Bombeo de agua con sistemas fotovoltaicos

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Natividad Ortiz de Zárate Barbero
hace 8 años
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1 Ficha Técnica Bombeo de agua con sistemas fotovoltaicos 4 1. Descripción del sistema En la figura número 1, se presenta un esquema general de un sistema de bombeo de agua con sistemas fotovoltaicos. En el esquema podemos observar: la motobomba, responsable de bombear un determinado caudal de agua al depósito, que suele ser de corriente alterna (en cuyo caso se necesita un inversor). También ser puede ver el depósito de almacenamiento y los paneles fotovoltaicos. Los sistemas de corriente continua son en general de pequeño tamaño y están constituidos por un generador fotovoltaico que ataca directamente a un motor DC acoplado a una bomba de superficie. Al variar la irradiación incidente sobre el generador, varía la tensión del punto de trabajo que resulta del cruce de las características del generador y de la motobomba, y con ello varía la velocidad de giro del motor y el caudal de agua que proporciona la bomba. En algunos casos dependiendo de las características de las bombas, estos sistemas incorporan un convertidor DC/DC (caso de bombas de desplazamiento positivo, no siendo necesario para las bombas centrífugas). Los sistemas AC están constituidos por un generador fotovoltaico que actúa sobre una motobomba sumergida AC, a través de un inversor de frecuencia variable o variador. Al variar la irradiación sobre el generador varía la frecuencia y la tensión a su salida y con ello, la velocidad de giro del motor y el caudal bombeado.

También ser puede ver el depósito de almacenamiento y los paneles fotovoltaicos.

2 Esquema N 1 2. Fuentes de agua El tipo de sistema a emplear en cada caso está condicionado por las características de la fuente de agua a la que está destinado. Están los rios, desde los que únicamente se bombea para aplicaciones de riego, ya que tanto el ganado como las personas pueden acceder directamente a la orilla, y por otro lado la calidad del agua es muy pobre. Las alturas de bombeo son típicamente menores a 5 metros. Las bombas FV flotantes de corriente continua encuentran su aplicación en el rango de 100 a 150 m 4 /día, que corresponde a regadíos de superficie de menos de una hectárea. Por encima de esta superficie, el bombeo mediante grupos electrógenos es una alternativa mucho más barata. Por otro lado existen los pozos, abiertos con medios artesanales y que alcanzan las capas de agua más superficiales. Tienen una profundidad entre 5 y 20 metros, su capacidad para dar agua es inferior a 10 m 3 /día y muestran un comportamiento fuertemente estacional. Para situaciones inferiores a 70 m 4 /día, las bombas manuales suelen ser una alternativa mejor desde el punto de vista económico. 3. Bombeo de agua En aplicaciones de baja potencia (< 200 W p ) se utiliza una gran diversidad de bombas: de diafragma, de pistón, etc. Para aplicaciones de mayor potencia, la oferta del mercado se reduce a una única solución: la bomba centrífuga multietapa. Son muy fiables y pueden emplearse en un amplio abanico de alturas y caudales.

muy pobre. Las alturas de bombeo son típicamente menores a 5 metros.

3 4. Diseño del sistema El punto de partida del diseño de un sistema de bombeo fotovoltaico es el estudio técnico y socioeconómico del lugar. Esto incluye: Población y distribución de la misma Necesidades existentes de abastecimiento de agua y fuentes Usos y prioridades que se les da al agua Organización social de la comunidad y actividades económicas. El método de diseño técnico está basado en calcular el sistema para el mes peor, es decir aquel para el cual la relación entre la demanda de bombeo de agua y la irradiación solar es mayor. El cálculo sin embargo se va hacer en función de la potencia, es decir, se calcula la potencia eléctrica que hay que suministrar al motor-bomba para satisfacer las necesidades de bombeo de agua, y el número de paneles capaces de entregar dicha potencia. La potencia eléctrica que necesita el motor viene determinada por su eficiencia en convertir potencia eléctrica en potencia hidráulica, por el caudal de agua que se quiere extraer, Q d y por la altura a la que se quiere elevar, H. Caudal requerido de agua, Q D Hay que cuantificar las necesidades de agua, las cuales dependen del uso final de las mismas: consumo humano, ganado o irrigación de terrenos. Un consumo de agua entre 15 a 20 litros por persona y día, es un criterio razonable de diseño para instalaciones situadas en comunidades rurales de países en desarrollo. La prevención del pastoreo excesivo en las zonas que rodean al pozo debe ser considerado. Es un hecho comúnmente aceptado considerar como radio máximo recomendable de pastoreo unos 4 kilómetros. El agua utilizada con fines de irrigación se caracteriza por grandes variaciones entre los distintos meses, y es dependiente de la naturaleza de los cultivos, el régimen de lluvias, y la eficiencia del sistema de riego. Valores entre 50 y 300 metros cúbicos por hectárea y día son frecuentes. No es económicamente rentable extraer agua para riego de pozos de profundidad superior a los 10 metros. Altura total, H T Durante el proceso de bombeo, el nivel del agua en el interior del pozo tiende a bajar, hasta que la velocidad con la cual se filtra agua a través de las paredes del mismo llega a equilibrar aquella a la cual

