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UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA PROYECTO FINAL
AUTOR: Gerardo Arancibia Moreno
Máster en Energías Renovables
Título:
APORTE EN LA NORMALIZACION Y ESTANDARIZACION DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS DE BOMBEO DE AGUA PARA EL DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE PROYECTOS EN CHILE
TUTOR: Ángel Bayod Rújula
Dpto./Área: Departamento de Ingeniería Eléctrica, C.P.S. Universidad de Zaragoza
Año Académico: 2008/09 Fecha de entrega: 15 de Diciembre de 2009
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UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA
PROYECTO FINAL
AUTOR: Gerardo Arancibia Moreno
Máster en Energías Renovables
Título:
APORTE EN LA NORMALIZACION Y ESTANDARIZACION DE SISTEMAS SOLARES FOTOVOLTAICOS DE BOMBEO DE AGUA PARA EL DESARROLLO E IMPLEMENTACION DE PROYECTOS EN CHILE
TUTOR: Ángel Bayod Rújula
Dpto./Área/Empresa
Año Académico: 2008/09 Fecha de entrega: 15 de Diciembre de 2007
DECLARACIÓN del AUTOR
El abajo firmante declara que el contenido del resumen del presente Proyecto Final de Máster o Postgrado NO tiene carácter confidencial y autoriza su divulgación en cualquier medio y soporte.
El abajo firmante declara que el contenido completo del Proyecto Fin de Máster o Postgrado: ¨ SÍ tiene carácter confidencial ¨ NO tiene carácter confidencial ¨ SÍ autoriza su consulta a uso docente ¨ NO autoriza su consulta a uso
docente ¨ SÍ autoriza su divulgación a través de ¨ NO autoriza su divulgación cualquier medio o soporte
En Valencia a 15 de Diciembre de 2009
Fdo. ........................................................... Gerardo Arancibia Moreno
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INDICE Página
1. Introducción
2. Estado del Arte del Bombeo Solar Fotovoltaico
2.1 Estado del Arte en Chile
2.1.1 Desarrollo de la Energía Solar FV en Chile
2.1.2 Desarrollo del bombeo FV de agua en Chile
2.2. Desarrollo Tecnológico del Bombeo Solar FV
2.2.1 Convertidores de frecuencia en sistemas de bombeo FV
2.2.2 Elementos de un sistema de bombeo FV
2.3 Descripción del sistema de bombeo FV
2.3.1 Generador fotovoltaico
2.3.2 Motobomba
2.3.3 Motobomba centrífuga
2.3.3.1 Bombas para pozos de sondeo
2.3.4 Equipo acondicionador de potencia
2.3.4.1 Convertidor de frecuencia
2.3.4.1.1 Características y funciones básicas de CF
2.3.4.1.2 Componentes de un CF
2.3.4.1.2.1 El filtro EMC
2.3.4.1.2.2 El circuito de control
2.3.4.1.2.3 El inversor
2.3.4.2 Accesorios de protección y control
2.3.5 Infraestructuras hidráulicas
3. Objetivos del Proyecto
4. Descripción de la metodología y/o datos empleados
5. Desarrollo del Contenido
5.1 Requisitos generales y funcionamiento del sistema fotovoltaico de bombeo
5.1.2 Capacidad de bombeo
5.1.2.1 Consumo de agua
5.1.2.2 Irradiación solar
5.1.2.3 La fuente de agua: altura de bombeo y capacidad de suministro
5.1.2.4 Tamaño del generador fotovoltaico
5.1.3 Fiabilidad
5.1.3.1 Generador fotovoltaico
5.1.3.2 Convertidor de Frecuencia
5.1.3.3 Protecciones
5.1.3.4 Motobomba
5.1.3.5 Cableado
5.1.3.6 Infraestructura hidráulica
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5.1.3.7 Sistema de potabilización de agua
5.1.3.7.1 Bomba de inyección de cloro
5.1.3.7.2 Sensor de caudal de agua bombeada
5.1.3.7.3 Depósito de cloro
5.1.4 Seguridad
5.1.5 Sencillez en el uso
5.1.6 Sencillez de instalación y mantenimiento
5.2 Dimensionamiento de Convertidores de Frecuencia en Sistemas de bombeo FV
5.2.1 Modelo Teórico Simplificado
5.2.2 Validación Experimental
5.2.3 Efectos de segundo orden
5.2.4 Ejemplo de Aplicación
5.3 Resumen de las especificaciones técnicas para Sistemas de Bombeo FV
5.3.1 Requisitos generales del sistema fotovoltaico de bombeo
5.3.1.1 Capacidad de bombeo y tamaño de los sistemas fotovoltaicos
5.3.1.2 Especificaciones técnicas de componente
5.3.2 Generador fotovoltaico
5.3.3 Convertidor de Frecuencia
5.3.4 Motobomba
5.3.5 Sistema de potabilización de agua
5.3.6 Cableado
5.3.7 Estructura soporte
5.4 Especificaciones técnicas de sistema
5.4.1 Aspectos generales de la instalación
5.4.2 Generador fotovoltaico
5.4.3 Convertidor de Frecuencia
5.4.4 Cableado
5.5 Especificaciones de instalación y montaje
5.5.1 Generador fotovoltaico
5.5.2 Sistema de potabilización
5.5.3 Estructuras de soporte
5.5.4 Puesta a tierra
5.5.5 Infraestructura hidráulica
5.6 Pruebas de calidad en Terreno
5.6.1 Medida de la potencia del generador fotovoltaico
5.6.2 Ensayo de bombeo
5.6.2.1 Caracterización de pozos o sondeos
5.6.3 Ensayo de depósito lleno
5.6.4 Uso y gestión del sistema
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6. Dimensionamiento de Sistema de Bombeo FV Estándar
6.1 Antecedentes de la localidad de la Polcura
6.1.1 Características del recurso hídrico y situación geográfica del proyecto
6.2 Radiación diaria
6.3 Selección de la bomba centrifuga sumergible
6.3.1 Aplicación de las formulas del modelo teórico simplificado
6.4 Dimensionamiento del Campo de Captación
6.5 Elección del Convertidor de Frecuencia
6.5.1 Programación del CF
6.6 Proyección del volumen de agua bombeado por el sistema de bombeo solar FV
6.6.1 Clima del Sector
6.6.2 Radiación Hora día del Sector
6.6.3 Método simplificado de la estimación del volumen de agua bombeado
6.7 Presupuesto del Sistema de bombeo solar FV estándar.
6.8 Calculo energético y consumo de energía en sistemas convencionales
6.9 Ahorro de Energía y Emisiones de CO2
7. Conclusiones
7.1 De las especificaciones técnicas de bombeo fotovoltaico
7.2 De los sistemas de bombeo FV que utilizan CF
7.3 Del dimensionamiento del sistema de bombeo solar FV
8. Bibliografía
B. Listado de palabras clave
Bombeo, Solar, Fotovoltaico, Especificaciones Técnicas, Estandarización Diseño, Convertidor de Frecuencia
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1. Introducción
Los equipos que conforman los sistemas de bombeo solar fotovoltaico han evolucionado desde
la configuración con sistemas especiales para uso solar hasta el estado del arte actual, que
utiliza equipos estándar de mercado. La experiencia obtenida en el diseño, instalación y
operación de grandes proyectos de sistemas fotovoltaicos de bombeo durante los últimos ocho
años respalda la mayor fiabilidad de esta configuración y apunta a pequeñas mejoras técnicas
posibles mediante accesorios simples.
Los equipos de acondicionamiento de potencia utilizados en los sistemas de bombeo
fotovoltaico de los 49 sistemas instalados en Gambia en 2003 y los 29 que están siendo
instalados actualmente en Marruecos cubren una amplia gama de necesidades y responden a
este último diseño. Jordania, Tailandia, Brasil y otras zonas de países en vías de desarrollo,
también han sido beneficiarios de programas similares de mayor o menor tamaño mostrando la
viabilidad de los sistemas fotovoltaicos de bombeo. [1]
En un principio la tendencia era utilizar inversores y bombas específicamente modificadas para
aplicaciones solares, excepto para pequeñas potencias donde se recurría a sistemas en CC,
siendo la bomba de desplazamiento positivo y el acondicionador de potencia un adaptador.
La evolución hacia el uso de equipos estándar en el mercado, y por tanto más fiables y
económicos y en una gama completa de aplicaciones, fue el objetivo perseguido durante un
tiempo. La respuesta se encontró en los convertidores o variadores de frecuencia, que están
diseñados para el suministro de potencia a cargas variables. El convertidor de frecuencia
puede ser alimentado directamente en CC sin modificaciones, alimentando directamente una
bomba centrífuga.
Así, los sistemas quedan compuestos por tres equipos de total madurez tecnológica, fiables y
eficientes: los módulos fotovoltaicos, el convertidor de frecuencia y la bomba centrífuga.
Los primeros equipos electrónicos de control, de alta tasa de fallo especialmente en ambientes
con altas temperaturas, han sido sustituidos por una cuidada programación de los variadores,
optimizando la respuesta de la bomba a la radiación solar instantánea mediante el adecuado
control PID (lo que minimiza los golpes de ariete) y permitiendo la instalación de todas las
protecciones necesarias, en algunos casos con ayuda de un autómata, cuyos parámetros y
tiempos pueden variarse fácilmente.
7
Otros accesorios que mejoran la fiabilidad global son:
• Detección de pozo vacío. El sensor eléctrico utilizado en los inicios enviaba frecuentemente
señales erróneas debido a una alta salinidad, con la incomodidad añadida de la necesidad de
control de posibles oxidaciones. Actualmente la falta de agua es detectada por el variador por
la aceleración repentina de la bomba.
• Cloración del agua extraída: Mediante caudalímetros emisores de impulsos, con alimentación
propia también solar, o mediante sistemas tipo Venturi, más simples aunque válidos sólo para
aguas de una cierta calidad.
• Minimización de los golpes de ariete por software.
• Simplificación de las tareas de montaje y mantenimiento del sistema (perforación de la clapeta
de la bomba, calidades de materiales, diseño de cabezas de pozo).
Otro punto de importancia es la labor social de sensibilización ante los cambios que supone la
introducción de una nueva tecnología y la formación técnica a los responsables de
mantenimiento son la clave que asegurará o condenará el éxito del proyecto.
Para que la tecnología pueda considerarse apropiada es imprescindible la participación de la
población en la instalación y la cesión de ciertas responsabilidades (construcción de tanque,
recogida de fondos para mantenimiento, labores de mantenimiento preventivo de los sistemas,
etc.).
Una delicada integración en la comunidad, preferentemente realizada por agentes sociales
locales (asociaciones, líderes) impedirá que las costumbres del lugar sean afectadas por el
sistema. Por ejemplo, en un entorno en que el valor del agua es percibido como muy
importante, es imprescindible que sea asumido que los grifos no son inagotables.
El sector inmediatamente más favorecido es el de la mujer, que puede evitar el gran esfuerzo
físico de la extracción de agua, más a largo plazo pero de igual importancia es el impacto
positivo en la salud, principalmente infantil, dada la mejora en la calidad del agua. [2]
8
El programa denominado Programme Régional Solaire (PRS) iniciado en 1990, cubrió la región
del Sahel y fue pionero al exigir a los participantes en el concurso público ofertado, un estricto
control de calidad. Control extendido a todas las partes del sistema de bombeo fotovoltaico.
Dado que sirvió de ejemplo a bastantes proyectos posteriores (PRS 2), es considerado
actualmente como un fiel reflejo del estado del arte de la tecnología europea de bombeo
fotovoltaico.
El programa de bombeo MEDA, financiado por la Unión Europea (a través de su programa
MEDA, del cual toma el nombre) y la Agencia Española de Cooperación internacional), tuvo
como objetivo general dotar de un suministro seguro de agua en disponibilidad y calidad a
través de la energía solar fotovoltaica.
Este programa fue implementado en Marruecos, Argelia y Túnez, comenzando los trabajos en
diciembre de 2001. Ha consistido en la instalación de 52 sistemas de bombeo fotovoltaico,
repartidos de la siguiente forma, 29 en Marruecos, 10 en Argelia y 13 en Túnez. La potencia
total instalada en este proyecto ha sido de 256 [kWp] de módulos fotovoltaicos.
Uno de los objetivos concretos, ha sido despertar el interés de los actores involucrados en este
tipo de proyectos, en la parte no fotovoltaica de los sistemas, en la creencia de que así se
consigue su máxima duración en el tiempo. Para ello se ha manejado lo que se ha llamado el
“Sistema del agua”, en el que están incluidas, además de su extracción, con los medios que
ello implica, las actividades de almacenamiento, distribución y gestión del agua. Esto obliga a
prestar especial atención a elementos como el depósito de agua, la red de distribución, los
puntos de consumo (fuentes, puntos de repostaje, etc.) y el esquema de gestión del agua.
Estas infraestructuras, siendo buenas para los sistemas anteriores de suministro de agua,
muchas veces presentaban deficiencias cuando se enfrentaban a los sistemas fotovoltaicos
instalados.
Lo descrito hasta aquí corresponde al PRS1, dado el éxito cosechado por este programa, se ha
prolongado con el PRS2, que finalizo en septiembre de 2009. [3]
El esquema de estas experiencias se ha repetido en otras zonas del mundo. Entre 1994 y
2000, se instalaron 206 sistemas de bombeo fotovoltaicos en los estados Mexicanos de Baja
California Sur, Chihuahua, Quintana Roo y Sonora, entre otros. En una buena parte, estos
sistemas vinieron a sustituir otros alimentados por generadores diesel.
9
En Chile esta tecnología esta poco difundida debido a la falta de normativas que regulen la
calidad de las instalaciones, la falta de servicio técnico y de equipamiento adecuado.
En este país la energía solar ha sido y es utilizada preferentemente en la zona norte del país,
donde existe uno de los niveles de radiación más altos del mundo. Es usada principalmente
para el calentamiento de agua a baja temperatura y para generación de electricidad con
paneles fotovoltaicos en viviendas y establecimientos aislados y dispersos.
Respecto a la generación de energía eléctrica fotovoltaica es utilizada a lo largo de todo Chile,
principalmente en la zona norte y las aplicaciones principales son para abastecer de energía a
viviendas, escuelas, postas, centros comunitarios, retenes de carabineros y pasos fronterizos
aislados y dispersos, para usos en radiofonía y telecomunicaciones en sectores rurales [4].
Chile fue pionero en la utilización de la energía solar térmica con fines industriales, en el año
1872 se construyó la primera planta desaladora solar del mundo, en la localidad de Las
Salinas, entre Antofagasta y Calama, en la II Región, que funcionaba como un proceso de
destilación, tipo hotbox, con capacidad de 15.500 [m3], produjo 22.700 litros de agua dulce por día y funcionó por 40 años.
10
2. Estado del Arte del Bombeo Solar Fotovoltaico
2.1 Estado del Arte en Chile
A continuación se describe el estado tecnológico de la energía solar FV en Chile, primero de
manera general y luego centrándose en el bombeo FV.
2.1.1 Desarrollo de la Energía Solar FV en Chile
El desarrollo de la tecnología fotovoltaica en Chile incluye los siguientes tipos de usos:
aplicaciones efectuadas por empresas de telecomunicaciones, aplicaciones en retransmisión
de televisión en sectores aislados, sistemas de iluminación de faros con paneles fotovoltaicos y
electrificación rural.
En el marco del Programa de Electrificación Rural (PER), municipalidades, Gobiernos
Regionales y particulares, han instalado estos sistemas para alumbrado y electrificación de
viviendas. Entre los años 1992 y 2000 se han colocado cerca de 2.500 soluciones individuales
con sistemas fotovoltaicos, para abastecer de energía eléctrica a viviendas rurales, escuelas y
postas.
Actualmente la Comisión Nacional de Energía, dentro del PER, está desarrollando diversas
iniciativa para promover e implementar el uso de estas tecnologías. [5]
2.1.2 Desarrollo del bombeo FV de agua en Chile
En el marco del proyecto “Remoción de barreras para la electrificación rural con energías
renovables”, que ejecuta la Comisión Nacional de Energía (CNE) en conjunto con el Programa
de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), el Gloval Environment Facility (GEF), el
Gobierno Regional y las municipalidades de la Región de Coquimbo, implementaron en octubre
de 2008, cuatro proyectos piloto demostrativos de bombeo solar en zonas rurales de secano en
que existía alguna fuente de agua, como pozos y norias, susceptibles de mejorar, con una
potencia instala que va desde los 200 a 800 Wp.
Los sistemas de bombeo FV implementados utilizan motobombas especialmente diseñadas
para esta aplicación, las que llevan incorporado en el motor el inversor que convierte la
corriente continua de los paneles solares en corriente trifásica. De esta forma, además, la
bomba llena el estanque acumulador durante el día con horas de sol, con un caudal de bombeo
variable según la intensidad de la radiación solar.
11
Referente al estado actual de estas instalaciones, no se tienen antecedentes de ellas ni de los
resultados tangibles de la iniciativa. [4]
2.2. Desarrollo Tecnológico del Bombeo Solar FV
El estado del arte actual de la tecnología de bombeo FV está ampliamente dominada por la
utilización de inversores y motobombas centrífugas específicamente desarrollados para este
tipo de aplicaciones. El número de sistemas de bombeo fotovoltaico que han demostrado tanto
un elevado grado de fiabilidad como buen rendimiento de operación no es muy numeroso, son
productos especialmente diseñados para aplicaciones FV, como puede ser por ejemplo la
utilización de motores trifásicos a 68 [V] e inversores especiales que resultan caros
comparados con el coste del bombeo convencional. Existe además una limitación en cuanto a
la potencia máxima disponible. [6]
2.2.1 Convertidores de frecuencia en sistemas de bombeo FV
Este tipo de sistemas de bombeo fotovoltaico esta basado en la utilización de convertidores de
frecuencia (CF) industriales los cuales permiten diseñar sistemas de alta potencia (> 1.500
Wp). Están basados en la utilización de 3 productos estándar de mercado como son módulos
FV los CF y las bombas centrifugas sumergibles multietapa con motor asincrónico o de
inducción. El desarrollo de los variadores de frecuencia ha sido motivado por las numerosas
ventajas que supone el control de frecuencia (velocidades) de motores. Entre ellas hay que
destacar el ahorro energético. [7]
2.2.2 Elementos de un sistema de bombeo FV
Un sistema de bombeo fotovoltaico consta de los siguientes elementos: un generador
(fotovoltaico, incluyendo su correspondiente estructura soporte, con seguimiento o sin él), un
equipo adaptador de potencia, una motobomba, unos accesorios de protección y control, y una
estructura hidráulica (incluyendo bajo este nombre, depósito, distribución de agua y puntos de
aprovisionamiento de agua). Si el objetivo del sistema es suministrar agua para consumo
humano, se deberá incluir un sistema de potabilización de agua. [8]
12
En la siguiente figura se muestra un sistema de bombeo FV sin control de llenado estanque,
indicando sus componentes principales
Figura 1: Sistema de bombeo FV sin control de llenado estanque
Fuente: Grundfos S.A
13
En la siguiente figura se muestra un sistema de bombeo FV con control de llenado estanque,
indicando sus componentes principales
Figura 2: Sistema de bombeo FV con control de llenado estanque
Fuente: Grundfos S.A
14
2.3 Descripción del sistema de bombeo FV
2.3.1 Generador fotovoltaico
Tiene por misión suministrar la energía necesaria para el funcionamiento normal del sistema.
No hay ningún tipo de requerimiento especial por el hecho de estar destinado a formar parte de
un sistema de bombeo. Son perfectamente válidos módulos fabricados con silicio mono o
policristalino, y amorfo. Además de los módulos, la estructura soporte se incluye en el
generador a efectos de esta enumeración. En lo que respecta a los sistemas de bombeo en
zonas aisladas, las estructuras fijas son las más utilizadas.
2.3.2 Motobomba
Esta constituida por la bomba y el motor eléctrico que la acciona. Hay dos tecnologías que son
las que han resultado más frecuentemente utilizadas, las bombas centrífugas y las de
desplazamiento positivo o volumétricas. El motor, por su parte puede ser también de dos tipos
distintos: motor de corriente continua (CC) y de alterna (AC).
En los primeros bombeos fotovoltaicos, se utilizó el motor de corriente continua para las
bombas, dado que los módulos generaban este tipo de corriente. Además, para este modelo de
motores, es más fácil controlar su velocidad, lo que hace posible un mejor aprovechamiento de
la potencia variable proporcionada por el sol. Sin embargo los últimos avances en la electrónica
de potencia, manifestados en forma de equipos como los convertidores de frecuencia, han
invertido esta situación, haciendo posible aprovechar una de las más apreciadas características
de los motores de corriente alterna: su gran fiabilidad y robustez.
La ausencia de colectores de delgas (o escobillas) es su principal característica aunque no la
única. El sencillo rotor, llamado rotor “jaula de ardilla”, es simple y funciona satisfactoriamente
en las circunstancias más adversas, dando un excelente servicio con pequeño mantenimiento.
[8]
15
2.3.3 Motobomba centrífuga
Este apartado se centra en este tipo de bombas porque son las más extendidas en el campo
del bombeo fotovoltaico principalmente por sus destacadas características de robustez.
La siguiente figura muestra, de una manera esquemática, los componentes de una bomba
centrífuga. Si bien, la variedad de este tipo de bombas es muy amplia, todas son máquinas que
transforman un trabajo mecánico en hidráulico.
Figura 3: Esquema simplificado de una bomba centrífuga sumergible y modelo real
Fuente: Grundfos S.A
Esta transformación energética es inversa a la que realizan las turbinas hidráulicas: mientras en
éstas se aprovecha la energía potencial de un salto hidráulico para generar una velocidad de
rotación del rodete (reacción tipo Francis), en las bombas centrífugas, la velocidad comunicada
por el rodete al líquido se transforma, al menos parcialmente, en presión y posterior elevación
del agua.
16
2.3.3.1 Bombas para pozos de sondeo
Existen dos tipos de bombas para pozos de sondeo: el tipo de bomba sumergida para pozo de
sondeo con motor sumergible y la bomba para pozos profundos con motor seco conectado a la
bomba por medio de un eje largo.
Estas bombas normalmente se utilizan en sistemas relacionados con el suministro de agua y el
riego. Ambos tipos de bomba están fabricados para ser instalados en pozos profundos y
estrechos, y por tanto tienen un diámetro reducido que hacen que sean más largos que otros
tipos de bombas.
Las bombas para pozos de sondeo están diseñadas especialmente para que puedan
sumergirse en líquidos y por tanto disponen de un motor sumergible con protección IP68. Estas
bombas disponen de versiones monocelular y multicelular (la versión multicelular es la más
común), y se acoplan con una válvula de retención en la cabeza de la bomba.
