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UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PROYECTO FINAL

AUTOR: Gerardo Arancibia Moreno

Máster en Energías Renovables

Título:

APORTE EN LA NORMALIZACION Y ESTANDARIZACION DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS DE BOMBEO DE AGUA PARA EL DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE PROYECTOS EN CHILE

TUTOR: Ángel Bayod Rújula

Dpto./Área: Departamento de Ingeniería Eléctrica, C.P.S. Universidad de Zaragoza

Año Académico: 2008/09 Fecha de entrega: 15 de Diciembre de 2009

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UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA

PROYECTO FINAL

AUTOR: Gerardo Arancibia Moreno

Máster en Energías Renovables

Título:

APORTE EN LA NORMALIZACION Y ESTANDARIZACION DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS DE BOMBEO DE AGUA PARA EL DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE PROYECTOS EN CHILE

TUTOR: Ángel Bayod Rújula

Dpto./Área/Empresa

Año Académico: 2008/09 Fecha de entrega: 15 de Diciembre de 2007

DECLARACIÓN del AUTOR

El abajo firmante declara que el contenido del resumen del presente Proyecto Final de Máster o Postgrado NO tiene carácter confidencial y autoriza su divulgación en cualquier medio y soporte.

El abajo firmante declara que el contenido completo del Proyecto Fin de Máster o Postgrado: ¨ SÍ tiene carácter confidencial ¨ NO tiene carácter confidencial ¨ SÍ autoriza su consulta a uso docente ¨ NO autoriza su consulta a uso

docente ¨ SÍ autoriza su divulgación a través de ¨ NO autoriza su divulgación cualquier medio o soporte

En Valencia a 15 de Diciembre de 2009

Fdo. ........................................................... Gerardo Arancibia Moreno

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INDICE Página

1. Introducción

2. Estado del Arte del Bombeo Solar Fotovoltaico

2.1 Estado del Arte en Chile

2.1.1 Desarrollo de la Energía Solar FV en Chile

2.1.2 Desarrollo del bombeo FV de agua en Chile

2.2. Desarrollo Tecnológico del Bombeo Solar FV

2.2.1 Convertidores de frecuencia en sistemas de bombeo FV

2.2.2 Elementos de un sistema de bombeo FV

2.3 Descripción del sistema de bombeo FV

2.3.1 Generador fotovoltaico

2.3.2 Motobomba

2.3.3 Moto­bomba centrífuga

2.3.3.1 Bombas para pozos de sondeo

2.3.4 Equipo acondicionador de potencia

2.3.4.1 Convertidor de frecuencia

2.3.4.1.1 Características y funciones básicas de CF

2.3.4.1.2 Componentes de un CF

2.3.4.1.2.1 El filtro EMC

2.3.4.1.2.2 El circuito de control

2.3.4.1.2.3 El inversor

2.3.4.2 Accesorios de protección y control

2.3.5 Infraestructuras hidráulicas

3. Objetivos del Proyecto

4. Descripción de la metodología y/o datos empleados

5. Desarrollo del Contenido

5.1 Requisitos generales y funcionamiento del sistema fotovoltaico de bombeo

5.1.2 Capacidad de bombeo

5.1.2.1 Consumo de agua

5.1.2.2 Irradiación solar

5.1.2.3 La fuente de agua: altura de bombeo y capacidad de suministro

5.1.2.4 Tamaño del generador fotovoltaico

5.1.3 Fiabilidad

5.1.3.1 Generador fotovoltaico

5.1.3.2 Convertidor de Frecuencia

5.1.3.3 Protecciones

5.1.3.4 Motobomba

5.1.3.5 Cableado

5.1.3.6 Infraestructura hidráulica

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5.1.3.7 Sistema de potabilización de agua

5.1.3.7.1 Bomba de inyección de cloro

5.1.3.7.2 Sensor de caudal de agua bombeada

5.1.3.7.3 Depósito de cloro

5.1.4 Seguridad

5.1.5 Sencillez en el uso

5.1.6 Sencillez de instalación y mantenimiento

5.2 Dimensionamiento de Convertidores de Frecuencia en Sistemas de bombeo FV

5.2.1 Modelo Teórico Simplificado

5.2.2 Validación Experimental

5.2.3 Efectos de segundo orden

5.2.4 Ejemplo de Aplicación

5.3 Resumen de las especificaciones técnicas para Sistemas de Bombeo FV

5.3.1 Requisitos generales del sistema fotovoltaico de bombeo

5.3.1.1 Capacidad de bombeo y tamaño de los sistemas fotovoltaicos

5.3.1.2 Especificaciones técnicas de componente

5.3.2 Generador fotovoltaico

5.3.3 Convertidor de Frecuencia

5.3.4 Motobomba

5.3.5 Sistema de potabilización de agua

5.3.6 Cableado

5.3.7 Estructura soporte

5.4 Especificaciones técnicas de sistema

5.4.1 Aspectos generales de la instalación

5.4.2 Generador fotovoltaico

5.4.3 Convertidor de Frecuencia

5.4.4 Cableado

5.5 Especificaciones de instalación y montaje

5.5.1 Generador fotovoltaico

5.5.2 Sistema de potabilización

5.5.3 Estructuras de soporte

5.5.4 Puesta a tierra

5.5.5 Infraestructura hidráulica

5.6 Pruebas de calidad en Terreno

5.6.1 Medida de la potencia del generador fotovoltaico

5.6.2 Ensayo de bombeo

5.6.2.1 Caracterización de pozos o sondeos

5.6.3 Ensayo de depósito lleno

5.6.4 Uso y gestión del sistema

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6. Dimensionamiento de Sistema de Bombeo FV Estándar

6.1 Antecedentes de la localidad de la Polcura

6.1.1 Características del recurso hídrico y situación geográfica del proyecto

6.2 Radiación diaria

6.3 Selección de la bomba centrifuga sumergible

6.3.1 Aplicación de las formulas del modelo teórico simplificado

6.4 Dimensionamiento del Campo de Captación

6.5 Elección del Convertidor de Frecuencia

6.5.1 Programación del CF

6.6 Proyección del volumen de agua bombeado por el sistema de bombeo solar FV

6.6.1 Clima del Sector

6.6.2 Radiación Hora ­día del Sector

6.6.3 Método simplificado de la estimación del volumen de agua bombeado

6.7 Presupuesto del Sistema de bombeo solar FV estándar.

6.8 Calculo energético y consumo de energía en sistemas convencionales

6.9 Ahorro de Energía y Emisiones de CO2

7. Conclusiones

7.1 De las especificaciones técnicas de bombeo fotovoltaico

7.2 De los sistemas de bombeo FV que utilizan CF

7.3 Del dimensionamiento del sistema de bombeo solar FV

8. Bibliografía

B. Listado de palabras clave

Bombeo, Solar, Fotovoltaico, Especificaciones Técnicas, Estandarización Diseño, Convertidor de Frecuencia

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1. Introducción

Los equipos que conforman los sistemas de bombeo solar fotovoltaico han evolucionado desde

la configuración con sistemas especiales para uso solar hasta el estado del arte actual, que

utiliza equipos estándar de mercado. La experiencia obtenida en el diseño, instalación y

operación de grandes proyectos de sistemas fotovoltaicos de bombeo durante los últimos ocho

años respalda la mayor fiabilidad de esta configuración y apunta a pequeñas mejoras técnicas

posibles mediante accesorios simples.

Los equipos de acondicionamiento de potencia utilizados en los sistemas de bombeo

fotovoltaico de los 49 sistemas instalados en Gambia en 2003 y los 29 que están siendo

instalados actualmente en Marruecos cubren una amplia gama de necesidades y responden a

este último diseño. Jordania, Tailandia, Brasil y otras zonas de países en vías de desarrollo,

también han sido beneficiarios de programas similares de mayor o menor tamaño mostrando la

viabilidad de los sistemas fotovoltaicos de bombeo. [1]

En un principio la tendencia era utilizar inversores y bombas específicamente modificadas para

aplicaciones solares, excepto para pequeñas potencias donde se recurría a sistemas en CC,

siendo la bomba de desplazamiento positivo y el acondicionador de potencia un adaptador.

La evolución hacia el uso de equipos estándar en el mercado, y por tanto más fiables y

económicos y en una gama completa de aplicaciones, fue el objetivo perseguido durante un

tiempo. La respuesta se encontró en los convertidores o variadores de frecuencia, que están

diseñados para el suministro de potencia a cargas variables. El convertidor de frecuencia

puede ser alimentado directamente en CC sin modificaciones, alimentando directamente una

bomba centrífuga.

Así, los sistemas quedan compuestos por tres equipos de total madurez tecnológica, fiables y

eficientes: los módulos fotovoltaicos, el convertidor de frecuencia y la bomba centrífuga.

Los primeros equipos electrónicos de control, de alta tasa de fallo especialmente en ambientes

con altas temperaturas, han sido sustituidos por una cuidada programación de los variadores,

optimizando la respuesta de la bomba a la radiación solar instantánea mediante el adecuado

control PID (lo que minimiza los golpes de ariete) y permitiendo la instalación de todas las

protecciones necesarias, en algunos casos con ayuda de un autómata, cuyos parámetros y

tiempos pueden variarse fácilmente.

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Otros accesorios que mejoran la fiabilidad global son:

• Detección de pozo vacío. El sensor eléctrico utilizado en los inicios enviaba frecuentemente

señales erróneas debido a una alta salinidad, con la incomodidad añadida de la necesidad de

control de posibles oxidaciones. Actualmente la falta de agua es detectada por el variador por

la aceleración repentina de la bomba.

• Cloración del agua extraída: Mediante caudalímetros emisores de impulsos, con alimentación

propia también solar, o mediante sistemas tipo Venturi, más simples aunque válidos sólo para

aguas de una cierta calidad.

• Minimización de los golpes de ariete por software.

• Simplificación de las tareas de montaje y mantenimiento del sistema (perforación de la clapeta

de la bomba, calidades de materiales, diseño de cabezas de pozo).

Otro punto de importancia es la labor social de sensibilización ante los cambios que supone la

introducción de una nueva tecnología y la formación técnica a los responsables de

mantenimiento son la clave que asegurará o condenará el éxito del proyecto.

Para que la tecnología pueda considerarse apropiada es imprescindible la participación de la

población en la instalación y la cesión de ciertas responsabilidades (construcción de tanque,

recogida de fondos para mantenimiento, labores de mantenimiento preventivo de los sistemas,

etc.).

Una delicada integración en la comunidad, preferentemente realizada por agentes sociales

locales (asociaciones, líderes) impedirá que las costumbres del lugar sean afectadas por el

sistema. Por ejemplo, en un entorno en que el valor del agua es percibido como muy

importante, es imprescindible que sea asumido que los grifos no son inagotables.

El sector inmediatamente más favorecido es el de la mujer, que puede evitar el gran esfuerzo

físico de la extracción de agua, más a largo plazo pero de igual importancia es el impacto

positivo en la salud, principalmente infantil, dada la mejora en la calidad del agua. [2]

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El programa denominado Programme Régional Solaire (PRS) iniciado en 1990, cubrió la región

del Sahel y fue pionero al exigir a los participantes en el concurso público ofertado, un estricto

control de calidad. Control extendido a todas las partes del sistema de bombeo fotovoltaico.

Dado que sirvió de ejemplo a bastantes proyectos posteriores (PRS 2), es considerado

actualmente como un fiel reflejo del estado del arte de la tecnología europea de bombeo

fotovoltaico.

El programa de bombeo MEDA, financiado por la Unión Europea (a través de su programa

MEDA, del cual toma el nombre) y la Agencia Española de Cooperación internacional), tuvo

como objetivo general dotar de un suministro seguro de agua en disponibilidad y calidad a

través de la energía solar fotovoltaica.

Este programa fue implementado en Marruecos, Argelia y Túnez, comenzando los trabajos en

diciembre de 2001. Ha consistido en la instalación de 52 sistemas de bombeo fotovoltaico,

repartidos de la siguiente forma, 29 en Marruecos, 10 en Argelia y 13 en Túnez. La potencia

total instalada en este proyecto ha sido de 256 [kWp] de módulos fotovoltaicos.

Uno de los objetivos concretos, ha sido despertar el interés de los actores involucrados en este

tipo de proyectos, en la parte no fotovoltaica de los sistemas, en la creencia de que así se

consigue su máxima duración en el tiempo. Para ello se ha manejado lo que se ha llamado el

“Sistema del agua”, en el que están incluidas, además de su extracción, con los medios que

ello implica, las actividades de almacenamiento, distribución y gestión del agua. Esto obliga a

prestar especial atención a elementos como el depósito de agua, la red de distribución, los

puntos de consumo (fuentes, puntos de repostaje, etc.) y el esquema de gestión del agua.

Estas infraestructuras, siendo buenas para los sistemas anteriores de suministro de agua,

muchas veces presentaban deficiencias cuando se enfrentaban a los sistemas fotovoltaicos

instalados.

Lo descrito hasta aquí corresponde al PRS1, dado el éxito cosechado por este programa, se ha

prolongado con el PRS2, que finalizo en septiembre de 2009. [3]

El esquema de estas experiencias se ha repetido en otras zonas del mundo. Entre 1994 y

2000, se instalaron 206 sistemas de bombeo fotovoltaicos en los estados Mexicanos de Baja

California Sur, Chihuahua, Quintana Roo y Sonora, entre otros. En una buena parte, estos

sistemas vinieron a sustituir otros alimentados por generadores diesel.

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En Chile esta tecnología esta poco difundida debido a la falta de normativas que regulen la

calidad de las instalaciones, la falta de servicio técnico y de equipamiento adecuado.

En este país la energía solar ha sido y es utilizada preferentemente en la zona norte del país,

donde existe uno de los niveles de radiación más altos del mundo. Es usada principalmente

para el calentamiento de agua a baja temperatura y para generación de electricidad con

paneles fotovoltaicos en viviendas y establecimientos aislados y dispersos.

Respecto a la generación de energía eléctrica fotovoltaica es utilizada a lo largo de todo Chile,

principalmente en la zona norte y las aplicaciones principales son para abastecer de energía a

viviendas, escuelas, postas, centros comunitarios, retenes de carabineros y pasos fronterizos

aislados y dispersos, para usos en radiofonía y telecomunicaciones en sectores rurales [4].

Chile fue pionero en la utilización de la energía solar térmica con fines industriales, en el año

1872 se construyó la primera planta desaladora solar del mundo, en la localidad de Las

Salinas, entre Antofagasta y Calama, en la II Región, que funcionaba como un proceso de

destilación, tipo hot­box, con capacidad de 15.500 [m3], produjo 22.700 litros de agua dulce por día y funcionó por 40 años.

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2. Estado del Arte del Bombeo Solar Fotovoltaico

2.1 Estado del Arte en Chile

A continuación se describe el estado tecnológico de la energía solar FV en Chile, primero de

manera general y luego centrándose en el bombeo FV.

2.1.1 Desarrollo de la Energía Solar FV en Chile

El desarrollo de la tecnología fotovoltaica en Chile incluye los siguientes tipos de usos:

aplicaciones efectuadas por empresas de telecomunicaciones, aplicaciones en retransmisión

de televisión en sectores aislados, sistemas de iluminación de faros con paneles fotovoltaicos y

electrificación rural.

En el marco del Programa de Electrificación Rural (PER), municipalidades, Gobiernos

Regionales y particulares, han instalado estos sistemas para alumbrado y electrificación de

viviendas. Entre los años 1992 y 2000 se han colocado cerca de 2.500 soluciones individuales

con sistemas fotovoltaicos, para abastecer de energía eléctrica a viviendas rurales, escuelas y

postas.

Actualmente la Comisión Nacional de Energía, dentro del PER, está desarrollando diversas

iniciativa para promover e implementar el uso de estas tecnologías. [5]

2.1.2 Desarrollo del bombeo FV de agua en Chile

En el marco del proyecto “Remoción de barreras para la electrificación rural con energías

renovables”, que ejecuta la Comisión Nacional de Energía (CNE) en conjunto con el Programa

de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), el Gloval Environment Facility (GEF), el

Gobierno Regional y las municipalidades de la Región de Coquimbo, implementaron en octubre

de 2008, cuatro proyectos piloto demostrativos de bombeo solar en zonas rurales de secano en

que existía alguna fuente de agua, como pozos y norias, susceptibles de mejorar, con una

potencia instala que va desde los 200 a 800 Wp.

Los sistemas de bombeo FV implementados utilizan motobombas especialmente diseñadas

para esta aplicación, las que llevan incorporado en el motor el inversor que convierte la

corriente continua de los paneles solares en corriente trifásica. De esta forma, además, la

bomba llena el estanque acumulador durante el día con horas de sol, con un caudal de bombeo

variable según la intensidad de la radiación solar.

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Referente al estado actual de estas instalaciones, no se tienen antecedentes de ellas ni de los

resultados tangibles de la iniciativa. [4]

2.2. Desarrollo Tecnológico del Bombeo Solar FV

El estado del arte actual de la tecnología de bombeo FV está ampliamente dominada por la

utilización de inversores y motobombas centrífugas específicamente desarrollados para este

tipo de aplicaciones. El número de sistemas de bombeo fotovoltaico que han demostrado tanto

un elevado grado de fiabilidad como buen rendimiento de operación no es muy numeroso, son

productos especialmente diseñados para aplicaciones FV, como puede ser por ejemplo la

utilización de motores trifásicos a 68 [V] e inversores especiales que resultan caros

comparados con el coste del bombeo convencional. Existe además una limitación en cuanto a

la potencia máxima disponible. [6]

2.2.1 Convertidores de frecuencia en sistemas de bombeo FV

Este tipo de sistemas de bombeo fotovoltaico esta basado en la utilización de convertidores de

frecuencia (CF) industriales los cuales permiten diseñar sistemas de alta potencia (> 1.500

Wp). Están basados en la utilización de 3 productos estándar de mercado como son módulos

FV los CF y las bombas centrifugas sumergibles multi­etapa con motor asincrónico o de

inducción. El desarrollo de los variadores de frecuencia ha sido motivado por las numerosas

ventajas que supone el control de frecuencia (velocidades) de motores. Entre ellas hay que

destacar el ahorro energético. [7]

2.2.2 Elementos de un sistema de bombeo FV

Un sistema de bombeo fotovoltaico consta de los siguientes elementos: un generador

(fotovoltaico, incluyendo su correspondiente estructura soporte, con seguimiento o sin él), un

equipo adaptador de potencia, una motobomba, unos accesorios de protección y control, y una

estructura hidráulica (incluyendo bajo este nombre, depósito, distribución de agua y puntos de

aprovisionamiento de agua). Si el objetivo del sistema es suministrar agua para consumo

humano, se deberá incluir un sistema de potabilización de agua. [8]

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En la siguiente figura se muestra un sistema de bombeo FV sin control de llenado estanque,

indicando sus componentes principales

Figura 1: Sistema de bombeo FV sin control de llenado estanque

Fuente: Grundfos S.A

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En la siguiente figura se muestra un sistema de bombeo FV con control de llenado estanque,

indicando sus componentes principales

Figura 2: Sistema de bombeo FV con control de llenado estanque

Fuente: Grundfos S.A

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2.3 Descripción del sistema de bombeo FV

2.3.1 Generador fotovoltaico

Tiene por misión suministrar la energía necesaria para el funcionamiento normal del sistema.

No hay ningún tipo de requerimiento especial por el hecho de estar destinado a formar parte de

un sistema de bombeo. Son perfectamente válidos módulos fabricados con silicio mono o

policristalino, y amorfo. Además de los módulos, la estructura soporte se incluye en el

generador a efectos de esta enumeración. En lo que respecta a los sistemas de bombeo en

zonas aisladas, las estructuras fijas son las más utilizadas.

2.3.2 Motobomba

Esta constituida por la bomba y el motor eléctrico que la acciona. Hay dos tecnologías que son

las que han resultado más frecuentemente utilizadas, las bombas centrífugas y las de

desplazamiento positivo o volumétricas. El motor, por su parte puede ser también de dos tipos

distintos: motor de corriente continua (CC) y de alterna (AC).

En los primeros bombeos fotovoltaicos, se utilizó el motor de corriente continua para las

bombas, dado que los módulos generaban este tipo de corriente. Además, para este modelo de

motores, es más fácil controlar su velocidad, lo que hace posible un mejor aprovechamiento de

la potencia variable proporcionada por el sol. Sin embargo los últimos avances en la electrónica

de potencia, manifestados en forma de equipos como los convertidores de frecuencia, han

invertido esta situación, haciendo posible aprovechar una de las más apreciadas características

de los motores de corriente alterna: su gran fiabilidad y robustez.

La ausencia de colectores de delgas (o escobillas) es su principal característica aunque no la

única. El sencillo rotor, llamado rotor “jaula de ardilla”, es simple y funciona satisfactoriamente

en las circunstancias más adversas, dando un excelente servicio con pequeño mantenimiento.

[8]

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2.3.3 Moto­bomba centrífuga

Este apartado se centra en este tipo de bombas porque son las más extendidas en el campo

del bombeo fotovoltaico principalmente por sus destacadas características de robustez.

La siguiente figura muestra, de una manera esquemática, los componentes de una bomba

centrífuga. Si bien, la variedad de este tipo de bombas es muy amplia, todas son máquinas que

transforman un trabajo mecánico en hidráulico.

Figura 3: Esquema simplificado de una bomba centrífuga sumergible y modelo real

Fuente: Grundfos S.A

Esta transformación energética es inversa a la que realizan las turbinas hidráulicas: mientras en

éstas se aprovecha la energía potencial de un salto hidráulico para generar una velocidad de

rotación del rodete (reacción tipo Francis), en las bombas centrífugas, la velocidad comunicada

por el rodete al líquido se transforma, al menos parcialmente, en presión y posterior elevación

del agua.

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2.3.3.1 Bombas para pozos de sondeo

Existen dos tipos de bombas para pozos de sondeo: el tipo de bomba sumergida para pozo de

sondeo con motor sumergible y la bomba para pozos profundos con motor seco conectado a la

bomba por medio de un eje largo.

Estas bombas normalmente se utilizan en sistemas relacionados con el suministro de agua y el

riego. Ambos tipos de bomba están fabricados para ser instalados en pozos profundos y

estrechos, y por tanto tienen un diámetro reducido que hacen que sean más largos que otros

tipos de bombas.

Las bombas para pozos de sondeo están diseñadas especialmente para que puedan

sumergirse en líquidos y por tanto disponen de un motor sumergible con protección IP68. Estas

bombas disponen de versiones mono­celular y multicelular (la versión multicelular es la más

común), y se acoplan con una válvula de retención en la cabeza de la bomba.

