guia bombeo de agua con energia fotovoltaica vol. 1 libro de consulta

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Contenido

Captulos y Secciones PginaINTRODUCCIN .................................................................................................................... 1

BOMBEO DE AGUA CON ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA .....................................................................................................1

FACTIBILIDAD DE LA OPERACIN SOLAR ...........................................................................................................2OTRAS FUENTES DE ENERGA...............................................................................................................................................3APLICACIONES Y USO DEL AGUA ..........................................................................................................................................3CARACTERSTICAS DEL BOMBEO..........................................................................................................................................3DISPONIBILIDAD DEL RECURSO SOLAR ................................................................................................................................4OTRAS CONSIDERACIONES ...................................................................................................................................................5

ENERGA FOTOVOLTAICA ..........................................................................................................................................7EL RECURSO SOLAR .............................................................................................................................................................7LA TRAYECTORIA SOLAR.......................................................................................................................................................9DATOS DE INSOLACIN......................................................................................................................................................10EFECTO FOTOVOLTAICO....................................................................................................................................................11MATERIALES DE FABRICACIN...........................................................................................................................................12PRINCIPIOS DE LA CONVERSIN FOTOVOLTAICA................................................................................................................13CONCEPTOS BSICOS DE ELECTRICIDAD ...........................................................................................................................14LA CELDA SOLAR DE SILICIO CRISTALINO...........................................................................................................................14MDULO FOTOVOLTAICO..................................................................................................................................................16ARREGLOS FOTOVOLTAICOS ..............................................................................................................................................20INCLINACIN DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO .....................................................................................................................23

HIDRULICA DEL SISTEMA DE BOMBEO............................................................................................................27CARGA ESTTICA ...............................................................................................................................................................27CARGA DINMICA (FRICCIN)...........................................................................................................................................28CARGA DINMICA (FRICCIN)...........................................................................................................................................28

Valor por omisin....................................................................................................................................................... 29Tablas de friccin....................................................................................................................................................... 29Frmula de Manning.................................................................................................................................................. 29

BOMBEO FOTOVOLTAICO.........................................................................................................................................33

ALMACENAMIENTO DE ENERGA ........................................................................................................................................34EQUIPO DE BOMBEO COMPATIBLE CON SISTEMAS FOTOVOLTAICOS...................................................................................34BOMBAS CENTRFUGAS......................................................................................................................................................34BOMBAS VOLUMTRICAS....................................................................................................................................................37SELECCIN DE LA BOMBA..................................................................................................................................................40TIPOS DE MOTORES ...........................................................................................................................................................41CONTROLADORES ..............................................................................................................................................................41

DIMENSIONAMIENTO ....................................................................................................................................................43

INSTRUCCIONES PARA LLENAR LAS HOJAS DE CLCULO..............................................................................................44

ASPECTOS ECONMICOS ..........................................................................................................................................55ESTIMACIN DEL COSTO DEL SISTEMA...............................................................................................................................55

Tabla de costos aproximados..................................................................................................................................... 55Datos histricos de sistemas instalados en Mxico .................................................................................................. 56Comparacin de alternativas de bombeo.................................................................................................................. 58

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Clculo del costo del Ciclo de Vida til (CCVU) .................................................................................................... 58Conceptos bsicos ...................................................................................................................................................... 59Pasos para determinar el CCVU............................................................................................................................... 60Ejemplos Ilustrativos.................................................................................................................................................. 62

INSTALACIN, OPERACIN Y MANTENIMIENTO ............................................................................................70INTRODUCCIN .................................................................................................................................................................70INSTALACIN DEL SISTEMA ................................................................................................................................................70

Cableado y conexiones elctricas.............................................................................................................................. 71Puesta a tierra ............................................................................................................................................................ 71Obra civil y plomera ................................................................................................................................................. 71Instalacin de bombas superficiales.......................................................................................................................... 72Instalacin de bombas sumergibles........................................................................................................................... 73

OPERACIN Y MANTENIMIENTO DEL SISTEMA ....................................................................................................................74El arreglo FV.............................................................................................................................................................. 75Bombas y motores ...................................................................................................................................................... 75

CONSIDERACIONES INSTITUCIONALES DEL DESARROLLO CON ENERGA RENOVABLE..............77SUSTENTABILIDAD.............................................................................................................................................................77CONSIDERACIONES INSTITUCIONALES................................................................................................................................78ASPECTOS POLTICOS ........................................................................................................................................................78FORMACIN DE CAPACIDAD..............................................................................................................................................78EDUCACIN Y CAPACITACIN............................................................................................................................................79ASISTENCIA TCNICA .........................................................................................................................................................80DESARROLLO DE LA INFRAESTRUCTURA LOCAL .................................................................................................................80IMPLEMENTACIN DE PROGRAMAS....................................................................................................................................81REALICE PLANES ESTRATGICOS........................................................................................................................................82IMPLEMENTACIN DE PROYECTOS PILOTO ........................................................................................................................82CREACIN DE MERCADOS SUSTENTABLES..........................................................................................................................84ADOPTE UN MTODO DE DESARROLLO ENTRE LA POBLACIN............................................................................................84INSTALE EL EQUIPO ADECUADO.........................................................................................................................................85MONITOREO ......................................................................................................................................................................85MODELOS INSTITUCIONALES PARA DISEMINACIN DE LA ENERGA RENOVABLE.................................................................86VENTAS AL CONTADO.........................................................................................................................................................87FINANCIAMIENTO A LOS CONSUMIDORES...........................................................................................................................88FONDOS DE CRDITO REVOLVENTE ...................................................................................................................................88CRDITO BANCARIO LOCAL................................................................................................................................................88ARRENDAMIENTO ..............................................................................................................................................................89CRDITO DEL DISTRIBUIDOR .............................................................................................................................................89SUBSIDIOS .........................................................................................................................................................................89CONCLUSIONES .................................................................................................................................................................90

