bombeo de agua con energia solar en el departamento de ica

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA

BACH. LUIS EUGENIO HERNANDEZ QUIJAITE 1



En memoria de mis abuelos Marina, Rosa y Eugenio que desde el cielo iluminan mi camino de superación

Agradezco a mis padres Raúl y Margarita por haberme inculcado los valores y la sapiencia de superación, a mi esposa Cintia y mi hija Danna asimismo a mis hermanos José, Fiorella y Diego por su apoyo incondicional y aliento constate.

A mi asesor Ing. Bacilio Hernández por el apoyo prestado en la culminación de la presente tesis



CONTENIDO

I. INTRODUCCION. 5

II. OBJETIVOS 7

2.1 OBJETIVO GENERAL

2.2 OBJETIVO ESPECIFICOS

III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 8

3.1 Antecedentes 8

3.2 Formulación del problema 9

IV. MARCO TEORICO 12

4.1 Definiciones 12

Radiación 12

Paneles Fotovoltaicos. 13

4.2 Bombeo Fotovoltaico 17

4.3 Funcionamiento del sistema de bombeo solar 19

4.4 Descripción del sistema de bombeo Fotovoltaico 21

4.4.1 Condiciones hidráulicas 22

A) Carga estática

B) Carga dinámica (Fricción)

4.4.2 Subsistema de generación 29

4.4.3 Subsistema motor-bomba 35

A) Motores

B) Bombas

4.4.4 equipo de bombeo compatible con sistemas fotovoltaicos. 39

A) Bombas de cilindro:

B) Bombas de diafragma:

4.4.5 Selección de la bomba. 44

4.4.6 subsistema de acumulación y distribución 46

4.5 Dimensionado de sistemas de bombeo 50

4.5.1 Necesidades de energía hidráulica, necesidades de agua y altura

manométrica 50

4.5.2 Energía solar disponible: periodo crítico e inclinación óptima. 55

4.5.3 Calculo de la potencia pico y la configuración del sistema generador. 55



4.5.4 Selección del sistema motor – bomba. 58

4.5.5 Dimensionado de tuberías. 60

4.6 Resumen de cálculos a realizar. 61

V. DESARROLLO DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA 67

VI. ASPECTOS ECONÓMICOS. 73

6.1. Costos de los sistemas de bombeo fotovoltaicos 73

6.1.1 Costos 73

6.1.2 Costo de Capital 74

A. Paneles fotovoltaicos

B. Bombas de agua

C. Baterías

D. Reguladores / Inversores.

6.1.3 Costos de Instalación 76

6.1.4 Costos de operación y mantenimiento. 76

6.1.5 Ciclo de vida 77

6.1.6 Criterios de Decisión 77

6.1.7 Comparación de alternativas de bombeo 78

A) Criterios de decisión

B) calculo del costo del ciclo de Vida Útil (CCVU)

C) Conceptos básicos

D) Pasos para determinar el CCVU

VII. EVALUACIÓN ECONÓMICA DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Y UN SISTEMA

DE COMBUSTIÓN INTERNA 87

VIII. COMPARACIÓN COSTOS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO Y

DE COMBUSTIÓN INTERNA 91

IX. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 97

X. BIBLIOGRAFÍA. 101



XI. ANEXOS Y TABLAS 104

Tabla de Radiación Solar en el Perú

Promedio anual de la Irradiación Solar diaria en el Perú

Datos de radiación solar en Ica – NASA

Calculo de potencia desde el sol

Cuadro de Horas Sol en la provincia Ica – 2005

Cuadro de Horas Sol en la provincia Ica – 2006

Profundidad de Niveles Freáticos de agua en el Valle de Ica

Especificaciones Técnicas de Módulos Solares

Especificaciones Técnicas de Controlares

Catalogo de Bombas Solares

Diagramas de conexión



IV. INTRODUCCION.

La energía es un importante factor para el desarrollo y crecimiento

económico de un país, ya que provee de fuerza a muchos de los aparatos y

maquinas que ayudan al productor a incrementar su capacidad de trabajo.

Aunque normalmente la energía que se utiliza es a través del uso de

combustibles fósiles, la energía renovable como la del sol y la del viento, son

una fuente limpia, como abundante e inagotable fuente de energía.

Existen hoy tecnologías a nivel comercial que permiten hacer uso de esas

fuentes de energía renovable, para generar trabajo útil y productivo y cuando

se utilizan apropiadamente, son una alternativa económicamente factible. A

nivel comercial, existe una gran variedad de aplicaciones, para el uso

domestico e industrial y en algunos casos, para el sector agropecuario.

Las aplicaciones mas comunes para la agricultura son el bombeo de agua

tecnificando el riego.

Esta aplicación, tiene amplia perspectivas de utilización en las áreas rurales

donde algunos se carecen de suministro de energía eléctrica y su acometida

requiere de grandes inversiones lo que puede coadyuvar al desarrollo del

campo.

Actualmente hay miles de sistemas de bombeo con energía fotovoltaica en

operación de ranchos ganaderos y agrícolas alrededor del mundo. Los

sistemas son confiables y económicamente competitivos para el productor

rural.



Los sistemas solares de bombeo pueden satisfacer un amplio rango de

necesidades que van desde 1000 litros diarios hasta los 50,000 litros diarios

para irrigación de pequeñas parcelas. Estos sistemas son sencillos y

confiables, requieren de poco mantenimiento y no usan combustible. Otra

ventaja es que son sistemas modulares de manera que pueden optimizarse

para las características específicas de cada proyecto



V. OBJETIVOS

2.3 OBJETIVO GENERAL

- Presentar una visión general del uso de la energía solar fotovoltaica en la

agricultura con una perspectiva de viabilidad y factibilidad en el uso en los

sistemas de bombeo de agua para irrigación en zonas rurales en la

provincia de ica

2.4 OBJETIVO ESPECIFICOS

- Implementar un proyecto de energía renovable con características de

viabilidad

- Realizar el estudio de cálculos de fuente de generación y los cálculos

hidráulicos del sistema de bombeo fotovoltaicos.

- Promover la capacitación técnica al personal interesado en el manejo del

recurso solar.

- Evaluar la factibilidad de la energía solar fotovoltaica para el bombeo de

agua acompañada de un sistema de riego

- Promover un sistema de bombeo de agua accionado por energía solar

fotovoltaica



VI. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

3.3 Antecedentes

Hoy en día, la tecnología fotovoltaica disponible comercialmente es una

alternativa real para su aplicación en diversas tareas domesticas, industriales y

agropecuarias. Sin embargo es necesario de un análisis de viabilidad

económica y factibilidad técnica para determinar si es la más apropiada para

tal fin. Las aplicaciones comunes en el sector agropecuario son bombeo de

agua, cercos eléctricos, calentadores de agua, congeladores y sistemas de

secados de de productos agrícolas, además de la electrificación básica para

fines domésticos.

El bombeo de agua en pequeña escala es una aplicación de mucha

trascendencia en el mundo; tiene especial impacto en comunidades rurales

donde no hay suministro de energía eléctrica convencional.

En la década de los 80 el Banco Mundial realizo un estudio en sistemas de

Bombeo fotovoltaico en los países de Egipto, Filipinas, Malí y Sudan.

Demostrando, que este sistema es técnico y económicamente viable, llegando

a satisfacer las necesidades de bombeo en áreas rurales.

En el ámbito mundial existen experiencias realizadas por la Universidad

politécnica de Madrid (España), la cual esta desarrollando estudio de “Bombeo

Fotovoltaico”, así como, la Universidad de Tarapacá (Chile) en su programa “El

Desarrollo de la agricultura en el desierto”, asimismo los proyectos en EEUU y

Mexico y Honduras en los cuales destacan el sistema de bombeo fotovoltaico

de “El Retamo” con una potencia de 1600 Wp a un nivel de perforación de 28

m, el pequeño sistema FV de Villa Leyva de 140 Wp y 5.5m de Carga

dinámica, el sistema de bombeo solar del “El Jeromin” de 848 Wp de potencia



y una CDT de 40 m entre otros proyectos realizados en México y Honduras. En

el Perú, se han realizado investigaciones en las Universidades de San Agustín,

Universidad Privada de Piura, la Universidad Nacional de Ingeniería, y la

Universidad Nacional Agraria La Molina por sus departamentos de energía

renovable.

El gobierno peruano, apunta el uso de este novedoso aprovechamiento de

energía solar fotovoltaica como la principal fuente de generación de energía

para las zonas donde no han llegado los tendidos eléctricos limitando de este

modo el desarrollo de dichas comunidades.

Particularmente en el provincia de Ica cabe la posibilidad de priorizar el estudio

técnico económico para aprovechar la energía solar con el objeto de

aprovecharla para el bombeo de agua de pozos profundos, como es el caso de

pequeños agricultores.

En el Perú la irradiación promedio es una de las mas altas del mundo

especialmente en las zonas de Ica, Arequipa y Puno comparada con Holanda

la fluctuación por estaciones en el Perú es mucho menor que la de las regiones

nórdicos el valor promedio del nivel de irradiación en invierno es de 0.5

Kwh/m2/día mientras que en el verano puede darse valores como de 5

Kwh/m2/día.

3.4 Formulación del problema

La provincia de Ica tiene una extensa zona agrícola, donde generalmente se

cultivan algodones, pallares, espárragos, frijoles y el cultivo de parras de uva,

que requieren agua en su irrigación. En este valle, tiene como característica

que existen zonas que hay aguas subterráneas en distintas zonas de la



provincia, a distinto niveles freáticos de profundidad tal como se muestra en el

cuadro adjunto.

La Profundidad de la Napa Freática en el área investigada (Ica - Villacuri)

fluctúa entre 1,45 - 3,11 m (Ocucaje y Fundo Cañaveral) entre 60 - 61,46 m.

(Los Aquijes, Santiago) llegando incluso a 77,80 m (Pampa Guadalupe) en la

zona IV (Villacuri). Ver Cuadro Adjunto

Para hacer uso de este liquido se requiere de la instalación de bombas de

agua para succionar y transportar el agua a la zona de cultivo, en la cual en las

zonas rurales el tendido de red eléctrica se encuentra en algunos casos a

distancia considerables, para el cual hacer un tendido de una red eléctrica

resultaría un poco costoso para un pequeño sistema de bombeo, cabe recalcar

que aunque recurso hídrico de la costa peruana es escaso, la disponibilidad de

agua durante el año es variable, es por ello la construcción de pozos que se

encuentran equipados con sistemas convencionales de bombeo diesel,

especialmente en sistemas de menor potencia.

Para elaborar el presente trabajo de investigación se toma en cuenta hacer

estudio de una fuente energética limpia de bajo impacto ambiental que tenga

una amplia disponibilidad en distintos puntos y que sea renovable.

La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía viable para nuestro

propósito por cumplir con las condiciones y requisitos necesarios para nuestro

estudio en el cual la energía solar fotovoltaica será usada como fuente

generadora de energía eléctrica para accionar las bombas de agua.

Cabe mencionar que en la zona rural de la provincia de Ica, la irradiación solar

alcanza un promedio de 5.28 KW/m2 dicha irradiación será de gran utilidad

para el cálculo del sistema de generación eléctrica que estará constituido por



los paneles solares los cuales generaran la potencia adecuada para accionar

+las bombas de agua.

Aunque actualmente, resulte excesivamente costoso, es una aplicación que

puede presentar en el futuro un gran potencial de desarrollo. Teniendo en

cuenta que las necesidades de agua para el riego suelen ir asociadas a las

épocas de mayor insolación,



V. MARCO TEORICO

4.5 Definiciones

Radiación.

Radiación Solar: La radiación solar es la energía electromagnética que

mana en los procesos de fusión del hidrógeno (en átomos de helio)

contenido en el sol.

La energía solar que en un año llega a la tierra a través de la atmósfera

es de tan sólo aproximadamente 1/3 de la energía total interceptada por

la tierra fuera de la atmósfera y, de ella, el 70% cae en los mares. Sin

embargo, la energía que queda, de , que en un año cae

sobre la tierra firme, es igual a varios miles de veces el consumo total

energético mundial actual.

La radiación solar (flujo solar o densidad de potencia de la radiación

solar) recogida fuera de la atmósfera sobre una superficie perpendicular

a los rayos solares es conocida como constante solar y es igual a 1353

W/ , variable durante el año un 3% a causa de la elipticidad de la

órbita terrestre.

Radiación Solar Directa: es la radiación solar por unidad de tiempo y

unidad de área, que sin haber sufrido modificación en su trayectoria,

incide sobre una superficie.



Radiación Solar Reflejada: es la radiación por unidad de tiempo y

unidad de área que, procedente de la reflexión de la radiación solar en

el suelo y otros objetos, incide sobre una superficie.

Radiación Difusa: es la suma de la radiación difusa celeste y la

radiación solar reflejada.

Horas Sol Pico: es el número de horas de sol que con una radiación

global de 1000 W/m² proporciona una energía equivalente a la radiación

global recibida en un período de tiempo.

Albedo o Reflectancia: es la relación entre la radiación reflejada por

una superficie la que incide sobre ella.

Paneles Fotovoltaicos.

Efecto fotovoltaico: transformación directa de energía luminosa en

energía eléctrica.

Este fenómeno físico denominado "efecto fotovoltaico", que

básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por

medio de unos dispositivos semiconductores denominados células

fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio puro (uno

de los elementos más abundantes, componente principal de la arena)

con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y

fósforo), y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4

Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente la

radiación luminosa. Las células se montan en serie sobre paneles o



módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la

radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por

transmisión (atraviesa la célula). El resto es capaz de hacer saltar

electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la

radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula.

Célula solar: dispositivo unitario correspondiente al elemento

semiconductor que presenta el efecto fotovoltaico, ya esté protegido de

ambiente exterior o no.



Módulo Solar: conjunto de células solares interconectadas y montadas

sobre un mismo soporte protector.



Tensión de Circuito Abierto: es la diferencia de potencial medido en

los bornes de una célula o módulo cuando el circuito está abierto en

unas ciertas condiciones de medida.

Corriente de Cortocircuito: es el valor de la corriente que proporciona

la célula o módulo iluminados bajo condiciones estándar, cuando sus

bornes están cortocircuitados.



Potencia máxima: es la máxima potencia que en determinadas

condiciones de medida pueda proporcionar una célula o módulo solar.

