PROVISION DE AGUA MEDIANTE BOMBA NEUMATICA ACCIONADA CON ENERGÍA SOLAR A UNA POBLACION RURAL DISPERSA

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1 PROVISION DE AGUA MEDIANTE BOMBA NEUMATICA ACCIONADA CON ENERGÍA SOLAR A UNA POBLACION RURAL DISPERSA RODRIGO, Vítor - DIGENNARO, Jorge - RIBOTTA, Sergio - MONASTEROLO, Riardo Universidad Naional de San Luis - Faultad de Ingeniería y Cienias Eonómio Soiales Tel.: / Fax: rodrigo@fies.unsl.edu.ar Avenida 25 de Mayo 384 (5730) V. Meredes - San Luis ARGENTINA RESUMEN Las ompañías que deben suministrar energía elétria a nuevos onsumidores, espeífiamente a aquellos ubiados en zonas rurales, enfrentan una situaión bastante problemátia debido básiamente a una limitada apaidad de distribuión de la red elétria existente. Esta problemátia se aentúa muho más en las zonas rurales o en aquellas zonas omprendidas dentro del programa de abasteimiento elétrio de la poblaión rural dispersa [Ministerio de Eonomía, 1995], en las uales la demanda o la densidad poblaional es muy reduida. Es por ello que se trata de hallar una alternativa para el suministro de energía elétria que sea posible desde el punto de vista eonómio y ténio, surgiendo de ellas, la provisión de energía a través del reurso solar. En la región de influenia de Villa Meredes, dediada a los ultivos extensivos y a la ganadería se requiere extraer aguas subterráneas, para la alimentaión del ganado y de los propios habitantes rurales. Esta se enuentra a una profundidad promedio de unos metros. Los atuales proedimientos empleados, bombas para la extraión sumergidas en la perforaión, ilindros on pistones y juntas de uero, varillas extremadamente larga para mover dihos pistones et., tienen por estas araterístias importantes desventajas que se susitan a la hora de efetuar su reparaión o mantenimiento. El osto es en onseuenia elevado y esto trae omo resultado numerosos asos de abandono de la instalaión y on ello de la atividad. Por esta ausa se penso desarrollar un dispositivo que no tuviera partes móviles para que los ostos de mantenimiento y reparaión se reduen notablemente, además permite que sea el mismo obrero rural el que lo lleve a abo. Una bomba de aire omprimido reunirá estas ondiiones y el ompresor se aionara mediante paneles fotovoltaios reduiendo así los gastos en ombustible y aarreo de este. Además, es de haer notar, la simpleza en la onstruión del dispositivo. En resumen, la finalidad de este trabajo es presentar en onjunto una alternativa para el suministro de agua potable espeífiamente apliada a una zona aislada, basada prinipalmente en la utilizaión de energías renovables, omo por ejemplo la energía solar y la utilizaión de un novedoso sistema de extraión de agua subterránea mediante la apliaión de una bomba neumátia.

2 INTRODUCCION De manera paralela y onjunta se realizó el estudio de: 1. El sistema de bombeo neumátio, el ual se desarrolló íntegramente, desde la etapa de investigaión, diseño, prueba, y ejeuión ompleta del sistema. Se llevaron a abo ontinuos desarrollos y modifiaiones que han permitido ir mejorando notablemente la efiienia y el alane de este sistema de extraión de agua a profundidad. 2. El reurso solar disponible en la zona, se determinó para ello la irradiaión solar global y difusa en valores horarios sobre una superfiie inlinada. 3. El sistema fotovoltaio neesario, se determinó en funión de las neesidades de onsumo previstas (punto 1) y de los reursos energétios (punto 2), estimando sus ostos y posteriormente se realizó la omparaión on distintas variantes o alternativas indiando las ventajas y desventajas ténio-eonómias para ada aso. 1. BOMBA NEUMATICA 1.1. Desripión y funionamiento Se trata de un dispositivo para extraer agua de ierta profundidad, por medio de aire omprimido. En la Figura 1 la fuente de aire omprimido esta omuniada por la tubería de aire, on una ámara sumergida en el agua, por debajo del nivel de la misma en la perforaión. De la ámara, sale la añería de agua, que se eleva hasta el nivel del terreno y esta omuniada on la atmósfera. Suponiendo que se pone la bomba en funionamiento por primera vez, la ámara y la añería están llenas de agua hasta el nivel estátio omo muestra la Figura 1, el agua ha ingresado a la ámara y a la añería, por las válvulas de retenión TR1 y TR2 porque estaba abierta la eletroválvula de dos vías que omunia on la atmósfera y errada la parte que omunia on el ompresor pulmón de aire omprimido [Di Gennaro et al., 1997, 1998, 1999]. En ierto instante, se invierte el sentido de la eletroválvula on lo ual, la presión del aire omprimido, que atúa sobre el agua de la ámara, la obliga a ingresar a la añería a través de TR2, a la vez que obliga a errarse, a la válvula TR1. El agua, entones, sube por la añería, mientras baja en la ámara, hasta el nivel inferior, por enima de TR2; en ese instante, neesitamos distinguir, entre tres asos posibles; para eso, llamamos: V : Volumen audal.- volumen entre el nivel del pozo y el nivel inferior (altura L ), en la ámara, desontando el volumen de la longitud L de tubería de agua. Es el volumen barrido por la superfiie libre del agua de la ámara. Es el volumen que determina el audal. V d : volumen de la añería de agua, entre el nivel del pozo y el nivel de tierra (altura H ). Los tres asos posibles son: 1) V V, en la primera etapa de ompresión, la añería se llena de d

