Sistemas
fotovoltaicos
para el bombeo
de agua
Ihosvany Cabrera Martínez
Licenciado
en Física.
Especialista principal del Grupo de Sistemas Solares Fotovoltaicos
EcoSol Solar.
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Características
de las principales fuentes de energía
Bombas
de mano
Ventajas:
1. Disponible.
2. Bajo costo de inversión.
3. Tecnología simple, fácil de instalar.
Desventajas:
1. Bajo nivel de entrega de agua, limitado a la resistencia del cuerpo
humano. Un hombre puede elevar, como promedio, 10 m3/día
a una altura de 10 metros sobre el nivel del agua del pozo.
2. Se desvía el recurso humano de otras actividades productivas
y resulta un esfuerzo mayor.
3. Alto costo de alimentación y de salarios.
Malacates y bombas de tracción animal
Ventajas:
1. Disponible aunque no utilizado en Cuba.
2. Costos de inversión moderados.
3. Fácil de introducir.
4. Potencia apropiada para pequeñas escalas.
Desventajas:
1. Alto costo de alimentación, que involucra una producción
extra de alimentos para los animales.
2. Se requiere alimentación, incluso cuando no se están
utilizando para el bombeo.
Bombas con
motores Diesel
Ventajas:
1. Tecnología disponible.
2. Alta entrega, adecuada a la demanda.
3. Bajo capital inicial de inversión.
4. Fácil de usar.
Desventajas:
1. La economía depende del costo del combustible.
2. La escasez de combustible es común en muchos países.
3. Las piezas de repuesto son difíciles de obtener en lugares remotos.
4. Mantenimiento dificultoso (requiere laboratorio) en lugares remotos.
La vida útil es relativamente corta.
5. Roturas comunes.
6. Alto costo de operación y mantenimiento.
Molinos
de viento
Ventajas:
1. Tecnología de energía renovable madura cuando se usa
para el almacenamiento
de agua.
2. Bajo costo en áreas que tienen un adecuado régimen de
vientos.
3. Cero costo de combustible.
4. Cómodo para productores locales.
5. Bajo impacto ambiental.
Desventajas:
1. Entregas moderadas, fluctuantes con la velocidad del viento.
2. Críticamente dependiente del sitio.
3. Requerimientos de mantenimiento.
Bombeo solar fotovoltaico
Ventajas:
1. Fuente de energía casi universalmente disponible.
2. Alta correlación entre energía disponible y necesitada
de agua.
3. Bajo impacto ambiental.
4. Cero costo de combustible.
5. Larga vida útil.
6. Mantenimiento y costos de operación prácticamente nulos.
7. Puede ser operado por personal no calificado.
8. Cómodo para sistemas de cualquier tamaño.
Desventajas:
1. Alto costo relativo de la inversión inicial.
2. Entrega sujeta a la variación de la radiación solar.
Asimismo se puede
bombear agua con bombas eléctricas y bombas de ariete, así
como con biogás como combustible. Cada una de estas posibilidades
también presentan ventajas y desventajas.
Desde luego, donde existan las condiciones de suministrar agua por gravedad,
tanto con el uso de sifones como sin él, no hace falta el bombeo.
Esta, sin duda, es la mejor variante y la más económica.
Existen disímiles soluciones para el bombeo de agua, económicas
y sustentables a los requerimientos más exigentes; por tanto, a
la hora de seleccionar una solución hay que hacer un análisis
casuístico de lo que se necesita en cada lugar en concreto. No
siempre la extensión de la red eléctrica es una solución
económicamente factible para aplicar.
El bombeo solar fotovoltaico ha evolucionado vertiginosamente en los últimos
cinco años.
Los sistemas solares fotovoltaicos para el bombeo de agua han tomado del
mercado la ya probada solidez y confiabilidad de los variadores de velocidad
por frecuencia, los cuales combinados con las bombas tradicionales han
abierto una posibilidad incalculable. En la actualidad se puede trabajar
con sistemas de bombeo solares usando bombas convencionales de cualquier
potencia alimentada a 220, 380 o 440 VAC trifásico sin necesidad
de usar bancos de baterías ni inversores convencionales.
Estado actual
Recientemente se han creado nuevas y revolucionarias familias de bombas
sumergibles que integran el variador de frecuencia con la bomba, con lo
que el precio de inversión inicial total del sistema se ha reducido
sensiblemente en comparación con todos los sistemas anteriores
y hoy son competitivos hasta con los molinos de viento.
El corazón de los nuevos sistemas son familias de nuevas bombas
sumergibles. Hay bombas centrífugas y bombas de rotor helicoidal
o de desplazamiento positivo (ver figura 2). Las bombas centrífugas
son adecuadas para cargas desde 9 hasta 28 m, y flujos
de 68 a 272 litros por minuto, en dependencia de la bomba.
Las bombas de rotor helicoidal son adecuadas para cargas desde 90 a 120
m y flujos de
8 a 42 litros por minuto, lo que depende de la bomba. Las bombas usan
el mismo
ensamble de motor-variador. El motor actualizado emplea un estator segmentado
recientemente desarrollado que incrementa la eficiencia y el torque en
comparación con
los motores normales (aproximadamente 10 % mejor que los motores estándar).
Tienen potencia de admisión máxima de 900 W y una velocidad
de operación de 500
a 3 000 rpm, en dependencia de la potencia de admisión y de la
carga. El ensamble motor-bomba utiliza un sistema de rodamientos de carbón
y cerámica que aseguran una máxima confiabilidad. La curvas
de la figura 1 muestran la actuación de la bomba para las dos tecnologías
de bombeo.

