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Icono de información FA.svgIcono de ángulo hacia abajo.svgDatos del proyecto
UbicaciónKingston , Canadá
Manifiesto del OKHDescargar

El acceso al agua potable es un problema para 884 millones de personas en todo el mundo, y parte de este problema se debe a la incapacidad de bombear agua de los pozos y a las dificultades para trasladarla de una zona a otra. Un diseño mejorado de las palas de las bombas de agua impulsadas por el viento tiene el potencial de aliviar estas dificultades. Este análisis investigó diseños mejorados de palas de turbinas eólicas en las que las palas giraban fuera del viento cuando no estaban en uso. Utilizando materiales y mano de obra de origen local, se descubrió que el costo del diseño era inferior a dos días de salario para las regiones del sur de Asia en las que se construiría. El análisis comparativo de dinámica de fluidos computacional encontró que el par podría aumentarse en un factor de 2,35 a través de dos factores resultantes de los pivotes de las palas: el primero fue una menor resistencia en las palas no utilizadas, y el segundo fue un mayor par de las palas productoras de energía debido a una mayor disponibilidad de viento. También se realizó una prueba de concepto para confirmar los modelos computacionales.

Descripción general

El propósito de esta página es proporcionar análisis de ingeniería de sistemas de bombas de agua con energía eólica preexistentes en el mundo en desarrollo. Estos dispositivos, conocidos como bombas de viento , ya han sido investigados pero aún queda mucho trabajo por hacer en su mejora y optimización. Históricamente, la energía eólica se utilizó por primera vez en sistemas mecánicos para bombear agua y todavía se utiliza con este fin en todo el mundo en desarrollo. [1] En general, los sistemas en el mundo en desarrollo son construidos por individuos o comunidades utilizando materiales disponibles: como tal, puede resultar desalentador e ineficaz crear un diseño de bomba eólica que utilice sólo piezas disponibles en el mundo occidental. Por lo tanto, el siguiente análisis se realizó utilizando únicamente dimensiones y correlaciones genéricas de velocidad del viento que pueden usarse en cualquier geografía, siempre que los miembros de la comunidad consideren apropiados el uso y los efectos del análisis. Los diseños encontrados en este análisis también están sujetos a limitaciones de material y tiempo de mano de obra: el diseño se deja al constructor para que lo modifique como mejor le parezca. Como tal, el alcance no incluye instrucciones para la construcción local de las palas.

El análisis realizado consta de dos partes:

Revisión de antecedentes y literatura
Problemas en agua y saneamiento
En 1995, 1.170 millones de personas carecían de acceso a agua potable. [2] El acceso al agua potable en el mundo está mejorando y se espera que se alcance la meta de los Objetivos de Desarrollo del Milenio de que el 88% de la población tenga acceso a agua potable segura para 2015. Sin embargo, 884 millones de personas todavía carecen de la capacidad para alcanzar esta meta. necesidad humana vital. En la Figura 1 a continuación se muestra un desglose regional de este número. [3]
Figura 1: Falta de acceso al agua potable en todo el mundo
Dado que se necesitan bombas para suministrar agua potable cuando el agua superficial está contaminada o está muy lejos, en algunas zonas del mundo se necesita energía para suministrar agua potable. Se ha sugerido que la energía eólica es una posible fuente de energía renovable, sostenible y pasiva para transportar agua a las zonas donde se necesita. [4] También se ha utilizado en muchos proyectos para proporcionar agua potable. [5]
La disponibilidad de fuentes de agua es muy importante para mejorar el uso seguro de los sitios de agua en todo el mundo. Como se menciona en el programa "El agua, fuente de vida" de la OMS, "las interrupciones del suministro de agua potable, ya sea a través de fuentes intermitentes o como resultado de ineficiencias de ingeniería, son un determinante importante del acceso al agua potable y de su calidad". [6] En el diseño de una turbina eólica para bombeo de agua, esto significa que se deben tener en cuenta dos factores de ingeniería. En primer lugar, la turbina debe ubicarse en un área donde la velocidad del viento sea constante tanto a lo largo del día como estacionalmente. En segundo lugar, se debe diseñar una turbina que pueda aprovechar el viento desde cualquier dirección y funcionar a bajas velocidades del viento.