Hoy en día, las bombas para pozos profundos han sido reemplazadas en mayor o menor
medida por bombas de tipo sumergible. El largo eje de las bombas para pozos profundos es
una desventaja, ya que las hace difíciles de instalar y mantener. Dado que el motor de las
bombas para pozos profundos está refrigerado por aire, ese tipo de bomba a menudo se utiliza
en aplicaciones industriales para bombear agua caliente desde depósitos abiertos. La bomba
sumergible no puede manejar altas temperaturas porque el motor está sumergido en el líquido
que debe refrigerarlo. [9]
2.3.4 Equipo acondicionador de potencia
Aunque es posible conectar el generador directamente al motor (si es de corriente continua), se
gana mucho en eficiencia intercalando un equipo que, en términos generales, adapte
impedancias entre los 2 elementos. En el caso de los motores de continua, la función principal
será convertir la tensión de los módulos en una adecuada para el motor y constante a lo largo
del día de forma que sólo la corriente varíe (en función de la irradiación incidente).
En el caso de los motores de alterna, este equipo es imprescindible para convertir la corriente
continua en alterna. En el último tiempo los inversores ofrecen la capacidad de generar una
frecuencia de trabajo variable en función de la potencia de entrada. Son los llamados
convertidores de frecuencia (CF) que están dando un resultado excelente en sistemas de
bombeo ya instalados.
17
Figura 4: Armario de Control para Bombeo Directo
Fuente: ISOFOTON
2.3.4.1 Convertidor de frecuencia
El desarrollo de los CF en las últimas décadas (con un mercado global en 2005 de 4900M$
crecimiento anual del 7%) ha sido incentivado por las numerosas ventajas que supone el
control de frecuencia (velocidad) de motores. Entre ellas cabe destacar el ahorro energético
obtenido mediante la sustitución de métodos de control de caudal mediante válvula de
estrangulamiento por control de caudal por variación de frecuencia. Todo ello supone que
actualmente sean elementos de muy alto rendimiento (>95%), amplias prestaciones,
disponibilidad y muy bajo coste.
Este equipo permite a partir de una determinada tensión y frecuencia de entrada obtener una
tensión de salida con diferente frecuencia. Esta característica y la estabilidad de salida dada
por la configuración la doble conversión los hace indicados para la alimentación de equipos y
máquinas cuya frecuencia de trabajo es distinta a la existente. Adicionalmente los convertidores
pueden adaptar el valor de tensión de salida a la requerida por los equipos a proteger.
El convertidor de frecuencia, básicamente está compuesto por un módulo rectificador que
transforma la tensión alterna de entrada en tensión continua. Esta corriente continua es
convertida en corriente alterna de la frecuencia y tensión deseada por el módulo inversor
mediante la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM). Un transformador provee
aislación galvánica.
La interfase con el usuario se realiza a través de un display LCD y de un teclado que permiten
visualizar y parametrizar las variables involucradas, leer mediciones, estados y alarmas. El
equipo tiene un conjunto de contactos secos (señales de alarmas y estados) que se activan
ante diferentes eventos para su monitoreo. [9]
18
Figura 5: Diagrama en bloques de un CF
Fuente: DEEP S.R.L.
Como se ha mencionado anteriormente, el control de la velocidad de las bombas implica un
convertidor de frecuencia. Por consiguiente, es interesante estudiar con más detalle los
convertidores de frecuencia, su funcionamiento y las precauciones relacionadas con el uso de
este dispositivo.
2.3.4.1.1 Características y funciones básicas de CF
Es un hecho bien conocido que la velocidad de un motor asíncrono depende ante todo del
número de polos del motor y de la frecuencia de la tensión suministrada. La amplitud de la
tensión suministrada y la carga en el eje del motor también influyen sobre la velocidad del
motor, aunque no en el mismo grado. En consecuencia, cambiar la frecuencia de la tensión de
alimentación es un excelente método para controlar la velocidad de los motores asíncronos.
Para poder garantizar la magnetización correcta del motor, también es necesario cambiar la
amplitud de la tensión.
Figura 6: Desplazamiento de la característica del par motor
Fuente: Grundfos S.A
Un control de la frecuencia/tensión da como resultado un desplazamiento de la característica
del par, por medio del cual se cambia la velocidad. La figura 6 muestra la característica del par
del motor (T) en función de la velocidad (n) para dos frecuencias/tensiones distintas. En el
19
mismo diagrama también se ha dibujado la característica de carga de la bomba. Como se
deduce de la figura, la velocidad cambia al cambiar la frecuencia/tensión del motor.
El convertidor de frecuencia cambia la frecuencia y la tensión, por lo tanto se puede inferir que
la tarea básica de un convertidor de frecuencia es cambiar una tensión/frecuencia fija
suministrada, p. ej., 220 V/ 50 Hz, a una tensión/frecuencia variable.
2.3.4.1.2 Componentes de un CF
Como se ha mencionado previamente, en principio, todos los convertidores de frecuencia
constan de los mismos bloques funcionales. Su función básica es convertir la tensión eléctrica
entrante en una nueva tensión de CA con otra frecuencia y amplitud.
En primer lugar, el convertidor de frecuencia rectifica la tensión eléctrica entrante y almacena la
energía en un circuito intermedio que utiliza un condensador. A continuación, la tensión de CC
se convierte en una nueva tensión de CA con otra frecuencia y amplitud.
Debido al circuito intermedio del convertidor de frecuencia, la frecuencia de la tensión entrante
no tiene influencia directa sobre la frecuencia de salida y, en consecuencia, sobre la velocidad
del motor. No importa si la frecuencia es de 50 Hz, 60 Hz o CC (Módulos FV), el rectificador
puede procesar ambas situaciones. Además, la frecuencia entrante no tendrá influencia sobre
la frecuencia de salida ya que ésta se define por el modelo de tensión/frecuencia establecido
en el inversor.
Teniendo en cuenta estos factores mencionados, el uso de un convertidor de frecuencia en el
caso de los motores asíncronos ofrece las siguientes ventajas:
• El sistema se puede utilizar en áreas con redes eléctricas de 50, 60 Hz o CC (Módulos
FV),sin necesidad de modificaciones.
• La frecuencia de salida del convertidor de frecuencia es independiente de la frecuencia de
entrada.
• El convertidor de frecuencia puede suministrar frecuencias de salida superiores a la
frecuencia de la red eléctrica, permitiendo el funcionamiento hipersincrónico.
Como se deduce de la figura 7, el convertidor de frecuencia a su vez consta de otros tres
componentes: un filtro EMC, un circuito de control y un inversor.
20
Figura 7: Bloques funcionales del convertidor de frecuencia
Fuente: Grundfos S.A
2.3.4.1.2.1 El filtro EMC
Este bloque no forma parte de la función principal del convertidor de frecuencia y, por lo tanto,
en principio podría no estar incluido en el convertidor de frecuencia. No obstante, para cumplir
los requisitos de la directiva EMC de la Unión Europea u otros requisitos locales, este filtro
resulta necesario.
El filtro EMC garantiza que el convertidor de frecuencia no enviará señales inaceptables de alto
ruido a la línea de alimentación eléctrica que perturbarían otros equipos conectados a la red
eléctrica. A la vez, este filtro garantiza que las señales de ruido presentes en la red eléctrica
generadas por otros equipos no pasarán a los dispositivos electrónicos del convertidor de
frecuencia causando daños o interferencias.
2.3.4.1.2.2 El circuito de control
El bloque del circuito de control tiene dos funciones: Controla el convertidor de frecuencia y a la
vez se encarga de las comunicaciones entre el producto y el entorno.
2.3.4.1.2.3 El inversor
La tensión de salida de un convertidor de frecuencia no es sinusoidal como la tensión normal
de la red de alimentación. La tensión suministrada al motor está formada por impulsos de
ondas cuadrada como se aprecia en la siguiente figura.
21
Figura 8: Tensión de la CA con frecuencia variable (fm) y tensión variable (U motor)
Fuente: Grundfos S.A
El valor medio de estos impulsos forma una tensión sinusoidal que tiene la frecuencia y la
amplitud deseadas. Dependiendo de la marca, la frecuencia de conmutación puede ser desde
unos pocos kHz hasta 20 kHz. Para evitar la generación de ruido en los devanados del motor,
es preferible utilizar un convertidor de frecuencia con una frecuencia de conmutación por
encima del rango de audición (~16 kHz).
Este principio de funcionamiento del inversor se denomina control por modulación por duración
de impulso, PWM (Pulse Width Modulation) y es el principio de control que se utiliza más a
menudo en los convertidores de frecuencia actuales.
La propia corriente del motor es casi sinusoidal. Esto se muestra en la figura 9 (a) que indica la
corriente (parte superior) y la tensión del motor. En la figura 9 (b) se muestra una sección de la
tensión del motor. Indica cómo cambia la relación de tensión de los impulsos/pausas. [9]
Figura 9: a) Corriente (top) y tensión del motor con control de modulación por duración de
impulso PWM (Pulse Width Modulation). B) Sección de la tensión del motor
Fuente: Grundfos S.A
22
2.3.4.2 Accesorios de protección y control
Son los dispositivos encargados de detectar las situaciones fluctuantes en un sistema de
bombeo. Las más importantes son la de depósito lleno y la de pozo vacío. Para conseguirlo se
pueden utilizar sensores de nivel, presostatos, boyas o aprovechar las capacidades que
presentan hoy en día los convertidores de frecuencia (por ejemplo, la detección de frecuencias
de trabajo excesivamente altas).
2.3.5 Infraestructuras hidráulicas
Tienen por misión conducir el agua, almacenarla y suministrarla a los usuarios. Deben evitar
pérdidas de agua y protegerla de agentes externos en todo el recorrido. Otros aspectos son los
de adecuación a los métodos de aprovisionamiento de agua de los usuarios, y (si es el caso)
que tengan en cuenta la idiosincrasia del grupo humano que se va a utilizar del sistema de
bombeo. [8]
23
3. Objetivos del Proyecto
El actual estado del arte de los sistemas de bombeo FV ha demostrado ser una tecnología
madura y altamente fiable para el abastecimiento de agua en áreas aisladas o sin energía
convencional como es el caso de muchas comunidades rurales del Norte y Sur de Chile.
Estos sistemas con buen rendimiento de operación, son productos especialmente diseñados
para aplicaciones FV, están disponibles en una reducida gama de potencias (limitación en
cuanto a la potencia máxima disponible), y resultan más caros en comparación con el costo del
bombeo convencional.
Tomando en consideración lo descrito anteriormente, el objetivo principal de este trabajo será:
Contribuir en el aseguramiento de la calidad de estos sistemas y en la reducción en su costo de
equipamiento, mediante:
La elaboración de especificaciones técnicas que, por un lado, garanticen la calidad
tanto de los componentes como de la globalidad del sistema fotovoltaico de bombeo, y
por otro, pueda ser aplicables universalmente. Estas especificaciones son el fruto de la
experiencia acumulada en la evaluación de diversos proyectos de bombeo y en
particular del proceso de control de calidad puesto en marcha en el proyecto MEDA [7]
El desarrollo de una metodología de cálculo para sistemas de bombeo FV mediante
convertidor de frecuencia, motor de inducción y motobomba AC centrífuga sumergible
convencional, ambos productos estándar del mercado, como alternativa al bombeo FV
convencional.
Para el logro de la primera etapa se propondrán una seria de especificaciones técnicas con la
fiabilidad como objetivo global, abarcando:
Estandarización de sistemas (sencillez en equipos e instalaciones)
Dimensionamiento y distribución de agua.
Detalles importantes a tener en cuenta en estos sistemas desde un punto de vista de
suministro de cierto volumen de agua en términos diarios.
Identificación de responsables locales de los sistemas y su mantenimiento.
Instalación de sistemas y revisión temprana de los mismos.
Establecimiento de una estructura de mantenimiento local para garantizar una larga
vida de los sistemas.
Revisión de los sistemas una vez instalados y después de un período de tiempo de
funcionamiento.
24
Estas estrategias han sido implementadas y convenidas en la práctica en un extenso programa
de bombeo fotovoltaico ejecutado en Marruecos, Argelia y Túnez.
La consecución de la segunda etapa se complementara con la presentación de un modelo
simplificado que permita la estimación de las curvas Potencia DCCaudal características de
sistemas de bombeo FV mediante convertidor de frecuencia a partir de datos de catálogo. El
modelo desarrollado permitirá disponer de una herramienta para la selección de la motobomba
más adecuada para cada aplicación.
Además se explicara el procedimiento adecuado para la conexión del CF al generador FV y
su óptima programación, con el objeto de operar motores estándar de inducción y bombas
centrífugas. Estos sistemas de bombeo FV formado por elementos convencionales suponen
una solución universal más restable en el rango de media y elevada potencia.
Las principales ventajas de esta investigación serán:
Disponer de un estándar técnico que sirva como base para el aseguramiento de la
calidad en proyectos de bombeo fotovoltaico que garantice un abastecimiento de agua
confiable y de larga vida útil.
Contar con un amplio rango de productos (motobombas) de potencias, alturas y
caudales, independencia de un determinado fabricante, elevado grado de fiabilidad, y
bajo coste final de la instalación, logrando utilizar cualquier modelo de convertidores
de frecuencia combinado con modelos de motobomba disponibles en el mercado
industrial que satisfaga el caudal y la altura necesarios para una determinada
aplicación.
25
4. Descripción de la metodología y/o datos empleados
La metodología de trabajo desarrollada en este estudio propone en un principio definir un
estándar técnico que sirva como base para el aseguramiento de la calidad en proyectos de
bombeo fotovoltaico para lugares donde no existe normativa al respecto como es el caso de
Chile. Estas especificaciones son el fruto de la experiencia acumulada en la evaluación de
diversos proyectos de bombeo y en particular del proceso de control de calidad puesto en
marcha en el proyecto MEDA y Programme Régional Solaire (PRS) 1 y 2 [7].
Luego el estudio se centrarse en los procedimientos adecuados para la conexión de CF a
generadores FV y su óptima programación, con el objeto de operar motores estándar de
inducción y bombas centrífugas. También se presentara un modelo, basado en datos de
catálogo, para la estimación de las curvas características, Potencia DCCaudal para cualquier
sistema CFmotobomba. Este modelo se ha validado experimentalmente por el CIEMAT –
Laboratorio de Energía Solar Fotovoltaica del Departamento de Energías Renovables y su
principal aplicación será el desarrollo de una herramienta de diseño para seleccionar la
motobomba más adecuada para cada aplicación [11].
Respecto al proyecto MEDA, este ha permitido la instalación de 52 sistemas de bombeo
fotovoltaico sumando todos ellos una potencia total de 257 [kWp], que ha beneficiado,
aproximadamente, a unas 50.000 personas. En todos los sistemas, el agua se bombea hasta
un depósito elevado desde donde se distribuye hasta las casas en donde, previamente, se ha
instalado un grifo y un contador. Este último sirve para aplicar las tarifas correspondientes por
el consumo de agua. Este proyecto ha supuesto una oportunidad para reflexionar sobre el
bombeo fotovoltaico en general.
Es importante destacar que la aproximación considerada aquí para el aseguramiento de una
calidad técnica se basa en la idea de que la “calidad técnica” es más bien una cuestión de
voluntad más que de sofisticación técnica. Esta idea está motiva por la persistencia de los
problemas en el terreno que permanecen debido a la ausencia de aplicación de cualquier tipo
de procedimiento de control de calidad.
La metodología utilizada para desarrollar las especificaciones aquí presentadas se inspira en el
“Universal Solar Standard for Solar Home Systems”, norma que ha sido ampliamente utilizada en distintos programas de electrificación rural desde su publicación en 1998 y que pretendió ser
lo suficientemente flexible para considerar las condiciones particulares de cada país (clima,
fabricación local, mercado local, capacidad de los pueblos autóctonos, etc.), pero manteniendo
los requisitos mínimos que permitieran garantizar la calidad [12].
26
Siguiendo esta misma metodología, las especificaciones del estándar propuesto en este trabajo
se han clasificado en tres grupos: Obligatorias (O), Recomendadas (R) y Sugeridas (S).
Los criterios Obligatorios (O) son los que pueden afectar directamente a la seguridad y la
fiabilidad. El incumplimiento de estos criterios puede terminar en daños personales o en averías
del sistema. Por tanto constituyen los requisitos mínimos que debe cumplir cualquier sistema y
que, por tanto, deben ser respetados independientemente del emplazamiento geográfico del
sistema de bombeo.
Los criterios Recomendados (R) son aquellos que normalmente permiten una optimización del
sistema. La mayor parte de ellos son universalmente aplicables, y una falta de su cumplimiento
puede provocar, en última instancia, un aumento del coste de los sistemas. Por tanto, y visto
que las consideraciones económicas dependen de las condiciones locales, la aplicación de
estos criterios debe ser función de cada caso particular.
Los criterios Sugeridos (S) son aquellos que persiguen una instalación robusta. No obstante,
hay que señalar que la calidad y solidez de los sistemas son muchas veces apreciaciones
personales fruto de la experiencia de los autores y, por tanto, conllevan cierto grado de
subjetividad. Los criterios propuestos aquí, pueden ser tamizados por la experiencia de los
promotores de los proyectos y las particularidades del emplazamiento final, y su aplicación
debe, en consecuencia, ser revisada en cada caso particular.
Los símbolos, “O”, “R”, “S”, son utilizados en el resto del trabajo para especificar el carácter
obligatorio, recomendado o sugerido de cada criterio, según la clasificación mencionada
anteriormente.
Asimismo se ha escogido una nomenclatura para designar cada una de las normas que se
proponen con el objetivo de referenciarlas de una manera clara y rápida. Las claves utilizadas
y las partes o funciones a que corresponden son:
“CO”: consumo de agua. “INS”: Aspectos generales de la instalación
“I”: irradiancia. “P”: Sistema de potabilización de agua.
“B”: bombeo o la fuente de agua. “PT”: Protecciones.
“G”: generador fotovoltaico.
“E”: estructura soporte del generador.
“C”: convertidor de frecuencia.
“M”: Motobomba.
“CAB”: Cableado.
“IH”: infraestructuras hidráulicas.
27
5. Desarrollo del Contenido
5.1 Requisitos generales y funcionamiento del sistema fotovoltaico de bombeo
Desde un punto de vista general los sistemas de bombeo están compuestos de las siguientes
partes:
Un generador fotovoltaico, compuesto a su vez, de módulos interconectados eléctricamente hasta constituir una unidad de producción DC, y de una estructura soporte.
Un acondicionador de potencia, constituido por un convertidor DC/AC, capaz de variar la frecuencia y la tensión de salida en función de la potencia disponible del generador, que a su
vez, es función de la irradiancia incidente.
Una motobomba sumergida, formada por la asociación de un motor eléctrico de inducción y de una bomba, centrífuga.
Un cableado eléctrico a través del cual circula la energía desde el generador fotovoltaico hasta el motor, y que incorpora funciones de control y seguridad.
Una infraestructura hidráulica que conduce el agua desde la fuente, normalmente un pozo, hasta los puntos de distribución y que, a su vez, está constituida por cuatro elementos: la
fuente de agua, la conducción entre la fuente y la entrada al depósito de almacenamiento, el
depósito y la conducción entre el depósito y los puntos de distribución. En esta definición, se
entiende por conducción el conjunto de tuberías, accesorios (llaves de paso, empalmes, etc.),
dispositivos de medida y de la interface con el usuario: grifos, fuentes, etc.
Un sistema de potabilización de agua, allí en donde las condiciones sanitarias del agua lo hagan necesario.
La mayor parte de las bombas fotovoltaicas actuales, destinadas al suministro de agua potable
a las poblaciones rurales, responden a este esquema, y su gama de funcionamiento cubre el
rango que va desde los 200 m4 hasta superar los 1.000 m4 (unidad que representa un volumen
de agua, medido en metros cúbicos, elevado a cierta altura medida en metros) al día [13].
En particular, para las gamas de aplicación de entre 50 y 400 m4 al día, el mercado ofrece
algunos buenos sistemas de bombeo con motores que funcionan directamente en DC. En
estos casos, se podrán aplicar estas especificaciones sin más que sustituir el término
convertidor DC/AC por convertidor DC/DC.
28
Recientemente, la gama de bombas sumergidas se ha ampliado con las comúnmente llamadas
bombas helicoidales o de desplazamiento positivo. Más concretamente cuando se trata de
grandes alturas de bombeo, del orden de cientos de metros y, al mismo tiempo, volúmenes
diarios de agua reducidos, inferiores a 20 m3, el rendimiento de este tipo de bombas es
significativamente más elevado que el de las bombas centrífugas equivalentes.
Diversos estudios han detectado el interés de estas bombas para los casos de pueblos con
niveles freáticos profundos y poblaciones de menos de 300 habitantes. En estos casos hay que
afrontar el alumbramiento del pozo y la construcción de infraestructuras en esas condiciones
particulares, lo que se traduce, en un precio elevado del agua bombeada. Por otro lado, no hay
que olvidar que este tipo de bombas requieren una potencia elevada de arranque [14].
El éxito de un sistema de suministro de agua debe ser evaluado basándose en los siguientes
criterios:
Capacidad de bombeo
Fiabilidad
Seguridad
Sencillez de uso
Sencillez de instalación y mantenimiento
Calidad sanitaria del agua
El orden de esta lista no pretende establecer un orden de importancia. Este estudio se inclina
sobre las implicaciones de cada uno de estos criterios, buscando deducir las especificaciones
técnicas concretas, que pueden ser incorporadas directamente en los procedimientos que
regulan la adquisición e instalación de los equipos. En varios casos, una especificación
particular puede derivar de criterios variados y distintos.
Por ejemplo, las especificaciones destinadas a evitar las pérdidas de agua o la corrosión en las
tuberías afectan la fiabilidad, pero también a la sencillez del mantenimiento y la calidad
sanitaria del agua. En estos casos, los criterios afectados se mencionarán en el texto
solamente el primero caso. En el ejemplo mencionado, se referiría solamente el criterio de
fiabilidad. Se podrían haber considerado otros criterios para clasificar las normas, por ejemplo,
atendiendo a los procedimientos de ensayo necesarios para su comprobación, de especial
utilidad en los procesos reales de control de calidad.
29
5.1.2 Capacidad de bombeo
La demanda de agua, la irradiación solar y la altura de bombeo, son los datos que deben de
ponerse a disposición del diseñador del sistema de bombeo fotovoltaico. Hay que insistir en el
hecho de que los valores estimados de estos parámetros no son más que predicciones, que
inevitablemente llevan asociadas un cierto grado de incertidumbre. Esta incertidumbre es
comúnmente asumida, y representa una seria limitación a la precisión de los resultados
obtenidos de cualquier ejercicio de dimensionado.