3 L H agua, (ebado) y entrega agua. 2) V V, en la primera etapa de ompresión, la añería se eba, d pero no entrega agua. A este valor del volumen V lo llamamos volumen audal limite, V lim. 3) V V d, en la primera etapa de ompresión, la añería no se llena de agua. Según la relaión entre los valores de V y V d, la añería se eba en una etapa mas o en varias etapas más. Supongamos, para seguir on el funionamiento, que V V. Entones, al llegar al nivel inferior, d Fuente de aire omprimido 2. Salida de agua 3. Eletroválvula AB 4. Nivel de agua 5. Cámara 6. Válvula de retenión TR1 7. Válvula de retenión TR2 8. Nivel del suelo 9. Perforaión 10. Control automátio de la eletroválvula AB 5 6 Figura 1 Croquis esquemátio de la bomba neumátia indiando las partes prinipales y los omponentes de la misma.

4 (la añería ya está entregando agua), se ierra la eletroválvula y omienza la etapa de esape, la ámara queda omuniada on la atmósfera, de modo que el aire esapa y el agua ingresa a la ámara por TR1 hasta el nivel estátio de la perforaión. El agua en la añería, no puede desender, porque se lo impide TR2. De esta manera, se ompleta un ilo y la bomba ya esta lista para iniiar una nueva etapa de ompresión. Debemos observar que; el trabajo entregado al aire para omprimirlo, se pierde porque se lo hae esapar a la atmósfera. Si la válvula, en la misma posiión relativa, se oloa a una profundidad, apenas por enima de la ámara y nivel del agua, de modo que la tubería de aire forme parte del ompresor pulmón de aire omprimido, evitamos así el trabajo de ompresión del aire ontenido en la tubería y ahorramos energía Energía Calularemos el onsumo de energía de un modelo ideal que se supone sin pérdidas, on movimiento infinitamente lento, de modo que en ada instante, el sistema esté en equilibrio estátio; o sea: el sistema evoluiona y se mueve, según una suesión de infinitos estados de equilibrio estátio. En estas ondiiones, la energía entregada al sistema en la etapa de ompresión, durante la ual, el nivel del agua en la ámara, baja desde el nivel del pozo hasta el nivel inferior, está dado por la siguiente euaión [Mataix, 1978]: en donde: P e : peso espeifio del agua. H : profundidad del nivel del agua en el pozo. L : altura del nivel superior al nivel inferior de la ámara. p a : presión atmosféria. p f : presión final de la etapa de ompresión, pf 1 E Pe V ( H L ) p dv (1) 2 pa p f p ( H L ) (2) a El signifiado físio de los dos términos de esta euaión, es el siguiente: es el aumento de la energía potenial del peso e P V ( H L ) (3) 1 e 2 pf pa P V de agua p dv (4) es el trabajo de ompresión del aire, desde la presión atmosféria, hasta la presión final. Si suponemos una ompresión isotérmia, este trabajo es: p f p f V f ln (5) pa