Energía eólica para bombeo de agua.
La energía eólica se ha utilizado para bombear agua en proyectos de desarrollo desde la década de 1970, [4] y el trabajo en el área se ha visto cada vez más impulsado por el creciente precio de los combustibles fósiles. En particular, el trabajo de diseño se ha centrado en aerogeneradores de eje vertical debido a su simplicidad, bajo coste y las ventajas de tener energía rotacional disponible en el eje. [5] Si bien estas turbinas proporcionan una cantidad relativamente baja de energía debido a las limitaciones de la densidad de potencia en la energía eólica, pueden proporcionar entre 3 y 5 metros de altura en un sistema de agua, lo cual es más que suficiente para el bombeo vertical u horizontal. [5] Sin embargo, para proporcionar un servicio óptimo, la turbina eólica debe ubicarse en un área con mucho viento. Puede encontrar más información sobre la ubicación de turbinas eólicas en un manual de ubicación de turbinas eólicas .
La cantidad de agua bombeada y la altura a la que se puede bombear está determinada por la potencia de la turbina eólica. La energía disponible del viento se obtiene mediante un tubo de corriente a través del área barrida de una turbina eólica. La potencia total viene dada por:
PAG=(12)rENEn3A2{\displaystyle P=\left({\frac {1}{2}}\right)\rho U_{w}^{3}A_{2}}{\displaystyle P=\left({\frac {1}{2}}\right)\rho U_{w}^{3}A_{2}} 
Dónde:
P es la potencia disponible,
r{\displaystyle\rho}{\displaystyle\rho}es la densidad del aire,
ENEn3{\displaystyle U_{w}^{3}}{\displaystyle U_{w}^{3}}es la velocidad del viento, y
A2{\ Displaystyle A_ {2}}{\ Displaystyle A_ {2}}es el área cubierta por la turbina eólica
Sin embargo, esta ecuación supone que toda la energía cinética se recupera del aire, lo que en realidad no es el caso. La ley de Betz muestra que debido a que el aire debe retener suficiente energía cinética para salir de la turbina, una pala ideal puede extraer un máximo del 59,3% de la energía del viento. Más información en el área de la Ley de Betz está disponible en el artículo de Wikipedia sobre ese tema. La cantidad real de energía de una turbina eólica viene dada por la ecuación:
PAG=(12)CpagrENEn3A2{\displaystyle P=\left({\frac {1}{2}}\right)C_{p}\rho U_{w}^{3}A_{2}}{\displaystyle P=\left({\frac {1}{2}}\right)C_{p}\rho U_{w}^{3}A_{2}} 
DóndeCpag{\displaystyle C_{p}}{\displaystyle C_{p}}es el coeficiente de potencia del rotor. Este factor determina la cantidad de energía disponible para el mecanismo de bombeo y, por lo tanto, debe maximizarse.
Como se mencionó anteriormente, las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) brindan muchas ventajas en el área del bombeo de agua. MientrasCpag{\displaystyle C_{p}}{\displaystyle C_{p}}A menudo se pueden optimizar mejor a grandes altitudes mediante el uso de turbinas eólicas de eje horizontal (que, por lo tanto, se utilizan para sitios más grandes), las VAWT se pueden usar en velocidades de viento bajas, áreas con ráfagas y áreas donde el viento puede venir de cualquier dirección. Por tanto, cumplen con los requisitos de los sistemas de bombeo de agua. Por lo tanto, este análisis se centrará en la mejora de las VAWT a pequeña escala.
