Sistemas de bombeo solar

Bombeo de agua para riego con energía solar fotovoltaica Parte I. Sistemas de Bombeo Solar Directo Por: Antonio Vela Vico La escasez del agua y la necesidad de un consumo racional de la energía, hacen que la energía solar fotovoltaica se convierta en una alternativa futura para el abastecimiento del agua en nuestros campos de riego. Introducción Ante la necesidad de un uso racional de los recursos naturales disponibles, resulta fundamental un consumo eficiente de un bien tan sumamente escaso en nuestros tiempos como es el agua. La producción agraria para alimentación humana y animal supone un importante consumo de agua para riego. Sin embargo, es posible un ahorro significativo y un aprovechamiento óptimo del agua gracias a un buen manejo del riego. La aplicación localizada del agua en la agricultura deriva en importantes beneficios, reduciéndose las pérdidas por evaporación y percolación profunda, evitando el progresivo endurecimiento de las capas superficiales de labor y previniendo la erosión del suelo, permitiendo la aplicación conjunta al agua de riego de productos fitosanitarios y/o fertilizantes, ofreciendo unos altos rendimientos de la producción agraria tanto en cantidad como calidad, posibilitando la automatización de la instalación, etc. Sin embargo, para tal fin, es necesario satisfacer el consumo energético correspondiente al bombeo del agua de riego para dotar al sistema de distribución del ca1udal y presión necesaria, junto a la automatización de la instalación. En muchos casos, nos encontramos incluso con áreas rurales sin dotación eléctrica. La energía solar fotovoltaica surge como respuesta a estas necesidades, considerándose una energía limpia e inocua con el medio ambiente, inagotable y disponible en cualquier punto del planeta.

La utilización de la energía fotovoltaica para suministrar electricidad en aplicaciones aisladas de la red ha sido uno de los objetivos desde el origen de su explotación, hace veinte años. Su aplicación para bombeo de agua potable ha sido estudiada y contrastada en experiencias en todo el mundo. Igualmente, el riego directo, en ausencia de depósitos, es un gran objetivo para el bombeo solar.

La rama solar del bombeo del agua es uno de los sectores de aplicación más ventajosos de la energía fotovoltaica. Las razones son las siguientes:

1. Las épocas de mayor calor y radiación solar, son aquellas en las que se incrementa también la necesidad de agua, coincidiendo con la época de máximo desarrollo vegetativo del cultivo. Esta adaptación entre la curva de generación y consumo de agua, permite generalmente una minimización de los sistemas de almacenamiento.

2. En estas aplicaciones, se puede utilizar el mismo agua como medio de acumulación de energía, evitando, de este modo, el almacenamiento de electricidad en baterías con el consiguiente ahorro de costes, a la vez que aumenta la seguridad, eficiencia y fiabilidad de los sistemas.

3. El bombeo de agua directo fotovoltaico es totalmente limpio: no presenta los riesgos de una contaminación del pozo a causa de posibles derrames de combustible, como ocurre con el empleo de generadores diesel. Así mismo, evitamos los problemas logísticos de suministro y transporte de carburante.

Descripción de un sistema de Bombeo Solar Directo El abastecimiento de agua mediante un sistema solar se resume básicamente en un generador fotovoltaico que alimenta al sistema moto-bomba, mediante su conexión a un equipo electrónico de control y acondicionamiento de potencia (armario de bombeo). Estos sistemas de bombeo están pensados y fabricados especialmente para su uso con paneles fotovoltaicos de forma directa, sin utilizar baterías de almacenamiento. Todos estos equipos son estándar en el mercado y están adaptados para trabajar en instalaciones solares y, por tanto, permiten obtener un buen rendimiento de la energía generada. El esquema de funcionamiento y los componentes principales del sistema de bombeo solar directo se describen a continuación:

Esquema de un sistema de bombeo solar directo

Generador fotovoltaico Es el conjunto de módulos fotovoltaicos, capaces de captar y convertir la radiación

solar, a través del llamado fenómeno fotoeléctrico, en energía eléctrica disponible.La conexión eléctrica de los módulos en serie y en paralelo, permite conseguir un voltaje y amperaje determinados, en función de las características físicas del bombeo (altura manométrica y caudal), del grupo motobomba y variador de frecuencia empleados.

