15 mayo 2010

Cómo diseñar sistemas de bombeo solar

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ACTUALIZADO Y AMPLIADO 15-05-10

INTRODUCCIÓN AL BOMBEO SOLAR.
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Una interesante aplicación de la energía solar es el bombeo de agua de pozos o simplemente la elevación de agua para llenar un embalse u otro usos. Esta aplicación es especialmente interesante en comunidades que viven en el mundo rural donde no hay disponibilidad de energía eléctrica convencional y se tiene que recurrir a los derrochadores generadores a base de hidrocarburos.
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Cuanto más remoto es un lugar más costoso es transportar combustible para las estaciones de bombeo y ahí precisamente son eficaces las bombas solares.
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El ahorro energético que podemos conseguir sustituyendo sistemas convencionales es realmente importante. Pero para maximizar el ahorro energético hay que entender algunos conceptos que nos ayudarán a diseñar la aplicación más económica.
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Una pequeña estación solar de bombeo tiene un precio muy similar a la de las aplicaciones convencionales, por lo que se trata de una solución muy ventajosa ya que nos evitamos el consumo de combustibles fósiles. En lugares remotos es más ventajoso aún puesto que el coste del transporte de combustible suele ser alto. La actual tendencia es que el bombeo de agua mediante tecnología fotovoltaica es ya bien rentable frente a otras tecnologías como las bombas de queroseno, diésel o gasolina.
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Otra de las grandes ventajas del bombeo eólico es que la energía no necesita ser almacenada, por lo que evitamos gran parte de los costes que acompañan a las energías renovables. El agua se extrae cuando el generador tiene capacidad para accionar la bomba y el resto del tiempo simplemente se parar. Ya que el agua el agua al contrario que la enegía puede almacenarse sin pérdidas apreciables, ganamos de esta forma gran eficiencia respecto a otros métodos.
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CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE BOMBEO SOLAR.La generación de energía con paneles fotovoltaicos puede hacerse tanto con instalaciones fijas como móviles. En lugares donde no sea prudente que los paneles solares queden sin ser atendidos pueden construirse soportes transportables que incluso pueden incorporarse sobre vehículo. El uso de bombas de corriente continua permite empezar a extraer agua con potencias tan pequeñas como 96 Wp, lo cual supone que con un solo panel solar dispondremos de energía suficiente como para empezar a bombear agua. Gracias a que no perdemos con la conversión de la energía, utilizando bombas de corriente continua podremos empezar a bombear 440 litros de agua a la hora desde 6 metros de profundidad con tan solo esa energía. Pero el mismo sistema nos permitirá trabajar a grandes profundidades, aunque en ese caso solamente bombeará 82 litros a la hora desde 70 metros de profundidad.
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SOBRE EL DISEÑO
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PASO 1 - PROCURAR CALCULAR EL MENOR CAUDAL POSIBLE
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El sol es un recurso continuo, y sin embargo el agua no suele requerirse más que en momentos puntuales. Es por ello que como norma general las bombas solares serán mucho más efectivas si se usan para llenar aljibes o depósitos y luego disponemos el agua cuando la vayamos necesitando. Las bombas solares pueden trabajar durante todo el año sin que gastemos un céntimo en combustible, y si disminuimos el caudal la bomba será más barata y necesitaremos menos capacidad de panel.
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PASO 2 - DETERMINAR LOS LITROS DE AGUA QUE NECESITAMOS BOMBEAR AL DÍA.
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A partir de este planteamiento de optimizar el consumo, calcularemos la cantidad de agua que necesitamos bombear al día. Este dato es el que realmente necesitamos calcular. Si necesitamos la bomba por ejemplo para una aplicación de riego, podremos ir llenando la balsa durante meses hasta que necesitemos utilizar el agua. Esto permite diseñar sistemas de bombeo muy económicos para aplicaciones que requieran bastante consumo de agua pero en poco tiempo.

Si el clima es predecible, con radiación solar elevada durante todo el año, podremos usar un pequeño sistema de bombeo para almacenar agua en grandes cantidades, y luego usarla cuando se necesite: llenar cisternas, aplicaciones de riego, etc. Si por ejemplo un cultivo se riega una vez a la semana podremos calcular el tiempo que tardará en llenarse el embalse.