5 donde, V f : volumen final del aire en la ompresión. V f V V (6) a donde : V a : volumen de la tubería de aire Potenia E, es la energía onsumida en un ilo del modelo ideal y se expresa así: E( J / ilo ) E( J / ). Apliamos este valor de E, a una bomba real, funionando on n ( ilos / seg ) = n ( / s ) y obtenemos la potenia: N(W ) E( J / ) n( / s ) (7) 1.4. Caudal 3 V, es el volumen entregado en un ilo por la bomba ideal y se expresa así: V ( m / ) apliamos este valor de V a una bomba real, funionando on n ( ilos / seg ) y obtenemos el audal : 3 3 Q ( m / s ) V ( m / ) n ( / s ) (8) 1.5. Experienias Se onstruyo un prototipo de auerdo on el esquema de la fig. 1, para experienias de poa profundidad (1m, 6m, 12m, 18m, 30m), de modo de haer mediiones, observaiones del funionamiento en general, y en forma partiular de las válvulas de retenión y eletroválvula. El ompresor pulmón es un ompresor de 1,5 lts, 8atm, 1100 W de potenia. Este pulmón provee, a través de un regulador de presión, una presión mayor que la máxima neesaria, manteniendo así el funionamiento de la bomba. Periódiamente, se pone en funionamiento automátiamente el ompresor para mantener la presión de trabajo. La ámara y la añería de agua, son de polipropileno que pueden ensamblarse mediante rosas; la añería de aire es de plástio reforzado. Las válvulas de retenión son de ara plana. La eletroválvula que omanda el aire omprimido, se ontroló en una primera instania on ontatos omandados por los niveles superior e inferior del agua en la ámara. Las dimensiones son: L 270 mm D 48 mm (diámetro de la ámara), D 19 mm (diámetro añería extraión de agua) 3 V 380 ( m ) 0, 38 lts V 0 (porque la tubería de aire es muy orta) a

6 1.6. Mediiones y álulo Con el equipo desripto, se realizaron tree ensayos, en los uales, para distintos valores de profundidad H y presión de trabajo p t, se midió y aluló: C audal, El energía por litro, t duraión del ilo, tiempo de arga (variando la profundidad de la ámara respeto a el nivel estátio del agua en la perforaión 1m; 1,5 m), t a tiempo de desarga (variando la presión de trabajo) Ensayos y resultados Con la ámara se realizaron tree ensayos, para distintos valores de profundidad hasta treinta metros, de modo de haer ensayos, mediiones y observar el funionamiento de los tiempos de arga y desarga de la ámara en funión del nivel del agua de la perforaión y presión de trabajo; on ello se enontró que los tiempos de arga para los distintos parámetros fueron los siguientes (medido por enima de la parte superior de la ámara): - nivel 1 ota 0,00 m tiempo de arga 3,00 seg. - nivel 2 ota 0,50 m tiempo de arga 2,50 seg. - nivel 3 ota 1,00 m tiempo de arga 1,20 seg. - nivel 4 ota 1,50 m tiempo de arga 1,00 seg. - nivel 5 ota 1,75 m tiempo de arga 0,90 seg. Con estos valores se enontró una disminuión onsiderable de 2,5 seg. tiempo de arga para ota Nº2 on 0,50 m por enima del nivel superior a un segundo de tiempo de arga para una ota de 1,5 m. Tabla 1 Valores araterístios sobre el funionamiento de la bomba para tree experienias a nivel 2 (N2) y nivel 4 (N4) # H m p t atm C l/h N2 C l/h N4 % A E l Wh/l N2 E l Wh/l N4 t seg. N2 t seg. N4 t a seg , % 0,09 0,24 3, , , % 0,09 0,28 3, , % 0,10 0,3 3, , % 0,12 0,32 3, ,70 5 6,4 1, % 0,14 0,4 3, , % 0,17 0,46 3, ,80 7 6, % 0,20 0,52 3, ,70 8 6, % 0,18 0,53 2, , % 0,22 0, , % 0,27 0,71 3, , % 0,31 0,81 3, , % , % ,45

7 Se omenzó a trabajar on el nivel uatro on ota a 1,50 m on un tiempo de arga de 1 seg y a alturas entre un metro y treinta metros enontrándose para la misma presión de extraión y a una misma altura, aumento en el audal de extraión entre un 70% a un 90% obteniéndose audales alrededor de los 750/850 litros de agua por hora on una ámara de treinta y oho m 3. Este aumento en el audal de extraión de agua por hora, se debe a la disminuión de los tiempos tanto de arga omo de desarga; es neesario onoer on exatitud el tiempo de arga de la ámara que está introduida en el agua de la perforaión omo así también el tiempo de expulsión del mismo, aunque este dependerá en buena medida de la presión de aire omprimido que se le está inyetando. Con estos valores se programa un PLC para que omande la eletroválvula. En la Tabla 1 y en la Figura 2 a) y b) se muestran los resultados obtenidos para diversas experienias. Por otra parte, la pequeña profundidad del ensayo y onseuentemente la pequeña energía útil puesta en juego, haen resaltar las pérdidas loales en válvulas de retenión, et. C 1200 p t 12 (a) H p t [atm] C [l/h] N2 C [l/h] N4 H [m] t E l (b) H E l [Wh/l] N4 t [seg] N2 t [seg] N4 H [m] Figura 2 Resultados de valores araterístios sobre el funionamiento de la bomba obtenidos para diversas experienias (13) a nivel 2 (N2) y nivel 4 (N4).

