Bombeo fotovoltaico
Actualmente hay miles de sistemas de bombeo FV en operación en granjas
y ranchos alrededor del mundo. Los sistemas fotovoltaicos pueden
satisfacer un amplio rango de necesidades que van desde pequeños
hatos (menos de 20 cabezas de ganado) hasta requerimientos moderados de
irrigación. Los sistemas de bombeo solar son sencillos, confiables
y requieren de poco mantenimiento. Tampoco se requiere combustible.
Estas ventajas deben considerarse cuidadosamente cuando se comparen los
costos iniciales de un sistema convencional y un sistema de bombeo solar.
Un sistema de bombeo FV es similar a los sistemas convencionales excepto
por la fuente de potencia. Un sistema FV típico se muestra
en la Figura 17. Los componentes principales que lo constituyen son:
un arreglo de módulos FV, un controlador, un motor y una bomba.
El arreglo se puede montar en un seguidor pasivo para incrementar el volumen
y el tiempo de bombeo. Se emplean motores de corriente alterna (CA)
y el de corriente continua (CC). Las bombas pueden ser centrífugas
o volumétricas. Generalmente el agua se almacena en un tanque.
El resto de la sección Bombeo fotovoltaico explica brevemente cada
uno de estos componentes excepto el arreglo FV, el cual se explica en la
sección de Energía foltovoltaica.
- Figura 17. Esquema de una instalación típica de un
sistema FV de bombeo de agua
-
Almacenamiento de energía
Los sistemas FV sin almacenamiento no proveen agua cuando el sol no brilla.
Las necesidades de agua para consumo humano y de animales requieren del
uso de un tanque de almacenamiento. Se recomienda almacenar el agua
para tres días de abasto.
Almacenar agua en tanques es mucho más económico que almacenar
energía en baterías. Después de cinco a siete
años, las baterías necesitan reemplazarse, mientras que la
vida útil de un tanque de almacenamiento bien construído
es de varias décadas. El almacenamiento por baterías
normalmente se justifica sólo cuando el rendimiento máximo
del pozo durante las horas de sol es insuficiente para satisfacer las necesidades
diarias de agua y cuando se requiere bombear agua durante la noche.
A largo plazo, podría ser más económico perforar otro
pozo que añadir almacenamiento por baterías. La introducción
de baterías en un sistema de bombeo FV podría reducir su
confiabilidad e incrementar sus requerimientos de mantenimiento.
En general no se recomienda utilizar baterías en sistemas de bombeo
fotovoltaico.
Equipo de bombeo compatible con sistemas fotovoltaicos
Las bombas comunes disponibles en el mercado han sido desarrolladas pensando
en que hay una fuente de potencia constante. Por otro lado, la potencia
que producen los módulos FV es directamente proporcional a la disponibilidad
de la radiación solar. Es decir, a medida que el sol cambia
su posición durante el día y al variar la disponibilidad
de potencia también cambia la disponibilidad de potencia para la
bomba. Por esta razón se han creado algunas bombas especiales
para la electricidad fotovoltaica las cuales se dividen desde el punto
de vista mecánico en centrífugas y volumétricas.
Bombas centrífugas
Tienen un impulsor que por medio de la fuerza centrífugfa de su
alta velocidad arrastran agua por su eje y la expulsan radialmente.
Estas bombas puedenser sumergibles o de y superficie son capaces de bombear
el agua a 60 metros o más, dependiendo del número y tipo
de impulsores. Están optimizadas para un rango estrecho de
cargas dinámicas totales y la salida de agua se incrementa con su
velocidad rotacional.
Las bombas de succión superficial (Figuras 18 y 19) se instalan
a nivel del suelo y tienen la ventaja de que se les puede inspeccionar
y dar servicio fácilmente. Tienen la limitante de que no trabajan
adecuadamente si la profundidad de succión excede los 8 metros.
Figura 18. Esquema de una bomba centrífuga superficial
Figura 19. Bomba centrífuga superficial (SolarRam)
Hay una gran variedad de bombas centrifugas sumergibles. Algunas
de estas bombas tienen el motor acloplado directamente a los impulsores
y se sumergen completamente (Figuras 20, 21, y 22). Otras, tienen
el motor en la superficie mientras que los impulsores se encuentran completamente
sumergidos y unidos por una flecha. Generalmente las bombas centrífugas
sumergibles tienen varios impulsores y por ello, se les conoce como bombas
de paso multiple.