Hoy en día, las bombas para pozos profundos han sido reemplazadas en mayor o menor

medida por bombas de tipo sumergible. El largo eje de las bombas para pozos profundos es

una desventaja, ya que las hace difíciles de instalar y mantener. Dado que el motor de las

bombas para pozos profundos está refrigerado por aire, ese tipo de bomba a menudo se utiliza

en aplicaciones industriales para bombear agua caliente desde depósitos abiertos. La bomba

sumergible no puede manejar altas temperaturas porque el motor está sumergido en el líquido

que debe refrigerarlo. [9]

2.3.4 Equipo acondicionador de potencia

Aunque es posible conectar el generador directamente al motor (si es de corriente continua), se

gana mucho en eficiencia intercalando un equipo que, en términos generales, adapte

impedancias entre los 2 elementos. En el caso de los motores de continua, la función principal

será convertir la tensión de los módulos en una adecuada para el motor y constante a lo largo

del día de forma que sólo la corriente varíe (en función de la irradiación incidente).

En el caso de los motores de alterna, este equipo es imprescindible para convertir la corriente

continua en alterna. En el último tiempo los inversores ofrecen la capacidad de generar una

frecuencia de trabajo variable en función de la potencia de entrada. Son los llamados

convertidores de frecuencia (CF) que están dando un resultado excelente en sistemas de

bombeo ya instalados.

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Figura 4: Armario de Control para Bombeo Directo

Fuente: ISOFOTON

2.3.4.1 Convertidor de frecuencia

El desarrollo de los CF en las últimas décadas (con un mercado global en 2005 de 4900M$

crecimiento anual del 7%) ha sido incentivado por las numerosas ventajas que supone el

control de frecuencia (velocidad) de motores. Entre ellas cabe destacar el ahorro energético

obtenido mediante la sustitución de métodos de control de caudal mediante válvula de

estrangulamiento por control de caudal por variación de frecuencia. Todo ello supone que

actualmente sean elementos de muy alto rendimiento (>95%), amplias prestaciones,

disponibilidad y muy bajo coste.

Este equipo permite a partir de una determinada tensión y frecuencia de entrada obtener una

tensión de salida con diferente frecuencia. Esta característica y la estabilidad de salida dada

por la configuración la doble conversión los hace indicados para la alimentación de equipos y

máquinas cuya frecuencia de trabajo es distinta a la existente. Adicionalmente los convertidores

pueden adaptar el valor de tensión de salida a la requerida por los equipos a proteger.

El convertidor de frecuencia, básicamente está compuesto por un módulo rectificador que

transforma la tensión alterna de entrada en tensión continua. Esta corriente continua es

convertida en corriente alterna de la frecuencia y tensión deseada por el módulo inversor

mediante la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM). Un transformador provee

aislación galvánica.

La interfase con el usuario se realiza a través de un display LCD y de un teclado que permiten

visualizar y parametrizar las variables involucradas, leer mediciones, estados y alarmas. El

equipo tiene un conjunto de contactos secos (señales de alarmas y estados) que se activan

ante diferentes eventos para su monitoreo. [9]

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Figura 5: Diagrama en bloques de un CF

Fuente: DEEP S.R.L.

Como se ha mencionado anteriormente, el control de la velocidad de las bombas implica un

convertidor de frecuencia. Por consiguiente, es interesante estudiar con más detalle los

convertidores de frecuencia, su funcionamiento y las precauciones relacionadas con el uso de

este dispositivo.

2.3.4.1.1 Características y funciones básicas de CF

Es un hecho bien conocido que la velocidad de un motor asíncrono depende ante todo del

número de polos del motor y de la frecuencia de la tensión suministrada. La amplitud de la

tensión suministrada y la carga en el eje del motor también influyen sobre la velocidad del

motor, aunque no en el mismo grado. En consecuencia, cambiar la frecuencia de la tensión de

alimentación es un excelente método para controlar la velocidad de los motores asíncronos.

Para poder garantizar la magnetización correcta del motor, también es necesario cambiar la

amplitud de la tensión.

Figura 6: Desplazamiento de la característica del par motor

Fuente: Grundfos S.A

Un control de la frecuencia/tensión da como resultado un desplazamiento de la característica

del par, por medio del cual se cambia la velocidad. La figura 6 muestra la característica del par

del motor (T) en función de la velocidad (n) para dos frecuencias/tensiones distintas. En el

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19

mismo diagrama también se ha dibujado la característica de carga de la bomba. Como se

deduce de la figura, la velocidad cambia al cambiar la frecuencia/tensión del motor.

El convertidor de frecuencia cambia la frecuencia y la tensión, por lo tanto se puede inferir que

la tarea básica de un convertidor de frecuencia es cambiar una tensión/frecuencia fija

suministrada, p. ej., 220 V/ 50 Hz, a una tensión/frecuencia variable.

2.3.4.1.2 Componentes de un CF

Como se ha mencionado previamente, en principio, todos los convertidores de frecuencia

constan de los mismos bloques funcionales. Su función básica es convertir la tensión eléctrica

entrante en una nueva tensión de CA con otra frecuencia y amplitud.

En primer lugar, el convertidor de frecuencia rectifica la tensión eléctrica entrante y almacena la

energía en un circuito intermedio que utiliza un condensador. A continuación, la tensión de CC

se convierte en una nueva tensión de CA con otra frecuencia y amplitud.

Debido al circuito intermedio del convertidor de frecuencia, la frecuencia de la tensión entrante

no tiene influencia directa sobre la frecuencia de salida y, en consecuencia, sobre la velocidad

del motor. No importa si la frecuencia es de 50 Hz, 60 Hz o CC (Módulos FV), el rectificador

puede procesar ambas situaciones. Además, la frecuencia entrante no tendrá influencia sobre

la frecuencia de salida ya que ésta se define por el modelo de tensión/frecuencia establecido

en el inversor.

Teniendo en cuenta estos factores mencionados, el uso de un convertidor de frecuencia en el

caso de los motores asíncronos ofrece las siguientes ventajas:

• El sistema se puede utilizar en áreas con redes eléctricas de 50, 60 Hz o CC (Módulos

FV),sin necesidad de modificaciones.

• La frecuencia de salida del convertidor de frecuencia es independiente de la frecuencia de

entrada.

• El convertidor de frecuencia puede suministrar frecuencias de salida superiores a la

frecuencia de la red eléctrica, permitiendo el funcionamiento hipersincrónico.

Como se deduce de la figura 7, el convertidor de frecuencia a su vez consta de otros tres

componentes: un filtro EMC, un circuito de control y un inversor.

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20

Figura 7: Bloques funcionales del convertidor de frecuencia

Fuente: Grundfos S.A

2.3.4.1.2.1 El filtro EMC

Este bloque no forma parte de la función principal del convertidor de frecuencia y, por lo tanto,

en principio podría no estar incluido en el convertidor de frecuencia. No obstante, para cumplir

los requisitos de la directiva EMC de la Unión Europea u otros requisitos locales, este filtro

resulta necesario.

El filtro EMC garantiza que el convertidor de frecuencia no enviará señales inaceptables de alto

ruido a la línea de alimentación eléctrica que perturbarían otros equipos conectados a la red

eléctrica. A la vez, este filtro garantiza que las señales de ruido presentes en la red eléctrica

generadas por otros equipos no pasarán a los dispositivos electrónicos del convertidor de

frecuencia causando daños o interferencias.

2.3.4.1.2.2 El circuito de control

El bloque del circuito de control tiene dos funciones: Controla el convertidor de frecuencia y a la

vez se encarga de las comunicaciones entre el producto y el entorno.

2.3.4.1.2.3 El inversor

La tensión de salida de un convertidor de frecuencia no es sinusoidal como la tensión normal

de la red de alimentación. La tensión suministrada al motor está formada por impulsos de

ondas cuadrada como se aprecia en la siguiente figura.

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Figura 8: Tensión de la CA con frecuencia variable (fm) y tensión variable (U motor)

Fuente: Grundfos S.A

El valor medio de estos impulsos forma una tensión sinusoidal que tiene la frecuencia y la

amplitud deseadas. Dependiendo de la marca, la frecuencia de conmutación puede ser desde

unos pocos kHz hasta 20 kHz. Para evitar la generación de ruido en los devanados del motor,

es preferible utilizar un convertidor de frecuencia con una frecuencia de conmutación por

encima del rango de audición (~16 kHz).

Este principio de funcionamiento del inversor se denomina control por modulación por duración

de impulso, PWM (Pulse Width Modulation) y es el principio de control que se utiliza más a

menudo en los convertidores de frecuencia actuales.

La propia corriente del motor es casi sinusoidal. Esto se muestra en la figura 9 (a) que indica la

corriente (parte superior) y la tensión del motor. En la figura 9 (b) se muestra una sección de la

tensión del motor. Indica cómo cambia la relación de tensión de los impulsos/pausas. [9]

Figura 9: a) Corriente (top) y tensión del motor con control de modulación por duración de

impulso PWM (Pulse Width Modulation). B) Sección de la tensión del motor

Fuente: Grundfos S.A

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2.3.4.2 Accesorios de protección y control

Son los dispositivos encargados de detectar las situaciones fluctuantes en un sistema de

bombeo. Las más importantes son la de depósito lleno y la de pozo vacío. Para conseguirlo se

pueden utilizar sensores de nivel, presostatos, boyas o aprovechar las capacidades que

presentan hoy en día los convertidores de frecuencia (por ejemplo, la detección de frecuencias

de trabajo excesivamente altas).

2.3.5 Infraestructuras hidráulicas

Tienen por misión conducir el agua, almacenarla y suministrarla a los usuarios. Deben evitar

pérdidas de agua y protegerla de agentes externos en todo el recorrido. Otros aspectos son los

de adecuación a los métodos de aprovisionamiento de agua de los usuarios, y (si es el caso)

que tengan en cuenta la idiosincrasia del grupo humano que se va a utilizar del sistema de

bombeo. [8]

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3. Objetivos del Proyecto

El actual estado del arte de los sistemas de bombeo FV ha demostrado ser una tecnología

madura y altamente fiable para el abastecimiento de agua en áreas aisladas o sin energía

convencional como es el caso de muchas comunidades rurales del Norte y Sur de Chile.

Estos sistemas con buen rendimiento de operación, son productos especialmente diseñados

para aplicaciones FV, están disponibles en una reducida gama de potencias (limitación en

cuanto a la potencia máxima disponible), y resultan más caros en comparación con el costo del

bombeo convencional.

Tomando en consideración lo descrito anteriormente, el objetivo principal de este trabajo será:

Contribuir en el aseguramiento de la calidad de estos sistemas y en la reducción en su costo de

equipamiento, mediante:

­ La elaboración de especificaciones técnicas que, por un lado, garanticen la calidad

tanto de los componentes como de la globalidad del sistema fotovoltaico de bombeo, y

por otro, pueda ser aplicables universalmente. Estas especificaciones son el fruto de la

experiencia acumulada en la evaluación de diversos proyectos de bombeo y en

particular del proceso de control de calidad puesto en marcha en el proyecto MEDA [7]

­ El desarrollo de una metodología de cálculo para sistemas de bombeo FV mediante

convertidor de frecuencia, motor de inducción y motobomba AC centrífuga sumergible

convencional, ambos productos estándar del mercado, como alternativa al bombeo FV

convencional.

Para el logro de la primera etapa se propondrán una seria de especificaciones técnicas con la

fiabilidad como objetivo global, abarcando:

­ Estandarización de sistemas (sencillez en equipos e instalaciones)

­ Dimensionamiento y distribución de agua.

­ Detalles importantes a tener en cuenta en estos sistemas desde un punto de vista de

suministro de cierto volumen de agua en términos diarios.

­ Identificación de responsables locales de los sistemas y su mantenimiento.

­ Instalación de sistemas y revisión temprana de los mismos.

­ Establecimiento de una estructura de mantenimiento local para garantizar una larga

vida de los sistemas.

­ Revisión de los sistemas una vez instalados y después de un período de tiempo de

funcionamiento.

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Estas estrategias han sido implementadas y convenidas en la práctica en un extenso programa

de bombeo fotovoltaico ejecutado en Marruecos, Argelia y Túnez.

La consecución de la segunda etapa se complementara con la presentación de un modelo

simplificado que permita la estimación de las curvas Potencia DC­Caudal características de

sistemas de bombeo FV mediante convertidor de frecuencia a partir de datos de catálogo. El

modelo desarrollado permitirá disponer de una herramienta para la selección de la moto­bomba

más adecuada para cada aplicación.

Además se explicara el procedimiento adecuado para la conexión del CF al generador FV y

su óptima programación, con el objeto de operar motores estándar de inducción y bombas

centrífugas. Estos sistemas de bombeo FV formado por elementos convencionales suponen

una solución universal más restable en el rango de media y elevada potencia.

Las principales ventajas de esta investigación serán:

­ Disponer de un estándar técnico que sirva como base para el aseguramiento de la

calidad en proyectos de bombeo fotovoltaico que garantice un abastecimiento de agua

confiable y de larga vida útil.

­ Contar con un amplio rango de productos (moto­bombas) de potencias, alturas y

caudales, independencia de un determinado fabricante, elevado grado de fiabilidad, y

bajo coste final de la instalación, logrando utilizar cualquier modelo de convertidores

de frecuencia combinado con modelos de moto­bomba disponibles en el mercado

industrial que satisfaga el caudal y la altura necesarios para una determinada

aplicación.

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4. Descripción de la metodología y/o datos empleados

La metodología de trabajo desarrollada en este estudio propone en un principio definir un

estándar técnico que sirva como base para el aseguramiento de la calidad en proyectos de

bombeo fotovoltaico para lugares donde no existe normativa al respecto como es el caso de

Chile. Estas especificaciones son el fruto de la experiencia acumulada en la evaluación de

diversos proyectos de bombeo y en particular del proceso de control de calidad puesto en

marcha en el proyecto MEDA y Programme Régional Solaire (PRS) 1 y 2 [7].

Luego el estudio se centrarse en los procedimientos adecuados para la conexión de CF a

generadores FV y su óptima programación, con el objeto de operar motores estándar de

inducción y bombas centrífugas. También se presentara un modelo, basado en datos de

catálogo, para la estimación de las curvas características, Potencia DC­Caudal para cualquier

sistema CF­motobomba. Este modelo se ha validado experimentalmente por el CIEMAT –

Laboratorio de Energía Solar Fotovoltaica del Departamento de Energías Renovables y su

principal aplicación será el desarrollo de una herramienta de diseño para seleccionar la

motobomba más adecuada para cada aplicación [11].

Respecto al proyecto MEDA, este ha permitido la instalación de 52 sistemas de bombeo

fotovoltaico sumando todos ellos una potencia total de 257 [kWp], que ha beneficiado,

aproximadamente, a unas 50.000 personas. En todos los sistemas, el agua se bombea hasta

un depósito elevado desde donde se distribuye hasta las casas en donde, previamente, se ha

instalado un grifo y un contador. Este último sirve para aplicar las tarifas correspondientes por

el consumo de agua. Este proyecto ha supuesto una oportunidad para reflexionar sobre el

bombeo fotovoltaico en general.

Es importante destacar que la aproximación considerada aquí para el aseguramiento de una

calidad técnica se basa en la idea de que la “calidad técnica” es más bien una cuestión de

voluntad más que de sofisticación técnica. Esta idea está motiva por la persistencia de los

problemas en el terreno que permanecen debido a la ausencia de aplicación de cualquier tipo

de procedimiento de control de calidad.

La metodología utilizada para desarrollar las especificaciones aquí presentadas se inspira en el

“Universal Solar Standard for Solar Home Systems”, norma que ha sido ampliamente utilizada en distintos programas de electrificación rural desde su publicación en 1998 y que pretendió ser

lo suficientemente flexible para considerar las condiciones particulares de cada país (clima,

fabricación local, mercado local, capacidad de los pueblos autóctonos, etc.), pero manteniendo

los requisitos mínimos que permitieran garantizar la calidad [12].

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Siguiendo esta misma metodología, las especificaciones del estándar propuesto en este trabajo

se han clasificado en tres grupos: Obligatorias (O), Recomendadas (R) y Sugeridas (S).

Los criterios Obligatorios (O) son los que pueden afectar directamente a la seguridad y la

fiabilidad. El incumplimiento de estos criterios puede terminar en daños personales o en averías

del sistema. Por tanto constituyen los requisitos mínimos que debe cumplir cualquier sistema y

que, por tanto, deben ser respetados independientemente del emplazamiento geográfico del

sistema de bombeo.

Los criterios Recomendados (R) son aquellos que normalmente permiten una optimización del

sistema. La mayor parte de ellos son universalmente aplicables, y una falta de su cumplimiento

puede provocar, en última instancia, un aumento del coste de los sistemas. Por tanto, y visto

que las consideraciones económicas dependen de las condiciones locales, la aplicación de

estos criterios debe ser función de cada caso particular.

Los criterios Sugeridos (S) son aquellos que persiguen una instalación robusta. No obstante,

hay que señalar que la calidad y solidez de los sistemas son muchas veces apreciaciones

personales fruto de la experiencia de los autores y, por tanto, conllevan cierto grado de

subjetividad. Los criterios propuestos aquí, pueden ser tamizados por la experiencia de los

promotores de los proyectos y las particularidades del emplazamiento final, y su aplicación

debe, en consecuencia, ser revisada en cada caso particular.

Los símbolos, “O”, “R”, “S”, son utilizados en el resto del trabajo para especificar el carácter

obligatorio, recomendado o sugerido de cada criterio, según la clasificación mencionada

anteriormente.

Asimismo se ha escogido una nomenclatura para designar cada una de las normas que se

proponen con el objetivo de referenciarlas de una manera clara y rápida. Las claves utilizadas

y las partes o funciones a que corresponden son:

­ “CO”: consumo de agua. ­ “INS”: Aspectos generales de la instalación

­ “I”: irradiancia. ­ “P”: Sistema de potabilización de agua.

­ “B”: bombeo o la fuente de agua. ­ “PT”: Protecciones.

­ “G”: generador fotovoltaico.

­ “E”: estructura soporte del generador.

­ “C”: convertidor de frecuencia.

­ “M”: Motobomba.

­ “CAB”: Cableado.

­ “IH”: infraestructuras hidráulicas.

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5. Desarrollo del Contenido

5.1 Requisitos generales y funcionamiento del sistema fotovoltaico de bombeo

Desde un punto de vista general los sistemas de bombeo están compuestos de las siguientes

partes:

­ Un generador fotovoltaico, compuesto a su vez, de módulos interconectados eléctricamente hasta constituir una unidad de producción DC, y de una estructura soporte.

­ Un acondicionador de potencia, constituido por un convertidor DC/AC, capaz de variar la frecuencia y la tensión de salida en función de la potencia disponible del generador, que a su

vez, es función de la irradiancia incidente.

­ Una motobomba sumergida, formada por la asociación de un motor eléctrico de inducción y de una bomba, centrífuga.

­ Un cableado eléctrico a través del cual circula la energía desde el generador fotovoltaico hasta el motor, y que incorpora funciones de control y seguridad.

­ Una infraestructura hidráulica que conduce el agua desde la fuente, normalmente un pozo, hasta los puntos de distribución y que, a su vez, está constituida por cuatro elementos: la

fuente de agua, la conducción entre la fuente y la entrada al depósito de almacenamiento, el

depósito y la conducción entre el depósito y los puntos de distribución. En esta definición, se

entiende por conducción el conjunto de tuberías, accesorios (llaves de paso, empalmes, etc.),

dispositivos de medida y de la interface con el usuario: grifos, fuentes, etc.

­ Un sistema de potabilización de agua, allí en donde las condiciones sanitarias del agua lo hagan necesario.

La mayor parte de las bombas fotovoltaicas actuales, destinadas al suministro de agua potable

a las poblaciones rurales, responden a este esquema, y su gama de funcionamiento cubre el

rango que va desde los 200 m4 hasta superar los 1.000 m4 (unidad que representa un volumen

de agua, medido en metros cúbicos, elevado a cierta altura medida en metros) al día [13].

En particular, para las gamas de aplicación de entre 50 y 400 m4 al día, el mercado ofrece

algunos buenos sistemas de bombeo con motores que funcionan directamente en DC. En

estos casos, se podrán aplicar estas especificaciones sin más que sustituir el término

convertidor DC/AC por convertidor DC/DC.

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Recientemente, la gama de bombas sumergidas se ha ampliado con las comúnmente llamadas

bombas helicoidales o de desplazamiento positivo. Más concretamente cuando se trata de

grandes alturas de bombeo, del orden de cientos de metros y, al mismo tiempo, volúmenes

diarios de agua reducidos, inferiores a 20 m3, el rendimiento de este tipo de bombas es

significativamente más elevado que el de las bombas centrífugas equivalentes.

Diversos estudios han detectado el interés de estas bombas para los casos de pueblos con

niveles freáticos profundos y poblaciones de menos de 300 habitantes. En estos casos hay que

afrontar el alumbramiento del pozo y la construcción de infraestructuras en esas condiciones

particulares, lo que se traduce, en un precio elevado del agua bombeada. Por otro lado, no hay

que olvidar que este tipo de bombas requieren una potencia elevada de arranque [14].

El éxito de un sistema de suministro de agua debe ser evaluado basándose en los siguientes

criterios:

­ Capacidad de bombeo

­ Fiabilidad

­ Seguridad

­ Sencillez de uso

­ Sencillez de instalación y mantenimiento

­ Calidad sanitaria del agua

El orden de esta lista no pretende establecer un orden de importancia. Este estudio se inclina

sobre las implicaciones de cada uno de estos criterios, buscando deducir las especificaciones

técnicas concretas, que pueden ser incorporadas directamente en los procedimientos que

regulan la adquisición e instalación de los equipos. En varios casos, una especificación

particular puede derivar de criterios variados y distintos.

Por ejemplo, las especificaciones destinadas a evitar las pérdidas de agua o la corrosión en las

tuberías afectan la fiabilidad, pero también a la sencillez del mantenimiento y la calidad

sanitaria del agua. En estos casos, los criterios afectados se mencionarán en el texto

solamente el primero caso. En el ejemplo mencionado, se referiría solamente el criterio de

fiabilidad. Se podrían haber considerado otros criterios para clasificar las normas, por ejemplo,

atendiendo a los procedimientos de ensayo necesarios para su comprobación, de especial

utilidad en los procesos reales de control de calidad.