8 30 m 60 m 30 m 1.8. Ventajas de la bomba La prinipal ventaja de la bomba, es la de no tener partes omplejas o partes móviles sumergidas, salvo dos simples válvulas de retenión; su parte más ompleja es el ompresor, que esta en el ámbito del nivel del suelo, por lo ual es muy aesible para su mantenimiento reposiión. Su estrutura es muy simple y también su funionamiento Conlusión (1) La primera y prinipal onlusión de los ensayos es que la bomba en su onjunto o funiona orretamente en todas sus partes, de auerdo a lo previsto. De los ensayos, surge también, que sumergiendo más la ámara, se redue el tiempo de arga y se onsigue aumentar el audal. Vemos que para extraiones de 30 metros la presión varia entre 4 a 6 Kg/m 2, y para más profundidad la presión aumentará onsiderablemente, es por ello que se ha diseñado un nuevo sistema de extraión para Regulador Generador fotovoltáio Batería elétria PLC 12V CC Tablero Inversor Compresor de aire Eletroválvula de aire omprimido 2. Válvula de retenión 2,5 3. Válvula de retenión ¾ 4. Caño ¾ 5. Cámara 1 6. Cámara 2 7. Cañería ¾ aire omprimido 8. Ciruito elétrio de omando de eletroválvulas 220V CA Figura 3 Corte esquemátio del sistema de bombeo de agua mediante aire omprimido de dos etapas integrado on la parte de generaión elétria a través de energía solar

9 profundidades mayores que esta, oloando una segunda ámara a treinta metros por enima de la anterior. En la Figura 3 se presenta un esquema global para la extraión de agua a profundidad. Generaión de energía elétria, a través de paneles solares, para argar baterías a través de un regulador de voltaje; luego on un onversor de orriente y elevador de tensión generamos aire omprimido y damos tensión a un PLC (mara SIEMENS LOGO 230RC 6 entradas 4 salidas) para omandar las dos eletroválvulas de aire omprimido, de apertura y ierre, (Ref. 1) una ubiada a 60 metros de profundidad en la ámara (Ref. 5) y la otra ubiada a 30 metros en la segunda ámara (Ref.6). La seuenia de ambas ámaras es la siguiente: Cuando la ámara 2 (Ref. 5) se enuentra sumergida dentro del agua, 1,50 metros por debajo de la misma, tarda 1 segundo en argarse de diho elemento; en ese mismo instante la ámara 1 (Ref.6) a través del PLC y de la eletroválvula (Ref.1) le inyeta una ierta antidad de aire omprimido a una presión de 4-6 Kg/m 2 y expulsa el agua a la superfiie. Luego de un segundo el PLC orta la energía de la eletroválvula de la ámara 1 (Ref.6) y energiza la eletroválvula de la ámara 2 (Ref.5) inyetando aire omprimido a la misma a la misma presión, de este modo se arga la ámara 1 (Ref. 6) y luego orta la energía a la eletroválvula y energiza la otra y así suesivamente. Es deir que el tiempo de impulsión de la ámara 1 (Ref.6) es el mismo tiempo de arga de la ámara 2 (Ref.5) y el tiempo de arga de la ámara 1 (Ref.6) es el tiempo de impulsión de la ámara 2 (Ref.6), todo esto ombinado para que funione armóniamente on el PLC, regulando y programando los distintos tiempos de arga y desarga de ambas ámaras. Con ello logramos trabajar on menores presiones de aire omprimido tanto en la expulsión del agua omo la generaión de aire omprimido (entre 4 a 6 kg/m 2 ) ya que para extraer agua a 60 metros de profundidad on una sola ámara, neesitaríamos entre 8 a 10 Kg/m 2 de presión de aire omprimido. Todas estas experienias se están realizando on simuladores de profundidad a través de distintas válvulas de esape previamente seleionadas y alibradas para poder así ontrolar los distintos tiempos de impulsión y de arga de ambas ámaras omo también regular las presiones de trabajo, para, on todos estos datos, enontrar la potenia elétria neesaria para la extraión de agua a distintas profundidades. Del análisis del funionamiento, surge laramente que se trabaja on presiones que son la mitad de las presiones neesarias uando se tiene la segunda ámara. 2. ENERGIA SOLAR 2.1. Introduión En un trabajo previo se elaboró una base de datos que ubre prátiamente dos déadas de valores medios mensuales de irradiaión solar horizontal H e irradiaión solar difusa H d, para V. Meredes empleando datos de irradiaión registrados en la zona durante dos años por la Red Solarimétria Naional [S.M.N., 1980/1982] y datos de heliofanía relativa durante veinte años