En líneas generales, se garantiza un rendimiento óptimo del sistema siempre que la tensión generada por los módulos conectados en serie no exceda en vacío de la máxima tensión que soporta el equipo de acondicionamiento de potencia. Igualmente, se pondrán un número de paralelos tal que genere la potencia necesaria para cubrir las condiciones de bombeo necesarias.

Armario de bombeo Para poder alimentar al grupo motobomba es necesario transformar la potencia generada por los módulos fotovoltaicos de corriente continua a corriente alterna, a través de un equipo variador de frecuencia, que aplicará al motor una frecuencia proporcional a la potencia de paneles medida en cada instante, y por tanto, proporcional a la radiación incidente. Este equipo es el dispositivo de acondicionamiento de potencia, siendo clave en el buen funcionamiento del bombeo. El variador junto con las protecciones eléctricas necesarias se integrará en el denominado armario de bombeo. El armario de bombeo incorpora un dispositivo de vigilancia térmica integrado en un disipador, con el control del sistema. De este modo, en caso de fallo (sobrecarga térmica) este dispositivo realiza una desconexión automática, volviendo a reconectar el sistema cuando la temperatura desciende. Así mismo, el autómata, incorporado en el armario, se programa con un temporizador, para actuar ante situaciones de depósito lleno, pozo vacío o baja radiación.

Grupo moto

El conjunto moto-bomba es el encargado de transformar la energía eléctrica que generan los paneles fotovoltaicos, mediante el acondicionamiento por el variador de frecuencia, en energía hidráulica, o lo que es lo mismo, en un cierto caudal de agua que salva una altura manométrica determinada. La bomba empleada es sumergible y estándar en el mercado, por tanto de gran fiabilidad. El motor es usualmente asíncrono de inducción y la bomba es centrífuga, salvo para necesidades de caudales muy bajos, o alturas muy elevadas, en que se estudia la posibilidad de otro tipo de bombas.

Estructura soporte Los módulos fotovoltaicos han de ir instalados sobre una estructura soporte, que les permita adoptar la inclinación adecuada para optimizar la captación energética. Se dispone de gran versatilidad en la ubicación de los módulos fotovoltaicos: sobre cubierta o fachada de edificios, integrándolo en elementos del

Estas estructuras deben tener siempre en cuenta un diseño simple, con adecuada resistencia a los fuertes vientos y con suficiente separación entre el suelo y los módulos como para evitar que los módulos queden cubiertos por el crecimiento de la vegetación circundante.

Las estructuras soporte más empleadas están fabricadas en acero galvanizado en caliente, que asegura una gran resistencia ante la corrosión y larga vida en intemperie. Red de distribución Por supuesto, el sistema se completa con la red de distribución de agua, que parte desde el brocal del pozo, finalizando en el punto de consumo, comprendiendo los diversos elementos específicos (valvulería, presostato, etc).Como sistema alternativo de almacenado de agua es posible bombear previamente a un depósito desde el que parte el sistema de distribución, proporcionando una cierta autonomía en caso de varios días de baja insolación

Dimensionado de la instalación de bombeo solar directo Para poder tener una primera aproximación de la configuración de un sistema solar fotovoltaico, los datos mínimos necesarios son: o

- Radiación solar (Horas de Sol Pico , donde 1 HSP = 1kWh/m2/día) - Altura manométrica total (m.c.a.)- Caudal diario requerido (m3/día)

En contraste a un sistema de bombeo convencional, en los bombeos solares es necesario hablar de caudales diarios y no horarios. Esto es porque su funcionamiento se rige por la radiación incidente sobre los paneles fotovoltaicos, de modo, que empiezan dando un caudal reducido durante las primeras horas del día, para ir aumentando progresivamente hasta el mediodía y disminuir hacia la tarde. Como punto de partida, se puede decir que la potencia necesaria a generar por la instalación fotovoltaica se determina por la siguiente fórmula2:

kWp = Q x H x 9`81 / (0`9 x 0`3 x Gd. x 3600) Siendo:

- Wp = Potencia fotovoltaica pico necesaria- Q = Caudal diario precisado (l/día)- H = Altura manométrica total (m)- 9`81 = Aceleración de la gravedad (m/s2)

- 0`9 = Eficiencia del generador fotovoltaico (tiene en cuanta pérdidas por dispersión de parámetros, temperatura, polvo...)