- Figura 20. Esquema de una bomba centrífuga sumergible
Todas las bombas sumergibles están selladas y tiene el aceite de
lubricación contenido para evitar contaminación del agua.
Otras bombas utilizan el agua misma como lubricante. Estas bombas
no deben operarse en seco porque sufren sobrecalentamiento.
- Figura 21. Vista interna de una bomba sumergible (Grundfos)
Figura 22. Bombas centrífugas sumergibles (SolarJack)
Bombas volumétricas
Las bombas volumétricas (Figura 23) o de desplazamiento positivo
son adecuadas para el bombeo de bajos caudales y/o donde la profundidad
grande. Algunas de estas bombas usan un cilandro y un pistón
para mover paquetes de agua a través de una cámara sellada.
Otras utilizan un pistón con diafragmas. Cada ciclo mueve
una pequeña cantidad de líquido hacia arriba. El caudal
es proporcional al volumen de agua. Esto se traduce a un funcionamiento
eficiente en un amplio intervalo de cargas dinámicas. Cuando
la radiación solar aumenta también aumenta la velocidad del
motor y por lo tanto el flujo de agua bombeada es mayor.
- Figura 23. Esquema de una bomba volumétrica de cilindro
Bombas de cilindro: Las bombas de cilindro
han sido muy populares en aplicaciones de bombeo mecánico activadas
por el viento, tracción animal o humana. Su principio consiste
en que cada vez que el pistón baja, el agua del pozo entra a su
cavidad y cuando éste sube, empuja el agua a la superficie.
La energía eléctrica requerida para hacerla funcionar se
aplica sólo durante una parte del ciclo de bombeo. Las bombas
de esta categoría deben estar siempre conectadas a un controlador
de corriente para aprovechar al máximo la potencia otorgada por
el arreglo fotovoltaico.
Bombas de diafragma: Las bombas
de diafragma (Figuras 24 y 25) desplazan el agua por medio de diafragmas
de un material flexible y resistente. Comúnmente los diafragmas
se fabrican de caucho reforzado con materiales sintéticos.
En la actualidad, estos materiales son muy resistentes y pueden durar de
dos a tres años de funcionamiento conitinuo antes de requerir reemplazo,
dependiendo de la calidad del agua. Los fabricantes de estas bombas
producen un juego de diafragmas para reemplazo que pueden adquirise a un
precio razonable. Existen modelos sumergibles y no sumergibles.
- Figura 24. Esquema de una bomba de diafragma sumergible
Figura 25. Bombas de diafragma no sumergible (Shurflo)
Las bombas de diafragma son económicas. Cuando se instala
una bomba de este tipo siempre se debe considerar el gasto que representa
el reemplazo de los diafragmas una vez cada dos o tres años.
Más aún, muchas de estas bombas tienen un motor de corriente
continua con escobillas. Las escobillas también deben cambiarse
periódicamente. Los juegos de reemplazo incluyen los diafragmas,
escobillas, empaques y sellos. La vida útil de este tipo de
bomba es aproximadamente 5 años del uso.
Selección de la bomba
Como se ha visto, las bombas centrífugas y volumétricas ofrecen
diferentes alternativas para diferentes rangos de aplicación.
El proceso de selección de la bomba para un proyecto es de suma
importancia. Todas las bombas tienen que usar la energía eficientemente
ya que en un sistema FV, la energía cuesta dinero. En general,
el proyectista debe tener una idea clara de qué tipo de bomba es
la más adecuada para su proyecto. Este proceso de selección
de la bomba se complica debido a la multitud de marcas y caracterísicas
de cada bomba. Un sólo fabricante puede ofrecer más
de 20 modelos de bombas y cada una tiene un rango óptimo de operación.
Las bombas más eficientes son las de desplazamiento positivo
de pistón, pero no son recomendables para gastos medianos y grandes
a baja carga dinámica total. Por ejemplo, una bomba de palanca
puede llegar a tener una eficiencia de más de 40%, mientras que
una bomba centrífuga puede tener una eficiencia tan baja como 15%.