10 provistos por el Serviio Meteorológio Naional (S.M.N.). A partir de estos datos se generó: la irradiaión horizontal horaria I y la irradiaión horizontal difusa horaria I d, ambas expresadas en valores medios mensuales. Luego, obtuvimos la irradiaión direta horizontal Ib a partir de las dos anteriormente deduidas, y alulando el ángulo zenital horario Z determinamos la irradiaión solar direta normal I d. Con estos datos se estimó la irradiaión que reibiría un oletor plano on seguidor solar, un oletor plano fijo inlinado 45 o al Norte y un oletor plano inlinado 45 o al Norte on seguidor solar [Monasterolo et al., 1998] Fundamentos Para este fin vamos a postular que la distribuión horaria de la irradiaión solar global en valores medios mensuales H tiene una urva semejante a la distribuión horaria, en valores medios mensuales de la irradiaión solar horizontal sin atmósfera H o, para un mes ualquiera del año. Esta es una suposiión razonable para una loalidad omo Villa Meredes, sin serranías en sus proximidades, lo que implia suponer que la presenia y permanenia de nubes en el ielo es totalmente independiente de la hora del día. De manera que la figura de H resultante de la superposiión de n días del mes (600 para dos déadas) es regular omo el resultado del efeto ompensador de la presenia azarosa en el tiempo de las nubes Metodología del trabajo A partir de los datos de irradiaión solar global H tomada en plano horizontal y de heliofanía n obtenidos en Villa Meredes, a través de la estaión INTA, se genera una base de datos on los uales se obtienen los oefiientes de la euaión de Angstron-Page [Iqbal, 1983]: en donde resultó: H H o n a b. (9) N a 0,2089 y b 0, 5388 Una vez determinados los oefiientes a y b y on los datos de heliofanía relativa durante veinte años provistos por el S.M.N., se obtuvo una base de datos de irradiaión global H. Luego, utilizando la base de datos anterior y mediante la orrelaión de Iqbal [Iqbal, 1979] se determinó la irradiaión difusa H d para el mismo período: H d 0, 958 0, 982.Kt (10) H Luego a partir de estos datos, vamos a obtener la irradiaión horizontal horaria I partiionando la irradiaión solar global (valores medios mensuales) en horas. Se empleará la formulaión de M. Collares-Pereira y A. Rabl [Pereyra-Rabl, 1979]:

11 uyos oefiientes a y b valen: r h I os os s a bos (11) H T sen s s os s a 0, 409 0, 5016sen( s 1, 047 ) (12) b 0, , 4767sen( s 1, 047 ) (13) obteniéndose así una tabla on los valores orrespondientes a la irradiaión global horaria I en funión del mes y del ángulo horario w s. Proedemos a hallar la irradiaión difusa horaria I d, a partir de la siguiente expresión rd Id Hd os os s (14) T sen s s os s De manera similar al paso anterior, enontramos los valores orrespondientes para la irradiaión difusa horaria I d, obteniéndose así una tabla on los valores orrespondientes en funión del mes y del ángulo horario w s. La irradiaión global horizontal diaria H, es el resultado de sumar la proyeión horizontal de la irradiaión normal direta H n mas la irradiaión difusa H d. Esto es: H Hb Hd (15) Lo mismo vale para la irradiaión global horizontal horaria. La proyeión horizontal de la irradiaión solar horaria Ib se determina a partir de la euaión por lo tanto: pero tenemos que: I Ib Id (16) Ib I Id (17) Ib In os (18) En base a la tabla de valores de la irradiaión global horizontal horaria I y de la irradiaión difusa horaria I d, podemos obtener I b. Por último, una vez determinado I b podemos hallar la proyeión sobre un plano horizontal de la irradiaión direta horaria I n, a través de la siguiente euaión z z Ib In (19) os Entones, primero se determinó os Z para el día araterístio de ada mes del año, y on las bases de datos obtenidas (de I e I d en funión del mes y del ángulo horario H b w s ), y trabajando on ellas se obtuvo una terera base de datos on los valores orrespondientes a I n, también en funión del mes y del ángulo horario w s.

