Sistema de medición para la evaluación y puesta en marcha de sistemas de bombeo fotovoltaico. Autores:

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1 1 Sistema de medición para la evaluación y puesta en marcha de sistemas de bombeo fotovoltaico Autores: Reinhold Schmidt, Raúl Sapiain, Camilo Flores, Ariel Torres, Aníbal Díaz. Centro de Energías Renovables Facultad de Ingeniería Universidad de Tarapacá e- mail: rschmidt@ lluta.mecan. uta.cl Resumen El Centro de Energías Renovables de la Universidad de Tarapacá, trabaja actualmente en desarrollar nuevas alternativas de aplicación para las energías renovables, es así como se han implementado, sistemas pilotos de bombeo fotovoltaico de pequeña y mediana envergadura, enfocada al desarrollo de la agricultura en valles y desiertos en la primera región. Dentro de este programa, se han instalado, sistemas de evaluación con registros automáticos de datos, con el fin de monitorear y evaluar el comportamiento, de tres estaciones de bombeo fotovoltaico, distribuidas geográficamente en el valle de Chaca, valle de Vitor, que es una prolongación del valle de Chaca hacia la costa, y la pampa del Tamarugal camino a Soga. El objetivo de las mediciones, es evaluar los sistemas desde un punto de vista técnico y económico. El trabajo presenta las experiencias obtenidas en la selección de variables a medir, la implementación de los sistemas de adquisición de datos, sus consideraciones técnicas y los primeros resultados obtenidos.

2 2 Introducción Las instalaciones de bombeo fotovoltaico se distribuyeron en lugares seleccionados por características climáticas y geográficas, sin red de distribución convencional de energía, con un potencial hídrico adecuado para el desarrollo de la agricultura y posibilidades de dar valor agrícola a tierras que actualmente no lo tienen. En dos de los casos se trabaja con agricultores que además de cumplir con los requisitos mencionadas utilizan para el riego sistemas de grupos electrógenos con muchas dificultades técnicas, para proyectar su producción agrícola. Los lugares seleccionados para las instalaciones del proyecto de monitoreo son los siguientes: Valle de Vitor, parcela cercana a caleta Vitor. Producción del sistema de bombeo Potencia del generador solar : 15 m3 día : 1155 Wp Valle de Chaca, parcela ubicada en el centro del valle. Producción del sistema de bombeo : 8 m3 día Potencia del generador solar : 330 Wp Pampa del Tamarugal, parcela ubicada cerca de la pampa de Soga. Producción del sistema de bombeo :35 m3 día Potencia del generador solar : 1760 Wp La figura N 1 muestra un esquema general de instalación de los sistemas de bombeo fotovoltaico, el equipo de adquisición de datos y los parámetros a medir. Figura N 1

3 3 Sistema de adquisición de datos La configuración del sistema de medición, está compuesta de un equipo de adquisición automático de datos de 20 canales de entrada, 12 bits y registros, además de 99 canales de cálculo con su respectivo software de programación. El modelo del equipo de registro automático es Modas 1220 de la empresa NES. Los parámetros a medir para evaluar el comportamiento de los sistemas son los siguientes: Radiación global inclinada (piranómetro CM6B) Temperatura ambiental (PT100) Humedad relativa Velocidad del viento Temperatura de la célula (ESTI) Voltaje del generador solar Corriente del generador solar Caudal de la bomba Caudal de consumo principal Caudal de consumo adicional Nivel de agua sobre el sensor de presión del pozo Presión, medida en el cabezal del pozo Sensor del estanque El equipo de adquisición de datos permite programar mediante software sus entradas de medición y adicionar a sus entradas amplificadores acondicionadores de señal, según la variable a medir. sus canales de entrada se dividen en canales analógicos de ± 10 V y digitales configurados como contadores de 0-5 V, además posee salidas de alimentación para los sensores de 1mA y ± 5 V. Las constantes de calibración de los sensores son ingresadas en el programa del modas12 con la correspondiente declaración de variables. Los canales de cálculo son programas que interactúan con los canales de medición para la ejecución de cálculos. Procedimiento utilizado. El procedimiento utilizado antes de la instalación del equipo de medición en terreno se dividió en las siguientes etapas. Preparación del programa de medición para la etapa de adquisición de datos. Cargar el programa al equipo de adquisición de datos con el programa de medición y verificar su funcionamiento. Verificar la ubicación física de los sensores en terreno para determinar el largo de cable. Selección de tarjetas acondicionadoras de entrada para cada sensor. Ajuste de las tarjetas de entrada (cero, amplificación) Calibración de sensores de presión, caudal.