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29

5.1.2 Capacidad de bombeo

La demanda de agua, la irradiación solar y la altura de bombeo, son los datos que deben de

ponerse a disposición del diseñador del sistema de bombeo fotovoltaico. Hay que insistir en el

hecho de que los valores estimados de estos parámetros no son más que predicciones, que

inevitablemente llevan asociadas un cierto grado de incertidumbre. Esta incertidumbre es

comúnmente asumida, y representa una seria limitación a la precisión de los resultados

obtenidos de cualquier ejercicio de dimensionado.

5.1.2.1 Consumo de agua

Para estimar el consumo de agua de poblaciones rurales, la literatura recomienda un valor

situado entre 20 y 40 litros por persona y día. Sin embargo, el contraste experimental de esta

práctica es escaso y poco concluyente. Las pocas medidas reales publicadas revelan que,

incluso para dos lugares aparentemente idénticos (misma región, misma forma de vida, etc.) la

utilización del agua bombeada por un sistema fotovoltaico puede responder a patrones muy

diferentes. En estas condiciones de semejanza, se han encontrado factores de utilización de

agua (relación entre el volumen de agua consumido y el disponible) que van del 30 al 70% [15].

En el caso de lo que ha sido observado en Marruecos se puede diferenciar entre la parte de

agua utilizada para el consumo humano (cocinar, beber, etc.), estimado en 15 litros por

persona y día, y la parte dedicada otros usos domésticos (aseo personal, lavado de ropa,

consumo de animales domésticos, etc.) estimado en 35 litros por persona y por día [15].

Aunque repartiendo de distinta manera el agua asignada a cada necesidad básica, otros

autores llegan a la misma cifra total (50 litros por persona y día) tras estudios más genéricos.

La cantidad diaria de agua que deberá suministrar la bomba resulta de sumar el primer término

más el segundo multiplicado por un factor modulador que depende de la facilidad de acceso al

punto de suministro de agua [16].

A manera de sugerencia para el dimensionado de los sistemas, se utilizará el intervalo que va

entre los 15 y los 50 litros de agua por persona y día. El límite inferior corresponde a las

situaciones para las cuales el agua es distribuida a través de fuentes comunales, lo que supone

un esfuerzo mayor por parte de las personas, mientras que el límite superior corresponde a

situaciones en las que hay un punto de suministro de agua en cada casa [15].

Al mismo tiempo que se considera esta hipótesis a la hora de dimensionar el sistema, hay que

tener en cuenta también las particularidades de cada pueblo (disponibilidad de otras fuentes de

agua, tradiciones, etc.) y, dado que estas particularidades no son conocidas a priori, el

diseñador está obligado a decidir sabiendo que va a tener cierto margen de incertidumbre. Lo

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más habitual es elegir unos valores elevados que permitan tener en cuenta el aumento del

número de habitantes del pueblo o el cambio en los perfiles de consumo. Por todo ello se

aconseja:

CO1. Si el suministro de agua a la población se efectúa a través de fuentes comunes, el

valor del volumen de agua para el cálculo del dimensionado del sistema debe ser de 20

litros por persona y día. ®

CO2. Si el suministro de agua a la población se efectúa a través de grifo individual en

cada casa, el valor del volumen de agua para el dimensionado deberá ser de 45 l itros por

persona y día. ®

En particular, cuando se trata de sistemas de alimentación comunitarios, y si además existen

otras fuentes alternativas, estas recomendaciones tenderán a un cierto sobredimensionado de

la bomba, es decir, a situaciones en las que la utilización real del agua es inferior a la

capacidad del sistema de bombeo. Esta tendencia acarreará un cierto sobrecoste económico,

pero evitará el riesgo contrario, es decir, el sub­dimensionado de la infraestructura, ante el cual

las poblaciones son muy sensibles. Es importante recordar que el coste de un sistema de

bombeo fotovoltaico está lejos de ser lineal con su tamaño y que el generador tan solo

representa una pequeña parte en el coste del sistema completo (un 17% en el caso del

programa llevado a cabo en Marruecos) [15].

5.1.2.2 Irradiación solar

La estimación de un valor de referencia para la irradiación solar incidente sobre la superficie de

un generador añade aún más incertidumbre en la concepción de una bomba fotovoltaica. De

acuerdo con su naturaleza aleatoria, la irradiancia se caracteriza por un valor medio Gd (I), representativo de su potencial total y por una desviación estándar σd, representativa de su

variabilidad. Para un lugar dado, estos valores pueden ser obtenidos tomando datos durante un

período de tiempo suficientemente largo para que sean estadísticamente representativos.

A partir de estos valores, se puede predecir la evolución futura de la irradiación. Para asegurar

una predicción con una probabilidad del 95%, es necesario considerar un margen de variación

de Gd (I) ± 2σd. En general, los valores medios mensuales de irradiación diaria horizontal, Gd (0), están ampliamente disponibles, a diferencia de lo que ocurre con los de la desviación.

Además, los métodos para estimar el valor de Gd (I) a partir de Gd (0) son bien conocidos [16].

Un ejemplo que ayudará a comprender mejor esta situación se presenta en la tabla 1 donde se

muestran las medias mensuales de la irradiación horizontal observada en Madrid para el mes

de marzo entre los años 2000 y 2007 (en [kWh/m2]):

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Tabla 1: Irradiaciones [kWh/m2] registradas en Madrid en los meses de

Marzo de los años 2000 a 2007 en Madrid.

Fuente: Archivo Solar CIEMAT

A partir de estos datos, se puede caracterizar un mes de marzo genérico mediante el valor

medio de irradiación, Gd (0) = 4’26 [kWh] y la desviación típica, σd = 0’27 [kWh]. Esto supone

que para cualquier mes de marzo del futuro, si se desea predecir la irradiación con una

probabilidad del 95% hay que dar a la predicción un margen entre 4’26 + 2 x 0’27 = 4’8

[kWh/m2] y 4’26 –2 x 0’27 = 3’72 [kWh/m2], es decir un ±12’7% alrededor del valor medio.

Sin embargo, el reconocimiento de la incertidumbre asociada no elimina la necesidad de dar un

valor de referencia para el diseño del sistema. Esta necesidad es doble, por un lado es

necesario para calcular el tamaño del sistema de bombeo, y por otro, la comprobación de la

capacidad de bombeo del sistema exige fijar las condiciones de referencia de radiación en las

que dicho sistema debe entregar cierto servicio.

El consumo de agua varía de forma significativa a lo largo del año, y que el mes más

desfavorable a tener en cuenta para el diseño del sistema, corresponde a la época más seca,

el verano

En la mayoría de los casos, es útil recurrir a la recomendación siguiente:

I1. El valor de la irradiación diaria incidente sobre la superficie del generador para el

diseño debe estar situado entre 5 y 7 kWh/m2. El valor central de este margen, es decir, 6

kWh/m2 esta especialmente aconsejado. (S)

Por otro lado, el rendimiento instantáneo de la cadena de bombeo varía con la irradiancia. Por

ello, las especificaciones de un sistema de bombeo requieren la consideración, no solamente

de la irradiación total disponible, sino de un perfil de distribución de la irradiancia a lo largo del

día, G(t). La norma IEC 61725 describe una formulación analítica particularmente conveniente, que permite sintetizar el perfil de irradiancia a partir de los valores de irradiación diaria Gd, de la irradiancia máxima GMAX, y la duración del día, Sd. [18]

La comparación de los perfiles descritos en esta norma a partir de una larga colección de días

reales conduce a recomendar para estos parámetros los valores de la tabla 2:

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

3’78 4’32 4’48 4’40 4’15 3’92 4’55 4’5

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Gd (kWh/m2) GMAX(W/m2) Sd (horas)

7 1.035 12

6 1.000 11

5 830 10

4 675 9

3 575 8

Tabla 2: Valores recomendados para los parámetros considerados en el IEC 61725

Fuente: Archivo Solar CIEMAT

Por ello se propone que:

I2. Para el dimensionado se considerará el perfil diario de irradiancia descrito en la

norma IEC 61725 para los valores de la tabla 2. (S)

5.1.2.3 La fuente de agua: altura de bombeo y capacidad de suministro

Las principales fuentes de agua en el medio rural son los sondeos y los pozos tradicionales.

Para el propósito que nos ocupa, la diferencia entre estas dos fuentes de agua radica en la

capacidad de almacenamiento. Los sondeos, que son siempre estrechos (diámetro típicamente

inferior a 30 cm), no permiten acumular agua en su interior. En consecuencia, el caudal

extraído proviene del agua percolada a través de sus paredes. Por el contrario, los pozos

tradicionales son siempre más grandes (diámetros de 2 metros normalmente), y por tanto

pueden acumular cantidades de agua significativas en su interior.

El comportamiento dinámico de los sondeos es tal que, la profundidad del agua se incrementa

cuando el caudal extraído aumenta. La apertura de un sondeo debe ser seguida de un ensayo

de caracterización que permita establecer tres valores: la profundidad o nivel estático, HST,

correspondiente a un caudal nulo, la profundidad dinámica, HDT, correspondiente a la

profundidad utilizada en el ensayo, y el valor del caudal de ensayo, QT (ver figura 10).

En todo lo que sigue se entiende que las profundidades son distancias desde el nivel del agua

hasta el borde del pozo (brocal, o borde sin más).

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33

Figura 10: Dinámica de un sondeo

Fuente: GTZ

La naturaleza del bombeo fotovoltaico hace que el caudal extraído del pozo varíe dentro de

cierto margen a lo largo del día. Lógicamente, cuanto más grande sea el volumen diario de

agua bombeada, más grande será el margen de caudales, y en consecuencia, más grande

también será la variación de la altura total de bombeo. Para un pozo, un sistema de bombeo y

un día determinado, se puede definir una altura total de bombeo equivalente, HTE, correspondiente a un pozo hipotético en el que la altura no varía con el caudal, y a partir del

cual la bomba extraerá el mismo volumen de agua a lo largo del día. Se puede, entonces,

estimar el valor de HTE a través de la fórmula empírica siguiente [19]:

(1)

Con QAP = αQd, y donde α = 0,047 cuando Qd esta expresado en metros cúbicos. HOT es la altura vertical a partir de la salida de agua hasta el suelo, y HE (QAP) son las pérdidas de carga correspondientes a QAP. Hay que destacar el valor QAP, llamado “caudal aparente”, es un caudal medio.

Se puede observar, como es previsible, que el valor de HTE aumenta a medida que el volumen diario extraído Qd aumenta, y el caudal del pozo QT (dependiente de la capacidad del pozo de reponer agua), disminuye.

En el momento de elegir una bomba fotovoltaica, es cómodo recurrir al valor HTE, ya que, por un lado facilita la tarea del diseñador, y por otro, hace válidos ensayos de laboratorio realizados

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a altura constante, en el marco de posibles mecanismos de control de calidad de sistemas de

bombeo.

Aparte de esto, está claro que la capacidad máxima del pozo no debe jamás ser sobrepasada

por el sistema de bombeo fotovoltaico. Lo cual nos conduce a un criterio importante:

B1. Cuando el bombeo es realizado a partir de sondeos (pozos perforados no

tradicionales), el caudal correspondiente al generador funcionando en las condiciones

estándar de medida (irradiancia=1000W/m2, temperatura de célula = 25ºC) debe ser

menor que el valor del caudal de caracterización del sondeo. (O)

En lo referente a pozos tradicionales, ni sus características, ni los tipos de bombeo disponibles

están estandarizados. Mientras, estas fuentes de agua representan a menudo la mejor

alternativa para el suministro de agua a un pueblo. A la hora de elegir una bomba, solo el valor

de HTE puede ser suficiente para caracterizar el pozo.

Se debe señalar además que la sequía ha sido señalada, con frecuencia, como motivo de

parada de un buen número de sistemas de bombeo fotovoltaico. Este problema ha sido

encontrado también en Marruecos. Por tanto, no estará de más incluir este hecho en el

dimensionado en forma de recomendaciones de ahorro de agua a los usuarios del sistema [20].

Independientemente del régimen de lluvias o sequías, y relacionado también con los pozos

artesanales, es importante destacar el hecho de que la instalación de una bomba fotovoltaica

puede suponer una capacidad de bombeo apreciablemente superior a la disponible con el

sistema de bombeo previo. Si se trata de una bomba manual, esta afirmación es obvia, pero

incluso si la bomba anterior esta impulsada mediante un motor diesel, es muy probable que

también sea cierta.

Generalmente los sistemas diesel son más propicios a las paradas por averías o

mantenimiento, de forma que, en término medio, el volumen de agua bombeado suele ser

menor. Ante esta situación, aunque los usuarios del pozo manifiesten que éste nunca se seca,

conviene reforzar la capacidad de almacenamiento del mismo. Por lo tanto:

B2. Es recomendable aumentar la capacidad de los pozos artesanales que van a recibir

una bomba fotovoltaica mediante su profundización y/o excavación de galerías laterales,

hasta alcanzar un volumen diario de almacenamiento superior al de extracción diaria de

la bomba. ®

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5.1.2.4 Tamaño del generador fotovoltaico

Una vez conocido el volumen diario, Qd (m3), la altura de bombeo equivalente, HTE (m) y la irradiación diaria incidente sobre el plano del generador, Gd (kWh/m2), la potencia nominal

correspondiente del generador fotovoltaico, PG*, es calculada teniendo en cuenta el rendimiento asociado a cada elemento en particular dentro del sistema total. No tiene ningún

sentido especificar aquí un valor concreto para PG*. Sin embargo se considera interesante presentar un método cuya aplicación conduzca a una buena aproximación para este valor.

Si se supone que la tubería tiene un diámetro suficientemente grande, la velocidad del agua

en el interior será despreciable, y por tanto, también lo serán las pérdidas de carga y la energía

cinética de entrada del agua en el depósito. En estas condiciones, el balance energético de una

bomba fotovoltaica puede ser establecido considerando que la energía hidráulica que ésta

suministra, EH, es igual a la energía potencial ganada por el agua, EPOT. Siendo, entonces válida la expresión siguiente:

(2)

Donde ηg, ηI y ηMB son respectivamente los rendimientos diarios del generador, del inversor y

de la motobomba, ρ = 103 kg/m3 es la densidad del agua y g=9’8 m/s2 la aceleración de la gravedad.

Una aproximación razonable, para los generadores de silicio monocristalino, el inversor y las

bombas centrífugas consiste en suponer los valores siguientes:

Hay que destacar que la relación incluya

pérdidas de energía debidas a: temperatura de trabajo de las células superior a 25ºC,

irradiancias incidentes menores de cierta cantidad (aprox. 200 W/m2), ángulos de incidencia

distintos de los óptimos y existencia de suciedad sobre los módulos.

Se llega por tanto a:

(3)

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36

Además de su simplicidad, esta expresión conduce a resultados satisfactorios. Un estudio de la

GTZ sobre un buen número de bombas fotovoltaicas instaladas en sus proyectos de

cooperación al desarrollo encontró, de hecho, que esta expresión conducía generalmente a

mejores resultados que las deducidas a partir de herramientas gráficas suministradas por los

fabricantes [21].

Como ejemplo, supondremos un sondeo con las características siguientes: QT=5,2 [m3/h], HST=5 [m] y HDT=32 [m]. Se equipa con una bomba fotovoltaica capaz de suministrar 30 m3 al día cuando la irradiación diaria global incidente es de 6 [kWh/m2]. Se sabe también que el agua

bombeada será almacenada en un depósito situado a 7 metros de la superficie. Los cálculos

son:

Suponiendo una bomba centrífuga típica, la potencia nominal aproximada del generador

fotovoltaico será:

5.1.3 Fiabilidad

La fiabilidad de los sistemas de bombeo, en el sentido de ausencia de averías, depende, no

solo de la fiabilidad de los componentes, sino también de otros aspectos como la capacidad de

la fuente de agua, la calidad de la instalación, etc. Cada componente debe satisfacer los

mismos criterios de fiabilidad, porque su integración en el sistema hace que la avería de uno de

ellos repercuta en la calidad del conjunto.

La fiabilidad debe ser entendida aquí como referida a la disponibilidad de agua. El matiz es

importante, porque a la calidad intrínseca de los elementos se unen las condiciones

particulares del lugar en el que trabajan en el desempeño final del sistema. Por ejemplo, un

grifo de buena calidad que no está disponible en el mercado local, puede resultar menos fiable

que otro de menor calidad pero que es fácilmente localizable, y por tanto sustituible. Las

consecuencias de una avería en el primer caso, en términos de disponibilidad de agua, son

peores que en el segundo.

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5.1.3.1 Generador fotovoltaico

G1. Los módulos fotovoltaicos deben estar certificados de acuerdo con la norma

internacional IEC­61215, o la norma específica aplicada en el país correspondiente. (O)

Hasta el momento, este criterio excluye los módulos fotovoltaicos de película delgada. La

fiabilidad de esta tecnología está sujeta a debate generalizado. Existen normas específicas

para ella (IEC­61646) y su utilización está aceptada en algunos proyectos de electrificación

rural apoyados por el Banco Mundial [22].

Sin embargo, la experiencia práctica con esta tecnología no es aún concluyente, y aconseja

tomarla con precaución. En el caso concreto de los sistemas de bombeo, la importancia de los

módulos fotovoltaicos en el coste total de los sistemas no es significativo (17% en el caso de

los proyectos llevados a cabo en Marruecos con respecto al coste total de los sistemas ya

instalados sin incluir el coste de los depósitos e infraestructuras de distribución) y, en

consecuencia, no parece tener sentido asumir riesgos importantes a cambio de una reducción

del precio, que en el conjunto de los sistemas, es bastante modesta [15].

La tensión continua de funcionamiento de los sistemas de bombeo es con frecuencia elevada,

normalmente más de 120 [V], lo que hace importantes los peligros de averías en caso de

sombreamiento parcial de los módulos, requiriendo una protección específica.

Afortunadamente, la mayoría de los fabricantes incluyen sistemáticamente diodos de “bypass”

destinados precisamente a esta protección en todos los módulos fotovoltaicos: Por lo tanto:

G2. Los módulos fotovoltaicos deben estar protegidos con diodos de “ by­pass” contra el

fenómeno del punto caliente. (O)

Comúnmente los generadores fotovoltaicos están constituidos por una asociación de varias

ramas en paralelo, cada una de ellas constituida por la asociación de módulos conectados en

serie. En circunstancias anormales, la ocurrencia de una corriente inversa es posible, y varios

diseñadores incluyen un diodo anti retorno en cada rama como medida de protección contra

este fenómeno. Sin embargo, este fenómeno es extremadamente improbable, y además, hay

evidencias de que los módulos pueden soportar sin daño alguno corrientes inversas hasta

cinco veces la corriente de cortocircuito en condiciones estándar, I* SC, m. Son varios los

autores que piensan que son más las desventajas que las ventajas de tales diodos [23­24].

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38

Es por ello que son poco recomendados. En su lugar, es mejor recurrir a un fusible en el

extremo de cada rama, capaz de soportar una corriente de 2 a 4 veces el valor de I*SC, m. Un

fusible adicional en el extremo opuesto es también una manera fácil y cómoda de aislar la rama

completamente del resto del generador, lo cual es útil para el mantenimiento en general y para

la detección de posibles fallos de aislamiento en particular.

Por consiguiente:

G3. Los generadores fotovoltaicos constituidos por 5 ramas o más conectadas en

paralelo deben estar protegidas contra el fenómeno de corriente inversa (O)

G4. La protección a base de fusibles, capaces de soportar una corriente de 2 a 4 veces la

corriente de cortocircuito del módulo en condiciones estándar, esta particularmente

recomendada ®

Por otro lado:

E1. Las estructuras soporte deben ser capaces de resistir durante al menos ,10 años, las

condiciones de intemperie sin corrosión ni fatigas importantes. (O)

E2. Las estructuras soporte deben resistir vientos de más de 120 km/h. ®

Varios materiales han demostrado ya su idoneidad: acero inoxidable, aluminio, acero

galvanizado, madera tratada, etc.

G5. En el caso de módulos fotovoltaicos con marco metálico, el conjunto de la tornillería

y los elementos de fijación deben ser exclusivamente de acero inoxidable. (O)

Es importante mencionar que los módulos sin marco, pegados directamente a una estructura

soporte mediante una adhesivo adecuado, aunque poco utilizados en el mercado actual de

bombeo fotovoltaico han dado a menudo pruebas de buen funcionamiento en otros sectores

del mercado fotovoltaico en general, y pueden ser aceptados aquí.

Los mismos requerimientos referidos a los módulos de capa delgada, se aplican también a los

sistemas solares con seguimiento: la mejora en energía conseguida (en términos de agua

bombeada) está entre el 30 y 50%, pero el mismo resultado puede ser conseguido aumentado

en las mismas proporciones la potencia nominal del generador fotovoltaico. De nuevo, la

repercusión de este aumento de potencia es de poca importancia en comparación con el coste

total del sistema de bombeo, y no justifica los riesgos adicionales que el seguimiento conlleva

(mantenimiento de motores, sistemas de control del seguimiento, etc.). Por ello, y aún sabiendo

que existen en el mercado sistemas con seguimiento con buenos resultados, se confirma que:

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E3. Las estructuras soporte fijas son preferibles a las que realizan seguimiento del sol

(en uno o dos ejes). (S)

Desafortunadamente, el robo de módulos crece allí donde se desarrolla el mercado

fotovoltaico. Y es también mencionado como causa de avería en sistemas de bombeo de este

tipo. Por ello merece la pena luchar contra este problema con los medios que ofrezca el

mercado en cada caso: vigilancia personal, dispositivos antirrobo, cerramientos específicos,

etc. Por tanto:

G6. El diseño del generador fotovoltaico debe considerar sistemas de protección contra

el robo (S)

La orientación y el ángulo de inclinación de la estructura soporte debe permitir la optimización

de la energía incidente sobre el generador durante el mes más desfavorable del año, es decir

durante el mes que presente la relación menor entre la irradiación y la demanda, es decir:

E4. La orientación debe ser al norte en el hemisferio sur y al sur en el hemisferio norte.

(O)

Generalmente, el mes más desfavorable corresponde al mes más caluroso y coincide con el

verano. Se puede utilizar la fórmula siguiente para la selección del ángulo de orientación:

E5. Inclinación =máx. 10º, [abs (latitud) – 10º]. ®

Donde la latitud se expresa en grados. Esta expresión considera un mínimo de 10º, que es lo

suficiente para permitir la limpieza realizada por el agua de lluvia. Hay que insistir en el hecho

de que ligeras desviaciones de la inclinación (±10º) con respecto a sus valores óptimos tienen

incidencias mínimas en lo referente a la generación de energía resultante, y deben ser

tolerados como norma general. Las sombras, sin embargo, pueden llegar a tener un efecto

desfavorable, y por tanto hay que poner especial atención para evitarlas [10] .Por ello:

G7. Los generadores fotovoltaicos deben estar totalmente libres de sombras en el

intervalo de 8 horas centrado en el medio día solar. ®

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5.1.3.2 Convertidor de Frecuencia

Este elemento sirve, principalmente, para transformar la corriente que suministra el generador

fotovoltaico en corriente alterna, necesaria para alimentar los motores de inducción. Además, el

convertidor puede incorporar funciones de protección ante situaciones anormales: nivel bajo de

agua en la fuente de agua, desbordamiento del depósito, ausencia de insolación sobre el

generador, etc.

