BOMBEO FOTOVOLTAICO.

INTRODUCCION La impulsin de agua desde depsitos o pozos es una de las aplicaciones ms habituales de las instalaciones FV, sobre todo en zonas de cultivo alejadas de la red elctrica. Esta aplicacin no es nueva, puesto que desde hace siglos se han utilizado mquinas elicas para la realizacin de bombeos. Aparece con el desarrollo de la energa FV, en instalaciones autnomas, para la alimentacin de los distintos motores desde los mdulos.

Aplicaciones de riego agrcola. Abastecimiento de agua en zonas rurales. TIPOS DE BOMBEO Estas instalaciones se clasifican en dos tipos, en funcin del modo de acumulacin de la energa que realizan: Bombeos directos: cuando la energa solar se almacena en forma de energa mecnica, en depsitos de agua. Bombeos indirectos: cuando la energa solar se almacena en forma de energa elctrica, en Acumuladores.

Como norma general, el alto coste de las bateras hace recomendable, siempre que se pueda, realizar el almacenamiento energtico en trminos de energa mecnica en lugar de energa elctrica. BOMBEO DIRECTO Las instalaciones de Bombeo directo se pueden realizar en CC o en CA. Tal y como se indica en los esquemas. Se aprecia la intervencin de un accesorio especfico para cada caso, acoplador motor o inversor. En este caso, las bombas tanto en CC o en CA, estn conectadas al campo FV mediante diferentes tipos de dispositivos electrnicos, que adaptaran los requerimientos mecnicos de las bombas a la capacidad de alimentacin del generador FV en los distintos momentos del da y de trasformar, si es necesario, la CC suministrada por los mdulos en CA. En estas condiciones solo existir la posibilidad de impulsin cuando se sobrepase cierto nivel de irradiacin solar, debiendo disearse el almacenamiento energtico para hacer frente a periodos de insuficiente insolacin, en forma de depsitos de agua a cierta altura.

Esquemas de conexin para los bombeos indirectos en CC y en CA. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE BOMBEO Los elementos que componen un sistema de bombeo fotovoltaico son: Generador fotovoltaico. Grupo motor-bomba. Subsistema de adaptacin elctrica. Subsistema de almacenamiento. Otros elementos.

GENERADOR FOTOVOLTAICO Se construye, en general, con mdulos de Silicio, mono o policristalino y se adecuar a la potencia requerida por el grupo motor-bomba. Se suele ubicar en una zona prxima al punto de bombeo. GRUPO MOTOR -BOMBA: Motores Los motores ms utilizados: Motores de CC. Motores de CA. Las bombas FV de primera generacin, especialmente para baja potencia, incorporaban motores de CC de imn permanente, que se adaptaban fcilmente a los generadores FV. Esta situacin ha cambiado debido a la disponibilidad en el mercado de motores de CA, mas baratos , simples y robustos. Este tipo de motor presenta el inconveniente de que para poder variar su velocidad necesita un variador electrnico de velocidad, lo cual encarece la instalacin. Para potencias superiores a 500 W se justifica la utilizacin de motores de CA en lugar de los de CC, ya que el sobrecoste del variador sumado al grupo motor bomba, puede llegar a ser inferior a la solucin en CC equivalente. Para potencias pequeas otra opcin a considerar son los motores de CC sin escobillas, ya que, presentan ventajas respecto a los de CA, (variacin de velocidad sencilla), y por otro lado tienen un mantenimiento mucho mas simple que los motores CC convencionales, pudindose aplicar incluso en grupos sumergibles. Bombas Las bombas utilizadas: A) Centrfugas. B) Volumtricas. C) Helicoidales. En cuanto al sistema mecnico, es decir la bomba, hay que considerar las dos opciones clsicas existentes: bombas volumtricas (impulsin por desplazamiento) y bombas centrfugas ( mpulsin por transferencia de cantidad de movimiento. Existe una alternativa a las bombas centrfugas, las llamadas bombas de desplazamiento positivo de tipo helicoidal o bombas de tornillo.