5.1.2.1 Consumo de agua
Para estimar el consumo de agua de poblaciones rurales, la literatura recomienda un valor
situado entre 20 y 40 litros por persona y día. Sin embargo, el contraste experimental de esta
práctica es escaso y poco concluyente. Las pocas medidas reales publicadas revelan que,
incluso para dos lugares aparentemente idénticos (misma región, misma forma de vida, etc.) la
utilización del agua bombeada por un sistema fotovoltaico puede responder a patrones muy
diferentes. En estas condiciones de semejanza, se han encontrado factores de utilización de
agua (relación entre el volumen de agua consumido y el disponible) que van del 30 al 70% [15].
En el caso de lo que ha sido observado en Marruecos se puede diferenciar entre la parte de
agua utilizada para el consumo humano (cocinar, beber, etc.), estimado en 15 litros por
persona y día, y la parte dedicada otros usos domésticos (aseo personal, lavado de ropa,
consumo de animales domésticos, etc.) estimado en 35 litros por persona y por día [15].
Aunque repartiendo de distinta manera el agua asignada a cada necesidad básica, otros
autores llegan a la misma cifra total (50 litros por persona y día) tras estudios más genéricos.
La cantidad diaria de agua que deberá suministrar la bomba resulta de sumar el primer término
más el segundo multiplicado por un factor modulador que depende de la facilidad de acceso al
punto de suministro de agua [16].
A manera de sugerencia para el dimensionado de los sistemas, se utilizará el intervalo que va
entre los 15 y los 50 litros de agua por persona y día. El límite inferior corresponde a las
situaciones para las cuales el agua es distribuida a través de fuentes comunales, lo que supone
un esfuerzo mayor por parte de las personas, mientras que el límite superior corresponde a
situaciones en las que hay un punto de suministro de agua en cada casa [15].
Al mismo tiempo que se considera esta hipótesis a la hora de dimensionar el sistema, hay que
tener en cuenta también las particularidades de cada pueblo (disponibilidad de otras fuentes de
agua, tradiciones, etc.) y, dado que estas particularidades no son conocidas a priori, el
diseñador está obligado a decidir sabiendo que va a tener cierto margen de incertidumbre. Lo
30
más habitual es elegir unos valores elevados que permitan tener en cuenta el aumento del
número de habitantes del pueblo o el cambio en los perfiles de consumo. Por todo ello se
aconseja:
CO1. Si el suministro de agua a la población se efectúa a través de fuentes comunes, el
valor del volumen de agua para el cálculo del dimensionado del sistema debe ser de 20
litros por persona y día. ®
CO2. Si el suministro de agua a la población se efectúa a través de grifo individual en
cada casa, el valor del volumen de agua para el dimensionado deberá ser de 45 l itros por
persona y día. ®
En particular, cuando se trata de sistemas de alimentación comunitarios, y si además existen
otras fuentes alternativas, estas recomendaciones tenderán a un cierto sobredimensionado de
la bomba, es decir, a situaciones en las que la utilización real del agua es inferior a la
capacidad del sistema de bombeo. Esta tendencia acarreará un cierto sobrecoste económico,
pero evitará el riesgo contrario, es decir, el subdimensionado de la infraestructura, ante el cual
las poblaciones son muy sensibles. Es importante recordar que el coste de un sistema de
bombeo fotovoltaico está lejos de ser lineal con su tamaño y que el generador tan solo
representa una pequeña parte en el coste del sistema completo (un 17% en el caso del
programa llevado a cabo en Marruecos) [15].
5.1.2.2 Irradiación solar
La estimación de un valor de referencia para la irradiación solar incidente sobre la superficie de
un generador añade aún más incertidumbre en la concepción de una bomba fotovoltaica. De
acuerdo con su naturaleza aleatoria, la irradiancia se caracteriza por un valor medio Gd (I), representativo de su potencial total y por una desviación estándar σd, representativa de su
variabilidad. Para un lugar dado, estos valores pueden ser obtenidos tomando datos durante un
período de tiempo suficientemente largo para que sean estadísticamente representativos.
A partir de estos valores, se puede predecir la evolución futura de la irradiación. Para asegurar
una predicción con una probabilidad del 95%, es necesario considerar un margen de variación
de Gd (I) ± 2σd. En general, los valores medios mensuales de irradiación diaria horizontal, Gd (0), están ampliamente disponibles, a diferencia de lo que ocurre con los de la desviación.
Además, los métodos para estimar el valor de Gd (I) a partir de Gd (0) son bien conocidos [16].
Un ejemplo que ayudará a comprender mejor esta situación se presenta en la tabla 1 donde se
muestran las medias mensuales de la irradiación horizontal observada en Madrid para el mes
de marzo entre los años 2000 y 2007 (en [kWh/m2]):
31
Tabla 1: Irradiaciones [kWh/m2] registradas en Madrid en los meses de
Marzo de los años 2000 a 2007 en Madrid.
Fuente: Archivo Solar CIEMAT
A partir de estos datos, se puede caracterizar un mes de marzo genérico mediante el valor
medio de irradiación, Gd (0) = 4’26 [kWh] y la desviación típica, σd = 0’27 [kWh]. Esto supone
que para cualquier mes de marzo del futuro, si se desea predecir la irradiación con una
probabilidad del 95% hay que dar a la predicción un margen entre 4’26 + 2 x 0’27 = 4’8
[kWh/m2] y 4’26 –2 x 0’27 = 3’72 [kWh/m2], es decir un ±12’7% alrededor del valor medio.
Sin embargo, el reconocimiento de la incertidumbre asociada no elimina la necesidad de dar un
valor de referencia para el diseño del sistema. Esta necesidad es doble, por un lado es
necesario para calcular el tamaño del sistema de bombeo, y por otro, la comprobación de la
capacidad de bombeo del sistema exige fijar las condiciones de referencia de radiación en las
que dicho sistema debe entregar cierto servicio.
El consumo de agua varía de forma significativa a lo largo del año, y que el mes más
desfavorable a tener en cuenta para el diseño del sistema, corresponde a la época más seca,
el verano
En la mayoría de los casos, es útil recurrir a la recomendación siguiente:
I1. El valor de la irradiación diaria incidente sobre la superficie del generador para el
diseño debe estar situado entre 5 y 7 kWh/m2. El valor central de este margen, es decir, 6
kWh/m2 esta especialmente aconsejado. (S)
Por otro lado, el rendimiento instantáneo de la cadena de bombeo varía con la irradiancia. Por
ello, las especificaciones de un sistema de bombeo requieren la consideración, no solamente
de la irradiación total disponible, sino de un perfil de distribución de la irradiancia a lo largo del
día, G(t). La norma IEC 61725 describe una formulación analítica particularmente conveniente, que permite sintetizar el perfil de irradiancia a partir de los valores de irradiación diaria Gd, de la irradiancia máxima GMAX, y la duración del día, Sd. [18]
La comparación de los perfiles descritos en esta norma a partir de una larga colección de días
reales conduce a recomendar para estos parámetros los valores de la tabla 2:
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
3’78 4’32 4’48 4’40 4’15 3’92 4’55 4’5
32
Gd (kWh/m2) GMAX(W/m2) Sd (horas)
7 1.035 12
6 1.000 11
5 830 10
4 675 9
3 575 8
Tabla 2: Valores recomendados para los parámetros considerados en el IEC 61725
Fuente: Archivo Solar CIEMAT
Por ello se propone que:
I2. Para el dimensionado se considerará el perfil diario de irradiancia descrito en la
norma IEC 61725 para los valores de la tabla 2. (S)
5.1.2.3 La fuente de agua: altura de bombeo y capacidad de suministro
Las principales fuentes de agua en el medio rural son los sondeos y los pozos tradicionales.
Para el propósito que nos ocupa, la diferencia entre estas dos fuentes de agua radica en la
capacidad de almacenamiento. Los sondeos, que son siempre estrechos (diámetro típicamente
inferior a 30 cm), no permiten acumular agua en su interior. En consecuencia, el caudal
extraído proviene del agua percolada a través de sus paredes. Por el contrario, los pozos
tradicionales son siempre más grandes (diámetros de 2 metros normalmente), y por tanto
pueden acumular cantidades de agua significativas en su interior.
El comportamiento dinámico de los sondeos es tal que, la profundidad del agua se incrementa
cuando el caudal extraído aumenta. La apertura de un sondeo debe ser seguida de un ensayo
de caracterización que permita establecer tres valores: la profundidad o nivel estático, HST,
correspondiente a un caudal nulo, la profundidad dinámica, HDT, correspondiente a la
profundidad utilizada en el ensayo, y el valor del caudal de ensayo, QT (ver figura 10).
En todo lo que sigue se entiende que las profundidades son distancias desde el nivel del agua
hasta el borde del pozo (brocal, o borde sin más).
33
Figura 10: Dinámica de un sondeo
Fuente: GTZ
La naturaleza del bombeo fotovoltaico hace que el caudal extraído del pozo varíe dentro de
cierto margen a lo largo del día. Lógicamente, cuanto más grande sea el volumen diario de
agua bombeada, más grande será el margen de caudales, y en consecuencia, más grande
también será la variación de la altura total de bombeo. Para un pozo, un sistema de bombeo y
un día determinado, se puede definir una altura total de bombeo equivalente, HTE, correspondiente a un pozo hipotético en el que la altura no varía con el caudal, y a partir del
cual la bomba extraerá el mismo volumen de agua a lo largo del día. Se puede, entonces,
estimar el valor de HTE a través de la fórmula empírica siguiente [19]:
(1)
Con QAP = αQd, y donde α = 0,047 cuando Qd esta expresado en metros cúbicos. HOT es la altura vertical a partir de la salida de agua hasta el suelo, y HE (QAP) son las pérdidas de carga correspondientes a QAP. Hay que destacar el valor QAP, llamado “caudal aparente”, es un caudal medio.
Se puede observar, como es previsible, que el valor de HTE aumenta a medida que el volumen diario extraído Qd aumenta, y el caudal del pozo QT (dependiente de la capacidad del pozo de reponer agua), disminuye.
En el momento de elegir una bomba fotovoltaica, es cómodo recurrir al valor HTE, ya que, por un lado facilita la tarea del diseñador, y por otro, hace válidos ensayos de laboratorio realizados
34
a altura constante, en el marco de posibles mecanismos de control de calidad de sistemas de
bombeo.
Aparte de esto, está claro que la capacidad máxima del pozo no debe jamás ser sobrepasada
por el sistema de bombeo fotovoltaico. Lo cual nos conduce a un criterio importante:
B1. Cuando el bombeo es realizado a partir de sondeos (pozos perforados no
tradicionales), el caudal correspondiente al generador funcionando en las condiciones
estándar de medida (irradiancia=1000W/m2, temperatura de célula = 25ºC) debe ser
menor que el valor del caudal de caracterización del sondeo. (O)
En lo referente a pozos tradicionales, ni sus características, ni los tipos de bombeo disponibles
están estandarizados. Mientras, estas fuentes de agua representan a menudo la mejor
alternativa para el suministro de agua a un pueblo. A la hora de elegir una bomba, solo el valor
de HTE puede ser suficiente para caracterizar el pozo.
Se debe señalar además que la sequía ha sido señalada, con frecuencia, como motivo de
parada de un buen número de sistemas de bombeo fotovoltaico. Este problema ha sido
encontrado también en Marruecos. Por tanto, no estará de más incluir este hecho en el
dimensionado en forma de recomendaciones de ahorro de agua a los usuarios del sistema [20].
Independientemente del régimen de lluvias o sequías, y relacionado también con los pozos
artesanales, es importante destacar el hecho de que la instalación de una bomba fotovoltaica
puede suponer una capacidad de bombeo apreciablemente superior a la disponible con el
sistema de bombeo previo. Si se trata de una bomba manual, esta afirmación es obvia, pero
incluso si la bomba anterior esta impulsada mediante un motor diesel, es muy probable que
también sea cierta.
Generalmente los sistemas diesel son más propicios a las paradas por averías o
mantenimiento, de forma que, en término medio, el volumen de agua bombeado suele ser
menor. Ante esta situación, aunque los usuarios del pozo manifiesten que éste nunca se seca,
conviene reforzar la capacidad de almacenamiento del mismo. Por lo tanto:
B2. Es recomendable aumentar la capacidad de los pozos artesanales que van a recibir
una bomba fotovoltaica mediante su profundización y/o excavación de galerías laterales,
hasta alcanzar un volumen diario de almacenamiento superior al de extracción diaria de
la bomba. ®
35
5.1.2.4 Tamaño del generador fotovoltaico
Una vez conocido el volumen diario, Qd (m3), la altura de bombeo equivalente, HTE (m) y la irradiación diaria incidente sobre el plano del generador, Gd (kWh/m2), la potencia nominal
correspondiente del generador fotovoltaico, PG*, es calculada teniendo en cuenta el rendimiento asociado a cada elemento en particular dentro del sistema total. No tiene ningún
sentido especificar aquí un valor concreto para PG*. Sin embargo se considera interesante presentar un método cuya aplicación conduzca a una buena aproximación para este valor.
Si se supone que la tubería tiene un diámetro suficientemente grande, la velocidad del agua
en el interior será despreciable, y por tanto, también lo serán las pérdidas de carga y la energía
cinética de entrada del agua en el depósito. En estas condiciones, el balance energético de una
bomba fotovoltaica puede ser establecido considerando que la energía hidráulica que ésta
suministra, EH, es igual a la energía potencial ganada por el agua, EPOT. Siendo, entonces válida la expresión siguiente:
(2)
Donde ηg, ηI y ηMB son respectivamente los rendimientos diarios del generador, del inversor y
de la motobomba, ρ = 103 kg/m3 es la densidad del agua y g=9’8 m/s2 la aceleración de la gravedad.
Una aproximación razonable, para los generadores de silicio monocristalino, el inversor y las
bombas centrífugas consiste en suponer los valores siguientes:
Hay que destacar que la relación incluya
pérdidas de energía debidas a: temperatura de trabajo de las células superior a 25ºC,
irradiancias incidentes menores de cierta cantidad (aprox. 200 W/m2), ángulos de incidencia
distintos de los óptimos y existencia de suciedad sobre los módulos.
Se llega por tanto a:
(3)
36
Además de su simplicidad, esta expresión conduce a resultados satisfactorios. Un estudio de la
GTZ sobre un buen número de bombas fotovoltaicas instaladas en sus proyectos de
cooperación al desarrollo encontró, de hecho, que esta expresión conducía generalmente a
mejores resultados que las deducidas a partir de herramientas gráficas suministradas por los
fabricantes [21].
Como ejemplo, supondremos un sondeo con las características siguientes: QT=5,2 [m3/h], HST=5 [m] y HDT=32 [m]. Se equipa con una bomba fotovoltaica capaz de suministrar 30 m3 al día cuando la irradiación diaria global incidente es de 6 [kWh/m2]. Se sabe también que el agua
bombeada será almacenada en un depósito situado a 7 metros de la superficie. Los cálculos
son:
Suponiendo una bomba centrífuga típica, la potencia nominal aproximada del generador
fotovoltaico será:
5.1.3 Fiabilidad
La fiabilidad de los sistemas de bombeo, en el sentido de ausencia de averías, depende, no
solo de la fiabilidad de los componentes, sino también de otros aspectos como la capacidad de
la fuente de agua, la calidad de la instalación, etc. Cada componente debe satisfacer los
mismos criterios de fiabilidad, porque su integración en el sistema hace que la avería de uno de
ellos repercuta en la calidad del conjunto.
La fiabilidad debe ser entendida aquí como referida a la disponibilidad de agua. El matiz es
importante, porque a la calidad intrínseca de los elementos se unen las condiciones
particulares del lugar en el que trabajan en el desempeño final del sistema. Por ejemplo, un
grifo de buena calidad que no está disponible en el mercado local, puede resultar menos fiable
que otro de menor calidad pero que es fácilmente localizable, y por tanto sustituible. Las
consecuencias de una avería en el primer caso, en términos de disponibilidad de agua, son
peores que en el segundo.
37
5.1.3.1 Generador fotovoltaico
G1. Los módulos fotovoltaicos deben estar certificados de acuerdo con la norma
internacional IEC61215, o la norma específica aplicada en el país correspondiente. (O)
Hasta el momento, este criterio excluye los módulos fotovoltaicos de película delgada. La
fiabilidad de esta tecnología está sujeta a debate generalizado. Existen normas específicas
para ella (IEC61646) y su utilización está aceptada en algunos proyectos de electrificación
rural apoyados por el Banco Mundial [22].
Sin embargo, la experiencia práctica con esta tecnología no es aún concluyente, y aconseja
tomarla con precaución. En el caso concreto de los sistemas de bombeo, la importancia de los
módulos fotovoltaicos en el coste total de los sistemas no es significativo (17% en el caso de
los proyectos llevados a cabo en Marruecos con respecto al coste total de los sistemas ya
instalados sin incluir el coste de los depósitos e infraestructuras de distribución) y, en
consecuencia, no parece tener sentido asumir riesgos importantes a cambio de una reducción
del precio, que en el conjunto de los sistemas, es bastante modesta [15].
La tensión continua de funcionamiento de los sistemas de bombeo es con frecuencia elevada,
normalmente más de 120 [V], lo que hace importantes los peligros de averías en caso de
sombreamiento parcial de los módulos, requiriendo una protección específica.
Afortunadamente, la mayoría de los fabricantes incluyen sistemáticamente diodos de “bypass”
destinados precisamente a esta protección en todos los módulos fotovoltaicos: Por lo tanto:
G2. Los módulos fotovoltaicos deben estar protegidos con diodos de “ bypass” contra el
fenómeno del punto caliente. (O)
Comúnmente los generadores fotovoltaicos están constituidos por una asociación de varias
ramas en paralelo, cada una de ellas constituida por la asociación de módulos conectados en
serie. En circunstancias anormales, la ocurrencia de una corriente inversa es posible, y varios
diseñadores incluyen un diodo anti retorno en cada rama como medida de protección contra
este fenómeno. Sin embargo, este fenómeno es extremadamente improbable, y además, hay
evidencias de que los módulos pueden soportar sin daño alguno corrientes inversas hasta
cinco veces la corriente de cortocircuito en condiciones estándar, I* SC, m. Son varios los
autores que piensan que son más las desventajas que las ventajas de tales diodos [2324].
38
Es por ello que son poco recomendados. En su lugar, es mejor recurrir a un fusible en el
extremo de cada rama, capaz de soportar una corriente de 2 a 4 veces el valor de I*SC, m. Un
fusible adicional en el extremo opuesto es también una manera fácil y cómoda de aislar la rama
completamente del resto del generador, lo cual es útil para el mantenimiento en general y para
la detección de posibles fallos de aislamiento en particular.
Por consiguiente:
G3. Los generadores fotovoltaicos constituidos por 5 ramas o más conectadas en
paralelo deben estar protegidas contra el fenómeno de corriente inversa (O)
G4. La protección a base de fusibles, capaces de soportar una corriente de 2 a 4 veces la
corriente de cortocircuito del módulo en condiciones estándar, esta particularmente
recomendada ®
Por otro lado:
E1. Las estructuras soporte deben ser capaces de resistir durante al menos ,10 años, las
condiciones de intemperie sin corrosión ni fatigas importantes. (O)
E2. Las estructuras soporte deben resistir vientos de más de 120 km/h. ®
Varios materiales han demostrado ya su idoneidad: acero inoxidable, aluminio, acero
galvanizado, madera tratada, etc.
G5. En el caso de módulos fotovoltaicos con marco metálico, el conjunto de la tornillería
y los elementos de fijación deben ser exclusivamente de acero inoxidable. (O)
Es importante mencionar que los módulos sin marco, pegados directamente a una estructura
soporte mediante una adhesivo adecuado, aunque poco utilizados en el mercado actual de
bombeo fotovoltaico han dado a menudo pruebas de buen funcionamiento en otros sectores
del mercado fotovoltaico en general, y pueden ser aceptados aquí.
Los mismos requerimientos referidos a los módulos de capa delgada, se aplican también a los
sistemas solares con seguimiento: la mejora en energía conseguida (en términos de agua
bombeada) está entre el 30 y 50%, pero el mismo resultado puede ser conseguido aumentado
en las mismas proporciones la potencia nominal del generador fotovoltaico. De nuevo, la
repercusión de este aumento de potencia es de poca importancia en comparación con el coste
total del sistema de bombeo, y no justifica los riesgos adicionales que el seguimiento conlleva
(mantenimiento de motores, sistemas de control del seguimiento, etc.). Por ello, y aún sabiendo
que existen en el mercado sistemas con seguimiento con buenos resultados, se confirma que:
39
E3. Las estructuras soporte fijas son preferibles a las que realizan seguimiento del sol
(en uno o dos ejes). (S)
Desafortunadamente, el robo de módulos crece allí donde se desarrolla el mercado
fotovoltaico. Y es también mencionado como causa de avería en sistemas de bombeo de este
tipo. Por ello merece la pena luchar contra este problema con los medios que ofrezca el
mercado en cada caso: vigilancia personal, dispositivos antirrobo, cerramientos específicos,
etc. Por tanto:
G6. El diseño del generador fotovoltaico debe considerar sistemas de protección contra
el robo (S)
La orientación y el ángulo de inclinación de la estructura soporte debe permitir la optimización
de la energía incidente sobre el generador durante el mes más desfavorable del año, es decir
durante el mes que presente la relación menor entre la irradiación y la demanda, es decir:
E4. La orientación debe ser al norte en el hemisferio sur y al sur en el hemisferio norte.
(O)
Generalmente, el mes más desfavorable corresponde al mes más caluroso y coincide con el
verano. Se puede utilizar la fórmula siguiente para la selección del ángulo de orientación:
E5. Inclinación =máx. 10º, [abs (latitud) – 10º]. ®
Donde la latitud se expresa en grados. Esta expresión considera un mínimo de 10º, que es lo
suficiente para permitir la limpieza realizada por el agua de lluvia. Hay que insistir en el hecho
de que ligeras desviaciones de la inclinación (±10º) con respecto a sus valores óptimos tienen
incidencias mínimas en lo referente a la generación de energía resultante, y deben ser
tolerados como norma general. Las sombras, sin embargo, pueden llegar a tener un efecto
desfavorable, y por tanto hay que poner especial atención para evitarlas [10] .Por ello:
G7. Los generadores fotovoltaicos deben estar totalmente libres de sombras en el
intervalo de 8 horas centrado en el medio día solar. ®
40
5.1.3.2 Convertidor de Frecuencia
Este elemento sirve, principalmente, para transformar la corriente que suministra el generador
fotovoltaico en corriente alterna, necesaria para alimentar los motores de inducción. Además, el
convertidor puede incorporar funciones de protección ante situaciones anormales: nivel bajo de
agua en la fuente de agua, desbordamiento del depósito, ausencia de insolación sobre el
generador, etc.