Una estimación de consumo de agua diario puede ser la siguiente:
  • Cada persona consume entre 190 y 300 litros.
  • Vaca unos 132 litros.
  • Caballo entre 38 y 75 litros.
  • Oveja unos 8 litros.
  • Cerdo unos 16 litros.
  • Cien gallinas unos dieciséis litros.
Si vamos a utilizar el agua para regar cultivos, los criterios que podemos usar para calcular el agua que necesitamos diariamente (en el periodo de riego) son los siguientes:
  • Arroz: Unos 100 m3/hectárea.
  • Granja: Unos 60 m3/ha.
  • Cereales: 45 m3/ha.
  • Caña de azúcar: 65 m3/ha.
  • Algodón: 55 m3/ha
PASO 3 - DETERMINAR EL ALMACENAMIENTO
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Diseñar un sistema de generación mediante bombeo solar requiere un almacenamiento que permita guardar el agua para cubrir las necesidades. Para ello debemos diseñar un sistema de almacenamiento acorde con las necesidades de cada usuario.
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Almacenando agua nos protegeremos cuando la bomba no funcione por falta de sol. Si el agua se utiliza para riego pueden llenarse los depósitos con bombas de bajo caudal y usar el agua cuando llegue el momento.
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Los depósitos para almacenamiento de agua pueden estar construidos de acero, cloruro de polivinilo (PVC), fibra de vidrio, hormigón, o albañilería. El acero, la fibra de vidrio, y los depósitos de agua en PVC, se usan en sistemas tanto eólicos como de energía solar.