BOMBA CENTRIFUGA: El movimiento se obtiene a travs de un conjunto de paletas o labes giratorios que impulsan a la masa de agua. El rendimiento es bueno para presiones de impulsin reducida (< 10 m de columna de agua), aunque este decae rpidamente a medida que se reduce la velocidad de giro, haciendo que no se produzca el bombeo hasta que la potencia disponible permita ocurrir hasta que se supere un determinado nivel de radiacin. La relacin entre caudal y presin es inversa, de tal manera que, para un valor de revoluciones del rotor, a mayor presin demandada menor es el caudal que puede ser extrado por la bomba. Por otro lado, el par de arranque inicial suele ser reducido, lo que las hace interesantes para acoplarse tanto a motores de CA como de CC.

BOMBA VOLUMETRICA: Consisten en un mbolo que se desplaza por el interior de un cilindro, con vlvulas que cierran y abren alternativamente, desplazando cada vez una cierta cantidad de lquido. De forma parecida a una bomba de bicicleta. Las mas conocidas son las denominadas bombas de pistn. Son mas apropiadas para altos incrementos de presin, mayor de 20 metros de columna de agua (mca), y bajos caudales. Su mayor inconveniente es que, normalmente, presentan pares de arranque elevados, por motivos mecnicos. Otra caracterstica importante de este tipo de bombas es que, para cierta velocidad de giro del rotor, el caudal extrado es prcticamente independiente de la presin, siendo la nica opcin para incrementar el mismo, aumentar las revoluciones del motor.

BOMBA HELICOIDAL: Constituyen la alternativa a las bombas centrfugas, se denominan tambin bombas de tornillo. Poseen un bajo par de arranque, de acuerdo a su carcter volumtrico, con capacidad para bombear a mayores alturas y durante ms horas al da.

CLASIFICACIN DE LAS BOMBAS POR SU DISPOSICIN: Se pueden clasificar en: Sumergibles, flotantes y de superficie. Las bombas sumergibles se utilizan en pozos profundos de pequeo dimetro, siendo recomendables, en este caso, las volumtricas. Las bombas flotantes disponen de un flotador que permite su instalacin en ros, lagos o pozos de gran dimetro. Siendo las centrifugas quienes ms se emplean cuando lo que se necesita es un gran caudal y baja presin. Las bombas de superficie se sitan fuera del agua, y deben tener gran capacidad de aspiracin, por lo que son ms adecuadas las centrfugas.

El tipo de bomba a elegir va a depender del compromiso entre prestaciones electromecnicas y coste, teniendo en cuenta factores como la seccin y profundidad del pozo o la posibilidad de inmersin del conjunto motor-bomba. En general, se puede decir que para demandas de caudal con escasa presin estarn bien cubiertas con bombas centrfugas, mas habituales y con elementos de adaptacin elctrica mas sencillos, y para demandas de presin se van a requerir bombas volumtricas o centrfugas multiestado o multietapa. Eleccin de las bombas en funcin del caudal necesario y de la altura manomtrica:

SUBSISTEMA DE ADAPTACIN LECTRICA: Existen sistemas de adaptacin, CC/CC y CC/CA, capaces de, para una determinada potencia, entregada por el generador fotovoltaico, transformar los valores de tensin e intensidad para adecuarse a las condiciones de arranque del grupo motor-bomba en situaciones de baja insolacin, como las que se dan en los das nublados o en los extremos del da, (amanecer y atardecer).

