BOMBEO DE AGUA MEDIANTE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA El bombeo de agua tiene una larga historia; Se han desarrollado muchos métodos para bombear agua. La humanidad ha usado una variedad de fuentes energéticas, a saber energía humana, fuerza de los animales, energía hidráulica, eólica, solar y combustibles como diesel para pequeños generadores. Las bombas más comúnmente utilizadas en áreas remotas son: • Bombas de mano • Bombas de pozo accionadas directamente por diesel • Bombas eléctricas sumergibles acopladas a un generador de diesel • Bombas solares sumergibles Las ventajas e inconvenientes de los distintos métodos de bombeo se exponen en la Tabla 1 a continuación: Ventajas Bombas de mano • • • • Bombas accionadas mediante animales • • • Es posible su fabricación local fácil de mantener bajo coste no coste de combustible más potentes que las humanas menor salario que la potencia humana el estiércol se puede usar como combustible para cocinar operación desatendida no coste de combustible fácil mantenimiento bajo coste larga vida útil alta fiabilidad operación desatendida fácil mantenimiento larga vida útil se pueden fabricar de forma local no requieren combustibles operación desatendida no coste de combustible bajo mantenimiento Introducción Inconvenientes • • • pérdida de productividad humana frecuente uso ineficiente de los pozos pequeños caudales de flujo • • los animales requieren ser alimentados durante todo el año con frecuencia se destinan a otras actividades en los períodos cruciales de regadío Bombas hidraúlicas • • • • • • • • • • • • • requieren condiciones de ubicación específicas bajo rendimiento Bombas eólicas • • • se requiere almacenamiento de agua para períodos con poco viento necesidades de un buen plan de diseño y planificación del proyecto no son fáciles de instalar Solar fotovoltáica • • • • • elevado coste de equipo requiere almacenamiento de agua para períodos nublados Practical Action, The Schumacher Centre for Technology and Development, Bourton on Dunsmore, Rugby, Warwickshire, CV23 9QZ, UK T +44 (0)1926 634400 | F +44 (0)1926 634401 | E infoserv@practicalaction.org.uk | W www.practicalaction.org ______________________________________________________________________________________________ Practical Action is a registered charity and company limited by guarantee. Company Reg. No. 871954, England | Reg. Charity No.247257 | VAT No. 880 9924 76 | Patron HRH The Prince of Wales, KG, KT, GCB Bombeo de agua mediante energía solar fotovoltaica Practical Action • • Bombas de diesel y gasolina • • • • fácil instalación larga vida útil (20 años) rápido y fácil mantenimiento bajo coste de capital ampliamente utilizadas pueden ser portátiles • • • • • con frecuencia las reparaciones requieren técnicos entrenados suministro de combustible errático y de coste elevado elevado coste de mantenimiento corta vida útil contaminación por ruido y humo Tabla 1: Comparación de las técnicas de bombeo Aplicaciones Las bombas solares se usan principalmente en tres aplicaciones: • suministro de agua a poblaciones • bebida para ganado • regadío La Figura 1 muestra el esquema de una bomba solar usada para el suministro de agua a una población. La población tendrá una demanda constante de agua aunque es necesario almacenar agua para períodos de baja insolación (baja radiación solar). En ambientes dónde existe estación de lluvias esta demanda se puede cubrir mediante la recolección del agua de lluvia durante dicha est Idealmente en Sahelian África, el almacenamiento debería ser de 3 a 5 días de demanda de agua. En la práctica algunos tanques instalados no tienen la capacidad suficiente y son Almacenamiento de agua Panales de fotovoltaicos Salida de agua Almacenamiento de agua Acondicionamiento de la energía eléctrica Nivel de Agua Bomba Motor Figura 1: Suministro de agua a pueblo menores de un día de capacidad, por lo que el tanque se queda vacío al final del día. Esto se debe a un diseño inconsistente entre el tamaño del tanque, la capacidad de la bomba y el perfil de demanda de agua durante el día. Las principales aplicaciones del bombeo de agua mediante energía solar es para el suministro de agua para ganado en EEUU y Australia. En África estos sistemas son usados para el suministro de agua a las poblaciones y también para dar de beber al ganado. Mientras que la 2 Bombeo de agua mediante energía solar fotovoltaica Practical Action aplicación del bombeo de agua mediante energía solar para regadío están incrementando especialmente en India y China. Un sistema solar de regadío (Figura 2) tiene que tener en cuenta que la demanda de agua para uso agrícola variará a lo largo del año. La demanda punta durante la época de regadío es con frecuencia más del doble de la demanda media. Esto significa que las bombas solares para regadío pueden ser infra-utilizadas durante la mayor parte del año aunque puede producirse una reducción de la fuerza del sol durante esos períodos reduciendo el lado del suministro de la ecuación. Se debe prestar atención al sistema de distribución y aplicación del agua a los cultivos. El sistema debe minimizar las pérdidas de agua, sin imponer resistencias adicionales significativas al sistema de bombeo y ser de bajo coste. Panales de fotovoltaicos Tanque de almacenamiento Sistema de riego por