En lo que respecta al generador fotovoltaico, el funcionamiento del convertidor debe ser tal que

la tensión DC de trabajo que impone a su entrada sea la más próxima a la tensión en el punto

de máxima potencia del generador teniendo en cuenta su variación debida a la temperatura. De

hecho, son numerosos los convertidores que incorporan esta función. Mientras, hay que hacer

notar que la alternativa de funcionar a tensión DC constante es factible, ya que las pérdidas, en

comparación, son débiles cuando la tensión es convenientemente elegida.

La figura 11 muestra el menor suministro de agua asociado al funcionamiento a tensión DC

constante comparado con uno en el que la tensión DC sigue continuamente a la de máxima

potencia. La simulación esta hecha con datos de irradiancia horizontal y temperatura ambiente

correspondientes al año 2007.

Se han utilizado datos medios horarios de las dos magnitudes para todos los días del año. En

el eje de las abscisas se representa la tensión de trabajo en términos porcentuales respecto de

la de máxima potencia en condiciones estándar, y en el de las ordenadas el volumen total

anual de agua bombeado para cada tensión de trabajo. Los puntos azules representan el

volumen de agua bombeado si se sigue el punto de máxima potencia (se repite en cada

simulación para una mejor comparación visual).

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Figura 11: Estimación de las pérdidas en volumen de agua bombeada si se hace trabajar al

convertidor en tensión DC constante respecto al funcionamiento con seguimiento del punto de

máxima potencia. Los cálculos están realizados a partir de datos meteorológicos (irradiancia

horizontal y temperatura ambiente) medidos en Madrid.

Fuente: Univ. Politécnica de Madrid

Los puntos rojos son los distintos suministros resultantes de trabajar a tensiones distintas de la

de máxima potencia en condiciones estándar. Se puede observar que eligiendo

adecuadamente la tensión de trabajo, las pérdidas esperables no son de consideración. Según

este resultado se tiene una pérdida del 6 % para un margen de tensiones, que, en el caso

puesto para ilustrar esta discusión, está en el entorno del 10 % por debajo de la tensión de

máxima potencia en condiciones estándar. La climatología del lugar es la que va a dictar la

tensión correcta de trabajo [15].

Por ello:

C7. El funcionamiento en el punto de potencia máxima es preferible, sin embargo el de

tensión constante es también aceptable (S).

En principio, es posible especificar un margen recomendable de pérdidas energéticas

asociadas al funcionamiento en modo distinto del seguimiento del punto de máxima potencia.

Por tanto, se estima preferible considerarlos en la capacidad del sistema de bombeo en su

conjunto, que ya ha sido considerado en la sección “Capacidad de bombeo”. En otras palabras,

es preferible especificar únicamente en términos de agua a suministrar, y permitir al proponente

del sistema que sea libre de elegir la solución técnica que considere más oportuna en cada

caso.

Por otro lado, el convertidor DC/AC debe adaptar la corriente AC que suministra a su salida a

las características del tipo de bomba. Las bombas actuales, de las que las centrífugas

representan un porcentaje mayoritario, se caracterizan por una altura dada. El par mecánico

desarrollado por la bomba está relacionado directamente con el cuadrado de su velocidad de

rotación, que, a su vez, está directamente ligado a la frecuencia de alimentación del motor.

Además, el par mecánico que suministra un motor de inducción es directamente proporcional al

cuadrado de la relación entre la frecuencia y la tensión (TM~ (V/f)2). Debido a esto, el

convertidor DC/AC debe ajustar la tensión y la frecuencia a la salida de manera tal que se

mantenga constante la relación (V~f2) [10].

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5.1.3.3 Protecciones

La ocurrencia de situaciones anormales no puede jamás ser excluida totalmente en el

funcionamiento de los sistemas de bombeo fotovoltaico. Resulta cómodo incorporar

protecciones necesarias en la propia electrónica de los convertidores DC/AC. La situación

potencialmente más peligrosa, corresponde a la falta de agua en la fuente (pozo, sondeo, etc.).

Cuando, por la razón que sea, el nivel de agua llega a la entrada de aspiración de la bomba,

ésta empieza a extraer una mezcla de aire y agua. Ese fenómeno es denominado cavitación.

Una bomba que cavita puede averiarse rápidamente por exceso de vibración o por exceso de

calor. Además, la superficie interior del pozo por debajo de la capa freática puede llegar a

deteriorarse a causa de los vacíos provocados en el pozo.

Una protección ante esta eventualidad, puede conseguirse midiendo directamente el nivel de

agua en el pozo con la ayuda de un sensor de nivel que da una orden de parada al convertidor

cuando el agua desciende por debajo de cierto nivel determinado. Sin embargo, la experiencia

con estos sensores ha mostrado que en unos casos, su instalación es difícil, y que en otros, su

fiabilidad no es suficiente.

Por ello, es más recomendable seguir el funcionamiento propiamente dicho de la bomba. La

densidad del aire es unas 1000 veces inferior a la del agua, y por esto, la entrada del aire en la

bomba hace disminuir sensiblemente el peso de la columna de fluido entre la bomba y el

depósito, y con ello la resistencia que se opone al movimiento del eje. Por tanto, el motor,

liberado de carga, tenderá a girar más rápidamente y demandará al convertidor más corriente,

que redunda en una frecuencia superior a la que le corresponde en su funcionamiento normal.

La protección, por tanto, está basada en la parada de la bomba cuando cierto valor de

frecuencia de trabajo de la bomba es superado.

Por estas razones:

C8. El sistema de bombeo debe estar protegido contra la eventualidad de falta de agua

en la fuente, o también, de la entrada de aire en la bomba. (O)

C9. La protección basada en la detección de un valor de frecuencia elevado es preferible

a la protección basada en el nivel de agua en la fuente (pozo, sondeo, etc.).(S)

Por otro lado, e independientemente de la forma de protección adoptada, una vez que la

bajada del nivel de agua provoca la parada de la bomba, ésta no deberá encenderse hasta que

la recuperación del nivel de agua sea tal que permita de nuevo un bombeo continuo. Por ello, o

bien se dispondrá de un segundo sensor de nivel de agua en el pozo que dé la orden de

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arranque cuando ésta le supere, o bien ésta orden se retrasará cierta cantidad de tiempo

razonable que permita la recuperación del pozo. Una o dos horas pueden ser suficientes [15].

Por lo tanto:

C10. La protección de falta de agua en el pozo deberá incluir una temporización que

asegure la recuperación del nivel de agua, antes de iniciar nuevamente el bombeo. (O)

La acumulación de materia en suspensión retenida en el agua, o la aspiración de cualquier

elemento extraño (piedras, etc.) pueden ocasionar el bloqueo mecánico de la bomba y, por

tanto el motor puede destruirse. Por ello:

C11. El sistema de bombeo debe estar protegido contra el bloqueo mecánico de la

bomba (O)

El llenado completo del depósito es una situación frecuente en un sistema de bombeo bien

dimensionado. Si no se toman las medidas adecuadas, el bombeo continuará y provocará un

desbordamiento de agua en el depósito. Esta situación puede ser detectada, ya sea con la

ayuda de sensor de nivel que conlleva los inconvenientes ya mencionados, o bien con la ayuda

de un flotador que cierra la entrada de agua en el depósito cuando éste se llena. Al cerrarse, y

continuar el bombeo, la presión en las tuberías aumentará. Si cerca de la bomba se instala un

presostato tarado a la presión adecuada, cuando ésta se alcance, enviará la orden de parada a

la bomba [23].

C12. El sistema de bombeo debe estar protegido contra la eventualidad de

desbordamiento de agua en el depósito de almacenamiento de agua. (O)

C13. Si la protección contra el desbordamiento de agua en el depósito se hace a través

de la parada de la bomba, se debe incluir una temporización que asegure un vaciado

razonable del depósito, antes de arrancar de nuevo el bombeo. (O)

Es claro, que para asegurar tanto el bombeo de agua como el buen desempeño de las

funciones de protección que se puedan incorporar, es necesario que el convertidor sea muy

fiable y que esté protegido. Una primera consideración será que pueda manejar sin problemas

toda la potencia suministrada por el generador fotovoltaico en los casos más extremos.

De esta manera:

C1. El convertidor debe resistir sin daños la operación en las condiciones siguientes:

temperatura ambiente de trabajo 45ºC, corriente DC de entrada igual al 125% de la

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corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico en condiciones estándar de medida,

en toda la gama de tensiones DC de funcionamiento posibles. (O)

C2. El convertidor debe resistir sin daños la conexión a una tensión DC igual al 125% de

la tensión en circuito abierto del generador fotovoltaico en condiciones estándar de

medida. (O)

La circuitería del convertidor DC/AC deberá estar protegida ante los daños provocados por

posibles impactos mecánicos, y ante los efectos adversos de la intemperie (polvo, humedad e

insectos), y al mismo tiempo sus componentes deben estar suficientemente ventilados. Para

asegurarlo

C3. El convertidor debe estar protegido con un armario que asegure un grado de

protección de, al menos, IP 3.2, según está definido en la norma IEC529. (O)

La primera cifra de la referencia IP indica el grado de protección ante la entrada de cuerpos

sólidos extraños (modelados mediante esferas de diámetros dados): en este caso el ‘3’ indica

la protección ante cuerpos sólidos de un diámetro superior a 2’5 mm (herramientas, cables,

etc.). La segunda cifra de la referencia IP indica el grado de protección ante la infiltración de

agua, y el ‘2’ indica que el equipo no debe ser dañado si es inclinado un ángulo del orden de

±15º alrededor de su posición normal, y recibe agua cayendo verticalmente.

El grado de protección IP 3.2 debe ser considerado como un mínimo indiscutible, aplicado

solamente a los convertidores instalados en el interior de las habitaciones bien cerradas.

Cuando sea posible, el grado de protección debe ser aumentado hasta conseguir evitar la

entrada de objetos de 1 [mm] de diámetro y resistir la proyección de agua desde cualquier

dirección [10]. En todos los casos:

C4. La Protección IP 4.3 será indiscutible para los convertidores de frecuencia instalados

en el exterior. (O)

Los generadores fotovoltaicos implican la existencia de bucles conductores de gran tamaño, y

aconseja observar aspectos relativos a las sobretensiones inducidas por descargas

atmosféricas.

En consecuencia:

C5. El convertidor de frecuencia debe estar protegido ante sobretensiones inducidas a la

entrada mediante la ayuda de un dispositivo de clase C , según está definido por la

norma IEC 61024, situado entre cada uno de los polos (+ y ­) aislado de tierra, y la tierra

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misma del sistema. La instalación de este dispositivo debe responder al estado del arte

definido por la norma IEC 61024 (O)

En general, los convertidores se instalan en la proximidad de la fuente de agua, por ello la

longitud del cable que alimenta el motor de alterna es normalmente reducida. En consecuencia,

las sobretensiones inducidas lo serán también, y no es necesario protegerse contra ellas de

una manera específica. Sin embargo, esta protección puede ser también recomendada para

algunos casos concretos, en los que la distancia del convertidor a la entrada del pozo sea

superior a 20 metros, o cuando el sistema vaya a trabajar en zonas de alto riesgo de tormentas

eléctricas. En este último caso, se puede preveer una doble protección mediante

descargadores, situados, uno a la salida del convertidor y otra a la entrada del pozo.

Finalmente los convertidores que utilicen técnicas de modulación PWM pueden producir

interferencias que afecten negativamente a radios, televisiones, etc., que se encuentren en sus

proximidades. El carácter aislado, en términos eléctricos, de los sistemas de bombeo objeto de

estas especificaciones, hace que la gravedad de este problema dependa más de la longitud del

cable DC y AC, y de la proximidad de la bomba a las casas [15].

Como regla general:

C6. Los convertidores deben satisfacer los criterios de emisión de radiofrecuencias

establecidos por la etiqueta CE. ®

5.1.3.4 Motobomba

Tanto los motores de inducción como las bombas centrífugas son equipos bien estandarizados

en el mercado eléctrico convencional, por ello las motobombas sumergidas resultado de esta

combinación, y también con larga tradición en los mercados, pueden ofrecer buenas relaciones

calidad/precio. Sin embargo, cuando se trata de incorporarlas en un sistema de bombeo

fotovoltaico, hay que restringir la elección a aquellas que sean de la mejor calidad (fabricadas

en acero inoxidable, por ejemplo, entre otras características), ya que, de nuevo, el impacto

económico de esta elección no es importante en el conjunto del coste del sistema, y tanto, las

consecuencias humanas y económicas de una avería en este componente son particularmente

desastrosas.

Extraer una bomba de un pozo, por ejemplo, puede ser muy costoso en las condiciones de

aislamiento (ausencia de electricidad, etc.) que son frecuentes en esta aplicación. Otro ejemplo

que apoya esta afirmación, es la resistencia a la corrosión. A menudo, la calidad del agua es

poco conocida, y ello aconseja tomar la precaución de utilizar materiales resistentes a la

corrosión.

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En lo que concierne a las bombas de desplazamiento positivo, hay que considerar que, el eje

que une el motor con la bomba, es especialmente largo, (alrededor de 30 cm) y que esta

sometido a un estrés mecánico elevado, particularmente cuando la bomba arranca. Lo más

frecuente, entre los problemas citados con este tipo de bomba, es la rotura del eje a causa de

la corrosión. Por tanto, es especialmente importante analizar la compatibilidad entre el material

del eje y la composición del agua a ser bombeada [15]. Incluso si tal compatibilidad existe,

merece la pena recordar que:

M1. Todos los materiales del grupo motobomba deben ser resistentes a la corrosión del

agua bombeada. (O)

Además:

M2. El sistema de bombeo debe soportar sin daño alguno, al menos 5.000 ciclos de

arranque­parada en las condiciones de operación definidas por los siguientes 2

parámetros: una altura máxima de bombeo, y un generador fotovoltaico funcionando en

condiciones estándar de medida. (O)

Por ultimo, las motobombas deben estar fijadas de manera que no caigan al fondo del pozo,

que trabajen en la posición correcta, y que no resulte ningún inconveniente derivado del

retroceso de la bomba en el arranque. Así, se puede utilizar una tubería capaz de soportar al

mismo tiempo el peso de la bomba y el caudal de agua, o bien utilizar un cable adicional de

acero, para fijar la motobomba a la cabeza del pozo. En ambos casos:

M4. La fijación de la motobomba debe ser firme, asegurar una posición vertical, y

soportar el retroceso en el arranque. (O)

5.1.3.5 Cableado

Además de soportar las condiciones de intemperie, el cableado deberá ser de una sección tal

que las caídas de tensión que provoca no afecten significativamente al sistema.

Las especificaciones siguientes serán aplicadas:

CAB1. La sección del cableado debe permitir limitar las pérdidas de tensión entre el

generador y el convertidor a menos del 2%, y a menos del 3% entre el convertidor la

entrada al grupo motobomba. Esta especificación se aplica en condiciones de corriente

máxima en funcionamiento, con el generador funcionando en condiciones estándar.(O)

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Es importante hacer notar que esta especificación afecta a las pérdidas de tensión

estrictamente asociadas al cableado (conductores y terminales de conexión). Las pérdidas

internas en los elementos de protección (fusibles y diodos) o a los convertidores, son objeto de

otras especificaciones.

A menudo, los sistemas de bombeo operan a tensiones relativamente altas, de alrededor de

300 volts DC y de 220 volts AC, y de corrientes relativamente bajas, menos de 30 amperios, y

por ello las secciones resultantes tras aplicar la especificación anterior no son grandes. Los

cables también deben soportar la fatiga mecánica [10], por lo que:

CAB2. Sin perjuicio de lo especificado anteriormente respecto a las pérdidas máximas

de tensión, la sección mínima de los cables en cada circuito debe ser de 4 mm2 entre el

generador fotovoltaico y el convertidor, y de 2,5 mm2 entre el convertidor y el grupo

motobomba. (O)

CAB3. Los cables de señal deben tener una sección mínima de 1 mm2. ®

CAB4. Los cables exteriores deben estar especialmente adaptados a las condiciones de

intemperie de acuerdo a la norma internacional IEC60811, o a la norma nacional

adoptada. (O)

CAB5. Todos los terminales de los cables deben permitir una conexión segura y robusta

desde el punto de vista mecánico. Deben tener una resistencia eléctrica baja, que

asegure unas pérdidas de tensión inferiores al 0,5% de la tensión nominal de

funcionamiento. Lo dicho aplica a cada terminal por separado y en las condiciones de

corriente máxima de funcionamiento. (O)

CAB6. Los terminales de los cables no deben ser propensos a la corrosión que pueda

provenir de los contactos metálicos. (O)

CAB7. El conjunto del cableado debe estar claramente identificado (colores, números,

etc.). (O)

5.1.3.6 Infraestructura hidráulica

En general, las infraestructuras hidráulicas deben evitar las pérdidas de agua. Estas pérdidas

son desfavorables por al menos tres razones: Las pérdidas en sí mismas, las averías y

perjuicios que pueden causar (humedades en muros, corrosión, goteras, daños en caminos,

etc.) y el terrible efecto que produce su persistencia, que es contrario al cuidado que hay que

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tener en la utilización racional de este recurso. También hay que evitar la contaminación del

agua por agentes externos en el recorrido que hay desde la fuente hasta el punto de

suministro. Por último, las pérdidas de carga introducidas por el bombeo deben ser también lo

más pequeñas posible [15]. Para conseguir todo ello, las especificaciones siguientes deben ser

respetadas:

IH1. La cabeza de pozo debe disponer de una protección que impida la entrada de

objetos sólidos y de desechos líquidos al interior. (O)

IH2. El conjunto de tuberías y accesorios (contadores, grifos, etc.) debe ser adecuado

para su utilización con agua potable. (O)

IH3. Todos los elementos metálicos deben estar protegidos contra la corrosión. En

particular, deben estarlo los elementos accesorios de la conducción de agua (rácores,

llaves de paso, grifos, etc.). (O)

IH4. Como norma general, la bomba o la conducción de agua entre el pozo y el depósito

debe disponer de algún mecanismo anti­retorno que evite su vaciado inmediato cada vez

que se para la bomba. (O)

IH5. Los depósitos deben disponer de una protección que impida la entrada de suciedad

al interior. (O)

IH6. Los depósitos deben disponer de una apertura, o similar, que permita una

inspección rápida. Además, deben disponer de un acceso cómodo para poder limpiar su

interior. ®

IH7. El conjunto de las conducciones deben estar conectadas al depósito de manera que

conserven su estanqueidad. ®

IH8. El nivel de admisión del agua en la conducción de salida debe estar situado por

encima del fondo del depósito de manera que éste último sirva de decantador. ®

Las infraestructuras de distribución de agua son especialmente vulnerables a la entrada de

contaminación debido a su recorrido en superficie, y la manipulación indirecta de los usuarios.

Conviene insistir que estas infraestructuras son precisamente las que causan la mayoría de los

problemas observados en los sistemas de bombeo de agua, y no solamente fotovoltaicos.

La experiencia del PRS muestra cómo los problemas de infraestructuras afectan también a los

sistemas fotovoltaicos. En los informes de este proyecto se destaca que cerca del 30% de los

pueblos tenían fugas en los grifos o problemas en los accesorios [2].

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49

Esta realidad pone de manifiesto una práctica desafortunadamente muy extendida en los

estudios fotovoltaicos: concentrarse especialmente en los aspectos ligados al bombeo de agua,

y descuidar los relacionados con la distribución.

El buen sentido común y el cuidado en la ejecución de la instalación son factores clave para

conseguir una buena calidad.

Como proposición, destacamos aquí las siguientes especificaciones:

IH9. Las tuberías enterradas deben estar a una profundidad suficiente (a ser posible

60 cm) y conforme al estado del arte (lecho de arena, banda de señalización, etc.). ®

IH10. Los puntos susceptibles de sufrir averías (codos, rácores, conexiones, etc.) deben

estar situados en lugares accesibles para permitir una fácil inspección y mantenimiento.

(O)

IH11. El sistema de distribución incluirá, al menos, una llave de paso a la salida, y a la

entrada de todos los puntos de suministro (fuentes, casas, etc.). ®

IH12. La grifería deberá ser de la mayor calidad. (O)

IH13. Los puntos de suministro de agua (su ubicación, su altura, acceso, etc.) deben

permitir a los usuarios la recolección de agua de una manera cómoda utilizando los

medios característicos de la región. También deben tener, una correcta canalización de

las aguas sobrantes así como impedir el acceso de los animales. (O)

Las pérdidas de carga en las tuberías, accesorios incluidos, dependen del material con el que

están fabricados, de su longitud y del caudal de agua que circula. Éstas disminuyen el caudal

suministrado por una bomba. Por esta razón se puede decir que la altura total, HT, vista por la

bomba es la suma de la altura geométrica, HG, y la altura asociada a las pérdidas de carga, HF

[10­15].

Como norma general:

IH14. La sección de las tuberías deben garantizar que las pérdidas de carga no superen

el 5% de la altura total vista por la bomba, en las condiciones de trabajo definidas por:

altura máxima de bombeo y generador trabajando en las condiciones estándar. ®

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50

5.1.3.7 Sistema de potabilización de agua

Hoy en día hay disponibles varios métodos de potabilización de agua. Sin embargo, la

purificación mediante lejía es el único método que lo permite sin importar el lugar en donde se

haga el tratamiento y, además, que resulte efectivo en toda la red de distribución: depósito,

tuberías, etc.

Además, el producto necesario, la lejía, está disponible en cualquier parte del mundo. Por ello,

restringiremos los comentarios realizados a partir de este momento a esta manera de

purificación del agua.

El cloro puede ser periódicamente añadido al depósito, o inyectado automáticamente a la

salida de la bomba. La experiencia en Marruecos, extraída de un buen número de sistemas,

dicta que la opción de la inyección automática es preferible.

