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U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Programa de la asignatura: Diseño de sistemas fotovoltaicos U1 Sistemas de bombeo fotovoltaico División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 1 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Índice Unidad 1. Sistemas de bombeo fotovoltaico........................................................... 3 Introducción......................................................................................................... 4 Competencia específica....................................................................................... 5 Propósitos......................................................................................................... 5 1.1. Términos hidráulicos..................................................................................... 6 1.1.1. Bombeo.................................................................................................. 6 1.1.2. Variables hidráulicas en el bombeo de agua.......................................... 7 1.1.3. Cálculos de variables hidráulicas............................................................ 8 1.2. Requerimientos de agua y diseño del sistema fotovoltaico de bombeo........ 9 1.2.1. Demanda de agua................................................................................ 10 1.2.2. Características del emplazamiento....................................................... 11 1.2.3. Dimensionamiento del sistema de bombeo FV por el método gráfico.. 11 1.2.4. Dimensionamiento del sistema de bombeo FV mediante software...... 24 1.2.5. Protecciones eléctricas......................................................................... 28 Cierre de la unidad............................................................................................. 32 Para saber más.................................................................................................. 33 Fuentes de consulta........................................................................................... 35 División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 2 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Unidad 1. Sistemas de bombeo fotovoltaico División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 3 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Introducción http://varitech.es/bombeo-solar-fotovoltaico/ La historia del hombre ha estado ligada a la disponibilidad del agua, tanto para su consumo como para el desarrollo de sus actividades productivas. Aunque la mayor parte del planeta está conformada por agua, sólo el 2% es agua dulce, que en su mayoría se encuentra en los polos y aislada a grandes profundidades. Las aguas dulces existentes en la superficie del planeta, que el hombre puede usar de forma económicamente viable y sin generar grandes impactos negativos en el ambiente, corresponden a menos del 1% del agua total de la Tierra. De este modo, el agua constituye un insumo indispensable para la vida humana pero extremadamente escaso. A nivel mundial, las proporciones de extracción de agua son de aproximadamente el 70% para uso agropecuario, 11% para uso industrial y de 19% para uso doméstico (FAO, 2013). Antiguamente, los grupos humanos buscaban establecerse cerca de una fuente de agua (ríos y lagos principalmente); sin embargo, el aumento en el consumo de agua y la contaminación de los mantos acuíferos han ocasionado que la disponibilidad de agua sea cada vez más escasa. Esto ha obligado a que se obtenga el líquido mediante métodos alternativos, como la desalinización, el trasporte de agua a grandes distancias o el bombeo de agua. En la presente unidad, se estudiará este último método. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 4 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Competencia específica Diseña un sistema fotovoltaico para el bombeo de agua a partir del análisis del requerimiento hidráulico, las variables del emplazamiento y la dimensión del sistema para determinar su potencia eléctrica. Propósitos Analiza el uso de los sistemas fotovoltaicos enfocados en el bombeo de agua. Calcula las variables de un sistema de bombeo fotovoltaico. Selecciona los componentes de un sistema de bombeo fotovoltaico. Diseña un sistema fotovoltaico para el bombeo de agua. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 5 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico 1.1. Términos hidráulicos En este tema se incluyen términos hidráulicos básicos relacionados con el uso del agua y su bombeo con la finalidad de estandarizar dichos conceptos y términos referidos a lo largo de la unidad (BID, 2011): a) Agua. Liquido incoloro, insípido e inodoro que se puede encontrar en estado natural o puede ser obtenido a través de un proceso. b) Bomba. Máquina hidráulica que convierte la energía mecánica en energía de presión transferida al agua. c) Fuente de abastecimiento. Sitio del cual se toma el agua para el suministro de un sistema de distribución. d) Gasto. Volumen de agua medido por unidad de tiempo, normalmente se expresa en litros por segundo. e) Litro. Unidad