Diseño de una Bomba de Agua DC Alimentada por Energía Solar: Guía Paso a Paso

Guía para Diseñar una Bomba de Agua DC con Motor Alimentada por Energía Solar Fotovoltaica

Diseño Típico de Bomba de Agua con Motor DC Alimentada por Energía Solar

El tipo más simple de sistema FV que se pueda diseñar es conectar uno o múltiples módulos FV directamente a la carga DC, como se muestra en la figura 1 a continuación.

La capacidad general 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 rastreando el punto de máxima potencia de los módulos con un controlador de carga durante el día.

Este sistema es un sistema no regulado ya que la potencia de salida de los módulos cambia debido al cambio en las horas de sol y no se hace ningún arreglo de batería de respaldo para suministrar la demanda de energía durante la operación nocturna. Este sistema es más adecuado para aplicaciones domésticas como el bombeo de agua usando una bomba de agua con motor DC.

Como se mencionó, este sistema puede usarse para bombeo de agua, especialmente en aplicaciones de riego. Si necesitamos agua por la noche, podemos usar la energía almacenada en la batería para bombear agua durante la noche. Pero como sabemos, las baterías solo pueden cargarse durante las horas de sol diurno.

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

El diseño de este sistema es muy simple ya que solo tenemos que igualar la potencia y la valoración de voltaje del módulo FV con la del motor de la bomba DC, de modo que cuando el módulo reciba la radiación solar, la bomba extraerá el agua y la almacenará en el tanque. Este sistema también puede diseñarse para un motor AC de diferentes potencias disponibles en el mercado.

Pero la bomba de motor AC requerirá un inversor (DC-AC) para convertir la potencia DC generada por el módulo FV en potencia AC para hacer funcionar el motor. Además, la potencia nominal del inversor debe coincidir adecuadamente con la del motor AC y el módulo FV.

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Requisitos de una Bomba de Agua DC Alimentada por Energía Solar

Antes de comenzar con el diseño del sistema para bombeo de agua, es importante entender algunos términos estrechamente relacionados con el diseño de un sistema autónomo como este.

1. Requerimiento diario de agua (m³/día): El requerimiento de agua puede variar diaria, mensual y estacionalmente. La cantidad de agua requerida por día determina el costo y el tamaño del sistema. Si el requerimiento de agua varía por día, se puede tomar el promedio semanal o mensual para el cálculo de diseño. Pero se debe considerar el requerimiento máximo de agua, porque si el sistema puede satisfacer la demanda pico de agua, puede satisfacer la demanda regular.
2. Carga 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 sub-parámetros: el levantamiento vertical total y las pérdidas por fricción totales. Ahora bien, el levantamiento vertical total es la suma de tres parámetros mostrados en la figura 3 a continuación: elevación, nivel de agua estático y descenso.

• La elevación es la medida de la diferencia entre los puntos, es decir, entre el suelo y la altura a la que se debe descargar el agua.
• El Nivel de Agua Estático es la diferencia entre el nivel de agua en el pozo y la superficie del suelo.
• El Descenso es la medida de la altura desde la cual el nivel de agua baja debido al bombeo del agua hacia afuera.

3. Pérdidas por fricción (metros): Esta es la presión requerida para superar la fricción en la tubería presente entre la salida de la bomba de agua hasta el punto de salida del agua. Se suma a la altura vertical total para obtener el valor de la Carga Dinámica Total (TDH) y se mide en metros. Múltiples factores contribuyen a las pérdidas por fricción, como el tamaño de la tubería, tipo de accesorios, aire presente en la tubería, número de curvas, caudal, etc. Si el punto de descarga de agua está cerca del pozo, se usa un valor aproximado de la pérdida por fricción para el cálculo. Por ejemplo, si el punto de descarga está dentro de 10 m del pozo, se toma el 5% del levantamiento vertical total como pérdida por fricción.

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Pasos para Diseñar una Bomba de Agua DC Alimentada por Energía Fotovoltaica

Todos los parámetros anteriores son muy útiles para el diseño del sistema de bombeo de agua usando módulos FV solares. Ahora veamos cómo estos parámetros y diferentes pasos pueden ser útiles para diseñar un sistema autónomo como este. El diseño del sistema puede hacerse en cinco pasos:

• Paso 1: Determinar el requerimiento diario de agua en (m³/día)
• Paso 2: Calcular la Carga Dinámica Total (TDH) requerida para bombear el agua.
• Paso 3: Calcular la energía hidráulica total requerida por día (Vatio-hora/día) para bombear el agua.
• Paso 4: Calcular la radiación solar disponible en el sitio.
• Paso 5: Calcular el tamaño y número de módulos FV requeridos, la valoración del motor, su eficiencia y pérdidas.