12 Valor medio mensual de la irradiaión solar horaria [MJ/m 2 ] 2.4. Apliaión A ontinuaión, se determinaron los valores de irradiaión solar media mensual horaria que reibirá un oletor plano ubiado en la iudad de Villa Meredes (33 o 43 S). Se analizaron tres situaiones diferentes: 1) Con seguidor solar, 2) Inlinado 45 o Norte fijo y 3) Inlinado 45 o Norte on seguidor solar. Los valores de irradiaión que reibirá el oletor serán la suma de la omponente horizontal de la irradiaión normal direta I b mas la irradiaión difusa I d. Consideraremos para los asos de oletor inlinado a 45 o que la radiaión difusa que no reibe el oletor, debido a que por su inlinaión no puede ver una porión de la esfera eleste, esta disminuión se verá ompensada por la radiaión reflejada emitida por una fraión de la superfiie de la tierra, la que ve el oletor. Los valores de irradiaión determinados para estos oletores se muestran en la Figura 4. 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Coletor plano on seguidor solar Coletor plano a 45 grados N on seguidor solar Coletor plano a 45 grados Meses Figura 4 Valores medios mensuales de la irradiaión solar horaria [ MJ/ m 2 ] para distintos oletores ubiados en V. Meredes (33 º 43 º S) Los datos orrespondientes a la irradiaión global sobre un plano inlinado a 45 o expresados en Tabla 2 Valores de irradiaión Global sobre una superfiie inlinada a 45 º N en V. Meredes (S. Luis) utilizados para el diseño del sistema de PFV [KW-h/m 2 ] Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Ot Nov Di KW-h/m 2, son los que se muestran en la Tabla Nro. 2. En donde el valor de la irradiaión promedio mensual para la región es de 5,3 KW-h/m 2 por día, tomando omo valores promedios para el periodo de invierno de 4,7 KW-h/m 2 y para el periodo

13 de verano de 5,7 KW-h/m Conlusión (2) Se dispone de una base de datos generada on datos de dos déadas de la irradiaión solar en valores medios mensuales para la iudad de Villa Meredes de irradiaión horaria I h, I d e I n que nos permiten predeir resultados y así llevar a abo el desarrollo o la implementaión de nuevas experienias referentes a energía solar. 3. SISTEMA FOTOVOLTAICO 3.1 Introduión Para determinar el sistema fotovoltaio nos basamos en los puntos presentados anteriormente: 1- la utilizaión de un sistema de extraión de agua subterránea mediante la apliaión de una bomba neumátia, y 2- la determinaión de los reursos solares para una determinada región del país (V. Meredes - San Luis) La finalidad es poder evaluar eonómiamente en onjunto esta alternativa para el suministro de agua potable espeífiamente apliada a una zona aislada basada en la utilizaión de la energía solar. Además se efetúa una omparaión ténia-eonómia on otros tipos de energías y sistemas tradiionales, de manera de ofreer a poteniales usuarios, una herramienta que les ayude a tomar deisiones sobre la onvenienia o no de un sistema adoptado para el abasteimiento de agua. El primer paso fue onoer los reursos solares disponibles, se determinó para ello la radiaión solar global y difusa en valores horarios sobre una superfiie inlinada, luego en funión de las neesidades de onsumo previstas y de los reursos energétios se determinó el sistema fotovoltaío neesario, estimando sus ostos y posteriormente se realizó la omparaión on distintas variantes o alternativas indiando las ventajas y desventajas ténio-eonómias para ada aso Demanda energétia Sobre la base de los datos propios de diseño de la bomba, los onsumos aproximados de la misma en funión de la profundidad y del audal son los indiados en la Tabla Nro. 1. Basándose en los datos proporionados por un ganadero tipo, perteneiente a un estableimiento pequeño, en donde el reurso energétio será dirigido a la extraión y provisión de agua la ual será destinada a la rianza de aproximadamente 100 bovinos más el riego de una pequeña huerta perteneiente al asero. Consumo aproximado promedio = 3000 litros/día