de medida del volumen. Considera los términos expuestos que se presentarán en el transcurso del tema. 1.1.1. Bombeo Un equipo de bombeo está conformado por dos elementos: una bomba y el elemento que lo acciona, que puede ser un motor eléctrico, un motor de combustión interna, etc. El segundo elemento entrega energía mecánica y la bomba la convierte en energía cinética, que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad. Esta adición de energía al fluido ocurre en el uso de algunos equipos de bombeo en servicios específicos; por ejemplo, en el equipo de bombeo de un pozo profundo se utiliza al cambiar la posición del agua que se encuentra en el subsuelo para que salga a la superficie (CNA, 2007). Ahora bien, un sistema de bombeo de agua fotovoltaico es aquel que utiliza un arreglo de celdas fotovoltaicas para proveer de energía eléctrica a dicho sistema de bombeo. Para los sistemas fotovoltaicos de bombeo de agua, las aplicaciones típicas y rentables son de baja demanda como abrevaderos para ganado o para consumo humano (Sandia, 2001). El riego de cultivos no es costeable porque dicha actividad requiere el uso intensivo de agua. No obstante, el bombeo fotovoltaico se establece como una alternativa válida cuando se cuenta con sistemas de riego eficientes, como los que existen en un invernadero. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 6 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico 1.1.2. Variables hidráulicas en el bombeo de agua En el presente subtema se presentan los términos hidráulicos básicos relacionados con el bombeo del agua. Los términos son los siguientes (Sanchez-Juarez, 2010): a) Demanda de agua. Cantidad de agua requerida por un usuario en un lapso de tiempo dado. b) Régimen de bombeo, Rb. Es el volumen de agua proporcionado por la bomba en la unidad de tiempo. c) Aforo. Medición del caudal o gasto. d) Nivel estático. Profundidad donde se observa el espejo de agua. e) Nivel dinámico. Profundidad donde se ve el espejo de agua en el proceso de bombeo (durante la extracción). f) Nivel de descarga. Distancia que hay desde la superficie hasta el borde superior del tanque de almacenamiento. g) Profundidad de abatimiento. Diferencia de distancias entre el nivel estático y el dinámico. h) Altura de fricción. Distancia adicional que se debe considerar debido a la fuerza de fricción que oponen las paredes de la tubería, las conexiones y las válvulas al flujo de agua. i) Profundidad de succión o aspiración. Distancia que existe del el centro de una bomba superficial al espejo de agua. Sistema de bombeo fotovoltaico. Adaptada de http://cescamillau.wikispaces.com El volumen de agua requerido no basta para determinar las dimensiones y el costo de un sistema de bombeo, porque, en realidad, debe conocerse la carga dinámica total, que es la carga hidráulica total en el proceso de bombeo; es decir, la carga estática más la carga dinámica. La carga estática se define como la distancia que tiene que ser transportada el División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 7 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico agua, desde el nivel estático hasta el nivel de descarga. Por su parte, la carga dinámica o de fricción es el incremento en la presión, originada por la oposición al flujo al agua debido a la rugosidad de las tuberías, los codos, las válvulas, etc. Dicha rugosidad y la oposición al flujo dependen del tipo de tubería utilizada. 1.1.3. Cálculos de variables hidráulicas Tanto la carga estática como la carga dinámica son parámetros de gran importancia en el bombeo de agua. A continuación se muestran algunos cálculos básicos de dichos parámetros. Ejemplo ¿Cuál es la carga estática de un sistema de bombeo si el objetivo es la extracción de agua de una fuente de abastecimiento, cuyo espejo de agua está a 20 metros, considerando que no hay abatimiento y que el agua bombeada tiene que ser transportada a un tanque elevado, cuya altura superior es de 12 metros? CE= altura de descarga + profundidad= 12 m +18 m= 30 m Para el cálculo de la carga dinámica suelen emplearse tablas de fricción que son proporcionadas por el fabricante e indican el porcentaje de fricción, tomando como base el caudal, el diámetro y el material con el que está construida la tubería. Suponiendo que, para el ejemplo anterior, a la bomba se le conectó una tubería de 1.5 pulgadas de diámetro y que el requerimiento de agua, operando el sistema, es de 6000 litros, se requiere un tiempo de 4 horas; por lo tanto: t = 4 horas = 14400 s 6000 l Q= = 0.416 l/s 14400 s Tomando como base dicho caudal, se recurre a las tablas de fricción del PVC (ver la tabla en http://solar.nmsu.edu/wp_guide/Apen_B.htm) donde se localiza el flujo más cercano a 0.416. Para este caso se toma la hilera con 0.40 y la columna con el diámetro de tubería correspondiente (1.5 pulgadas), por lo cual resulta un factor de 0.43%: CD = 0.0043x30m = 0.12m Si el requerimiento de agua de un abrevadero para ganado vacuno es de 16.2 m3 por día y se dispone de una bomba cuya razón de bombeo indica 3 l/s, ¿cuál es el tiempo total que debe operar la bomba para satisfacer dicho requerimiento de agua? División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 8 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico V Rb = t 1000 l V = 16.2 m3 [ 3 ] = 16200 l 1 m V 16200 l t= = = 5400 s Rb 3 l/s Es decir, la bomba deberá trabajar 1.5 horas a capacidad nominal para poder surtir la cantidad de agua requerida; este tiempo aumentará si la bomba no puede trabajar a plena capacidad, pero siempre dentro de su rango de operación. 