¿Cómo diseñar una bomba de agua de CC con energía solar fotovoltaica?

Una guía para diseñar una bomba de agua de CC con energía solar fotovoltaica

Diseño típico de bomba de motor de CC con energía solar

El tipo de sistema fotovoltaico más simple que uno podría diseñar es conectar uno o varios módulos fotovoltaicos directamente a la carga de CC, como se muestra en la figura 1 a continuación.

La capacidad total de los módulos es tal que puede suministrar energía solo durante las horas de sol. No se hace ningún arreglo especial para tener la máxima utilización de los módulos mediante el seguimiento del punto de máxima potencia de los módulos con un controlador de carga durante todo el día.

Dicho sistema es un sistema no regulado ya que la potencia de salida de los módulos cambia debido al cambio en las horas de luz solar y no se hace ningún arreglo de batería de respaldo para satisfacer la demanda de energía durante la noche. operación. Dicho sistema es más adecuado para aplicaciones domésticas, como el bombeo de agua mediante una bomba de agua con motor de CC.

Como se indicó, dicho sistema se puede usar para bombear agua, especialmente en la aplicación de riego. Si necesitamos agua por la noche, podemos usar la energía almacenada en la batería para bombear el agua durante la noche. Pero como sabemos, las baterías solo se pueden cargar durante las horas de sol del día.

Entonces, ¿por qué deberíamos cargar las baterías si podemos utilizar la energía solar disponible para bombear el agua de inmediato durante las horas de sol? Por otro lado, sabemos que las baterías no son baratas y también requerirían un circuito electrónico de potencia como un controlador de carga que aumentaría el costo. Por lo tanto, al utilizar la energía solar disponible de inmediato durante las horas de sol para bombear el agua, podemos eliminar el costo y el espacio necesarios para la batería y el controlador de carga en esta aplicación independiente.

El diseño de un sistema de este tipo es muy simple, ya que tenemos que hacer coincidir la potencia y el voltaje nominal del módulo fotovoltaico con el del motor de la bomba de CC, de modo que cuando el módulo reciba la energía solar radiación, la bomba extraerá el agua y la almacenará en el tanque. Dicho sistema también puede diseñarse para un motor de CA de diferentes potencias nominales que está disponible en el mercado.

Pero la bomba de motor de CA requerirá un circuito inversor (CC – CA) para convertir la energía de CC generada por el módulo fotovoltaico en energía de CA para hacer funcionar el motor. Además, la potencia nominal del inversor debe coincidir correctamente con la del motor de CA y el módulo fotovoltaico.

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Requisitos de la bomba de agua de CC con energía solar

Ahora, antes de comenzar con el diseño del sistema de bombeo de agua, es importante comprender algunos términos que están estrechamente relacionados con el diseño de un sistema independiente de este tipo.

1. Requerimiento diario de agua (m ³ /día):El requerimiento de agua puede variar diariamente, mensualmente y estacionalmente. La cantidad de agua requerida por día determina el costo y el tamaño del sistema. Por lo tanto, si el requerimiento de agua varía por día, se puede tomar el promedio semanal o mensual para el cálculo del diseño. Pero se debe considerar el requerimiento máximo de agua, porque si el sistema puede satisfacer la demanda máxima de agua, entonces puede satisfacer la demanda regular.
2. Cabeza dinámica total (TDH) (metros):este es el parámetro más importante para el diseño del sistema de bombeo. Es la presión efectiva a la que debe operar la bomba de agua y se mide en metros. Tiene dos subparámetros, el primero es la elevación vertical total y el otro son las pérdidas por fricción totales. Ahora, además, la elevación vertical total es la suma de los tres parámetros que se muestran en la figura 3 a continuación como; elevación, nivel de agua estancada y Drawdown.

• La elevación es la medida de la diferencia entre los puntos, es decir, entre el suelo y la altura a la que se va a descargar el agua.
• El nivel de agua estancada es la diferencia entre el nivel del agua en el pozo y la superficie del suelo.
• Drawdown es la medida de la altura desde la cual desciende el nivel del agua debido al bombeo del agua.

1. Pérdidas por fricción (metros):esta es la presión que se requiere para superar la fricción en la tubería presente entre la salida de la bomba de agua y el punto de salida del agua. Se suma a la altura vertical total para obtener el valor de Altura Dinámica Total (TDH) y se mide en metros. Múltiples factores contribuyen a la causa de las pérdidas por fricción, tales como el tamaño de la tubería, el tipo de accesorios, el aire presente en la tubería, el número de curvas, el caudal, etc. Si el punto de descarga de agua está cerca del pozo, la aproximación El valor de la pérdida por fricción se utiliza para el cálculo. Por ejemplo, si el punto de descarga está dentro de los 10 m del pozo, el 5 % de la elevación vertical total se toma como pérdida por fricción.

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Pasos para diseñar una bomba de agua de CC con energía fotovoltaica

Todos los parámetros anteriores son muy útiles para el diseño del sistema de bombeo de agua mediante módulos solares fotovoltaicos. Ahora veamos cómo estos parámetros y los diferentes pasos pueden ser útiles para diseñar un sistema independiente. El diseño del sistema se puede realizar en cinco pasos de la siguiente manera;

• Paso 1: Determine el requerimiento diario de agua en (m ³ /día)
• Paso 2: Calcule la carga dinámica total (TDH) requerida para bombear el agua.
• Paso 3: Calcule la energía hidráulica total requerida por día (vatios-hora/día) para bombear el agua.
• Paso 4: Calcular la radiación solar disponible en el sitio.
• Paso 5: Calcule el tamaño y la cantidad de módulos fotovoltaicos necesarios, la clasificación del motor, su eficiencia y las pérdidas.