REFERENCIAS 91

APNDICE A: INSOLACIN GLOBAL EN MXICO ..............................................................................................1

APNDICE B: FACTORES DE PRDIDA POR FRICCIN ....................................................................................1

APNDICE C: RANGOS DE OPERACIN DE BOMBAS FV..................................................................................1

APNDICE D: TABLA DE COSTOS APROXIMADOS DE SISTEMA FV DE BOMBEO Y TABLAS DEFACTORES DE VALOR PRESENTE...............................................................................................1

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Figuras y Tablas Pgina

FIGURA 1. SELECCIN DE TECNOLOGA DE BOMBEO DE ACUERDO AL CICLO HIDRULICO............................................... 4FIGURA 2. DIAGRAMA DE FLUJO DE DECISIONES PARA BOMBEO CONSIDERANDO DOS TECNOLOGAS DE GENERACIN

DE ENERGA. ............................................................................................................................................ 6FIGURA 3. DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA FOTOVOLTICO PARA BOMBEO DE AGUA. ....................................... 7FIGURA 4. IRRADIANCIA Y HORAS SOLARES PICO (INSOLACIN) DURANTE UN DA SOLEADO. ......................................... 9FIGURA 5. MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL EN LA BVEDA CELESTE EN FUNCIN DE LA HORA DEL DA Y LA POCA

DEL AO (21 DE DICIEMBRE Y 21 DE JUNIO RESPECTIVAMENTE ) PARA UNA LATITUD DE 16N........ 10FIGURA 6. REPRESENTACIN FSICA DEL EFECTO FOTOVOLTAICO EN UNA CELDA SOLAR. ............................................. 12FIGURA 7. GENERACIN ELCTRICA EN UNA CELDA FOTOVOLTAICA.............................................................................. 15FIGURA 8. CURVA I VS V Y P VS V PARA UN MDULO FOTOVOLTAICO TPICO A 1,000 W/M2 Y 25OC .......................... 17FIGURA 9. DEPENDENCIA DE LA CORRIENTE PRODUCIDA EN FUNCIN DEL VOLTAJE PARA DIFERENTES INTENSIDADES

DE RADIACIN (TEMPERATURA CONSTANTE DE 25OC)......................................................................... 19FIGURA 10. DEPENDENCIA DE LA CORRIENTE PRODUCIDA EN FUNCIN DEL VOLTAJE PARA DIFERENTES

TEMPERATURAS DE OPERACIN (IRRADIANCIA CONSTANTE 1,000W/M2)........................................... 20FIGURA 11. ANALOGA DE UNA CONEXIN EN SERIE ENTRE UN SISTEMA ELCTRICO Y UN HIDRULICO....................... 21FIGURA 12. ANALOGA DE UNA CONEXIN EN PARALELO ENTRE UN SISTEMA ELCTRICO Y UN HIDRULICO............... 22FIGURA 13. LA CONEXIN DE MDULOS FOTOVOLTAICOS............................................................................................... 23FIGURA 14. ORIENTACIN DE UNA ESTRUCTURA FIJA PARA MAXIMIZAR LA CAPTACIN DE RADIACIN SOLAR A LO

LARGO DEL AO .................................................................................................................................... 24FIGURA 15. SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA ENERGIZADO CON 16 MDULOS SOLARES. ................................................. 26FIGURA 16. PRINCIPALES COMPONENTES HIDRULICOS DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA..................................... 28FIGURA 17. ESQUEMA DE UNA INSTALACIN TPICA DE UN SISTEMA FV DE BOMBEO DE AGUA .................................... 33FIGURA 18. BOMBA CENTRFUGA SUPERFICIAL (SOLARRAM) ......................................................................................... 35FIGURA 19. ESQUEMA DE UNA BOMBA CENTRFUGA SUPERFICIAL .................................................................................. 35FIGURA 20. ESQUEMA DE UNA BOMBA CENTRFUGA SUMERGIBLE .................................................................................. 36FIGURA 21. VISTA INTERNA DE UNA BOMBA SUMERGIBLE (GRUNDFOS)......................................................................... 36FIGURA 22. BOMBAS CENTRFUGAS SUMERGIBLES (SOLARJACK) ................................................................................... 37FIGURA 23. ESQUEMA DE UNA BOMBA VOLUMTRICA DE CILINDRO ............................................................................... 38FIGURA 24. ESQUEMA DE UNA BOMBA DE DIAFRAGMA SUMERGIBLE.............................................................................. 39FIGURA 25. BOMBAS DE DIAFRAGMA SUPERFICIALES(SHURFLO) ................................................................................... 39FIGURA 26. INTERVALOS COMUNES DONDE SE APLICA LOS DIFERENTES TIPOS DE BOMBAS SOLARES ........................... 40FIGURA 27. CONTROLADOR TPICO DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO DE BOMBEO (SAN LORENCITO, CHIHUAHUA) ...... 42FIGURA 28. CARACTERSTICAS FSICAS DE UN POZO .................................................................................................... 43FIGURA 29. CURVA DE RENDIMIENTO (EJEMPLO PARA GRUNDFOS SP 3A-10).......................................................... 51FIGURA 30. COSTOS DE SISTEMAS INSTALADOS EN FUNCIN DEL CICLO HIDRULICO DIARIO ....................................... 56FIGURA 31. COSTO POR WATT EN FUNCIN DEL TAMAO DEL SISTEMA ......................................................................... 57FIGURA 32. VILLA DE LEYVA, QUINTANA ROO COMPARACIN DE COSTOS EN VALORES PRESENTE........................... 65FIGURA 33. VILLA DE LEYVA, QUINTANA ROO PERIODO DE RECUPERACIN DE INVERSIN....................................... 65FIGURA 34. EL JEROMN, CHIHUAHUA COMPARACIN DE COSTOS EN VALORES PRESENTE......................................... 67FIGURA 35. EL JEROMN, CHIHUAHUA PERIODO DE RECUPERACIN DE INVERSIN..................................................... 67FIGURA 36. AGUA BLANCA, BAJA CALIFORNIA SUR, COMPARACIN DE COSTOS EN VALORES PRESENTE .................... 69FIGURA 37. AGUA BLANCA, BAJA CALIFORNIA SURPERIODO DE RECUPERACIN DE INVERSIN .............................. 69FIGURE 38. INSTALACIN DE UNA BOMBA SUPERFICIAL (TIPO "PUMPING JACK"), EN EL RANCHO GUADALUPE EN