En lo que respecta al generador fotovoltaico, el funcionamiento del convertidor debe ser tal que
la tensión DC de trabajo que impone a su entrada sea la más próxima a la tensión en el punto
de máxima potencia del generador teniendo en cuenta su variación debida a la temperatura. De
hecho, son numerosos los convertidores que incorporan esta función. Mientras, hay que hacer
notar que la alternativa de funcionar a tensión DC constante es factible, ya que las pérdidas, en
comparación, son débiles cuando la tensión es convenientemente elegida.
La figura 11 muestra el menor suministro de agua asociado al funcionamiento a tensión DC
constante comparado con uno en el que la tensión DC sigue continuamente a la de máxima
potencia. La simulación esta hecha con datos de irradiancia horizontal y temperatura ambiente
correspondientes al año 2007.
Se han utilizado datos medios horarios de las dos magnitudes para todos los días del año. En
el eje de las abscisas se representa la tensión de trabajo en términos porcentuales respecto de
la de máxima potencia en condiciones estándar, y en el de las ordenadas el volumen total
anual de agua bombeado para cada tensión de trabajo. Los puntos azules representan el
volumen de agua bombeado si se sigue el punto de máxima potencia (se repite en cada
simulación para una mejor comparación visual).
41
Figura 11: Estimación de las pérdidas en volumen de agua bombeada si se hace trabajar al
convertidor en tensión DC constante respecto al funcionamiento con seguimiento del punto de
máxima potencia. Los cálculos están realizados a partir de datos meteorológicos (irradiancia
horizontal y temperatura ambiente) medidos en Madrid.
Fuente: Univ. Politécnica de Madrid
Los puntos rojos son los distintos suministros resultantes de trabajar a tensiones distintas de la
de máxima potencia en condiciones estándar. Se puede observar que eligiendo
adecuadamente la tensión de trabajo, las pérdidas esperables no son de consideración. Según
este resultado se tiene una pérdida del 6 % para un margen de tensiones, que, en el caso
puesto para ilustrar esta discusión, está en el entorno del 10 % por debajo de la tensión de
máxima potencia en condiciones estándar. La climatología del lugar es la que va a dictar la
tensión correcta de trabajo [15].
Por ello:
C7. El funcionamiento en el punto de potencia máxima es preferible, sin embargo el de
tensión constante es también aceptable (S).
En principio, es posible especificar un margen recomendable de pérdidas energéticas
asociadas al funcionamiento en modo distinto del seguimiento del punto de máxima potencia.
Por tanto, se estima preferible considerarlos en la capacidad del sistema de bombeo en su
conjunto, que ya ha sido considerado en la sección “Capacidad de bombeo”. En otras palabras,
es preferible especificar únicamente en términos de agua a suministrar, y permitir al proponente
del sistema que sea libre de elegir la solución técnica que considere más oportuna en cada
caso.
Por otro lado, el convertidor DC/AC debe adaptar la corriente AC que suministra a su salida a
las características del tipo de bomba. Las bombas actuales, de las que las centrífugas
representan un porcentaje mayoritario, se caracterizan por una altura dada. El par mecánico
desarrollado por la bomba está relacionado directamente con el cuadrado de su velocidad de
rotación, que, a su vez, está directamente ligado a la frecuencia de alimentación del motor.
Además, el par mecánico que suministra un motor de inducción es directamente proporcional al
cuadrado de la relación entre la frecuencia y la tensión (TM~ (V/f)2). Debido a esto, el
convertidor DC/AC debe ajustar la tensión y la frecuencia a la salida de manera tal que se
mantenga constante la relación (V~f2) [10].
42
5.1.3.3 Protecciones
La ocurrencia de situaciones anormales no puede jamás ser excluida totalmente en el
funcionamiento de los sistemas de bombeo fotovoltaico. Resulta cómodo incorporar
protecciones necesarias en la propia electrónica de los convertidores DC/AC. La situación
potencialmente más peligrosa, corresponde a la falta de agua en la fuente (pozo, sondeo, etc.).
Cuando, por la razón que sea, el nivel de agua llega a la entrada de aspiración de la bomba,
ésta empieza a extraer una mezcla de aire y agua. Ese fenómeno es denominado cavitación.
Una bomba que cavita puede averiarse rápidamente por exceso de vibración o por exceso de
calor. Además, la superficie interior del pozo por debajo de la capa freática puede llegar a
deteriorarse a causa de los vacíos provocados en el pozo.
Una protección ante esta eventualidad, puede conseguirse midiendo directamente el nivel de
agua en el pozo con la ayuda de un sensor de nivel que da una orden de parada al convertidor
cuando el agua desciende por debajo de cierto nivel determinado. Sin embargo, la experiencia
con estos sensores ha mostrado que en unos casos, su instalación es difícil, y que en otros, su
fiabilidad no es suficiente.
Por ello, es más recomendable seguir el funcionamiento propiamente dicho de la bomba. La
densidad del aire es unas 1000 veces inferior a la del agua, y por esto, la entrada del aire en la
bomba hace disminuir sensiblemente el peso de la columna de fluido entre la bomba y el
depósito, y con ello la resistencia que se opone al movimiento del eje. Por tanto, el motor,
liberado de carga, tenderá a girar más rápidamente y demandará al convertidor más corriente,
que redunda en una frecuencia superior a la que le corresponde en su funcionamiento normal.
La protección, por tanto, está basada en la parada de la bomba cuando cierto valor de
frecuencia de trabajo de la bomba es superado.
Por estas razones:
C8. El sistema de bombeo debe estar protegido contra la eventualidad de falta de agua
en la fuente, o también, de la entrada de aire en la bomba. (O)
C9. La protección basada en la detección de un valor de frecuencia elevado es preferible
a la protección basada en el nivel de agua en la fuente (pozo, sondeo, etc.).(S)
Por otro lado, e independientemente de la forma de protección adoptada, una vez que la
bajada del nivel de agua provoca la parada de la bomba, ésta no deberá encenderse hasta que
la recuperación del nivel de agua sea tal que permita de nuevo un bombeo continuo. Por ello, o
bien se dispondrá de un segundo sensor de nivel de agua en el pozo que dé la orden de
43
arranque cuando ésta le supere, o bien ésta orden se retrasará cierta cantidad de tiempo
razonable que permita la recuperación del pozo. Una o dos horas pueden ser suficientes [15].
Por lo tanto:
C10. La protección de falta de agua en el pozo deberá incluir una temporización que
asegure la recuperación del nivel de agua, antes de iniciar nuevamente el bombeo. (O)
La acumulación de materia en suspensión retenida en el agua, o la aspiración de cualquier
elemento extraño (piedras, etc.) pueden ocasionar el bloqueo mecánico de la bomba y, por
tanto el motor puede destruirse. Por ello:
C11. El sistema de bombeo debe estar protegido contra el bloqueo mecánico de la
bomba (O)
El llenado completo del depósito es una situación frecuente en un sistema de bombeo bien
dimensionado. Si no se toman las medidas adecuadas, el bombeo continuará y provocará un
desbordamiento de agua en el depósito. Esta situación puede ser detectada, ya sea con la
ayuda de sensor de nivel que conlleva los inconvenientes ya mencionados, o bien con la ayuda
de un flotador que cierra la entrada de agua en el depósito cuando éste se llena. Al cerrarse, y
continuar el bombeo, la presión en las tuberías aumentará. Si cerca de la bomba se instala un
presostato tarado a la presión adecuada, cuando ésta se alcance, enviará la orden de parada a
la bomba [23].
C12. El sistema de bombeo debe estar protegido contra la eventualidad de
desbordamiento de agua en el depósito de almacenamiento de agua. (O)
C13. Si la protección contra el desbordamiento de agua en el depósito se hace a través
de la parada de la bomba, se debe incluir una temporización que asegure un vaciado
razonable del depósito, antes de arrancar de nuevo el bombeo. (O)
Es claro, que para asegurar tanto el bombeo de agua como el buen desempeño de las
funciones de protección que se puedan incorporar, es necesario que el convertidor sea muy
fiable y que esté protegido. Una primera consideración será que pueda manejar sin problemas
toda la potencia suministrada por el generador fotovoltaico en los casos más extremos.
De esta manera:
C1. El convertidor debe resistir sin daños la operación en las condiciones siguientes:
temperatura ambiente de trabajo 45ºC, corriente DC de entrada igual al 125% de la
44
corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico en condiciones estándar de medida,
en toda la gama de tensiones DC de funcionamiento posibles. (O)
C2. El convertidor debe resistir sin daños la conexión a una tensión DC igual al 125% de
la tensión en circuito abierto del generador fotovoltaico en condiciones estándar de
medida. (O)
La circuitería del convertidor DC/AC deberá estar protegida ante los daños provocados por
posibles impactos mecánicos, y ante los efectos adversos de la intemperie (polvo, humedad e
insectos), y al mismo tiempo sus componentes deben estar suficientemente ventilados. Para
asegurarlo
C3. El convertidor debe estar protegido con un armario que asegure un grado de
protección de, al menos, IP 3.2, según está definido en la norma IEC529. (O)
La primera cifra de la referencia IP indica el grado de protección ante la entrada de cuerpos
sólidos extraños (modelados mediante esferas de diámetros dados): en este caso el ‘3’ indica
la protección ante cuerpos sólidos de un diámetro superior a 2’5 mm (herramientas, cables,
etc.). La segunda cifra de la referencia IP indica el grado de protección ante la infiltración de
agua, y el ‘2’ indica que el equipo no debe ser dañado si es inclinado un ángulo del orden de
±15º alrededor de su posición normal, y recibe agua cayendo verticalmente.
El grado de protección IP 3.2 debe ser considerado como un mínimo indiscutible, aplicado
solamente a los convertidores instalados en el interior de las habitaciones bien cerradas.
Cuando sea posible, el grado de protección debe ser aumentado hasta conseguir evitar la
entrada de objetos de 1 [mm] de diámetro y resistir la proyección de agua desde cualquier
dirección [10]. En todos los casos:
C4. La Protección IP 4.3 será indiscutible para los convertidores de frecuencia instalados
en el exterior. (O)
Los generadores fotovoltaicos implican la existencia de bucles conductores de gran tamaño, y
aconseja observar aspectos relativos a las sobretensiones inducidas por descargas
atmosféricas.
En consecuencia:
C5. El convertidor de frecuencia debe estar protegido ante sobretensiones inducidas a la
entrada mediante la ayuda de un dispositivo de clase C , según está definido por la
norma IEC 61024, situado entre cada uno de los polos (+ y ) aislado de tierra, y la tierra
45
misma del sistema. La instalación de este dispositivo debe responder al estado del arte
definido por la norma IEC 61024 (O)
En general, los convertidores se instalan en la proximidad de la fuente de agua, por ello la
longitud del cable que alimenta el motor de alterna es normalmente reducida. En consecuencia,
las sobretensiones inducidas lo serán también, y no es necesario protegerse contra ellas de
una manera específica. Sin embargo, esta protección puede ser también recomendada para
algunos casos concretos, en los que la distancia del convertidor a la entrada del pozo sea
superior a 20 metros, o cuando el sistema vaya a trabajar en zonas de alto riesgo de tormentas
eléctricas. En este último caso, se puede preveer una doble protección mediante
descargadores, situados, uno a la salida del convertidor y otra a la entrada del pozo.
Finalmente los convertidores que utilicen técnicas de modulación PWM pueden producir
interferencias que afecten negativamente a radios, televisiones, etc., que se encuentren en sus
proximidades. El carácter aislado, en términos eléctricos, de los sistemas de bombeo objeto de
estas especificaciones, hace que la gravedad de este problema dependa más de la longitud del
cable DC y AC, y de la proximidad de la bomba a las casas [15].
Como regla general:
C6. Los convertidores deben satisfacer los criterios de emisión de radiofrecuencias
establecidos por la etiqueta CE. ®
5.1.3.4 Motobomba
Tanto los motores de inducción como las bombas centrífugas son equipos bien estandarizados
en el mercado eléctrico convencional, por ello las motobombas sumergidas resultado de esta
combinación, y también con larga tradición en los mercados, pueden ofrecer buenas relaciones
calidad/precio. Sin embargo, cuando se trata de incorporarlas en un sistema de bombeo
fotovoltaico, hay que restringir la elección a aquellas que sean de la mejor calidad (fabricadas
en acero inoxidable, por ejemplo, entre otras características), ya que, de nuevo, el impacto
económico de esta elección no es importante en el conjunto del coste del sistema, y tanto, las
consecuencias humanas y económicas de una avería en este componente son particularmente
desastrosas.
Extraer una bomba de un pozo, por ejemplo, puede ser muy costoso en las condiciones de
aislamiento (ausencia de electricidad, etc.) que son frecuentes en esta aplicación. Otro ejemplo
que apoya esta afirmación, es la resistencia a la corrosión. A menudo, la calidad del agua es
poco conocida, y ello aconseja tomar la precaución de utilizar materiales resistentes a la
corrosión.
46
En lo que concierne a las bombas de desplazamiento positivo, hay que considerar que, el eje
que une el motor con la bomba, es especialmente largo, (alrededor de 30 cm) y que esta
sometido a un estrés mecánico elevado, particularmente cuando la bomba arranca. Lo más
frecuente, entre los problemas citados con este tipo de bomba, es la rotura del eje a causa de
la corrosión. Por tanto, es especialmente importante analizar la compatibilidad entre el material
del eje y la composición del agua a ser bombeada [15]. Incluso si tal compatibilidad existe,
merece la pena recordar que:
M1. Todos los materiales del grupo motobomba deben ser resistentes a la corrosión del
agua bombeada. (O)
Además:
M2. El sistema de bombeo debe soportar sin daño alguno, al menos 5.000 ciclos de
arranqueparada en las condiciones de operación definidas por los siguientes 2
parámetros: una altura máxima de bombeo, y un generador fotovoltaico funcionando en
condiciones estándar de medida. (O)
Por ultimo, las motobombas deben estar fijadas de manera que no caigan al fondo del pozo,
que trabajen en la posición correcta, y que no resulte ningún inconveniente derivado del
retroceso de la bomba en el arranque. Así, se puede utilizar una tubería capaz de soportar al
mismo tiempo el peso de la bomba y el caudal de agua, o bien utilizar un cable adicional de
acero, para fijar la motobomba a la cabeza del pozo. En ambos casos:
M4. La fijación de la motobomba debe ser firme, asegurar una posición vertical, y
soportar el retroceso en el arranque. (O)
5.1.3.5 Cableado
Además de soportar las condiciones de intemperie, el cableado deberá ser de una sección tal
que las caídas de tensión que provoca no afecten significativamente al sistema.
Las especificaciones siguientes serán aplicadas:
CAB1. La sección del cableado debe permitir limitar las pérdidas de tensión entre el
generador y el convertidor a menos del 2%, y a menos del 3% entre el convertidor la
entrada al grupo motobomba. Esta especificación se aplica en condiciones de corriente
máxima en funcionamiento, con el generador funcionando en condiciones estándar.(O)
47
Es importante hacer notar que esta especificación afecta a las pérdidas de tensión
estrictamente asociadas al cableado (conductores y terminales de conexión). Las pérdidas
internas en los elementos de protección (fusibles y diodos) o a los convertidores, son objeto de
otras especificaciones.
A menudo, los sistemas de bombeo operan a tensiones relativamente altas, de alrededor de
300 volts DC y de 220 volts AC, y de corrientes relativamente bajas, menos de 30 amperios, y
por ello las secciones resultantes tras aplicar la especificación anterior no son grandes. Los
cables también deben soportar la fatiga mecánica [10], por lo que:
CAB2. Sin perjuicio de lo especificado anteriormente respecto a las pérdidas máximas
de tensión, la sección mínima de los cables en cada circuito debe ser de 4 mm2 entre el
generador fotovoltaico y el convertidor, y de 2,5 mm2 entre el convertidor y el grupo
motobomba. (O)
CAB3. Los cables de señal deben tener una sección mínima de 1 mm2. ®
CAB4. Los cables exteriores deben estar especialmente adaptados a las condiciones de
intemperie de acuerdo a la norma internacional IEC60811, o a la norma nacional
adoptada. (O)
CAB5. Todos los terminales de los cables deben permitir una conexión segura y robusta
desde el punto de vista mecánico. Deben tener una resistencia eléctrica baja, que
asegure unas pérdidas de tensión inferiores al 0,5% de la tensión nominal de
funcionamiento. Lo dicho aplica a cada terminal por separado y en las condiciones de
corriente máxima de funcionamiento. (O)
CAB6. Los terminales de los cables no deben ser propensos a la corrosión que pueda
provenir de los contactos metálicos. (O)
CAB7. El conjunto del cableado debe estar claramente identificado (colores, números,
etc.). (O)
5.1.3.6 Infraestructura hidráulica
En general, las infraestructuras hidráulicas deben evitar las pérdidas de agua. Estas pérdidas
son desfavorables por al menos tres razones: Las pérdidas en sí mismas, las averías y
perjuicios que pueden causar (humedades en muros, corrosión, goteras, daños en caminos,
etc.) y el terrible efecto que produce su persistencia, que es contrario al cuidado que hay que
48
tener en la utilización racional de este recurso. También hay que evitar la contaminación del
agua por agentes externos en el recorrido que hay desde la fuente hasta el punto de
suministro. Por último, las pérdidas de carga introducidas por el bombeo deben ser también lo
más pequeñas posible [15]. Para conseguir todo ello, las especificaciones siguientes deben ser
respetadas:
IH1. La cabeza de pozo debe disponer de una protección que impida la entrada de
objetos sólidos y de desechos líquidos al interior. (O)
IH2. El conjunto de tuberías y accesorios (contadores, grifos, etc.) debe ser adecuado
para su utilización con agua potable. (O)
IH3. Todos los elementos metálicos deben estar protegidos contra la corrosión. En
particular, deben estarlo los elementos accesorios de la conducción de agua (rácores,
llaves de paso, grifos, etc.). (O)
IH4. Como norma general, la bomba o la conducción de agua entre el pozo y el depósito
debe disponer de algún mecanismo antiretorno que evite su vaciado inmediato cada vez
que se para la bomba. (O)
IH5. Los depósitos deben disponer de una protección que impida la entrada de suciedad
al interior. (O)
IH6. Los depósitos deben disponer de una apertura, o similar, que permita una
inspección rápida. Además, deben disponer de un acceso cómodo para poder limpiar su
interior. ®
IH7. El conjunto de las conducciones deben estar conectadas al depósito de manera que
conserven su estanqueidad. ®
IH8. El nivel de admisión del agua en la conducción de salida debe estar situado por
encima del fondo del depósito de manera que éste último sirva de decantador. ®
Las infraestructuras de distribución de agua son especialmente vulnerables a la entrada de
contaminación debido a su recorrido en superficie, y la manipulación indirecta de los usuarios.
Conviene insistir que estas infraestructuras son precisamente las que causan la mayoría de los
problemas observados en los sistemas de bombeo de agua, y no solamente fotovoltaicos.
La experiencia del PRS muestra cómo los problemas de infraestructuras afectan también a los
sistemas fotovoltaicos. En los informes de este proyecto se destaca que cerca del 30% de los
pueblos tenían fugas en los grifos o problemas en los accesorios [2].
49
Esta realidad pone de manifiesto una práctica desafortunadamente muy extendida en los
estudios fotovoltaicos: concentrarse especialmente en los aspectos ligados al bombeo de agua,
y descuidar los relacionados con la distribución.
El buen sentido común y el cuidado en la ejecución de la instalación son factores clave para
conseguir una buena calidad.
Como proposición, destacamos aquí las siguientes especificaciones:
IH9. Las tuberías enterradas deben estar a una profundidad suficiente (a ser posible
60 cm) y conforme al estado del arte (lecho de arena, banda de señalización, etc.). ®
IH10. Los puntos susceptibles de sufrir averías (codos, rácores, conexiones, etc.) deben
estar situados en lugares accesibles para permitir una fácil inspección y mantenimiento.
(O)
IH11. El sistema de distribución incluirá, al menos, una llave de paso a la salida, y a la
entrada de todos los puntos de suministro (fuentes, casas, etc.). ®
IH12. La grifería deberá ser de la mayor calidad. (O)
IH13. Los puntos de suministro de agua (su ubicación, su altura, acceso, etc.) deben
permitir a los usuarios la recolección de agua de una manera cómoda utilizando los
medios característicos de la región. También deben tener, una correcta canalización de
las aguas sobrantes así como impedir el acceso de los animales. (O)
Las pérdidas de carga en las tuberías, accesorios incluidos, dependen del material con el que
están fabricados, de su longitud y del caudal de agua que circula. Éstas disminuyen el caudal
suministrado por una bomba. Por esta razón se puede decir que la altura total, HT, vista por la
bomba es la suma de la altura geométrica, HG, y la altura asociada a las pérdidas de carga, HF
[1015].
Como norma general:
IH14. La sección de las tuberías deben garantizar que las pérdidas de carga no superen
el 5% de la altura total vista por la bomba, en las condiciones de trabajo definidas por:
altura máxima de bombeo y generador trabajando en las condiciones estándar. ®
50
5.1.3.7 Sistema de potabilización de agua
Hoy en día hay disponibles varios métodos de potabilización de agua. Sin embargo, la
purificación mediante lejía es el único método que lo permite sin importar el lugar en donde se
haga el tratamiento y, además, que resulte efectivo en toda la red de distribución: depósito,
tuberías, etc.
Además, el producto necesario, la lejía, está disponible en cualquier parte del mundo. Por ello,
restringiremos los comentarios realizados a partir de este momento a esta manera de
purificación del agua.
El cloro puede ser periódicamente añadido al depósito, o inyectado automáticamente a la
salida de la bomba. La experiencia en Marruecos, extraída de un buen número de sistemas,
dicta que la opción de la inyección automática es preferible.
Para esto se han evaluado 2 tipos de sistemas de potabilización: bombas eléctricas de
inyección alimentadas por pequeños sistemas fotovoltaicos, y bombas de pistón, que
funcionan, únicamente, gracias a la energía aportada por el caudal mismo del agua al ser
bombeada. A la hora de comparar los 2 tipos de sistemas de potabilización, podemos constatar
lo siguiente en lo que respecta a los dos aspectos que más claramente diferencian uno de otro:
Respecto a la alimentación de los mismos: La bomba de pistón necesita, simplemente que se
haga pasar el agua a su través (con algunos elementos adicionales: derivación, llaves y filtro),
mientras que las de inyección precisan de una pequeña batería, con su correspondiente
sistema fotovoltaico de recarga.