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Ejemplo y cálculo para diseñar una bomba de agua de CC con energía solar 

Para entender esto, simplemente tomemos un ejemplo de diseño donde necesitamos 50 m ³ agua por día desde una profundidad de 20 m. Tiene elevación, nivel de agua estancada y descenso de 10 m, 10 m y 4 m respectivamente.

La densidad del agua es de 2000 kg/m ³ y la aceleración de la gravedad (g) es de 9,8 m/s ² . La potencia nominal máxima del módulo solar es de 36 W_P , ya que los módulos no funcionan a su capacidad nominal de potencia máxima, por lo que el factor de funcionamiento es 0,75. La eficiencia de la bomba es de alrededor del 40 % y el factor de desajuste es de 0,85, ya que los módulos no funcionan al máximo de PowerPoint.

Tenga en cuenta que el factor de desajuste debe tomarse como 1 si usamos un MPPT junto con el controlador de carga, pero en nuestro caso el factor de desajuste es 0,85 ya que estamos conectando directamente el PV módulos al motor de la bomba de CC.

Paso 1: Determine el requerimiento diario de agua en (m ³ /día)

Necesidad diaria de agua =50 m ³ /día

Paso 2: Calcule la altura dinámica total (TDH) requerida para bombear el agua.

Elevación vertical total =Elevación + Nivel de agua estancada + Descenso

Elevación vertical total =10 m + 10 m + 4 m =24 m

Pérdida por fricción =5 % de la elevación vertical total =24 × 0,05 =1,2 m

Carga dinámica total (TDH) =Elevación vertical total + Pérdida por fricción

Altura dinámica total (TDH) =24 m + 1,2 m =25,2 m

Paso 3: Calcule la energía hidráulica total requerida por día (vatios-hora/día) para bombear el agua.

Energía hidráulica requerida =Masa × g × TDH

Energía hidráulica requerida =Densidad × Volumen × g × TDH

Energía hidráulica requerida =2000 kg/m ³ × 50 m ³ /día × 9,8 m/s ² × 25,2 m =6860 Wh/día

Paso 4: Calcular la radiación solar disponible en el sitio.

Radiación solar disponible en el sitio (Nº de horas de sol máximo por día) =6h/día (1000 W/m ² equivalente)

Las horas pico de sol son las más utilizadas, ya que simplifican los cálculos. No se confunda con las “Horas medias de sol” y “Horas pico de sol” que recogerías en la estación meteorológica. Las "Horas medias de sol" indican el número de horas de sol, ya que las "Horas pico de sol" son el número de horas de la cantidad real de energía recibida en KWh/m ² /día.

Paso 5: Calcule el tamaño y la cantidad de módulos fotovoltaicos necesarios, la clasificación del motor, su eficiencia y las pérdidas.

Vataje total del panel fotovoltaico =Energía hidráulica total / Número de horas de sol máximo por día

Potencia total del panel fotovoltaico =6860 / 6 =1143,33 W

Vataje total del panel fotovoltaico teniendo en cuenta las pérdidas del sistema =Vataje total del panel fotovoltaico / (eficiencia de la bomba × factor de desajuste)

Potencia total del panel fotovoltaico considerando las pérdidas del sistema =1143,33 / (0,40 × 0,85) =3362,73 W

Vataje total del panel fotovoltaico considerando el factor operativo del módulo fotovoltaico =Vataje total del panel fotovoltaico considerando las pérdidas del sistema / factor operativo

Potencia total del panel fotovoltaico considerando el factor operativo del módulo fotovoltaico =3362,73/0,75 =4483,64 W

No. de paneles fotovoltaicos requeridos de 36 W_P =Potencia total del panel fotovoltaico considerando el factor operativo del módulo fotovoltaico / 36

No. de paneles fotovoltaicos requeridos de 36 W_P =4483.64 / 36 =124.54 =(125 cifra redonda)

Potencia nominal del motor de CC =Potencia total del panel fotovoltaico teniendo en cuenta el factor de funcionamiento del módulo fotovoltaico / 746 W (es decir, 1 hp) =6,0102 hp del motor =(cifra redonda de 7 hp )

La disposición de los paneles en serie y en paralelo se puede realizar en función de la tensión y la corriente nominal del módulo y del motor de CC. Dicho sistema también se puede diseñar con un circuito MPPT y un inversor para el motor de CA, pero es importante que su eficiencia y potencia nominal se tengan en cuenta al diseñar el sistema.

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Conclusión

Estudiamos un enfoque simple y económico para diseñar un sistema de bombeo de agua de CC basado en energía solar fotovoltaica que requiere componentes limitados, sin necesidad de baterías ni controlador. Estudiamos brevemente los términos básicos relacionados con el bombeo de agua y los cálculos de diseño detallados para bombear el nivel de agua necesario para el riego. Este sistema también se puede diseñar con un motor de CA y se puede implementar a nivel doméstico, residencial y comercial.