CHIHUAHUA, MXICO. LA CARGA DINMICA TOTAL ES DE 170 M .................................................... 72FIGURE 39. INSTALACIN DE UNA BOMBA FV SUMERGIBLE EN ESTACIN TORRES, SONORA, MXICO ....................... 74FIGURA 40. CURSO DE CAPACITACIN DE SANDIA EN ENERGA SOLAR EN VERACRUZ, MXICO................................... 80FIGURA 41. MULAS EMPLEADAS PARA TRANSPORTAR MDULOS FOTOVOLTAICOS A UN REA REMOTA DE

CHIHUAHUA, MXICO........................................................................................................................... 81FIGURA 42. INSTALACIN DE UN SISTEMA PILOTO DE BOMBEO FV DE AGUA EN EL ESTADO DE CHIHUAHUA, MXICO

............................................................................................................................................................... 83

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FIGURA 43. TENDENCIA A LA BAJA DEL COSTO PROMEDIO POR WATT INSTALADO EN 41 SISTEMAS DE BOMBEO DEAGUA FV PILOTO EN MXICO IMPLEMENTADO POR EL GRUPO DE TRABAJO DE ENERGARENOVABLE EN CHIHUAHUA JUNTO CON SNL Y NMSU .................................................................... 84

FIGURA 44. PIRMIDE DE MTODOS DE VENTAS DE ENERGA RENOVABLE A NIVEL INSTITUCIONAL ............................. 87

TABLA 1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL BOMBEO SOLAR................................................................................... 2TABLA 2. PLACA DEL FABRICANTE DE UN MDULO SOLAREX VLX-53.............................................................. 18TABLA 3. VALORES DE LA CONSTANTE USADO EN LA FRMULA DE MANNING............................................... 29TABLA 4. PRINCIPALES CARACTERSTICAS DE LAS BOMBAS FOTOVOLTAICAS.................................................... 41TABLA 5. CLCULO DEL MES CRTICO ................................................................................................................. 44TABLA 6. VALORES POR OMISIN DE EFICIENCIAS DE SISTEMAS DE BOMBEO..................................................... 46TABLA 7. CUADRO DE SELECCIN DE BOMBA DE UN FABRICANTE*.................................................................. 53TABLA 8. COSTO APROXIMADO DE SISTEMAS DE COMBUSTIN INTERNA ........................................................... 61TABLA 9. AOS DE VIDA TILES DE EQUIPO DE SISTEMAS FV Y SISTEMAS DE COMBUSTIN INTERNA ............. 61TABLA 10. SUPOSICIONES DEL ANLISIS CCV....................................................................................................... 63TABLA A-1. INSOLACIN GLOBAL MEDIA INCLINACON A A LATITUD EN MXICO EN KWH/M2-DA ............................... 2TABLA B-1. FACTORES DE PRDIDA POR FRICCIN EN PVC RGIDO.................................................................................. 2TABLA B-2. FACTORES DE PRDIDA POR FRICCIN EN ACERO GALVANIZADO .................................................................. 3TABLA C-1. RANGOS DE OPERACIN DE ALGUNAS BOMBAS FV........................................................................................ 2TABLA D-1. COSTOS APROXIMADOS PARA SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO EN MXICO ...................................... 2TABLA D-2. FVP FACTOR DE VALOR PRESENTE DE UN PAGO CON INTERS ...................................................................... 3TABLA D-3. FVPA FACTOR DE VALOR PRESENTE DE PAGOS ANUALES FIJOS................................................................. 4

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Introduccin

La energa es de vital importancia para el desarrollo econmico de cualquier pas. Con ella esposible llevar a cabo los trabajos que el hombre por s solo es incapaz de hacer. Existen diversasfuentes de energa, entre ellas estn los combustibles fsiles y las fuentes de energa renovablecomo el sol y el viento entre otras. La energa solar y elica se denominan renovables debido aque son un recurso inagotable respecto del ciclo de vida humano. Adems, presentan lacaracterstica de ser abundantes y limpias. Con tecnologas maduras, las fuentes renovables deenerga tienen un gran potencial para la generacin de energa. As por ejemplo, la tecnologafotovoltaica que transforma directamente la luz solar en electricidad, ha mostrado ser de granutilidad para la generacin de energa elctrica en lugares apartados y remotos.