Respecto al mantenimiento: La bomba de pistón, necesita la instalación de un filtro sin el cual
puede quedar fácilmente inservible, ya que el agua bombeada pasa a su través, y es imposible
garantizar su calidad. La bomba de inyección esta libre de este problema, como es obvio, al
funcionar de forma aislada del circuito de agua.
Si bien el primer aspecto inclina a elegir las bombas de pistón, los problemas debidos al
segundo anulan la ventaja de no precisar alimentación especial. Si nos ubicamos en un
contexto aislado, y en el que, cada vez más, los sistemas fotovoltaicos son conocidos, la
necesidad de disponer uno de ellos para la bomba de inyección no supone mayor problema.
Por el contrario, para las de pistón, habrá que analizar la disponibilidad local de repuestos
como los filtros y las bombas mismas.
La experiencia en Marruecos ha evidenciado que las bombas eléctricas de inyección
representan la opción más aconsejable. Por ello vamos a limitar, a este tipo de bombas, las
especificaciones siguientes [15].
51
Por motivos de claridad, las especificaciones serán agrupadas en función de la parte del
sistema al que se aplica:
5.1.3.7.1 Bomba de inyección de cloro
P1. La bomba de inyección debe tener una protección nivel IP 54. (O)
P2. La bomba debe ser capaz de bombear hipoclorito sódico sin sufrir daño alguno. (O)
P3. La concentración de cloro por m3 de agua debe respetar la legislación del país. (O)
P4. La presión a soportar por la bomba de inyección debe ser un 100% superior a la
presión máxima esperada en condiciones normales en el punto de inyección. ®
P5. La bomba de inyección debe estar provista de un detector de “ depósito de cloro
vacío” . (O)
P6. La bomba de inyección debe mantener una linealidad inalterable con la frecuencia
de inyección para una gama de alimentación en tensión suficientemente grande (VNOM
± 20%). (O)
5.1.3.7.2 Sensor de caudal de agua bombeada
P11. El sensor de caudal de agua debe estimar el caudal con un error máximo del ± 5%.
(O)
P12. Si el sensor de caudal de agua necesita alimentarse con una tensión de
al imentación, hay que mantener la l inealidad de su función de transferencia para una
larga gama de la tensión de alimentación (VNOM ~± 20%). (O)
P13. El sensor de caudal de agua debe tener una protección de, al menos, IP 54. (O)
5.1.3.7.3 Depósito de cloro
P14. El depósito de cloro debe estar fabricado con un material que permita ver la
cantidad restante de hipoclorito sódico. (O)
P15. El tapón del depósito de cloro debe estar suficientemente ajustado para minimizar
la evaporación del hipoclorito sódico. El orificio necesario para la aspiración del cloro
debe ser como máximo de 1 mm2. (O)
52
Dado que la evaporación del hipoclorito sódico puede dañar la bomba de inyección:
P17. El depósito de cloro no debe estar situado justo bajo la bomba de inyección. (O)
5.1.4 Seguridad
Los sistemas de bombeo fotovoltaico, como cualquier otra instalación eléctrica, no está libre de
riesgos. En concreto, es importante destacar el riesgo para las personas frente al choque
eléctrico en presencia de tensiones en continua (DC) superiores a 120 voltios, y/o de tensiones
AC superiores a 60 voltios, que es normalmente el caso de esta aplicación.
Esta situación es común en las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red que, debido a su
reciente expansión, ha conducido a varios países a desarrollar reglamentaciones específicas.
Incluso si la comparación de estos reglamentos, no aplicados aquí, conviene mencionar que las
medidas de protección prescritas en estas normas son diversas, y a veces, contradictorias.
Por ejemplo, mientras que la NEC (National Electric Code) de aplicación en Estados Unidos
impone que toda instalación eléctrica con una tensión mayor que 50 [V] debe tener uno de sus
polos directamente conectado a tierra, las normas aplicadas en Europa recomiendan
precisamente lo contrario, es decir, configuraciones flotantes con los dos polos aislados de
tierra.
Estas diferencias son el resultado de las particularidades de las dos redes eléctricas en
general, y no tienen ninguna relación con los sistemas fotovoltaicos. Por ejemplo, la imposición
de configuraciones de puesta a tierra en la NEC tienden a privilegiar los fenómenos asociados
a las descargas atmosféricas, lo que es coherente con las características de la red eléctrica en
los Estados Unidos: tensión relativamente baja (125 V y con numerosas casas construidas de
madera en las que el riesgo de incendio es alto).
Mientras que las normas europea privilegian la protección de las personas ante el choque
eléctrico, en coherencia con la tensión elevada de sus redes (220V) y con casas construidas a
base de materiales poco inflamables. La norma IEC 364441 trata de las protecciones contra
los choques eléctricos en general, y constituye una referencia internacional ampliamente
seguida [10].
En el momento de establecer las protecciones de un sistema de bombeo fotovoltaico, hay que
considerar, por un lado, el riesgo de contacto directo, que se produce cuando una persona toca
directamente un conductor activo, por ello hay que exigir que:
53
CAB8. Todos los cables y elementos eléctricos bajo tensión y al alcance de las personas
deben estar convenientemente aislados. (O)
PT1. Todas las masas conductoras que ocasionalmente puedan ser tocadas por un
conductor activo deben estar puestas a tierra. Esto aplica en particular, a los marcos y
estructuras soportes del generador fotovoltaico, y a los armarios metálicos de los
convertidores de frecuencia. (O)
PT2. El valor de la resistencia de la toma de tierra debe ser inferior a la relación
(120/(1,25. I*SC)), donde I* SC es la corriente de cortocircuito del generador en las
condiciones estándar. (O)
Por otro lado, hay que considerar el riesgo de contacto indirecto, que se produce cuando una
persona es afectada tras un defecto de aislamiento. La norma IEC 364 describe las diferentes
medidas de protección. Son de aplicación a los sistemas fotovoltaicos, con algunas
consideraciones particulares. Del lado de las desventajas, los disyuntores diferenciales
convencionales no funcionan con corriente continua, y los módulos fotovoltaicos no pueden ser
“apagados” de manera instantánea. Del lado de las ventajas, el aislamiento proporcionado por
la encapsulación de los módulos fotovoltaicos convencionales es suficiente para que puedan
ser considerados como elementos de clase II por ellos mismos, o como aislamiento reforzado,
y que la corriente de corto circuito de los módulos está intrínsecamente limitada [15].
Por esto se aconseja lo que sigue:
INS3. Los sistemas de bombeo deben incluir una medida de protección contra el
contacto indirecto, que sea compatible con la norma IEC 364441. (O)
INS4. Son especialmente recomendadas las medidas siguientes: aislamiento reforzado,
configuración flotante y vigilancia permanente de aislamiento. ®
En lo que respecta a los sistemas de potabilización, es necesario recordar que el hipoclorito
sódico es peligroso para las personas, y en consecuencia, establecer criterios de seguridad es
el punto clave para evitar accidentes. Para conseguir este objetivo, proponemos las
especificaciones siguientes:
P7. La bomba de inyección debe tener un fusible de protección a la entrada de su
al imentación eléctrica. (O)
P8. La bomba de inyección debe tener un interruptor de parada. ®
54
P16. El depósito de cloro debe tener una etiqueta que indique: “ Peligro: líquido tóxico”
en el idioma propio del lugar. (O)
P18. El edificio o construcción que albergue el sistema de potabil ización debe tener un
grifo de agua para un lavado rápido en caso de contacto con el hipoclorito sódico. (O)
5.1.5 Sencillez en el uso
Los sistemas de bombeo son equipos de beneficio común, por tanto, su utilización debe ser
confiada a una sola persona, el operador local, que deberá tener unas instrucciones mínimas
que le permitan comprender el funcionamiento básico de los equipos, efectuar operaciones
básicas de mantenimiento, y detectar las situaciones que requieran el concurso de personas
más cualificadas.
Por lo tanto, lo más importante que debe saber es reconocer el estado general del sistema, en
particular, determinar si una posible parada es debida a causas normales (depósito lleno, falta
de agua en el pozo, etc.) o anormales (baja potencia DC, motor bloqueado, etc.). Por ello:
M5. El sistema de bombeo debe incluir una visualización indicando al operador local, al
menos, las circunstancias siguientes: funcionamiento normal, depósito l leno, falta de
agua en el pozo, motor bloqueado, baja potencia DC y cortocircuito a la salida. (O)
Incluso aunque el funcionamiento del sistema sea automático, es útil incorporar a la salida de la
bomba un contador de agua, junto con un cuaderno en el que el operador local anote
periódicamente las lecturas del mismo y toda incidencia que se haya podido producir en el
curso de la explotación del sistema. Esta medida tiene un coste muy bajo, y garantiza la
presencia diaria y la atención del operador. En la experiencia en Marruecos, los caudalímetros
han sido así mismo incorporados en todas las casas, y fueron de gran utilidad para, por un
lado, detectar fugas ocultas en la red de distribución (comparando los volúmenes de agua
bombeada y consumida) y por otro, para una gestión correcta del sistema: tarificación, etc.[23]
En consecuencia:
IH15. Un caudalímetro debe ser instalado en la salida de la bomba para permitir el
registro diario del volumen de agua bombeado. (O)
IH16. Es muy recomendable también incluir contadores a la entrada de cada punto de
aprovisionamiento de agua. ®
55
Los puntos de consumo de agua representan el punto de unión entre el sistema y los usuarios.
El diseño de los primeros debe tener presente de una forma primordial a los segundos. Por un
lado debe permitir que la recolección del agua sea cómoda y, por otro, que no se produzcan
pérdidas indeseables. Por ejemplo, si se trata de fuentes públicas, hay que prever espacio
suficiente para que el llenado de los recipientes comúnmente utilizados por los usuarios sea
sencillo, y disponer los medios adecuados para drenar el agua que se derrama inevitablemente
en estos puntos de aprovisionamiento.
Algunos usuarios acuden a por agua con sus recipientes transportados en carros o camiones,
es entonces necesario prever conexiones con tubos de goma para su llenado, o, mejor aún,
salidas de agua lo suficientemente elevadas de forma que puedan colocarse debajo para un
más cómodo repostaje.
Estas consideraciones pueden parecer obvias, sin embargo, la experiencia dice que son a
menudo olvidadas, y en consecuencia, se termina con escenarios caracterizados por aguas
derramadas, lodos y suciedad en la vecindad de los puntos de suministro de agua. Siendo esta
situación común en los sistemas de bombeo fotovoltaico hoy día, conviene insistir en este
aspecto:
IH17. El diseño de los puntos de suministro de agua debe facilitar el repostaje de agua,
canalizar el agua derramada de forma indeseada y evitar el acceso de los animales. (O)
En lo referente a los sistemas de potabilización, los criterios siguientes deben ser respetados:
P9. El buen funcionamiento de la bomba de inyección debe ser indicado con una señal
luminosa verde, en caso contrario deberá ser roja. (O)
P10. El sistema de potabilización debe indicar, con una señal roja especial, la situación
de depósito de cloro vacío. (O)
5.1.6 Sencillez de instalación y mantenimiento
Para los sistemas de bombeo que deben ser suministrados como sistemas “llave en mano”, el
suministrador debe instalar completamente y poner en marcha el sistema antes de dejarlo en
manos de los usuarios. Mientras, es posible que también algunas entidades (agencias de
desarrollo, sociedades instaladoras, etc.) recurran a la adquisición de equipos
responsabilizándose ellas mismas de su instalación.
En tal caso, el procedimiento de adquisición de los equipos debe prestar atención a que sean
entregados todos los materiales necesarios para la instalación: cables, rácores de conexión,
56
elementos de fijación, etc. Además deben también estar convenientemente identificados. En
último lugar, se debe incluir la documentación adecuada [15].
Por ello:
INS5. El suministro de las bombas fotovoltaicas debe incluir todos los elementos
necesarios para su instalación (cables, elementos de conexión, tornillería, etc.). (O)
INS2. Los módulos fotovoltaicos, convertidores DC/AC y motobombas deben estar
convenientemente etiquetados. (O)
El mantenimiento rutinario de los sistemas de bombeo incluirá la limpieza del generador
fotovoltaico, la limpieza del depósito, y la reparación de las fugas en la infraestructura
hidráulica.
Para facilitar estas tareas:
E6. Las estructuras soporte, y su montaje, deben permitir un acceso cómodo a los
módulos fotovoltaicos, tanto para su l impieza como para el control de las conexiones
eléctricas. (O)
E7. La instalación de las estructuras soporte debe preservar su resistencia a la
corrosión, a la fatiga y al viento. (O)
IH18. Las infraestructuras de distribución de agua debe estar dotada de llaves de paso
que permitan aislar los diferentes tramos de conducción. (O)
En lo referente a los sistemas de potabilización, las siguientes tareas de mantenimiento serán
obligatorias: limpieza del filtro de la bomba de inyección y sustitución de fusibles si fuese
necesario [1015]. Con el fin de facilitar estas tareas, los criterios siguientes son propuestos:
P19. El sistema de potabilización debe incluir fusibles y fil tros de recambio. (O)
P20. Las piezas de recambio deben estar accesibles en el mercado local. (O)
P21. Los componentes de cloro que requieran manipulaciones complejas para rellenar el
depósito deben ser evitados. En particular, se recomienda la lejía comercial. ®
P22. Se recomienda la inclusión del “ test de color” para controlar la cantidad de cloro en
el agua entre las piezas de recambio. ®
57
Finalmente se puede hacer una consideración general en lo referente a la documentación:
INS1. Todos los sistemas de bombeo y de potabilización deben ser suministrados con
una documentación básica (descripción técnica, prevención de accidentes, y esquemas
explicativos simples). (O)
5.2 Dimensionamiento de Convertidores de Frecuencia en Sistemas de bombeo FV
Los CF están inicialmente diseñados para operar utilizando la red eléctrica como alimentación.
Para controlar la velocidad de giro de los motores de inducción es necesario controlar la
tensión y la frecuencia de la onda de alimentación. Para ello los CF tienen dos etapas: una
primera etapa rectificadora y una segunda etapa inversora. La primera etapa se encarga de
rectificar la señal de la red eléctrica que sirve de entrada a la segunda etapa que es un inversor
con control PWM o vectorial capaz de generar una señal alterna de salida de tensión/frecuencia
variables y controladas.
Este hecho se puede aprovechar para poder conectar directamente a la entrada del CF una
señal continua como la suministrada por un generador FV, puenteando la etapa rectificadora, y
a su salida un motor asíncrono de inducción. Ya que el valor eficaz de la tensión alterna de
salida depende del nivel de tensión de continua de entrada, en aplicaciones de bombeo FV se
suelen utilizar motores trifásicos de 220 V AC con el objetivo de operar a tensiones de
generador FV lo más bajas posibles, en este caso en torno a 300 V DC.
La utilización de motores trifásicos de 380 V AC supondría trabajar a tensiones de generador
FV en torno a los 500 V DC. Por motivos de seguridad es recomendable minimizar el nivel de
tensión de operación. Muchos de los nuevos CF pueden operar a bajos niveles de tensión de
entrada, desde 150 V DC, pero la operación a tensiones muy inferiores a los 300 V DC provoca
fenómenos de sobremodulación, explicados posteriormente. Así pues, los CF pueden, con un
generador FV conectado a su entrada, operar un motor trifásico 220 V AC. [6]
Los dos requisitos recomendados a la hora de seleccionar un modelo de CF para bombeo FV
son que tengan:
C1. Un control PID
C2. Una señal analógica de salida que pueda ser programada como proporcional a la
tensión del bus de continua.
Ambos requisitos no son estrictamente necesarios pero sí facilitan la utilización directa sin
ningún tipo de modificaciones de los CF, únicamente usando su programación interna. Ya que
58
los CF no están específicamente diseñados para operar conectados a un generador FV es
necesario suministrarles una referencia de la tensión de trabajo en su entrada.
Cuando se utiliza la red, la tensión de trabajo viene impuesta por la propia red eléctrica, cuando
se utiliza un generador FV, el CF podría operar en cualquier punto de la curva IV. Como
resultado el CF se pararía por no tener una referencia de la tensión de operación.
Esta referencia se le puede indicar programando el CF para que trabaje en modo “control PID” utilizando como señal de realimentación una señal analógica proporcional a la tensión de
entrada, que puede ser entregada por el propio CF y como señal de referencia la generada
mediante un simple potenciómetro. [7]
La Figura 7 muestra el esquema de conexiones típico de un CF.
Figura 12: Esquema representativo de las conexiones de un convertidor de frecuencia. La
salida analógica FM se programa como proporcional a la tensión del bus DC y se conecta a la
realimentación del control PID, terminal FSV. La tensión de operación puede ajustarse
mediante un potenciómetro externo (AUX es el terminal de referencia PID).
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
En la etapa de potencia el positivo y negativo del generador FV se conecta a dos cualesquiera
de las fases de entrada del CF (los CF pueden ser de entrada mono o trifásica y salida siempre
trifásica equilibrada) y el motor a su salida. En la etapa de control, la salida analógica, terminal
FM programada como proporcional a la tensión del bus DC, se conecta a la entrada de
realimentación del PID, terminal FSV. Como señal de referencia del PID se utiliza un
59
potenciómetro conectado entre los terminales P10 (fuente de alimentación interna de 10V),
AUX (entrada de referencia del PID) y COM (terminal común de tierra). [7]
Aunque la nomenclatura varía, el modo de operación es muy similar de unos modelos a otros.
De este modo mediante un potenciómetro se puede fijar una tensión de operación de entrada
que es mantenida constante por el CF mediante el control PID. Además de la activación del
control PID y de la programación de la salida analógica proporcional a la tensión DC para
operar a tensión constante de generador FV, los CF también pueden programarse con
diferentes algoritmos, tales como diferentes relaciones de control tensión/frecuencia, tiempos
de respuesta, aceleración y desaceleración, etc., que permiten un control de la tensión y
frecuencia de salida al motor en función de la potencia disponible a la entrada (potencia del
generador FV).
Como regla general se ha de seleccionar un control tensión/frecuencia de par cuadrático si se
utilizan bombas centrífugas y unos tiempos de aceleración y desaceleración los
suficientemente lentos como para evitar que el sistema se detenga ante la presencia de nubes
y claros, variaciones bruscas de la potencia disponible de entrada, etc.
El control tensión/frecuencia del motor incrementa el tiempo de bombeo a lo largo del día, con
el consiguiente aumento del rendimiento medio diario del sistema. A bajas potencias de
entrada (correspondientes a bajos niveles de radiación solar) se disminuye la frecuencia de
salida. El par de la bomba centrífuga disminuye permitiendo la rotación del motor y por tanto el
bombeo de agua.
Un sistema de bombeo FV así diseñado trabaja a tensión constante de generador FV. La
elección del valor de esta tensión de trabajo es un parámetro crítico del sistema que debe ser
elegida en función del número de módulos conectados en serie y de las condiciones de
temperatura ambiente del lugar de instalación. [625]
Al no disponer de seguimiento del punto de máxima potencia (PMP) un error en la selección del
valor de la tensión constante de trabajo (selección de un valor muy a la derecha o a la izquierda
del PMP) puede causar elevadas pérdidas energéticas anuales respecto de la operación
óptima en el PMP. No obstante se puede demostrar que para cada configuración de generador
fotovoltaico (nº de módulos en serie, características y tecnología de cada módulo FV) y para
unas determinadas condiciones de temperatura ambiente, existe un valor de tensión constante
que minimiza las pérdidas energéticas anuales por no seguimiento del PMP a un valor inferior
al 2%.
Se necesita una selección del valor óptimo de la tensión de trabajo para cada configuración de
generador FV y para cada lugar de instalación. Por ejemplo, Figura 13, mientras que la
operación de un sistema compuesto por 18 módulos conectados en serie en Sevilla operando a
60
290 V DC supone un 1.2% de pérdidas energéticas anuales respecto a la operación en el PMP,
la operación a 270 o 310 V DC supone un 5% y a 250 o 320 V DC se incrementan las pérdidas
energética anuales hasta un 10%. [25]
Figura 13: Pérdidas energéticas anuales en operación a tensiones constantes en diferentes
localidades: Madrid (Lat. 40.45), Burgos (Lat. 42.22), Sevilla (Lat. 37.25) y Tamanrasset (Lat.
22.47).
Fuente: Revista Era Solar, 2002(M. Alonso, F. Chenlo)
Una mejora respecto a la configuración indicada anteriormente consiste en la utilización de un
circuito electrónico de simple diseño y bajo costo basado en el uso de un sensor de
temperatura (p.e LM35) adherido a la parte posterior de uno de los módulos FV con el objeto
de modificar el valor de tensión de operación del CF, proporcional al valor de la tensión entre
los terminales AUX y COM de Figura 12, en función de la temperatura de operación;
basándose en el hecho de la disminución conocida de la tensión del punto de máxima potencia
de un generador FV con el incremento de la temperatura de operación. [6]
Figura 14: Esquema del dispositivo de seguimiento del punto de máxima potencia del
generador.
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
61
Mediante este método de seguimiento del punto de máxima potencia por control de
temperatura se pueden conseguir pérdidas energéticas anuales inferiores al 1%. También se
pueden utilizar otros métodos de seguimiento del PMP con corrección por irradiancia y
temperatura de operación o de optimización directa del punto de trabajo mediante la medida y
control de la corriente y tensión de entrada.
No obstante la mejora de la ganancia energética respecto al método anterior no suele
compensar el hecho de utilizar un sistema más complejo, más caro y que retornaría a una
dependencia con un determinado fabricante o instalador respecto del grado de libertad de
elección de productos que supone el uso directo de CF sin modificaciones. [2627]
5.2.1 Modelo Teórico Simplificado
Consideraremos para nuestro análisis la configuración indicada en la Figura 15.
Figura 15: Configuración típica Generador FVCFmotorBomba considerada.
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
Se usarán los modelos teóricos del CF, del motor asíncrono y de la bomba centrífuga con el
objeto de obtener las curvas características Potencia DCCaudal del sistema operando a diferentes alturas manométricas. Si se conocen tanto la potencia FV disponible como la curva
característica del sistema Potencia DCCaudal a una determinada altura, la obtención del
caudal es una cuestión relativamente directa.