- 0`3 = eficiencia del conjunto motor/bomba/inversor (de 0,25 a 0,4 dependiendo de la bomba)

- Gd = Radiación solar (kWh/m2/día)- 3600 = Factor de conversión a W

Y haciendo las simplificaciones oportunas, llegamos a la fórmula:

Wp = (10 x H x Q) / Gd Así, para un sitio con una radiación de 5 HSP, necesitando un caudal diario de 20 m3/día, a una altura manométrica total de 30 metros, necesitaremos aproximadamente 1200 Wp. Para una configuración definitiva del bombeo ubicación, para poder adecuarse a todos los condicionantes, junto con una programación exhaustiva de todos los parámetros a evaluar, según el uso final del bombeo. La óptima configuración se determina a través de una posterior simulación del funcionamiento del sistema fotovoltaico de bombeo, obteniendo la relación entre potencia instalada y caudal diario para unas condiciones determinadas de trabajo de radiación, temperatura y altura manométrica. El proceso de simulación consiste básicamente en trasladar la curva que relaciona la altura y el caudal a la frecuencia nominal de la bomba a otras frecuencias mediante la curva característica de la bomba (H-Q-f):

H: a * f2 + b * f *Q + c * Q2

Donde a, b y c son coeficientes característicos de la bomba, y f la frecuencia considerada. Estos coeficientes pueden calcularse a partir de las relaciones de semejanza

Válidas para las bombas centrífugas. Los datos necesarios para realizar la simulación son:

- Curvas H-Q a frecuencia estándar de la bomba elegida preferentemente realizadas mediante medidas experimentales.

- Curvas de rendimiento hidráulico de la bomba centrífuga

- Curvas de rendimiento del motor asíncrono de inducción

- Requerimientos del sistema: Altura Manométrica Total, Caudal Diario Mínimo Requerido

- Temperatura ambiente, Radiación Diaria. La curva diaria de radiación puede obtenerse mediante la norma IEC 61725 a partir de ciertos parámetros de radiación, que pueden estimarse con la tabla de valores publicada por el Instituto de Energía Solar.

A modo de ejemplo, y como resultado de este proceso de simulación, se obtienen gráficos de triple entrada que permiten seleccionar la bomba más adecuada y la potencia del generador fotovoltaico para unas determinadas condiciones de caudal diario, altura manométrica y radiación solar. Finalmente, la configuración definitiva siempre es comprobada para garantizar el correcto funcionamiento de la bomba (para predecir posibles problemas de sobrefrecuencia y calentamiento). Aplicaciones del bombeo solar Un bombeo solar puede adaptarse a gran número de aplicaciones, contando como gran ventaja su posibilidad de implementarse en regiones aisladas y/o sin dotación eléctrica, como son áreas rurales o países en desarrollo. La principal difusión de estos sistemas se centra en el abastecimiento de agua potable, donde a modo de aproximación podemos hablar de necesidades de agua de 50 litros por persona y día en áreas rurales de países en desarrollo. Igualmente, en estas comunidades se debe suministrar agua para la alimentación del ganado (ovejas, cabras, cerdos, camellos, etc) oscilando entre 10 a 70 litros diarios por animal.