Hoy en da, la tecnologa fotovoltaica disponible comercialmente es una alternativa real para suaplicacin en diversas tareas domsticas, industriales y agropecuarias. Sin embargo es necesarioun anlisis de viabilidad econmica y factibilidad tcnica para determinar si es la ms apropiadapara tal fin. Las aplicaciones ms comunes en el sector agropecuario son bombeo de agua,cercos elctricos, calentadores de agua, congeladores y sistemas de secado de productosagrcolas, adems de la electrificacin bsica para fines domsticos.

Bombeo de agua con energa solar fotovoltaica

El bombeo de agua en pequea escala es unaaplicacin de mucha trascendencia en el mundo;tiene especial impacto en comunidades rurales dondeno hay suministro de energa elctrica convencional.Los sistemas de bombeo fotovoltaicos se caracterizanpor ser de alta confiabilidad, larga duracin y mnimomantenimiento, lo cual se traduce en un menor costoa largo plazo si se le compara con otras alternativas.Adems no requiere delempleo de un operador ytienen un bajo impacto ambiental (no contaminan elaire o el agua y no producen ruido).Otra ventaja es que los sistemas son modulares, demanera que pueden adecuarse para satisfacer lasnecesidades especficas del usuario en cualquiermomento.

Estos sistemas son muy sencillos en su operacin. Para realizar un proyecto con xito esnecesario entender conceptos como la energa solar fotovoltaica, la hidrulica del sistema y elfuncionamiento del conjunto motor-bomba.


Factibilidad de la operacin solar

Los sistemas activados por el sol representan una solucin costeable para muchos usuariosalejados de fuentes convencionales de energa elctrica. Estos sistemas solares tienenalgunas ventajas y desventajas que deben considerar cuidadosamente el proyectista y elusuario.

Tabla 1. Ventajas y desventajas del bombeo solarVentajas Desventajas

No consumen combustible Inversin inicial relativamente alta

Larga vida til (de 15 a 20 aos) Acceso a servicio tcnico limitado

Impacto ambiental mnimo Produccin de agua variable dependiendo de condicionesmeteorolgicas

Bajos costos de operacin ymantenimiento

El xito de un proyecto est directamente relacionado con el conocimiento de lascondiciones y recursos del sitio. Qu hace que un sitio sea adecuado para bombear aguacon el sol? Qu diferencia hay en los recursos de un sitio a otro? Cul es su costoaproximado? Estas son algunas de las preguntas que el proyectista debe responderse. Estagua proporciona en los siguientes captulos las herramientas necesarias para tal fin.

La elaboracin de un proyecto de bombeo fotovoltaico es un proceso que requiere detiempo y recursos; la inversin inicial es relativamente alta y por tanto debe realizarse concuidado, especialmente si a la vez se estn realizando trmites para la obtencin de ayudaeconmica.

Durante el diseo, Bsicamente deben considerarse los siguientes puntos:

La disponibilidad de otras fuentes de energa como la electricidad de la red dedistribucin, gasolina, diesel, viento, etc.

La aplicacin que se pretende dar al agua extrada, por ejemplo, abrevaderos paraganado, irrigacin, consumo humano, etc.

Las caractersticas del bombeo en trminos de distancia, volumen, profundidad de laextraccin y altura de descarga del agua.

La disponibilidad del recurso solar, es decir, qu tanta energa solar hay en la regingeogrfica


Otras fuentes de energa

La disponibilidad de otras fuentes de energa es el primer factor que debe analizarse concuidado. Por ejemplo, debe investigarse la distancia a la red elctrica ms cercana o laexistencia de bombas de motores de combustin interna, ya que podra ser ms costeableextender la red hasta el lugar de la obra o rehabilitar los motores de combustin interna. Enel caso de la red elctrica la pregunta inmediata es Qu tan lejos deber estar la red paraque sea rentable su extensin? La respuesta es variable. En zonas desrticas la extensinpodra costar unos ocho mil dlares por cada kilmetro, mientras que en zonas montaosasel precio se elevara a unos veinte mil dlares. Generalmente se considera la opcin solaren proyectos en que la red de distribucin est a ms de medio kilmetro.

Por otra parte, la disponibilidad de combustibles como la gasolina o el diesel a un precioaccesible podra hacer que la opcin solar sea menos competitiva. En la seccin deaspectos econmicos de esta gua se ofrece un mtodo para comparar estas alternativasutilizando los costos reales a lo largo de la vida til de un sistema de bombeo.

Aplicaciones y uso del agua

En los sistemas de bombeo fotovoltaico la demanda de agua se especifica por da, por loque el siguiente factor en consideracin es el uso que se pretende dar al agua bombeada.Las aplicaciones tpicas y rentables son aquellas de relativa baja demanda comoabrevaderos para ganado y consumo humano. El riego de parcelas de cultivo por lo generalno es costeable debido a su gran demanda de agua y bajo valor de las cosechas obtenidas.La excepcin es cuando se trata de parcelas e invernaderos con sistemas de riego eficientesy cultivos de baja demanda de agua.

Caractersticas del bombeo

El volumen de agua requerido diariamente no es suficiente indicador del tamao y costo delsistema de bombeo. Tambin debe conocerse la carga dinmica total, CDT (profundidadde bombeo ms la altura de descarga ms la carga de friccin en la longitud total de latubera). Por ejemplo, se requiere ms energa para extraer un metro cbico de agua conuna CDT de 10 metros que con una CDT de 5 metros.