4.6 Bombeo Fotovoltaico

El bombeo de agua con energía fotovoltaica se presenta como una de

las aplicaciones más importantes de la energía solar. Es especialmente

interesante en zonas rurales en donde los pozos se encuentran en

lugares de difícil acceso a la red eléctrica.

El bombeo solar de agua para riego, que aunque en actualmente,

resulte excesivamente costoso, es una aplicación que puede presentar

en el futuro de un gran potencial de desarrollo. Teniendo en cuenta que

las necesidades de agua para riego suelen ir asociadas a las épocas de

mayor insolación, coincidiendo oferta y demanda. Los sistemas de



bombeo fotovoltaicos para riego podrán presentar ventajas económicas

frente a otras tecnologías de sistemas de riegos eficientes que permitan

el ahorro del agua y energía, como son los sistemas de riego por goteo

y se buscara maximizar la utilización de la energía disponible mediante

una rotación sistemática de cultivos o cultivos permanentes.

Existen dos alternativas de sistemas de bombeos fotovoltaicos que son:

- Bombeo solar directo: El agua se extrae del pozo durante el

tiempo de radiación solar únicamente, almacenándose en un

depósito. Se evita los costes asociados a las baterías.

- Bombeo con baterías: Si las necesidades de extracción de agua

son muy precisas o se necesita asegurar el suministro, pueden

instalarse baterías para los periodos sin sol.

Los equipos que conforman esta aplicación son:

- Módulos fotovoltaicos: Captan la energía del sol y la convierten

en electricidad en corriente continua

- Acoplamiento módulos-bomba: Transforma la energía generada

por los módulos fotovoltaicos en adecuada para el funcionamiento

de la bomba

- Bomba: El equipo fundamental que extrae el agua del pozo.



4.7 Funcionamiento del sistema de bombeo solar

Un sistema de bombeo fotovoltaico es similar a los sistemas

convencionales excepto por la fuente de potencia como se muestra en

la figura anterior, como sus principales componentes son: un arreglo de

módulos fotovoltaico, un controlador, un motor y una bomba y por ultimo

un tanque de almacenamiento.

El sistema generador estará constituido por un conjunto de arreglos de

módulos fotovoltaicos (paneles solares) conectados en serie o en

paralelos, los cuales generaran la energía necesaria para accionar el

motor bomba, intermedio a ellos se encontrara un controlador

electrónico para la bomba (amplificador de corriente) es un dispositivo

electrónico que se usa con la mayoría las bombas solares. Este actúa

como una transmisión automática, ayudando a la bomba a encender y a

no detenerse al disminuir la radiación solar.



Debe tenerse presente que la solución más simple y económica es

acumular agua en lugar de energía eléctrica, usando una cisterna. Su

incorporación permitirá minimizar el efecto causado por las variaciones

estaciónales de los recursos hidráulicos o desperfectos temporarios que

interrumpan su funcionamiento, almacenar agua en tanques es mucho

mas económico que almacenar energía en baterías. Después de 5 a 7

años, las baterías necesitan reemplazarse, mientras que la vida útil de

un tanque de almacenamiento bien construido es de varias décadas, el

almacenamiento por baterías normalmente se justifica solo cuando el

rendimiento máximo del pozo durante las horas de sol es insuficiente

para satisfacer las necesidades diarias de agua y cuando se requiere

bombear agua durante la noche, en general no se recomienda utilizar

baterías en los sistemas de bombeos fotovoltaicos, además se

recomienda que al almacenar agua se hará para tres días de abasto

El régimen del funcionamiento del sistema corresponderá con la

situación en la que la potencia suministrada por el generador

fotovoltaico sea igual a la absorbida por el motor, lo mismo que la

tensión y la intensidad proporcionada por el sistema generador serán las

aplicadas al motor.

Para diseñar un sistema será necesario conocer el rendimiento del

sistema de bombeo que es la relación entre la potencia hidráulica y la

potencia eléctrica absorbida.

En los sistemas fotovoltaicos de bombeo de agua, la energía necesaria

para accionar la bomba proviene del sol. La energía solar es captada y



transformada en energía eléctrica por medio de los dispositivos

llamados celdas solares los cuales son la base de la construcción de los

módulos fotovoltaicos.

El sistema generador (paneles solares) deberá elegirse de manera que

el punto de trabajo este lo mas próximo posible de su punto de máxima

potencia ya que son la parte principal del sistema de bombeo

fotovoltaico.

4.8 Descripción del sistema de bombeo Fotovoltaico

Los principales factores que determinan la configuración de un sistema

de bombeo fotovoltaico son:

A) Las condiciones hidráulicas

- La profundidad del nivel del agua en el pozo bajo la superficie.

- La altura estática de elevación del agua por encima de la

superficie del suelo (por ejemplo hasta un deposito de

almacenamiento)

- Las perdidas adicionales de presión en tuberías y accesorios

(altura dinámica)

B) La energía suministrada por el generador fotovoltaico a lo largo del

día, determinada por la radiación solar y las condiciones

climatológicas.

De acuerdo con estos factores, se pueden definir varias

configuraciones de un sistema de bombeo fotovoltaico: sumergible,



flotante, con bomba centrífuga o de desplazamiento positivo, con

motor de corriente continua o corriente alterna, etc.

Los componentes esenciales en toda instalación son:

- Subsistema de generación o generador fotovoltaico.

- Subsistema motor-bomba

- Subsistema de acumulación y distribución

Analicemos los factores que determinan la configuración del sistema.

4.8.1 Condiciones hidráulicas

Antes de determinar el tamaño del sistema de bombeo de agua, es

necesario entender los conceptos básicos que describen las

condiciones hidráulicas de una obra. El tamaño del sistema esta en

relación directa con el producto de la Carga Dinámica Total (CDT) y

el volumen diario necesario. Este producto se conoce como ciclo

hidráulico. La carga dinámica total es la suma de la carga estática

(CE) y la carga dinámica (CD)

CDT = CE + CD = Nivel estático + abatimiento + altura de la descarga + fricción



A) Carga estática

La primera parte, la carga estática, puede obtenerse con mediciones

directas. Se trata de la distancia vertical que el agua se desplaza

desde el nivel de abatimiento del pozo hasta la altura en que se

descarga el agua. La carga estática es entonces la suma del

abatimiento, el nivel estático y la altura de descarga. Todos los pozos

experimentan el fenómeno de abatimiento cuando se bombea el

agua. Es la distancia que baja el nivel del agua debido a la constante

extracción de agua. La figura muestra estos componentes hidráulicos

que forman carga estática.



B) Carga dinámica (Fricción)

La carga dinámica, es el incremento en la presión causado por la

resistencia al flujo al agua debido a la rugosidad de las tuberías y

componentes como codos y válvulas. Esta rugosidad depende del

material usado en la fabricación de las tuberías. Los tubos de acero

producen una fricción diferente a la de los tubos de plástico PVC de

similar tamaño. Además, el diámetro de los tubos influye en la

fricción. Mientras mas estrechos mayor resistencia producirá.

Para calcular la carga dinámica, es necesario encontrar la distancia

que corre el agua desde el punto en que el agua entra a la bomba

hasta el punto de descarga, incluyendo las distancias horizontales,

así como el material de la línea de conducción y su diámetro. Con

esta información se puede estimar la carga dinámica de varias

maneras.

Valor por omisión

La carga dinámica es aproximadamente el 2% de la distancia de

recorrido del agua. Por lo general el resultado es una estimación

conservadora si se asume que los sistemas de bombeo solar típicos

tienen flujos de menos de 1 L/s y las bombas recomendadas se

conectan a tuberías de diámetro amplio.



Tablas de fricción

Existen tablas publicadas por fabricantes que indican el porcentaje

de fricción que debe añadirse en base al caudal, diámetro y material

de las tuberías.

Formula de Manning

Este es un método matemático que se puede realizar fácilmente con

una calculadora de bolsillo. La formula de Manning se expresa así:

Hf = K x L x Q2

Donde:

Hf es el incremento en la presión causada por la presión y expresada

en la distancia lineal (m)

K es una constante empírica con unidades de (m3/s)-2

L es la distancia total recorrida por el agua por las tuberías. Su

unidad es metros (m).

Q es el flujo expresado en metros cúbicos por segundo (m3/s).

La constante k se obtuvo después de experimentar con varios

materiales y tamaños de tuberías



Diámetro en pulgadas

Material 0.5 0.75 1 1.5 2

PVC 9,544,491 1,261,034 291,815 31,282 7,236

Galvanizado 19,909,642 2,631,046 608,849 65,263 15,097

Para la determinación de la energía hidráulica es necesario conocer

en primer lugar las necesidades de agua, que las referiremos a los

valores diarios medios de cada mes. Se puede distinguir entre el

consumo continuo, como el abastecimiento de agua potable, tanto

para las personas como para el ganado, consumos estaciónales

como son los debidos al riego de cultivos.

Las necesidades de agua en las zonas rurales son de

aproximadamente 25 a40 litros por persona. Para el uso agrícola

varia según el cultivo y las condiciones climatológicas del lugar. Se

estima, en 50 a 300 m3 por hectárea / día.

No debemos olvidar hacer un estudio de capacidad de fuente de la

que se va a bombear y sus variaciones estaciónales. Se deberá

prevenir cualquier caso que la bomba se quede sin agua mediante

interruptores de flotación que detengan el bombeo cuando el agua

descienda por debajo de un determinado nivel.



Para el cálculo de la energía hidráulica diaria mensual se empleara

la expresión:

Eh = ρ x g x V x h

Donde: ρ es la densidad del agua (1000 kg/m3), g es la aceleración

de la gravedad (9.81 m/s2), V es el volumen del agua necesario

diariamente (valor medio del mes en m3/día) y h es la altura

manométrica total de elevación.

La altura manométrica h es la suma de la altura estática o

geométrica y la altura dinámica debida a las pérdidas de presión

cuando el liquido se desplaza en el interior de una tubería.

La altura geométrica o estática es la diferencia de cotas entre el

agua en la fuente que puede variar cuando se bombea, y el agua en

la salida.

La altura dinámica se puede determinar mediante la expresión:

hd = f x (L/d) x (v2/(2 x g))

Donde: f es el coeficiente de fricción, L es la longitud de la tubería

(m), d el diámetro hidráulico (m), v la velocidad media del fluido (m/s)

y g es la aceleración de la gravedad (m/s2).



En el caso que se encuentre en el circuito otro tipo de accesorios

como codos, válvulas, etc., se podrá emplear para ellos la siguiente

expresión:

hd = K x (v2/(2 * g))

Siendo K un coeficiente que depende del tipo de accesorio.

Es frecuente usar tablas en las que se indica las perdidas de carga

en función del caudal y el diámetro de la tubería.

Como el diámetro de tubería aun no se conoce lo normal el fijar la

altura dinámica en un 10% de la altura geométrica, ya que no debe

ser mayor, y posteriormente elegir las tuberías y accesorios para que

este valor no sea superado.

4.8.2 Subsistema de generación

Un generador fotovoltaico consiste en conjunto de módulos,

conectados en serie y/o en paralelo, que transforman la energía solar

incidente en energía eléctrica.

La corriente de salida de un generador es corriente continua y la

potencia eléctrica máxima que puede suministrar depende

fundamentalmente de la irradiancia solar incidente y de la

temperatura ambiente.

El generador fotovoltaico se caracteriza mediante su curva I – V, que

a su vez queda definida mediante los siguientes parámetros:



Voc = Voltaje de circuito abierto

Isc = Corriente de corto circuito

Pmax = Potencia máxima, (Pmax = Vmax * Imax)

El generador puede trabajar en cualquier punto de la curva I – V

suministrando una potencia distinta para idénticas condiciones de

irradiancia y temperatura, impuesta por el tipo de carga eléctrica de

salida.

El comportamiento de los módulos fotovoltaicos esta definido por dos

parámetros fundamentales: la radiación que tiene una relación lineal

con la corriente generada (potencia generada), como ejemplo

observaremos el siguiente modulo en donde se mostrara las curvas

características del panel solar así como sus datos técnicos que se

proporciona en fabricante a las condiciones de trabajos respectivas:

Modelo VLX-53

Pp 53 W

Vp 17.2 V

Ip 3.08 A

Vca 21.5 V

Icc 3.5 A

Condiciones 1000 W/m2

25 °C



Para dimensionar el generador fotovoltaico consiste en determinar la

potencia pico que se necesita instalar para satisfacer los consumos a

lo largo de todo el año. El cálculo se hace para el mes critico,

utilizando valores medios mensuales.

La energía eléctrica que se necesita suministrar diariamente al

sistema motor bomba, será el cociente entre la energía hidráulica

requerida y el rendimiento diario medio mensual del grupo motor –

bomba, ηmb, al que le podemos asignar un valor entre 0.3 y 0.4:

Ee = Eh / ηmb

Conocida la energía eléctrica diaria que es necesario aportar y a

partir del dato de radiación diaria mensual y del rendimiento medio



del generador fotovoltaico se obtiene el área de superficie colectora

necesaria:

A = Ee / ηfv x Hdm)

El rendimiento fotovoltaico se puede determinar mediante la

siguiente expresión:

ηfv = Fm x (1 – γ( Tc – 25)) ηg

Siendo: Fm el factor de acoplo medio, definido como el cociente entre

la energía eléctrica generada en condiciones de operación y la

energía eléctrica que se podría generar si el sistema trabajase en el

punto de máxima potencia. Un buen acoplamiento correspondería a

valores medios para este factor superiores a 0.8.

Γ es el coeficiente de variación de la potencia con la temperatura de

las células (entre 0.004 y 0.005 ºC-1

Tc es la temperatura media diaria de los módulos durante las horas

de sol.

ηg es el rendimiento del generador a la temperatura de 25 ºC y 1000

W/m2 de irradiancia.

Se puede considerar para un sistema bien dimensionado desde el

punto de vista del acoplamiento entre el generador y el grupo motor

bomba, que las mayores temperaturas del panel que afectan



negativamente al rendimiento, se alcanza en los momentos de

mayor irradiación en los que el sistema deberá operar con valores de

acoplamiento elevados, estos es, en un punto próximo al de máxima

potencia. Como consecuencia es habitual simplificar los cálculos

utilizando un valor de rendimiento medio igual a 0.8 x ηg

Para un cálculo mas riguroso se puede determinar la temperatura

media de las células mediante la siguiente expresión:

Tc = Ta + 0.03 x I

Donde Ta es la temperatura ambiente e I es la irradiancia en (W/m2).