La Figura 26 indica el tipo de bomba adecuada que se recomienda en general
según la carga dinámica total del sistema de bombeo.
La Tabla 4 presenta las ventajas y desventajas de las diferentes bombas
utilizadas en el bombeo FV.
- Figura 26. Intervalos comunes donde se aplica los diferentes tipos
de bombas solares
Tabla 4. Principales características de las bombas fotovoltaicas
|
Bombas Fotovoltaicas
|
Características y Ventajas
|
Desventajas
|
Centrífugas
sumergibles |
Comunmente disponibles.
Pueden tolerar pequeñas cantidades de arena.
Pueden utilizan el agua como lubricante.
Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA.
Manejan altos flujos.
Operan a cargas dinámicas grandes.
Tienen un diseño modular que permite obtener más agua
al agregar los módulos fotovoltaicos. |
Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a la CDT.
Se dañan si trabajan en seco.
Deben extraerse para darles mantenimiento.
Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentes corrosivas. |
Centrífugas
de succión
superficial |
Comúnmente disponibles.
Pueden tolerar pequeñas cantidades de arena.
Son de fácil operación y mantenimiento por ser superficiales.
Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA.
Manejan altos flujos.
Manejan cargas dinámicas altas, aunque no son capaces de succionar
más de 8 metros. |
Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a la CDT.
Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentes corrosivas.
Pueden dañarse por el congelamiento en climas fríos. |
Desplazamiento
positivo de pistón |
Soportan cargas dinámicas muy grandes.
La producción puede variarse ajustando la carrera del pistón. |
Requieren de reemplazo regular de sellos del pistón.
No toleran arenas o sedimentos.
La eficiencia se reduce a medida que el pistón pierde la capacidad
de sellar el cilindro.
Debe extraerse el pistón y el cilindro del pozo para reparar
los sellos .
No dan grandes flujos. |
| Diafragma |
|
Operan a cargas menores de 80 m.
Son muy económicas.
No toleran arenas o sedimentos.
No trabajan a cargas dinámicas profundas.
Bajos flujos. |
Tipos de motores
La selección de un motor depende de la eficiencia, disponibilidad,
confiabilidad y costos. Comúnmente se usan dos tipos de motores
en aplicaciones FV: De CC (de imán permanente y de bobina) y de
corriente alterna CA. Debido a que los arreglos FV proporcionan potencia
en CC, los motores de CC pueden conectarse directamente, mientras que los
motores de CA deben incorporar un inversor CC-CA. Los requerimientos
de potencia en vatios pueden usarse como una guía general para la
selección del motor. Los motores de CC de imán permanente,
aunque requieren reemplazo periódico de las escobillas, son sencillos
y eficientes para cargas pequeñas. Los motores de CC de campos
bobinados (sin escobillas) se utilizan en aplicaciones de mayor capacidad
y requieren de poco mantenimiento. Aunque son motores sin escobillas,
el mecanismo electrónico que sustituye a las escobillas puede significar
un gasto adicional y un riesgo de descompostura.
Los motores c.a. son más adecuados para cargas grandes
en el rango de diez o más caballos de fuerza. Éstos
son más baratos que los motores CC, pero requieren de un inversor
CC-CA, que se agrega a los gastos iniciales y gastos potenciales de mantenimiento.
Los sistemas de CA son ligeramente menos eficientes que los sistemas CC
debido a las pérdidas de conversión. Los motores de
CA pueden funcionar por muchos años con menos mantenimiento que
los motores CC.
Controladores
Los controles electrónicos pueden mejorar el rendimiento de un sistema
de bombeo solar bien diseñado del 10 al 15%. Los controles
se usan con frecuencia en áreas con niveles de agua y/o condiciones
atmosféricas fluctuantes. Los controles electrónicos
consumen del 4 al 7% de la potencia del arreglo. Es común
que las bombas FV se vendan junto con el controlador adecuado para operarlas
eficientemente. Generalmente se usan controladores de potencia máxima
(los cuales operan el arreglo cerca de su punto de potencia pico).
- Figura 27. Controlador típico de un sistema
fotovoltaico de bombeo (San Lorencito, Chihuahua)