Los depósitos de agua pueden construirse subterráneos, elevados sobre el suelo, o en la superficie. Los depósitos de hormigón se recomiendan para almacenamiento de agua bajo el suelo en climas cálidos ya que mantienen el agua fría. Los depósitos de acero pueden oxidarse fácilmente cerca del mar, por lo que deben protegerse con tratamiento anti-óxido.
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Si el agua se usará para riego puede construirse un pequeño embalse, en cuyo caso debe estar impermeabilizado para reducir el tamaño del generador fotovoltaico.
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El uso de las láminas de plástico para la impermeabilización del terreno y acumulación de agua ha sufrido una amplia expansión en todo el mundo y el proceso aún no ha terminado, pues evoluciona paralelamente a la creciente escasez de pluviometría en las zonas de cultivo con clima suave.
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Para distribuir agua a una comunidad rural lo aconsejable es primero bombear a un tanque elevado y de ahí distribuirlo.
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PASO 4 - CALCULAR LA ALTURA.
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El siguiente paso es un factor muy importante en el diseño. Se trata de estimar la presión efectiva con la que la bomba puede operar. Esta presión se mide en altura que se expresa en pies o en metros. Para estimar las necesidades debemos sumar:
  • Nivel de bombeo: Es el nivel al que está el agua que debemos bombear.
  • Elevación vertical: La elevación entre la tubería de descarga de la bomba y el punto de uso. Pueden ser muy pocos metros o puede ser necesario subir el agua a una colina.
  • Pérdidas por fricción: En la mayoría de los casos, las pérdidas por fricción pueden simplificarse.
Si el depósito de almacenaje del sistema se localiza cerca del pozo, 9 metros o menos, y se usa el tamaño de tubería recomendado, puede usarse una norma simple. En los casos en los que el depósito se localiza lejos del pozo, más de 10 metros, pueden usarse cálculos más exactos basados en la longitud de la tubería, el número y tipo de accesorios y el caudal.
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PASO 5 - CONFIGURACIÓN
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En algunas aplicaciones quizás necesitemos disponibilidad de agua constante, pero en otras no será necesario. Todo ello deberemos valorarlo para decidir si colocamos o no una batería que consiga bombear también en días nublado. Si no colocamos la batería, en días nublados el sistema no funcionará. Será cuestión de ver cada aplicación. Si por ejemplo es una aplicación de riego, los días nublados disminuye la evaporación y por tanto no importará que retrasemos algún día el riego. .
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El subsistema motor-bomba incluye motor, bomba, y acoplamiento. Varios tipos de bombas y motores pueden usarse en aplicaciones de bombeo fotovoltaico, dependiendo siempre del tipo de aplicación y la demanda de agua. .
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Diferentes tipos de bombas y motores están disponibles en aplicaciones de bombeo de agua dependiendo de los requerimientos de agua, la altura de bombeo, la altura de succión (para bombas en superficie) y recursos de agua. Los tipos más comunes de acoplamiento usados para bombear agua son correas y poleas, tornillos de accionamiento, acoplamiento directo (cremallera y piñón o pernos y bridas), y transmisión de engranaje. La eficiencia del mecanismo de transmisión depende del ratio de acoplamiento, que es el ratio del par del motor respecto al par de la carga. En acoplamiento directo de la transmisión las pérdidas son tan solo de un 2 %. Sin embargo, las pérdidas en casos de reducción directa de la velocidad son de un 40 %. Las transmisión de energía en caso de transmisión con engranajes, que depende del diseño de la caja de engranajes, del ratio de engranaje, y del tamaño del motor en relación con la reducción de velocidad, puede ser muy alta. .
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Veamos algunas configuraciones en suministro de agua solar típicas usadas en bombeo solar: .
  • Bomba sumergida con motor montado en superficie: estas bombas fueron de uso común en lugares remotos, como aplicaciones en el Sahel (África subsahariana) en los años 70. La ventaja es que da fácil acceso a las escobillas del motor para su cambio y otras operaciones de mantenimiento. Pero tiene como desventaja las pérdidas de energía en los rodamientos del kgb y los altos costes de instalación. En General esta configuración sea reemplazado ampliamente por grupos de motor y bomba sumergidos.
  • Grupo motor bomba centrífugo multi etapas sumergido: este tipo es probablemente la configuración más común en suministro de agua solar. Las ventajas de esta configuración son que es fácil de instalar, admitieron tuberías flexibles y la bomba sumergida queda lejos de posibles daños. Pueden utilizarse bombas AC o DC. Los motores DC usan escobillas que deben reemplazarse aproximadamente cada dos años. Otros motores apropiados para esta aplicación son los DC sin escobillas que requieren conmutación electrónica. El sistema más comúnmente empleado consiste en una bomba AC y un inversor con una configuración fotovoltaica inferior a 1.500 Wp.
  • Grupo bomba-motor flotante: la versatilidad de las unidades flotantes las hacen ideal para aplicaciones de bombeo en canales y pozos abiertos. La bomba es fácilmente transportable y hay poco riesgo de que la bomba trabaje en seco. La mayoría de estas configuraciones utilizan bombas centrífugas sumergidas de una etapa. El tipo más común utiliza un motor DC (conmutado electrónicamente) sin escobillas.
  • Bomba de desplazamiento positivo recíproco: La bomba de desplazamiento positivo recíproco (conocidas como jack o nodding donkey) son muy adecuadas para de elevadas alturas y bajo caudal. El rendimiento es proporcional a la velocidad de la bomba. En alturas elevadas las fuerzas de fricción son bajas comparadas con las fuerzas hidrostáticas y a menudo hecho hace que las bombas de desplazamiento positivo sean más eficientes que las bombas centrífugas para esta situación. Las bombas de desplazamiento positivo recíprocas crean una carga cíclica en el motor que, para operaciones eficientes, necesita ser equilibrada.
  • Grupo bombas de succión: Este tipo de bombas no se recomienda salvo en aplicaciones en las que el operador pueda estar siempre atendiendo. Aunque el uso de cámaras primarias y válvulas de no retorno puedan prevenir pérdidas de impulsión, en la práctica se experimentan problemas de autor arranque e impulsión.
PASO 6 - DETERMINAR LA CAPACIDAD TOTAL
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Con la secuencia anterior de acciones estaremos en condiciones de determinar el equipo que necesitamos para nuestra aplicación. Realmente es el caudal lo que finalmente nos determinará el tamaño de la instalación definitiva, es decir, el volumen de agua que necesitemos diariamente. Están disponibles bombas que pueden trabajar con alturas de hasta 200 m y caudales de hasta 250 m3/día. .
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Hemos hablado de algunas de las aplicaciones básicas de la energía solar para proporcionar soluciones de bombeo, pero hay muchas más. Por ejemplo, la bombita mostrada en la imagen permite tomar agua de una piscina o depósito similar y colocar un sistema de riego automático por aspersión, y lo mejor de todo, sin instalación alguna.
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PASO 7 – ESTIMACIÓN DE LOS RECURSOS SOLARES
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Los datos de radiación solar no suelen estar disponibles en muchas zonas remotas donde se requiere el bombeo solar, por lo que debemos considerar en el cálculo que los datos no serán necesariamente exactos.
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Si trabajamos en un proyecto grande es interesante hacer algunas mediciones directas y para ello varios instrumentos están disponibles.

