Bombear con el Sol


Por
Pura Cámbara Fernández* y Amado Calzadilla Figueras**

 

Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos para el bombeo
de agua.

 

En abril de 2007 se instalaron tres sistemas fotovoltaicos para el bombeo de agua, dos
en el municipio de Bartolomé Masó y uno en el municipio de Campechuela, de la provincia
de Granma: dos en comunidades rurales y el tercero en la Villa del Educador, de la Ciudad Escolar Camilo Cienfuegos.

Estos sistemas han tenido un funcionamiento irregular, por lo que se procedió a realizar
un estudio integral, que evidenció la necesidad de redimensionar dos de las instalaciones, a partir de una adecuación de la metodología publicada en el número 27 de la revista Energía y tú (julio-septiembre, 2004).

En la tabla 1 se exponen las características y el comportamiento de cada uno de los tres sistemas, durante un período de funcionamiento de 400 días.

Tabla 1. Comportamiento de los sistemas de bombeo fotovoltaico instalados

Notas:
1. El sistema instalado en la Villa del Educador (que incluye el Centro de Estudio Solar y la piscina) garantizó completamente el abasto de agua, ya que el gasto máximo (1,0 L/s) del sistema fotovoltaico de bombeo de agua (con 10 paneles de 100 W cada uno),
se corresponde con el gasto certificado del pozo (1,17 L/s) y con la capacidad de almacenamiento de agua en los tanques y la piscina (30,0 m3) (v. Fig. 1, pág. 6).
2. El bombeo de la comunidad El Palo no ha garantizado la demanda para el consumo
de la población y las otras instalaciones existentes (4,0 m3/día), porque la capacidad del tanque es insuficiente (2,5 m3). Por ejemplo: el bombeo se detiene automáticamente cuando se llena el tanque, casi siempre alrededor de las diez de la mañana, y el mayor consumo de la población ocurre alrededor de las seis de la tarde, cuando la radiación solar no es suficiente para que los paneles fotovoltaicos generen la energía requerida.
En este caso el gasto máximo de la bomba está en correspondencia con el aforo del pozo. Este sistema consta de 8 paneles de 100 W cada uno (v. Fig. 2, pág. 7).
3. En la comunidad La Gloria (Campechuela) el problema está relacionado con el gasto que garantiza el pozo, el cual se encuentra azolvado, es decir, la zona permeable del manto freático del pozo está sellada por el lodo y no permite que fluya el agua.
La solución de este problema consiste en realizar la limpieza del pozo utilizando la tecnología adecuada. Este sistema también consta de 8 paneles de 100 W cada uno.

Recuadro 1. Cómo dimensionar un sistema fotovoltaico de bombeo en Cuba

Para dimensionar un sistema solar fotovoltaico hay que conocer tres parámetros:
1. Radiación solar en kWh/m2día (relacionado con el lugar de la instalación).
2. Altura o carga total (no sólo la del pozo y el depósito, también hay que considerar la carga equivalente por la pérdida en tubería).
3. Cantidad de agua necesaria al día, Q (m3/día).
Para nuestro país se puede considerar como valor de radiación
5 kWh/m2día
y suponer un ángulo de nación de 30o.

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 A.

Tabla A. 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 30o 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 necesitamos dimensionar un sistema en Cuba con los parámetros siguientes:
1. Radiación: 5 kWh/m2día.
2. Altura total: 40 m.
3. Caudal diario: 10 m3/día.

Si consultamos la tabla A veremos que
con 40 m 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 B y conociendo que toda la gama de bomba de la tabla A tiene
el mismo precio, es posible determinar los precios de forma aproximada para cualquier sistema fotovoltaico de bombeo.
Como se puede constatar, mediante estos sistemas no todas las variantes de bombeo están cubiertas, y 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.

Tabla B. Costos de la instalación (CI)
y del ciclo de vida (CCV)


Metodología de cálculo complementaria

Resulta evidente la necesidad de completar el dimensionamiento de estos sistemas con
el cálculo de parámetros adicionales, a partir de la metodología publicada en la revista Energía y tú, de forma tal que se asegure su adecuado funcionamiento.

