Música de Billy Townes: Pearls of the OrientVideo de Rancho Guadalupe en Chihuahua 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 
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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
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Figura 19.  Bomba centrífuga superficial (SolarRam)
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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
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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)
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 Figura 22.  Bombas centrífugas sumergibles (SolarJack)
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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
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  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
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Figura 25.  Bombas de diafragma  no sumergible (Shurflo)
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  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
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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)
 

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