Por otro lado, y frente al grave problema de disponibilidad de agua en numerosas regiones del mundo, la energía solar permite adaptarse a la alimentación de las centrales de desalinización de agua de mar, mediante plantas de ósmosis inversa. Otra de las vertientes de gran potencialidad del bombeo solar es el riego. En este caso,

el bombeo solar es capaz de adaptarse a sistemas de riego localizado por goteo, donde la presión de trabajo es considerablemente inferior a los otros métodos de riego. Estos sistemas, tal y como hemos mencionado anteriormente, no requieren baterías de acumulación de la energía, sino que el sistema es capaz de bombear directamente la cantidad exacta y requerida por el cultivo, a través del equipo variador de frecuencia. Igualmente, en un riego fotovoltaico no

siempre es necesario disponer de un depósito auxiliar o balsa de regulación para dotar a la red del caudal y presión necesaria. En la parte II de este artículo se detallará el funcionamiento y componentes específicos de un sistema de bombeo fotovoltaico aplicado a instalaciones de riego.

Características de las principales fuentes de energía

Bombas de mano

Ventajas:1. Disponible.2. Bajo costo de inversión.3. Tecnología simple, fácil de instalar.

Desventajas:1. Bajo nivel de entrega de agua, limitado a la resistencia del cuerpo humano. Un hombre puede elevar, como promedio, 10 m3/día a una altura de 10 metros sobre el nivel del agua del pozo.2. Se desvía el recurso humano de otras actividades productivas y resulta un esfuerzo mayor.3. Alto costo de alimentación y de salarios.

Malacates y bombas de tracción animal.

Ventajas:1. Disponible aunque no utilizado apenas.2. Costos de inversión moderados.3. Fácil de introducir.4. Potencia apropiada para pequeñas escalas.

Desventajas: 1. Alto costo de alimentación, que involucra una producción extra de alimentos para los animales. 2. Se requiere alimentación, incluso cuando no se están utilizando para el bombeo. Bombas con motores Diesel Ventajas:

1. Tecnología disponible. 2. Alta entrega, adecuada a la demanda.3. Bajo capital inicial de inversión. 4. Fácil de usar. Desventajas: 1. La economía depende del costo del combustible. 2. La escasez de combustible es común en muchos países. 3. Las piezas de repuesto son difíciles de obtener en lugares remotos. 4. Mantenimiento dificultoso (requiere laboratorio) en lugares remotos. La vida útil es relativamente corta. 5. Roturas comunes. 6. Alto costo de operación y mantenimiento. Molinos de viento Ventajas: 1. Tecnología de energía renovable madura cuando se usa para el almacenamiento de agua.2. Bajo costo en áreas que tienen un adecuado régimen de vientos. 3. Cero costos de combustible.4. Cómodo para productores locales. 5. Bajo impacto ambiental. Desventajas: 1. Entregas moderadas, fluctuantes con la velocidad del viento.2. Críticamente dependiente del sitio.3. Requerimientos de mantenimiento. Bombeo solar fotovoltaico Ventajas: 1. Fuente de energía casi universalmente disponible. 2. Alta correlación entre energía disponible y necesitada de agua. 3. Bajo impacto ambiental. 4. Cero costos de combustible. 5. Larga vida útil.6. Mantenimiento y costos de operación prácticamente nulos.7. Puede ser operado por personal no calificado.8. Cómodo para sistemas de cualquier tamaño. Desventajas: 1. Alto costo relativo de la inversión inicial.2. Entrega sujeta a la variación de la radiación solar.