4 se bombea el agua al exterior. Por lo tanto, cuanto mayor sea la tasa de extracción, mayor será la caída del nivel del agua en el interior del pozo. El descenso de dicho nivel depende de un cierto número de factores, como el tipo y permeabilidad del suelo y el espesor del acuífero. Tres son los datos que caracterizan a un pozo después de la prueba de bombeo: el nivel estático, H ST(m), el nivel dinámico, H DT(m) y el caudal de prueba, Q T(m 3/h). La potencia, el caudal y por tanto, la altura total no son constantes, sino que varían con el tiempo, debido a la variación de la irradiación. Por este motivo se define una altura total equivalente, H TE, como una hipotética altura constante que conllevaría el mismo volumen diario de agua bombeada. De esta forma, el cálculo se independiza del pozo en cuestión y de las características de las tuberías, interviniendo sólo las condiciones climatológicas y las características de la bomba fotovoltaica. Perfiles de difusión del agua alrededor del pozo La altura total equivalente se calcula mediante la siguiente fórmula: H TE = (1/0.9)(H ST + H CI +((H DT H ST )/Q T )*Q AP ) Donde: H ST,H DT y Q T han sido definidos previamente, H CI es la altura del depósito, Q AP tiene el significado de un caudal aparente cuyo cálculo es: Q AP =0.1Q D /G d (β)*1kw/m 2. El factor 09 es una forma de tener simplificadas de tener en cuenta las pérdidas por fricción en las tuberías. Dichas pérdidas están en función del caudal medio. Por simplicidad se ignoran las pérdidas de accesorios (válvulas, codos, etc.) suponiéndolas despreciables frente a las pérdidas totales.

Tres son los datos que caracterizan a un pozo después de la prueba de bombeo: el nivel estático, H ST(m), el nivel dinámico, H DT(m) y el caudal de prueba, Q T(m 3/h).

5 Perdidas de cargas de tuberías Expresiones en metros por cada 100 metros de tubería recta 5. Método de cálculo Datos previos Se deben tener los siguientes datos: Latitud del lugar Datos de radiación solar: los doce valores mensuales de Gdm (0), expresados en kwh/m 2 -día Características del pozo: la profundidad, el nivel estático, el dinámico, el caudal de prueba, la altura del depósito y la distancia del pozo al depósito. Luego se calcula el mes peor, a partir del agua necesaria y de la irradiación captada. Para dicho mes

mensuales de Gdm (0), expresados en kwh/m 2 -día Características del pozo: la profundidad, el nivel estático, el dinámico, el

6 se calcula la altura total equivalente que tendría que vencer el agua. Luego se elige la bomba a partir de la altura y el caudal y calcular la potencia eléctrica necesaria para su funcionamiento. Calcular el número de paneles que han de suministrar esa potencia eléctrica. Para facilitar el cálculo se puede hacer una pequeña tabla para llenar y hacer más fáciles los cálculos. Cálculo del mes Peor Una vez llenada esa tabla se procede a calcular el caudal instantáneo aparente, el caudal de la altura total equivalente. Una vez hecho estos cálculos se hace la elección de las tuberías del poso del depósito, luego se hace la elección de la bomba fotovoltaica y de la potencia eléctrica necesaria P EL. Por último se hace la comparación de la bomba, aquí se debe poder comprobar que la bomba elegida no supera, a la potencia, el caudal máximo que permite bombear el pozo, Q T. En el caso límite de bombear máximo caudal, se trabaja con el nivel dinámico, H DT, por lo que se utiliza el valor de (H DT + H CI ) como altura total en la gráfica, y el P EL como abscisa. La ordenada correspondiente ha de ser menor que Q T. Fuente: INGENIERIA SIN FRONTERAS; Energía solar fotovoltaica y cooperación al desarrollo, IELPALA, Madrid, 1999.

Cálculo del mes Peor Una vez llenada esa tabla se procede a calcular el caudal instantáneo aparente, el caudal de la altura total equivalente.

7 Mayor información: Servicio de consultas técnicas Soluciones Prácticas-ITDG

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