Determinación de los parámetros de funcionamiento del molino de viento X-702 para el suministro de agua con fines de riego
Determination
of the operation parameters for the windmill X-702 supplying water for irrigation
José Luis Companioni Sanderson1,
Albi Mujica Cervanes2, Oscar Brown Manrique2, Lynton L. Alfonse3 y Wilfredo Pérez Duarte4
RESUMEN. Dentro de las posibilidades energéticas y medioambientales de las distintas fuentes renovables, la eólica por su carácter limpio e inagotable, permite un gran desarrollo como recurso endógeno en aquellas áreas que cuentan con un potencial necesario para su aplicación. En este trabajo se realiza un estudio de las características del molino de viento X-702, teniendo en cuenta los elementos fundamentales de la aerobomba y sus parámetros de trabajo en función de la velocidad del viento y el caudal, también se determinaron otros elementos importantes como: caudal teórico y eficiencia volumétrica, se realiza un análisis estadístico exhaustivo y se diseñó un sistema de riego el cual contempla la utilización de dicho molino como fuente de suministro de agua para riego.
Palabras clave: energía, eólica.
ABSTRACT. Within the energetic and environmental possibilities for different renewable energy, the eolic, is known for the clean and inexhaustible character that permit a great development as an endogenous resource in those areas that needs for its application. In this work the study of the windmill x-702 characteristics are emphasized, taking into account the wind pump principal elements, and its parameters in regard of wind velocity and the water supply, as well as, the determination of other important elements such as: the theoretical water supply and volumetric efficiency, an exhaustive statistical analysis is carried out, and it also designs an irrigation system which contemplates the use of the given windmill as a source for water supplying during irrigation.
Keywords: energy, eolic.
Recibido 12/09/07, aprobado 23/10/08, trabajo 60/08, investigación.
1 MSc., Prof., Universidad de Ciego de Ávila, Facultad de Ingeniería,.Centro de Estudios Hidrotécnicos (CEH), Carretera a Morón, km 9 ½, Ciego de Ávila, Cuba, CP: 69450, Tel.: 2-5702; Fax: 236365,
E-mail: albis@ingenieria.unica.cu
2 Dr. C., Prof. Tit., Universidad de Ciego de Ávila, Facultad de Ingeniería.Centro de Estudios Hidrotécnicos, Ciego de Ávila, Cuba.
3 Ing., Prof., Universidad de Ciego de Ávila, Facultad de Ingeniería,.Centro de Estudios Hidrotécnicos, Ciego de Ávila, Cuba.
4
Dr. C., Prof. Tit., Universidad Agraria de La Habana, San José de las
Lajas, La Habana, Cuba.
INTRODUCCIÓN
Las técnicas tradicionales son de relativamente bajo costo y cuando se combinan con tecnologías modernas, pueden resultar sumamente eficaces». Gischler y Jµuregui (1984), citado por Castro. 2002. Varios son los investigadores que han realizado estudios sobre el aprovechamiento del agua para el riego en la agricultura, Chávez, 2004 realizó una investigación del impacto de la actividad agrícola en la calidad del recurso hídrico de una cuenca del Trópico Húmedo bajo, por otro lado León et al, 2005, determinaron el uso eficiente del agua en el cultivo del tomate protegido y Mujica, 2003 ha determinado parámetros de los molinos de viento, por solo citar algunos ejemplos.
El viento es una consecuencia de la radiación solar. El calentamiento desigual de la superficie de la tierra produce zonas de altas y bajas presiones, este desequilibrio provoca desplazamientos del aire que rodea la tierra dando lugar al viento. El viento es por lo tanto energía en movimiento y esta energía cinética es posible transformarla tanto en energía eléctrica como en energía mecánica, mediante los denominados aerogeneradores o molinos de viento (Cádiz Deleito, J. & Cabrero, J., 2001)
El uso de esta fuente de energía renovable ha reportado múltiples ventajas tales como: es una tecnología de energía renovable madura cuando se usa para el almacenamiento de agua; presenta un costo bajo en áreas que tienen un adecuado régimen de vientos; cero costo de combustible; cómodo para productores locales; bajo impacto ambiental (Faci et al., 2001; Pinilla, 1985; Burton et al, 2002).
El renacimiento de las aerobombas vino también con el renacer de las energías renovables con un número importante de innovaciones, que debido a las bondades de la energía eólica y el desarrollo alcanzado en el mundo referido a las tecnologías de explotación de este recurso se hace necesario un trabajo que aborde la temática, partiendo de las características del molino existente. (Hurley, 1994). Siendo el objetivo del trabajo el estudio de las características del molino de viento X-702, teniendo en cuenta los elementos fundamentales de la aerobomba y sus parámetros de trabajo en función de la velocidad del viento y el caudal.