Asimismo se puede bombear agua con bombas eléctricas y bombas de ariete, así como con biogás como combustible. Cada una de estas posibilidades también presentan ventajas y desventajas. Desde luego, donde existan las condiciones de suministrar agua por gravedad, tanto con el uso de sifones como sin él, no hace falta el bombeo. Esta, sin duda, es la mejor variante y la más económica. Existen disímiles soluciones para el bombeo de agua, económicas y sustentables a los requerimientos más exigentes; por tanto, a la hora de seleccionar una solución hay que hacer un análisis casuístico de lo que se necesita en cada lugar en concreto. No siempre la extensión de la red eléctrica es una solución económicamente factible para aplicar. El bombeo solar fotovoltaico ha evolucionado vertiginosamente en los últimos años. Los sistemas solares fotovoltaicos para el bombeo de agua han tomado del mercado la ya probada solidez y confiabilidad de los variadores de velocidad por frecuencia, los cuales combinados con las bombas tradicionales han abierto una posibilidad incalculable. En la actualidad se puede trabajar con sistemas de bombeo solares usando bombas convencionales de cualquier potencia alimentada a 220, 380 o 440 VAC trifásico sin necesidad de usar bancos de baterías ni inversores convencionales. Estado actual Recientemente se han creado nuevas y revolucionarias familias de bombas sumergibles que integran el variador de frecuencia con la bomba, con lo que el precio de inversión inicial total del sistema se ha reducido sensiblemente en comparación con todos los sistemas anteriores y hoy son competitivos hasta con los molinos de viento. El corazón de los nuevos sistemas son familias de nuevas bombas sumergibles. Hay bombas centrífugas y bombas de rotor helicoidal o de desplazamiento positivo (ver figura 2). Las bombas centrífugas son adecuadas para cargas desde 9 hasta 28 m, y flujos de 68 a 272 litros por minuto, en dependencia de la bomba. Las bombas de rotor helicoidal son adecuadas para cargas desde 90 a 120 m y flujos de 8 a 42 litros por minuto, lo que depende de la bomba. Las bombas usan el mismo ensamble de motor-variador. El motor actualizado emplea un estator segmentado recientemente desarrollado que incrementa la eficiencia y el torque en comparación con los motores normales (aproximadamente 10 % mejor que los motores estándar). Tienen potencia de admisión máxima de 900 W y una velocidad de operación de 500 a 3 000 rpm, en dependencia de la potencia de admisión y de la carga. El ensamble motor-bomba utiliza un sistema de rodamientos de carbón y cerámica que aseguran una máxima confiabilidad. La curvas de la figura 1 muestran la actuación de la bomba para las dos tecnologías de bombeo.

El motor está diseñado para aceptar un amplio intervalo de voltajes entre 30 y 300 VDC, o entre 90 y 240 VAC. Esto permite una amplia selección de fuentes de potencia que van desde energía solar, energía eólica o corriente alterna (como un generador). Cuando se conecta a una fuente de potencia DC el regulador proporciona un Rastreo de Punto de Máxima Potencia (MPPT), obteniendo así la máxima energía posible de la fuente de potencia DC. Estas bombas tienen un «arranque suave» que elimina las sobrecargas durante el encendido.

Aunque el sistema puede operar directamente con cualquier fuente de potencia AC o DC (dentro del intervalo de voltajes permisibles) sin ayuda de controladores, se ha diseñado una familia de cajas de control que permiten un amplio campo de monitoreo y control del sistema, aunque repetimos, es opcional.

La unidad de control más sofisticada es una unidad combinada de situación, control y comunicación, y que además permite conectar un interruptor de nivel. Tiene terminales de alambrado para la energía de admisión, conexiones de la bomba, conexiones a tierra y conexiones para el interruptor de nivel. Se comunica con el motor-controlador de la bomba por medio del cable de alimentación y por tanto proporciona monitoreo del sistema e indicaciones de alarma. Indica cuándo el tanque está lleno, cuándo la bomba se halla funcionando, y la energía de alimentación disponible.

También ofrece indicaciones de alarma: funcionamiento en seco, falso contacto con la bomba, sobrevoltaje, sobrecalentamiento y sobrecarga.

La configuración de un sistema fotovoltaico de bombeo se muestra en la figura 3. Como se puede apreciar, en este caso los módulos solares fotovoltaicos son los encargados de proporcionar la energía eléctrica para alimentar la bomba sumergible. Fig. 3. Sistema fotovoltaico de bombeo de agua.

A la hora de dimensionar un sistema fotovoltaico de bombeo es necesario conocer, en primer lugar, la cantidad de agua que se necesita diariamente, Q (m3/día), y la localización. También se hace necesario conocer parámetros del pozo y de la instalación para poder estimar las pérdidas en el sistema y con ella la altura dinámica total de bombeo, TDH. En la figura 4 se muestra un diagrama con los principales parámetros que se requieren.