Una buena indicacin del tamao y costo es el ciclo hidrulico definido como elproducto del volumen diario, expresado en metros cbicos, m3 (1,000 litros = 1 m3), por laCDT, expresada en metros, m [(m)(m3)]. Con stas unidades, el ciclo hidrulico se expresaen unidades de m4. Por ejemplo, 5 m3 a bombear con una CDT de 15 m dan un ciclohidrulico de 75 m4. As mismo, 15 m3 a bombear con una CDT de 5 m tambin dan 75m4. En ambos casos la energa requerida es aproximadamente la misma y el costo de estossistemas es muy similar. Cundo se considera que la demanda muy grande para elbombeo solar? La experiencia muestra que un proyecto es econmicamente viable cuandoel ciclo hidrulico no sobrepasa los 1,500 m4. Los sistemas de bombeo de agua con


sistemas de combustin interna o elicos son ms competitivos cuando se tiene un ciclohidrulico mayor o igual a 1500 m4.

Para obtener mayores beneficios, el agua debe utilizarse en productos de alto valor parael propietario. Debe observarse que el agua no sea ms cara que el producto. El ciclohidrulico de un proyecto permite determinar la tecnologa ms apropiada. Como semencion, en general 1,500 m4 es una buena cifra para decidir si se implementa un bombeosolar o no. La Figura 1 nos indica la tecnologa ms apropiada de acuerdo al volumendiario y Y carga dinamica total.

Carga dinmica total (m)

160

Diesel

Vo

lum

en (

m /

da

)3

0

10

20

30

40

50

60

20 40 60 80 100 120 140 180

Bomba Manual

(7% eficiente)

Viento

(> 4.5 m/seg)

Fotovoltaico

(> 3 kW-h/m /da)2

Figura 1. Seleccin de tecnologa de bombeo de acuerdo al ciclo hidrulico.

El uso de esta grfica es muy sencillo. Slo se busca la interseccin del volumen diariorequerido con la carga dinmica total de bombeo. Con frecuencia el punto de interseccinest muy cercano entre dos tipos de tecnologa. En este caso la recomendacin es haceruna comparacin rigurosa con el mtodo de anlisis de ciclo de vida mostrado en la seccinde aspectos econmicos.

Esta grfica se realiz asumiendo una insolacin diaria mayor de 3.0 kWh/m2, unrecurso elico (es decir , la velocidad promedio del viento) mayor de 4.5 m/s y unaeficiencia del 7% para los sistemas Diesel.

Disponibilidad del recurso solar

Mxico cuenta con un excelente recurso solar en casi todo su territorio. En la mayor partedel pas, los das son largos y despejados durante el verano. En el campo hay una relacin


directa a favor del uso de la energa solar: los das de mayor necesidad de agua son aquellosen que el sol es ms intenso.

Existen en la actualidad mapas y tablas que indican la insolacin mensual promediopara diferentes zonas geogrficas. La insolacin es la energa proveniente del sol. Unaunidad comn de insolacin es el kWh/m2. En esta gua se recomienda que los sitios delproyecto deben contar con al menos 3 kWh/m2 de energa solar para justificar elseguimiento del proyecto. En el Apndice se incluye una tabla con valores de insolacinpara diversas zonas geogrficas de Mxico. Utilice el valor de insolacin ms cercano allugar de su proyecto.

Otras consideraciones

Hay otros factores de mucha importancia que no son fcilmente cuantificables, entrestos estn:

La disponibilidad de servicio profesional en la regin. Una instalacin de bombeo solardebe hacerse por personal calificado. Adems es importante que el instalador seafcilmente localizable en caso de requerir sus servicios. El proveedor e instalador deberndemostrar su experiencia , capacidad tcnica y solvencia moral

La aceptacin de los usuarios de una tecnologa relativamente nueva ydesconocida. Los usuarios deben entender la capacidad de estos sistemas, suslimitaciones, sus ventajas, requisitos de mantenimiento y principios de operacin.Involucre a los usuarios desde el principio de la realizacin del proyecto. Esto lespermitir asimilar mejor la nueva tecnologa as como les reforzar su sentido deresponsabilidad.

La vigilancia adecuada. La naturaleza y portabilidad de estos sistemas debombeo solar los hacen ideales para aplicaciones remotas ydesatendidas, perotambin los hacen vulnerables al robo yvandalismo.

El impacto ambiental. La energa solar y su tecnologa no contribuyen aldeterioro de la calidad del aire ni del agua, no producen ruido y no son peligrosospara la fauna y flora local. Esto en s mismo es para muchos usuarios de gran valor.

El diagrama de flujo de la Figura 2 muestra una alternativa para llevar a cabo laseleccin del tipo de tecnologa que se puede utilizar para un sistema de bombeo de agua,ya sea un sistema convencional o un sistema solar. El dato ms importante que se debeconocer para disear un sistema de esta naturaleza, es la demanda que se va a satisfacer.Para la seleccin se consideran parmetros como la distancia a lared, ciclo hidrulico y elrecurso solar que posee el sitio.


Figura 2. Diagrama de flujo de decisiones para bombeo considerando dos tecnologas degeneracin de energa.


Energa fotovoltaica

En los sistemas fotovoltaicos de bombeo de agua, la energa necesaria para accionar labomba proviene del sol. La energa solar es captada y transformada a energa elctrica pormedio de los dispositivos llamados celdas solares, las cuales son la base de la construccinde los mdulos fotovoltaicos. En el presente captulo se proveern las herramientasnecesarias para entender la naturaleza de la fuente energtica, el Sol, as como tambin delos conceptos bsicos de electricidad con los que se debe contar para el buen entendimientode la operacin de los mdulos fotovoltaicos.

Figura 3. Diagrama de bloques de un sistema fotovoltico para bombeo de agua.