Alcance
El objetivo general de este proyecto es mejorar las turbinas eólicas construidas por la comunidad para su uso en el bombeo de agua. Para hacerlo de la manera más eficaz mediante un análisis de ingeniería específico, el proyecto se concentró en el diseño y modelado de un novedoso rotor para bombas eólicas. Se realizó una prueba de concepto y un análisis computacional de fluidos para el rotor con el fin de verificar que las innovaciones fundamentales del diseño funcionarían según lo requerido. Sin embargo, este proyecto siguió los principios del diseño sostenible siempre que fue posible y, como tal, se deben tener en cuenta los materiales y la experiencia locales al ampliar el diseño desde una prueba de concepto a un sistema a escala completa. Por lo tanto, el objetivo principal de este análisis fue proporcionar trabajo de ingeniería preliminar para ayudar a los artesanos locales a crear diseños sobre los cuales tenían propiedad y responsabilidad.
Diseño seleccionado
El diseño seleccionado se eligió utilizando los principios de la ingeniería sostenible. Si bien el diseño tenía que cumplir su función principal de capturar energía que se utilizaría para bombear agua, tenía que construirse de la manera más sostenible posible. Fuera del ámbito económico, se consideraron dos factores: ambiental y social. Debido a las limitaciones heredadas del diseño en los países en desarrollo, donde la fabricación moderna no siempre está disponible, la elección de los materiales fue el motor del proceso de diseño: el material se seleccionó primero y el diseño físico se creó después, basándose en gran medida en las propiedades del material.
Las consideraciones medioambientales se abordaron utilizando los principios de la ingeniería verde. [7] En particular, cuando se aplica al diseño de una turbina eólica para su uso en países en desarrollo, el diseño propuesto tendría que seguir las siguientes pautas lo más estrechamente posible:
Los impactos sociales influyeron en el diseño de las siguientes maneras:
Por ello, se seleccionó el bambú como material para la mayoría de las turbinas eólicas de eje vertical. Este material se utiliza en muchas partes del sur de Asia y el mundo en desarrollo como material de construcción, y crece lo suficientemente rápido como para considerarse renovable si se cosecha de manera sostenible. [8] Toda la turbina también se diseñaría para aprovechar la curvatura natural de los tallos de bambú, que pueden crecer hasta 0,37 metros de diámetro [9] y, por lo tanto, serían lo suficientemente grandes como para fabricar una turbina eólica. Además, al utilizar ranuras cortadas en el bambú para construir el aparato, se puede minimizar la diversidad de materiales y se puede desarrollar la habilidad artesanal.
El bambú tiene una estructura circular y hueca [9] y, como tal, la turbina fue diseñada para aprovechar esta forma. El diseño de la turbina eólica de eje vertical se muestra a continuación en la Figura 2.
Figura 2: Diseño de turbina eólica de eje vertical
Las tres hojas del diseño se hacen cortando la parte superior e inferior del tallo de bambú y luego trisecando la pieza restante a lo largo de su eje. Para minimizar la resistencia del aire en las "palas que regresan" (que crean resistencia a medida que se mueven hacia el viento), las conexiones de las palas al cubo se hicieron para pivotar. El rango de giro se extendía entre la posición completamente abierta, en la que se maximizaba la captura del viento, y la posición completamente cerrada, en la que las palas se plegaban hacia el centro, disminuyendo la resistencia del aire. La construcción adecuada de los pivotes aseguró que las hojas no pasaran de la posición completamente abierta.
Las palas se extendieron de modo que, en la posición completamente abierta, se maximizara la captura del viento. Como tal, la línea desde el pivote hasta la punta de la pala se extendía directamente desde el cubo como se muestra en la Figura 3.
Figura 3: Diseño de aspas para turbina eólica de eje vertical
Uso de materiales
Si bien el uso de materiales y los detalles específicos de la construcción se dejan al artesano o al trabajo posterior en esta área, las sugerencias son las siguientes:
Además de estos materiales, en la parte inferior de la turbina se debe colocar una bomba de agua con accionamiento rotacional (como se describe arriba) o un generador eléctrico. Como este análisis sólo se extiende a la mejora de las palas, el técnico deberá definir y dimensionar su bomba de forma adecuada.