Fig. 4. Diagrama de los parámetros del sistema fotovoltaico de bombeo de agua. Donde:

- hp: Nivel estático del pozo, en m. - d: Distancia entre el pozo y el tanque, en m. - do: Desnivel, superficie del pozo-tanque, en m. - hT: Altura del tanque, en m.

A modo de ejemplo, analizaremos un sistema fotovoltaico de bombeo en un lugar donde se necesiten 15 m3/día y elevarlos a una altura de TDH = 20 m. Para satisfacer estas necesidades se precisa un sistema compuesto por:

El mayor porcentaje del costo de un sistema de bombeo de agua fotovoltaico está representado por los módulos solares fotovoltaicos con 40 %, seguido por la bomba sumergible con 37 %. Un análisis de interés es el del costo de bombeo, en un ciclo de vida de veinte años. Se analiza este período por ser el tiempo de garantía de los módulos solares fotovoltaicos y el componente de mayor costo en el sistema.

En la figura 5 se ha representado el tanto por ciento de cada uno de los componentes del sistema en un ciclo de vida de veinte años.

Fig. 5. Esquema sobre el costo del sistema

Para realizar el cálculo en el ciclo de vida se ha considerado que se efectúa un cambio de la bomba sumergible y de la unidad de control, al menos una vez en este período. Se han considerado, también en este período, los gastos mínimos para el mantenimiento especializado y los kit de instalación. Los detalles de los costos se muestran en la tabla 1.

A partir de conocer los costos en el ciclo de vida, es posible comparar este sistema con otras fuentes de energía.Para tener una idea, el costo aproximado de extender la red eléctrica un kilómetro oscila entre $10 000,00 a $12 000,00 USD. Esto quiere decir que un sistema fotovoltaico de bombeo de este tipo es competitivo contra la extensión de la red eléctrica para distancias mayores de 0,6 km.A partir de estos costos es posible determinar el costo del m3 de agua en el ciclo de vida:

Esto significa que en el transcurso de veinte años, por cada m3 (1 000 L) consumido se pagó aproximadamente 6,3 centavos dólar.

Cómo dimensionar un sistema fotovoltaico de bombeo

Como se había planteado, para dimensionar un sistema solar fotovoltaico hay que conocer tres parámetros:

1. Radiación solar en kWh/m2 día (esto está relacionado con el lugar de la instalación).

2. Altura total (no solo la del pozo y el depósito, también hay que tener la altura equivalente por la pérdida en tubería).

3. Cantidad de agua necesaria al día, Q (m3/día).

Sistema fotovoltaico para el bombeo de agua. Para nuestro país se puede considerar como valor de radiación 5 kWh/m2 / día y suponer un ángulo de inclinación de 30 grados. De esta forma es posible determinar cuál es el modelo de bomba que mejor se adapta a sus necesidades. Para ello nos apoyaremos de la tabla 2, que corresponde al mes de julio. Tabla 2Tabla de dimensionado para el mes de julio. Radiación 5 kWh/m2día, 30o de inclinación.

Como esta tabla es para el mes de julio y estamos eligiendo 30 grados de inclinación para los módulos, es de esperar que el resto de los meses se obtengan caudales superiores al esperado, incluso en los meses de invierno. A manera de ejemplo analizaremos un caso hipotético. Supongamos que necesitamos dimensionar un sistema con los siguientes parámetros:

- Radiación 5 kWh/m2día - Altura total 40 m- Caudal diario 10 m3/día

Si consultamos la tabla 2 veremos que con 40 metros de altura total podemos bombear diariamente 12,5 m3/día con la bomba SQF2,5-2; para ello necesitamos un arreglo de módulos solares de 688 Wp. Esto significa aproximadamente 14 módulos de 50 Wp.

Con ayuda de la tabla 1 y conociendo que toda la gama de bomba de la tabla 2 tiene el mismo precio, es posible determinar los precios de forma aproximada de cualquier sistema fotovoltaico de bombeo.

Como se puede constatar, mediante estos sistemas no todas las variantes de bombeo están cubiertas. En caso de que no se encuentre solución a una combinación específica, separa a los sistemas de bombeo con bombas convencionales como solución inmediata.