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Ejemplo y Cálculo para Diseñar una Bomba de Agua DC Alimentada por Energía Solar

Para entender esto simplemente, tomemos un ejemplo de diseño donde necesitamos 50 m³ de agua por día desde una profundidad de 20 m. Tiene elevación, nivel de agua estático y descenso de 10 m, 10 m y 4 m respectivamente.

La densidad del agua es 2000 kg/m³ y la aceleración debida a la gravedad (g) es 9.8 m/s². La potencia pico del módulo solar es 36 W_p, ya que los módulos no operan a su capacidad de potencia pico nominal, el factor de operación es 0.75. La eficiencia de la bomba es alrededor del 40% y el factor de desajuste es 0.85 ya que los módulos no operan en el punto de máxima potencia.

Nótese 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 conectamos directamente los módulos FV al motor de la bomba DC.

Paso 1: Determinar el requerimiento diario de agua en (m³/día)

Requerimiento diario de agua = 50 m³/día

Paso 2: Calcular la Carga Dinámica Total (TDH) requerida para bombear el agua.

Levantamiento vertical total = Elevación + Nivel de agua estático + Descenso

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

Pérdida por fricción = 5% del levantamiento vertical total = 24 × 0.05 = 1.2 m

Carga Dinámica Total (TDH) = Levantamiento vertical total + Pérdida por fricción

Carga Dinámica Total (TDH) = 24 m + 1.2 m = 25.2 m

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

Energía hidráulica requerida = Masa × g × TDH

Energía hidráulica requerida = Densidad × Volumen × g × TDH

Energía hidráulica requerida = 2000 kg/m³ × 50 m³/día × 9.8 m/s² × 25.2 m = 6860 Wh/día

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

Radiación solar disponible en el sitio (Número de horas de sol pico por día) = 6 h/día (equivalente a 1000 W/m²)

Las horas de sol pico se usan comúnmente ya que simplifican los cálculos. No confunda las "Horas Medias de Sol" y las "Horas Pico de Sol" que recogería de la estación meteorológica. Las "Horas medias de sol" indican el número de horas que brilla el sol, mientras que las "Horas pico de sol" es el número de horas de la cantidad real de energía recibida en kWh/m²/día.

Paso 5: Calcular el tamaño y número de módulos FV requeridos, la valoración del motor, su eficiencia y pérdidas.

Potencia total del panel FV = Energía hidráulica total / Número de horas de sol pico por día

Potencia total del panel FV = 6860 / 6 = 1143.33 W

Potencia total del panel FV considerando pérdidas del sistema = Potencia total del panel FV / (Eficiencia de la bomba × Factor de desajuste)

Potencia total del panel FV considerando pérdidas del sistema = 1143.33 / (0.40 × 0.85) = 3362.73 W

Potencia total del panel FV considerando el factor de operación del módulo FV = Potencia total del panel FV considerando pérdidas del sistema / Factor de operación

Potencia total del panel FV considerando factor de operación del módulo FV = 3362.73 / 0.75 = 4483.64 W

Número de paneles FV requeridos de 36 W_p = Potencia total del panel FV considerando el factor de operación del módulo FV / 36

Número de paneles FV requeridos de 36 W_p = 4483.64 / 36 = 124.54 = (125 redondeado)

Potencia nominal del motor DC = Potencia total del panel FV considerando factor de operación del módulo FV / 746 W (es decir, 1 hp) = 6.0102 hp motor = (7 hp redondeado)

El arreglo de los paneles en serie y paralelo puede hacerse basado en la valoración de voltaje y corriente del módulo y el motor DC. Este sistema también puede diseñarse con un circuito MPPT e inversor para el motor AC, 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 bombeo de agua DC alimentado por energía solar FV que requiere componentes limitados, sin requerimiento de baterías y controlador. Estudiamos brevemente los términos básicos relacionados con el bombeo de agua y cálculos de diseño detallados para bombear el nivel requerido de agua para fines de riego. Este sistema también puede diseñarse usando un motor AC e implementarse a nivel doméstico, residencial y comercial.