4 4 Implementación del sistema de medición Como un ejemplo de aplicación se analizará la estación de medición ubicada en el valle de Vitor. Altura total de impulsión de la bomba. La figura N 2 muestra el esquema de instalación de los sensores de presión para la medición de la altura total de impulsión de la bomba. Fig. N 2 El punto de referencia es el cabezal del pozo. hp columna de agua sobre el sensor P1. hd nivel dinámico del pozo P2 sensor de presión P2= ht + hg -hk +hl hl pérdidas de conducción Por lo tanto la altura de impulsión de la bomba es: Htot = hd + hk + P2 Las características de la instalación son las siguientes: Profundidad del pozo : 28 mt Distancia al sensor de presión : 27mt Distancia hk entre el cabezal del pozo y el sensor P2 : 0.28 mt

5 5 Para el canal de medición se utilizó un sensor de presión DRUCK tipo PDCR 910 cuyas características son las siguientes: Presión máx : 2 bar Alimentación : 10 Volts Compensación de temperatura : -2 a +30 C Constantes de calibración mv corresponde a m.c.a 0.22 mv corresponde a cero m.c.a La conexión de entrada del sensor de presión al canal de medición del equipo de adquisición de datos, se realizó con una tarjeta diferencial de acondicionamiento de señal, con ajuste del cero y amplificación. La calibración de la tarjeta se realizó en el laboratorio y como un primer paso del procedimiento de calibración, se conectó la entrada a una fuente de milivolts para controlar las lecturas obtenidas con los valores de las constantes de calibración del sensor, posteriormente se instaló el sensor con el largo del cable de medición a utilizar en terreno y se aplicó una columna de agua conocida, nuevamente se verifican las lecturas, las que se corrigen de ser necesario con los ajustes de la tarjeta. El canal de entrada descrito. El sensor P1 nos permite medir el nivel de la columna de agua hp y el nivel dinámico se obtiene en un canal de cálculo. El procedimiento anteriormente descrito, se utiliza también para la instalación del sensor de presión P2 con el que se obtiene la altura y las pérdidas desde el cabezal del pozo hasta el estanque, permitiéndonos así calcular la altura total que impulsa la bomba. El gráfico N 1 nos muestra los datos obtenidos, procesados como niveles máximos y mínimos de la altura dinámica del pozo durante el período mayo/agosto de Vitor,nivel dinámico máx. y mín periódo Mayo/Agosto1998 Nivel dinámico en mts /5 4/6 14/6 24/6 4/7 14/7 Días 24/7 3/8 13/8 23/8 Gráfico N 1

6 6 Se puede apreciar en la curva un leve descenso del nivel dinámico del pozo que corresponde a un período donde las napas subterráneas no tienen el aporte de aguas del invierno Altiplánico, que es el que alimenta los valles de la región. Caudal de la bomba. La instalación del medidor de caudal, se realiza aguas arriba del sensor de presión P2. El medidor de caudal utilizado, es del tipo contador acumulador mecánico, el caudal nominal es de 10 m3/h y está provisto de un sensor Hall que se acciona cada un litro, lo que nos permite configurarlo como un generador de pulsos y conectarlo al equipo de adquisición de datos a un canal tipo contador. La preparación de la instalación del medidor de caudal, se realizó en el laboratorio en un banco de prueba de bombas, verificando las lecturas instantáneas obtenidas por el equipo de adquisición de datos. El gráfico N 2 muestra el resultado obtenido del caudal impulsado por la bomba en función de la radiación. Gráfico N 2 Caudal en m3/h Vitor, caudal vs. radiación Radiación en W/m2 Se puede concluir respecto a este gráfico, que el caudal nominal de la bomba con una radiación de1000 W/m2 corresponde al valor especificado por el fabricante (Qn=2.6 m3/h), También se puede observar, que la bomba comienza a funcionar con una radiación de 253 W/m2), e impulsa un caudal de 0.7 m3/h.

7 7 Vitor, Potencia dc vs. radiación Gráfico N Potencia dc en Watts Radiación en W/m2 El gráfico N 3 representa la potencia dc en Watts, en función de la radiación y nos muestra el punto de partida de la bomba, respecto a la potencia dc necesaria para sacarla de la inercia. El funcionamiento, comienza con una potencia del generador solar de 210 Watts generados por una radiación de 253 W/m2, además se puede apreciar una leve disminución de la potencia con la temperatura, a medida que el generador solar se acerca a su potencia máxima. 25 Gráfico N 4 Vitor, Radiación/Caudal diario periódo Mayo-Agosto 1998 Caudal en M3/día Radiacón global diaria en W/m2 día El gráfico N 4 de caudal diario vs. Radiación global diaria, durante el periódo Mayo- Agosto. La ubicación de la mayoría de los puntos obtenidos indican, que la relación entre el volumen diario de agua y la radiación global diaria es una función lineal. Los puntos dispersos bajo esta tendencia corresponden a días en que no hubo un aprovechamiento óptimo del sistema ( menor utilización del sistema, estanqes con máxima capacidad )

8 8 Conclusiones La implementación de sistemas de registros de datos en estos nuevos sistemas entrega una gran cantidad de información valiosa, tanto para el campo de bombeo como para el campo agrícola. En primer lugar, los datos permiten evaluar el comportamiento de los sistemas de bombeo a corto y largo plazo y, en segundo lugar, disponer de un potencial de información para la optimización de los diseños de bombeo. Además, la información obtenida es aplicable para establecer un banco de datos meteorológicos e hídricos en lugares, que actualmente no cuentan con esta información. Finalmente, los datos especialmente del consumo de agua permiten determinar el consumo real de los cultivos contemplados para posteriormente optimizar el riego tecnificado.