Las curvas características Potencia DCCaudal se pueden obtener experimentalmente en
laboratorio, pero ello implicaría una medida directa de un elevado número de bombas
disponibles.
El objetivo de esta parte del trabajo es la estimación de la curva característica Potencia DC
Caudal a una determinada altura manométrica a partir de datos obtenibles de los fabricantes,
como son las curvas AlturaCaudalRendimiento de la bomba (ho,Qo,ηb) y Potencia de salida
Rendimiento del motor (Pm,ηm), a una frecuencia nominal. [26]
62
Figura 16: Ejemplo de datos de fabricante para una bomba centrífuga (ho,Qo,ηb) a 3000 rpm
(izda.) y datos típicos de rendimiento de motor en función de la potencia de salida en el eje a
frecuencia nominal de 50Hz para un motor de 750W nominales al eje (dcha.).
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
Por claridad de explicación consideraremos que la altura es constante, pero podría tenerse en
cuenta que en un sistema real la altura varía en función de las pérdidas dinámicas y de la
variación del nivel del agua en el pozo o abatimiento. El resultado final del desarrollo del
modelo será el poder disponer de una herramienta sencilla que permita seleccionar la bomba
más adecuada para cada aplicación.
Una bomba centrífuga puede describirse con elevada precisión mediante las leyes de
semejanza, que relacionan la potencia mecánica de entrada a la bomba, P, el caudal, Q, y la
velocidad de giro, n. Cuando son aplicadas simultáneamente a un punto de la curva Altura
Caudal, h1Q1, a una determinada velocidad de giro permiten la obtención de un punto de la
curva h2Q2 a otra velocidad, teniendo en cuenta además que el rendimiento hidráulico puede
suponerse constante entre ambos puntos:
Donde los subíndices 1 y 2 representan velocidades diferentes.
Aplicando las leyes de semejanza a una curva característica hQ conocida, normalmente el
fabricante de bombas suministra la curva hQ de la bomba a una velocidad nominal
(correspondiente a 50 Hz o 3000 rpm para un motor de inducción de 2 polos sin considerar el
deslizamiento), se pueden obtener directamente las curvas hQ a diferentes frecuencias, tal y
como muestra la Figura 17. [67]
63
Figura 17: Ejemplo de curvas alturacaudal y potencia para una bomba centrífuga a diferentes
frecuencias (velocidades) obtenidas de datos nominales aplicando las leyes de semejanza.
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
Cuando la frecuencia se reduce, los puntos de las curvas se mueven a lo largo de curvas
cuadráticas con rendimiento constante hacia el origen de coordenadas. Para una altura
determinada, h, a frecuencia nominal, fo, la bomba trabaja en un punto hQo y absorbe una
potencia Po.
Si la potencia disponible disminuye, p.e. a P1, entonces la única opción es trabajar en el punto
hQ1 a una frecuencia f1. Para cada valor de la potencia, para una altura h, existe una única
frecuencia de trabajo posible. Por debajo de una determinada frecuencia la bomba no podrá
suministrar la altura de trabajo, h.
Esto puede servir como indicación de cómo seleccionar una bomba para operación en un
sistema FV, si se conoce la altura de trabajo: para una bomba seleccionada para operar en su
punto de máximo rendimiento a frecuencia nominal el rango de variación de frecuencia, y en
consecuencia el rango de potencia de entrada, será muy estrecho, cerca de los valores
nominales; en consecuencia los umbrales de irradiancia y potencia de arranque serán elevados
y el número de horas de operación durante un día será bajo.
Una regla general cualitativa para aplicaciones fotovoltaicas es que, para una altura de trabajo
dada, se ha de seleccionar una bomba cuyo punto de operación hQ a frecuencia nominal se
sitúe a la derecha del punto de máximo rendimiento. Operando a menores rendimientos a
frecuencia nominal y a mayores rendimientos a bajas frecuencias se consigue incrementar el
rendimiento medio diario del sistema de bombeo fotovoltaico. [67]
Para cada punto (ho,Qo) se puede calcular la frecuencia óptima de la bomba, fh, para una altura
fija, h, utilizando las leyes de semejanza, como:
(4)
y el caudal, Qh, suministrado a una altura h y a la frecuencia, fh, como:
64
(5)
La potencia mecánica en el eje de la bomba, Po, a una altura ho, y a un caudal Qo, puede
calcularse en función del rendimiento de la bomba, ηb , en ese punto a frecuencia nominal, fo:
(6)
De las leyes de semejanza la potencia de la bomba a una altura h y frecuencia f h es:
(7)
Finalmente la potencia DC, P DC , puede obtenerse como:
(8)
Donde η mh
es el rendimiento del motor operando a una frecuencia f h , y puede obtenerse por
interpolación de las curvas de Potencia de salidaRendimiento del motor, Figura 16, teniendo
en cuenta la variación del rendimiento del motor con la frecuencia de operación: o
equivalentemente, que la potencia nominal efectiva del motor decrece cuando disminuye la
frecuencia de operación.
(9)
Para la mayoría de los CF ensayados, su curva de rendimiento en función de la potencia es
muy plana, Figura 19, por encima de la potencia umbral. Una simplificación consiste en
considerar el rendimiento del CF aproximadamente constante en el rango de interés, η FC =0.95.
También se pueden incluir las pérdidas en el cableado como un factor de rendimiento de
cableado, η C .
65
Con este procedimiento se ha conseguido conocer el valor del caudal, Q h , suministrado por la
bomba a una altura de operación y la potencia DC necesaria, P DC , además de otros parámetros
intermedios como la frecuencia de operación y las potencias absorbidas por el motor y la
bomba.
5.2.2 Validación Experimental
Este modelo ha sido validado con diferentes bombas y CF operando a diferentes alturas. Un
ejemplo de resultados de las curvas características Potencia DCCaudal, rendimientos del
sistema y frecuencias de operación se presentan en las Figuras 18 y 19.
Figura 18: Curvas experimentales y modeladas.
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
Figura 19: Rendimientos experimentales y modelados.
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
Se presentan los valores medidos de rendimiento del CF, η FC , rendimiento del motor/bomba,
η mp , rendimiento del subsistema (incluyendo el CF), η
sub , y los valores del modelo para los
66
rendimientos del motor, bomba y subsistema a la altura de operación. En la figura de la
derecha se presenta la frecuencia del motor experimental y modelado [6].
5.2.3 Efectos de segundo orden
La tensión de generador FV es óptima en torno a los 300V DC cuando accionan motores de
220V AC. A menores tensiones de operación se presenta disminución del caudal bombeado
para el mismo nivel de potencia DC. La Figura 20 presenta los valores experimentales para un
CF operando a 300V DC y a 230V DC. Se observa claramente una educción del caudal a
potencias superiores a los 900 W. Este efecto está originado por el hecho de que el valor eficaz
máximo de la tensión de salida de un CF con control PWM está relacionado con la tensión DC
de entrada al mismo mediante la relación [6]:
(10)
Debido al control tensión/frecuencia cuadrático, los efectos de sobremodulación (el CF no es
capaz de suministrar el nivel de tensión adecuado a la salida) únicamente están presentes a
frecuencias elevadas (correspondientes con potencias elevadas). El efecto final es una
disminución en torno a un 7% del caudal para una misma potencia de entrada, causada por la
operación del motor a tensiones inferiores (menor par) de las necesarias para potencias
superiores a 900 W (Figura 20). Para evitar estos efectos es recomendable la operación a
niveles de tensión de generador FV cercanos a 300V DC.
Figura 20: Efectos de sobremodulación (izda.) y de programación interna del CF
(dcha.).
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
67
Cuando se mide una misma bomba utilizando diferentes modelos de convertidores de
frecuencia de diferentes fabricantes pueden aparecer pequeñas diferencias en la potencia
absorbida por el motor para un mismo valor de altura y caudal suministrados (Figura 20).
Estas diferencias son debidas principalmente a los diferentes algoritmos internos utilizados por
los CF para calcular la tensión y la frecuencia de operación óptima en cada momento. La
Figura 20 presenta los resultados experimentales para una misma motobomba operando a 40
Hz con dos modelos diferentes de CF. El CF2 absorbe aproximadamente un 6% mas potencia
que el CF1 para un mismo valor de altura y caudal. Ello es debido a que el CF2 opera a
mayores voltajes (2% superior) que el CF1 para la misma frecuencia (operando en
consecuencia a mayor par del necesario).
No obstante, el ejemplo presentado es uno de los casos más críticos, encontrándose que la
mayoría de los CF evaluados operan a potencias absorbidas dentro del 1% de diferencia
cuando se programan para operar en par cuadrático. La operación en sobrepar (mayor tensión
de la necesaria para cada frecuencia) también se presenta cuando el CF se programa para
operar a par constante en lugar de par cuadrático.
Para la operación correcta de un CF en un sistema de bombeo fotovoltaico es necesario
realizar una optimización de sus parámetros internos de programación. Los tiempos de
aceleración y deceleración, ganancia PID y tiempos integrales y diferenciales tienen una
influencia directa en la estabilidad de operación. Si no se seleccionan adecuadamente el punto
de trabajo del CF y del generador FV puede ser inestable, especialmente en periodos con
nubes y claros donde es importante prevenir los arranques y paradas continuados del motor. [6]
5.2.4 Ejemplo de Aplicación
La aplicación del modelo expuesto anteriormente permite la generación de herramientas para
el dimensionado de sistemas de bombeo FV, consistente en seleccionar la bomba más
adecuada para una determinada aplicación. A partir la potencia FV y de las curvas
características Potencia DCCaudal se puede obtener el caudal bombeado a lo largo de un día
tipo, o realizar simulaciones para años meteorológicos tipo de una determinada localidad,
dando lugar a nomogramas, Figuras 21 y 22, que permiten estimar las producciones de un
determinado sistema de bombeo FV con CF.[26]
68
Figura 21: Perfiles de irradiancia, potencia DC, caudal y rendimiento total para un día tipo de 6
[kWh/m²/día] de irradiación solar.
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
Figura 22: Nomogramas para la estimación del volumen diario bombeado en función de la
irradiación solar, la potencia pico FV y la altura obtenidos a partir de las curvas características
Potencia DCCaudal.
Fuente: Revista Era Solar, 2002 (M. Alonso, F. Chenlo)
69
5.3 Resumen de las especificaciones técnicas para Sistemas de Bombeo FV
Anteriormente se ordenaron las especificaciones técnicas atendiendo a un criterio pedagógico,
ahora será mas practico clasificarlas según las fases en que dichas normas se van a
comprobar, según:
Capacidad de bombeo y tamaño de los sistemas fotovoltaicos
Especificaciones de componente
Especificaciones de sistema
Especificaciones de montaje e instalación
5.3.1 Requisitos generales del sistema fotovoltaico de bombeo
5.3.1.1 Capacidad de bombeo y tamaño de los sistemas fotovoltaicos
Especificaciones CO1, CO2, I1, I2 Y B1, que cubren aspectos básicos sobre la estimación del consumo, consideraciones generales sobre irradiación y bombeo, y que influyen directamente en el tamaño final de los sistemas.
CO1. Si el suministro de agua a la población se efectúa a través de fuentes comunes, el valor del volumen de agua para el cálculo del dimensionado del sistema debe ser de 20 litros por persona y día. ®
CO2. Si el suministro de agua a la población se efectúa a través de grifos individuales en cada casa, el valor del volumen de agua para el dimensionado deberá ser de 45 litros por persona y día ®
I1. El valor de la irradiación diaria incidente sobre la superficie del generador para el diseño debe estar situado entre 5 y 7 kWh/m2. El valor central de este margen, es decir, 6 kWh/m2 esta especialmente aconsejado. (S)
I2. Para el dimensionado se considerará el perfil diario de irradiancia descrito en la norma IEC61725 para los valores de la tabla 1. (S)
B1. Cuando el bombeo es realizado a partir de sondeos (no pozos tradicionales), el caudal correspondiente al generador funcionando en las condiciones estándar de medida (irradiancia = 1000 W/m2, temperatura de célula = 25 ºC) debe ser menor que el valor del caudal de caracterización del sondeo. (O)
5.3.1.2 Especificaciones técnicas de componente
A continuación se describen las especificaciones técnicas que deben cumplir los siguientes componentes: generador fotovoltaico, convertidor de frecuencia, motobomba y componentes del sistema de potabilización de agua.
Se considerara que una especificación es de componente cuando su comprobación puede hacerse atendiendo exclusivamente al equipo en cuestión por ejemplo, que un módulo cuente con la certificación IEC6125 o que un convertidor de frecuencia esté protegido contra inversión de polaridad.
70
5.3.2 Generador fotovoltaico
G1. Los módulos fotovoltaicos deben estar certificados de acuerdo con la norma internacional IEC61215 ó la norma específica aplicada en el país correspondiente. (O)
G2. Los módulos fotovoltaicos deben estar protegidos con diodos de “bypass” contra el fenómeno del punto caliente. (O)
G3. Los generadores fotovoltaicos constituidos por 5 ramas o más conectadas en paralelo deben estar protegidas contra el fenómeno de corriente inversa (O)
G4. La protección a base de fusibles, capaces de soportar una corriente de 2 a 4 veces la corriente de cortocircuito del módulo en condiciones estándar, está particularmente recomendada ®
5.3.3 Convertidor de Frecuencia
C1. El convertidor debe resistir sin daños la operación en las condiciones siguientes:
Temperatura ambiente de trabajo 45ºC, corriente DC de entrada igual al 125% de la corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico en condiciones estándar de medida, en toda la gama de tensiones DC de funcionamientos posibles. (O)
C2. El convertidor debe resistir sin daños la conexión a una tensión DC igual al 125% de la tensión en circuito abierto del generador fotovoltaico en condiciones estándar de medida. (O)
C3. El convertidor debe estar protegido con un armario que asegure un grado de protección de, al menos, IP 3.2, según está definido en la norma IEC529. (O)
C4. La protección IP4.3 será indiscutible para los convertidores de frecuencia instalados en el exterior. (O)
C5. El convertidor de frecuencia debe estar protegido contra sobretensiones inducidas a la entrada mediante la ayuda de un dispositivo de clase C, según está definido por la norma IEC 61024, situado entre cada uno de los polos (+ y ) aislado de tierra, y la tierra misma del sistema. La instalación de este dispositivo debe responder al estado del arte definido por la norma IEC 61024 (O)
C6. Los convertidores deben satisfacer los criterios de emisión de radiofrecuencias establecidos por la etiqueta CE. ®
5.3.4 Motobomba
M1. Todos los materiales del grupo motobomba deben ser resistentes a la corrosión del agua bombeada. (O)
M2. El sistema de bombeo debe soportar sin daño alguno, al menos 5000 ciclos de arranque parada en las condiciones de operación definidas por los siguientes 2 parámetros: una altura máxima de bombeo, y un generador fotovoltaico funcionando en condiciones estándar de medida. (O)
M3. Los motores que operan directamente en DC, deben ser del tipo “sin colector de delgas” ®
M4. La fijación de la motobomba debe ser firme, asegurar una posición vertical, y soportar el retroceso en el arranque.(O)
M5. El sistema de bombeo debe incluir una visualización indicando al operador local, al menos, las circunstancias siguientes: funcionamiento normal, depósito lleno, falta de agua en el pozo, motor bloqueado, baja potencia DC y cortocircuito a la salida. (O)
71
5.3.5 Sistema de potabilización de agua
P1. La bomba de inyección debe tener una protección nivel IP54. (O)
P2. La bomba debe ser capaz de bombear hipoclorito sódico sin sufrir daño alguno. (O)
P3. La concentración de cloro por m 3 de agua debe respetar la legislación del país. (O)
P4. La presión a soportar por la bomba de inyección debe ser un 100% superior a la presión
máxima esperada en condiciones normales en el punto de inyección. ®
P5. La bomba de inyección debe estar provista de un detector de “depósito de cloro vacío”. (O)
P6. La bomba de inyección debe mantener una linealidad inalterable con la frecuencia de
inyección para una gama de alimentación en tensión suficientemente grande (VNOM ± 20%).
(O)
P7. La bomba de inyección debe tener un fusible de protección a la entrada de su alimentación
eléctrica. (O)
P8. La bomba de inyección debe tener un interruptor de parada. ®
P9. El buen funcionamiento de la bomba de inyección debe ser indicado con una señal
luminosa verde, en caso contrario deberá ser roja. ®
P10. El sistema de potabilización debe indicar, con una señal roja especial, la situación de
depósito de cloro vacío.(R)
P11. El sensor de caudal de agua debe estimar el caudal con un error máximo del ± 5%. (O)
P12. Si el sensor de caudal de agua necesita alimentarse con una tensión de alimentación, hay
que mantener la linealidad de su función de transferencia para una larga gama de la tensión de
alimentación (VNOM ~± 20%). (O)
P13. El sensor de caudal de agua debe tener una protección de, al menos, IP54. (O)
P14. El depósito de cloro debe estar fabricado con un material que permita ver la cantidad
restante de hipoclorito sódico. (O)
72
P15. El tapón del depósito de cloro debe estar suficientemente ajustado para minimizar la
evaporación del hipoclorito sódico. El orificio necesario para la aspiración del cloro debe ser
como máximo de 1 mm2 . (O)
P16. El depósito de cloro debe tener una etiqueta que rece: “Peligro: líquido tóxico” en el
idioma propio del lugar. (O)
P17. El depósito de cloro no debe estar situado justo bajo la bomba de inyección. (O)
5.3.6 Cableado
CAB2. Sin perjuicio de lo especificado anteriormente respecto a las pérdidas máximas de
tensión, la sección mínima de los cables en cada circuito debe ser de 4 mm2 entre el generador
fotovoltaico y el convertidor, y de 2’5 mm 2 entre el convertidor y el grupo motobomba. (O)
CAB3. Los cables de señal deben tener una sección mínima de 1 mm2. ®
CAB4. Por otro lado, los cables exteriores deben estar especialmente adaptados a las
condiciones de intemperie de acuerdo a la norma internacional IEC60811, o a la norma
nacional adoptada. (O)
CAB6. Los terminales de los cables no deben ser propensos a la corrosión que pueda provenir
de los contactos metálicos. (O)
5.3.7 Estructura soporte
E1. Las estructuras soporte deben ser capaces de resistir durante al menos ,10 años, las
condiciones de intemperie sin corrosión ni fatigas importantes. (O)
E3. Las estructuras soporte fijas son preferibles a las que realizan seguimiento del sol (en uno
o dos ejes). (S)
5.4 Especificaciones técnicas de sistema
A continuación se describen las especificaciones que afectan a los componentes, en cuanto
partes de un sistema en su globalidad. Se considerara que una especificación es de sistema
cuando su comprobación involucra a varios elementos de la instalación.
73
5.4.1 Aspectos generales de la instalación
INS1. Todos los sistemas de bombeo y de potabilización deben ser suministrados con una
documentación básica (descripción técnica, prevención de accidentes, y esquemas explicativos
simples). ®
INS2. Los módulos fotovoltaicos, convertidores de frecuencia y motobombas debe estar
convenientemente etiquetados. ®
INS3. Los sistemas de bombeo deben incluir una medida de protección contra el contacto
indirecto, que sea compatible con la norma IEC 364441. (O)
INS4. Son especialmente recomendadas las medidas siguientes: aislamiento reforzado,
configuración flotante y vigilancia permanente de aislamiento. ®
5.4.2 Generador fotovoltaico
G5. En el caso de módulos fotovoltaicos con marco metálico, el conjunto de la tornillería y los
elementos de fijación deben ser exclusivamente de acero inoxidable. (O)
G6. El diseño del generador fotovoltaico debe considerar sistemas de protección contra el robo
(S)
5.4.3 Convertidor de Frecuencia
C7. El funcionamiento en el punto de potencia máxima es preferible, sin embargo el de tensión
constante es también aceptable (S).
C8. El sistema de bombeo debe estar protegido contra la eventualidad de falta de agua en la
fuente, o, lo que es lo mismo, de la entrada de aire en la bomba. (O)
C9. La protección basada en la detección de un valor de frecuencia elevado es preferible a la
protección basada en el nivel de agua en la fuente (pozo, sondeo, etc.).(S)
C10. La protección de pérdida de agua en el pozo deberá incluir una temporización que
asegure la recuperación del nivel de agua, antes de poner en funcionamiento nuevamente el
bombeo. (O)
C11. El sistema de bombeo debe estar protegido contra el bloqueo mecánico de la bomba (O)
74
C12. El sistema de bombeo debe estar protegido contra la eventualidad de desbordamiento de
agua en el depósito de almacenamiento de agua. (O)
C13. Si la protección contra el desbordamiento de agua en el depósito se hace a través de la
parada de la bomba, se debe incluir una temporización que asegure un vaciado razonable del
depósito, antes de arrancar de nuevo el bombeo. (O)
5.4.4 Cableado
CAB1. La sección del cableado debe permitir limitar las pérdidas de tensión entre el generador
y el convertidor a menos del 2%, y a menos del 3% entre el convertidor y la entrada al grupo
motobomba. Esta especificación se aplica en condiciones de corriente máxima en
funcionamiento, con el generador funcionando en condiciones estándar.
CAB5. Todos los terminales de los cables deben permitir una conexión segura y robusta desde
el punto de vista mecánico. Deben tener una resistencia eléctrica baja, que asegure unas
pérdidas de tensión inferiores al 0.5% de la tensión nominal de funcionamiento. Lo dicho aplica
a cada terminal por separado y en las condiciones de corriente máxima de funcionamiento. (O)
CAB7. El conjunto del cableado debe estar claramente identificado (colores, números, etc.). (O)
5.5 Especificaciones de instalación y montaje
A continuación se incluyen todas las especificaciones relacionadas con la instalación y puesta
en funcionamiento del sistema, cuya comprobación se debe realizar al terreno.