Los tipos de acoplamiento elctrico ms habituales son: Convertidores CC/CC, inversores, bateras y variador de velocidad. El convertidor de CC/CC para una determinada potencia proporcionada por el generador FV, transforma parte de la tensin de alimentacin en intensidad suplementaria que sirve para salvar las condiciones de arranque del grupo motorbomba en condiciones de baja insolacin. Los inversores son dispositivos electrnicos que transforman la tensin e intensidad continuas procedentes del generador FV, en tensiones alternas. Los inversores de uso en bombeos suelen tener una salida a tensin y frecuencia variable. La variacin de frecuencia de salida permite trabajar a los motores a velocidades distintas de la nominal de 50 Hz, disminuyendo as el umbral de irradiancia necesario para el arranque de la bomba. En instalaciones con almacenamiento elctrico, las bateras actan tambin como elemento de acoplamiento entre el generador FV y la carga, ya que sirven para fijar un valor de tensin que puede hacer que la bomba trabaje cerca del punto de mxima potencia. Sin embargo, las perdidas introducidas en el circuito, el mantenimiento de las bateras y el incremento de coste de la instalacin recomiendan, su uso solo si el caudal bombeado durante las horas de sol resulta insuficiente.

La configuracin que empieza a ser mas habitual, es la constituida por un generador FV conectado a una bomba convencional alimentada por un motor asncrono a travs de un variador de frecuencia. SUBSISTEMA DE ALMACENAMIENTO: Existen dos formas de almacenamiento de la energa obtenida: El almacenamiento de energa mecnica, mediante volumen de agua, en depsitos, o bombeo directo. El almacenamiento de energa elctrica, en bateras, o bombeo indirecto. Como se ha comentado anteriormente, el alto coste de las bateras hace recomendable, siempre que se pueda, realizar el almacenamiento energtico en trminos de energa mecnica en lugar de energa elctrica.

OTROS ELEMENTOS: De forma adicional, las instalaciones de bombeo incluyen otros elementos con funciones especificas, como: Sondas de nivel. Para control de niveles en pozo y depsito. Interruptores y programadores horarios. Protecciones elctricas, etc. CONFIGURACIONES MS HABITUALES: Las configuraciones mas habituales son: Motobomba sumergible, con motor de CC o CA, y bomba centrfuga multietapa. El nmero de etapas es funcin de la altura requerida. Motobomba sumergible, con motor de CC o CA, y bomba volumtrica. Motobomba flotante con motor de cc y bomba centrifuga. Unidades motor bomba (centrifugas o de pistn) en superficie.

CALCULO DE UN SISTEMA DE BOMBEO DIRECTO Para configurar un sistema de bombeo FV, se necesitan saber varios datos: Caudal diario necesario: Estar determinado por las necesidades del usuario Lugar de ubicacin: Determina la cantidad de radiacin disponible. Das de autonoma: Estarn determinados por la zona de ubicacin. Altura manomtrica: Esta definida por la topologa de la instalacin. Los tres primeros datos no necesitan explicacin y vamos a desarrollar el concepto de altura manomtrica. La altura manomtrica es la suma de la altura geomtrica ms las prdidas de carga. (altura equivalente). Altura geomtrica (Hg): Es la distancia vertical entre el agua del pozo (ro, embalse, etc.) y el lugar mas alto donde esta ser depositada. Suele ser la suma de la altura de impulsin mas la altura de aspiracin. Altura depsito (Hdep): Es la distancia vertical entre la bomba y el punto mximo de elevacin. (En bombas sumergibles coincidir con la altura geomtrica). Altura esttica (He): Es la distancia vertical entre el agua del pozo y la bomba. (En bombas sumergibles es igual a cero.). Descenso de nivel (Hd): Es la prdida de nivel del pozo durante el bombeo. (En caso de no disponer de este dato, se considera entre un 10 15% de He). Prdidas de carga: Es la fuerza que se opone a la circulacin del agua en la tubera debido a rozamientos, cambios de direccin, (codos), vlvulas, cambios de seccin en las tuberas, etc. Con estas figuras se puede apreciar el concepto de altura manomtrica: a) En bombas aspirantes o de superficie. La altura manomtrica es la suma de la altura geomtrica ms las prdidas de carga. (altura equivalente).

b) En bombas de impulsin o sumergidas. La altura manomtrica es la suma de la altura geomtrica ms las prdidas de carga. (altura equivalente).