1.2. Requerimientos de agua y diseño del sistema fotovoltaico de bombeo El requerimiento de agua es, sin duda, la base del diseño de un sistema de bombeo, porque la finalidad de éste es satisfacer dicha exigencia. El diseño de un sistema fotovoltaico radica en diseñar un arreglo fotovoltaico que pueda proveer de energía eléctrica a la bomba, que satisfaga la demanda de agua de alguna actividad humana. En los siguientes apartados se visualizará la estimación de la demanda de agua por actividad y el diseño de un sistema fotovoltaico para bombeo de agua. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 9 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico 1.2.1. Demanda de agua Los diferentes tipos de demanda que debe satisfacer un sistema de bombeo fotovoltaico pueden englobarse de la siguiente manera: 1) Agua para el consumo humano. 2) Agua para el consumo de animales. 3) Agua para el riego cultivos. Para el correcto funcionamiento de un sistema de bombeo se debe tomar en cuenta el tipo de consumo a satisfacer, que puede dividirse en dos grandes rubros: consumo continuo y consumo estacional. En el consumo continuo es imperativo determinar las necesidades diarias por cada persona o animal que vaya a consumir agua; asimismo, se deben considerar las dimensiones del depósito, porque, bajo este esquema, el consumo puede ser por la noche o durante días nublados. El consumo estacional se enfoca principalmente en los sistemas de riego; es decir, las necesidades de agua son aproximadamente proporcionales a la intensidad de la radiación solar. Para este caso, es necesario determinar los requerimientos máximos de agua del cultivo en cuestión. La necesidad de agua se mide multiplicando el consumo diario individual por la población total. Para los seres humanos, el consumo de agua depende del modo de vida de la población a la que está destinado el sistema. En México, cada habitante consume, en promedio, 360 litros de agua al día; de ella, el 70% es extraída del subsuelo (Fondo para la Comunicación y la Educación Ambiental, A. C. 2013). En la siguiente tabla se presenta la demanda diaria de agua de algunos animales domésticos según la SAGARPA: ESPECIE CONSUMO (l/día) Vacas adultas productoras 90-130 Lechones de 1kg 0.5 Ovinos 5 meses de gestación 6.6 Pollos de 1.3 kg. 1.6 Cabras productoras de leche 11.2 División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 10 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Para el riego agrícola, el volumen de agua dependerá del tipo de cultivo y de las condiciones meteorologías del sitio del emplazamiento. Un aspecto que se debe tomar en cuenta es la lluvia, pues el nivel de agua de lluvia por mes debe restarse de las necesidades de agua que requiere el cultivo. 1.2.2. Características del emplazamiento El espacio físico para la colocación de un sistema de bombeo fotovoltaico no suele ser un gran obstáculo, ya que los requerimientos de superficie no son significativos en la mayoría de las aplicaciones de bombeo de agua. Sin embargo, se necesita que la superficie de los paneles esté libre de obstáculos que bloqueen la “línea de vista” al sol. La estimación del recurso es el paso previo dentro del dimensionado de instalaciones o de sistemas que aprovechan algún tipo de fuente energética. En el caso del recurso solar, la información disponible para el lugar de instalación debe ser lo más confiable posible, porque un W/m2 de diferencia influye directamente en la eficiencia de la instalación. Esta estimación se puede realizar con una medición directa en el sitio del emplazamiento, aunque en la mayoría de las ocasiones no se cuenta con valores medidos en los puntos de interés. Por lo tanto, se suele acudir a técnicas de interpolación, pero la red muchas veces no es lo suficientemente densa como para que sea viable. Así que, en este caso, y cuando la ausencia de datos es total, la estimación a partir de imágenes de satélite se vuelve indispensable (Manrique, 2009). Para el caso de México, en el bombeo fotovoltaico no es común que se requieran grandes superficies de paneles fotovoltaicos; asimismo, debido al buen recurso solar que presenta la mayor parte del país, no se requieren sistemas de seguimiento solar para los sistemas fotovoltaicos aplicados al bombeo de agua. Para esta aplicación, los paneles fotovoltaicos suelen colocarse lo más cerca posible a la bomba y se observan los lineamientos básicos, como el no sombreado de los módulos en ningún periodo de tiempo y una instalación eléctrica que cumpla con las normas y legislaciones aplicables. 