Aspectos generales de la instalación
INS5. El suministro de las bombas fotovoltaicas debe incluir todos los elementos necesarios
para su instalación (cables, elementos de conexión, tornillería, etc.). (O)
5.5.1 Generador fotovoltaico
G7. Los generadores fotovoltaicos deben estar totalmente libres de sombras en el intervalo de
8 horas centrado en el medio día solar. ®
5.5.2 Sistema de potabilización
P17. El depósito de cloro no debe estar situado justo bajo la bomba de inyección. (O)
P18. El edificio o construcción que albergue el sistema de potabilización debe tener un grifo de
agua para un lavado rápido en caso de contacto accidental con el hipoclorito sódico. (O)
75
P19. El sistema de potabilización debe incluir los fusibles y los filtros de recambio.(O)
P20. Las piezas de repuesto deben estar disponibles en el mercado local. ®
P21. Los componentes de cloro que requieran manipulaciones complejas para rellenar el
depósito deben ser evitados. En particular, la lejía comercial es recomendada. ®
P22. La inclusión de la pieza para el “test de color”, que controla la cantidad de cloro en el
agua, debe estar entre las piezas de repuesto. (S)
5.5.3 Estructuras de soporte
E2 . Las estructuras soporte deben resistir vientos de más de 120 km/h. ®
E4. La orientación debe ser al norte en el hemisferio sur y al sur en el hemisferio norte. (O)
E5. Inclinación =máx 10º, [abs (latitud) – 10º]. ®
E6. Las estructuras soporte, y su montaje, deben permitir un acceso cómodo a los módulos
fotovoltaicos, tanto para su limpieza como para el control de las conexiones eléctricas. ®
E7. La instalación de las estructuras soporte debe preservar su resistencia a la corrosión, a la
fatiga y al viento. (O)
5.5.4 Puesta a tierra
PT1. Todas las masas conductoras que ocasionalmente puedan ser tocadas por un conductor
activo deben estar puestas a tierra. Esto aplica en particular, a los marcos y estructuras
soportes del generador fotovoltaico, y a los armarios metálicos de los convertidores de
frecuencia. (O)
PT2. El valor de la resistencia de la toma de tierra debe ser inferior a la relación(120/(1,25.I*SC)
), donde *ISC es la corriente de cortocircuito del generador en las condiciones estándar. (O)
5.5.5 Infraestructura hidráulica
IH1. La cabeza de pozo debe disponer de una protección que impida la entrada de objetos
sólidos y de desechos líquidos al interior. (O)
IH2. El conjunto de tuberías y accesorios (contadores, grifos, etc.) debe ser adecuado para su
utilización con agua potable. (O)
IH3. Todos los elementos metálicos deben estar protegidos contra la corrosión. En particular,
deben estarlo los elementos accesorios de la conducción (racores, llaves de paso, grifos, etc).
(O)
76
IH4. Como norma general, la bomba o la conducción de agua entre el pozo y el depósito debe
disponer de algún mecanismo antiretorno que evite su vaciado inmediato cada vez que se
para la bomba. (O)
IH5. Los depósitos deben disponer de una protección que impida la entrada de suciedad al
interior. (O)
IH6. Los depósitos deben disponer de una apertura, o similar, que permita una inspección
rápida. Además, deben disponer de un acceso cómodo para poder limpiar su interior. ®
IH7. El conjunto de las conducciones deben estar conectadas al depósito de manera que
conserve su estanqueidad. ®
IH8. El nivel de admisión del agua en la conducción de salida debe estar situada por encima
del fondo del depósito de manera que éste último sirva de decantador. ®
IH9. Las tuberías enterradas deben estar a una profundidad suficiente (a ser posible 60 cm) y
conforme al estado del arte (lecho de arena, banda de señalización, etc.). ®
IH10. Los puntos susceptibles de sufrir averías (codos, racores, conexiones, etc.) deben estar
situados en lugares accesibles para permitir una fácil inspección y mantenimiento. (O)
IH11. El sistema de distribución incluirá, al menos, una llave de paso a la salida, y a la entrada
de todos los puntos de suministro (fuentes, casas, etc.). ®
IH12. La grifería deberá ser de la mayor calidad. (O)
IH13. Los puntos de suministro de agua (su ubicación, su altura, acceso, etc.) debe permitir a
los usuarios el aprovisionamiento de agua de una manera cómoda utilizando los medios
característicos de la región. También deben tener, una correcta canalización de las aguas
sobrantes así como impedir el acceso de los animales. (O)
IH14. La sección de las tuberías deben garantizar que las pérdidas de carga no superen el 5%
de la altura total vista por la bomba, en las condiciones de trabajo definidas por: altura máxima
de bombeo y generador trabajando en las condiciones estándar. ®
IH15. Un caudalímetro debe ser instalado en la salida de la bomba para permitir el registro
diario del volumen de agua bombeado. ®
IH16. Es muy recomendable también incluir caudalímetros a la entrada de cada punto de
aprovisionamiento de agua. ®
77
IH17. El diseño de los puntos de suministro de agua debe facilitar el aprovisionamiento de
agua, canalizar el agua derramada de forma indeseada y evitar el acceso de los animales. ®
5.6 Pruebas de calidad en Terreno
A continuación se describen los procedimientos para realizar pruebas de calidad en terreno. Se
incluyen comprobaciones tanto de la calidad de la instalación de cada componente, como la de
las infraestructuras hidráulicas.
Los ensayos que se realizan son:
Medida de la potencia del generador fotovoltaico.
Prueba de bombeo: Comprobación insitu del suministro de agua que proporciona el sistema.
Prueba de depósito lleno: Comprobación de que el bombeo se detiene en esta circunstancia.
Inspección visual del estado final de la instalación.
Comprobación de la existencia de un esquema de gestión del sistema.
5.6.1 Medida de la potencia del generador fotovoltaico
Esta medida permite comprobar que el generador entrega la potencia mínima que se consideró
en el punto “Tamaño del generador FV”. El procedimiento de ensayo consiste en medir la
potencia en bornes del generador con el resto del sistema desconectado. Independientemente
del método de medida, el resultado debe coincidir con lo declarado por el fabricante teniendo
en cuenta los intervalos de tolerancia.
Se proponen dos métodos para medir la potencia de un generador fotovoltaico. El primero, más
adecuado para generadores de baja potencia (hasta 2 Kw aproximadamente), consiste en la
utilización de una carga resistiva variable que hace trabajar el generador en varios puntos de
trabajo, y el segundo, consiste en la utilización de cargas capacitivas.
El fundamento de la medida usando el segundo método, consiste en cargar una capacidad con
el generador bajo prueba. El tamaño de la capacidad es definida por el del generador. En el
proceso de carga se registran las curvas de corriente y tensión y se representan una contra la
otra obteniendo la curva del generador. La característica así obtenida lo es a la irradiancia
incidente, y a la temperatura de célula, en el momento de la medida. Posteriormente se
extrapola a las condiciones estándar mediante relaciones ampliamente aceptadas en el mundo
fotovoltaico [27].
78
(11)
(12)
Donde los valores lambda (chef. De variación de la potencia con la temperatura) y TONC
(temperatura de célula en condiciones normales) son característicos del módulo utilizado.
Por lo tanto, para este proceso de medida es necesario llevar un dispositivo que permita medir
la irradiancia y la temperatura de trabajo del generador. Para ello, lo más práctico es utilizar un
módulo calibrado de la misma tecnología que la de los instalados en el sistema. Esta opción es
muy adecuada desde el punto de vista de la corrección en temperatura de las medidas ya que
el comportamiento térmico del patrón se va a asemejar al del generador medido, con la
condición de esperar un tiempo prudencial para hacer la medida, y así, asegurar que se
uniforman las temperaturas del generador y del módulo calibrado.
5.6.2 Ensayo de bombeo
Este ensayo permite comprobar que la eficiencia del sistema de bombeo está en el rango de lo
comprobado en las medidas proyectadas y que, por tanto, la instalación del conjunto es
correcta.
Debido a que no existen procedimientos sencillos para trasladar valores de eficiencia de
bombeo de una altura estándar a otra cualquiera, resulta extremadamente complejo realizar
medidas directas en el terreno del servicio entregado por la bomba. Sin embargo son muchas
las ventajas asociadas a medir la eficiencia del sistema de bombeo en el terreno, más allá de la
comprobación del servicio que éste debe entregar.
En particular, este ensayo requiere la observación de la evolución del nivel del agua dentro del
pozo durante el proceso de bombeo y, por tanto, permite comprobar la capacidad del pozo en
relación con la capacidad de extracción del sistema de bombeo. De esta manera, este ensayo
permite comprobar si se puede dar alguna situación en la que el pozo se seque y adoptar las
medidas correctoras necesarias, ya sea mediante profundización o mediante excavación de
galerías.
Puede resultar sorprendente que se puedan instalar bombas fotovoltaicas en pozos con escasa
capacidad y que la capacidad de éstos no haya sido comprobada con anterioridad, de acuerdo
a los procedimientos estándar existentes. Sin embargo, esta eventualidad suele darse con
frecuencia en pozos tradicionales de zonas rurales, en los que la información de la que se
dispone a menudo no es representativa de lo que existe en la realidad. Este es el caso de las
zonas rurales descentralizadas y la ingeniería fotovoltaica de control de calidad debe tenerlo en
cuenta.
79
Este ensayo permite medir el servicio entregado por la bomba en las condiciones reales de
operación en el terreno y comprobar que se mantiene en un entorno razonable a lo proyectado.
Para su realización son necesarios los siguientes elementos:
Módulo calibrado de igual tecnología que los instalados.
Dispositivo de medida del nivel de agua en el pozo. En el caso de pozos tradicionales esta
medida no va a suponer ningún problema, pero puede ser diferente en el caso de sondeos. Es
conveniente prever esta eventualidad en la fase de especificaciones y exigir que en la fase de
instalación se coloque un tubo de plástico que vaya desde la boca de aspiración de la bomba
hasta la superficie. Con la utilización de otros accesorios descritos más adelante, permite medir
el nivel dinámico del agua en el pozo.
El contador de agua propio de la instalación.
Cronómetro.
La prueba consiste en tomar dos medidas de irradiancia, lectura del contador de agua y nivel
del agua dentro del pozo, espaciadas 10 minutos aproximadamente, comprobando que no hay
grandes variaciones de la irradiancia incidente y de nivel de agua en el pozo durante el tiempo
que dura la medida.
La diferencia entre las lecturas del contador de agua permite calcular el volumen de agua
bombeada. La realización de estas medidas a distintas irradiancias y, dependiendo de la
dinámica del pozo, a distintas alturas manométricas, permite obtener las eficiencias a los
distintos puntos de trabajo del sistema.
Si se desea tener un valor aproximado del servicio entregado por la bomba, puede
considerarse que la eficiencia y la altura manométrica son constantes a lo largo del día e
iguales al valor medido, y que el día tiene una irradiación igual a la del día solar estándar.
Se calcula el volumen bombeado V, expresado en m3, y se toma el tiempo de medida como el transcurrido entre estas dos medidas, t, en minutos. Se corrige proporcionalmente el volumen de agua extraído para trabajar, a partir de este momento, con un volumen horario de agua
bombeada:
(13)
Por otro lado, se considera que la irradiancia medida, Gh, es constante para la hora modelo.
A continuación se calcula el volumen de agua bombeada en una hora a condiciones estándar
de irradiancia, que, para la irradiancia, corresponde a un valor de 1000 [W/m2],
80
(14)
Y finalmente, se calcula el volumen de agua diaria bombeada en un día solar estándar de 6
[kWh/m2]. Así, se tiene el volumen de agua bombeado diariamente:
(15)
Por último, el producto de Vd* por HMT representa el servicio diario del sistema en m4.
A continuación se presenta un ejemplo de medida realizada en el proceso de aceptación de los
sistemas en el proyecto MEDA. En este caso el depósito esta situado al lado del pozo y con la
salida del agua a una altura de 7 metros. El valor de altura medio medido es 30,45 metros
(23,45 m de media más los 7 metros de altura del depósito).
Las medidas realizadas arrojan las siguientes cifras (tabla 5):
Tabla 3: Valores de las distintas magnitudes medidas para la realización del ensayo de
bombeo.
Fuente: MEDA
A partir de estos datos tenemos: t = 20 minutos
V = 2,34 m3
Vh = 2,34 x 60/20 = 7,02 m3.
Gh = 706, 75 W/m2
V*h= 7’02 * 1000/706’75 = 9,9 m3
Por tanto, en el día estándar considerado, que dura 6 horas el sistema bombea
Vd* = 59,4 [m3]
Como el valor de altura medio medido es 30,45 metros (23,45 [m] de media más los 7 metros
de altura del depósito), el suministro resulta 1.809 [m4].
Tiempo [hh:mm]
Contador [m3] Nivel dinámico (desde la tubería)
Irradiancias [W/m2]
15:09 2.137 23,2 738
15:15 2.138 23,4 720
15:21 2.138 23,5 694 15:29 2.139 23,7 675
81
5.6.2.1 Caracterización de pozos o sondeos
Hay casos en los que el pozo no es abierto si no que se trata de sondeos en los que la
empresa que los ejecuta los concluye cubriéndolos completamente, o con orificios que no son
del tamaño adecuado para introducir un medidor de nivel. Si es posible conocer con antelación
estos casos, se puede pedir previamente (en la fase de especificaciones) que se coloque un
tubo de plástico de 6 mm de diámetro fijado a la tubería de subida y de forma que el extremo
inferior quede abierto y a la altura de la toma de succión de agua de la bomba, y el superior
quede accesible en la superficie.
Con este dispositivo instalado, se toma una bomba de aire de las utilizadas para inflar las
ruedas de bicicleta y un manómetro y se conectan al tubo de la manera mostrada en la
siguiente figura.
Figura 23: Esquema de funcionamiento del sistema de medida de la columna de agua que hay por encima de la bomba.
Fuente: UPM
La medida se hace bombeando el interior del tubo de plástico hasta que se ve que la presión
en el manómetro no aumenta aunque se siga bombeando. Esta situación es debida a que se
ha conseguido vaciar de agua completamente el tubo. La presión que indica el manómetro es
la ejercida por la altura de agua que hay hasta el extremo del tubo. La situación se mantiene
gracias a una válvula que impide que el aire bombeado salga por el extremo superior. La
presión mencionada, y convenientemente traducida a metros, es la distancia que hay entre el
nivel de agua en el pozo y la bomba.
82
5.6.3 Ensayo de depósito lleno
Este ensayo permite la comprobación de las especificaciones C11 y C12. La prueba de
depósito lleno tiene interés por la comprobación del correcto funcionamiento de los dispositivos
involucrados, pero además, y aquí esta el valor del ensayo in situ, la accesibilidad al detector
de nivel (boya o flotador), y su ubicación con respecto al rebosadero del depósito
(especificaciones IH5, IH6, IH8).
El procedimiento de ensayo consiste en acceder al dispositivo y forzar la condición de depósito
lleno cerrando manualmente la boya o poniendo en posición horizontal el sensor de nivel. El
bombeo debe detenerse e iniciarse la correspondiente temporización. En el caso de las boyas,
la prueba debe realizarse en un momento en el que la irradiancia disponible sea suficiente para
que el sistema pueda elevar la presión hasta el valor umbral que detiene el bombeo.
Al mismo tiempo se comprueba que, en el caso de la boya, la presión a la que está tarado el
presostato es la correcta. Y en el caso del sensor de nivel eléctrico, que la transmisión de la
señal de parada es también correcta.
5.6.4 Uso y gestión del sistema
Este ensayo permite la comprobación de las especificaciones IH15, IH16, IH10, IH11, IH12 e
IH13. Comprobar la existencia de caudalímetros en la salida de la bomba y en los puntos de
consumo, y verificar la organización del sistema de gestión, no parece entrar en la idea clásica
de prueba o ensayo técnico, sin embargo, la existencia de estos elementos y su buen
funcionamiento es vital para garantizar una larga vida del sistema de bombeo fotovoltaico.
Su comprobación pone de manifiesto ante los usuarios lo importante de la presencia de un
operador del sistema (probablemente la parte más importante del esquema organizativo del
sistema), permite detectar fugas en la red de distribución (comparando los volúmenes de agua
bombeada y consumida), y permite poner en marcha una estructura de gestión que incluya
tarificación y cobro por el consumo de agua.
Esta comprobación incluye los siguientes puntos:
Revisión del cuaderno de anotaciones para registrar los datos de consumo y las incidencias
de los sistemas
Revisión de los puntos de consumo: existencia de caudalímetros, calidad del conjunto de
tuberías y accesorios, adaptación a los usuarios de los puntos de aprovisionamiento de agua,
existencia de llaves de paso, etc.
83
6. Dimensionamiento de Sistema de Bombeo FV Estándar
En el sector rural Chileno y latinoamericano la principal fuente de energía asociada al bombeo
y abastecimiento de agua para consumo humano y agrícola es en más de un 90% a base de
petróleo o eléctrico, cuya combustión produce diariamente cientos de toneladas de CO2 y altos
costos de funcionamiento. Los campesinos al no tener recursos económicos suficientes para
costear este consumo energético dejan de utilizar estos sistemas convencionales de bombeo,
lo que genera una baja utilización de los suelos cultivables limitando sus posibilidades de
desarrollo.
El objetivo principal del proyecto es quebrar este círculo de pobreza y ofrece una alternativa
tecnológica para que las comunidades rurales obtengan autonomía energética y puedan operar
sus propios sistemas abastecimiento de agua, y puedan tomar sus propias decisiones
organizacionales y financieras.
A continuación de realizar los cálculos necesarios para dimensionar un sistema de bombeo FV
conformado por los módulos FV, convertidor de frecuencia, motor de inducción y motobomba
AC centrífuga sumergible convencional (ambos productos estándar del mercado, como
alternativa al bombeo FV convencional) para un proyecto particular que se realizara en la
localidad de la Polcura ,Navidad VI región Chile.
Los datos necesarios para realizar estos cálculos son:
Requerimientos del sistema: Altura Manométrica Total, Caudal Diario Mínimo
Requerido, Temperatura ambiente, Radiación Diaria. La curva diaria de radiación
puede obtenerse mediante la publicación “IRRADIANCIA SOLAR EN TERRITORIOS
DE LA REPÚBLICA DE CHILE” publicado por la Comisión Nacional de Energía en el
Proyecto CHI/00/G32 “Chile: Remoción de Barreras para la Electrificación Rural con
Energías Renovables” Santiago, Chile 2002.
Curvas HQ a frecuencia estándar de la bomba elegida preferentemente realizada
mediante medidas experimentales.
Curvas de rendimiento hidráulico de la bomba centrífuga.
Curvas de rendimiento del motor asíncrono de inducción.
6.1 Antecedentes de la localidad de La Polcura.
Los antecedentes necesarios para calcular la demanda hídrica de la comunidad es el número
de habitantes que posee y tipo de actividades que realicen las cuales involucren consumo de
agua. A estas actividades se les vinculara un consumo de agua (litros/día) referenciado con los
84
consumos estimados de la siguiente tabla resumen extraída de los estudios realizados por la
Comisión Nacional de Riego (CNR) del Ministerio de Agricultura de Chile.
Tabla 4: Consumo de agua diarios (litros/día) valores orientativos.
Fuente: CNR www.cnr.cl (confección propia)
De los antecedentes conocidos de la comunidad de La Polcura se sabe que posee 98
habitantes y que la mayoría posee pequeñas huertas de hortalizas y verduras destinadas al
autoconsumo.
Hace algunos años y con el objetivo de potenciar polos de desarrollo agrícola para la zona se
ha incentivado el cultivo del Nogal en miras a la producción y venta de nueces, producto con
buen precio de venta en el mercado nacional. Con estos datos se proyecta un consumo hídrico
de 8.000 [litros/día] (0.28 [lts/s] en 8 hrs. de trabajo diario) en periodo de máxima demanda
(verano).
6.1.1 Características del recurso hídrico y situación geográfica del proyecto
La comunidad de La Polcura en la actualidad no cuenta con una red de agua potable ni riego y
se abastece de agua a través de una motobomba diesel de un pequeño rio de caudal histórico
mínimo medido en verano de 5 [lts/s] ubicado a 1,5 [Km] de distancia y 150 [m] de diferencia
de altura medidos desde el espejo de agua hasta donde se ubican los estanques de
acumulación.
La siguiente figura muestra la posición relativa de los principales equipos del sistema. El
rectángulo azul muestra la posición de los módulos FV, el círculo blanco la posición del
estanque y el rectángulo rojo la de la bomba sumergible.
Consumo de agua diarios (l itros/día) valores orientativos
Tipo de Consumo unitario Litros por día
Doméstico (por persona) 50
Riego de huerta 4,2 l/m2 y día
Riego frutales 1720
Riego frutales con goteo 1015
Ganado (Caballo, Vacuno) 55
Vaca lechera 150
Cerdo, Oveja 15
Pavo, Pollo, Gallina 0,5
85
Figura 24: Ubicación del proyecto de bombeo FV solar coordenadas geográficas 34,05 S –
71,92 E
Fuente: Creación propia
6.2 Radiación diaria
Sabiendo que el mes más desfavorable corresponde al mes más caluroso y coincide con el
verano, se determina a Enero como mes más desfavorable. La ubicación del proyecto de
bombeo solar FV tiene coordenadas geográficas 34,05 S – 71,92 E por lo tanto la inclinación
de los módulos FV será 24º mirando al Norte sin desviaciones ni sombras para aprovechar de
mejor manera la potencia solar de verano.
A continuación se presenta la tabla de la radiación solar diaria publicada en “ IRRADIANCIA
SOLAR EN TERRITORIOS DE LA REPÚBLICA DE CHILE” de la Comisión Nacional de
Energía de Chile del año 2002.
86
Periodo Az
INCL
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL
MENSUAL
Az Al Norte 180º
INCL 24º
204,4 174,9 160,4 120,7 82,3 66,2 74,4 103,7 131,1 160,2 179,6 197,9 1655,7
DIARIA
Az Al Norte 180º
INCL 24º
6.6 6.25 5.17 4.02 2.65 2.21 2.40 3.35 4.37 5.34 5.99 6.38
Tabla 5: Irradiación Global Diaria, Mensual y Anual [kWh/m2]
Localidad: Central Rapel; Latitud: 34,03º Sur
Fuente: Comisión Nacional de Energía de Chile, Elaboración Propia
Figura 25: Grafico de Irradiación Global Diaria, Mensual y Anual [kWh/m2]
Localidad: Central Rapel; Latitud: 34,03º Sur
Fuente: Comisión Nacional de Energía de Chile, Elaboración Propia
87
6.3 Selección de la bomba centrifuga sumergible
Conociendo lo requerimientos básicos del sistema de bombeo se procede a seleccionar el
modelo de bomba centrifuga sumergible mas adecuado al sistema solar FV.
Como referencia se comienza por seleccionar equipos de bombeo especialmente diseñados
para trabajar con paneles solares FV con distintos fabricantes y no se encuentran bombas
capaces de generar presiones superiores a los 100 [m], lo que demuestra la limitación técnica
ofertada por estos sistemas.
Teniendo en cuenta los criterios desarrollados en el punto 5.2.1 “Modelo Teórico Simplificado” a
cerca de cómo seleccionar una bomba para operación en un sistema FV, si se conoce la altura
de trabajo. Esto será una regla general cualitativa para aplicaciones fotovoltaicas: para una
altura de trabajo dada, se ha de seleccionar una bomba cuyo punto de operación hQ a
frecuencia nominal se sitúe a la derecha del punto de máximo rendimiento.