Luego, el área de superficie de panel necesaria será:

A = Eh / (ηmb x Fm (1 – γ (Tc – 25)) ηg x Hdm)

La potencia pico es la potencia proporcionada por el modulo en

condiciones estándar de 25 ºC y 1000 W/m2, en las que el

rendimiento es ηg, y que, por tanto, será:

Pp = ηg x A x 1000 = Eh x 100 (ηmb x Fm (1 – γ (Tc – 25)) x Hdm)

La elección del modelo de modulo con mas o menos células se serie

y la configuración serie y paralelo de la asociación de módulos

deberá hacerse teniendo en cuenta la curva I – V del grupo motor –

bomba, tratando de conseguir que el sistema funcione prácticamente



en el punto de máxima potencia durante las horas de mayor

insolación.

Dividiendo la potencia pico necesaria, entre la potencia pico del

modulo, se obtendrá el numero de paneles necesarios.

Un factor determinante en el comportamiento de los módulos, es la

temperatura, cuyo aumento arriba de los límites especificados por el

fabricante (25°C) produce la disminución de la potencia, que esta

dada por la siguiente relación:

Donde:

P = Potencia generada

T =Temperatura de funcionamiento de las células (°C).

Ptc = Factor de corrección de la potencia por efecto de la

temperatura (0.005/°C)

La figura muestra las variaciones de la característica tensión –

corriente respecto a variaciones de la temperatura de las células.

La temperatura de la célula Tc esta dado por la siguiente relación:

P (T °C) = P (25 °C) 1 + P TC (T-25 °C)

TC = Ta + θ1 (1 + θT Ta) ( 1 – θW VW) I



Donde:

Ta = Temperatura ambiente (°C)

Tc = Temperatura de la célula (°C)

Vw = Velocidad del viento (m/s)

I = Radiación solar instantánea incidente (W/m2)

θ1, θT, θW = constantes empíricas

Para módulos que están siendo usados en la actualidad, los valores

de las constantes son las siguientes: θ1= 0.0138, θT = 0.031,

θw = 0.042;

Una aproximación razonable es la siguiente:

4.8.3 Subsistema motor-bomba

Para el subsistema motor – bomba lo detallaremos en dos partes:

- Motores

- Bombas

A) Motores

Los motores son los encargados de transformar la energía eléctrica

suministrada por el sistema generador en energía mecánica. Los

motores que se precisan en aplicaciones de bombeo fotovoltaico

deben ser de pequeña potencia y deben tener rendimientos

elevados. Este tipo de motores no son habituales por lo que pueden

ser mas costosos. Dependiendo del tipo de alimentación eléctrica los

TC = Ta + 0.03 * I



motores podemos distinguir entre motores de corriente continua y

motores de corriente alterna. Dentro de los motores de los motores

de corriente continua podemos distinguir entre motores de imanes

permanentes con escobillas y sin escobillas, motores serie, motor

Shunt o motores compound. Dentro de los motores de corriente

alterna podemos distinguir entre motores monofásicos y motores

trifásicos en función del tipo de corriente para el que estén diseñados

y, por otro lado, también pueden ser motores síncronos o motores

asíncronos.

Las partes fundamentales de un motor de corriente continua son el

inductor o estator que es la parte fija de la maquina, el inducido o

rotor que es la parte giratoria, el colector que va montado sobre el

mismo eje que el rotor y giran simultáneamente, las escobillas que

son unos contactos a presión que rozan sobre el colector y tienen

como misión la entrada y salida de la corriente del rotor.

Los motores de corriente continua se caracterizan por su voltaje,

potencia y velocidad nominal y por el par motor. La potencia que

puede desarrollar un motor es proporcional al par motor y a la

velocidad. El par motor es proporcional al flujo inductor y a la

intensidad de carga. La velocidad de giro del motor varía con el

voltaje e intensidad de funcionamiento así como el flujo magnético.

Las principales ventajas de los motores de corriente continua son

sus altos rendimientos, el no necesitar un inversor y se adaptan bien

para su acoplamiento directo al generador fotovoltaico.



Los motores de corriente alterna están más extendidos siendo más

fácil de encontrarlos en potencias mayores. Son más baratos y

eficientes que los de corriente continua, pero obligan a la instalación

de un sistema inversor y a dispositivos que permitan proporcionar o

reducir las altas corrientes que suelen requerir ene. Arranque lo que

encarece el sistema fotovoltaico.

Los motores de corriente alterna constan igualmente de dos partes

de rotor y estator. En el inducido, que suele estar en el estator, las

corrientes alternas que lo recorren producen un campo magnético

giratorio como consecuencia de la superposición de tres campos

magnéticos alternantes desfasados en el espacio y el tiempo o por

descomposición de un campo magnético alternante senoidal en dos

campos magnéticos giratorios en sentidos contrarios.

Los motores de corriente alterna se caracterizan generalmente por

sus tensiones nominales, la intensidad nominal, la potencia nominal,

por su velocidad de giro en función de la frecuencia de alimentación,

y por su par motor.

B) Bombas

Una bomba es la maquina que transforma la energía mecánica en

energía hidráulica. Se puede distinguir dos tipos principales de

bombas: bombas de desplazamiento positivo o volumétricas y

bombas dinámicas o de intercambio de cantidad de movimiento.

Las bombas de desplazamiento positivo poseen una cavidad cuyo

volumen varía como consecuencia del movimiento de una parte



móvil, obligando al líquido que las llena a moverse en un sentido

determinado por la apertura y cierre de válvulas. La más usada en

bombeo fotovoltaico de este tipo bombas es la bomba de pistón. Las

bombas de pistón son apropiadas para los valores elevados de altura

manométrica y bajos caudales.

Las bombas dinámicas le transfieren al fluido una cantidad de

movimiento mediante paletas o alabes giratorios. La mas utilizada es

la bomba centrifuga. Las bombas centrifugas se diseñan para alturas

manométricas determinadas y proporcional mas caudal que las

bombas de desplazamiento positivo. No son recomendables para

alturas de aspiración mayores de 5 -6 metros y pueden tener uno o

varios cuerpos dependiendo de la altura de impulsión necesaria.

Para caracterizar las bombas se utilizan curvas características que

relacionan el caudal con la altura manométrica que pueden

suministrar para un régimen de revoluciones determinado. Además

el rendimiento de las bombas centrifugas disminuye rápidamente con

la velocidad de giro, las bombas centrifugas reúnen una serie de

ventajas entre las que destacamos su simplicidad, con pocas partes

móviles, su bajo costo, su robustez y la tolerancia a los pequeños

pares de arranque.

También podemos clasificar las bombas en función de su forma de

instalación en sumergibles, flotantes y de superficie. Las bombas

sumergibles son apropiadas para los pozos de poco diámetro donde

las variaciones de nivel son importantes para la acumulación de



agua se hace en altura. Las bombas flotante se instalan en ríos,

lagos o pozos de gran diámetro permitiendo una altura de aspiración

constante y proporcionando un gran caudal con poca altura

manométrica. Las de superficie se instalan en aquellos lugares en

los que los niveles de agua de aspiración no sufre grandes

oscilaciones, permitiendo la altura de aspiración dentro de un rango

admitido por la bomba, generalmente < 6 m. en algunos casos las

bombas son auto aspirantes como las utilizadas en piscinas que no

requieren cebado de la tubería de aspiración (generalmente, h

aspiración < 3m).

4.8.4 Equipo de bombeo compatible con sistemas fotovoltaicos.

Las bombas comunes disponibles en el mercado han sido

desarrolladas pensando en que hay una fuente de potencia

constante. Por otro lado, la potencia que producen los módulos FV

es directamente proporcional a la disponibilidad de la radiación solar.

Es decir, a medida que el sol cambia su posición durante el día y al

variar la disponibilidad de potencia también cambia la disponibilidad

de potencia de la bomba. Por esta razón se han creado bombas

especiales para la electricidad fotovoltaica las cuales se dividen

desde el punto de vista mecánico en centrifugas y volumétricas.

Bombas centrífugas

Tienen un impulsor que por medio de la fuerza centrifuga de su alta

velocidad arrastran agua por su eje y la expulsan radialmente. Estas



bombas pueden ser sumergibles o de superficie son capaces de

bombear el agua a 60 metros o más, dependiendo del número y tipo

de impulsores. Están optimizadas para un rango estrecho de cargas

dinámicas totales y la salida de agua se incrementa con su velocidad

rotacional.

Las bombas de succión superficial se instalan a nivel del suelo y

tienen ventaja de que se les puede inspeccionar y dar servicio

fácilmente. Tienen la limitante de que no trabajan adecuadamente si

la profundidad de succión excede los 8 metros.

Hay una gran variedad de bombas centrifugas sumergibles. Algunas

de estas bombas tenen el motor acoplado directamente a los

impulsores y se sumergen completamente. Otras, tienen el motor el



la superficie mientras que los impulsores se encuentran

completamente sumergidos y unidos por una flecha. Generalmente

las bombas centrifugas sumergibles tienen varios impulsores y por

ello, se les conoce como bombas de paso múltiple.

Todas las bombas sumergibles están selladas y tienen el aceite de

lubricación contenido para evitar contaminación del agua. Otras

bombas utilizan el agua misma como lubricante. Estas bombas no

deben operarse en seco por que sufren sobrecalentamiento.

Bombas volumétricas

Las bombas volumétricas o de desplazamiento positivo son

adecuadas para el bombeo de bajos caudales y/o donde la

profundidad es grande. Algunas de estas bombas usan un cilindro y

un pistón para mover paquetes de agua a través de una cámara

sellada. Otras utilizan un pistón con diafragmas. Cada ciclo mueve

una pequeña cantidad de líquido hacia arriba. El caudal es

proporcional al volumen de agua. Esto se traduce a un



funcionamiento eficiente en un amplio intervalo de cargas dinámicas.

Cuando la radiación solar aumenta también aumenta la velocidad del

motor y por lo tanto el flujo de agua bombea es mayor.

C) Bombas de cilindro:

Las bombas de cilindro han sido muy populares en aplicaciones de

bombeo mecánico activadas por el viento, tracción animal o humana.

Su principio consiste en que cada vez que el pistón baja, el agua del

pozo entra a su cavidad y cuando este sube, empuja el agua a la

superficie. La energía eléctrica requerida para hacerla funcionar se

aplica solo durante una parte del ciclo de bombeo. Las bombas de

esta categoría deben estar siempre conectadas a un controlador de

corriente para aprovechar al máximo la potencia otorgada por el

arreglo fotovoltaico.

D) Bombas de diafragma:

Las bombas de diafragma desplazan el agua por medio e diafragmas

de un material flexible y resistente. Comúnmente los diafragmas se



fabrican de caucho reforzado con materiales sintéticos. En la

actualidad, estos materiales son muy resistentes y pueden durar de

dos a tres años de funcionamiento continuo antes de requerir

reemplazo dependiendo de la calidad del agua. Los fabricantes de

estas bombas producen un juego de diafragmas para reemplazo que

pueden adquirirse a un precio razonable. Existen modelos

sumergibles y no sumergibles.

las bombas de diafragma son económicas. Cuando se instala una

bomba de este tipo siempre se debe considerar el gasto que

representa el reemplazo de diafragmas una vez cada dos o tres

años. Más aun, muchas de estas bombas tienen un motor de

corriente continua con escobillas. Las escobillas también deben

cambiarse periódicamente. Los juegos de reemplazo incluyen los

diafragmas, escobillas, empaques y sellos. La vida útil de este tipo

de bomba es aproximadamente 5 años del uso.



4.8.5 Selección de la bomba.

Como se vio anteriormente las bombas centrifugas y volumétricas

ofrecen diferentes alternativas para diferentes rangos de aplicación.

El proceso de selección de la bomba para un proyecto es de suma

importancia. Toda las bombas tienen que usar la energía

eficientemente ya que en un sistema fotovoltaico, la energía cuesta

dinero. Este proceso de selección de la bomba se complica debido a

la multitud de marcas y características de una bomba. Un solo

fabricante puede ofrecer más de 20 modelos de bombas y cada una

tiene un rango óptimo de operación.

Las bombas más eficientes son las desplazamiento positivo de

pistón, pero no son recomendables para los gastos medianos y

grandes a baja carga dinámica total.

En el diagrama siguiente indica el tipo de bomba adecuada que se

recomienda en general según la carga dinámica total del sistema de

bombeo.



En el siguiente cuadro se presenta las ventajas y desventajas de las

diferentes bombas utilizadas en el bombeo fotovoltaico.

Bombas

Fotovoltaicas Características y Ventajas Desventajas

Centrífugas sumergibles

Comúnmente disponibles. Pueden tolerar pequeñas cantidades de arena. Pueden utilizan el agua como lubricante. Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA. Manejan altos flujos. Operan a cargas dinámicas grandes. Tienen un diseño modular que permite obtener más agua al agregar los módulos fotovoltaicos.

Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a la CDT. Se dañan si trabajan en seco. Deben extraerse para darles mantenimiento. Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentes corrosivas.

Centrífugas de succión superficial

Comúnmente disponibles. Pueden tolerar pequeñas cantidades de arena. Son de fácil operación y mantenimiento por ser superficiales. Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA. Manejan altos flujos. Manejan cargas dinámicas altas, aunque no son capaces de succionar más de 8 metros.

Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a la CDT. Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentes corrosivas. Pueden dañarse por el congelamiento en climas fríos.

Desplazamiento positivo de pistón

Soportan cargas dinámicas muy grandes. La producción puede variarse ajustando la carrera del pistón.

Requieren de reemplazo regular de sellos del pistón. No toleran arenas o sedimentos. La eficiencia se reduce a medida que el pistón pierde la capacidad de sellar el cilindro. Debe extraerse el pistón y el cilindro del pozo para reparar los sellos . No dan grandes flujos.

Diafragma Operan a cargas menores de 80 m. Son muy económicas. No toleran arenas o sedimentos. No trabajan a cargas dinámicas profundas. Bajos flujos.



4.5.6 subsistema de acumulación y distribución

Los sistemas de bombeo fotovoltaicos sin almacenamiento no

proveen agua cuando el sol brilla. Las necesidades de agua para

consumo requieren del uso de un tanque de almacenamiento. Se

recomienda almacenar el agua para tres días de abasto.