1.2.3. Dimensionamiento del sistema de bombeo FV por el método gráfico El método gráfico se basa en la información que proporcionan los fabricantes de bombas sobre sus productos. Al igual que con cualquier otro dispositivo, las bombas se caracterizan bajo condiciones de laboratorio para obtener una serie de datos y gráficas que proporcionen información hidráulica y eléctrica sobre su comportamiento en un sistema de bombeo. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 11 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Por otra parte, se debe considerar que la energía generada por un sistema fotovoltaico no es constante durante el día a causa de las variaciones en la tensión y en la corriente ocasionadas por cambios de temperatura e irradiancia, respectivamente. Ante esto, se debe tener cuidado al interpretar las curvas y las tablas establecidas por los fabricantes. Para seleccionar la bomba adecuada en un sistema de bombeo fotovoltaico, se pueden utilizar diversos métodos como: a) El dimensionamiento utilizando curvas características y de rendimiento de bombas. b) El dimensionamiento por medio de tablas de valores hidráulicos. c) El dimensionamiento por medio de tablas de valores hidráulicos y energéticos. a) Dimensionamiento utilizando curvas características y de rendimiento de bombas En este método se utilizan las curvas características de la bomba centrífuga modelo SCP 42-47-10(1 HP) de la compañía Sunpump, la cual se muestra en la siguiente figura. El primer paso a seguir es identificar cada uno de los ejes para poder interpretar correctamente las gráficas. En la figura de la izquierda, el eje horizontal representa la carga hidráulica (H), que puede vencer la bomba expresada en pies; en el eje vertical se muestran los valores del gasto instantáneo (Q), que puede suministrar la bomba expresada en galones por minuto (GPM). En la gráfica de la derecha, el eje horizontal da la información sobre la potencia que requiere la bomba para funcionar; en cambio, el eje vertical muestra el gasto instantáneo que proporciona la bomba. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 12 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Curvas características de la bomba centrífuga SCP-42-47-10. Tomada de http://www.sunpumps.com/products.php?Item=999 En la figura anterior se observa un conjunto de cuatro curvas identificadas en color azul, verde, morado y rojo; cada una corresponde a un voltaje nominal y de potencia que se debe aplicar al motor de la bomba para que funcione correctamente y otorgue el gasto requerido. Otra curva de utilidad es la curva gasto instantáneo & potencia pico del arreglo fotovoltaico; en la figura siguiente se muestra dicha curva. Curvas características de gasto instantáneo vs potencia pico del arreglo fotovoltaico. Tomada de http://www.sunpumps.com/products.php?Item=999 Para ejemplificar este método, se utilizan las curvas de bombeo presentadas anteriormente. Ejemplo 1: Se requiere extraer agua de un pozo y enviarla a un tanque de almacenamiento que tiene una carga dinámica total de 40 ft. ¿Cuál es el voltaje nominal de operación de la bomba? ¿Qué potencia pico del arreglo fotovoltaico se debe instalar? ¿Cuántos módulos se requieren si los módulos fotovoltaicos son de 15 Volt nominal y tienen una potencia pico de 60 Watt y una corriente máxima de 3.45 A? Se debe considerar que las pérdidas de potencia en el cableado son de 5%. Respuesta: Usando las curva Q vs H, se traza una línea recta en el valor aproximado de 40 ft. Como se puede observar, la recta intercepta la curva en color morado si se traza una recta horizontal imaginaria hacia el eje vertical; el gasto que proporciona dicha bomba es de 23 División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 13 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico GPM aproximadamente, la tensión nominal de la bomba es de 105 V, y su potencia de operación es de 350 W. Observando la curva Q vs Potencia pico del AFV, la potencia que se debe instalar es de aproximadamente 410 watt. Curvas características de la bomba centrífuga SCP-42-47-10. Tomada de http://www.sunpumps.com/products.php?Item=999 Para saber cuántos módulos se requiere, se deben seguir los siguientes pasos (Sánchez, 2008): Paso 1: determinar la cantidad de módulos que en total se requieren. Esto se obtiene al dividir la potencia pico del AFV de la curva y la potencia pico de los módulos que se usarán. 420 W Pp = =7 60 W Paso 2: la cantidad de módulos en serie que se necesitan se obtiene del cociente entre la tensión nominal de la bomba y la tensión nominal del MFV. 105 V No. de módulos en serie = =7 15 V Paso 3: el número de módulos que se deben conectar en paralelo se obtiene del cociente de la corriente de diseño y la corriente máxima del MFV. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 14 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico 326 W ( ) Corriente de diseño (ID ) = 105 V ⁄ 0.95 = 3.51 A 3.51 A No. de módulos en paralelo = = 1.01 3.45 A Por lo tanto, la configuración del arreglo fotovoltaico es de 7 módulos en serie y uno en paralelo (7Sx1P). Ejemplo 2: Un productor pecuario desea extraer el agua de un pozo para los abrevaderos de su ganado. El área de irrigación se encuentra en una localidad donde el recurso solar es de 5.5 h-p en la época de estiaje. Se debe considerar que la carga hidráulica es de 10 metros y que el agua requerida es para el consumo de 500 vacas adultas y 100 vacas productoras. Dimensiona el sistema de bombeo fotovoltaico. Demanda de agua diaria para especies domésticas. Tomado de Fernández, D. (2010). Respuesta: Paso 1: el agua requerida es de aproximadamente 39.5 m3/día. Este valor se obtiene al considerar que las primeras 500 vacas consumen 0.057m3/día y que las 100 restantes en promedio consumen 0.11 m3/día. Paso 2: con la ayuda de la gráfica que se muestra en la siguiente figura, se determina que una bomba centrifuga superficial bastaría para obtener el agua requerida. Paso 3: se determina el gasto instantáneo Q , que la bomba debe proporcionar para satisfacer los requerimientos del usuario. Este gasto se obtiene de: División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 15 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico V 39.5 m3 m3 Q= = = 7.18 = 31.61 GPM Rs 5.5 h h 200 Desplazamiento 100 Positivo de pistón Carga hidráulica (m) 50 Centrífuga sumergible 20 Diafragma de multipaso 10 5 Centrífugas de succión superficial y flotantes 2 Manual 0 2 5 10 20 50 100 200 400 Volumen diario de agua (m3) Diagrama de selección de bombas en función Q vs H. Tomado de Sandia National Laboratories. (2001). Paso 4: se realiza una selección de las posibles bombas a utilizar; una vez seleccionada la indicada, se utilizan las curvas características para dimensionar el sistema. Para este ejercicio se utiliza la curva de bombeo que se muestra en la figura siguiente. Como se puede observar en la gráfica, para tener un gasto de 7.18 m3/h y vencer una carga dinámica de 10 metros, la bomba requiere de una potencia de 475 W. Las especificaciones eléctricas de la bomba muestran que la tensión nominal de la bomba es de 70 V. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 16 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Curva característica de una bomba centrífuga. Tomado del Catálogo Lorentz: http://www.lorentz.de/. Paso 5: se selecciona un módulo fotovoltaico cuya tensión nominal sea 15 V, cuando el módulo esté operando; es decir, que el módulo entregue dicha tensión aun cuando se eleve su temperatura. Esto se debe a que la tensión nominal de la bomba es 70V. Para este ejercicio se selecciona el módulo fotovoltaico ZD75-12M de la marca Sinodeu; las características de este módulo se muestran en la siguiente tabla. Potencia máxima a STC (Pmax) 75 Wp Tensión de circuito abierto (Voc) 21.8 V Corriente de corto circuito (Isc) 5.05 A Tensión máxima de operación (Vmp) 17.3 V Corriente máxima de operación (Imp) 4.34 A Rango de temperatura -40°C a 90°C Tolerancia +3% Número de celdas 36 celda Datos eléctricos del MFV ZD75-12M. Tomados de la Hoja de datos de Sinodeu MFV ZD75-12M. Paso 6: dimensionamiento del arreglo fotovoltaico. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 17 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico 70 No. de módulos en serie = = 5 módulos 15 475 W ( ) 70 V ⁄ ID = 0.95 = 7.14 A 7.14 A No. de módulos en paralelo = = 2 paneles en paralelo 4.34 A Se llama panel a un conjunto de módulos fotovoltaicos conectados en serie. La configuración del AFV es de 5Sx2P. En la siguiente figura se presenta la configuración del arreglo fotovoltaico. Como se observa, en las barras de conexión se realiza la unión en paralelo del AFV. Diagrama de conexión de 5Sx2P. Elaborado con el software Autocad (2012). b) Dimensionamiento por medio de tablas de valores hidráulicos Los fabricantes de bombas, además de proporcionar la información de sus productos por medio de curvas de rendimiento, ofrecen dicha información en tablas para un mejor entendimiento. En la siguiente figura se muestra la tabla de datos eléctricos e hidráulicos para diferentes bombas. En la tabla se muestran algunos de los diferentes modelos de bombas sumergibles y superficiales que se tienen comercialmente, se proporciona la carga dinámica, que División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 18 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico pueden vencer en metros, la tensión de operación (volts) y el rango de potencia con el que pueden funcionar. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 19 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Tabla de rendimientos para diferentes tipos de bombas. Tomada de http://solar.nmsu.edu/wp_guide/Apen_C.htm Para entender mejor el uso de las tablas se propone el siguiente ejemplo. Ejemplo: Se tiene una demanda de agua de 10m3 para abastecer las necesidades de una granja que se encuentra localizada en la ciudad de Morelia. La carga hidráulica total del proyecto es de 50 metros. ¿Cuál es el tamaño del AFV si se utiliza la bomba SDSP-Q-128 cuya tabla de especificaciones se muestra en la figura siguiente? División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 20 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Respuesta: Paso 1: calcular el régimen de bombeo Q. Para esto, se busca en las bases de datos del recurso solar de la República Mexicana; se obtiene que en Morelia el