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. |
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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