Para esto se han evaluado 2 tipos de sistemas de potabilización: bombas eléctricas de

inyección alimentadas por pequeños sistemas fotovoltaicos, y bombas de pistón, que

funcionan, únicamente, gracias a la energía aportada por el caudal mismo del agua al ser

bombeada. A la hora de comparar los 2 tipos de sistemas de potabilización, podemos constatar

lo siguiente en lo que respecta a los dos aspectos que más claramente diferencian uno de otro:

­ Respecto a la alimentación de los mismos: La bomba de pistón necesita, simplemente que se

haga pasar el agua a su través (con algunos elementos adicionales: derivación, llaves y filtro),

mientras que las de inyección precisan de una pequeña batería, con su correspondiente

sistema fotovoltaico de recarga.

­ Respecto al mantenimiento: La bomba de pistón, necesita la instalación de un filtro sin el cual

puede quedar fácilmente inservible, ya que el agua bombeada pasa a su través, y es imposible

garantizar su calidad. La bomba de inyección esta libre de este problema, como es obvio, al

funcionar de forma aislada del circuito de agua.

Si bien el primer aspecto inclina a elegir las bombas de pistón, los problemas debidos al

segundo anulan la ventaja de no precisar alimentación especial. Si nos ubicamos en un

contexto aislado, y en el que, cada vez más, los sistemas fotovoltaicos son conocidos, la

necesidad de disponer uno de ellos para la bomba de inyección no supone mayor problema.

Por el contrario, para las de pistón, habrá que analizar la disponibilidad local de repuestos

como los filtros y las bombas mismas.

La experiencia en Marruecos ha evidenciado que las bombas eléctricas de inyección

representan la opción más aconsejable. Por ello vamos a limitar, a este tipo de bombas, las

especificaciones siguientes [15].

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Por motivos de claridad, las especificaciones serán agrupadas en función de la parte del

sistema al que se aplica:

5.1.3.7.1 Bomba de inyección de cloro

P1. La bomba de inyección debe tener una protección nivel IP 54. (O)

P2. La bomba debe ser capaz de bombear hipoclorito sódico sin sufrir daño alguno. (O)

P3. La concentración de cloro por m3 de agua debe respetar la legislación del país. (O)

P4. La presión a soportar por la bomba de inyección debe ser un 100% superior a la

presión máxima esperada en condiciones normales en el punto de inyección. ®

P5. La bomba de inyección debe estar provista de un detector de “ depósito de cloro

vacío” . (O)

P6. La bomba de inyección debe mantener una linealidad inalterable con la frecuencia

de inyección para una gama de alimentación en tensión suficientemente grande (VNOM

± 20%). (O)

5.1.3.7.2 Sensor de caudal de agua bombeada

P11. El sensor de caudal de agua debe estimar el caudal con un error máximo del ± 5%.

(O)

P12. Si el sensor de caudal de agua necesita alimentarse con una tensión de

al imentación, hay que mantener la l inealidad de su función de transferencia para una

larga gama de la tensión de alimentación (VNOM ~± 20%). (O)

P13. El sensor de caudal de agua debe tener una protección de, al menos, IP 54. (O)

5.1.3.7.3 Depósito de cloro

P14. El depósito de cloro debe estar fabricado con un material que permita ver la

cantidad restante de hipoclorito sódico. (O)

P15. El tapón del depósito de cloro debe estar suficientemente ajustado para minimizar

la evaporación del hipoclorito sódico. El orificio necesario para la aspiración del cloro

debe ser como máximo de 1 mm2. (O)

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Dado que la evaporación del hipoclorito sódico puede dañar la bomba de inyección:

P17. El depósito de cloro no debe estar situado justo bajo la bomba de inyección. (O)

5.1.4 Seguridad

Los sistemas de bombeo fotovoltaico, como cualquier otra instalación eléctrica, no está libre de

riesgos. En concreto, es importante destacar el riesgo para las personas frente al choque

eléctrico en presencia de tensiones en continua (DC) superiores a 120 voltios, y/o de tensiones

AC superiores a 60 voltios, que es normalmente el caso de esta aplicación.

Esta situación es común en las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red que, debido a su

reciente expansión, ha conducido a varios países a desarrollar reglamentaciones específicas.

Incluso si la comparación de estos reglamentos, no aplicados aquí, conviene mencionar que las

medidas de protección prescritas en estas normas son diversas, y a veces, contradictorias.

Por ejemplo, mientras que la NEC (National Electric Code) de aplicación en Estados Unidos

impone que toda instalación eléctrica con una tensión mayor que 50 [V] debe tener uno de sus

polos directamente conectado a tierra, las normas aplicadas en Europa recomiendan

precisamente lo contrario, es decir, configuraciones flotantes con los dos polos aislados de

tierra.

Estas diferencias son el resultado de las particularidades de las dos redes eléctricas en

general, y no tienen ninguna relación con los sistemas fotovoltaicos. Por ejemplo, la imposición

de configuraciones de puesta a tierra en la NEC tienden a privilegiar los fenómenos asociados

a las descargas atmosféricas, lo que es coherente con las características de la red eléctrica en

los Estados Unidos: tensión relativamente baja (125 V y con numerosas casas construidas de

madera en las que el riesgo de incendio es alto).

Mientras que las normas europea privilegian la protección de las personas ante el choque

eléctrico, en coherencia con la tensión elevada de sus redes (220V) y con casas construidas a

base de materiales poco inflamables. La norma IEC 364­4­41 trata de las protecciones contra

los choques eléctricos en general, y constituye una referencia internacional ampliamente

seguida [10].

En el momento de establecer las protecciones de un sistema de bombeo fotovoltaico, hay que

considerar, por un lado, el riesgo de contacto directo, que se produce cuando una persona toca

directamente un conductor activo, por ello hay que exigir que:

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CAB8. Todos los cables y elementos eléctricos bajo tensión y al alcance de las personas

deben estar convenientemente aislados. (O)

PT1. Todas las masas conductoras que ocasionalmente puedan ser tocadas por un

conductor activo deben estar puestas a tierra. Esto aplica en particular, a los marcos y

estructuras soportes del generador fotovoltaico, y a los armarios metálicos de los

convertidores de frecuencia. (O)

PT2. El valor de la resistencia de la toma de tierra debe ser inferior a la relación

(120/(1,25. I*SC)), donde I* SC es la corriente de cortocircuito del generador en las

condiciones estándar. (O)

Por otro lado, hay que considerar el riesgo de contacto indirecto, que se produce cuando una

persona es afectada tras un defecto de aislamiento. La norma IEC 364 describe las diferentes

medidas de protección. Son de aplicación a los sistemas fotovoltaicos, con algunas

consideraciones particulares. Del lado de las desventajas, los disyuntores diferenciales

convencionales no funcionan con corriente continua, y los módulos fotovoltaicos no pueden ser

“apagados” de manera instantánea. Del lado de las ventajas, el aislamiento proporcionado por

la encapsulación de los módulos fotovoltaicos convencionales es suficiente para que puedan

ser considerados como elementos de clase II por ellos mismos, o como aislamiento reforzado,

y que la corriente de corto circuito de los módulos está intrínsecamente limitada [15].

Por esto se aconseja lo que sigue:

INS3. Los sistemas de bombeo deben incluir una medida de protección contra el

contacto indirecto, que sea compatible con la norma IEC 364­4­41. (O)

INS4. Son especialmente recomendadas las medidas siguientes: aislamiento reforzado,

configuración flotante y vigilancia permanente de aislamiento. ®

En lo que respecta a los sistemas de potabilización, es necesario recordar que el hipoclorito

sódico es peligroso para las personas, y en consecuencia, establecer criterios de seguridad es

el punto clave para evitar accidentes. Para conseguir este objetivo, proponemos las

especificaciones siguientes:

P7. La bomba de inyección debe tener un fusible de protección a la entrada de su

al imentación eléctrica. (O)

P8. La bomba de inyección debe tener un interruptor de parada. ®

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P16. El depósito de cloro debe tener una etiqueta que indique: “ Peligro: líquido tóxico”

en el idioma propio del lugar. (O)

P18. El edificio o construcción que albergue el sistema de potabil ización debe tener un

grifo de agua para un lavado rápido en caso de contacto con el hipoclorito sódico. (O)

5.1.5 Sencillez en el uso

Los sistemas de bombeo son equipos de beneficio común, por tanto, su utilización debe ser

confiada a una sola persona, el operador local, que deberá tener unas instrucciones mínimas

que le permitan comprender el funcionamiento básico de los equipos, efectuar operaciones

básicas de mantenimiento, y detectar las situaciones que requieran el concurso de personas

más cualificadas.

Por lo tanto, lo más importante que debe saber es reconocer el estado general del sistema, en

particular, determinar si una posible parada es debida a causas normales (depósito lleno, falta

de agua en el pozo, etc.) o anormales (baja potencia DC, motor bloqueado, etc.). Por ello:

M5. El sistema de bombeo debe incluir una visualización indicando al operador local, al

menos, las circunstancias siguientes: funcionamiento normal, depósito l leno, falta de

agua en el pozo, motor bloqueado, baja potencia DC y cortocircuito a la salida. (O)

Incluso aunque el funcionamiento del sistema sea automático, es útil incorporar a la salida de la

bomba un contador de agua, junto con un cuaderno en el que el operador local anote

periódicamente las lecturas del mismo y toda incidencia que se haya podido producir en el

curso de la explotación del sistema. Esta medida tiene un coste muy bajo, y garantiza la

presencia diaria y la atención del operador. En la experiencia en Marruecos, los caudalímetros

han sido así mismo incorporados en todas las casas, y fueron de gran utilidad para, por un

lado, detectar fugas ocultas en la red de distribución (comparando los volúmenes de agua

bombeada y consumida) y por otro, para una gestión correcta del sistema: tarificación, etc.[23]

En consecuencia:

IH15. Un caudalímetro debe ser instalado en la salida de la bomba para permitir el

registro diario del volumen de agua bombeado. (O)

IH16. Es muy recomendable también incluir contadores a la entrada de cada punto de

aprovisionamiento de agua. ®

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Los puntos de consumo de agua representan el punto de unión entre el sistema y los usuarios.

El diseño de los primeros debe tener presente de una forma primordial a los segundos. Por un

lado debe permitir que la recolección del agua sea cómoda y, por otro, que no se produzcan

pérdidas indeseables. Por ejemplo, si se trata de fuentes públicas, hay que prever espacio

suficiente para que el llenado de los recipientes comúnmente utilizados por los usuarios sea

sencillo, y disponer los medios adecuados para drenar el agua que se derrama inevitablemente

en estos puntos de aprovisionamiento.

Algunos usuarios acuden a por agua con sus recipientes transportados en carros o camiones,

es entonces necesario prever conexiones con tubos de goma para su llenado, o, mejor aún,

salidas de agua lo suficientemente elevadas de forma que puedan colocarse debajo para un

más cómodo repostaje.

Estas consideraciones pueden parecer obvias, sin embargo, la experiencia dice que son a

menudo olvidadas, y en consecuencia, se termina con escenarios caracterizados por aguas

derramadas, lodos y suciedad en la vecindad de los puntos de suministro de agua. Siendo esta

situación común en los sistemas de bombeo fotovoltaico hoy día, conviene insistir en este

aspecto:

IH17. El diseño de los puntos de suministro de agua debe facilitar el repostaje de agua,

canalizar el agua derramada de forma indeseada y evitar el acceso de los animales. (O)

En lo referente a los sistemas de potabilización, los criterios siguientes deben ser respetados:

P9. El buen funcionamiento de la bomba de inyección debe ser indicado con una señal

luminosa verde, en caso contrario deberá ser roja. (O)

P10. El sistema de potabilización debe indicar, con una señal roja especial, la situación

de depósito de cloro vacío. (O)

5.1.6 Sencillez de instalación y mantenimiento

Para los sistemas de bombeo que deben ser suministrados como sistemas “llave en mano”, el

suministrador debe instalar completamente y poner en marcha el sistema antes de dejarlo en

manos de los usuarios. Mientras, es posible que también algunas entidades (agencias de

desarrollo, sociedades instaladoras, etc.) recurran a la adquisición de equipos

responsabilizándose ellas mismas de su instalación.

En tal caso, el procedimiento de adquisición de los equipos debe prestar atención a que sean

entregados todos los materiales necesarios para la instalación: cables, rácores de conexión,

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elementos de fijación, etc. Además deben también estar convenientemente identificados. En

último lugar, se debe incluir la documentación adecuada [15].

Por ello:

INS5. El suministro de las bombas fotovoltaicas debe incluir todos los elementos

necesarios para su instalación (cables, elementos de conexión, tornillería, etc.). (O)

INS2. Los módulos fotovoltaicos, convertidores DC/AC y motobombas deben estar

convenientemente etiquetados. (O)

El mantenimiento rutinario de los sistemas de bombeo incluirá la limpieza del generador

fotovoltaico, la limpieza del depósito, y la reparación de las fugas en la infraestructura

hidráulica.

Para facilitar estas tareas:

E6. Las estructuras soporte, y su montaje, deben permitir un acceso cómodo a los

módulos fotovoltaicos, tanto para su l impieza como para el control de las conexiones

eléctricas. (O)

E7. La instalación de las estructuras soporte debe preservar su resistencia a la

corrosión, a la fatiga y al viento. (O)

IH18. Las infraestructuras de distribución de agua debe estar dotada de llaves de paso

que permitan aislar los diferentes tramos de conducción. (O)

En lo referente a los sistemas de potabilización, las siguientes tareas de mantenimiento serán

obligatorias: limpieza del filtro de la bomba de inyección y sustitución de fusibles si fuese

necesario [10­15]. Con el fin de facilitar estas tareas, los criterios siguientes son propuestos:

P19. El sistema de potabilización debe incluir fusibles y fil tros de recambio. (O)

P20. Las piezas de recambio deben estar accesibles en el mercado local. (O)

P21. Los componentes de cloro que requieran manipulaciones complejas para rellenar el

depósito deben ser evitados. En particular, se recomienda la lejía comercial. ®

P22. Se recomienda la inclusión del “ test de color” para controlar la cantidad de cloro en

el agua entre las piezas de recambio. ®

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Finalmente se puede hacer una consideración general en lo referente a la documentación:

INS1. Todos los sistemas de bombeo y de potabilización deben ser suministrados con

una documentación básica (descripción técnica, prevención de accidentes, y esquemas

explicativos simples). (O)

5.2 Dimensionamiento de Convertidores de Frecuencia en Sistemas de bombeo FV

Los CF están inicialmente diseñados para operar utilizando la red eléctrica como alimentación.

Para controlar la velocidad de giro de los motores de inducción es necesario controlar la

tensión y la frecuencia de la onda de alimentación. Para ello los CF tienen dos etapas: una

primera etapa rectificadora y una segunda etapa inversora. La primera etapa se encarga de

rectificar la señal de la red eléctrica que sirve de entrada a la segunda etapa que es un inversor

con control PWM o vectorial capaz de generar una señal alterna de salida de tensión/frecuencia

variables y controladas.

Este hecho se puede aprovechar para poder conectar directamente a la entrada del CF una

señal continua como la suministrada por un generador FV, puenteando la etapa rectificadora, y

a su salida un motor asíncrono de inducción. Ya que el valor eficaz de la tensión alterna de

salida depende del nivel de tensión de continua de entrada, en aplicaciones de bombeo FV se

suelen utilizar motores trifásicos de 220 V AC con el objetivo de operar a tensiones de

generador FV lo más bajas posibles, en este caso en torno a 300 V DC.

La utilización de motores trifásicos de 380 V AC supondría trabajar a tensiones de generador

FV en torno a los 500 V DC. Por motivos de seguridad es recomendable minimizar el nivel de

tensión de operación. Muchos de los nuevos CF pueden operar a bajos niveles de tensión de

entrada, desde 150 V DC, pero la operación a tensiones muy inferiores a los 300 V DC provoca

fenómenos de sobre­modulación, explicados posteriormente. Así pues, los CF pueden, con un

generador FV conectado a su entrada, operar un motor trifásico 220 V AC. [6]

Los dos requisitos recomendados a la hora de seleccionar un modelo de CF para bombeo FV

son que tengan:

C1. Un control PID

C2. Una señal analógica de salida que pueda ser programada como proporcional a la

tensión del bus de continua.

Ambos requisitos no son estrictamente necesarios pero sí facilitan la utilización directa sin

ningún tipo de modificaciones de los CF, únicamente usando su programación interna. Ya que

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los CF no están específicamente diseñados para operar conectados a un generador FV es

necesario suministrarles una referencia de la tensión de trabajo en su entrada.

Cuando se utiliza la red, la tensión de trabajo viene impuesta por la propia red eléctrica, cuando

se utiliza un generador FV, el CF podría operar en cualquier punto de la curva I­V. Como

resultado el CF se pararía por no tener una referencia de la tensión de operación.

Esta referencia se le puede indicar programando el CF para que trabaje en modo “control PID” utilizando como señal de realimentación una señal analógica proporcional a la tensión de

entrada, que puede ser entregada por el propio CF y como señal de referencia la generada

mediante un simple potenciómetro. [7]

La Figura 7 muestra el esquema de conexiones típico de un CF.

Figura 12: Esquema representativo de las conexiones de un convertidor de frecuencia. La

salida analógica FM se programa como proporcional a la tensión del bus DC y se conecta a la

realimentación del control PID, terminal FSV. La tensión de operación puede ajustarse

mediante un potenciómetro externo (AUX es el terminal de referencia PID).

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

En la etapa de potencia el positivo y negativo del generador FV se conecta a dos cualesquiera

de las fases de entrada del CF (los CF pueden ser de entrada mono o trifásica y salida siempre

trifásica equilibrada) y el motor a su salida. En la etapa de control, la salida analógica, terminal

FM programada como proporcional a la tensión del bus DC, se conecta a la entrada de

realimentación del PID, terminal FSV. Como señal de referencia del PID se utiliza un

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potenciómetro conectado entre los terminales P10 (fuente de alimentación interna de 10V),

AUX (entrada de referencia del PID) y COM (terminal común de tierra). [7]

Aunque la nomenclatura varía, el modo de operación es muy similar de unos modelos a otros.

De este modo mediante un potenciómetro se puede fijar una tensión de operación de entrada

que es mantenida constante por el CF mediante el control PID. Además de la activación del

control PID y de la programación de la salida analógica proporcional a la tensión DC para

operar a tensión constante de generador FV, los CF también pueden programarse con

diferentes algoritmos, tales como diferentes relaciones de control tensión/frecuencia, tiempos

de respuesta, aceleración y desaceleración, etc., que permiten un control de la tensión y

frecuencia de salida al motor en función de la potencia disponible a la entrada (potencia del

generador FV).

Como regla general se ha de seleccionar un control tensión/frecuencia de par cuadrático si se

utilizan bombas centrífugas y unos tiempos de aceleración y desaceleración los

suficientemente lentos como para evitar que el sistema se detenga ante la presencia de nubes

y claros, variaciones bruscas de la potencia disponible de entrada, etc.

El control tensión/frecuencia del motor incrementa el tiempo de bombeo a lo largo del día, con

el consiguiente aumento del rendimiento medio diario del sistema. A bajas potencias de

entrada (correspondientes a bajos niveles de radiación solar) se disminuye la frecuencia de

salida. El par de la bomba centrífuga disminuye permitiendo la rotación del motor y por tanto el

bombeo de agua.

Un sistema de bombeo FV así diseñado trabaja a tensión constante de generador FV. La

elección del valor de esta tensión de trabajo es un parámetro crítico del sistema que debe ser

elegida en función del número de módulos conectados en serie y de las condiciones de

temperatura ambiente del lugar de instalación. [6­25]

Al no disponer de seguimiento del punto de máxima potencia (PMP) un error en la selección del

valor de la tensión constante de trabajo (selección de un valor muy a la derecha o a la izquierda

del PMP) puede causar elevadas pérdidas energéticas anuales respecto de la operación

óptima en el PMP. No obstante se puede demostrar que para cada configuración de generador

fotovoltaico (nº de módulos en serie, características y tecnología de cada módulo FV) y para

unas determinadas condiciones de temperatura ambiente, existe un valor de tensión constante

que minimiza las pérdidas energéticas anuales por no seguimiento del PMP a un valor inferior

al 2%.

Se necesita una selección del valor óptimo de la tensión de trabajo para cada configuración de

generador FV y para cada lugar de instalación. Por ejemplo, Figura 13, mientras que la

operación de un sistema compuesto por 18 módulos conectados en serie en Sevilla operando a

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290 V DC supone un 1.2% de pérdidas energéticas anuales respecto a la operación en el PMP,

la operación a 270 o 310 V DC supone un 5% y a 250 o 320 V DC se incrementan las pérdidas

energética anuales hasta un 10%. [25]

Figura 13: Pérdidas energéticas anuales en operación a tensiones constantes en diferentes

localidades: Madrid (Lat. 40.45), Burgos (Lat. 42.22), Sevilla (Lat. 37.25) y Tamanrasset (Lat.

22.47).

Fuente: Revista Era Solar, 2002(M. Alonso, F. Chenlo)

Una mejora respecto a la configuración indicada anteriormente consiste en la utilización de un

circuito electrónico de simple diseño y bajo costo basado en el uso de un sensor de

temperatura (p.e LM35) adherido a la parte posterior de uno de los módulos FV con el objeto

de modificar el valor de tensión de operación del CF, proporcional al valor de la tensión entre

los terminales AUX y COM de Figura 12, en función de la temperatura de operación;

basándose en el hecho de la disminución conocida de la tensión del punto de máxima potencia

de un generador FV con el incremento de la temperatura de operación. [6]

Figura 14: Esquema del dispositivo de seguimiento del punto de máxima potencia del

generador.

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

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Mediante este método de seguimiento del punto de máxima potencia por control de

temperatura se pueden conseguir pérdidas energéticas anuales inferiores al 1%. También se

pueden utilizar otros métodos de seguimiento del PMP con corrección por irradiancia y

temperatura de operación o de optimización directa del punto de trabajo mediante la medida y

control de la corriente y tensión de entrada.

No obstante la mejora de la ganancia energética respecto al método anterior no suele

compensar el hecho de utilizar un sistema más complejo, más caro y que retornaría a una

dependencia con un determinado fabricante o instalador respecto del grado de libertad de

elección de productos que supone el uso directo de CF sin modificaciones. [26­27]

5.2.1 Modelo Teórico Simplificado

Consideraremos para nuestro análisis la configuración indicada en la Figura 15.

Figura 15: Configuración típica Generador FV­CF­motor­Bomba considerada.

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

Se usarán los modelos teóricos del CF, del motor asíncrono y de la bomba centrífuga con el

objeto de obtener las curvas características Potencia DC­Caudal del sistema operando a diferentes alturas manométricas. Si se conocen tanto la potencia FV disponible como la curva

característica del sistema Potencia DC­Caudal a una determinada altura, la obtención del

caudal es una cuestión relativamente directa.