Prueba de concepto
Se creó una prueba de concepto para demostrar que las palas pivotantes funcionaban tanto en la práctica como en la teoría. El dispositivo estaba construido con una lata de refresco y un perchero, y presentaba tres cuchillas pivotantes. El dispositivo completo se muestra en la Figura 4 a continuación:
Figura 4: Prueba de concepto
Es importante señalar que se evitó que las hojas giraran hacia adelante mediante el uso de piezas extendidas de la lata. En un diseño a gran escala, pequeños bloques de bambú o un pivote adecuado podrían tener el mismo efecto. La figura 5 muestra en detalle las extensiones de lata.
Figura 5: La lata extendida se detiene sobre-pivote
También está disponible en línea un breve vídeo que muestra el funcionamiento del rotor .
Análisis de dinámica de fluidos computacional
Se utilizó el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) para determinar la potencia adicional creada por el nuevo sistema de palas, los patrones de flujo alrededor de las palas y las posibles mejoras en el diseño. Para comenzar el análisis, se construyó un modelo sólido como se muestra en las Figuras 2 y 3. Se creó una malla usando funciones de tamaño en vértices y caras cortas para mostrar el análisis más preciso en las áreas con flujo turbulento o complejo. Esta malla se muestra en la Figura 6 a continuación.
Figura 6: Malla para el diseño de palas
Observe la mayor densidad de la malla alrededor de los bordes del diseño, especialmente los vértices. Este análisis se realizó para dos casos separados: uno con un diseño VAWT tradicional y otro con palas pivotantes. Luego se realizaron cuatro análisis en cada caso. El primer análisis comparó las trayectorias de velocidad, que muestran tanto la velocidad como la dirección de las partículas de fluido cuando pasan por ambos rotores. En las imágenes a continuación, el viento fluye desde la derecha de las imágenes. En el diseño modificado de la derecha, la pala pivotante se ha plegado hacia atrás en función del viento.
Figura 7a: Flujo pasando por el rotor tradicionalFig 7b: Flujo pasando por el rotor modificado
  • Todos los colores indican velocidades dadas en m/s.
Como se vio arriba, el diseño de pivote ofrece dos ventajas principales. En primer lugar, la resistencia en la pala de retorno disminuyó sustancialmente, como se puede observar por la ausencia de la gran franja de aire de baja velocidad (azul) detrás de la pala en la Figura 7b. En segundo lugar, debido a que la pala que regresa no frena el flujo, la pala que captura la energía eólica enfrenta velocidades de viento promedio más altas. Esto conduce a una mayor generación de energía a partir de esta pala.
El segundo análisis realizado muestra una vez más las trayectorias de las partículas de fluido, pero permite una mayor comprensión del flujo alrededor de las palas. Las líneas de recorrido del fluido muestran zonas de recirculación detrás de cada aspa. En general, estas zonas denotan zonas de menor presión, lo que supone un mayor arrastre sobre la pala que las forma. En la Figura 8 se ofrece una comparación del rotor tradicional con el rotor modificado, donde el viento fluye desde la izquierda.
Figura 8a: Recirculación en rotor tradicionalFigura 8b: Recirculación en rotor modificado
El tercer análisis realizado muestra directamente las distribuciones de presión alrededor de cada una de las palas. La fuerza en cualquier punto de la pala está dada por:
F=PAGF−PAGbA{\displaystyle F={\frac {P_{f}-P_{b}}{A}}}{\displaystyle F={\frac {P_{f}-P_{b}}{A}}}
dónde:
F es la fuerza creada,
P_f es la presión en la parte delantera de la hoja,
P_b es la presión en la parte posterior de la hoja,
A es el área.
Debido a que la diferencia de presión entre la parte delantera y trasera de la hoja es proporcional a la fuerza producida (y por lo tanto al par), se debe maximizar la diferencia de presión. El tercer análisis realizado muestra las distribuciones de presión tanto en el diseño de turbina tradicional como en el modificado. La Figura 9 demuestra los resultados.
