Tema: Bombeo solar directo

Vamos a comenzar enumerando unos conceptos básicos relativos al bombeo solar fotovoltaico, en el caso de bombeo sin baterías, para explicar posteriormente el proceso de cálculo, y por último recopilar una serie de temas instructivos dentro del foro de aislada.

Conceptos básicos

Fundamentalmente el objeto de un bombeo solar directo es bombear un caudal instantáneo de agua, relativamente bajo, a lo largo del mayor número posible de horas al día.

Esto contrasta con el método tradicional de bombeo, donde bombas accionadas por motores de gran potencia bombean agua en un corto periodo de tiempo, con un coste elevado de energía.

El sistema trabaja en régimen de uso diurno, lo que permite la eliminación del banco de baterías, simplificando la instalación y su mantenimiento, además de aumentar su vida útil y reducir su costo.

El régimen de uso diurno implica la necesidad de incrementar al máximo las horas de operación del sistema, ésto se traduce en la incorporación de elementos que faciliten el arranque del motor y/o el seguimiento del punto de máxima potencia de los paneles fotovoltaicos.

Una solución cuando el caudal diario es insuficiente es acumular agua, usando una balsa o una cisterna como reserva.

Rentabilidad del sistema de bombeo solar directo

Se trata de un sistemas con un coste de implantación alto, si bien el coste operacional es prácticamente nulo, permitiendo recuperar la inversión inicial en un periodo corto de tiempo.

Nuevamente contrasta con el método tradicional, con costes de implantación medios, pero con con altos costes operacionales.

Así pues un sistema de bombeo solar directo se amortiza con el ahorro en costes operacionales de su equivalente tradicional, mientras que el bombeo tradicional se amortiza con los beneficios de la explotación agraria.

Energía y potencia de bombeo

El proceso de bombeo implica elevar un volumen de agua desde un nivel por debajo de la superficie hasta la boca del pozo.

La energía necesaria para levantar un determinado volumen de agua entre dos niveles viene dado por el producto de la fuerza aplicada para elevarlo por la distancia que recorre.

El caudal instantáneo de agua extraído viene dado por la relación entre la cantidad de litros recogidos y el tiempo de extracción.

Si se desea incrementar el caudal, se necesita acelerar el proceso. La energía no cambia, pero la potencia requerida (energía por unidad de tiempo) deberá ser incrementada.

Si por encima de la boca del pozo se encuentra una balsa o cisterna, o un sistema de riego presurizado, la distancia de elevación ha de ser incrementada.

Se introducen pérdidas, tanto mecánicas en el sistema de cañerías como eléctricas por disipación de calor y rendimiento del motor y otros elementos eléctricos.

Estas pérdidas han de ser compensadas por el sistema fotovoltaico.

Tipos de bombas

Conviene decir que habitualmente llamamos “bomba” a lo que en realidad es la unión operativa de dos elementos: un motor y la bomba propiamente dicha.

Motores

La clasificación general sería motores de corriente continua y motores de corriente alterna, con las siguientes subdivisiones:

Los motores de corriente continua con escobillas, si bien son de bajo coste, debido al desgaste de los carbones y el consiguiente mantenimiento, su utilización se reduce a aplicaciones de poca potencia.

Los motores de corriente continua sin escobillas, con gran eficiencia y poco mantenimiento, se aplican para potencias de hasta 4 KW. Cabe mencionar que en realidad son motores de alterna, accionados por ondas trifásicas trapezoidales.

Los motores de alterna monofásicos no son indicados para el bombeo solar directo, por la dificultad o imposibilidad de conseguir un variador de frecuencia con salida monofásica para su control.

Los motores de alterna trifásicos son los más utilizados para altas potencias, con un rango de uso habitual entre 2,2 KW y 22 KW. Se controlan con un variador de frecuencia trifásico, el cual modula la frecuencia de la alimentación en función de la irradiación solar.

Bombas

Un primer criterio para clasificarlas sería el emplazamiento, un segundo criterio sería la forma en que el agua es movida.

Clasificación por emplazamiento

Las bombas pueden ser de superficie o sumergidas.

Las de superficie aspiran grandes caudales a baja profundidad, pudiendo elevar el agua a grandes alturas.

Las sumergidas pueden bombear agua desde mayores profundidades, elevando un caudal de agua menor contra mayor es la profundidad.

Clasificación por forma de movimiento

Hablaríamos de bombas centrífugas y bombas volumétricas.

Las bombas centrífugas habitualmente disponen de un mecanismo de palas rotativas de alta velocidad, creando un fuerte chorro que empuja el agua dentro de la bomba. Se suelen usar en bombas de superficie o sumergidas de poca profundidad, cuando se requiere un caudal abundante.