Las curvas características Potencia DC­Caudal se pueden obtener experimentalmente en

laboratorio, pero ello implicaría una medida directa de un elevado número de bombas

disponibles.

El objetivo de esta parte del trabajo es la estimación de la curva característica Potencia DC­

Caudal a una determinada altura manométrica a partir de datos obtenibles de los fabricantes,

como son las curvas Altura­Caudal­Rendimiento de la bomba (ho,Qo,ηb) y Potencia de salida­

Rendimiento del motor (Pm,ηm), a una frecuencia nominal. [26]

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Figura 16: Ejemplo de datos de fabricante para una bomba centrífuga (ho,Qo,ηb) a 3000 rpm

(izda.) y datos típicos de rendimiento de motor en función de la potencia de salida en el eje a

frecuencia nominal de 50Hz para un motor de 750W nominales al eje (dcha.).

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

Por claridad de explicación consideraremos que la altura es constante, pero podría tenerse en

cuenta que en un sistema real la altura varía en función de las pérdidas dinámicas y de la

variación del nivel del agua en el pozo o abatimiento. El resultado final del desarrollo del

modelo será el poder disponer de una herramienta sencilla que permita seleccionar la bomba

más adecuada para cada aplicación.

Una bomba centrífuga puede describirse con elevada precisión mediante las leyes de

semejanza, que relacionan la potencia mecánica de entrada a la bomba, P, el caudal, Q, y la

velocidad de giro, n. Cuando son aplicadas simultáneamente a un punto de la curva Altura­

Caudal, h1­Q1, a una determinada velocidad de giro permiten la obtención de un punto de la

curva h2­Q2 a otra velocidad, teniendo en cuenta además que el rendimiento hidráulico puede

suponerse constante entre ambos puntos:

Donde los subíndices 1 y 2 representan velocidades diferentes.

Aplicando las leyes de semejanza a una curva característica h­Q conocida, normalmente el

fabricante de bombas suministra la curva h­Q de la bomba a una velocidad nominal

(correspondiente a 50 Hz o 3000 rpm para un motor de inducción de 2 polos sin considerar el

deslizamiento), se pueden obtener directamente las curvas h­Q a diferentes frecuencias, tal y

como muestra la Figura 17. [6­7]

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63

Figura 17: Ejemplo de curvas altura­caudal y potencia para una bomba centrífuga a diferentes

frecuencias (velocidades) obtenidas de datos nominales aplicando las leyes de semejanza.

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

Cuando la frecuencia se reduce, los puntos de las curvas se mueven a lo largo de curvas

cuadráticas con rendimiento constante hacia el origen de coordenadas. Para una altura

determinada, h, a frecuencia nominal, fo, la bomba trabaja en un punto h­Qo y absorbe una

potencia Po.

Si la potencia disponible disminuye, p.e. a P1, entonces la única opción es trabajar en el punto

h­Q1 a una frecuencia f1. Para cada valor de la potencia, para una altura h, existe una única

frecuencia de trabajo posible. Por debajo de una determinada frecuencia la bomba no podrá

suministrar la altura de trabajo, h.

Esto puede servir como indicación de cómo seleccionar una bomba para operación en un

sistema FV, si se conoce la altura de trabajo: para una bomba seleccionada para operar en su

punto de máximo rendimiento a frecuencia nominal el rango de variación de frecuencia, y en

consecuencia el rango de potencia de entrada, será muy estrecho, cerca de los valores

nominales; en consecuencia los umbrales de irradiancia y potencia de arranque serán elevados

y el número de horas de operación durante un día será bajo.

Una regla general cualitativa para aplicaciones fotovoltaicas es que, para una altura de trabajo

dada, se ha de seleccionar una bomba cuyo punto de operación h­Q a frecuencia nominal se

sitúe a la derecha del punto de máximo rendimiento. Operando a menores rendimientos a

frecuencia nominal y a mayores rendimientos a bajas frecuencias se consigue incrementar el

rendimiento medio diario del sistema de bombeo fotovoltaico. [6­7]

Para cada punto (ho,Qo) se puede calcular la frecuencia óptima de la bomba, fh, para una altura

fija, h, utilizando las leyes de semejanza, como:

(4)

y el caudal, Qh, suministrado a una altura h y a la frecuencia, fh, como:

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64

(5)

La potencia mecánica en el eje de la bomba, Po, a una altura ho, y a un caudal Qo, puede

calcularse en función del rendimiento de la bomba, ηb , en ese punto a frecuencia nominal, fo:

(6)

De las leyes de semejanza la potencia de la bomba a una altura h y frecuencia f h es:

(7)

Finalmente la potencia DC, P DC , puede obtenerse como:

(8)

Donde η mh

es el rendimiento del motor operando a una frecuencia f h , y puede obtenerse por

interpolación de las curvas de Potencia de salida­Rendimiento del motor, Figura 16, teniendo

en cuenta la variación del rendimiento del motor con la frecuencia de operación: o

equivalentemente, que la potencia nominal efectiva del motor decrece cuando disminuye la

frecuencia de operación.

(9)

Para la mayoría de los CF ensayados, su curva de rendimiento en función de la potencia es

muy plana, Figura 19, por encima de la potencia umbral. Una simplificación consiste en

considerar el rendimiento del CF aproximadamente constante en el rango de interés, η FC =0.95.

También se pueden incluir las pérdidas en el cableado como un factor de rendimiento de

cableado, η C .

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Con este procedimiento se ha conseguido conocer el valor del caudal, Q h , suministrado por la

bomba a una altura de operación y la potencia DC necesaria, P DC , además de otros parámetros

intermedios como la frecuencia de operación y las potencias absorbidas por el motor y la

bomba.

5.2.2 Validación Experimental

Este modelo ha sido validado con diferentes bombas y CF operando a diferentes alturas. Un

ejemplo de resultados de las curvas características Potencia DC­Caudal, rendimientos del

sistema y frecuencias de operación se presentan en las Figuras 18 y 19.

Figura 18: Curvas experimentales y modeladas.

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

Figura 19: Rendimientos experimentales y modelados.

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

Se presentan los valores medidos de rendimiento del CF, η FC , rendimiento del motor/bomba,

η mp , rendimiento del subsistema (incluyendo el CF), η

sub , y los valores del modelo para los

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rendimientos del motor, bomba y subsistema a la altura de operación. En la figura de la

derecha se presenta la frecuencia del motor experimental y modelado [6].

5.2.3 Efectos de segundo orden

La tensión de generador FV es óptima en torno a los 300V DC cuando accionan motores de

220V AC. A menores tensiones de operación se presenta disminución del caudal bombeado

para el mismo nivel de potencia DC. La Figura 20 presenta los valores experimentales para un

CF operando a 300V DC y a 230V DC. Se observa claramente una educción del caudal a

potencias superiores a los 900 W. Este efecto está originado por el hecho de que el valor eficaz

máximo de la tensión de salida de un CF con control PWM está relacionado con la tensión DC

de entrada al mismo mediante la relación [6]:

(10)

Debido al control tensión/frecuencia cuadrático, los efectos de sobre­modulación (el CF no es

capaz de suministrar el nivel de tensión adecuado a la salida) únicamente están presentes a

frecuencias elevadas (correspondientes con potencias elevadas). El efecto final es una

disminución en torno a un 7% del caudal para una misma potencia de entrada, causada por la

operación del motor a tensiones inferiores (menor par) de las necesarias para potencias

superiores a 900 W (Figura 20). Para evitar estos efectos es recomendable la operación a

niveles de tensión de generador FV cercanos a 300V DC.

Figura 20: Efectos de sobre­modulación (izda.) y de programación interna del CF

(dcha.).

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

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67

Cuando se mide una misma bomba utilizando diferentes modelos de convertidores de

frecuencia de diferentes fabricantes pueden aparecer pequeñas diferencias en la potencia

absorbida por el motor para un mismo valor de altura y caudal suministrados (Figura 20).

Estas diferencias son debidas principalmente a los diferentes algoritmos internos utilizados por

los CF para calcular la tensión y la frecuencia de operación óptima en cada momento. La

Figura 20 presenta los resultados experimentales para una misma motobomba operando a 40

Hz con dos modelos diferentes de CF. El CF2 absorbe aproximadamente un 6% mas potencia

que el CF1 para un mismo valor de altura y caudal. Ello es debido a que el CF2 opera a

mayores voltajes (2% superior) que el CF1 para la misma frecuencia (operando en

consecuencia a mayor par del necesario).

No obstante, el ejemplo presentado es uno de los casos más críticos, encontrándose que la

mayoría de los CF evaluados operan a potencias absorbidas dentro del 1% de diferencia

cuando se programan para operar en par cuadrático. La operación en sobre­par (mayor tensión

de la necesaria para cada frecuencia) también se presenta cuando el CF se programa para

operar a par constante en lugar de par cuadrático.

Para la operación correcta de un CF en un sistema de bombeo fotovoltaico es necesario

realizar una optimización de sus parámetros internos de programación. Los tiempos de

aceleración y deceleración, ganancia PID y tiempos integrales y diferenciales tienen una

influencia directa en la estabilidad de operación. Si no se seleccionan adecuadamente el punto

de trabajo del CF y del generador FV puede ser inestable, especialmente en periodos con

nubes y claros donde es importante prevenir los arranques y paradas continuados del motor. [6]

5.2.4 Ejemplo de Aplicación

La aplicación del modelo expuesto anteriormente permite la generación de herramientas para

el dimensionado de sistemas de bombeo FV, consistente en seleccionar la bomba más

adecuada para una determinada aplicación. A partir la potencia FV y de las curvas

características Potencia DC­Caudal se puede obtener el caudal bombeado a lo largo de un día

tipo, o realizar simulaciones para años meteorológicos tipo de una determinada localidad,

dando lugar a nomogramas, Figuras 21 y 22, que permiten estimar las producciones de un

determinado sistema de bombeo FV con CF.[26]

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Figura 21: Perfiles de irradiancia, potencia DC, caudal y rendimiento total para un día tipo de 6

[kWh/m²/día] de irradiación solar.

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

Figura 22: Nomogramas para la estimación del volumen diario bombeado en función de la

irradiación solar, la potencia pico FV y la altura obtenidos a partir de las curvas características

Potencia DC­Caudal.

Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)

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5.3 Resumen de las especificaciones técnicas para Sistemas de Bombeo FV

Anteriormente se ordenaron las especificaciones técnicas atendiendo a un criterio pedagógico,

ahora será mas practico clasificarlas según las fases en que dichas normas se van a

comprobar, según:

­ Capacidad de bombeo y tamaño de los sistemas fotovoltaicos

­ Especificaciones de componente

­ Especificaciones de sistema

­ Especificaciones de montaje e instalación

5.3.1 Requisitos generales del sistema fotovoltaico de bombeo

5.3.1.1 Capacidad de bombeo y tamaño de los sistemas fotovoltaicos

Especificaciones CO1, CO2, I1, I2 Y B1, que cubren aspectos básicos sobre la estimación del consumo, consideraciones generales sobre irradiación y bombeo, y que influyen directamente en el tamaño final de los sistemas.

CO1. Si el suministro de agua a la población se efectúa a través de fuentes comunes, el valor del volumen de agua para el cálculo del dimensionado del sistema debe ser de 20 litros por persona y día. ®

CO2. Si el suministro de agua a la población se efectúa a través de grifos individuales en cada casa, el valor del volumen de agua para el dimensionado deberá ser de 45 litros por persona y día ®

I1. El valor de la irradiación diaria incidente sobre la superficie del generador para el diseño debe estar situado entre 5 y 7 kWh/m2. El valor central de este margen, es decir, 6 kWh/m2 esta especialmente aconsejado. (S)

I2. Para el dimensionado se considerará el perfil diario de irradiancia descrito en la norma IEC61725 para los valores de la tabla 1. (S)

B1. Cuando el bombeo es realizado a partir de sondeos (no pozos tradicionales), el caudal correspondiente al generador funcionando en las condiciones estándar de medida (irradiancia = 1000 W/m2, temperatura de célula = 25 ºC) debe ser menor que el valor del caudal de caracterización del sondeo. (O)

5.3.1.2 Especificaciones técnicas de componente

A continuación se describen las especificaciones técnicas que deben cumplir los siguientes componentes: generador fotovoltaico, convertidor de frecuencia, motobomba y componentes del sistema de potabilización de agua.

Se considerara que una especificación es de componente cuando su comprobación puede hacerse atendiendo exclusivamente al equipo en cuestión por ejemplo, que un módulo cuente con la certificación IEC6125 o que un convertidor de frecuencia esté protegido contra inversión de polaridad.

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5.3.2 Generador fotovoltaico

G1. Los módulos fotovoltaicos deben estar certificados de acuerdo con la norma internacional IEC­61215 ó la norma específica aplicada en el país correspondiente. (O)

G2. Los módulos fotovoltaicos deben estar protegidos con diodos de “by­pass” contra el fenómeno del punto caliente. (O)

G3. Los generadores fotovoltaicos constituidos por 5 ramas o más conectadas en paralelo deben estar protegidas contra el fenómeno de corriente inversa (O)

G4. La protección a base de fusibles, capaces de soportar una corriente de 2 a 4 veces la corriente de cortocircuito del módulo en condiciones estándar, está particularmente recomendada ®

5.3.3 Convertidor de Frecuencia

C1. El convertidor debe resistir sin daños la operación en las condiciones siguientes:

Temperatura ambiente de trabajo 45ºC, corriente DC de entrada igual al 125% de la corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico en condiciones estándar de medida, en toda la gama de tensiones DC de funcionamientos posibles. (O)

C2. El convertidor debe resistir sin daños la conexión a una tensión DC igual al 125% de la tensión en circuito abierto del generador fotovoltaico en condiciones estándar de medida. (O)

C3. El convertidor debe estar protegido con un armario que asegure un grado de protección de, al menos, IP 3.2, según está definido en la norma IEC529. (O)

C4. La protección IP4.3 será indiscutible para los convertidores de frecuencia instalados en el exterior. (O)

C5. El convertidor de frecuencia debe estar protegido contra sobre­tensiones inducidas a la entrada mediante la ayuda de un dispositivo de clase C, según está definido por la norma IEC 61024, situado entre cada uno de los polos (+ y ­) aislado de tierra, y la tierra misma del sistema. La instalación de este dispositivo debe responder al estado del arte definido por la norma IEC 61024 (O)

C6. Los convertidores deben satisfacer los criterios de emisión de radiofrecuencias establecidos por la etiqueta CE. ®

5.3.4 Motobomba

M1. Todos los materiales del grupo motobomba deben ser resistentes a la corrosión del agua bombeada. (O)

M2. El sistema de bombeo debe soportar sin daño alguno, al menos 5000 ciclos de arranque­ parada en las condiciones de operación definidas por los siguientes 2 parámetros: una altura máxima de bombeo, y un generador fotovoltaico funcionando en condiciones estándar de medida. (O)

M3. Los motores que operan directamente en DC, deben ser del tipo “sin colector de delgas” ®

M4. La fijación de la motobomba debe ser firme, asegurar una posición vertical, y soportar el retroceso en el arranque.(O)

M5. El sistema de bombeo debe incluir una visualización indicando al operador local, al menos, las circunstancias siguientes: funcionamiento normal, depósito lleno, falta de agua en el pozo, motor bloqueado, baja potencia DC y cortocircuito a la salida. (O)

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5.3.5 Sistema de potabilización de agua

P1. La bomba de inyección debe tener una protección nivel IP54. (O)

P2. La bomba debe ser capaz de bombear hipoclorito sódico sin sufrir daño alguno. (O)

P3. La concentración de cloro por m 3 de agua debe respetar la legislación del país. (O)

P4. La presión a soportar por la bomba de inyección debe ser un 100% superior a la presión

máxima esperada en condiciones normales en el punto de inyección. ®

P5. La bomba de inyección debe estar provista de un detector de “depósito de cloro vacío”. (O)

P6. La bomba de inyección debe mantener una linealidad inalterable con la frecuencia de

inyección para una gama de alimentación en tensión suficientemente grande (VNOM ± 20%).

(O)

P7. La bomba de inyección debe tener un fusible de protección a la entrada de su alimentación

eléctrica. (O)

P8. La bomba de inyección debe tener un interruptor de parada. ®

P9. El buen funcionamiento de la bomba de inyección debe ser indicado con una señal

luminosa verde, en caso contrario deberá ser roja. ®

P10. El sistema de potabilización debe indicar, con una señal roja especial, la situación de

depósito de cloro vacío.(R)

P11. El sensor de caudal de agua debe estimar el caudal con un error máximo del ± 5%. (O)

P12. Si el sensor de caudal de agua necesita alimentarse con una tensión de alimentación, hay

que mantener la linealidad de su función de transferencia para una larga gama de la tensión de

alimentación (VNOM ~± 20%). (O)

P13. El sensor de caudal de agua debe tener una protección de, al menos, IP54. (O)

P14. El depósito de cloro debe estar fabricado con un material que permita ver la cantidad

restante de hipoclorito sódico. (O)

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P15. El tapón del depósito de cloro debe estar suficientemente ajustado para minimizar la

evaporación del hipoclorito sódico. El orificio necesario para la aspiración del cloro debe ser

como máximo de 1 mm2 . (O)

P16. El depósito de cloro debe tener una etiqueta que rece: “Peligro: líquido tóxico” en el

idioma propio del lugar. (O)

P17. El depósito de cloro no debe estar situado justo bajo la bomba de inyección. (O)

5.3.6 Cableado

CAB2. Sin perjuicio de lo especificado anteriormente respecto a las pérdidas máximas de

tensión, la sección mínima de los cables en cada circuito debe ser de 4 mm2 entre el generador

fotovoltaico y el convertidor, y de 2’5 mm 2 entre el convertidor y el grupo motobomba. (O)

CAB3. Los cables de señal deben tener una sección mínima de 1 mm2. ®

CAB4. Por otro lado, los cables exteriores deben estar especialmente adaptados a las

condiciones de intemperie de acuerdo a la norma internacional IEC60811, o a la norma

nacional adoptada. (O)

CAB6. Los terminales de los cables no deben ser propensos a la corrosión que pueda provenir

de los contactos metálicos. (O)

5.3.7 Estructura soporte

E1. Las estructuras soporte deben ser capaces de resistir durante al menos ,10 años, las

condiciones de intemperie sin corrosión ni fatigas importantes. (O)

E3. Las estructuras soporte fijas son preferibles a las que realizan seguimiento del sol (en uno

o dos ejes). (S)

5.4 Especificaciones técnicas de sistema

A continuación se describen las especificaciones que afectan a los componentes, en cuanto

partes de un sistema en su globalidad. Se considerara que una especificación es de sistema

cuando su comprobación involucra a varios elementos de la instalación.

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5.4.1 Aspectos generales de la instalación

INS1. Todos los sistemas de bombeo y de potabilización deben ser suministrados con una

documentación básica (descripción técnica, prevención de accidentes, y esquemas explicativos

simples). ®

INS2. Los módulos fotovoltaicos, convertidores de frecuencia y motobombas debe estar

convenientemente etiquetados. ®

INS3. Los sistemas de bombeo deben incluir una medida de protección contra el contacto

indirecto, que sea compatible con la norma IEC 364­4­41. (O)

INS4. Son especialmente recomendadas las medidas siguientes: aislamiento reforzado,

configuración flotante y vigilancia permanente de aislamiento. ®

5.4.2 Generador fotovoltaico

G5. En el caso de módulos fotovoltaicos con marco metálico, el conjunto de la tornillería y los

elementos de fijación deben ser exclusivamente de acero inoxidable. (O)

G6. El diseño del generador fotovoltaico debe considerar sistemas de protección contra el robo

(S)

5.4.3 Convertidor de Frecuencia

C7. El funcionamiento en el punto de potencia máxima es preferible, sin embargo el de tensión

constante es también aceptable (S).

C8. El sistema de bombeo debe estar protegido contra la eventualidad de falta de agua en la

fuente, o, lo que es lo mismo, de la entrada de aire en la bomba. (O)

C9. La protección basada en la detección de un valor de frecuencia elevado es preferible a la

protección basada en el nivel de agua en la fuente (pozo, sondeo, etc.).(S)

C10. La protección de pérdida de agua en el pozo deberá incluir una temporización que

asegure la recuperación del nivel de agua, antes de poner en funcionamiento nuevamente el

bombeo. (O)

C11. El sistema de bombeo debe estar protegido contra el bloqueo mecánico de la bomba (O)

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C12. El sistema de bombeo debe estar protegido contra la eventualidad de desbordamiento de

agua en el depósito de almacenamiento de agua. (O)

C13. Si la protección contra el desbordamiento de agua en el depósito se hace a través de la

parada de la bomba, se debe incluir una temporización que asegure un vaciado razonable del

depósito, antes de arrancar de nuevo el bombeo. (O)

5.4.4 Cableado

CAB1. La sección del cableado debe permitir limitar las pérdidas de tensión entre el generador

y el convertidor a menos del 2%, y a menos del 3% entre el convertidor y la entrada al grupo

motobomba. Esta especificación se aplica en condiciones de corriente máxima en

funcionamiento, con el generador funcionando en condiciones estándar.

CAB5. Todos los terminales de los cables deben permitir una conexión segura y robusta desde

el punto de vista mecánico. Deben tener una resistencia eléctrica baja, que asegure unas

pérdidas de tensión inferiores al 0.5% de la tensión nominal de funcionamiento. Lo dicho aplica

a cada terminal por separado y en las condiciones de corriente máxima de funcionamiento. (O)

CAB7. El conjunto del cableado debe estar claramente identificado (colores, números, etc.). (O)

5.5 Especificaciones de instalación y montaje

A continuación se incluyen todas las especificaciones relacionadas con la instalación y puesta

en funcionamiento del sistema, cuya comprobación se debe realizar al terreno.