recurso es de 5.8 kWh/m2/día: 10000 l l Q= = 1724.12 = 28.73 LPM 5.8h h Paso 2: se busca en la tabla, en la columna de gasto Q, el valor más cercano al obtenido en el paso 1. Como se puede observar, esta bomba puede extraer agua con un gasto de hasta 30.3 LPM a una altura dinámica de 63.4 metros; la tensión de la bomba es de 105 V, consumiendo una corriente aproximada de 8.56 A. Otro parámetro que brinda esta tabla es la potencia del arreglo fotovoltaico (1.124 kWp) que se necesita para que la bomba funcione adecuadamente; con estos valores se observa que la eficiencia del sistema es de 35%. En la parte inferior de la tabla se puede observar que la configuración del AFV que se recomienda es de 7Sx2P y que cada módulo fotovoltaico es de 110W o 120W. Esta configuración puede cambiar dependiendo de las características eléctricas del módulo que se seleccione. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 21 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico c) Dimensionamiento por medio de tablas de valores hidráulicos y energéticos. Otro tipo de tablas que el fabricante puede proporcionar sobre su producto son el modelo de la bomba, la carga dinámica que puede vencer, la potencia del arreglo fotovoltaico, el gasto instantáneo que puede suministrar y el recurso solar que se requiere para el sistema de bombeo fotovoltaico. En la siguiente figura se muestra la tabla de dimensionamiento para las bombas de la compañía Lorentz. Ejemplo: Se requiere extraer un volumen de 15,000 litros de agua al día, la carga hidráulica del sistema es de 55 metros. Aunado a esto, se debe considerar que se tiene una irradiancia de 5 kWh/m2 y que el tipo de estructura es fija. ¿Qué tipo de bomba es la indicada? y ¿cuál es la potencia del arreglo fotovoltaico? Resolución: Paso 1: se ubica en la tabla la carga dinámica; en este caso se tiene una carga de 55 metros, por lo cual se toma el valor inmediato superior, que es 60 metros. Paso 2: en esa columna de 60 metros se busca el valor más próximo al volumen requerido. En este caso, se observa que la bomba HR10 puede proporcionar 14 m3 al día; sin embargo, con un recurso solar de 7.5 kWh/m2/día y con un recurso solar de 6.0 kWh/m2/día se proporciona un volumen de 12 m3 por día, por lo cual, esta bomba no cumple con los requerimientos solicitados. Paso 3: se busca nuevamente en la tabla una bomba y se advierte que el modelo HR14 puede servir gracias a sus características. Esta bomba proporciona 16 m3/día con una potencia de 1200 Wp a una irradiancia de 6 kWh/m2/día y un flujo diario de 14m3, con una irradiancia de 4.5 kWh/m2/día. El calibre del conductor que acepta dicha bomba es 10 AWG. Paso 4: se selecciona un módulo fotovoltaico y, posteriormente, se realizan los cálculos para determinar la configuración del arreglo fotovoltaico. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 22 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Tabla de dimensionamiento de SBFV para las bombas Lorentz. Tomada de la Hoja de especificaciones de la bomba PS1200 HR/C. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 23 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico 1.2.4. Dimensionamiento del sistema de bombeo FV mediante software Actualmente se cuenta con herramientas muy útiles para el dimensionamiento de sistemas de bombeo. Estas herramientas son las hojas de cálculo o el software que permite diseñar, de una manera muy fácil, un sistema de bombeo fotovoltaico. Entre los programas que existen para realizar los dimensionamientos de estos sistemas se encuentran: WinCAPS, PV*Sol, Compass, PVSyst, por mencionar algunos. El software WinCAPS fue desarrollado por la compañía Grundfos y es un software libre. Su diseño visual es muy amigable; por lo cual trabajar con él es muy fácil. En la siguiente figura, se muestra la ventana principal del software WinCAPS. En la ventana principal se tienen cinco pestañas en la parte superior. De izquierda a derecha, se vislumbran las pestañas denominadas Catalogue, Sizing, Replacement, Service y Project, como se aprecia en la siguiente figura: Pestañas de selección del software WinCaps. Imagen tomada de http://mx.grundfos.com/service- support/caps-support-pages/wincaps-support/supported-wincaps-versions/wincaps-2010-01.html. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 24 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Si se selecciona la pestaña Catalogue, se despliega el menú que se muestra en la siguiente figura. En esta sección se pueden encontrar los diferentes productos que maneja el software, así como sus características eléctricas e hidráulicas y sus aplicaciones. Para seleccionar una categoría o producto, se debe dar doble clic. Vista del menú principal de la sección catalogue. Imagen tomada de http://mx.grundfos.com/service- support/caps-support-pages/wincaps-support/supported-wincaps-versions/wincaps-2010-01.html La pestaña Sizing es la sección donde se puede realizar el dimensionamiento del sistema. En este apartado se despliega la pantalla que se muestra en la siguiente figura. Aquí se selecciona el botón Renewable Energy Systems. Una vez que se selecciona el botón Renewable Energy System, se despliega la siguiente ventana. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 25 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Ventana de dimensionamiento del software WinCaps. Imagen tomada de http://mx.grundfos.com/service- support/caps-support-pages/wincaps-support/supported-wincaps-versions/wincaps-2010-01.html Como se puede apreciar en la figura anterior, en el óvalo de color rojo se selecciona el tipo de sistema que se desea dimensionar, éste puede ser solar, eólico o un sistema combinado eólico-solar. Los dos botones que se encuentran en la parte inferior del óvalo rojo cuentan con una base de datos del recurso solar y eólico a través de mapas y tablas. En el óvalo en color amarillo se tiene tres pestañas, las cuales contienen información relevante para el dimensionamiento de los sistemas. En la figura anterior se muestra la pantalla de dimensionamiento de un sistema solar; en la pestaña general se tienen los parámetros de localización, el volumen de agua requerida (m3/día), el mes del diseño, la carga dinámica (metros), el tipo de estructura (fija o con seguimiento), el tipo de módulo fotovoltaico (base de datos que contiene una variedad de modelos de MFV), el número de módulos (este dato se deja en blanco, porque lo proporciona el programa como resultado del dimensionamiento), el tipo de salida de la bomba, el material de la bomba y el modelo de la bomba. En las pestañas System configuration y User defined day, se puede seleccionar el material de la caja, la estructura y el día, definidos por el software para diseñar el sistema. Una vez que se colocan todos los parámetros solicitados por el programa, se da un clic en el botón Start sizing. Posteriormente, aparecerán, en la parte inferior del botón Start sizing, los resultados obtenidos. Estos resultados pueden variar, porque, dependiendo de las características del sistema, se puede mostrar uno o más resultados. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 26 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Resultados Con un doble clic se selecciona el resultado obtenido; esto desplegará dos ventanas con información relevante sobre el dimensionamiento, como el número de módulos que se necesita, la bomba que se utilizará, el volumen de agua obtenida por día, mes y año. Asimismo, en esta ventana es posible visualizar las curvas de desempeño de la bomba. El reporte se puede guardar en formato.pdf para imprimirlo posteriormente, o se puede hacer desde el programa. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 27 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Ventana de resultados del dimensionamiento de sistemas de bombeo. Tomada de http://mx.grundfos.com/service-support/caps-support-pages/wincaps-support/supported-wincaps- versions/wincaps-2010-01.html. Reporte presentado por el software WinCaps Tomado de http://mx.grundfos.com/service-support/caps- support-pages/wincaps-support/supported-wincaps-versions/wincaps-2010-01.html Es una de las maneras más fáciles de realizar el dimensionamiento de un sistema de bombeo; sin embargo, este tipo de software puede tener ciertos inconvenientes, porque algunos fabricantes no permiten anexar nuevos productos a sus bases de datos y sólo se pueden utilizar los productos que ellos determinan. 1.2.5. Protecciones eléctricas Es imperativo que toda instalación eléctrica cuente con sistemas de protección, cuya misión es proteger al equipo y a los usuarios de los efectos producidos por un corto circuito o una sobrecarga. Para esto las protecciones deben ser adecuadas, de acuerdo División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 28 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico con las características del circuito eléctrico en cuestión. Los sistemas de protección más importantes en una instalación fotovoltaica se enlistan a continuación: a) Interruptores Para proteger los equipos y al usuario, se coloca un interruptor entre el arreglo fotovoltaico y el controlador de la bomba. Este interruptor se encargará de proteger el sistema de corto circuito y sobrecarga, por lo cual el dispositivo se debe elegir tomando en cuenta la corriente máxima que pueda presentarse en el sistema. De acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2012 y al Código Eléctrico Nacional 2012, la capacidad del interruptor debe ser 1.56 veces la corriente de corto circuito (ANCE, 2012). Ejemplo: Se tiene una potencia instalada de 760 watts con una corriente de operación de 5.03 A y una tensión de 150.92 V; una corriente de corto circuito de 5.4 A y una tensión a circuito abierto de 180.28 V. Por lo tanto, la capacidad requerida para este circuito es de 5.4 A × 1.56 = 8.42 A. Asimismo, considerando factores de corrección de 0.9, la ampacidad del interruptor debe ser de 9.36 A. El interruptor que se encuentra comercialmente es de 10 A. Interruptor termomagnético para la corriente directa de un polo. Tomada del Catálogo de ABB. b) Supresor de picos Otro dispositivo de seguridad que se instala en el sistema es un supresor de picos, el cual tiene la función de proteger el sistema de posibles sobretensiones