Almacenar agua en tanques es mucho más económico que

almacenar energía en baterías. Después de cinco a siete años, las

baterías necesitan reemplazarse, mientras que la vida útil de un

tanque de almacenamiento bien construido es de varias décadas. El

almacenamiento por baterías normalmente se justifica solo cuando el

rendimiento máximo del pozo durante las horas de sol es insuficiente

para satisfacer las necesidades diarias de agua y cuando se requiere

bombear agua durante la noche. La introducción de baterías en un

sistema de bombeo fotovoltaico podría reducir la confiabilidad del

sistema e incrementar sus requerimientos de mantenimiento. En

general no se recomienda utilizar baterías en sistemas de bombeo

fotovoltaico.

Los depósitos de almacenamiento permiten mantener cierta

autonomía, para lo que deberán dimensionarse en función de los

consumos que realicen fuera de las horas de sol, por ello suelen ser

aconsejables sistemas de almacenamiento a corto plazo que

permiten una reducción de la potencia del sistema de bombeo. El

almacenamiento a largo plazo con la finalidad del riego agrícola

exige grandes depósitos que serian costosos a no ser que ya este



disponible anteriormente. En el diseño se tendrá en cuenta las

variaciones en la altura manométrica que el llenado de los depósitos

pueda ocasionar en el bombeo o en la distribución posterior. Estos

depósitos tendrán la resistencia adecuada para soportar el empuje

del líquido, y si se quieren eliminar las perdidas por evaporación y la

entrada de suciedad deberán estar cubiertos.

Los elementos de aplicación o de distribución del agua de riego mas

apropiados para los riegos fotovoltaicos son los goteros por las bajas

alturas manométricas que requieren para su funcionamiento y el uso

eficiente del agua que se consiguen.

Los sistemas de riego por goteo son altamente eficientes en la

utilización de agua, requiriendo menor cantidad que cualquier otro

sistema de riego agrícola.

Son versátiles pueden ser utilizados tanto en la producción agrícola

domestica, como en viveros forestales, ornamentales o de bien en

producción agrícola comercial a baja escala.

Requieren de baja presión, funcionan con baja presión de agua o

solo con la fuerza de gravedad, por eso no requieren de bombas de

presión o equipos complejos.

Son sistemas funcionales son de fácil instalación, uso y

mantenimiento, y pueden ser instalados temporal o

permanentemente en las áreas de producción. Su apropiada



utilización y mantenimiento brinda una garantía entre cinco a siete

años de vida útil.

Sistemas de riego por goteo

Como su nombre lo indica, es un sistema de riego que entrega el

agua gota a gota, según la necesidad, humedeciendo solo una parte

del suelo, donde se encuentra las raíces, por ello también se le llama

riego localizado o de alta frecuencia pues se aplica el agua casia a

diario o algunas veces mas de una vez al día, una de las principales

ventajas es que permite la aplicación de fertilizante a través del

sistema igualmente de manera localizada, siendo mas eficiente.

Entre las principales ventajas que nos proporciona esta:

- la eficiencia del riego por goteo es muy alta (90 a 95 %) y la

distribución del agua es muy uniforme.

- Con este sistema se puede regar muy frecuentemente con

pequeñas cantidades de agua, de tal manera que el suelo este

siempre húmedo, con buena relación entre agua y aire.

- El régimen de aplicación (intervalos entre riegos y cantidad de

agua), puede ajustarse exactamente de acuerdo a las

condiciones del suelo y del cultivo.

- Se aplica el agua que solo las raíces del cultivo son capaces de

absorber, por lo tanto se evita mojar otras áreas de terreno, lo

que significa un ahorro de agua.

Los elementos de una instalación de riego por goteo son:



- Cabezal de riego, esta constituido por los sistemas de impulsión,

fertirrigación y filtrado. El sistema de impulsión es necesaria su

instalación en el caso en que el agua no llegue a la finca con

suficiente presión. El sistema de fertilización, mediante este

sistema se incorpora y distribuyen a través del agua de riego los

abonos y otros tipos de productos a aportar al cultivo.

- Red de distribución, esta constituida por una red de tuberías que

distribuyen el agua de riego desde la entrada en el cabezal,

donde suele colocarse una llave de paso para regular la presión y

a veces un manómetro, a las tuberías porta goteros.

- Emisores, los emisores o goteros deben da un caudal bajo, por lo

que conviene que los diámetros sean pequeños, pero estos

pueden provocar que se produzcan obturaciones, de forma que

existen diversos diseños de goteros en el mercado que intenta

resolver este problema.



4.6 Dimensionado de sistemas de bombeo

Para dimensionar el sistema de bombeo se parte del conocimiento de

las necesidades diarias de agua que con la altura manométrica nos

permitirá determinar la energía hidráulica que se necesita cada día.

Una vez que se conoce la energía hidráulica necesaria, a partir de los

datos de energía solar disponible se diseña el sistema generador.

Conociendo el sistema generador se elige el motor y la bomba mas

adecuados a su curva característica I-V, dentro del tipo que se haya

seleccionado atendiendo a las características de la instalación: altura

manométrica diámetro del pozo, etc. Posteriormente se determina el

caudal máximo que pueda proporcionar el equipo para dimensionar el

sistema de tuberías, teniendo en cuenta que las perdidas de carga en

las mismas no debe superar el 10 %.

4.6.1 Necesidades de energía hidráulica, necesidades de agua y altura

manométrica

Para la determinación de la energía hidráulica es necesario conocer

en primer lugar las necesidades de agua, que las referimos a valores

diarios medios de cada mes. En aplicaciones de riego el consumo

depende del tipo de cultivo y de factores climáticos.

No debemos olvidar de hacer un estudio de la capacidad de la fuente

de la que se va a bombear y sus variaciones estaciónales. Se deberá

prevenir en cualquier caso que la bomba se quede sin agua



mediante interruptores de flotación que detengan el bombeo cuando

el agua descienda por debajo de un determinado nivel.

Para el cálculo de la energía hidráulica se empleara la siguiente

expresión:

Donde:

Ehid = energía hidráulica (J)

= densidad del agua (1000 Kg / m3)

g = constante de gravitación (9.81 m / s2)

V = volumen de agua elevada

h = altura de elevación (m)

La potencia de elevación depende del flujo de agua de la bomba, es

decir, de la cantidad de agua elevada por unidad de tiempo.

Donde:

Phid = potencia hidráulica o de elevación (W)

Q = caudal bombeado (m3 / s)

Para caracterizar una instalación especifica, aparte de la potencia de

elevación se debe indicar la cantidad de agua a ser elevada por día.

Ehid = * g * V * h

Phid = * g * Q * h



Esta se calcula como la integral de la cantidad bombeada sobre el

día.

Donde.

Vd = cantidad de agua bombeada por día (m3)

Por tanto energía hidráulica de la bomba por día es

Donde:

Ehid,d = energia hidráulica por dia (J)

La constante de gravitación y la densidad del agua son constantes.

La altura de elevación h depende entre otras cosas del caudal Q

Es decir cuando hay un mayor caudal de agua, el nivel dinámico del

agua baja y la altura de elevación aumenta, en términos prácticos se

puede suponer h como una constante con una exactitud suficiente,

asi que:

Vd = Q .dt

Ehid,d = x g x h x Q.dt

h = h(Q)

Ehid,d = x g x h x Q.dt Ehid,d = x g x h x Vd



Aunque lo correcto es indicar la energía en Joules, normalmente se

utilizan Kilovatio-hora (KWh) como unidad. Tomando en cuenta el

factor de proporcionalidad bajo las dos unidades y usando los

valores numéricos para la densidad de aguay la constante de

gravitación, se obtiene.

Donde:

Ehid, d = energia hidráulica por dia (KWh)

Constante = 0.00272 (kg/s2/m2)

La energía hidráulica es directamente proporcional a la altura de

elevación y a la cantidad de agua elevada por día. La cantidad de

agua elevada por día (Vd) debe ajustarse a la demanda de agua. La

demanda de agua no es necesariamente idéntica al requerimiento de

agua. En el caso de la irrigación, la demanda de agua, que se

denomina requerimiento de irrigación, es el requerimiento de las

plantas menos las precipitaciones útiles.

La altura manométrica h es la suma de altura estática o geométrica y

la altura dinámica debida a las perdidas de presión cuando el liquido

se desplaza en el interior de una tubería.

Ehid,d = 0.00272x h x Vd



La altura geométrica o estática es la diferencia de cotas entre el

agua en la fuente que puede variar cuando se bombea, y el agua en

la salida.

La altura dinámica se puede determinar mediante la expresión:

hd = f x (L/d) x (v2/(2 x g))

Donde: f es el coeficiente de fricción, L es la longitud de la tubería

(m), d el diámetro hidráulico (m), v la velocidad media del fluido (m/s)

y g es la aceleración de la gravedad (m/s2).

En el caso que se encuentre en el circuito otro tipo de accesorios

como codos, válvulas, etc., se podrá emplear para ellos la siguiente

expresión:

hd = K x (v2/(2 * g))

Siendo K un coeficiente que depende del tipo de accesorio.

Es frecuente usar tablas en las que se indica las perdidas de carga

en función del caudal y el diámetro de la tubería.

Como el diámetro de tubería aun no se conoce lo normal el fijar la

altura dinámica en un 10% de la altura geométrica, ya que no debe

ser mayor, y posteriormente elegir las tuberías y accesorios para que

este valor no sea superado.



4.6.2 Energía solar disponible: periodo crítico e inclinación óptima.

La energía solar disponible varia a lo largo del año y también varia

con la inclinación al sur del plano colector. Es conveniente disponer

de datos de radiación diaria mensual, (kwh/m2/dia) para distintos

meses e inclinaciones, que nos permitan juntos con los datos de

energía hidráulica diaria mensual necesaria, determinar el mes critico

o de dimensionamiento y la inclinación optima.

Haciendo el dimensionamiento para el mes critico que es el mes mas

desfavorable se entiende que el resto de los meses las necesidades

quedaran satisfechas.

Para nuestro estudio se presenta en el anexo 4 la tabla de niveles de

radiación solar en el Perú.

4.6.3 Calculo de la potencia pico y la configuración del sistema

generador.

Dimensionar el generador fotovoltaico consiste en determinar la

potencia pico que se necesita instalar para satisfacer los consumos a

lo largo de todo el año. El cálculo se hace para el mes crítico según

se a indicado en el apartado anterior utilizando valores medios

mensuales.

La energía eléctrica que se necesita suministrar diariamente al

sistema motor bomba, será el cociente entre la energía hidráulica

requerida y el requerimiento diario mensual del grupo motor-bomba,

ηmb, al que podemos asignar un valor entre 0.3 y 0.4:



Ee = Eh/ηmb

Conocida la energía eléctrica diaria que es necesario aportar y a

partir del dato de radiación diaria media mensual y del rendimiento

medio del generador fotovoltaico se obtiene el área de superficie

colectora necesaria:

A = Ee/(ηfv·Hdm)

El rendimiento fotovoltaico se puede determinar mediante la


ηfv = Fm · (1-γ(Tc – 25))· ηg

Fm el factor de acoplo medio, definido como el cociente entre la

energía eléctrica generada en condiciones de operación y la energía

eléctrica que se podría generar si el sistema trabajase en el punto de

máxima potencia. Un buen acoplamiento correspondería a valores

medios para este factor superiores a 0.8.

El γ es el coeficiente de variación de la potencia con la temperatura

de las células (entre 0.004 y 0.005 ºC-1

Tc es la temperatura medida diaria de los módulos durante las horas

de sol.

La ηges el rendimiento del generador a la temperatura de 25 ºC y

1000 W/m2 de irradiancia.

Se puede considerar para un sistema bien dimensionado desde el

punto de vista del acoplamiento entre el generador y el grupo motor-



bomba, que las mayores temperaturas de panel que afecten

negativamente al rendimiento, se alcanzan en los momentos de

mayor irradiación en los que el sistema deberá operar con valores de

acoplamiento elevados, estos es, en un punto próximo al de máxima

potencia. Como consecuencia es habitual simplificar los cálculos

utilizando un valor de rendimiento medio igual a 0.8·ηg. Para un

cálculo mas riguroso se puede determinar la temperatura media de

las células mediante la siguiente expresión:

Tc = Ta + 0.03 · I

Donde Ta es la temperatura ambiente e I es la irradiancia en (W/m2).

Luego, el área de superficie de panel necesaria será:

A = Eh / (ηmb · Fm · (1-γ (Tc – 25))· ηg · Hdm

La potencia pico es la potencia proporcionada por el modulo en

condiciones estándar de 25 º C y 1000 W/m2, en las que el

rendimiento es ηg y que, por tanto, será:

Pg = ηg · A · 1000

Pg = Eh · 1000 / (ηmb · Fm · (1-γ (Tc – 25)) · Hdm)



4.6.4 Selección del sistema motor – bomba.

Cuando el valor alcanzado por el producto entre el caudal diario y la

altura total sea mayor de 2000 m4/día se recomienda el empleo de

grupos motor-bomba diesel. Si el resultado es menor de 50 m4/día

resulta mas interesante el empleo de sistemas manuales.

Entre estos dos valores la solución fotovoltaica resulta la más

interesante.

Para elegir el tipo de grupo motor-bomba se puede seguir las

siguientes recomendaciones:

Cuando la demanda de caudal sea pequeña, hasta 15 m3/día, y las

alturas de impulsión sean elevadas desde 30 m hasta 500 m, se

pueden emplear bombas volumétricas accionadas con motor de

imanes permanentes con potencias hasta 2.25 KW. Si se emplea un

convertidor DC/DC, que pueda aumentar la intensidad suministrada

reduciendo la tensión, la potencia eléctrica absorbida por el grupo

motor-bomba en régimen nominal deberá ser aproximadamente el 80

% de la potencia pico del generador. Cuando no se utilice

convertidor, el rendimiento medio del grupo, ηmb, se reduce a valores

entre 0.2 y 0.3 y la potencia eléctrica del grupo (potencia mecánica

nominal del motor / rendimiento nominal del motor) debe elegirse

entre el 50% y el 70% de la potencia pico del generador fotovoltaico.

Cuando la demanda de caudal sea mayor a 15 m3/día se emplearían

bombas centrifugas accionadas con motores de corriente continua y

en este caso la potencia eléctrica del grupo deberá ser próxima al 80



% de la potencia pico del sistema generador y su rendimiento medio,

ηmb, será próximo a 0.4.