Aspectos generales de la instalación

INS5. El suministro de las bombas fotovoltaicas debe incluir todos los elementos necesarios

para su instalación (cables, elementos de conexión, tornillería, etc.). (O)

5.5.1 Generador fotovoltaico

G7. Los generadores fotovoltaicos deben estar totalmente libres de sombras en el intervalo de

8 horas centrado en el medio día solar. ®

5.5.2 Sistema de potabilización

P17. El depósito de cloro no debe estar situado justo bajo la bomba de inyección. (O)

P18. El edificio o construcción que albergue el sistema de potabilización debe tener un grifo de

agua para un lavado rápido en caso de contacto accidental con el hipoclorito sódico. (O)

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P19. El sistema de potabilización debe incluir los fusibles y los filtros de recambio.(O)

P20. Las piezas de repuesto deben estar disponibles en el mercado local. ®

P21. Los componentes de cloro que requieran manipulaciones complejas para rellenar el

depósito deben ser evitados. En particular, la lejía comercial es recomendada. ®

P22. La inclusión de la pieza para el “test de color”, que controla la cantidad de cloro en el

agua, debe estar entre las piezas de repuesto. (S)

5.5.3 Estructuras de soporte

E2 . Las estructuras soporte deben resistir vientos de más de 120 km/h. ®

E4. La orientación debe ser al norte en el hemisferio sur y al sur en el hemisferio norte. (O)

E5. Inclinación =máx 10º, [abs (latitud) – 10º]. ®

E6. Las estructuras soporte, y su montaje, deben permitir un acceso cómodo a los módulos

fotovoltaicos, tanto para su limpieza como para el control de las conexiones eléctricas. ®

E7. La instalación de las estructuras soporte debe preservar su resistencia a la corrosión, a la

fatiga y al viento. (O)

5.5.4 Puesta a tierra

PT1. Todas las masas conductoras que ocasionalmente puedan ser tocadas por un conductor

activo deben estar puestas a tierra. Esto aplica en particular, a los marcos y estructuras

soportes del generador fotovoltaico, y a los armarios metálicos de los convertidores de

frecuencia. (O)

PT2. El valor de la resistencia de la toma de tierra debe ser inferior a la relación(120/(1,25.I*SC)

), donde *ISC es la corriente de cortocircuito del generador en las condiciones estándar. (O)

5.5.5 Infraestructura hidráulica

IH1. La cabeza de pozo debe disponer de una protección que impida la entrada de objetos

sólidos y de desechos líquidos al interior. (O)

IH2. El conjunto de tuberías y accesorios (contadores, grifos, etc.) debe ser adecuado para su

utilización con agua potable. (O)

IH3. Todos los elementos metálicos deben estar protegidos contra la corrosión. En particular,

deben estarlo los elementos accesorios de la conducción (racores, llaves de paso, grifos, etc).

(O)

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IH4. Como norma general, la bomba o la conducción de agua entre el pozo y el depósito debe

disponer de algún mecanismo anti­retorno que evite su vaciado inmediato cada vez que se

para la bomba. (O)

IH5. Los depósitos deben disponer de una protección que impida la entrada de suciedad al

interior. (O)

IH6. Los depósitos deben disponer de una apertura, o similar, que permita una inspección

rápida. Además, deben disponer de un acceso cómodo para poder limpiar su interior. ®

IH7. El conjunto de las conducciones deben estar conectadas al depósito de manera que

conserve su estanqueidad. ®

IH8. El nivel de admisión del agua en la conducción de salida debe estar situada por encima

del fondo del depósito de manera que éste último sirva de decantador. ®

IH9. Las tuberías enterradas deben estar a una profundidad suficiente (a ser posible 60 cm) y

conforme al estado del arte (lecho de arena, banda de señalización, etc.). ®

IH10. Los puntos susceptibles de sufrir averías (codos, racores, conexiones, etc.) deben estar

situados en lugares accesibles para permitir una fácil inspección y mantenimiento. (O)

IH11. El sistema de distribución incluirá, al menos, una llave de paso a la salida, y a la entrada

de todos los puntos de suministro (fuentes, casas, etc.). ®

IH12. La grifería deberá ser de la mayor calidad. (O)

IH13. Los puntos de suministro de agua (su ubicación, su altura, acceso, etc.) debe permitir a

los usuarios el aprovisionamiento de agua de una manera cómoda utilizando los medios

característicos de la región. También deben tener, una correcta canalización de las aguas

sobrantes así como impedir el acceso de los animales. (O)

IH14. La sección de las tuberías deben garantizar que las pérdidas de carga no superen el 5%

de la altura total vista por la bomba, en las condiciones de trabajo definidas por: altura máxima

de bombeo y generador trabajando en las condiciones estándar. ®

IH15. Un caudalímetro debe ser instalado en la salida de la bomba para permitir el registro

diario del volumen de agua bombeado. ®

IH16. Es muy recomendable también incluir caudalímetros a la entrada de cada punto de

aprovisionamiento de agua. ®

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IH17. El diseño de los puntos de suministro de agua debe facilitar el aprovisionamiento de

agua, canalizar el agua derramada de forma indeseada y evitar el acceso de los animales. ®

5.6 Pruebas de calidad en Terreno

A continuación se describen los procedimientos para realizar pruebas de calidad en terreno. Se

incluyen comprobaciones tanto de la calidad de la instalación de cada componente, como la de

las infraestructuras hidráulicas.

Los ensayos que se realizan son:

­ Medida de la potencia del generador fotovoltaico.

­ Prueba de bombeo: Comprobación in­situ del suministro de agua que proporciona el sistema.

­ Prueba de depósito lleno: Comprobación de que el bombeo se detiene en esta circunstancia.

­ Inspección visual del estado final de la instalación.

­ Comprobación de la existencia de un esquema de gestión del sistema.

5.6.1 Medida de la potencia del generador fotovoltaico

Esta medida permite comprobar que el generador entrega la potencia mínima que se consideró

en el punto “Tamaño del generador FV”. El procedimiento de ensayo consiste en medir la

potencia en bornes del generador con el resto del sistema desconectado. Independientemente

del método de medida, el resultado debe coincidir con lo declarado por el fabricante teniendo

en cuenta los intervalos de tolerancia.

Se proponen dos métodos para medir la potencia de un generador fotovoltaico. El primero, más

adecuado para generadores de baja potencia (hasta 2 Kw aproximadamente), consiste en la

utilización de una carga resistiva variable que hace trabajar el generador en varios puntos de

trabajo, y el segundo, consiste en la utilización de cargas capacitivas.

El fundamento de la medida usando el segundo método, consiste en cargar una capacidad con

el generador bajo prueba. El tamaño de la capacidad es definida por el del generador. En el

proceso de carga se registran las curvas de corriente y tensión y se representan una contra la

otra obteniendo la curva del generador. La característica así obtenida lo es a la irradiancia

incidente, y a la temperatura de célula, en el momento de la medida. Posteriormente se

extrapola a las condiciones estándar mediante relaciones ampliamente aceptadas en el mundo

fotovoltaico [27].

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78

(11)

(12)

Donde los valores lambda (chef. De variación de la potencia con la temperatura) y TONC

(temperatura de célula en condiciones normales) son característicos del módulo utilizado.

Por lo tanto, para este proceso de medida es necesario llevar un dispositivo que permita medir

la irradiancia y la temperatura de trabajo del generador. Para ello, lo más práctico es utilizar un

módulo calibrado de la misma tecnología que la de los instalados en el sistema. Esta opción es

muy adecuada desde el punto de vista de la corrección en temperatura de las medidas ya que

el comportamiento térmico del patrón se va a asemejar al del generador medido, con la

condición de esperar un tiempo prudencial para hacer la medida, y así, asegurar que se

uniforman las temperaturas del generador y del módulo calibrado.

5.6.2 Ensayo de bombeo

Este ensayo permite comprobar que la eficiencia del sistema de bombeo está en el rango de lo

comprobado en las medidas proyectadas y que, por tanto, la instalación del conjunto es

correcta.

Debido a que no existen procedimientos sencillos para trasladar valores de eficiencia de

bombeo de una altura estándar a otra cualquiera, resulta extremadamente complejo realizar

medidas directas en el terreno del servicio entregado por la bomba. Sin embargo son muchas

las ventajas asociadas a medir la eficiencia del sistema de bombeo en el terreno, más allá de la

comprobación del servicio que éste debe entregar.

En particular, este ensayo requiere la observación de la evolución del nivel del agua dentro del

pozo durante el proceso de bombeo y, por tanto, permite comprobar la capacidad del pozo en

relación con la capacidad de extracción del sistema de bombeo. De esta manera, este ensayo

permite comprobar si se puede dar alguna situación en la que el pozo se seque y adoptar las

medidas correctoras necesarias, ya sea mediante profundización o mediante excavación de

galerías.

Puede resultar sorprendente que se puedan instalar bombas fotovoltaicas en pozos con escasa

capacidad y que la capacidad de éstos no haya sido comprobada con anterioridad, de acuerdo

a los procedimientos estándar existentes. Sin embargo, esta eventualidad suele darse con

frecuencia en pozos tradicionales de zonas rurales, en los que la información de la que se

dispone a menudo no es representativa de lo que existe en la realidad. Este es el caso de las

zonas rurales descentralizadas y la ingeniería fotovoltaica de control de calidad debe tenerlo en

cuenta.

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79

Este ensayo permite medir el servicio entregado por la bomba en las condiciones reales de

operación en el terreno y comprobar que se mantiene en un entorno razonable a lo proyectado.

Para su realización son necesarios los siguientes elementos:

­ Módulo calibrado de igual tecnología que los instalados.

­ Dispositivo de medida del nivel de agua en el pozo. En el caso de pozos tradicionales esta

medida no va a suponer ningún problema, pero puede ser diferente en el caso de sondeos. Es

conveniente prever esta eventualidad en la fase de especificaciones y exigir que en la fase de

instalación se coloque un tubo de plástico que vaya desde la boca de aspiración de la bomba

hasta la superficie. Con la utilización de otros accesorios descritos más adelante, permite medir

el nivel dinámico del agua en el pozo.

­ El contador de agua propio de la instalación.

­ Cronómetro.

La prueba consiste en tomar dos medidas de irradiancia, lectura del contador de agua y nivel

del agua dentro del pozo, espaciadas 10 minutos aproximadamente, comprobando que no hay

grandes variaciones de la irradiancia incidente y de nivel de agua en el pozo durante el tiempo

que dura la medida.

La diferencia entre las lecturas del contador de agua permite calcular el volumen de agua

bombeada. La realización de estas medidas a distintas irradiancias y, dependiendo de la

dinámica del pozo, a distintas alturas manométricas, permite obtener las eficiencias a los

distintos puntos de trabajo del sistema.

Si se desea tener un valor aproximado del servicio entregado por la bomba, puede

considerarse que la eficiencia y la altura manométrica son constantes a lo largo del día e

iguales al valor medido, y que el día tiene una irradiación igual a la del día solar estándar.

Se calcula el volumen bombeado V, expresado en m3, y se toma el tiempo de medida como el transcurrido entre estas dos medidas, t, en minutos. Se corrige proporcionalmente el volumen de agua extraído para trabajar, a partir de este momento, con un volumen horario de agua

bombeada:

(13)

Por otro lado, se considera que la irradiancia medida, Gh, es constante para la hora modelo.

A continuación se calcula el volumen de agua bombeada en una hora a condiciones estándar

de irradiancia, que, para la irradiancia, corresponde a un valor de 1000 [W/m2],

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(14)

Y finalmente, se calcula el volumen de agua diaria bombeada en un día solar estándar de 6

[kWh/m2]. Así, se tiene el volumen de agua bombeado diariamente:

(15)

Por último, el producto de Vd* por HMT representa el servicio diario del sistema en m4.

A continuación se presenta un ejemplo de medida realizada en el proceso de aceptación de los

sistemas en el proyecto MEDA. En este caso el depósito esta situado al lado del pozo y con la

salida del agua a una altura de 7 metros. El valor de altura medio medido es 30,45 metros

(23,45 m de media más los 7 metros de altura del depósito).

Las medidas realizadas arrojan las siguientes cifras (tabla 5):

Tabla 3: Valores de las distintas magnitudes medidas para la realización del ensayo de

bombeo.

Fuente: MEDA

A partir de estos datos tenemos: t = 20 minutos

V = 2,34 m3

Vh = 2,34 x 60/20 = 7,02 m3.

Gh = 706, 75 W/m2

V*h= 7’02 * 1000/706’75 = 9,9 m3

Por tanto, en el día estándar considerado, que dura 6 horas el sistema bombea

Vd* = 59,4 [m3]

Como el valor de altura medio medido es 30,45 metros (23,45 [m] de media más los 7 metros

de altura del depósito), el suministro resulta 1.809 [m4].

Tiempo [hh:mm]

Contador [m3] Nivel dinámico (desde la tubería)

Irradiancias [W/m2]

15:09 2.137 23,2 738

15:15 2.138 23,4 720

15:21 2.138 23,5 694 15:29 2.139 23,7 675

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81

5.6.2.1 Caracterización de pozos o sondeos

Hay casos en los que el pozo no es abierto si no que se trata de sondeos en los que la

empresa que los ejecuta los concluye cubriéndolos completamente, o con orificios que no son

del tamaño adecuado para introducir un medidor de nivel. Si es posible conocer con antelación

estos casos, se puede pedir previamente (en la fase de especificaciones) que se coloque un

tubo de plástico de 6 mm de diámetro fijado a la tubería de subida y de forma que el extremo

inferior quede abierto y a la altura de la toma de succión de agua de la bomba, y el superior

quede accesible en la superficie.

Con este dispositivo instalado, se toma una bomba de aire de las utilizadas para inflar las

ruedas de bicicleta y un manómetro y se conectan al tubo de la manera mostrada en la

siguiente figura.

Figura 23: Esquema de funcionamiento del sistema de medida de la columna de agua que hay por encima de la bomba.

Fuente: UPM

La medida se hace bombeando el interior del tubo de plástico hasta que se ve que la presión

en el manómetro no aumenta aunque se siga bombeando. Esta situación es debida a que se

ha conseguido vaciar de agua completamente el tubo. La presión que indica el manómetro es

la ejercida por la altura de agua que hay hasta el extremo del tubo. La situación se mantiene

gracias a una válvula que impide que el aire bombeado salga por el extremo superior. La

presión mencionada, y convenientemente traducida a metros, es la distancia que hay entre el

nivel de agua en el pozo y la bomba.

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5.6.3 Ensayo de depósito lleno

Este ensayo permite la comprobación de las especificaciones C11 y C12. La prueba de

depósito lleno tiene interés por la comprobación del correcto funcionamiento de los dispositivos

involucrados, pero además, y aquí esta el valor del ensayo in situ, la accesibilidad al detector

de nivel (boya o flotador), y su ubicación con respecto al rebosadero del depósito

(especificaciones IH5, IH6, IH8).

El procedimiento de ensayo consiste en acceder al dispositivo y forzar la condición de depósito

lleno cerrando manualmente la boya o poniendo en posición horizontal el sensor de nivel. El

bombeo debe detenerse e iniciarse la correspondiente temporización. En el caso de las boyas,

la prueba debe realizarse en un momento en el que la irradiancia disponible sea suficiente para

que el sistema pueda elevar la presión hasta el valor umbral que detiene el bombeo.

Al mismo tiempo se comprueba que, en el caso de la boya, la presión a la que está tarado el

presostato es la correcta. Y en el caso del sensor de nivel eléctrico, que la transmisión de la

señal de parada es también correcta.

5.6.4 Uso y gestión del sistema

Este ensayo permite la comprobación de las especificaciones IH15, IH16, IH10, IH11, IH12 e

IH13. Comprobar la existencia de caudalímetros en la salida de la bomba y en los puntos de

consumo, y verificar la organización del sistema de gestión, no parece entrar en la idea clásica

de prueba o ensayo técnico, sin embargo, la existencia de estos elementos y su buen

funcionamiento es vital para garantizar una larga vida del sistema de bombeo fotovoltaico.

Su comprobación pone de manifiesto ante los usuarios lo importante de la presencia de un

operador del sistema (probablemente la parte más importante del esquema organizativo del

sistema), permite detectar fugas en la red de distribución (comparando los volúmenes de agua

bombeada y consumida), y permite poner en marcha una estructura de gestión que incluya

tarificación y cobro por el consumo de agua.

Esta comprobación incluye los siguientes puntos:

­ Revisión del cuaderno de anotaciones para registrar los datos de consumo y las incidencias

de los sistemas

­ Revisión de los puntos de consumo: existencia de caudalímetros, calidad del conjunto de

tuberías y accesorios, adaptación a los usuarios de los puntos de aprovisionamiento de agua,

existencia de llaves de paso, etc.

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6. Dimensionamiento de Sistema de Bombeo FV Estándar

En el sector rural Chileno y latinoamericano la principal fuente de energía asociada al bombeo

y abastecimiento de agua para consumo humano y agrícola es en más de un 90% a base de

petróleo o eléctrico, cuya combustión produce diariamente cientos de toneladas de CO2 y altos

costos de funcionamiento. Los campesinos al no tener recursos económicos suficientes para

costear este consumo energético dejan de utilizar estos sistemas convencionales de bombeo,

lo que genera una baja utilización de los suelos cultivables limitando sus posibilidades de

desarrollo.

El objetivo principal del proyecto es quebrar este círculo de pobreza y ofrece una alternativa

tecnológica para que las comunidades rurales obtengan autonomía energética y puedan operar

sus propios sistemas abastecimiento de agua, y puedan tomar sus propias decisiones

organizacionales y financieras.

A continuación de realizar los cálculos necesarios para dimensionar un sistema de bombeo FV

conformado por los módulos FV, convertidor de frecuencia, motor de inducción y motobomba

AC centrífuga sumergible convencional (ambos productos estándar del mercado, como

alternativa al bombeo FV convencional) para un proyecto particular que se realizara en la

localidad de la Polcura ,Navidad VI región Chile.

Los datos necesarios para realizar estos cálculos son:

­ Requerimientos del sistema: Altura Manométrica Total, Caudal Diario Mínimo

Requerido, Temperatura ambiente, Radiación Diaria. La curva diaria de radiación

puede obtenerse mediante la publicación “IRRADIANCIA SOLAR EN TERRITORIOS

DE LA REPÚBLICA DE CHILE” publicado por la Comisión Nacional de Energía en el

Proyecto CHI/00/G32 “Chile: Remoción de Barreras para la Electrificación Rural con

Energías Renovables” Santiago, Chile 2002.

­ Curvas H­Q a frecuencia estándar de la bomba elegida preferentemente realizada

mediante medidas experimentales.

­ Curvas de rendimiento hidráulico de la bomba centrífuga.

­ Curvas de rendimiento del motor asíncrono de inducción.

6.1 Antecedentes de la localidad de La Polcura.

Los antecedentes necesarios para calcular la demanda hídrica de la comunidad es el número

de habitantes que posee y tipo de actividades que realicen las cuales involucren consumo de

agua. A estas actividades se les vinculara un consumo de agua (litros/día) referenciado con los

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consumos estimados de la siguiente tabla resumen extraída de los estudios realizados por la

Comisión Nacional de Riego (CNR) del Ministerio de Agricultura de Chile.

Tabla 4: Consumo de agua diarios (litros/día) valores orientativos.

Fuente: CNR www.cnr.cl (confección propia)

De los antecedentes conocidos de la comunidad de La Polcura se sabe que posee 98

habitantes y que la mayoría posee pequeñas huertas de hortalizas y verduras destinadas al

auto­consumo.

Hace algunos años y con el objetivo de potenciar polos de desarrollo agrícola para la zona se

ha incentivado el cultivo del Nogal en miras a la producción y venta de nueces, producto con

buen precio de venta en el mercado nacional. Con estos datos se proyecta un consumo hídrico

de 8.000 [litros/día] (0.28 [lts/s] en 8 hrs. de trabajo diario) en periodo de máxima demanda

(verano).

6.1.1 Características del recurso hídrico y situación geográfica del proyecto

La comunidad de La Polcura en la actualidad no cuenta con una red de agua potable ni riego y

se abastece de agua a través de una motobomba diesel de un pequeño rio de caudal histórico

mínimo medido en verano de 5 [lts/s] ubicado a 1,5 [Km] de distancia y 150 [m] de diferencia

de altura medidos desde el espejo de agua hasta donde se ubican los estanques de

acumulación.

La siguiente figura muestra la posición relativa de los principales equipos del sistema. El

rectángulo azul muestra la posición de los módulos FV, el círculo blanco la posición del

estanque y el rectángulo rojo la de la bomba sumergible.

Consumo de agua diarios (l itros/día) valores orientativos

Tipo de Consumo unitario Litros por día

Doméstico (por persona) 50

Riego de huerta 4,2 l/m2 y día

Riego frutales 17­20

Riego frutales con goteo 10­15

Ganado (Caballo, Vacuno) 55

Vaca lechera 150

Cerdo, Oveja 15

Pavo, Pollo, Gallina 0,5

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Figura 24: Ubicación del proyecto de bombeo FV solar coordenadas geográficas 34,05 S –

71,92 E

Fuente: Creación propia

6.2 Radiación diaria

Sabiendo que el mes más desfavorable corresponde al mes más caluroso y coincide con el

verano, se determina a Enero como mes más desfavorable. La ubicación del proyecto de

bombeo solar FV tiene coordenadas geográficas 34,05 S – 71,92 E por lo tanto la inclinación

de los módulos FV será 24º mirando al Norte sin desviaciones ni sombras para aprovechar de

mejor manera la potencia solar de verano.

A continuación se presenta la tabla de la radiación solar diaria publicada en “ IRRADIANCIA

SOLAR EN TERRITORIOS DE LA REPÚBLICA DE CHILE” de la Comisión Nacional de

Energía de Chile del año 2002.

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Periodo Az

INCL

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL

MENSUAL

Az Al Norte 180º

INCL 24º

204,4 174,9 160,4 120,7 82,3 66,2 74,4 103,7 131,1 160,2 179,6 197,9 1655,7

DIARIA

Az Al Norte 180º

INCL 24º

6.6 6.25 5.17 4.02 2.65 2.21 2.40 3.35 4.37 5.34 5.99 6.38

Tabla 5: Irradiación Global Diaria, Mensual y Anual [kWh/m2]

Localidad: Central Rapel; Latitud: 34,03º Sur

Fuente: Comisión Nacional de Energía de Chile, Elaboración Propia

Figura 25: Grafico de Irradiación Global Diaria, Mensual y Anual [kWh/m2]

Localidad: Central Rapel; Latitud: 34,03º Sur

Fuente: Comisión Nacional de Energía de Chile, Elaboración Propia

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6.3 Selección de la bomba centrifuga sumergible

Conociendo lo requerimientos básicos del sistema de bombeo se procede a seleccionar el

modelo de bomba centrifuga sumergible mas adecuado al sistema solar FV.

Como referencia se comienza por seleccionar equipos de bombeo especialmente diseñados

para trabajar con paneles solares FV con distintos fabricantes y no se encuentran bombas

capaces de generar presiones superiores a los 100 [m], lo que demuestra la limitación técnica

ofertada por estos sistemas.

Teniendo en cuenta los criterios desarrollados en el punto 5.2.1 “Modelo Teórico Simplificado” a

cerca de cómo seleccionar una bomba para operación en un sistema FV, si se conoce la altura

de trabajo. Esto será una regla general cualitativa para aplicaciones fotovoltaicas: para una

altura de trabajo dada, se ha de seleccionar una bomba cuyo punto de operación h­Q a

frecuencia nominal se sitúe a la derecha del punto de máximo rendimiento.