goteo Acondicionamiento de la energía eléctrica Nivel de Agua Motor flotante del sistema de bombeo Figure 2: Sistema solar de regadío La idoneidad de los principales sistemas de regadío para uso con bombas accionadas mediante energía solar se muestra en la Tabla 2. Método de distribución Canales abiertos Aspersor Goteo Inundación Rendimiento de la aplicación típica 50-60% 70% 85% 40-50% Altura típica 0.5-1m 10-20m 1-2m 0.5m Idoneidad para su uso con bombas solares Sí No Sí No Tabla 2: Idoneidad de los principales métodos de regadío para su uso con bombeo solar La tecnología 3 Bombeo de agua mediante energía solar fotovoltaica Practical Action Las bombas fotovoltaicas están compuestas por una serie de componentes. Hay un sistema de colectores fotovoltaicos que convierten la energía solar directamente en electricidad como corriente continua. La bomba tendrá un motor eléctrico para su accionamiento. Las características de estos componentes tienen que coincidir para conseguir el mejor rendimiento. El motor de la bomba tiene su propia velocidad óptima de funcionamiento y carga según el tipo y el tamaño de la bomba. Motor Puede ser de corriente continua o alterna. Si es de corriente alterna entonces se necesitará un convertidor. Los motores de corriente alterna están más ampliamente disponibles. Los convertidores se han hecho baratos y eficientes los sistemas de bombeo solar usan convertidores especiales con una frecuencia variable controlada electrónicamente, lo cual optimiza su emparejamiento con el panel y la bomba. Un sistema típico de corriente alterna también necesita baterías lo cual requiere mantenimiento y añade costes adicionales, ya que el sistema sería menos eficiente y necesitaría paneles solares más grandes. El motor de corriente continua más eficiente es el motor mágnetico permanente. Los motores de corriente continua pueden tener escobillas de carbono que requieren ser reemplazadas cuando se desgastan. Por este motivo, si se usa un motor de corriente continua con escobillas entonces el equipo tendrá que ser sacado del pozo para reemplazar las escobillas, aproximadamente cada 2 años. Hoy en día, existen también motores de corriente continua sin escobillas, en los cuales se usan circuitos eléctricos en lugar de conmutadores y escobillas. Estos sistemas se están haciendo muy populares en los sistemas de bombeo por energía solar. Los motores sin escobillas requieren conmutadores electrónicos. Paneles solares fotovoltaicos Los principios básicos de los panels solares fotovoltaicos se explican en detalle en el informe técnico de Practical Action titulado “Solar Photovoltaic Energy” (“Energía Solar fotovoltaica”) Algunos modelos usan un sensor GPS para proporcionar datos de latitud, longitud y tiempo y así posibilitar que el controlador controle la posición del bloque de paneles solares con respecto a la del sol. La bomba Las opciones de bombeo y de configuración del sistema se describen a continuación. Bombas sumergibles Con frecuencia con controladores de carga electrónicos. La bomba estará sumergida mientras que el controlador de carga está en la superficie. 4 Bombeo de agua mediante energía solar fotovoltaica Practical Action Panales de fotovoltaicos Salida de agua Las ventajas de esta configuración son su fácil instalación, con frecuencia con tuberías flexibles y el impulsor sumergido lejos de daños potenciales. Bombas centrífugas multi-fase La bomba centrífuga puede accionarse a torques bajos y se puede emparejar con el bloque de paneles solares sin usar controladores electrónicos. Estas bombas no son tan eficientes como las de desplazamiento positivo las cuales usan controladores electrónicos de carga baratos. Útiles para pequeñas cargas. Las más antiguas, accionadas con motores de corriente alterna operan a cargas de 1025 m. Cable eléctrico Capa freático Configuración con bomba centrífuga multifase sumergible Figura 3: Configuración con bomba centrífuga multi-fase sumergible Extracción inferior Bombas helicoidales de desplazamiento positivo. Las bombas helicoidales tienen las mejores eficiencias y requieren los menores paneles fotovoltaicos para suministrar el mismo volumen y presión del agua. Tienen una baja velocidad rotacional. La bomba está compuesta por un rotor metálico helicoidal el cual rota en el interior de una carcasa de goma. Son aptas para cargas mayores. Una bomba mono-solar se ralentizará cuando esté nublado, pero debido a que no tiene una velocidad mínimca (al contrario que las bombas centrífugas) seguirá suministrando agua. Bombas sumergibles con motor montado en la superficie La principal ventaja es el fácil acceso al motor para su mantenimiento. Sus desventajas son la baja eficiencia debido a la pérdida de potencia en el eje de rodamiento y Cable eléctrico el alto coste de instalación. En general esta configuración está siendo ampliamente sustituida por los de motor e impulsor sumergibles. Panales de fotovoltaicos Motor Salida de agua Eje de accionamiento de la bomba Bombas con motores flotantes La versatilidad de las unidades flotantes hace a estas bombas ideales para riego para canales y pozos abiertos. El impulsor es fácil de transportar y la probabilidad de que entre aire a la bomba es despreciable. Bomba sumergida Figura 4: Bomba sumergible con motor montado en la superficie. 5
Practical Action,