Si las potencias requeridas son relativamente elevadas, superiores a

7.5 kw o se trata de bombas sumergidas, cuando no se pueda

encontrar motores de corriente continua sin escobillas de la

suficiente potencia será necesario emplear grupos con motores de

corriente alterna, generalmente trifásicos. En este caso se pueden

utilizar inversores que además de tener un rendimiento elevado,

superior a 0.9, puedan variar la frecuencia en función de la tensión

y/o seguir el punto de máxima potencia pudiéndose alcanzar un

rendimiento medio del grupo de hasta 0.35. Cuando se emplea un

inversor sin seguimiento del punto de máxima potencia, ni variación

de frecuencia, el rendimiento medio del grupo se reduce

considerablemente. La potencia eléctrica del grupo deberá elegirse

próxima al 80 % de la potencia máxima entregada por el sistema

generador, es decir la potencia pico del campo de módulos

fotovoltaicos multiplicada por el rendimiento del inversor:

Pel(m-b) ≈ 0.8 · ηinv · Ppico

La bomba sera capaz de proporcionar un caudal pico dado por la


Qp = Php / (g · h) = Pp · ηg / (g · h)



Donde Php es la potencia hidráulica pico, g es la aceleración de la

gravedad, h es la altura manométrica, Pp es la potencia pico del

generador fotovoltaico y ηp es el rendimiento pico del grupo motor-

bomba.

Son recomendables los sistemas de bombeo de conexión directa al

sistema generador con bomba centrifuga, pues son mas simples,

tienen menos perdidas, su mantenimiento es mas sencillo y una

mayor fiabilidad. Deberán adoptarse otras configuraciones en

aquellos casos en los que las alturas de bombeo sean demasiado

elevadas para poder utilizar bombas centrifugas y cuando no se

encuentre motores DC de suficiente potencia.

4.6.5 Dimensionado de tuberías.

Una vez que se conoce el máximo caudal que se va a bombear el

diámetro de las tuberías se puede determinar a partir de este, su

longitud total, incluyendo la longitud equivalente de los distintos

accesorios de la instalación, y de las perdidas de carga, mediante la

utilización de los gráficos correspondientes, no debemos olvidar que

las perdidas de carga en tuberías no debe superar el 10 %.

Las tuberías deberán ser de acero inoxidable o de PVC para que

resistan sin problemas de corrosión durante la vida útil del sistema

generador, estimada en mas de 20 años.



4.7 Resumen de cálculos a realizar.

Calculo del regimen de bombeo.

Será el volumen de agua necesario (l/día), entre el valor de insolación

en horas pico por día (horas-pico/día), correspondientes al mes critico.

Régimen de bombeo (l/h) = volumen de agua necesaria (l/dia) / insolación del sitio (h-pico/dia)

Calculo de la carga estatica.

Es la suma del nivel estático medido desde el nivel del suelo hasta el

espejo de agua cuando no opera una bomba, más el abatimiento

medido desde el nivel estático al nivel del agua cuando opera una

bomba, con frecuencia este valor se obtiene con de pruebas realizadas

durante el aforo, mas la altura de descarga medida desde el nivel del

suelo hasta el punto donde el agua es descargada.

Carga estática (m) = Nivel estático (m) + Abatimiento (m) + Altura de descarga (m).

Calculo del recorrido de tubería.

Es la longitud total de las tuberías por donde pasa el agua, la cual es la

suma de la carga estática mas el recorrido adicional de la tubería que

es el resto de la tubería no incluida en el calculo de la carga estática, se

toma en cuenta la distancia vertical desde el abatimiento hasta la

posición de la bomba, así como las distancias horizontales del recorrido

de la tubería.

Recorrido total de tubería (m) = carga estática (m) + recorrido adicional de tubería (m)



Calculo de la carga por fricción.

Es la compensación de las perdidas por fricción causadas por el paso

del agua por la tubería rugosa, la cual viene a ser el producto del

recorrido total de tubería multiplicado por el factor de fricción el cual es

la presión causada por la fricción del agua al pasar por las tuberías.

Puede calcular se de varias maneras como se detallo anteriormente, si

no se contara con suficiente información, se utiliza el valor por omisión

de 2 % del largo de la tubería, expresado como 0.02.

Carga por fricción (m) = Recorrido total de tubería (m) x Factor de fricción (decimal)

Calculo de la carga dinámica total.

Es la suma de la carga causada por la fricción y la carga estática

Carga dinámica total (m) = carga por fricción + carga estática (m)

Calculo de la energía hidráulica

Es el calculo de la energía necesaria para elevar el agua el cual viene a

ser el producto del volumen de agua necesario por la carga dinámica

total todo esto entre el factor de conversión de 367 l-m/ Wh el cual se

usa para calcular la energía en (wats – hora) energía necesaria para

levantar un litro de agua a una distancia de un metro.

Energía hidráulica (Wh/dia) = (volumen de agua necesaria (l/dia) x carga dinámica total (m)) / 367 (l-m/dia)

Calculo de la energía del arreglo fotovoltaico

Es la división de la energía hidráulica entre la eficiencia de la bomba, en

donde la eficiencia de la bomba es la proporción de energía eléctrica



transformada a energía hidráulica. Los rendimientos diarios varían con

la altura dinámica total, la insolación solar y el tipo de bomba esta

información se obtiene en publicaciones del fabricante. Si no dispone de

esta información, se usa valores por omisión presentados a continuación

Carga dinámica total (m) Tipo de sistema de bombeo Eficiencia (%)

5 Centrifuga de superficie 25

20 Centrifuga de superficie 15

20 Centrifuga sumergible 25

20 a 100 Centrifuga de paso múltiple 35

50 a 100 Desplazamiento positivo 35

Mas de 100 Desplazamiento positivo de

palanca 45

Energía del arreglo fotovoltaico (Wh/dia) = energía hidráulica (Wh/dia) / eficiencia de la bomba (decimal)

Calculo de la carga eléctrica.

Es el calculo de la producción del arreglo fotovoltaico expresado en

amperios-horas /día esto consiste en la división energía del arreglo

fotovoltaico entre voltaje nominal del sistema.

Carga eléctrica (Ah/dia) = Energía del arreglo fotovoltaico (Wh/dia) / voltaje nominal del sistema (V).

Calculo de la carga eléctrica corregida

Es la carga eléctrica requerida después de considerar las pérdidas para

satisfacer la carga diaria.

Carga eléctrica corregida (Ah/dia) = carga eléctrica (Ah/dia) / factor de rendimiento del conductor (decimal)



Calculo de la corriente del proyecto.

Es el cálculo de la corriente necesaria para satisfacer la carga del

sistema del más crítico del diseño.

Consiste en la división de la carga eléctrica corregida entre el mes de

insolación más crítico o el mes de diseño

Corriente del proyecto (A) = Carga eléctrica corregida (Ah/día) / Insolación (horas-pico/día)

Calculo de la corriente ajustada del proyecto

Es el cálculo de la corriente mínima del arreglo necesaria para activar el

sistema de bombeo a partir de la operación de la corriente del proyecto

entre el factor de reducción del modulo.

Los módulos fotovoltaicos pierden eficiencia debido a las condiciones de

trabajo en el campo. Esto se debe al efecto de temperatura,

degradación con el tiempo polvo en la superficie, cargas desiguales y

algunas condiciones más. Suponga un 95 % de eficiencia en los

módulos cristalinos y un 70 % en módulos amorfos.

Corriente ajustada del proyecto (A) = corriente del proyecto (A) / factor de reducción del modulo (decimal)

Calculo de módulos en paralelo.

Este calculó proporciona el numero de módulos que irán conectados en

paralelo. Muy importante si el valor encontrado no es un numero entero,

anote el numero entero inmediatamente mayor, otra opcion es buscar un

modulo con diferente Imp.



Donde Imp es la corriente a máxima potencia proporcionada por el

fabricante del modulo fotovoltaico

Módulos en paralelo = corriente ajustada del proyecto (A) / corriente Imp del modulo (A)

Cálculo de los módulos en serie

Es el cálculo del número de módulos conectado en serie necesarios

para producir la tensión del sistema. Muy importe si el valor encontrado

no es un número entero, anote el numero entero inmediato superior.

Consiste en la división del voltaje nominal del sistema entre el voltaje

Vmp del modulo de la información del fabricante.

Módulos en serie = voltaje nominal del sistema (V) / voltaje Vmp del modulo (V)

Calculo del nuecero total de módulos fotovoltaicos

Es el producto del número de módulos en paralelo por el número de

módulos en serie. Asegúrese que sea un número entero múltiplo del

número de módulos en paralelo.

Total de módulos = módulos en serie x módulos en paralelo

Calculo del tamaño del arreglo.

Es el calculo de la potencia del arreglo fotovoltaico a partir del producto

de total de módulos por corriente Imp del modulo por voltaje Vmp del

modulo.

Tamaño del arreglo fotovoltaico (w) = total de módulos x Imp (A) x Vmp (V)

Calculo del agua bombeada.

Es el cálculo de la cantidad de litros de agua bombeada en un dia con

este.



Es el producto de módulos en paralelo por corriente Imp por voltaje

nominal del sistema por el factor de rendimiento del sistema por factor

de conversión por la insolación del sitio por el factor de reducción del

modulo todo esto entre la carga dinámica total.

Agua bombeada (l/dia) = (módulos en paralelo x Imp (A) x Vnominal sist x factor de rendimiento del sistema x

factor de conversión x insolación (h-pico/dia) x factor de reducción del modulo) / carga dinámica total (m)

Calculo del régimen de bombeo.

Es la división del agua bombea entre la insolación del sitio mes critico

Régimen de bombeo (l/h) = agua bombeada (l/día) / Insolación del sitio (h-pico/día)



VII. DESARROLLO DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA

Se quiere diseñar un sistema de bombeo fotovoltaico en el distrito de

San Juan Bautista en el Caserío de Longar con los siguientes datos:

Caudal deseable : 2300 l/dia

Nivel de reserva : asumimos 4 dias de reserva = 9200 l/dia

Caudal extra : 10% del caudal deseable = 2600 l/dia

Nivel estático del agua : 23m

Abatimiento : 4m

Altura de descarga : 8.20m

Distancia al deposito : 3.5m

Requerimiento diario : 11.500 l/dia

Meses Insolación

(h-pico/día) Enero 4.50 Febrero 5.25 Marzo 5.70 Abril 5.85 Mayo 5.30 Junio 5.20 Julio 4.90 Agosto 5.40 Septiembre 5.20 Octubre 4.90 Noviembre 4.50 Diciembre 4.40

Recurso solar Mejor mes 5.85 Peor mes 4.40 Para el calculo 6.3



HOJA DE CALCULOS 1 BOMBEO DE AGUA CALCULO DE LA CARGA DEL BOMBEO DE AGUA. 1 Volumen de 2 3

agua

necesaria Insolación

del Régimen de por día sitio bombeo (l/día) (h-pico/día) (l/h) 2,300 / 6.5 = 354

4 5 6 7 8 Recorrido 9 Recorrido 10 11 12 13 Nivel Abatimiento Altura de Carga adicional total Factor de Carga Carga Carga

estático descarga estática de tubería de tubería fricción por fricción estática dinámica

total (m) (m) (m) (m) (m) (m) (decimal) (m) 7 (m) (m) 23 + 1 + 8.2 = 32.2 + 1.2 = 33.4 X 0.02 = 0.668 + 32.2 = 32.87

INFORMACION DE LA BOMBA Y MOTOR Marca Modelo Tipo de bomba Tipo de motor Voltaje de operación (c.a/c.c.) 24

Eficiencia de la bomba 0.35

14 Volumen de 15 Carga 16 17 18 Eficiencia 19 20 Voltaje 21

agua necesario dinámica Factor Energía de la Energía del nominal del Carga por día total conversión Hidraúlica bomba arreglo FV sistema eléctrica

1 (l/día) 13 (m) (Wh/día) (decimal) (Wh/día) (V) (Ah/día) 2,300 X 32.87 / 367 = 205.98 / 0.35 = 588.53 / 24 = 24.52 22 23 Factor de 24 Carga 25 26 Corriente Carga rendimiento eléctrica Insolación del

eléctrica del

conductor corregida del sitio proyecto 21 (Ah/día) (decimal) (Ah/día) 2 (h-pico/día) (A) 24.52 / 0.95 = 25.81 / 6.5 = 3.97



HOJA DE CALCULOS 2

BOMBEO DE AGUA DIMENSIONAMIENTO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO

INFORMACION DEL MODULO FOTOVOLTAICO Marca y modelo Tipo Vmp Voc . 16.9 21.5 Imp Isc 4.14 4.35 27 Corriente 28 Factor de 29 Corriente 30 Corriente 31 Módulos del reducción ajustada Imp en Proyecto del módulo del proyecto del módulo paralelo

26 (A) (decimal) (A) (A) (núm.

entero)

3.97 / 0.95 = 4.18 / 4.14 = 2 32 Voltaje 33 Voltaje 34 Módulos 35 Módulos 36 Total 37 Corriente 38 Voltaje 39 Tamaño del nominal Vmp en en de Imp Vmp arreglo del sistema del módulo serie paralelo Módulos del módulo del módulo fotovoltaico 20 (V) (V) 31 30 (A) 33 (V) (W)

24 / 16.9 = 2 X 2 = 4 X 4.14 X 16.9 = 280



HOJA DE CALCULOS 3

BOMBEO DE AGUA AGUA BOMBEADA Y REGIMEN DE BOMBEO. 40 41 Coriente 42 Voltaje 43 Factor de 44 45 46 Factor de 47 Carga 48 Módulos Imp Nominal rendimiento Factor de Insolación reducción dinámica Agua en paralelo del módulo del sistema del sistema conversión del sito del módulo total Bombeada 31 30 (A) 20 (V) 18 (decimal) 16 2 (h-pico/día) 28 (decimal) 13 (m) ( l/día) 2 X 4.14 X 24 X 0.35 X 367 X 6.5 X 0.95 / 32.87 = 4,796 49 50 51 Agua Insolación Régimen Bombeada del sitio de bombeo 48 (l/día) 2 (h-pico/día) (l/h) 4,796 / 6.5 = 738