Fig. 1. Zonas de trabajo de las bombas centrífugas y helicoidales.
El motor está
diseñado para aceptar un amplio intervalo de voltajes entre 30
y 300 VDC,
o entre 90 y 240 VAC. Esto permite una amplia selección de fuentes
de potencia que van desde energía solar, energía eólica
o corriente alterna (como un generador). Cuando se conecta a una fuente
de potencia DC el regulador proporciona un Rastreo de Punto de Máxima
Potencia (MPPT), obteniendo así la máxima energía
posible de la fuente de potencia DC. Estas bombas tienen un «arranque
suave» que elimina las sobrecargas durante el encendido.
Fig. 2. A) Bomba
centrífuga.
B) Bomba helicoidal. |
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Aunque el sistema
puede operar directamente con cualquier fuente de potencia AC o DC (dentro
del intervalo de voltajes permisibles) sin ayuda de controladores, se
ha diseñado una familia de cajas de control que permiten un amplio
campo de monitoreo y control del sistema, aunque repetimos, es opcional.
La unidad de control más sofisticada es una unidad combinada de
situación, control
y comunicación, y que además permite conectar un interruptor
de nivel. Tiene terminales de alambrado para la energía de admisión,
conexiones de la bomba, conexiones a tierra
y conexiones para el interruptor de nivel. Se comunica con el motor-controlador
de la bomba por medio del cable de alimentación y por tanto proporciona
monitoreo del sistema e indicaciones de alarma. Indica cuándo el
tanque está lleno, cuándo la bomba se halla funcionando,
y la energía de alimentación disponible.
También ofrece indicaciones de alarma: funcionamiento en
seco, falso contacto con la bomba, sobrevoltaje, sobrecalentamiento
y sobrecarga.
La configuración
de un sistema fotovoltaico de bombeo se muestra en la figura 3.
Como se puede apreciar, en este caso los módulos solares
fotovoltaicos son los encargados de proporcionar la energía
eléctrica para alimentar la bomba sumergible.
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Fig. 3. Sistema fotovoltaico de bombeo de agua.
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A
la hora de dimensionar un sistema fotovoltaico de bombeo es necesario
conocer, en primer lugar, la cantidad de agua que se necesita diariamente,
Q (m3/día), y la localización.
También
se hace necesario conocer parámetros del pozo y de la instalación
para poder estimar las pérdidas en el sistema y con ella
la altura dinámica total de bombeo, TDH. En la figura 4 se
muestra un diagrama con los principales parámetros que se
requieren.
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Fig. 4. Diagrama de los parámetros del sistema
fotovoltaico de bombeo de agua.
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Donde:
hp:
Nivel estático del pozo, en m.
d: Distancia entre el pozo y el tanque, en m.
do: Desnivel, superficie del pozo-tanque, en
m.
hT: Altura del tanque, en m.
A modo de ejemplo,
analizaremos un sistema fotovoltaico de bombeo en un lugar de Cuba donde
se necesiten 15 m3/día y elevarlos a
una altura de TDH = 20 m.
Para satisfacer estas necesidades
se precisa un sistema compuesto por:
Módulos
50 Wp |
8 |
Estructura,
8 módulos |
1 |
Bomba
sumergible |
1 |
Control
(opcional) |
1 |
Kit
eléctrico |
1 |
Kit
hidráulico |
1 |
El mayor porcentaje
del costo de un sistema de bombeo de agua fotovoltaico está representado
por los módulos solares fotovoltaicos con 40 %, seguido por la
bomba sumergible con 37 %.
Un análisis de interés es el del costo de bombeo, en un
ciclo de vida de veinte años. Se analiza este período por
ser el tiempo de garantía de los módulos solares fotovoltaicos
y el componente de mayor costo en el sistema.
En la figura 5 se ha representado el tanto por ciento de cada uno de los
componentes del sistema en un ciclo de vida de veinte años.