El recurso solar

El sol es una fuente inagotable de energa debido a magnitud de las reacciones nuclearesque ocurren en su centro y corona. Debido a la gran masa con la que cuenta, se puedeasegurar que su tiempo de vida es infinito comparado con el tiempo de vida del hombre


sobre el planeta tierra. Una gran parte de esta energa llega a la Tierra en forma deradiacin electromagntica llamada comnmenteenerga solar, la cual esta formadabsicamente por luz y calor .

La potencia de la radiacin solar que se recibe en un instante dado sobre un captador deuna superficie determinada se le conoce como Irradiancia y se mide en unidades de W/m

2.

Dado que la distancia Tierra-sol es relativamente fija, el valor de la irradiancia fuera de laatmsfera terrestre, llamada la constante solar, es de 1,353 W/m2.

Se sabe que la atmsfera terrestre est constituida por gases, nubes, vapor de agua,partculas contaminantes y slidos en suspensin, que constituyen lo que se conocecomnmente como masa de aire (AM por sus siglas en ingls Air Mass). A medida que laluz solar la atraviesa, sta sufre procesos de absorcin, reflexin y refraccin, y enconsecuencia, la irradiancia se atena disminuyendo su valor con respecto afuera de laatmsfera. Bajo condiciones de atmsfera limpia, sin ningn proceso ptico y estando el solen el cenit, la irradiancia mxima que un captador podra recibir es de 1,000 W/m2 comoun valor promedio normalizado.

La radiacin que llega a la superficie terrestre se puede clasificar en directa y difusa. Laradiacin directa es aquella que se recibe en la superficie terrestre sin que haya sufridoninguno de los procesos antes mencionados al pasar por la atmsfera. La radiacin difusaes la que se recibe despus de que la luz solar cambi su direccin debido a los procesos derefraccin y reflexin que ocurren en la atmsfera. Un captador de la energa solar "ve" laradiacin como si viniera de la bveda celeste con esas dos componentes (radiacin directay difusa), por lo que en muchas ocasiones se podra tener valores de irradiancia mayores de1,000 W/m2. Para un da despejado, la componente recibida mayormente en el captador esla directa; mientras que en un da nublado, es la componente difusa, ya que la radiacindirecta es obstruda por las nubes.

A lo largo del da y bajo condiciones atmosfricas iguales, la irradiancia recibida en uncaptador vara a cada instante, presentando valores mnimos en el amanecer y atardecer, yadquiriendo valores mximos al medioda; es decir, se espera que a las 10:00 A.M. el valorde la irradiancia sea diferente y menor al que se obtiene a la1:00 P.M. Lo anterior seexplica debido al movimiento de rotacin de la tierra (movimiento sobre su propio eje) quehace que la distancia que recorre la luz solar hacia el captador, dentro de la masa de aire,sea mnima al medio da solar (rayos de luz cayendo perpendicularmente sobre el captador)con respecto a otras horas del da.

Otro concepto importante es el de Insolacin, ste corresponde al valor acumulado de lairradiancia en un tiempo dado. Si el tiempo se mide en horas (h), la insolacin tendrunidades de Watts-hora por metro cuadrado (W-h/m2). Generalmente se reporta este valorcomo una acumulacin de energa que puede ser horaria, diaria, estacional o anual. Lainsolacin tambin se expresa en trminos de horas solares pico. Una hora solar pico esequivalente a la energa recibida durante una hora, a una irradiancia promedio de 1,000W/m2 (Figura 4). La energa que produce el arreglo fotovoltaico es directamenteproporcional a la insolacin que recibe.


Figura 4. Irradiancia y horas solares pico (insolacin) durante un da soleado.

La trayectoria solar

Adems de las condiciones atmosfricas hay otro parmetro que afecta radicalmente a laincidencia de la radiacin sobre un captador solar, este es el movimiento aparente del sola lo largo del da y a lo largo del ao, ver Figura 5. Se dice "aparente" porque en realidadla Tierra es la que est girando y no el Sol. La Tierra tiene dos tipos de movimientos: unoalrededor de su propio eje (llamado movimiento rotacional) el cual da lugar al da y lanoche y el otro; alrededor del sol (llamado movimiento traslacional) siguiendo unatrayectoria elptica, el cual da lugar a las estaciones del ao.


Figura 5. Movimiento aparente del sol en la bveda celeste en funcin de la hora del da y lapoca del ao (21 de Diciembre y 21 de Junio respectivamente ) para una latitudde 16N.

Un arreglo fotovoltaico recibe la mxima insolacin cuando se mantiene apuntandodirectamente al sol; es decir, cuando los rayos inciden perpendicularmente en l. Para estose necesita seguir al sol durante el da y durante todo el ao, requirindose el ajuste de dosngulos del arreglo: el azimut para seguir el movimiento diario del sol de este a oeste, y elngulo de elevacin para seguir el movimiento anual de la trayectoria solar en la direccinnorte-sur. As, para que el arreglo fotovoltaico siga al sol se necesita de estructuras demontaje que estn diseadas para tal propsito.

Datos de insolacin

La insolacin es un parmetro clave en el diseo de sistemas solares. Los factoresprincipales que afectan la insolacin que recibe la superficie de un captador son suorientacin, el ngulo de la superficie respecto de la horizontal y las condiciones climticas.En lugares donde los das nublados son relativamente ms frecuentes, la insolacinpromedio es menor. Cuando la latitud del lugar sobrepasa los 15o, los das de invierno sonapreciablemente ms cortos que los das de verano. Esto resulta en una mayor insolacinpromedio en el verano. Por ejemplo, en las regiones lluviosas del sur de Mxico, lainsolacin en el plano horizontal alcanza 4 kW-h/m2 por da en el invierno, 5.2 kW-h/m2


por da en el verano y 4.5 kW-h/m2 por da como promedio anual. En las regiones ridasdel norte de Mxico, la insolacin en el plano horizontal alcanza 5 kW-h/m2 por da en elinvierno, 8 kW-h/m2 por da en el verano y 6.5 kW-h/m2 por da como promedio anual.Esta diferencia es bsicamente por que en el Sureste del pas las lluvias son mas frecuentesy la nubosidad acumulada es mayor durante el verano, lo que no ocurre en las zonas ridas.