EJERCICIO PRCTICO Necesitamos disear una instalacin de bombeo FV, para un regado, con las siguientes caractersticas: Datos necesarios: Caudal necesario: 500 l/da (0,5 m3/d) Das autonoma: 3 das (consideramos una zona soleada). Lugar de ubicacin: Riohacha

Altura manomtrica: segn la topologa (ver el esquema).

-Clculo del volumen, mnimo, del depsito para poder almacenar el agua correspondiente a tres das de autonoma: Vd = Cd Da = 500 3 = 1.500 litros (1,5 m3) Vd: volumen del depsito. Cd: caudal diario. Da: das de autonoma. Para evitar que desborde, consideraremos un 20 % mas de esta capacidad. VT = Vd . 20% = 1.500 . 1,2 = 1.800 litros (1,8 m3) -Clculo de radiacin en la zona de la explotacin: Como se trata de una explotacin agrcola, tomaremos el mes ms desfavorable de la temporada primavera-verano. Consultadas las tablas del EVE, para una orientacin Sur del generador FV. Los datos obtenidos son: Mes ms desfavorable: Abril. ngulo de inclinacin ptima: 30 Horas de Sol Pico (HSP)= 5,229 Cb = Vd / HSP = 1.500 / 5,229 = 287 l/h 4,8 l/min -Clculo de la altura manomtrica: Altura geomtrica = altura depsito + altura esttica + descenso nivel Hg = Hdep + He + Hd = 8 m + 5 m + 0,5 m = 13,5 m

Para un caudal de 287 l/h, aprox. 300 l/h necesitaremos una tubera de 19 mm de dimetro interior, segn tabla. Con una prdida de carga de 2,3 m, cada 100 m horizontales. Ver Tabla 1. -Prdidas de carga: 180 m de tubera horizontal, corresponden a: 1,8 x 2,3 = 4,14 m altura equivalente. 3 codos a 90 corresponden a 0,63 x 3 = 1,89 m. (altura equivalente). (Ver Tabla 2) 1 vlvula de compuerta corresponde a 0,21 m. (altura equivalente). (Ver Tabla 2). Total altura equivalente = 4,14 + 1,89 + 0,21 = 6,24 m Altura manomtrica = Altura geomtrica + prdidas de carga ALTURA MANOMETRICA= 13,5 m + 6,24 m = 19,74 m.

TABLA1

TABLA 2

-Eleccin de la bomba Una vez conocidos la altura manomtrica (19,74 m) y el caudal diario (1,5 m3), procederemos a elegir la bomba adecuada. Bomba sumergible Bomba SHURflo modelo 9300 -Tensin nominal de trabajo 24 Vdc -Potencia nominal 120 W -Altura manomtrica mxima 70 m -Profundidad mxima de inmersin 30 m -Proteccin trmica automtica interna 7.5 A

Para ello, utilizaremos catlogos comerciales.

Una vez consultado el catlogo comercial de la bomba, vemos que el caudal es factible de ser bombeado.

Para una potencia de motor de CC de 120 W, necesitaremos un convertidor de acoplamiento entre bomba y generador FV. Tomamos la referencia del PM5 de Atersa. Con las siguientes caractersticas: Convertidor de Acoplamiento PM5 -Tensin nominal 24 Vdc -Potencia mxima 120 W -Gestin M arranque y paro con sondas de nivel 2 -Indicador luminoso del estado sondas de nivel 2

Para un convertidor de acoplamiento Atersa PM5, observamos que la potencia del campo FV, deber ser de: 120 Wp, a 24 V. Eligiendo la configuracin ms adecuada en funcin de los mdulos disponibles.