14 Profundidad de extraión = 13 mts Con los datos de onsumo y profundidad entramos en la Tabla Nro. 1 y extraemos los siguientes datos provistos por la tabla de espeifiaiones orrespondiente a la bomba neumátia: Presión de trabajo = 2 kg/m 2 Caudal = 567 litros/hora Tiempo total por ilo = 2,5 seg Energía por litro = 0,58 Watt-hora/litro El tiempo de funionamiento del sistema de extraión de agua lo hallamos teniendo en uenta la neesidad del produtor y el audal entregado por la bomba, por lo tanto Tiempo de funionamiento por día = (3000 litros/día)/(567 litros/hora) = 5,3 horas/día Potenia neesaria por día = (0,58 Watt-hora/litro) x (3000 litros/día) = 1740 Watt-hora/día Potenia neesaria por hora (por día) = 1740 (Watt-hora/día)/(5,3 horas/día) = 328 Watt 3.3. Dimensionamiento del sistema fotovoltaio Parámetro de diseño: Uso: alimentaión de sistema de extraión de agua Ubiaión geográfia: Villa Meredes 33 º 43 S (San Luis) Consumo: 328 Wp en 220 Va Autonomía: 4 días al 70 % Tensión de trabajo: 12 V del generador solar Fator de seguridad: 15% Desripión del suministro Un generador elétrio de 400 Wp solar formado por: 5 módulos fotovoltaíos de 80 Wp 1 regulador de arga de batería 1 estrutura soporte, tipo olumna onstruida en año de 4 1 inversor 12 V a 220 Va 50 Hz (1500 VA) El bano de baterías se determinó para aumuladores tipo estaionario de plomo-áido de 12 V 220 A-h, para una autonomía de 4 días. La transferenia de la energía desde el ampo de módulos fotovoltaíos a las baterías es totalmente automátia, y se realiza on ontroladores de arga de uso omerial de araterístias aordes al aso estableido Evaluaión y omparaión de alternativas En la Tabla Nro. 3 se muestra un estudio omparativo de diferentes sistemas o alternativas para la obtenión de agua potable apliables (no signifia ello que sean los únios) en una zona aislada.

15 Dato básio para el álulo: 3000 litros/día Profundidad de extraión: 13 metros TABLA 3 Evaluaión y omparaión ténia-eonómia de un sistema fotovoltaio integrado para la extraión de agua on otros tipos de energías y sistemas tradiionales Fuente Proveedora de energía Energía Solar (paneles fotovoltaíos + bomba neumátia) Inluye: Perforaión (M.O.+ Mat.) Bomba neumátia Compresor Instalaión elétria (PLC, paneles solares, regulador, baterías, inversor) Instalaión meánia Energía eólia (molino a viento) Inluye: Perforaión (M.O.+ Mat.) Molino Instalaión Tanque de almaenamiento Energía químia (Grupo eletrógeno + eletrobomba) Inluye: Perforaión (M.O.+ Mat.) Generador Bomba neumátia Instalaión elétria Instalaión meánia Energía químia (Grupo eletrógeno + bomba Costo básio de Instalaión Costo de manutenión y De Funionamiento Ventajas $13000,00 $/mes 3,00 Mínimo mantenimiento No onsume ombustible Posee poas piezas en movimiento No ontamina el ambiente Instalaión modular permitiendo aumentar en forma gradual a la potenia instalada No sufre ningún tipo de desgaste (a exepión del ompresor de aire) Presenta una exelente resistenia a las ondiiones limátias Posibilidad de destinar la generaión de energía elétria para otro benefiio Vida útil generador fotovoltáio: 15/20 años Vida útil bomba neumátia: 10 años $ 7500,00 $/mes 2,00 No onsume ombustible Es relativamente silenioso No ontamina el ambiente Bajo osto Vida útil torre: 30 años $ 4271,30 $/mes 100,00 Disponibilidad de energía a ualquier hora del día y bajo ualquier ondiión limátia Bajo osto Posibilidad de destinar la generaión de energía elétria para otro benefiio $ 4755,30 $/mes 300,00 Disponibilidad de energía a ualquier hora del día y Desventajas Alto osto Dependiente de las ondiiones limátias (se ompensa on una ierta autonomía brindada por el bano de baterías) Período de amortizaión elevado Vida útil baterías: 5 años Vida útil ompresor: 3 años Dependiente de las ondiiones limátias (se ompensa on una ierta autonomía brindada on un tanque de almaenamiento) Regular mantenimiento Poseen piezas en movimiento Posee desgaste Vida útil bomba: 5 años Mantenimiento personal espeializado Contaminante Mantenimiento medio Produe ruido Consume ombustible Posee piezas en movimiento Posee desgaste Involura la ompra y almaenamiento de ombustible Vida útil grupo: 3 años Vida útil eletrobomba: 5 años Contaminante Mantenimiento medio