Debido a que la insolacin recibida en el captador depende de su orientacin einclinacin, con respecto a la posicin aparente del sol, el Recurso Solar de un lugardeterminado se especifica por el valor de la insolacin medida horizontalmente. A partir delos datos de la insolacin en el plano horizontal se puede estimar el valor de la insolacin aun azimut y elevacin determinado. Existen tablas y mapas de insolacin horizontal paradiferentes regiones y pocas del ao provenientes de varias fuentes. El Apndice A (pag. A-1) contiene valores de insolacin para diferentes regiones de Mxico.

Efecto fotovoltaico

Cuando en un dispositivo se observa una diferencia de voltaje debido a la absorcin de laluz solar, se dice que se esta llevando a cabo el Efecto Fotovoltaico (FV). Bajo estascondiciones, si se le conecta una carga, se producir una corriente elctrica que ser capzde realizar un trabajo en ella. La corriente producida es proporcional al flujo luminosorecibido en el dispositivo. A la unidad mnima en donde se lleva a cabo el efectofotovoltaico se le llama celda solar

En una celda solar el efecto fotovoltaico se presenta como la generacin de voltaje en susterminales cuando est bajo iluminacin. Si a las terminales de la celda solar se le conectaun aparato elctrico, por ejemplo, una lmpara, entonces sta se encender debido a lacorriente elctrica que circular a travs de ella. Esto representa la evidencia fsica delefecto fotovoltaico. En la Figura 6 se representa este efecto.


Figura 6. Representacin fsica del efecto fotovoltaico en una celda solar.

Materiales de fabricacin

El efecto fotovoltaico se puede llevar a cabo en materiales slidos, lquidos o gaseosos;pero es en slidos, especialmente en los materiales semiconductores, en donde se hanencontrado eficiencias aceptables de conversin de energa luminosa a elctrica. Existendiferentes materiales semiconductores con los cuales se pueden elaborar celdas solares,pero el que se utiliza comnmente es el silicio en sus diferentes formas de fabricacin.

Silicio Monocristalino: Las celdas estn hechas de un solo cristal de silicio de muy altapureza. La eficiencia de estos mdulos ha llegado hasta el 17%. Los mdulos con estasceldas son los ms maduros del mercado, proporcionando con esto confiabilidad en eldispositivo de tal manera que algunos fabricantes los garantizan hasta por 25 aos.

Silicio Policristalino: Su nombre indica que estas celdas estn formadas por varioscristales de silicio. Esta tecnologa fue desarrollada buscando disminuir los costos defabricacin. Dichas celdas presentan eficiencias de conversin un poco inferiores a lasmonocristalinas pero se ha encontrado que pueden obtenerse hasta del orden del 15%. Lagaranta del producto puede ser hasta por 20 aos dependiendo del fabricante.

Silicio Amorfo: La palabra amorfo significa carencia de estructura geomtrica. Lostomos de silicio que forman al slido no tiene el patrn ordenado caracterstico de loscristales como es el caso del silicio cristalino. La tecnologa de los mdulos de silicioamorfo ha estado cambiando aceleradamente en los ltimos aos. En la actualidad sueficiencia ha subido hasta establecerse en el rango de 5 a 10% y promete incrementarse. Lagaranta del producto puede ser hasta por 10 aos dependiendo del fabricante.


Principios de la conversin fotovoltaica.

La materia est constituida por tomos, los cuales a su vez estn formados por dos partesbien diferenciadas: el ncleo, dotado de una carga elctrica positiva y los electrones, concarga elctrica negativa que compensa la del ncleo, formando de esta manera un conjuntoelctricamente neutro. Los electrones ms externos se conocen como electrones devalencia.

Los semiconductores son utilizados en la fabricacin de las celdas solares porque laenerga que liga a los electrones de valencia al ncleo es similar a la energa que poseen losfotones que constituyen a la luz solar. Por lo tanto, cuando la luz solar incide sobre elsemiconductor (generalmente silicio), sus fotones suministran la cantidad de energanecesaria a los electrones de valencia para que se rompan los enlaces y queden libres paracircular por el material. Por cada electrn que se libera, aparece un hueco. Dichos huecosse comportan como partculas con carga positiva (+). Cuando en el semiconductor segeneran pares electrn-hueco debido a la absorcin de la luz, se dice que hay una foto-generacin de portadores de carga negativos y positivos, los que contribuyen a disminuir laresistencia elctrica del material. Este es el principio bsico de operacin de las foto-resistencias.

En la Figura 7, se muestra una estructura simple de una celda solar en donde se ilustra elprincipio bsico de la conversin fotovoltaica. La celda solar consiste en una unin de doscapas de materiales semiconductores uno tipo p y el otro tipo n con contactos elctricos enla parte superior y en la inferior. El espesor de ste sndwich puede variar, desde menosde una micra para el caso de semiconductores muy absorbentes (caso del silicio amorfo),hasta unos cientos de micra para el caso de semiconductores de baja absorcin (caso delsilicio cristalino). La unin entre las capas n (lado negativo) y p (lado positivo) es laresponsable de que se forme un campo elctrico interno que radica principalmente en launin.