En la figura 28 se muestra las curvas de rendimiento hidráulico de una familia de bombas
centrífugas GRUNDFOS Modelo SP 2A.
El cuadro de color indica el área de operación hQ a frecuencia nominal de dichas bombas que
queda circunscrito por la altura total de bombeo (150 [m]) y el punto de máximo rendimiento de
los equipos.
Teniendo en cuenta este criterio y analizando en mercado nacional de bombas en Chile se ha
optado por trabajar con la bomba centrifuga sumergible modelo SP 2A 90 GRUNDFOS, Modelo
Motor MS 4000 potencia motor 4 [Kw] (3x230[V]).
Figura 26: Datos eléctricos Motor MS 4000
Fuente: Grundfos Literature 1047
En la tabla anterior se puede observar los datos de rendimiento de motor eléctrico, con estos
datos es posible extrapolar los rendimientos con el objetivo de conocer las eficiencias a
distintas potencias y frecuencias.
88
Figura 27: Bomba SP 2A 90 GRUNDFOS
Fuente: Grundfos Literature 1047
89
Figura 28: Curvas de rendimiento hidráulico de familia de bombas centrífugas GRUNDFOS
Modelo SP 2A.
Fuente: Grundfos Literature 1047
90
6.3.1 Aplicación de las formulas del modelo teórico simplificado
Extrayendo fo, ho y Qo de la curva de rendimiento hidráulico de la bomba centrifuga
sumergible modelo SP 2A 90 GRUNDFOS y aplicando las formulas del modelo teórico
simplificado se calculan la potencia de la bomba y potencia mecánica en el eje (Po) a través de
la formula 6. La potencia mecánica en el eje de la bomba, Po, a una altura ho, y a un caudal Qo,
puede calcularse en función del rendimiento de la bomba, ηb , en ese punto a frecuencia
nominal, fo.
De la misma forma se calcula fh con la formula 4 conociendo la altura manométrica de trabajo
h.
Ya con fh y h es posible calcular el Qh. De las leyes de semejanza se calcula la potencia (Ph)
de la bomba a una altura h y frecuencia f h.
Finalmente se calcula la potencia DC, PDC :
Donde η mh
es el rendimiento del motor operando a una frecuencia f h , y puede obtenerse por
interpolación de las curvas de Potencia de salidaRendimiento del motor a través de la Figura
26, teniendo en cuenta la variación del rendimiento del motor con la frecuencia de operación.
La siguiente figura representa los distintos estados de funcionamiento del sistema operando a
menores rendimientos a frecuencia nominal y a mayores rendimientos a bajas frecuencias
consiguiendo incrementar el rendimiento medio diario del sistema de bombeo fotovoltaico.
fo [Hz] ho [m] Qo [l/min] Rend. Bomba [ ηb] Pot. Bomba [Kw] P.Mec.Eje Bomba
(Po) [Kw] 50 420 27 0.5 1.5 3.7
fh [Hz] h [m] Qh [l/min] Rend. Sub‐sistema Ph [Kw] P D/C [Kw] 30 150 16 0.4 0.79 1.9
Η mh
=Rend. Motor % a fh 0.45 R.m 0.77 R.FC 0.95 R.c 0.95
91
Figura 29: Curvas de rendimiento hidráulico de la bomba centrífuga modelo SP 2A 90
GRUNDFOS trabajando a distintas frecuencias [Hz].
Fuente: Creación propia
92
El cálculo realizado nos permite conocer la frecuencia mínima de trabado, 30 [Hz] y el volumen
de agua de 16 [lts/min] bombeado a 150 [m] de altura. Si este volumen se proyecta a 8 [hrs] de
trabajo diario tendremos 7.745 [lts/día]. En esta condición la potencia de la bomba Ph será de
0.79 [Kw], lo que determina una potencia instalada DC, PDC de 1.9 [Kw]
6.4 Dimensionamiento del Campo de Captación
Conociendo la PDC de 1.9 [Kw] y las horas de trabajo efectivas del sistema (8 [hrs]) tendremos
un consumo de 15.200 [Kwh/día], conociendo la radiación solar estimada del sector, se
procede a calcular la Relación Consumo/Radiación Disponible (C/R).
Determinándose que el mes Junio es el periodo del año donde la radiación solar es la menor
(mediados de invierno), entonces se utilizara esta relación C/R de 6.888 [W] para el
dimensionamiento del campo de captación, de esta forma se asegura una potencia instalada
mínima para satisfacer la demanda estimada de agua, proyectando un superávit para verano
donde el potencial solar mejora sustancialmente y el consumo hídrico aumenta.
Figura 30: Radiación hora día promedio mes de Junio del Sector La Polcura
Fuente: Comisión Nacional de Energía de Chile, Elaboración propia
Los módulos FV seleccionados para este proyecto son del modelo BP 3160N de 160 [Wp],
obteniéndose un numero de 48 paneles. Como la tensión de generador FV es óptima en torno
a los 300V DC cuando se accionan motores de 220V AC, el número mínimo de paneles será de
52, reunidos en 4 bloques en paralelo conformados cada uno por 13 módulos en serie,
determinándose una potencia de captación instalada de 8.320 [Wp]
93
En la siguiente figura de entregan las características de diseño del modelo BP 3160N de 160
[Wp].
Figura 31: Características de diseño del modelo BP 3160N de 160 [Wp].
Fuente: Empresa Albasolar, España
6.5 Elección del Convertidor de Frecuencia
Para elegir correctamente el CF se necesitan conocer los siguientes datos del generador FV.
Corriente de cortocircuito del sistema DC: 19.2 [A]
Tensión circuito abierto del sistema DC: 574.6 [V]
Sabiendo que según los criterios de diseño, el CF debe resistir sin daños la operación en las
condiciones siguientes: temperatura ambiente de trabajo 45ºC, corriente DC de entrada igual al
125% de la corriente de cortocircuito del generador fotovoltaico en condiciones estándar de
medida, en toda la gama de tensiones DC de funcionamiento posibles, y además resistir sin
daños la conexión a una tensión DC igual al 125% de la tensión en circuito abierto del
generador fotovoltaico en condiciones estándar de medida, lo que entrega los siguientes
valores:
Corriente de cortocircuito del sistema DC: 19.6 [A] x 1.25 = 24 [A]
Tensión circuito abierto del sistema DC: 574.6 [V] x 1.25 = 718 [V]
94
Entonces se selecciona el siguiente equipo CF:
Modelo N2215M3 TAIAN ELECTRIC
Potencia máx. 11 [Kw]
Sobrevoltaje Serie 400 V: Bus DC excede > 854V
Corriente de entrada máx. 26 [A]
Figura 32: Modelo N2208M3 TAIAN ELECTRIC
Fuente: Catalogo TAIAN
A continuación se presenta una tabla con las especificaciones técnicas de este equipo.
Figura 33: Especificaciones Técnicas CF Modelo N2215M3 TAIAN ELECTRIC
Fuente: Catalogo TAIAN
95
6.5.1 Programación del CF
La programación de este equipo debe realizarse tomando en consideración la siguiente tabla
(datos columnas amarillas) que esta desarrollada en base a las curvas de rendimiento
hidráulico de la bomba centrífuga modelo SP 2A 90 GRUNDFOS trabajando a distintas
frecuencias [Hz] (fig. 29).
Fh [Hz] Qh [l/min] Rend.Bomba Ph [Kw] P D/C 30 16 0.5 0.79 1.9 31 19 0.5 0.91 2.2 37 27 0.475 1.42 3.5 40 32 0.45 1.65 4.1 41 34 0.425 1.74 4.3 43 36 0.4 2.24 5.5 47 41 0.375 2.61 6.6 48 43 0.35 2.78 6.9 50 47 0.3 3.53 8.7
Figura 34: Tabla de frecuencia, caudal y Potencia D/C de sistema de bombeo FV.
Fuente: Creación Propia
A continuación se presenta un grafico derivado de la tabla anterior donde se describe la relación existente entre P D/C, el caudal bombeado y frecuencia [Hz] de trabajo a 150 [m] de altura, con ella se desarrolla la formula de tendencia aproximada P D/C – Frecuencia y Caudal
Con los datos anteriores es posible desarrollar un algoritmo de control y regulación del sistema tensión/frecuencia para el CF.
96
Figura 35: Grafico P D/C – Frecuencia/Caudal de trabajo a 150 [m] de altura.
Fuente: Elaboración Propia
La conexión de este equipo al generador (positivo y negativo), se conecta a dos de las fases de
entrada del CF y el motor a su salida. En la etapa de control, la salida analógica, terminal FM
programada como proporcional a la tensión del bus DC, se conecta a la entrada de
realimentación del PID, terminal FSV. Como señal de referencia del PID se utiliza un
potenciómetro conectado entre los terminales P10 (fuente de alimentación interna de 10V),
AUX (entrada de referencia del PID) y COM (terminal común de tierra).
97
6.6 Proyección del volumen de agua bombeado por el sistema de bombeo solar FV
Para proyectar el volumen diario de agua bombeado por el sistema de bombeo solar FV se
deben conocer: La distribución de la radiación diaria promedio y la temperatura diaria promedio
del sector.
A continuación se realiza el cálculo del volumen de agua bombeado para un día promedio del
mes de Marzo, lo mismo se realizara para todos los meses del año.
6.6.1 Clima del Sector
En el centro histórico del país, que podríamos llamar centronorte geográfico, entre los 32 y 38
grados de latitud aproximadamente, predomina un tipo de clima Mediterráneo, caracterizado
por un período lluvioso invernal y un período de sequía en verano. Este clima cae en la
clasificación general de Köppen como Csb, (Templado cálido con lluvias invernales y verano
tibio), existiendo algunas variedades.
En la costa, donde se ubica la localidad de La Polcura, se mantienen temperaturas templadas
en general, con humedad en el aire, materializándose en nubes bajas, y brisa marina. La
cercanía del océano modera las temperaturas. El verano no es excesivamente caluroso y el
invierno es más suave que en el interior. No hay presencia de nieve y las heladas son poco
frecuentes, la oscilación díanoche también es menor.
Figura 36: Climograma del Sector La Polcura, Navidad VI región. En rojo temperatura promedio
y en azul mm de agua caída por m2 anual del sector.
Fuente: Dirección de Meteorología de Chile, Elaboración propia
98
6.6.2 Radiación Hora día del Sector
Los datos de la Radiación Hora día del Sector son obtenidos midiendo la radiación instantánea
cada 1 hora [Kw/m2]. A partir de este valor, se determina la cantidad de energía solar diaria
mediante la integración de valores hallados cada hora en el transcurso del día [Kwh/m2].
Figura 37: Radiación hora día promedio mes de Marzo del Sector La Polcura
Fuente: Comisión Nacional de Energía de Chile, Elaboración propia
6.6.3 Método simplificado de la estimación del volumen de agua bombeado
Conociendo el valor de la potencia nominal de un generador FV en condiciones STC, Pn, para
cada valor de irradiancia global incidente en la superficie del modulo FV, G, y la temperatura
ambiente, Ta, el generador FV presentara una potencia máxima Pm (potencia del punto de
máxima potencia) que se puede obtener tras aplicar las formulas 11 y 12, antes descritas. Los
datos característicos del modulo FV son; TONC= 47 ºC y el Coef. de variación de la potencia
con la Temp.= 0,5 %/K, extraídos de la figura 31.
Sabiendo que para cada hora del día habrá una radiación instantánea [Kw/m2] variable en
relación al plano perpendicular de los rayos solares y al periodo estacional, manteniendo fija la
potencia instalada proyectada para el generador FV (Nº de módulos), se calcula la potencia
máxima Pm del generador para las horas solares de un día típico del mes de Marzo y su
estimación del volumen de agua bombeada.
99
Horas/día Radiación [Kw/m2] Pm=P D/C [Kw] f[Hz] Qh [l/h] 6 0 0.0 0 0 7 100 0.8 0 0 8 200 1.7 0 0 9 400 3.0 35 1462 10 500 4.0 39 1825 11 700 5.8 45 2351 12 750 6.0 46 2386 13 700 5.8 45 2351 14 650 5.4 44 2248 15 500 4.0 39 1825 16 400 3.0 35 1462 17 200 1.7 0 0 18 100 0.8 0 0 19 0 0.0 0 0
Total litros/día 15911
Figura 38: Proyección de caudal elevado hora día promedio mes de Marzo a 150 [m]
en Sector La Polcura
Fuente: Elaboración propia
En este caso la Pm del generador FV tendrá una relación directa con la P D/C instalada, y esta
a su vez con la frecuencia de trabajo del sistema [Hz] y el volumen de agua elevado por hora a
150 [m] de altura por la motobomba a esta frecuencia (fig. 35).
Integrando los resultados obtenidos a través de este cálculo es posible proyectar los volúmenes
de agua bombeada [m3] por el sistema de bombeo solar FV para el día típico del mes con el
objetivo de visualizar la producción anual del sistema.
100
Periodo Volumen agua bombeado [m3/día] Enero 18.79 Febrero 17.80 Marzo 15.90 Abril 13.92 Mayo 9.73 Junio 8.98 Julio 9.28 Agosto 10.89 Septiembre 13.34 Octubre 15.22 Noviembre 17.06 Diciembre 18.19
Figura 39: Proyección de volumen de agua [m3/día] bombeado a 150 [m] de altura en un año promedio por el sistema de bombeo solar FV.
Fuente: Elaboración propia
6.7 Presupuesto del Sistema de bombeo solar FV estándar.
A continuación se detalla el costo de los elementos que forman parte del Sistema de bombeo solar FV estándar. En este análisis no se consideran los sistemas periféricos comunes para todos los sistemas de bombeo como cañerías, sistemas de cloración, estanques, etc. a manera de simplificar el calculo.
Ítem Cantidad Costo unit. [€]
Costo conjunto [€]
Módulos FV 160[Wp] 52 341 17.732 Estructura Mounting Systems Lambda para montaje en suelo
7 42 294
Bases Cemento 27 12 324 Bomba SP 2A 90 GRUNDFOS 1 1 7.004 C.F N2215M3 TAIAN ELECTRIC
1 1.360 1.360
Cables Eléctricos 100 [m] 300 300 Total 26.714
101
6.8 Calculo energético y consumo de energía en sistemas convencionales
A través de un sencillo cálculo se realizara la estimación del ahorro energético que nos puede suponer la sustitución de las fuentes de energía convencionales, en este caso petrolero o compra de electricidad de la red eléctrica local por energía solar FV.
Sabiendo que anualmente el sistema de bombeo solar FV eleva 5.117 [m3] de agua 150 [m], lo
genera un gasto energético de 0.408 [Kwh] por m3 que genera un gasto energético de 2.088
[Kwh/año], se proyecta la siguiente tabla de demanda energética de fuentes convencionales
Fuente Energética
Eficiencia del sistema
Cantidad anual (kWh)
Cantidad anual (GJ)
Precio compra PCI
Coste anual total (€)
Petróleo 0.15 13,920.0 50.1 1.2 €/lts. 0.04 GJ/lts. 1.503 Electricidad 0.27 7,733.3 27.8 0.18 €/Kwh 1.392
Figura 40: tabla de demanda energética de fuentes convencionales
Fuente: Elaboración propia
Sabiendo que los costos de equipamiento, obra civil y mantención de estos equipos en
comparación con el sistema de bombeo solar FV son;
Fuente Energética
Equipamiento (€)
Obra civi l (€)
Total Implementación
(€)
Mantención Vida útil equipo
(€)
Consumo energético [20 años]
Total Gastos Bombeo
(€)
Solar FV 26.114 1.200 27.314 800 0 28.114 Petróleo 8.200 800 9.000 4.000 30.060 43.960
Electricidad 10.800 2.400 13.200 1.300 27.840 42.340
Figura 41: Tabla de costos de equipamiento, obra civil y mantención de fuentes convencionales
y solar FV
Fuente: Elaboración propia
Se puede observar que el costo de implementación del sistema solar FV supera por más del
doble a los otros sistemas, sin embargo cuando valoramos el consumo energético con una
proyección de 20 años (vida útil de la mayoría de los equipos) tenemos que el gasto total de
bombeo del sistema FV es el menor de todos.
102
6.9 Ahorro de Energía y Emisiones de CO2
La distribución porcentual de los costes de la vida útil de un sistema de bombeo de agua son:
5% Coste inicial (equipos e instalación), 85% costes de funcionamiento / consumo de energía,
10% Costes de mantenimiento. ¡Resulta obvio que el ahorro más importante se puede lograr
en el consumo energético!
Ahora hay que analizar también el impacto de las fuentes de energía asociadas a los sistemas
de bombeo. Un indicador adecuado (aunque no el único) para evaluar el impacto sobre el
cambio climático del funcionamiento de estos sistemas, es la emisión diferencial estimada de
CO2 anual asociada a ellas.
En la actualidad la capacidad energética instalada total de Chile se compone aproximadamente
en 3.000 MW (59%) y 2.000 MW (41%) de capacidad termoeléctrica e hidroeléctrica,
respectivamente. Como la energía hidroeléctrica no emite CO2 y la mayoría de las centrales
termoeléctricas se alimentan en base a petróleo y carbón, tendremos entonces que se emiten
en promedio 0,52 [Kg CO2/kWh] por electricidad consumida por el sistema de bombeo en el
caso de motobomba eléctrica. En el caso de motobombas alimentadas en base a petróleo, las
emisiones de CO2 se elevan a 0,76 [Kg CO2/kWh].
Si sabemos que se necesitan 13,920 [kWh] para bombear 5.117 [m3] de agua elevado a 150
[m] de altura, para el caso de petróleo tendremos que las emisiones asociadas al bombeo de
agua, se puede asumir una emisión media de 10.579,2 [Kg] de CO2 y 7.238 [Kg] para el caso
eléctrico. Las emisiones asociadas a la solar FV estas del orden de 0,006 [Kg CO2/kWh], lo
que proyectado al suministro antes mencionado da 83, 52 [Kg].
103
7. Conclusiones
7.1 De las especificaciones técnicas de bombeo fotovoltaico
Se han propuesto unas especificaciones técnicas con el objetivo de garantizar la calidad de
estos sistemas en la primera fase de cualquier proyecto. Los sistemas de bombeo que cubren
estas especificaciones tienen como objetivo las aplicaciones típicas: riego, abrevadero de
ganado, pero también el consumo humano al contemplar en sus normas los sistemas de
potabilización de agua.
Las especificaciones propuestas contienen la ya larga experiencia del IESUPM ganada en
diversos proyectos ejecutados en el sur de Marruecos. Incluye soluciones técnicas para
cuestiones vitales como tuberías de distribución, sistemas potabilizadores de agua,
protecciones ante situaciones anómalas, etc.
Este conjunto de normas además busca constituir una propuesta global para este tipo de
aplicaciones FV, tomando en cuenta el análisis particular (caso a caso) en detalles particulares
de cada proyecto.
La propuesta contiene y desarrolla una clasificación de las normas que permita a los
promotores de proyectos de este tipo, adaptarlas a la realidad del proyecto en concreto.
7.2 De los sistemas de bombeo FV que utilizan CF
Los sistemas de bombeo FV que utilizan CF pueden ser más económicos que otros sistemas
tradicionalmente utilizados, sin un decrecimiento de la fiabilidad ni del rendimiento. Por otro
lado los CF ofrecen una alternativa para los sistemas de media y elevada potencia donde no se
dispone de productos comerciales para bombeo FV.
No es necesario realizar ninguna modificación externa de los CF para operar con generadores
FV, basta con una adecuada programación para trabajar a tensión constante de generador FV.
El nivel de tensión de trabajo es un parámetro crítico, pero seleccionada adecuadamente en
función de las características del generador FV y de las condiciones ambientales las pérdidas
por no seguimiento del PMP pueden minimizarse a un valor inferior al 2% anual. Se puede
utilizar un circuito electrónico de diseño simple y bajo coste para corregir la tensión de
operación en función de la temperatura de operación de los módulos FV reduciendo las
pérdidas por no seguimiento del MPP al 1% anual.
Se hace necesaria una adecuada programación del CF para su óptima operación en sistemas
FV. La selección de un control tensión/frecuencia cuadrático (V~f²) ya implementada en
104
muchos de los CF es el control óptimo para la operación de bombas centrífugas. En las
aplicaciones FV la potencia disponible es variable durante el día en función de la irradiancia
solar disponible.
La operación del motor/bomba a bajos niveles de potencia es posible mediante la variación de
la relación tensión/frecuencia suministrada al motor de inducción. Cuando disminuye la
potencia se disminuye la frecuencia para permitir el bombeo. De este modo se maximiza el
número de horas de operación durante el día, minimizando los umbrales de arranque y
maximizando el rendimiento medio diario del sistema.
Se ha desarrollado un modelo simplificado, validado experimentalmente, para convertidores de
frecuencia operando motores de inducción y bombas centrífugas, basado en datos de catálogo,
que permite la obtención de las curvas características Potencia DCCaudal de un sistema con
FC a diferentes alturas. Ello permite disponer de una herramienta que permita la selección de la
bomba más adecuada para cada aplicación.
7.3 Del dimensionamiento del sistema de bombeo solar FV
El sistema de bombeo FV es capaz de satisfacer la demanda de agua en el periodo de menor
radiación y en verano, con la mejora del potencial solar entrega más del doble volumen de
agua, lo que permite desarrollar actividades agrícola de la zona como el riego de arboles
frutales, huertas y otras actividades agropecuarias.
Como el consumo de agua esta ligada directamente al desarrollo y crecimiento humano y
conociendo las problemáticas del cambio climático por las emisiones de gases contaminantes
(que tanto en Chile como en Latinoamérica aun no se valoran en su real magnitud) serán estas
emisiones de CO2 las que limiten el abastecimiento de agua y el crecimiento nacional.
Teniendo claro que el crecimiento económico y sobre todo el de la población, exige un mayor
consumo de agua, resulta obvio aplicar el uso de las energías renovables, especialmente la
energía solar a los sistemas de gestión de agua para mantener el crecimiento económico y
reducir las emisiones de CO2.
105
El siguiente grafico refuerza esta ventaja del sistema de bombeo solar FV. En el se observa la
relación entre la radiación solar día promedio mensual y el volumen de agua bombeado para
un año promedio.
Figura 42: Grafico de radiación solar día promedio mensual [Kwh/día] y el volumen de agua [m3] bombeado a 150 [m] de altura en un año promedio.
Fuente: Elaboración propia
106
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27. Muñoz, J, Lorenzo, E. “Capacitive load based on IGBT's for onsite characterization of PV arrays”. Era Solar, nº 127, junio/julio 2005.
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