PASO 8 - TECNOLOGÍAS DE BAJO COSTE .
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Un paso necesario para hacer que esta tecnología sea accesible a las comunidades remotas ha sido el lanzamiento al mercado de paneles solares de bajo coste. El único problema de estos paneles, normalmente de telururo de cadmio el único problema que tienen es que requieren una superficie superior, pero en las comunidades remotas el espacio no suele ser un problema. .
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Las bombas pueden usarse directamente bombeando agua y utilizando un controlador del sistema de energía solar y un inversor. Las bombas utilizadas son sumergibles monofásicas o trifásicas. .
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Otra forma de minimizar el coste del sistema es utilizando bombas de velocidad variable. Si bien estas bombas son más caras, pueden variar su funcionamiento adaptándose a la producción del sol y por lo tanto consiguen extraer más agua ya que trabajan en periodos de menor radiación solar. Adicionalmente, las capacidades de tracking de energía permiten que el controlador se ajuste de manera constante a la producción pico de la radiación solar. .
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Los controladores actuales pueden llegar a alcanzar una eficiencia en la conversión de potencia que llega al 97 %, que es superior a la tecnología de inversores convencionales. .
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EJEMPLOS DE APLICACIÓN EN PAÍSES POBRES .
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En los países pobres más de 1.100 millones de personas tienen acceso inadecuado al agua limpia, y lo peor es que su número sigue aumentando al no haber infraestructura eléctrica disponible. Es muy costoso hacer un pozo y más costoso aún extraer el agua de grandes profundidades. Veamos algunos ejemplos de bombeo solar en proyectos que se vienen realizando en lugares con difícultades.
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Uganda
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Uganda es un país donde la mayor parte de la población no está conectada a las redes de distribución, ni siquiera muchas ciudades. En la ciudad de Kitgum, a 300 km al norte de Kampala, un proyecto proporciona agua a la comunidad generada con energía solar. El sistema de bombeo dispone de unidades de 10.000 vatios que proporcionan 26.500 galones al día (100 m3). Ello nos da que con 100 vatios se pueden extraer en promedio 1000 litros de agua.
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Otra unidad en la misma ciudad produce 60 m3 al día. Una tercera unidad de 5.000 vatios fue instalada en Nyapea para proporcionar agua a un hospital principal.
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Eritrea.
En Eritrea también se están construyendo estaciones de bombeo (diez por el momento) para proporcionar agua a comunidades ubicadas en lugares remotos.
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La elevada radiación solar de los países tropicales nos da como resultado que la construcción de un sistema de generación solar de este tipo puede hacerse de forma que obtener 1.000 litros de agua al día cuesta tan poco como 100 euros. O sea, el coste de la energía solar actual permite conseguir diez litros al día con tan solo un euro por lo cual podemos obtener el litro de agua potable por tan solo 10 céntimos el litro (nos referimos al coste de la inversión en generación) Es muy importante indicar que los costes los de generación, con sistemas que no requieren mantenimiento ni tampoco combustible. El coste supone que con una inversión de 10 céntimos obtenemos al año 365 litros de agua si la radiación solar es buena.
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Evidentemente hablamos solamente del sistema de paneles solares y costes en origen, pero el desplome de los precios de la energía solar está desde luego haciendo que esta forma de obtener agua sea accesible a cada vez más personas.
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Ver también en TODOPRODUCTIVIDAD:
BIBLIOGRAFÍA .
  • Delivering Clean Water with Clean Energy. Water & Wastewater International. December/January 2009/2010.
  • Renewable Energy for Water Pumping Applications in Rural Villages. 2001. National Renewable Energy Laboratory.
  • Solar (Photovoltaic) water pumping. Practical answers to poverty.
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