Figura 9a: Distribuciones de presión en rotor tradicionalFig 9b: Distribuciones de presión en rotor modificado
  • Todos los colores indican presiones en kilopascales.
Como se ve arriba, las mayores diferencias de presión entre la parte delantera y trasera de la hoja de captura en el modelo modificado se combinan con menores diferencias de presión en la hoja de retorno para aumentar la potencia creada por la hoja. Esta diferencia de presión crea una fuerza en cada punto de la pala, pero esta fuerza sólo es relevante para una discusión sobre la potencia de la turbina cuando se expresa como par. El par está dado por la ecuación:
t=r×F{\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}=\mathbf {r} \times \mathbf {F} \,\!}{\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}=\mathbf {r} \times \mathbf {F} \,\!}
dónde
τ es el par producido,
r es la distancia desde el centro de la turbina hasta el punto en el que se aplica la fuerza
F es la fuerza causada por la diferencia de presión,
× denota una operación de producto cruzado
Por lo tanto, el cuarto análisis utilizó integrales de área sobre la superficie de las palas y el cubo de la turbina para encontrar el par producido por cada diseño de pala. En las condiciones utilizadas, el momento en la pala tradicional fue de 0,081 Nm y el par en la pala modificada fue de 0,191 Nm. La duplicación del par se debió a los dos factores mencionados anteriormente: disminución de la resistencia en la hoja de retorno y mayor transferencia de potencia a la hoja de captura.
Se pueden realizar mejoras, ya que la malla de gambito está disponible aquí, mientras que los casos Fluent están disponibles aquí y aquí .
Análisis Economico
La economía de este diseño varía mucho entre las regiones del sur de Asia: por lo tanto, se realizó un análisis tanto de los precios en América del Norte como de los valores estimados basados ​​en los precios promedio en la India. Se considera que el bambú está disponible localmente a precios insignificantes. Tenga en cuenta que este análisis cubre solo los componentes modificados dentro del alcance de este proyecto.
MaterialCosto aproximado ($CA)Costo aproximado en el sur de Asia (USD)
Bambú$109.00 [10]$0.00
Mano de obra (10 horas con salario medio)$184.08 [11]-Sierra o dispositivo similar$24.99 [12]No hay datos disponibles, se supone que son $2 por el alquiler del día
Total$318.07$16.01
El precio de 16,01 dólares se considera razonable cuando los ingresos per cápita oscilan entre 5 y 20 dólares aproximadamente. Sin embargo, esto sigue siendo una inversión de capital significativa si se tienen en cuenta el tiempo necesario para la ubicación, la construcción de las bombas y otros aspectos del riego y el tratamiento del agua potable.
Impacto social
Al considerar la idoneidad de esta tecnología, es importante ser conscientes del papel del bambú, especialmente del bambú gigante, en las culturas en las que se implementa esta tecnología. Si bien no se pueden hacer generalizaciones culturales amplias sobre toda la gama natural del bambú, se puede observar que simboliza la amistad o la longevidad en algunas culturas. [13] El bambú también puede tener connotaciones religiosas. Por lo tanto, es extremadamente importante ser consciente de las culturas y sensibilidades locales antes de implementar cualquier tecnología que utilice este recurso.
Como se mencionó anteriormente, el bambú se utiliza con frecuencia en la construcción en muchos países del sur de Asia, así como en gran parte de su área de distribución natural. Por lo general, no está protegido por la legislación ambiental, excepto cuando su captura amenaza a los osos panda. [14] Sin embargo, si se cosecha de manera sostenible con respecto a las leyes y costumbres locales, se puede minimizar el daño social directo debido a los rotores eólicos.
Conclusiones
El diseño mejorado de las palas de las turbinas eólicas de eje vertical puede aumentar el par de las turbinas eólicas en un factor de 2,35, lo que permite aumentos significativos en la extracción de energía del viento. Este aumento de energía se puede utilizar para bombear agua a mayor distancia o para aumentar la profundidad desde la cual las turbinas eólicas pueden extraer agua: ambos resultados tienen el potencial de ayudar a aliviar la falta de acceso al agua potable en los países en desarrollo. Este análisis se realizó mediante el diseño de una pala de turbina eólica que incorporaba un pivote para disminuir la resistencia de las palas que no se utilizaban para generar energía. El análisis encontró que los aumentos en la potencia provinieron no solo de una menor resistencia en las palas que regresan, sino también de un mayor flujo a través de las palas generadoras de energía.
