agua cada día. Si consideramos que podemos disponer de sólo 5 h de aire favorable diariamente, dividimos los 14 000 L entre 5 y nos dará la necesidad de bombeo horaria requerida, que es igual a 2 800 L/h.

Si optamos por instalar el molino MV-2/9, que con una velocidad del viento de 8 m/s tiene una capacidad de bombeo horaria de 600 L/h, entonces la división de 2 800 entre 600 nos da un resultado de 4,7. Esto significa que deben instalarse 5 molinos de este tipo para satisfacer la demanda de agua.