Fig. 5. Esquema sobre el costo del sistema
en el ciclo de vida de veinte años.
Para realizar el cálculo
en el ciclo de vida se ha considerado que se efectúa un cambio
de la bomba sumergible y de la unidad de control, al menos una vez en
este período.
Se han considerado, también en este período, los gastos
mínimos para el mantenimiento especializado y los kit de instalación.
Los detalles de los costos se muestran en la tabla 1.
A partir de conocer
los costos en el ciclo de vida, es posible comparar este sistema con otras
fuentes de energía.
Para tener una idea, el costo aproximado de extender la red eléctrica
un kilómetro oscila entre $10 000,00 a $12 000,00 USD. Esto quiere
decir que un sistema fotovoltaico de bombeo de este tipo es competitivo
contra la extensión de la red eléctrica para distancias
mayores de 0,6 km.
A partir de estos costos es posible determinar el costo del m3 de agua
en el ciclo de vida:

Esto significa que
en el transcurso de veinte años, por cada m3
(1 000 L) consumido se pagó aproximadamente 6,3 centavos dólar.
Cómo
dimensionar un sistema fotovoltaico de bombeo en Cuba
Como se había planteado, para dimensionar un sistema solar fotovoltaico
hay que conocer tres parámetros:
1. Radiación
solar en kWh/m2 día (esto está
relacionado con el lugar de la instalación).
2. Altura total (no solo la del pozo y el depósito, también
hay que tener la altura equivalente por la pérdida en tubería).
3. Cantidad de agua necesaria al día, Q (m3/día).

Sistema fotovoltaico para el bombeo de agua, instalado en la provincia
de Camagüey.
Para nuestro país
se puede considerar como valor de radiación 5 kWh/m2
/ día y suponer un ángulo de inclinación de 30 grados.
De esta forma es posible determinar cuál es el modelo de bomba
que mejor se adapta a sus necesidades. Para ello nos apoyaremos de la
tabla 2, que corresponde al mes de julio.
Tabla 2
Tabla de dimensionado para el mes de julio. Radiación 5 kWh/m2día,
30o de inclinación.
Como
esta tabla es para el mes de julio y estamos eligiendo 30 grados de inclinación
para los módulos, es de esperar que el resto de los meses se obtengan
caudales superiores al esperado, incluso en los meses de invierno.
A manera de ejemplo analizaremos un caso hipotético. Supongamos
que necesita mos dimensionar un sistema en Cuba con los siguientes parámetros:
1. Radiación
5 kWh/m2día
2. Altura total 40 m
3. Caudal diario 10 m3/día
Si consultamos la
tabla 2 veremos que con 40 metros de altura total podemos bombear diariamente
12,5 m3/día con la bomba SQF2,5-2; para
ello necesitamos un arreglo de módulos solares de 688 Wp. Esto
significa aproximadamente 14 módulos de 50 Wp.

Con ayuda de la tabla
1 y conociendo que toda la gama de bomba de la tabla 2 tiene el mismo
precio, es posible determinar los precios de forma aproximada de cualquier
sistema fotovoltaico de bombeo.

Instalación de la bomba centrífuga.
Como se puede constatar,
mediante estos sistemas no todas las variantes de bombeo están
cubiertas. En caso de que no se encuentre solución a una combinación
específica, se pasará a los sistemas de bombeo con bombas
convencionales como solución inmediata.
Comercialización
La gerencia EcoSol Solar, de la Corporación Copextel, comercializa
en Cuba los sistemas fotovoltaicos de bombeo de agua bajo la modalidad
llave en mano, que incluye la instalación, servicio de mantenimiento
y postgarantía. Con la fabricación en Cuba de los módulos
solares fotovoltaicos se logran precios sumamente atractivos para estos
sistemas, haciéndolos competitivos con los tradicionales molinos
de viento en lugares donde existe potencial eólico. También
son competitivos con las motobombas de diesel o gasolina, así como
con el bombeo eléctrico en aquellos lugares donde haya que extender
la red más de seiscientos metros. Se han instalado sistemas de
bombeo con carácter demostrativo en la provincia de Camagüey
y en Jagüey Grande, provincia de Matanzas.

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