En particular, se deben tener en consideración el lugar de ubicación, la hidrogeología,
la topografía, la radiación solar, las características del pozo que se va a utilizar y la determinación del volumen del tanque de almacenamiento de agua. Este procedimiento
es aplicable a redes de distribución de agua que tengan un solo ramal, porque cuando
sea necesario un sistema de distribución complejo (varios ramales que bifurquen el gasto), es necesario un proyecto técnico para su diseño.


Selección del bombeo fotovoltaico


El método de cálculo (Recuadro 1) define la bomba y la cantidad de paneles, la carga dinámica total y la cantidad necesaria de agua al día. Estos datos se definen por el usuario del sistema y la forma de cálculo se muestra a continuación.

HT = Ht + Hp

Donde:
HT: Altura desde el nivel estático del agua en el pozo hasta el nivel de agua en
el tanque (Ht).
Ht: Nivel del agua en el tanque.
Hp: Pérdidas por conducción en tuberías y accesorios.

Cuando se trata de satisfacer la demanda de agua a personas, la cantidad de agua necesaria al día (dotación), se calcula a partir de los datos que aporta la Norma Cubana NC xx-2007, «Determinación de la demanda de agua potable en poblaciones». Para el caso de comunidades pequeñas, menores de 2 000 habitantes, se aplica lo indicado
en la tabla 2.

Todos los valores de la tabla 2 incluyen pérdidas en los sistemas de conducción y distribución entre 5 y 8%; además, no se considera el consumo de empresas productoras u otras grandes instalaciones. En caso de que se trate de un abasto de agua a animales
o para el riego, se tomarán en consideración las normas establecidas para esos casos.
De ello resulta:

Qd = [Cantidad de habitantes • dotación (L//hab.día)] / 1 000 = (m3/día)

A continuación se exponen las ecuaciones necesarias para el cálculo de la potencia solar, a partir de las informaciones facilitadas por el Dr. Luis Bérriz.
Se procede a definir el gasto máximo diario requerido:

Qmax = 1,25Qd

Donde:

Qd: Gasto promedio diario requerido. Por seguridad, se recomienda que Qmax sea 25% mayor que Qd.

Con estos datos, se puede calcular la potencia hidráulica necesaria:

PH = 10 000QmaxHT / 86 400 =
= 0,116QmaxHT [W]

Donde: 1 día = 86 400 segundos; Qmax se expresa en m3/día; y HT, en m.

Entonces, para determinar la potencia solar PS, se usa el factor (24/5) = 4,8 (porque se reducen las 24 horas del día a 5 horas sol).

PS = (4,8) • (0,116)QmaxHT / hb =
= 0,557QmaxHT / hb [W]

Donde:

hb: Eficiencia de la bomba.
Si la eficiencia de la bomba hb = 0,4, la potencia solar necesaria será igual a:

PS = 1,4 QmaxHT [W]

Para el ejemplo que se expone en Energía y tú: Qd = 10 m3/día y HT = 40 m, entonces:

Qmax = 12,5 m3/día
PS = 1,4 QmaxHT = 700 W

El resultado es igual al que se obtuvo en el ejemplo de la revista (Recuadro 1), pero sin utilizar tablas (en el artículo referido se incluye solo un ejemplo de las tablas de las bombas existentes).

Tabla 2. Dotación en litros por habitante al día (L/hab.día)

 
Fig. 1. Paneles fotovoltaicos del sistema de abastecimiento de agua instalado en el Centro de Estudio Solar, de la Villa del Educador, en el municipio
de Bartolomé Masó, Granma.


Fig. 2. Paneles fotovoltaicos del sistema de abastecimiento de agua instalado
en la comunidad El Palo, en el municipio de Bartolomé Masó, Granma.
 


Selección del pozo


Para seleccionar el pozo donde se instalará el bombeo fotovoltaico, es necesario conocer el tipo de acuífero.

Resulta útil recordar que un acuífero es una formación geológica saturada de agua, cuyas propiedades más importantes son la permeabilidad y la impermeabilidad de las rocas adyacentes. En el acuífero freático la superficie del agua en el pozo se encuentra a la presión atmosférica; el acuífero artesiano se encuentra confinado por material impermeable, y el agua está sometida a una presión hidrostática, ya que la zona de recarga se encuentra a una distancia y a una cota mayores con respecto al pozo (por lo general estos pozos son surgentes); y, por su parte, los acuíferos colgantes se encuentran relativamente a poca profundidad, y se agotan rápidamente por ser muy pequeños.