RESUMEN DE CALCULOS DEL SISTEMA DE BOMBEO FOTOVOLTAICO

VOLUMEN DE AGUA NECESARIA POR DIA (l/dia) = 2,300

REGIMEN DE BOMBEO (l/dia) = 354

CARGA DINAMICA TOTAL (m) = 32.868

ENERGIA HIDRAULICA (Wh/dia) = 205.98

ENERGIA DEL ARREGLO FV (Wh//dia) = 588.53

INTENSIDAD DEL PROYECTO (A) = 3.97

NUMERO TOTAL DE MODULOS = 4

MODULOS EN PARALELO = 2

MODULOS EN SERIE = 2

POTENCIA DEL ARREGLO = 280

CANTIDAD DE AGUA BOMBEADA = 4,796

REGIMEN DE BOMBEO (l/h) = 738



Se quiere diseñar un sistema de bombeo fotovoltaico en el distrito de

San Juan Bautista en el Caserío de Longar con los siguientes datos:

Caudal deseable : 2100 l/dia

Nivel de reserva : asumimos 4 dias de reserva = 8400 l/dia

Caudal extra : 10% del caudal deseable = 2400 l/dia

Nivel estático del agua : 2.4m

Abatimiento : 1m

Altura de descarga : 2m

Distancia al deposito : 1.2m

Meses Insolación

(h-pico/día) Enero 4.50 Febrero 5.25 Marzo 5.70 Abril 5.85 Mayo 5.30 Junio 5.20 Julio 4.90 Agosto 5.40 Septiembre 5.20 Octubre 4.90 Noviembre 4.50 Diciembre 4.40

Recurso solar Mejor mes 5.85 Peor mes 4.40 Para el calculo 6.5



HOJA DE CALCULOS 1 BOMBEO DE AGUA CALCULO DE LA CARGA DEL BOMBEO DE AGUA. 1 Volumen de 2 3

agua

necesaria Insolación

del Régimen de por día sitio bombeo (l/día) (h-pico/día) (l/h) 2,100 / 6.5 = 323

4 5 6 7 8 Recorrido 9 Recorrido 10 11 12 13 Nivel Abatimiento Altura de Carga adicional total Factor de Carga Carga Carga

estático descarga estática de tubería de tubería fricción por fricción estática dinámica

total (m) (m) (m) (m) (m) (m) (decimal) (m) 7 (m) (m) 2.4 + 1 + 2 = 5.4 + 2 = 7.4 X 0.02 = 0.148 + 5.4 = 5.55

INFORMACION DE LA BOMBA Y MOTOR Marca Modelo Tipo de bomba Tipo de motor Voltaje de operación (c.a/c.c.) 60

Eficiencia de la bomba 0.35

14 Volumen de 15 Carga 16 17 18 Eficiencia 19 20 Voltaje 21

agua necesario dinámica Factor Energía de la Energía del nominal del Carga por día total conversión Hidraúlica bomba arreglo FV sistema eléctrica

1 (l/día) 13 (m) (Wh/día) (decimal) (Wh/día) (V) (Ah/día) 2,100 X 5.55 / 367 = 31.75 / 0.35 = 90.70 / 60 = 1.51 22 23 Factor de 24 Carga 25 26 Corriente Carga rendimiento eléctrica Insolación del

eléctrica del

conductor corregida del sitio proyecto 21 (Ah/día) (decimal) (Ah/día) 2 (h-pico/día) (A) 1.51 / 0.95 = 1.59 / 6.5 = 0.24



HOJA DE CALCULOS 2

BOMBEO DE AGUA DIMENSIONAMIENTO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO

INFORMACION DEL MODULO FOTOVOLTAICO Marca y modelo Tipo Vmp Voc . 16.7 21.5 Imp Isc 3 3.1 27 Corriente 28 Factor de 29 Corriente 30 Corriente 31 Módulos del reducción ajustada Imp en Proyecto del módulo del proyecto del módulo paralelo

26 (A) (decimal) (A) (A) (núm.

entero)

0.24 / 0.95 = 0.26 / 3 = 1 32 Voltaje 33 Voltaje 34 Módulos 35 Módulos 36 Total 37 Corriente 38 Voltaje 39 Tamaño del nominal Vmp en en de Imp Vmp arreglo del sistema del módulo serie paralelo Módulos del módulo del módulo fotovoltaico 20 (V) (V) 31 30 (A) 33 (V) (W)

60 / 16.7 = 4 X 1 = 4 X 3.00 X 16.7 = 200



HOJA DE CALCULOS 3

BOMBEO DE AGUA AGUA BOMBEADA Y REGIMEN DE BOMBEO. 40 41 Coriente 42 Voltaje 43 Factor de 44 45 46 Factor de 47 Carga 48 Módulos Imp Nominal rendimiento Factor de Insolación reducción dinámica Agua en paralelo del módulo del sistema del sistema conversión del sito del módulo total Bombeada 31 30 (A) 20 (V) 18 (decimal) 16 2 (h-pico/día) 28 (decimal) 13 (m) ( l/día) 1 X 3 X 60 X 0.35 X 367 X 6.5 X 0.95 / 5.55 = 25,734 49 50 51 Agua Insolación Régimen Bombeada del sitio de bombeo 48 (l/día) 2 (h-pico/día) (l/h) 25,734 / 6.5 = 3,959



RESUMEN DE CALCULOS DEL SISTEMA DE BOMBEO FOTOVOLTAICO

VOLUMEN DE AGUA NECESARIA POR DIA (l/dia) = 2,100

REGIMEN DE BOMBEO (l/dia) = 323

CARGA DINAMICA TOTAL (m) = 5.548

ENERGIA HIDRAULICA (Wh/dia) = 31.75

ENERGIA DEL ARREGLO FV (Wh//dia) = 90.70

INTENSIDAD DEL PROYECTO (A) = 0.24

NUMERO TOTAL DE MODULOS = 4

MODULOS EN PARALELO = 1

MODULOS EN SERIE = 4

POTENCIA DEL ARREGLO = 200

CANTIDAD DE AGUA BOMBEADA = 25,734

REGIMEN DE BOMBEO (l/h) = 3,959



VIII. ASPECTOS ECONÓMICOS.

La decisión de utilizar un sistema de bombeo solar para bombeo de

agua depende de gran medida de costos de sistemas y de los beneficios

económicos que se esperan. Los sistemas de bombeo fotovoltaicos

tienen un alto costo inicial comparado con otras alternativas de bombeo;

sin embargo, no necesitan combustible y requieren menos

mantenimiento y atención del operador.

6.1. Costos de los sistemas de bombeo fotovoltaicos

Los sistemas de energía en general y los sistemas fotovoltaicos de

bombeo en particular producen electricidad que a su vez genera un

beneficio , particularmente en el caso del agua bombeada, el beneficio

será a través del agua potable para el consumo humano, el agua para

irrigación o simplemente el agua para el consumo de animales. El

merito económico asociado a los sistemas de bombeo, debe ser

evaluado, analizando para ello varios indicadores como el precio de

energía producida, el valor presente neto, la relación beneficio / costo,

la taza interna de retorno, etc.

6.1.8 Costos

Para realizar la evaluación de costos de un sistema de bombeo

fotovoltaico es necesario contar con la siguiente información: periodo

de análisis (normalmente igual a la vida útil del componente de mayor

duración, en nuestro caso el panel tiene un aviad útil de 20 años);



costo de capital de cada uno de los componentes del sistema; costo

anual de operación y mantenimiento; costos de instalación; costos de

los equipos que serán repuesto durante el periodo de análisis; factor de

descuento; vida útil de cada componente.

6.1.9 Costo de Capital

Los costos de capital de un sistema de bombeo fotovoltaico están

compuestos por cinco elementos principales:

Paneles fotovoltaicos

Baterias

Reguladores / inversores

Bombas / motores

Otros accesorios.

E. Paneles fotovoltaicos

Los paneles fotovoltaicos, son los componentes del sistema que

mayor inversión requieren, los precios de los paneles están dado

sen $US / Wp y los mismo varían según la tecnología de fabricación

y el fabricante, los mismos oscilan entre 7 y 9 $US /Wp.

F. Bombas de agua

Los tipos de bomba acoplados a un sistema fotovoltaico son

variados, el precio de las bombas variaran no solo en función de la

potencia sino tambien en función del tipo de bomba.



G. Baterías

Las baterías de uso fotovoltaicos tienen un costo mayor que las

baterías de automóviles, pero en cambio resisten descargas mas

profundas, el precio de las mismas es aproximadamente 1 $US / Ah

almacenado, en el merado local se puede encontrar baterías de 100

Ah a 95 $US.

H. Reguladores / Inversores.

Los costos de instalación en lo que se refiere a las instalaciones

eléctricas, están basados en el llamado “punto” , pero que es un

punto: se dice punto a aquella conexión relevante que es echa

durante el proceso de instalación, es decir un punto es: un

tomacorriente, una lámpara y su interruptor; en el caso de las

instalaciones fotovoltaicas se considera punto al panel, a la batería

y al regulador, además de los anteriores. El precio es cobrado por

punto es de aproximadamente 4 $US.

Específicamente la instalación de una bomba fotovoltaica (incluye el

conjunto de paneles) oscila entre 7 y el 12 % del costo de inversión.

Además del costo de mano de obra indicado anteriormente, se

debe incluir los gastos correspondientes a: cables, cinta aislante,

grapas, interruptores, disyuntores, cables de soporte, etc.; gastos

que son variables en función de las características propias del

pozo.



6.1.10 Costos de Instalación

Los costos de instalación en lo que refiere a las instalaciones

eléctricas, están basados en el llamado “punto”, pero que es un punto:

se dice punto a aquella conexión relevante que esta hecha durante el

proceso de instalación, es decir un punto es: un tomacorrientes, una

lámpara y su interruptor, ene l caso del as instalaciones fotovoltaicas

se considera punto al panel, a la batería y al regulador, además de los

anteriores. El precio que es cobrado por punto es aproximadamente

de 4 $US.

Específicamente la instalación de una bomba fotovoltaica (incluye un

conjunto de paneles) oscila entre 7 y el 12 % del costo de inversión.

Además del costo de mano de obra indicado anteriormente, se debe

incluir los gastos correspondientes a cables, cinta aislante, grapas,

interruptores, disyuntores, cables de soporte, etc.: gastos que son

variables en funcion de las características propias del pozo.

6.1.11 Costos de operación y mantenimiento.

En general un sistema fotovoltaico demanda muy poco en gastos de

operación y mantenimiento, reduciéndose a trabajos de inspección

periódica (una o dos veces por año) de las condiciones de cada uno

de los componentes. La batería es la que requiere mayor atención

debido a la necesidad de adición de electrolito o agua destilada. Los

costos debidos a este rubro son difíciles de estimar, como sugerencia,



se puede adoptar la siguiente relación: de 20 $US mas 0.02 $US / Wp

a laño.

6.1.12 Ciclo de vida

La vida útil de cada uno de los equipos mencionados anteriormente,

con fines de comparación económica tienen los siguientes valores:

EQUIPO VIDA UTIL

Paneles 20 años

Baterias 4 años

Reguladores /inversores 10 años

Bombas 10 años

6.1.13 Criterios de Decisión

Cuando se va ha realizar un análisis de viabilidad (rentabilidad) de un

proyecto de energía, se suelen comparar los beneficios y costos que

producen el mismo, para eso se usan varias herramientas que

proveen los elementos de juicio que son analizados para la

aceptación o rechazo del proyecto.

Es importante recordar que cuando nos referimos a sistemas

fotovoltaicos, esta es una forma cara de provisión de energía y que

solo debe ser aplicada cuando realmente se ha demostrado que es la

alternativa mas rentable.



6.1.14 Comparación de alternativas de bombeo

Por su alto costo inicial, los sistemas solares generalmente

competitivos en lugares con servicio de electricidad convencional.

Cuando no hay acceso a la red eléctrica, los sistemas solares y de

combustión interna son seguramente alternativas más viables. Si

existe un buen recurso solar en el lugar del proyecto (al menos 3.0

horas pico) y cuando se requieren un ciclo hidráulico menor de 1500

m4 por día, los sistemas solares podrían resultar mas económicos a

largo plazo que los sistemas de combustión interna. Aunque los

sistemas de combustión interna generalmente cuestan menos

inicialmente, su costo a largo plazo es elevado si se toma en

consideración los gastos de combustible, mantenimiento y

reparaciones.

A) Criterios de decisión

Cuando se va a realizar el análisis de la viabilidad (rentabilidad) de un

proyecto de energia, se suelen comparar los beneficios y costos que

producen el mismo, para eso se usan varias herramientas que

proveen los elementos de juicio que son analizados para la

aceptación o rechazo del proyecto.

Costos durante el ciclo de vida (LCC)

Es definido como la suma de los costos de capital, costos de

operación y mantenimiento llevados a valor presente y los costos de

reposición también en valor presente.



LCC = CC + Co & M [((1+i)n-1)/ i(1+i)n] + Σ[ CC/ (1+i)N]

LCC = InvO + (CC/(1+i)N)) + O & M X [(1+i)n-1 / i(1+i)n]

Donde:

Invo = inversión inicial del proyecto

CC = costo de los componentes a ser cambiados en el futuro

O & M = costo de operación y mantenimiento anuales

i = tasa de descuento practicada en el mercado

N = vida útil de los componentes a ser repuestos

n = vida útil del proyecto

Costos anualizados (ALCC)

Es el costo uniforme que debería ser pagado anualmente para cubrir

todos los costos de inversión, operación, mantenimiento y reposición

a lo largo de la vida del proyecto.

ALCC = LCC x FRC

Donde:

FRC = A / P = i(1+i)N / (1+i)N – 1 = i / (1 – (1+i)-N)

FRC = es también conocido como el factor de recuperación de capital

Costo del litro de agua bombeada (CLAB)

Se obtiene el valor de la cantidad de agua bombeada de la relacion

del valor de ALCC y la producción anual de agua, dando como

resultado el costo unitario de cada litro



CLAB = ALCC ($US / año) / Agua Bombeada Anualmente (litros/año)

($US /litro)

La opción fotovoltaica de bombeo en muchos casos resultara

económicamente mejor que las otras alternativas de suministro, todo

dependerá de las condiciones climatologiítas y de poder satisfacer los

requerimientos de agua.