Las bombas volumétricas se sirven de un desplazamiento cíclico, similar a un tornillo sinfín, empujando un volumen de agua a un compartimento cerrado donde a su vez empuja a un volumen de agua anterior. Suelen usarse en bombas sumergidas para extraer caudales moderados de agua a grandes profundidades.

Cálculo del bombeo solar

Comenzaremos por definir las alturas fundamentales, según el gráfico siguiente:



Altura geométrica (Hg): se corresponde con el nivel estático de agua, es decir sin bombeo. Se define hasta la altura máxima del depósito, o bien hasta la altura del suelo más el equivalente de la presurización en el caso del riego por goteo.

Altura dinámica (Hd): no es una altura física, sino el equivalente de las pérdidas por fricción en tuberías y accesorios.

Abatimiento (Sw): es la altura que baja el nivel del agua durante el proceso de bombeo.

Altura total (H) H = Hg + Hd + Sw: es la altura total que debe vencer la bomba y con la que debe calcularse el bombeo.

Cabe comentar que en muchos casos reales no se conocen estas alturas por no haberse realizado un aforo del pozo o por haberse hecho de forma poco rigurosa, en estos casos un criterio habitual es calcular el bombeo hasta la altura de la bomba, es decir calculando con sobredimensión.

Proceso de dimensionado

Un proceso de dimensionado habitual seguirá una serie de pasos similar a la siguiente:

Visita al lugar de la instalación

Será de gran ayuda para plantear la disposición general de elementos, observar limitaciones, etc.

Recabar información del pozo

Datos físicos como dimensiones, capacidades del acuífero, etc.

Estimar las necesidades de agua

Volumen de agua necesario, por mes y teniendo en cuenta si es para uso agrícola, ganadero o de suministro para población.

Calcular la altura total

Según las alturas definidas al principio del apartado.

Calcular la energía hidráulica

Es el producto del caudal por la altura total, para cada mes.

Obtención de datos de irradiación solar

Irradiación solar media diaria, por mes. Se determinará el mes de dimensionado junto con el ángulo de inclinación de los paneles fotovoltaicos.

Potencia del generador fotovoltaico

Se calculará la potencia pico de los paneles, teniendo en cuenta el rendimiento del tipo de bomba a utilizar.

Selección de la bomba

Se tendrán en cuenta las especificaciones de altura y caudal.

Dimensionado de las tuberías

Cálculo para satisfacer las especificaciones de altura, caudal y régimen.

Elección de los distintos elementos

Se elegirán los elementos de la instalación acorde a los cálculos realizados en los pasos previos.

Métodos de cálculo

A la hora de implementar los cálculos anteriores hay varios métodos.

Se pueden calcular “a mano”, mediante el uso de fórmulas adecuadas. También pueden utilizarse tablas y gráficos suministrados por los fabricantes de los distintos elementos, éstos responden al comportamiento del elemento físico y simplifican el proceso. Otro método es la utilización de programas de software, unos pueden ser generalistas y otros específicos desarrollados por un fabricante para sus productos.

Lo más conveniente es conocer los tres tipos de métodos y utilizar el más adecuado según las circunstancias del bombeo, empleando los otros dos para contrastar resultados.

Recopilación de enlaces en solarweb relativos al tema

Se habla de dimensionamiento del bombeo y del riego, conceptos de bombeo con variador y en continua. Tema muy completo:
Bombeo solar

Desventajas del bombeo con baterías frente al bombeo directo

Bombeo en continua

Mantenimiento de bombas

Cálculo de un bombeo solar en continua

Tuberías y presiones

Conceptos prácticos de dimensionado con variador de frecuencia

Dimensionado con variador de frecuencia, conceptos prácticos importantes

Otro tema de variador de frecuencia, ampliación de conceptos:
http://www.solarweb.net/forosolar/fo...ovoltaica.html

Conceptos de dimensionado general:
http://www.solarweb.net/forosolar/fo...vencional.html

Múltiples bombas con variador de frecuencia, tema muy completo:
Bombeo. Sustituir grupo electrógeno por placas. Parece ser complicadísimo

Tema de dimensionado general:
Instalación Fotovoltaica aislada para bombeo de riego

Tema instructivo y práctico de bombeo con variador de frecuencia:
Bombeo Solar 35CV (26kW) Posibles soluciones

Aplicación de suministro presurizado a vivienda con pozo profundo

Tema relativo a grupos de presión:
Ayuda con bomba de agua solar

Discusión sobre bombas y parámetros de dimensionado:
Consejo Bomba de extraccion de agua de un pozo

Caso de grupo de presión aplicado a riego por aspersión:
Ayuda para poner bomba electrica en pozo