Bombeo de agua con sistemas fotovoltaicos

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.
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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 m4/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
m3/día
y
muestran
un
comportamiento
fuertemente
estacional. Para situaciones inferiores a 70 m4/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 Wp) 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.
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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 de abastecimiento de agua y fuentes
existentes
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, Qd y por la altura a la
que se quiere elevar, H.
Caudal requerido de agua, QD
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, HT
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
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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, 3HST(m), el
nivel dinámico, HDT(m) y el caudal de prueba, QT(m /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, HTE, 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:
HTE = (1/0.9)(HST + HCI +((HDT –HST)/QT)*QAP)
Donde: HST,HDT y QT han sido definidos previamente, HCI es
la altura del depósito, QAP tiene el significado de un
caudal aparente cuyo cálculo es: QAP =0.1QD/Gd(β)*1kW/m2.
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.
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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 2doce valores mensuales
de Gdm (0), expresados en kWh/m -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
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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 PEL.
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, QT.
En el caso límite de bombear máximo caudal, se trabaja
con el nivel dinámico, HDT, por lo que se utiliza el
valor de (HDT + HCI) como altura total en la gráfica, y
el PEL como abscisa. La ordenada correspondiente ha de
ser menor que QT.
Fuente:
INGENIERIA SIN FRONTERAS; Energía solar fotovoltaica y
cooperación al desarrollo, IELPALA, Madrid, 1999.
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