B) calculo del costo del ciclo de Vida Útil (CCVU)

Este método permite calcular el costo total de un sistema de bombeo

durante un periodo determinado, considerando no solo los gastos de

inversión inicial, sino también los gastos incurridos durante la vida útil

del sistema. El CCVU es el valor presente del costo de inversión, los

gastos de refacciones, operación y mantenimiento, transporte al sitio

y el combustible para operar el sistema. Se entiende por valor

presente el calculo de los gastos que se realizaran a futuro y que

aplicando las formulas para este efecto se estima cuanto dinero se

requiere “tener” para sufragar este gasto.:

CI (capital de inversión Inicial): Es el valor presente del capital con

que se pagara el equipo, diseño del sistema, ingeniería y gastos de

instalación.

Rvp (refacciones): Valor presente de los gastos en piezas de

reemplazo que se anticipan a lo largo de vida del sistema.

O y Mvp (operación y mantenimiento): Valor presente de los

gastos de operación y mantenimiento programados. El combustible y



refacciones no son incluidos en este costo. El costo de O y M incluye

el salario del operador, combustible para llegar al sitio, garantías y

mantenimiento.

Tvp (transporte): Valor presente del costo de la transportación al

sitio del sistema. Este costo representa el combustible consumido en

el viaje al sitio si es necesario para operar el sistema.

Cvp (combustible): Este gasto es el costo del combustible

consumido por el equipo de bombeo, si se trata de un sistema de

diesel o gasolina.

El CCVU de varias alternativas se puede considerar directamente. La

opción con el menor CCVU es la mas económica a largo plazo. Note

que los factores sociales, ambientales y de confiabilidad del sistema

no están incluidos en este análisis. Estos factores son difíciles de

evaluar en términos económicos, pero deben ser considerarse al

momento de decidir cual es la mejor opción, principalmente cuando

resultan muy similares.

C) Conceptos básicos

1. Valor presente (VP) es el costo ajustado al presente de gastos

futuros utilizando la taza de descuento real. El pago futuro puede

representar un solo pago o un pago anual.

Valor presente de un solo pago hecho en el futuro:

VP = VF x (1 + ir)-n



Donde VP es el valor presente, VF es la cantidad que se paga en el

futuro, ir es la tasa de descuento real y n es el numero de años entre

el presente y el año de pago. Para una tasa de descuento y un

numero de años dados, el factor de valor presente para un pago

futuro , dado por (1+ir)-n = FVP se puede calcular o simplemente leer

de la tabla de FVP factor de valor presente de un pago son interés en

la tabla de los anexos

Valor presente de un pago fijo anual:

VP = VA x ((1-1/(1+ir)n)/ir)

Donde VP es el valor presente, VA es la cantidad que se paga

anualmente, ir es la tasa de descuento real, y n es el periodo en años

durante el cual se incurre en el pago anual. Para una tasa de

descuento y un periodo dados, el factor de valor presente para pagos

anuales, dado por FVPA = ((1-1/(1+ir)n)/ir) se puede calcular o

simplemente leer de la tabla de FVPA factor de valor presente de

pagos anuales fijos en el anexo.

2. Tasa de descuento real (ir)

Ir = tasa de interés – tasa de inflación

La tasa de interes es la tasa a la que aumenta el capital si es invertido

en certificados de deposito. La tasa de inflación es la tasa de aumento

general de precios.

En algunos casos, la tasa de inflación anual del combustible es

significativamente diferente a la inflación general de precios



D) Pasos para determinar el CCVU

1) Determine el periodo de análisis y la tasa de interés. Para hacer una

comparación de CCVU de un equipo solar, generalmente se usa 20

años como periodo de análisis, ya que se considera que este es el

tiempo de vida de un sistema de este tipo.

2) Determine el costo inicial del sistema instalado. La seccion anterior

muestra como estimar el costo inicial de un sistema solar de bombeo.

El costo inicial de un sistema de combustión linterna varia

dependiendo del tipo de de sistema. Se puede utilizar los siguientes

valores aproximados:

Tipo de sistema Costo (instalado)

Motobomba (por lo menos 3Hp) Mas de US$ 200 / Hp

Generador diesel (por lo menos

4KW) bomba sumergible

Mas de US$ 600 / KW

3) Estime el costo anual de operación y mantenimiento. Para sistemas

de combustión interna, se incluye partes (lubricantes, filtros, afinación)

y mano de obra para mantenimiento asi como el pago del operador

del sistema. Si el sistema requiere visitas frecuentes para operación y

mantenimiento, el costo e combustible utilizado para transporte al sitio

puede ser significativo y se deberá considerar. La bomba es el único

componente del sistema solar que esta sujeto a desgaste mecánico.

Bajo condiciones normales de operación, las bombas centrifugas no



necesitan mantenimiento. La mayoría de las bombas pequeñas de

diafragma requieren cambio de diafragmas y escobillas cada 3 a 5

años de operación continua.

4) Estime la vida útil y el costo de reemplazo de componentes

principales del sistema (bomba, motor, generador, etc) durante el

periodo de análisis. La vida útil varia dependiendo de localidad de los

componentes principales y el mantenimiento que requieren se estima

basados en experiencia previa o información contenida en manuales

del fabricante. Si esta información no esta disponible, se pueden usar

los siguientes valores aproximados:

5) Estime el costo anual del combustible que utiliza el sistema. El gasto

anual de combustible de un sistema de combustión interna depende

de las características de motor que utiliza y las horas de operación

necesarias para bombear agua. El tamaño minimo de las

Componente Vida util

(años) Mantenimiento

Arreglo FV y estructuras 20 + Ninguno

Contralador 10 + Ninguno

Motor/bomba centrifuga

sumergible 7-10 Ninguno o limpiar impulsores

Bomba centrifuga superficial 7-10 Ninguno

Motor/bomba de diafragma

sumergible CC 3-5 Cambio de diafragmas cada 5 años

Generador diesel (10KW) 5-7 Aceite, filtros, afinación anual

Motores ( 3 a 5 hp) 3-4 Aceite, filtros, afinación anual

Motores ( 6 a 10 hp) 4-6 Aceite, filtros, afinación anual



motobombas comúnmente utilizadas es de 3 hp. Las horas anuales

de operación se pueden estimar utilizando la siguiente formula:

Horas anuales de operación = 1.33 x ciclo hidraulico (m3/dia x m)

Eficiencia de la bomba x potencia del motor (Hp)

Note que la eficiencia de la bomba depende de la carga dinamica

total. La experiencia de campo indica que las motobombas en el

rango de 3 a 15 Hp consumen aproximadamente 0.25 litros de

combustible por hora por cada Hp de potencia. Por consiguiente, el

consumo anual de combustible (en litros) se puede estimar como

sigue:

Consumo anual de combustible (litros) = 0.25 litros por hora por Hp x potencia del motor

(Hp) x horas anuales de operación

Para sistemas con generador y bomba sumergible, se usa la misma

formula para estimar las anuales de operación, teniendo en cuenta

que la potencia del motor (Hp) se refiere a la potencia del motor

eléctrico que acciona la bomba. Estos sistemas consumen mas

combustible debido a que el motor de combustión del generador es

mas grande que el motor electrico de la bomba. Como aproximación,

el consumo anual de combustible (en litros) esta dado por la formula

siguiente:



Consumo anual de combustible (litros) = 1 litro po hora por Hp x potencia del motor (Hp) x

horas anuales de operación

Donde la potencia del motor (Hp) se refiere a la potencia del motor

electrico que acciona la bomba.



XII. EVALUACIÓN ECONÓMICA DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Y UN

SISTEMA DE COMBUSTIÓN INTERNA

Analizando un pequeño sistema fotovoltaico el cual consta de las

siguientes especificaciones técnicas:

Carga dinámica total = 5.5 m

Capacidad de bombeo de agua = 2.4 m3

Ciclo hidráulico = 13.2 m4

Sistema fotovoltaico = 140 Wp

Bomba shurflo 9300

Para el análisis económico del sistema de bombeo tendremos lo

siguiente:

Periodo de estudio (años) = 20

Tasa de interés promedio para el periodo de estudio (%) = 20 %/año

Inflación promedio para el periodo de estudio (%) = 13 %/año

Operación y mantenimiento (sistema fotovoltaico) = 1-3%costo

inicial/año

Ir = 20 % - 13 % = 7% = 0.07

Hallando el valor presente

Calculo de de los valores de FVP o FVPA

Calculo del valor presente de la bomba

Para un ir = 7% y un periodo de 10 años = 0.5083

Entonces VP = $ 655 x 0.5083 = $333

Calculo del valor presente del cambio de diafragma de la bomba




Entonces VP = $ 200 x 0.7130 = $143


Entonces VP = $ 200 x 0.3624 = $72

Calculo del valor presente para operación, mantenimiento y transporte

por visita de mantenimiento

Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando un 1

% en operación y mantenimiento del costo inicial del sistema tenemos:

$ 2736 x 0.01 = $ 27

Entonces VP = $ 27 x 10.5940 = $290

Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando $72

por transporte por visita de mantenimiento del sistema tenemos:

Entonces VP = $ 72 x 10.5940 = $763

Resumiendo en un cuadro tenemos:

Año Cantidad FVP o FVPA

Valor presente

Costo inicial 0 $ 2736 1.0000 $ 2736

Reemplazos Cambio de diafragma 5 $ 200 0.7130 $ 200

Bomba sumergible Nº 1 10 $ 655 0.5083 $ 333

Cambio de diafragma 15 $ 200 0.3624 $ 72

Operación y mantenimiento

Cada año 27 10.5940 $290

Transporte por visita de mantenimiento

Cada año $ 72 10.5940 $ 763

Combustible para el bombeo

Cada año $0 10.5940 $0

CCVU (20 años) $ 4336



Analizando un sistema de combustión interna de 3 Hp con los

siguientes especificaciones:

Horas anuales de operación 59 horas

Consumo anual de combustible 176 litros

Costo total de combustible por año $ 83

Para el análisis económico del sistema de bombeo tendremos lo

siguiente:

Periodo de estudio (años) = 20

Tasa de interés promedio para el periodo de estudio (%) = 20 %/año

Inflación promedio para el periodo de estudio (%) = 13 %/año

Operación y mantenimiento (sistema fotovoltaico) = $200/año

Ir = 20 % - 13 % = 7% = 0.07

Hallando valores presente

Calculo de de los valores de FVP o FVPA

Calculo del valor presente de la bomba Nº 1


Entonces VP = $ 738 x 0.6663 = $492



Entonces VP = $ 738 x 0.4440 = $328



Entonces VP = $ 738 x 0.2959 = $218



Calculo del valor presente para operación, mantenimiento y transporte

por visita de mantenimiento

Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando

$200 por operación y mantenimiento del sistema tenemos:

Entonces VP = $ 200 x 10.5940 = $2119

Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando

$312 por transporte por visita de mantenimiento del sistema tenemos:

Entonces VP = $ 312 x 10.5940 = $3305

Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando $83

por costo total de combustible por año del sistema tenemos:

Entonces VP = $ 83 x 10.5940 = $879

Resumiendo en un cuadro tenemos: Año Cantidad FVP o

FVPA Valor

presente Costo inicial 0 $ 988 1.0000 $ 988

Reemplazos Motobomba Nº 1 6 $ 738 0.6663 $ 492 Motobomba Nº 2 12 $ 738 0.4440 $ 328 Motobomba Nº 3 18 $ 738 0.2959 $ 218

Operación y mantenimiento

Cada año $200 10.594 $2119

Transporte por visita de mantenimiento

Cada año $ 312 10.594 $ 3305

Combustible para bombeo

Cada año $83 10.594 $819

CCVU (20 años) $ 8329



XIII. COMPARACIÓN COSTOS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO

FOTOVOLTAICO Y DE COMBUSTIÓN INTERNA

$0

$1,000

$2,000

$3,000

$4,000

$5,000

$6,000

$7,000

$8,000

$9,000

costo inicial

reempalzo de equipos

operación y

mantenimiento

t ransporte porvisita y

mantenimiento

combustible CCVU(20años)

comparacion de costos en valores presentes

sistema fotovo ltaico

sistema de combustion interna

Periodo de recuperación de la inversión

Periodo de recuperacion de la inversion

$0

$1,000

$2,000

$3,000

$4,000

$5,000

$6,000

$7,000$8,000

$9,000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Años

costo sistema fotovoltaico sistema de combustion interna



Al observar los dos cuadros comparativos anteriores se observa como

en la evaluación de los costos de los sistemas en valores presentes

observamos como en los costos iniciales el sistema fotovoltaico son

relativamente costosos a comparación del sistema de combustión

interna.

Pero si analizamos para un ciclo de vida útil, observamos que en los

ítems de reemplazo de equipos o repuestos, operación y mantenimiento,

transporte por visita de mantenimiento y combustible para el bombeo

observamos como se van incrementando los costo en el sistema de

combustión interna que al final para el ciclo de vida útil analizado, el

sistema de combustión interna resulta altamente costoso a comparación

del sistema fotovoltaico tal como observamos en el cuadro de periodo

de recuperación de la inversión.

Aspectos económicos considerados en la elección del sistema

energético

caso 1

Opcion solar

Cant. Descripción C. U.