En la figura 28 se muestra las curvas de rendimiento hidráulico de una familia de bombas

centrífugas GRUNDFOS Modelo SP 2A.

El cuadro de color indica el área de operación h­Q a frecuencia nominal de dichas bombas que

queda circunscrito por la altura total de bombeo (150 [m]) y el punto de máximo rendimiento de

los equipos.

Teniendo en cuenta este criterio y analizando en mercado nacional de bombas en Chile se ha

optado por trabajar con la bomba centrifuga sumergible modelo SP 2A 90 GRUNDFOS, Modelo

Motor MS 4000 potencia motor 4 [Kw] (3x230[V]).

Figura 26: Datos eléctricos Motor MS 4000

Fuente: Grundfos Literature ­1047

En la tabla anterior se puede observar los datos de rendimiento de motor eléctrico, con estos

datos es posible extrapolar los rendimientos con el objetivo de conocer las eficiencias a

distintas potencias y frecuencias.

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Figura 27: Bomba SP 2A 90 GRUNDFOS

Fuente: Grundfos Literature ­1047

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Figura 28: Curvas de rendimiento hidráulico de familia de bombas centrífugas GRUNDFOS

Modelo SP 2A.

Fuente: Grundfos Literature ­1047

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90

6.3.1 Aplicación de las formulas del modelo teórico simplificado

Extrayendo fo, ho y Qo de la curva de rendimiento hidráulico de la bomba centrifuga

sumergible modelo SP 2A 90 GRUNDFOS y aplicando las formulas del modelo teórico

simplificado se calculan la potencia de la bomba y potencia mecánica en el eje (Po) a través de

la formula 6. La potencia mecánica en el eje de la bomba, Po, a una altura ho, y a un caudal Qo,

puede calcularse en función del rendimiento de la bomba, ηb , en ese punto a frecuencia

nominal, fo.

De la misma forma se calcula fh con la formula 4 conociendo la altura manométrica de trabajo

h.

Ya con fh y h es posible calcular el Qh. De las leyes de semejanza se calcula la potencia (Ph)

de la bomba a una altura h y frecuencia f h.

Finalmente se calcula la potencia DC, PDC :

Donde η mh

es el rendimiento del motor operando a una frecuencia f h , y puede obtenerse por

interpolación de las curvas de Potencia de salida­Rendimiento del motor a través de la Figura

26, teniendo en cuenta la variación del rendimiento del motor con la frecuencia de operación.

La siguiente figura representa los distintos estados de funcionamiento del sistema operando a

menores rendimientos a frecuencia nominal y a mayores rendimientos a bajas frecuencias

consiguiendo incrementar el rendimiento medio diario del sistema de bombeo fotovoltaico.

fo [Hz] ho [m] Qo [l/min] Rend. Bomba [ ηb] Pot. Bomba [Kw] P.Mec.Eje Bomba

(Po) [Kw] 50 420 27 0.5 1.5 3.7

fh [Hz] h [m] Qh [l/min] Rend. Sub‐sistema Ph [Kw] P D/C [Kw] 30 150 16 0.4 0.79 1.9

Η mh

=Rend. Motor % a fh 0.45 R.m 0.77 R.FC 0.95 R.c 0.95

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Figura 29: Curvas de rendimiento hidráulico de la bomba centrífuga modelo SP 2A 90

GRUNDFOS trabajando a distintas frecuencias [Hz].

Fuente: Creación propia

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El cálculo realizado nos permite conocer la frecuencia mínima de trabado, 30 [Hz] y el volumen

de agua de 16 [lts/min] bombeado a 150 [m] de altura. Si este volumen se proyecta a 8 [hrs] de

trabajo diario tendremos 7.745 [lts/día]. En esta condición la potencia de la bomba Ph será de

0.79 [Kw], lo que determina una potencia instalada DC, PDC de 1.9 [Kw]

6.4 Dimensionamiento del Campo de Captación

Conociendo la PDC de 1.9 [Kw] y las horas de trabajo efectivas del sistema (8 [hrs]) tendremos

un consumo de 15.200 [Kwh/día], conociendo la radiación solar estimada del sector, se

procede a calcular la Relación Consumo/Radiación Disponible (C/R).

Determinándose que el mes Junio es el periodo del año donde la radiación solar es la menor

(mediados de invierno), entonces se utilizara esta relación C/R de 6.888 [W] para el

dimensionamiento del campo de captación, de esta forma se asegura una potencia instalada

mínima para satisfacer la demanda estimada de agua, proyectando un superávit para verano

donde el potencial solar mejora sustancialmente y el consumo hídrico aumenta.

Figura 30: Radiación hora­ día promedio mes de Junio del Sector La Polcura

Fuente: Comisión Nacional de Energía de Chile, Elaboración propia

Los módulos FV seleccionados para este proyecto son del modelo BP 3160N de 160 [Wp],

obteniéndose un numero de 48 paneles. Como la tensión de generador FV es óptima en torno

a los 300V DC cuando se accionan motores de 220V AC, el número mínimo de paneles será de

52, reunidos en 4 bloques en paralelo conformados cada uno por 13 módulos en serie,

determinándose una potencia de captación instalada de 8.320 [Wp]

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En la siguiente figura de entregan las características de diseño del modelo BP 3160N de 160

[Wp].

Figura 31: Características de diseño del modelo BP 3160N de 160 [Wp].

Fuente: Empresa Albasolar, España

6.5 Elección del Convertidor de Frecuencia

Para elegir correctamente el CF se necesitan conocer los siguientes datos del generador FV.

­ Corriente de corto­circuito del sistema DC: 19.2 [A]

­ Tensión circuito abierto del sistema DC: 574.6 [V]

Sabiendo que según los criterios de diseño, el CF debe resistir sin daños la operación en las

condiciones siguientes: temperatura ambiente de trabajo 45ºC, corriente DC de entrada igual al

125% de la corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico en condiciones estándar de

medida, en toda la gama de tensiones DC de funcionamiento posibles, y además resistir sin

daños la conexión a una tensión DC igual al 125% de la tensión en circuito abierto del

generador fotovoltaico en condiciones estándar de medida, lo que entrega los siguientes

valores:

­ Corriente de corto­circuito del sistema DC: 19.6 [A] x 1.25 = 24 [A]

­ Tensión circuito abierto del sistema DC: 574.6 [V] x 1.25 = 718 [V]

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Entonces se selecciona el siguiente equipo CF:

Modelo N2­215­M3 TAIAN ELECTRIC

Potencia máx. 11 [Kw]

Sobre­voltaje Serie 400 V: Bus DC excede > 854V

Corriente de entrada máx. 26 [A]

Figura 32: Modelo N2­208­M3 TAIAN ELECTRIC

Fuente: Catalogo TAIAN

A continuación se presenta una tabla con las especificaciones técnicas de este equipo.

Figura 33: Especificaciones Técnicas CF Modelo N2­215­M3 TAIAN ELECTRIC

Fuente: Catalogo TAIAN

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6.5.1 Programación del CF

La programación de este equipo debe realizarse tomando en consideración la siguiente tabla

(datos columnas amarillas) que esta desarrollada en base a las curvas de rendimiento

hidráulico de la bomba centrífuga modelo SP 2A 90 GRUNDFOS trabajando a distintas

frecuencias [Hz] (fig. 29).

Fh [Hz] Qh [l/min] Rend.Bomba Ph [Kw] P D/C 30 16 0.5 0.79 1.9 31 19 0.5 0.91 2.2 37 27 0.475 1.42 3.5 40 32 0.45 1.65 4.1 41 34 0.425 1.74 4.3 43 36 0.4 2.24 5.5 47 41 0.375 2.61 6.6 48 43 0.35 2.78 6.9 50 47 0.3 3.53 8.7

Figura 34: Tabla de frecuencia, caudal y Potencia D/C de sistema de bombeo FV.

Fuente: Creación Propia

A continuación se presenta un grafico derivado de la tabla anterior donde se describe la relación existente entre P D/C, el caudal bombeado y frecuencia [Hz] de trabajo a 150 [m] de altura, con ella se desarrolla la formula de tendencia aproximada P D/C – Frecuencia y Caudal

Con los datos anteriores es posible desarrollar un algoritmo de control y regulación del sistema tensión/frecuencia para el CF.

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Figura 35: Grafico P D/C – Frecuencia/Caudal de trabajo a 150 [m] de altura.

Fuente: Elaboración Propia

La conexión de este equipo al generador (positivo y negativo), se conecta a dos de las fases de

entrada del CF y el motor a su salida. En la etapa de control, la salida analógica, terminal FM

programada como proporcional a la tensión del bus DC, se conecta a la entrada de

realimentación del PID, terminal FSV. Como señal de referencia del PID se utiliza un

potenciómetro conectado entre los terminales P10 (fuente de alimentación interna de 10V),

AUX (entrada de referencia del PID) y COM (terminal común de tierra).

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97

6.6 Proyección del volumen de agua bombeado por el sistema de bombeo solar FV

Para proyectar el volumen diario de agua bombeado por el sistema de bombeo solar FV se

deben conocer: La distribución de la radiación diaria promedio y la temperatura diaria promedio

del sector.

A continuación se realiza el cálculo del volumen de agua bombeado para un día promedio del

mes de Marzo, lo mismo se realizara para todos los meses del año.

6.6.1 Clima del Sector

En el centro histórico del país, que podríamos llamar centro­norte geográfico, entre los 32 y 38

grados de latitud aproximadamente, predomina un tipo de clima Mediterráneo, caracterizado

por un período lluvioso invernal y un período de sequía en verano. Este clima cae en la

clasificación general de Köppen como Csb, (Templado cálido con lluvias invernales y verano

tibio), existiendo algunas variedades.

En la costa, donde se ubica la localidad de La Polcura, se mantienen temperaturas templadas

en general, con humedad en el aire, materializándose en nubes bajas, y brisa marina. La

cercanía del océano modera las temperaturas. El verano no es excesivamente caluroso y el

invierno es más suave que en el interior. No hay presencia de nieve y las heladas son poco

frecuentes, la oscilación día­noche también es menor.

Figura 36: Climograma del Sector La Polcura, Navidad VI región. En rojo temperatura promedio

y en azul mm de agua caída por m2 anual del sector.

Fuente: Dirección de Meteorología de Chile, Elaboración propia

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6.6.2 Radiación Hora ­día del Sector

Los datos de la Radiación Hora ­día del Sector son obtenidos midiendo la radiación instantánea

cada 1 hora [Kw/m2]. A partir de este valor, se determina la cantidad de energía solar diaria

mediante la integración de valores hallados cada hora en el transcurso del día [Kwh/m2].

Figura 37: Radiación hora­ día promedio mes de Marzo del Sector La Polcura

Fuente: Comisión Nacional de Energía de Chile, Elaboración propia

6.6.3 Método simplificado de la estimación del volumen de agua bombeado

Conociendo el valor de la potencia nominal de un generador FV en condiciones STC, Pn, para

cada valor de irradiancia global incidente en la superficie del modulo FV, G, y la temperatura

ambiente, Ta, el generador FV presentara una potencia máxima Pm (potencia del punto de

máxima potencia) que se puede obtener tras aplicar las formulas 11 y 12, antes descritas. Los

datos característicos del modulo FV son; TONC= 47 ºC y el Coef. de variación de la potencia

con la Temp.= ­0,5 %/K, extraídos de la figura 31.

Sabiendo que para cada hora del día habrá una radiación instantánea [Kw/m2] variable en

relación al plano perpendicular de los rayos solares y al periodo estacional, manteniendo fija la

potencia instalada proyectada para el generador FV (Nº de módulos), se calcula la potencia

máxima Pm del generador para las horas solares de un día típico del mes de Marzo y su

estimación del volumen de agua bombeada.

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Horas/día Radiación [Kw/m2] Pm=P D/C [Kw] f[Hz] Qh [l/h] 6 0 0.0 0 0 7 100 0.8 0 0 8 200 1.7 0 0 9 400 3.0 35 1462 10 500 4.0 39 1825 11 700 5.8 45 2351 12 750 6.0 46 2386 13 700 5.8 45 2351 14 650 5.4 44 2248 15 500 4.0 39 1825 16 400 3.0 35 1462 17 200 1.7 0 0 18 100 0.8 0 0 19 0 0.0 0 0

Total litros/día 15911

Figura 38: Proyección de caudal elevado hora­ día promedio mes de Marzo a 150 [m]

en Sector La Polcura

Fuente: Elaboración propia

En este caso la Pm del generador FV tendrá una relación directa con la P D/C instalada, y esta

a su vez con la frecuencia de trabajo del sistema [Hz] y el volumen de agua elevado por hora a

150 [m] de altura por la motobomba a esta frecuencia (fig. 35).

Integrando los resultados obtenidos a través de este cálculo es posible proyectar los volúmenes

de agua bombeada [m3] por el sistema de bombeo solar FV para el día típico del mes con el

objetivo de visualizar la producción anual del sistema.

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Periodo Volumen agua bombeado [m3/día] Enero 18.79 Febrero 17.80 Marzo 15.90 Abril 13.92 Mayo 9.73 Junio 8.98 Julio 9.28 Agosto 10.89 Septiembre 13.34 Octubre 15.22 Noviembre 17.06 Diciembre 18.19

Figura 39: Proyección de volumen de agua [m3/día] bombeado a 150 [m] de altura en un año promedio por el sistema de bombeo solar FV.

Fuente: Elaboración propia

6.7 Presupuesto del Sistema de bombeo solar FV estándar.

A continuación se detalla el costo de los elementos que forman parte del Sistema de bombeo solar FV estándar. En este análisis no se consideran los sistemas periféricos comunes para todos los sistemas de bombeo como cañerías, sistemas de cloración, estanques, etc. a manera de simplificar el calculo.

Ítem Cantidad Costo unit. [€]

Costo conjunto [€]

Módulos FV 160[Wp] 52 341 17.732 Estructura Mounting Systems Lambda para montaje en suelo

7 42 294

Bases Cemento 27 12 324 Bomba SP 2A 90 GRUNDFOS 1 1 7.004 C.F N2­215­M3 TAIAN ELECTRIC

1 1.360 1.360

Cables Eléctricos 100 [m] 300 300 Total 26.714

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6.8 Calculo energético y consumo de energía en sistemas convencionales

A través de un sencillo cálculo se realizara la estimación del ahorro energético que nos puede suponer la sustitución de las fuentes de energía convencionales, en este caso petrolero o compra de electricidad de la red eléctrica local por energía solar FV.

Sabiendo que anualmente el sistema de bombeo solar FV eleva 5.117 [m3] de agua 150 [m], lo

genera un gasto energético de 0.408 [Kwh] por m3 que genera un gasto energético de 2.088

[Kwh/año], se proyecta la siguiente tabla de demanda energética de fuentes convencionales

Fuente Energética

Eficiencia del sistema

Cantidad anual (kWh)

Cantidad anual (GJ)

Precio compra PCI

Coste anual total (€)

Petróleo 0.15 13,920.0 50.1 1.2 €/lts. 0.04 GJ/lts. 1.503 Electricidad 0.27 7,733.3 27.8 0.18 €/Kwh 1.392

Figura 40: tabla de demanda energética de fuentes convencionales

Fuente: Elaboración propia

Sabiendo que los costos de equipamiento, obra civil y mantención de estos equipos en

comparación con el sistema de bombeo solar FV son;

Fuente Energética

Equipamiento (€)

Obra civi l (€)

Total Implementación

(€)

Mantención Vida útil equipo

(€)

Consumo energético [20 años]

Total Gastos Bombeo

(€)

Solar FV 26.114 1.200 27.314 800 0 28.114 Petróleo 8.200 800 9.000 4.000 30.060 43.960

Electricidad 10.800 2.400 13.200 1.300 27.840 42.340

Figura 41: Tabla de costos de equipamiento, obra civil y mantención de fuentes convencionales

y solar FV

Fuente: Elaboración propia

Se puede observar que el costo de implementación del sistema solar FV supera por más del

doble a los otros sistemas, sin embargo cuando valoramos el consumo energético con una

proyección de 20 años (vida útil de la mayoría de los equipos) tenemos que el gasto total de

bombeo del sistema FV es el menor de todos.

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6.9 Ahorro de Energía y Emisiones de CO2

La distribución porcentual de los costes de la vida útil de un sistema de bombeo de agua son:

5% ­ Coste inicial (equipos e instalación), 85% costes de funcionamiento / consumo de energía,

10% ­ Costes de mantenimiento. ¡Resulta obvio que el ahorro más importante se puede lograr

en el consumo energético!

Ahora hay que analizar también el impacto de las fuentes de energía asociadas a los sistemas

de bombeo. Un indicador adecuado (aunque no el único) para evaluar el impacto sobre el

cambio climático del funcionamiento de estos sistemas, es la emisión diferencial estimada de

CO2 anual asociada a ellas.

En la actualidad la capacidad energética instalada total de Chile se compone aproximadamente

en 3.000 MW (59%) y 2.000 MW (41%) de capacidad termoeléctrica e hidroeléctrica,

respectivamente. Como la energía hidroeléctrica no emite CO2 y la mayoría de las centrales

termoeléctricas se alimentan en base a petróleo y carbón, tendremos entonces que se emiten

en promedio 0,52 [Kg CO2/kWh] por electricidad consumida por el sistema de bombeo en el

caso de moto­bomba eléctrica. En el caso de moto­bombas alimentadas en base a petróleo, las

emisiones de CO2 se elevan a 0,76 [Kg CO2/kWh].

Si sabemos que se necesitan 13,920 [kWh] para bombear 5.117 [m3] de agua elevado a 150

[m] de altura, para el caso de petróleo tendremos que las emisiones asociadas al bombeo de

agua, se puede asumir una emisión media de 10.579,2 [Kg] de CO2 y 7.238 [Kg] para el caso

eléctrico. Las emisiones asociadas a la solar FV estas del orden de 0,006 [Kg CO2/kWh], lo

que proyectado al suministro antes mencionado da 83, 52 [Kg].

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7. Conclusiones

7.1 De las especificaciones técnicas de bombeo fotovoltaico

Se han propuesto unas especificaciones técnicas con el objetivo de garantizar la calidad de

estos sistemas en la primera fase de cualquier proyecto. Los sistemas de bombeo que cubren

estas especificaciones tienen como objetivo las aplicaciones típicas: riego, abrevadero de

ganado, pero también el consumo humano al contemplar en sus normas los sistemas de

potabilización de agua.

Las especificaciones propuestas contienen la ya larga experiencia del IES­UPM ganada en

diversos proyectos ejecutados en el sur de Marruecos. Incluye soluciones técnicas para

cuestiones vitales como tuberías de distribución, sistemas potabilizadores de agua,

protecciones ante situaciones anómalas, etc.

Este conjunto de normas además busca constituir una propuesta global para este tipo de

aplicaciones FV, tomando en cuenta el análisis particular (caso a caso) en detalles particulares

de cada proyecto.

La propuesta contiene y desarrolla una clasificación de las normas que permita a los

promotores de proyectos de este tipo, adaptarlas a la realidad del proyecto en concreto.

7.2 De los sistemas de bombeo FV que utilizan CF

Los sistemas de bombeo FV que utilizan CF pueden ser más económicos que otros sistemas

tradicionalmente utilizados, sin un decrecimiento de la fiabilidad ni del rendimiento. Por otro

lado los CF ofrecen una alternativa para los sistemas de media y elevada potencia donde no se

dispone de productos comerciales para bombeo FV.

No es necesario realizar ninguna modificación externa de los CF para operar con generadores

FV, basta con una adecuada programación para trabajar a tensión constante de generador FV.

El nivel de tensión de trabajo es un parámetro crítico, pero seleccionada adecuadamente en

función de las características del generador FV y de las condiciones ambientales las pérdidas

por no seguimiento del PMP pueden minimizarse a un valor inferior al 2% anual. Se puede

utilizar un circuito electrónico de diseño simple y bajo coste para corregir la tensión de

operación en función de la temperatura de operación de los módulos FV reduciendo las

pérdidas por no seguimiento del MPP al 1% anual.

Se hace necesaria una adecuada programación del CF para su óptima operación en sistemas

FV. La selección de un control tensión/frecuencia cuadrático (V~f²) ya implementada en

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muchos de los CF es el control óptimo para la operación de bombas centrífugas. En las

aplicaciones FV la potencia disponible es variable durante el día en función de la irradiancia

solar disponible.

La operación del motor/bomba a bajos niveles de potencia es posible mediante la variación de

la relación tensión/frecuencia suministrada al motor de inducción. Cuando disminuye la

potencia se disminuye la frecuencia para permitir el bombeo. De este modo se maximiza el

número de horas de operación durante el día, minimizando los umbrales de arranque y

maximizando el rendimiento medio diario del sistema.

Se ha desarrollado un modelo simplificado, validado experimentalmente, para convertidores de

frecuencia operando motores de inducción y bombas centrífugas, basado en datos de catálogo,

que permite la obtención de las curvas características Potencia DC­Caudal de un sistema con

FC a diferentes alturas. Ello permite disponer de una herramienta que permita la selección de la

bomba más adecuada para cada aplicación.

7.3 Del dimensionamiento del sistema de bombeo solar FV

El sistema de bombeo FV es capaz de satisfacer la demanda de agua en el periodo de menor

radiación y en verano, con la mejora del potencial solar entrega más del doble volumen de

agua, lo que permite desarrollar actividades agrícola de la zona como el riego de arboles

frutales, huertas y otras actividades agropecuarias.

Como el consumo de agua esta ligada directamente al desarrollo y crecimiento humano y

conociendo las problemáticas del cambio climático por las emisiones de gases contaminantes

(que tanto en Chile como en Latinoamérica aun no se valoran en su real magnitud) serán estas

emisiones de CO2 las que limiten el abastecimiento de agua y el crecimiento nacional.

Teniendo claro que el crecimiento económico y sobre todo el de la población, exige un mayor

consumo de agua, resulta obvio aplicar el uso de las energías renovables, especialmente la

energía solar a los sistemas de gestión de agua para mantener el crecimiento económico y

reducir las emisiones de CO2.

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El siguiente grafico refuerza esta ventaja del sistema de bombeo solar FV. En el se observa la

relación entre la radiación solar día promedio mensual y el volumen de agua bombeado para

un año promedio.

Figura 42: Grafico de radiación solar día promedio mensual [Kwh/día] y el volumen de agua [m3] bombeado a 150 [m] de altura en un año promedio.

Fuente: Elaboración propia

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