También es importante precisar que el aforo o prueba de bombeo del pozo permite conocer la capacidad de extracción de un pozo o un acuífero, es decir, la relación de Q (gasto del pozo) y S (su abatimiento en el tiempo). Cuando se bombea, la capacidad específica del pozo
(Q/S) decrece con el aumento del tiempo de bombeo, y aumenta el abatimiento. Cuando el abatimiento de un acuífero es grande, se considera de baja calidad, y el pozo, al aumentar las horas de bombeo, tiende a disminuir su gasto o caudal de entrega. También debe tenerse en cuenta la transmisibilidad, la permeabilidad y el espesor del acuífero. Es por ello que la garantía de la fuente de abasto, o sea, el gasto de explotación del pozo, debe ser avalado por la Empresa de Perforación correspondiente, del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INRH), mediante la prueba de aforo. En el certificado de la fuente de abasto se especifica el gasto que puede ser extraído del pozo sin que se alteren los parámetros del acuífero, lo que a su vez es la garantía de que no falte agua en el sistema de bombeo fotovoltaico instalado, ni se achique el pozo, como está sucediendo en la comunidad La Gloria.

Con esos datos se debe comprobar la compatibilización entre el gasto de la bomba solar
y el aforo del pozo, es decir, que el gasto certificado del pozo (aforo) debe ser igual o mayor que el máximo gasto de la bomba solar instalada.


Volumen del tanque de almacenamiento


Para determinar el volumen del tanque de almacenamiento de agua se debe consultar
la Norma Cubana NC-xx 2007.

Datos de partida:
• El gasto promedio diario (Qd) es el punto de partida para la determinación del volumen del tanque de almacenamiento del agua.
• Se consideran 5 horas diarias (18 000 segundos) como el tiempo de bombeo efectivo para la bomba fotovoltaica, a su máxima capacidad.
• El tiempo de abasto de agua a la población (T) se expresa en las horas de abasto
de agua a la población (para las comunidades rurales se recomiendan 12 horas, es decir,
43 200 segundos).

 
Fig. 3. Ejemplo de sistema solar fotovoltaico para el bombeo de agua.
 


Existen varios métodos de cálculo para los sistemas de acueductos, pero en este caso
se recomienda aplicar el análisis siguiente, porque se considera que la determinación
del almacenamiento puede ser un problema muy complejo, con dos posibles situaciones extremas:

1. Un sistema de riego donde no haga falta acumulación, pues se acepta el riego en dependencia de la radiación solar.
2. Un suministro de agua (a la población) donde todo el consumo sea fuera de las horas de radiación solar. En este caso, toda el agua necesaria tiene que ser acumulada,
y si se quiere garantizar el abasto durante días sin sol, la capacidad de almacenamiento tiene que sobrepasar el consumo.

Entre estos dos casos extremos pueden encontrarse varias situaciones específicas.
Para el cálculo del almacenamiento, es muy importante conocer el gasto en cada hora
del día. Pero en todo caso, aunque el consumo fuera solamente por el día, si se quiere garantizar el suministro de agua en dos días sin sol, por lo menos es necesaria una capacidad de almacenamiento que sea el doble del consumo diario. Por lo que se puede concluir que si todo el consumo fuera por la noche, haría falta una capacidad de acumulación de tres veces el consumo diario, y si todo fuera por el día mientras hay radiación solar, haría falta una capacidad de acumulación de dos veces dicho consumo diario.

Si tomamos esto como aceptable, el problema se reduce a determinar el consumo diario
y multiplicarlo por dos o por tres. Ante esa disyuntiva, corresponde al proyectista del sistema tomar la decisión más apropiada.

Publicado en Energía y tú,
No. 46, abr.-jun., 2009.

* Ingeniera Hidráulica, Granma, Cuba.
** Ingeniero Mecánico. Presidente de CUBASOLAR en Granma, Cuba.
e-mail: cubasolar.granma@enet.cu