Referencias
  1. ^  T. Ackermann, L. Söder, "Tecnología de la energía eólica y estado actual: una revisión", Reseñas de energías renovables y sostenibles, volumen 4, número 4, diciembre de 2000, páginas 315-374
  2. ^  MWRosegrant, X. Cai, SA Cline, "Agua y alimentos en el mundo hasta 2025: hacer frente a la escasez", Instituto Internacional de Investigación sobre Políticas Alimentarias e Instituto Internacional de Gestión del Agua, 2002
  3. ^  "Progresos en materia de agua potable y saneamiento: actualización de 2010", Organización Mundial de la Salud y UNICEF, disponible: http://whqlibdoc.who.int/publications/2010/9789241563956_eng_full_text.pdf
  4. ↑Saltar a:4.0  4.1  A. van Vilsteren, "Aspects of Irrigation with Windmills", enero de 1981. Fundada en TOOL Amsterdam.
  5. ↑Saltar a:5.0  5.1  5.2  "Cómo construir una máquina eólica económica para bombear agua", Brace Research Institute. Ste. Anne de Bellevue: Instituto de Investigación Brace, 1973
  6. ^  "El agua, fuente de vida: Hacerlo realidad", Organización Mundial de la Salud, disponible: http://www.who.int/water_sanitation_health/waterforlife.pdf
  7. ^  PT Anastas, JB Zimmerman, "Diseño a través de los doce principios de la ingeniería ecológica", Env. Ciencia. y Tech., 37, 5, 94A-101A, 2003.
  8. ^  Y. Xiao, M. Inque, SK Paudel, "Estructuras modernas de bambú", CRC Press 2008.
  9. ↑Saltar a:9.0  9.1  S. MSD RAMANAYAKE, K. YAKANDAWALA, "Incidencia de floración, muerte y fenología del desarrollo en el bambú gigante (Dendrocalamus giganteusWall. ex Munro)", Ann Bot 82: 779-785, 1998.
  10. ^  "Lista de precios de bambú", Canadá's Bamboo World, 2003
  11. ↑Saltar a:11.0  11.1  "Informe sobre el ingreso per cápita de países seleccionados", Fondo Monetario Internacional, 2009, disponible aquí
  12. ^  Sierra de mano Mastercraft Maximum: Producto n.º 57-7458-6, Canadian Tire 2009
  13. ^  AK-L. Chan, GK Clancey, HC. Loy, Conferencia Internacional sobre Historia de la Ciencia en Asia Oriental 2002, Perspectivas históricas sobre la ciencia, la tecnología y la medicina de Asia Oriental, Singapore University Press.
  14. ^  Las especies en peligro de extinción de la Tierra: datos sobre el panda gigante, las criaturas en peligro de extinción de la Tierra, disponible: http://www.earthsendangered.com/profile.asp?mp=1&ID=3&sp=321
Icono de información FA.svgIcono de ángulo hacia abajo.svgDatos de la página
Parte deMech425
Palabras claveingeniería , tecnología apropiada , agua , distribución de agua , bombeo
ODSODS06 Agua limpia y saneamiento
AutoresGarra
LicenciaCC-BY-SA-3.0
OrganizacionesUniversidad de Queen , Proyecto Mech425 AT
IdiomaEnglish (en)
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Impacto1.210 páginas vistas
Creadoabril 4, 2010 por C.Law
Modificadofebrero 28, 2024 por Felipe Schenone
Citar comoC.Ley (2010-2024). "Optimización y análisis CFD de sistema de bomba de agua propulsado por viento" . Apropedia . Consultado el 2 de mayo de 2024 .
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