(U$$)

C. total

(U$$)

8 Modulo SM50 SHELL 50 Wp 400 32000

1 Bomba sup Mc Donalds 900 900

1 Accesorios eléctricos + estructura metálica 350 350

1 Instalacion + personal 400 400

Total 4850



Opcion combustibles convencionales

Caso 2

Opcion solar

Opcion combustibles convencionales


(U$$)

C. total

(U$$)

1 Motobomba a gasolina de 1 HP 400 400

1 Accesorios e instalación 150 150

Total 550


(U$$)

C. total

(U$$)

16 Modulo i110 isofon 110 Wp 750 12000

1 Bomba sumergible grundfos con inversor

sa1500 3500 3500

1

2 Accesorios eléctricos + estructura metálica

450

400

450

800

1 Instalacion + personal 800 800

Total 17550


(U$$)

C. total

(U$$)

1 Grupo electrógeno DIESEL de 4 HP (3KW) 2400 2400

1 Bomba eléctrica sumergible de 2.2 KW 1500 1500

1 Tab. Eléctrico y recontrol con accesorios

eléctricos 200 200

1 Instalacion + mano de obra 400 400

Total 4500



Haciendo un análisis a un sistema de bombeo solar

Periodo de análisis = 20 años

Tasa de descuento = 10 %

Demanda anual de 110.05 m3 / año

Potencia de dimensionamiento = 102 Wp

Carga dinamica = 8m

Costo de mantenimiento = 175 $ / año

Tomamos como ejemplo el caso numero 2 se tiene las siguientes

consideraciones para hacer un calculo estimado del costo del ciclo de

vida anualizado del proyecto , y en base a esto poder calcular el costo

unitario del agua bombeada (US$/m3) se considera los siguientes

tiempos de vida para diferentes componentes:

Generador solar = 20 años

Bomba solar y accesorios = 10 años

Grupo electrógeno =5 años

Electro bomba sumergible = 5 años

Costo del combustible diesel en el campo 3.70 (US$/galon)

Consumo diario del grupo electrógeno = 028 galones / hora

Operación del grupo al día = 3 horas diarias

Costo de O & M = 100 US$ / año

Costo de Mantenimiento opción térmica = 250 US$ / año

Costo de operación opción térmica = 500US$/ año



AñoCosto

Sistema fotovoltaico ($)

Costo Diesel ($) D2 + combustible

0 17550 4500 45001 17650 5250 60442 17750 6000 75883 17850 6750 91324 17950 7500 106765 18050 8250 122206 18150 9000 137647 18250 9750 153088 18350 14400 168529 18450 15150 18396

10 22050 15900 1994011 22150 16650 2148412 22250 17400 2302813 22350 18150 2457214 22450 18900 2611615 22550 19650 2766016 22650 20400 2920417 22750 21150 3074818 22850 21900 3229219 22950 22650 3383620 23050 23400 35380

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

años

cost

o en

($)

Costo Sistema fotovoltaico ($)

D2 + combustible



calculando el LCC en la opción solar es US$ 19590.0 mientras que para

el sistema convencional es de US$ 23400.00. El ALCC para la opción

solar es US$ 2620.00 y para la convencional es de US$ 3133.00; por que

el costo de agua bombeada será de 0.40 y 0.48 US$/m3 para las

opciones solar y convencional respectivamente.

Puede apreciarse que, a pesar de la diferencia existente en la inversión

inicial para la implementación de ambos sistemas, poseer, operar y

mantener el sistema de bombeo solar resulta mas económico, en el

tiempo, como se puede deducir en el indicador LCC.



XIV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

De acuerdo al estudio llevado a cabo en el presente trabajo se a llegado

a las siguientes conclusiones:

1) Como se menciono anteriormente, uno de los motivos limitantes para el

uso de los combustibles convencionales es el suministro y/o

almacenamiento debido a la lejanía de las zonas rurales. En el caso de

la energía solar existe una relación entre la disponibilidad de energía y

la necesidad de agua para el consumo agrícola. Esta disponibilidad

crece en los periodos de fuerte radiación, por ejemplo, para la costa

norte entre los meses de septiembre y octubre, cuando la radiación

solar es mayor, por lo tanto la potencia suministrada por el modulo

fotovoltaico es máxima, al contrario, la necesidad de agua disminuye

cuando el clima es frió y la luz solar es mucho mas débil. En verano, se

puede tener un alto valor de radiación solar, pero al ser las celdas

fabricadas con silicio la lata temperatura hace que la producción de

energía del generador solar sea menor, respecto a otras épocas del

año. La principal razón es el aumento de la resistividad (en función de

la temperatura) del material que compone la celda y por lo tanto,

perdidas de voltaje generado y en la potencia de salida. El agua puede

ser bombeada durante el día y almacenada en reservorios, con lo cual

estará disponible durante la noche. De esta forma se garantiza un

suministro, adaptándose a las condiciones agrícolas.

2) Con respecto a la flexibilidad los sistemas de bombeo solar son

flexibles respectos a la motobombas convencionales, ya que una



misma bomba puede aumentar su capacidad si se aumenta el numero

de módulos fotovoltaicos, hasta ciertos limites dependiendo de los

componentes del sistema, entre los cuales se pueden nombrar, los

limites estructurales (para soportes de módulos) y el calibre de los

conductores eléctricos. Se estima que el tiempo de vida de los

componentes de la electro bomba es de 5 a 10 años dependiendo de

la tecnología y en el caso de una instalación con energía solar el tiempo

de vida es de 20 años

3) El principal limitante de los sistemas convencionales es que el

combustible suele tener continuos incrementos en su precio de venta, si

a esto le suma el costo por transporte y los gastos operativos que

supone la instalación, el costo resulta mayor respecto a lo obtenido con

la energía solar. Aunque la inversión inicial se estima relativamente alta,

los gastos operativos (operador, mantenimiento, etc.) no son

significativos. Se debe tener en cuenta que el precio de los módulos

solares ha disminuido en los últimos años, haciendo que los sistemas

de bombeo solar resulten económicos.

4) Se a calculado la demanda de energía solar para diferentes

condiciones.

5) La instalación de paneles de energía fotovoltaica son un sistema de

amplias perspectivas de aplicación en el ámbito rural de la provincia de

ica.

6) Los sistemas de bombeo de agua con energía solar requieren de una

alta inversión inicial, pero el costo de mantenimiento y operación es



muy bajo, en contraste con los sistemas que utilizan combustible,

donde su inversión inicial es baja y un alto costo de operación y

mantenimiento.

7) Los sistemas fotovoltaicos tienen una vida útil mayor que la de los

sistemas operados con combustible. Esta diferencias hacen difícil la

comparación económica entre los dos sistemas. Sin embargo, para

realizar este análisis, se requieren considerar todos los costos de cada

sistema sobre la entera vida del equipo. A este método se le llama

“análisis del ciclo de vida de un proyecto”, e involucra identificar las

inversiones iniciales para sistema de bombeo y todos los costos de

operación y mantenimiento durante la vida útil del sistema, comparando

los costos durante el mismo periodo para ambas opciones.

8) El beneficio de esta tecnología de bombeo tiene mayor impacto cuando

va acompañado de un mejoramiento integral de la explotación agrícola.

9) Existen beneficios asociados con los sistemas de bombeo fotovoltaicos,

uno de ellos es el tiempo ahorrado por el productor durante la operación

y mantenimiento del sistema. Por ejemplo, los sistemas fotovoltaicos

operan automáticamente encendiendo el equipo cuando el sol aparece

en el horizonte y apagándose al atardecer y por otro, los sistemas de

bombeo que utilizan combustible, como son operados manualmente,

requieren de tiempo y atención para activar el sistema y recarga de

combustible el deposito de la bomba. Ante esta situación lo productores

valoran el tiempo ahorrado, que puede ser utilizado para la realización

de otras actividades, al adquirir un sistema fotovoltaico otro beneficio



que debe considerarse es el costo en este sistema, el cual que debe

incluir el tiempo y costo invertido para salir a comprarlo transportarlo

hacia el deposito y hacia la bomba.

10) Por otro lado, la conservación del medio ambiente y el entorno

ecológico para nuestros hijos y los hijos de nuestros hijos, tengan

asegurado un futuro sano.

11) Por otro lado la larga vida útil y alta confiabilidad. La vida útil de un

panel fotovoltaico se estima alrededor de 20 años y durante ese periodo

el porcentaje de fallas es extremadamente bajo, lo que hace un sistema

de alta confiabilidad

12) Es muy importante concentrar esfuerzos de difusión de sistemas

solares es aquellas para captar una mayor aceptación social y buen

desempeño técnico.

13) Por la parte ambiental la energía solar es una fuente renovable.

Durante la operación del generador fotovoltaico no se verifican

emisiones, como gases causantes del efecto invernadero.



XV. BIBLIOGRAFIA.

- “Fuentes renovables de energía para sistemas de abastecimiento de

agua” primera edición Hofkes E. H. 1990

- “Bombeo Fotovoltaico” primera edición Orellana R. 1989

- “Riegos localizados de alta frecuencia” Editorial Mundi – Prensa

- “Energía solar y agricultura” Inocente García Araque 2000

- Proyecto de Norma Técnica Peruana PNTP 399.403 – 2003

Sistemas fotovoltaicos hasta 500 Wp. “configuración y método para

la determinación de la eficiencia energética del sistema” primera

edición

- Texto único refundido del as especificaciones técnicas de diseño y

montaje de instalaciones solares fotovoltaicas para la producción de

electricidad, SODEAN S. A.

- Manual de operación y mantenimiento de paneles solares, Programa

de desarrollo de infraestructura sociales salud y educación básica

en el medio rural países andinos

- “Utilizando energía renovable para bombear agua” Cooperativa de

Texas Extensión el sistema universitario Texas A&M

- “Atlas de Energía Solar del Perú”, Senamhi, MEM

- Reglamento técnico “Especificaciones Técnicas y Ensayos de los

componentes de Sistemas Fotovoltaicos Domésticos hasta 500 Wp”,



Ministerio de Energía y Minas Dirección General de Electricidad,

Febrero – 2005

- Guía para el desarrollo de proyectos de bombeo de agua con

Energía Fotovoltaica de Sandia Nacional Laboratories

- Guía para aplicaciones de bombeo de agua con Energía Solar,

KYOCERA SOLARM, INC

- Energía solar para bombeo de agua experiencias sustentables en

baja California del sur, FIRCO

- Guía de la Energía Solar, Madrid solar

- Sistema de control para bombeo solar directo ISOFOTON

- Energía Solar en el país Vasco

- Programa de bombeo de agua con Energías Alternas

- El uso de la Energía Solar

- Evaluación de la Energía Solar para el bombeo de agua aplicado al

riego por goteo.

- Instalaciones Fotovoltaicas de Bombeo de Agua.

Catálogos

- Catalogo Techno Sun distribuidor mayorista fotovoltaico

- Bombeo directo mediante Energía Solar ATERSA electricidad solar

- Instalaciones Fotovoltaicas de Bombeo de Agua, Universidad

Politécnica de Madrid



- Sistemas de suministros de agua basados en energia renovables

GRUNDFOS

- SUNTECH modulos solares

Paginas Wed:

- www.censolar.es

- www.managenergy,net

- www.energiasostenible.org

- www.erasolar.es

- www.energia-renovables.com

- www.anaes.org.

- www.iie.org.mx

- www.shruflo.com

- www.grundfos.com

- www.eve.es

- www.solarenergy.org



ANEXOS



TABLA N° II RADIACIÓN SOLAR EN EL PERÚ

═══════════════════════════════════════════════════ LUGAR DEPARTAMENTO ALTITUD RAD. SOLAR (m) (KWh/m²-dia) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Zorritos Tumbes 005 4.931 Guayabamba Iquitos 122 4.466 Tablazo Piura 0147 5.129 Tarapoto San Martín 0356 4.431 Lambayeque Lambayeque 018 5.001 Cajamarca Cajamarca 2750 4.582 Cartavio La Libertad 051 4.861 Huaraz Ancash 3207 5.792 Huánuco Huánuco 1800 5.152 Atacocha Cerro de Pasco 4023 5.455 Fdo. Iberia Madre de Dios 180 4.524 Huancayo Junín 3350 6.780 La Molina Lima 251 4.094 Túnel Cerro Huancavelica 4600 5.873 Kayra Cusco 3219 5.280 Abancay Apurimac 2398 5.210 Ica Ica 398 5.280 Cechapampa Ayacucho 2450 6.629 Puno Puno 3825 6.804 Characato Arequipa 2461 7.094 Moquegua Moquegua 1420 6.141 Calana Tacna 590 5.431 ═══════════════════════════════════════════════════



CUADRO DE HORAS SOL EN EL PROVINCIA DE ICA EN EL AÑO 2006

Estacion Metereologica Agricola

Principal Latitud 14.1 Longitud 75.8 Altitud Mes Horas Sol Enero 7.0 Febrero 6.6 Marzo 8.0 Abril 8.9 Mayo 7.8 Junio 6.6 Julio 6.8 Agosto 7.0 Septiembre 7.7 Octubre 8.7 Noviembre 7.9 Diciembre 6.9



CUADRO DE HORAS SOL EN EL PROVINCIA DE ICA EN EL AÑO 2005

Estacion Metereologica Agricola Principal

Latitud 14.1 Longitud 75.8 Altitud Mes Horas Sol Enero 7.0 Febrero 6.5 Marzo 8.0 Abril 8.9 Mayo 7.9 Junio 6.7 Julio 6.9 Agosto 7.0 Septiembre 7.8 Octubre 8.7 Noviembre 7.9 Diciembre 6.8



Profundidad de los Niveles Freaticos de Agua Valle de Ica - Villacuri

La Profundidad de la Napa Freatica en el area investigada (Ica - Villacuri) flutua entre 1,45 - 3,11 m (Ocucaje y Fundo Cañaveral) entre 60 - 61,46 m. (Los Aquijes, Santiago) llegando incluso a 77,80 m (Pampa Guadalupe) en la zona IV (Villacuri). Ver Cuadro Adjunto.

Zona Sector Profundidad del Nivel Freatico (m)

San Jose de los Molinos 3,84 - 21,63 San Juan Bautista 4,20 - 17,99 La Tinguiña 6,75 - 39,40 Salas - Guadalupe 16,20 - 26,40

I

Subtanjalla 15,80 - 18,40 Ica 7,50 - 39,70 Parcona 17,80 - 50,40 Los Aquijes 15,55 - 61,46 Pueblo Nuevo 8,10 - 57,51 Pachacutec 45,81 - 56,96

II

Tate 29,43 - 38,00 Ocucaje 1,45 - 6,99 III Santiago 3,27 - 59,78 Pampa de Guadalupe 46,20 - 77,80 Fdo. El Recuerdo - Fdo. Peru Tom 35,40 - 60,00 Fdo. El Galmo - Pampa del Aguila 16,50 - 33,30 Fdo. Coriyaco - Fdo. Bellavista 10,44 - 26,00 Fdo. El Carmen - Fdo. La Almendral 21,60 - 45,87 Fdo. Hacienda del Sur - Fdo. Melchorita 5,60 - 26,27 Huarango Redondo - Pampa Mutaca 2,85 - 7,80

IV

Fdo. Maria Fernanda - Fundo Cañaveral 1,86 - 3,11 Orongocucho - Pampahuasi 13,03 - 19,10 Quilque - Casa Blanca 11,36 - 23,66 Cocharcas - Hda. Rosario 38,43 - 74,80 Tingue 14.93

V

Huarangal 9,42 - 17,65



MEDIOS DE DESCONEXION

MEDIOS DE DESCONEXION



PUESTA A TIERRA DE UN SITEMA DE BOMBEO FOTOVOLTAICO

bombeo de agua con energia solar en el departamento de ica

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