MATERIALES Y METODOS
La investigación se desarrolló en áreas del sector privado, pertenecientes a un pequeño agricultor de la comunidad rural de Modesto Reyes en la provincia Ciego de Ávila; se evaluó una aerobomba modelo X-702 que presenta las características siguientes:
_ Es una bomba de pistón
_ El rotor eólico está acoplado mecánicamente (o con acople directo o con un reductor de velocidad) a una bomba de pistón a través de un vástago que transmite el movimiento oscilante desde la parte superior de la torre hasta la bomba sumergida generalmente dentro de la fuente de agua, en este caso la misma se encuentra instalada sobre el brocal del pozo.
_ Altura hasta el rotor: 10,5 m
_ Diámetro de las paletas: 2 m
Para la investigación se tuvieron en cuenta las normas ISO 8026, 2000 y otros documentos existentes en el Centro de Estudios Hidrotécnicos (CEH), de la Universidad de Ciego de Ávila, provincia del mismo nombre, Cuba.
Caudal suministrado por la aerobomba
El caudal se determinó de la forma siguiente:
Q = 1046 · V0,9341
R2 = 0,8764
Donde:
Q-Caudal de la aerobomba (L/s);
V-Velocidad del viento (m/s).
En esta investigación la función Q=f(v) responde a una expresión potencial con un coeficiente de determinación aceptable.
Potencia del viento
La determinación de las potencias útil y consumida se realizaron a partir de las siguientes ecuaciones potenciales:
Pc = 0,39 · V3
R2 = 1,0
Pu = 0,312 · V3
R2 = 1
Donde:
Vvelocidad del viento (m/s)
Eficiencia volumétrica
La estimación de la eficiencia volumétrica se realizó a partir de la velocidad del viento con el empleo de la función lineal siguiente:
Ev = 1,942 · V + 0,4362
R2 = 0,9013
Donde
V-velocidad del viento (m/s)
Las mediciones se realizaron durante el día en los horarios comprendidos desde las 10:00 AM hasta las 4:00 PM, con un promedio para la velocidad del viento de 3,03 m/s, teniendo en cuenta el comportamiento de la frecuencia en las horas de medición.
Se realizaron mediciones para las distintas direcciones del viento, durante los días que se realizaron los experimentos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La técnica estadística aplicada a los datos experimentales consistió en el análisis descriptivo de la información correspondiente a la velocidad del viento y el caudal descargado por la aerobomba. En la misma se observa que la velocidad varió desde 1-5 m/s lo cual se refleja en el error típico de 0,124 que resulta relativamente alto. La media y la moda en el caso de la velocidad del viento coinciden con un valor de 3,0 m/s. Este comportamiento se corrobora con la magnitud de la curtosis próximo a 0,5 y el coeficiente de asimetría próximo a cero.
En caso del caudal suministrado por la bomba eólica en función de la velocidad del viento, el análisis estadístico indica proximidad al valor de 0,13 L/s, con un error típico del 5%; muy inferior en comparación con la velocidad del viento debido a la menor dispersión que presenta los caudales registrados (ver Figura 1)
La frecuencia de la velocidad del viento durante el día en los horarios comprendidos desde las 10:00 AM hasta las 4:00 PM oscila entre 2,2550 m/s superado en todos los casos el 70% de la frecuencia acumulada.
La frecuencia acumulada para la dirección de los vientos indica que la dirección NE es la predominante en el 84% de los casos.
La curva de los caudales de la aerobomba en función de la velocidad del viento se expresa en la Figura 2. Esta curva constituye una herramienta de trabajo de gran importancia para el diseño de los sistemas hidráulicos en cuanto al suministro de agua mediante sistemas accionados por energía eólica.
FIGURA 2. Caudal de la aerobomba en función de la velocidad del viento.
En el área de estudio se representan condiciones favorables del viento para el desarrollo de una potencia eólica superior a los 200 W, sin embargo el aprovechamiento de esa energía es muy bajo al lograrse como máximo una potencia útil de 40 W.
En las condiciones del presente estudio la potencia útil de la bomba resulta inferior a la potencia consumida en el rango de1 a 5 m/s de velocidad del viento (ver Figura 3).
FIGURA 3. Potencia eólica en función de la velocidad del viento.
CONCLUSIONES
• La frecuencia de la velocidad del viento durante el día en los horarios comprendidos desde las 10:00 AM hasta las 4:00 PM oscila entre 2,25.50 m/s superado en todos los casos el 70% de la frecuencia acumulada.
• La frecuencia acumulada para la dirección de los vientos indica que la dirección NE es la predominante en el 84% de los casos.
• En el área de estudio se representan condiciones favorables del viento para el desarrollo de una potencia eólica superior a los 200 W, sin embargo el aprovechamiento de esa energía es muy bajo al lograrse como máximo una potencia útil de 40 W.
• El porcentaje de la eficiencia volumétrica de la bomba eólica modelo X-702 osciló entre uno y diez, en el rango de variación del viento comprendido entre los valores de 1 a 5 m/s.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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