que puedan ser originadas por descargas atmosféricas. La selección de este dispositivo se realiza de acuerdo con el nivel ceráunico del sitio de instalación; es decir, de acuerdo con la frecuencia de rayos presentados en el lugar, de tal manera que la tensión en circuito abierto del arreglo fotovoltaico sea menor o igual que la máxima tensión continua de División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 29 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico operación del supresor de picos. En la siguiente figura se muestra un supresor de picos de la compañía Delta Lighting Arrestors. Supresor de picos LA302DC. Tomada de http://civicsolar.com c) Tierra física Todo sistema eléctrico debe contar con un sistema de tierra. De acuerdo con la NOM-001- SEDE-2012, si se utilizan varillas copperweld, éstas deben tener, como mínimo, 5/8” de diámetro y una longitud de tres metros; asimismo, deben estar enterradas, por lo menos, a 2.5 metros de forma vertical. En la figura siguiente se puede apreciar una varilla copperweld. Varilla copperweld. Tomada de dehttp://www.promelsa.com.pe/productos_list.asp?id_linea=003&id_sublinea=1&id_familia=09&saldos=&pm_li st=L d) Flujómetro El sistema fotovoltaico contará, además, con un medidor de flujo de agua (flujómetro). Este equipo de medición permitirá tener un registro del agua bombeada. Dicho instrumento se instala entre la bomba y el tanque de almacenamiento. En la siguiente figura se muestra la vista superior del flujómetro MX3 de la compañía ADCCOM TEAM. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 30 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Flujómetro ADCCOM MX3. Tomada de la Hoja de especificaciones ADCCOM MX3. http://adccom.com/Medidores-De-Agua-Micro. En la siguiente figura se muestra un esquema completo del sistema de bombeo fotovoltaico. Diagrama de conexión de un sistema de bombeo fotovoltaico de 760 W para 20 m3/día. Realizado con el software Autocad, 2010. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 31 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Cierre de la unidad En la presente unidad has reafirmado la importancia del uso adecuado del agua, un aspecto que no puede permanecer ajeno al ámbito de las energías renovables. Igualmente, se han identificado las principales variables involucradas en el bombeo fotovoltaico, su manejo y cálculo, y se presentaron métodos para el correcto diseño de un sistema de bombeo fotovoltaico, incluyendo el uso de software gratuito que puedes hallar en el internet. Toma en cuenta que el bombeo fotovoltaico es una manera sencilla y económica para proveer de agua a zonas aisladas de la red eléctrica, empleando una tecnología limpia y renovable. Mediante la energía solar, se puede bombear el líquido desde alguna fuente y usarla para proveer a una comunidad aislada, regar una huerta o proporcionar agua para el ganado. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 32 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Para saber más Código Eléctrico Nacional (NEC 2012). Alonso, M. (2005). Sistemas Fotovoltaicos. Introducción al diseño y dimensionado de instalaciones de energía solar fotovoltaica. Madrid: Era solar. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 33 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Manual de WinCapsGrundfos. Disponible en: http://noteswww.grundfos.com/web/grfosweb.nsf/Grafik Opslag/wincaps3/$File/Manual_ESP.pdf División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 34 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico Fuentes de consulta 1. Fondo para la Comunicación y la Educación Ambiental, A. C. (2013). Agua en México. Disponible en: http://www.agua.org.mx/h2o/index.php?option=com_content&view=section&id=6&It emid=300004 2. ANCE. (2012). NOM-001-SEDE-2012 (Utilización). México: ANCE. 3. Banco Interamericano de Desarrollo (BID). (2011). Evaluación de sistemas de bombeo de agua. Manual de eficiencia energética. E.U.: Banco Interamericano de Desarrollo. 4. Comisión Nacional del Agua. (2007). Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento. México: Comisión Nacional del Agua. 5. Fernández, R. y Martínez, M. M. (2012). Estimación de las demandas de consumo de agua. México: SAGARPA. Disponible en: http://www.sagarpa.gob.mx/desarrolloRural/noticias/2012/Documents/FICHAS%20 TECNICAS%20E%20INSTRUCTIVOS%20NAVA/INSTRUCTIVO_DEMANDAS%2 0DE%20AGUA.pdf 6. FAO, (2013). Disponible en: http://www.fao.org/nr/water/aquastat/water_use/indexesp.stm 7. Sánchez, A. (2008). Tecnología fotovoltaica aplicada al bombeo de agua. México: FIRCO-SAGARPA. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 35 U1 Diseño de sistemas fotovoltaicos Sistemas de bombeo fotovoltaico 8. Manrique. (2009). Análisis de las fuentes de información sobre recurso solar para generación térmica y/o eléctrica empleando un sistema de información geográfica. España: Informes Técnicos del Ciemat. 9. Sandia National Laboratories. (2001). Guía para el desarrollo de proyectos de bombeo de agua con energía fotovoltaica. México: FIRCO. División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Energías Renovables 36