16 neumátia) Inluye: Perforaión (M.O.+ Mat.) Generador Bomba neumátia Instalaión elétria Instalaión meánia Energía elétria (línea omerial) Inluye: Perforaión (M.O.+ Mat.) Compresor/Bomba neumátia ó eletrobomba Instalaión elétria Instalaión meánia Hasta 500 metros de la línea de distribuión vale $18,00 el metro lineal on una SETA monofásia 3KVA bajo ualquier ondiión limátia Bajo osto Posibilidad de destinar la generaión de energía elétria para otro benefiio Vida útil bomba neumátia: 10 años $/mes 30,00 Disponibilidad de energía a ualquier hora del día y bajo ualquier ondiión limátia. No posee piezas en movimiento Posibilidad de destinar la generaión de energía elétria para otro benefiio Vida línea elétria: 25 años Produe ruido Consume ombustible Posee piezas en movimiento Posee desgaste Involura la ompra y almaenamiento de ombustible Vida útil grupo: 3 años Alto osto para grandes distanias de la línea de distribuión Mantenimiento medio Mantenimiento on personal espeializado 3.5. Conlusión (3) De los resultados obtenidos, mostrados en Tabla Nro. 3, se observa que bajo los atuales sistemas de provisión de energía, los sistemas fotovoltaíos no son eonómiamente viables. La adopión de esta tenología se verá favoreida indudablemente mediante una mayor implementaión de inentivos eonómios o programas provenientes ya sea de los gobiernos proviniales omo de la naión y aompañado además de una reduión en los ostos de produión de los elementos onstituyentes de los sistemas fotovoltáios debido a un reimiento tenológio y a una mayor demanda. Por el momento, el énfasis no debe ponerse solamente en los aspetos puramente eonómios de ada sistema en sí, sino en los benefiios adiionales, tales omo la ontribuión al mejoramiento de la apaidad de distribuión y transmisión de la red elétria atual, la reduión del impato ambiental debido a la generaión elétria mediante fuentes no ontaminantes y uidadosas on el medio ambiente. Esto es también hablar de energía gratuita, inagotable, superabundante y de libre disponibilidad, de tenología relativamente simple, de bajo osto de instalaión y libre de mantenimiento. REFERENCIAS [1] COLLARES PEREYRA M. and RABL A. (1979) - The average distribution of solar radiation - SOLAR ENERGY - Vol. 20 pag [2] DIGENNARO J., RODRIGO V. y otros (1997) Bomba de aire omprimido para la extraión de aguas subterráneas en la zona de V. Meredes (San Luis) - ASADES Vol 1 Nro. 2 Pág 189 Rio Cuarto (Córdoba). [3] DIGENNARO J., RODRIGO V. y otros (1998) Bomba de aire omprimido para la

17 extraión de aguas subterráneas en la zona de V. Meredes (San Luis) - ASADES Vol 2 Nro. 2 Pág Salta. [4] DIGENNARO J., RODRIGO V., RIBOTTA, S. y MONASTEROLO R. (1999) Bomba de aire omprimido para la extraión de aguas subterráneas en la zona de V. Meredes (San Luis) - ASADES Vol 3 Nro. 2 Pág Tuumán. [5] IQBAL M. (1979) - A study of Canadian diffuse and total radiation data Monthly average daily horizontal radiation - SOLAR ENERGY - Vol. 22 pag TECHNICAL NOTE. [6] IQBAL M. (1983), An introdution to Solar Radiation - Aademi Press [7] MATAIX C. (1978) Meánia de los fluidos y máquinas hidráulias Harper & Row Publishers In. [8] MINISTERIO DE ECONOMIA (1995) Seretaría de energía - [9] MONASTEROLO R., RIBOTTA S., RODRIGO V. FASULO A. Estudio omparativo de un sistema de extraión de agua para una poblaión rural dispersa en la región de V. Meredes ASADES 1999 Vol. 3 Nro. 1 Pág /48 [10] MONASTEROLO R., RIBOTTA S., FASULO A. (1998) - Determinaión de la distribuión horaria de la radiaión apliada a oletores planos ubiados en la iudad de V. Meredes ASADES Vol. 2 Nro. 2 Pág [11] RED SOLARIMETRICA NACIONAL ( ) - Cuadernos números 4 al 9 (1980/1982) - Comisión Naional de Investigaiones Espaiales - Centro Espaial San Miguel - Argentina.