Cuando la radiacin luminosa en forma de fotones es absorbida por los semiconductoresse generan, en exceso de su concentracin en equilibrio, pares de portadores de cargaelctrica, electrones y huecos, los cuales deben de ser separados para poder usar la energaque cada uno representa. Estos portadores foto-generados viajan bajo un gradiente deconcentracin hacia la unin en donde son separados por efecto del campo elctrico. Estaseparacin enva electrones foto-generados a la capa n y huecos foto-generados a la capa p,crendose una diferencia de potencial entre las superficies superior e inferior de las capas.La acumulacin de cargas en las superficies del dispositivo da como resultado un voltajeelctrico medible externamente. La unidad de medicin es el volt. Este voltaje foto-generado es lo que se conoce como el efecto fotovoltaico. Si se establece un circuitoelctrico externo entre las dos superficies, los electrones acumulados fluirn a travs de lregresando a

La acumulacin de cargas en la superficie del dispositivo da como resultado un voltajeelctrico medible externamente. La unidad de medicin es el Volt. Este voltaje foto-generado es lo que se conoce como el efecto fotovoltaico. Si se establece un circuitoelctrico externo entre las dos superficies, los electrones acumulados fluirn a travs de l


regresando a su posicin inicial. Este flujo de electrones forma lo que se llama unacorriente foto-generada o fotovoltaica.

Bajo condiciones de circuito abierto (Vca) el efecto FV genera una diferencia depotencial entre la parte superior y la inferior de la estructura. Bajo condiciones de cortocircuito, el proceso genera una corriente elctrica Icc que va de la parte positiva a lanegativa (direccin convencional para la corriente elctrica).

Conceptos bsicos de electricidad

Corriente (I), voltaje (V), potencia (P) y energa elctrica (E) son algunos de los conceptoselctricos fundamentales que se deben de tener en mente cuando se trata con sistemasfotovoltaicos. La corriente elctrica que circula en el material se define como el nmerode electrones que fluyen a travs de l en un segundo. La corriente I se mide en amperes.El voltaje elctrico V, es el esfuerzo que debe realizar una fuerza externa sobre loselectrones dentro del material, para producir la corriente y se mide en Volts. La potenciaelctrica, es aquella que se genera o se consume en un instante dado, se especifica por elvoltaje que obliga a los electrones a producir la corriente elctrica continua y se expresacomo:

P = V x I

La unidad de potencia elctrica es el Watt (1 Watt = 1 volt x 1 Amper). Y en cuanto a laenerga elctrica, E, es la potencia generada o consumida en un periodo de tiempo t y sedefine como:

E = P x t;

si el tiempo de consumo esta dado en horas, entonces las unidades para la energaproducida sern: Watt-hora. Otra unidad utilizada es el Joule

1 Joule = 1 Watt por segundo, 1 kW-h = 3.6 x106 J

La celda solar de silicio cristalino

Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza (El silicioes un elemento muy abundante en la arena, pero para fabricar las celdas solares se requierede silicio metalrgico). El lingote es rebanado en forma de placas delgadas llamadasobleas. El espesor tpico usado es del orden de 400 nm (0.4 m). Una fraccin muypequea de tal espesor (del orden de 0.5 nm) es impregnado con tomos de fsforo. A estacapa se le conoce como tipo-n. El resto de la oblea es impregnada con tomos de boro y seforma la capa conocida como tipo-p. Estas capas unidas forman el campo elctrico (voltajeinterno construido) que se necesita para la separacin de los portadores que se foto-


generarn. Dada la diferencia de espesores de las capas, el campo elctrico nter construidodentro de la oblea aparece cerca de la superficie que recibe la luz del sol.

La celda cuenta con dos terminales que se conectan a un circuito externo para extraer lacorriente elctrica producida. La cara de la oblea expuesta a la luz, posee un enrejadometlico muy fino (titanio/ paladio/ plata), cubriendo del 5 al 10% de rea de la oblea ycuya funcin es colectar los electrones foto-generados. Esta capa corresponde a la terminalnegativa. Sobre este enrejado est conectado uno de los conductores del circuito exterior.La otra cara es recubierta totalmente con una capa metlica, usualmente de aluminio. Estacorresponde a la terminal positiva ya que en ella se acumulan las cargas positivas. Sobreesta capa est conectado el otro conductor del circuito exterior. Para disminuir las prdidaspor reflexin la cara de la celda expuesta a la luz se recubre con una capa anti-reflejante,usualmente xido de talio, la que tambin sirve como una capa anticorrosiva. El tipo decompuesto usado como capa anti-reflejante y el tratamiento superficial sobre la capa n sonlos que contribuyen a definir el color caracterstico de las celdas solares.

Figura 7. Generacin elctrica en una celda fotovoltaica.

La celda solar presenta ciertas caractersticas elctricas que son de gran importanciaconocer. El voltaje a circuito abierto, la corriente a corto circuito y la potencia mximagenerada, la que permite evaluar la eficiencia de conversin de luz a electricidad. Estos seespecifican de la manera siguiente:

Corriente a corto circuito, (Icc) (Isc smbolo comnmente usado por sus siglas en ingls):Es la mxima corriente generada por la celda solar y se mide cuando se conecta un circuitoexterior a la celda con resistencia nula. Su valor depende del rea superficial y de laradiacin luminosa. Normalmente se especifica en unidades de densidad de corriente:corriente entre rea (Amp/cm2).


El valor tpico para la densidad de corriente a corto circuito en celdas solares de siliciocristalino comerciales bajo condiciones estndares de medicin (irradiancia de 1000W/m2 a una temperatura de celda de 25C) es del orden de 40 mA/cm2; es decir, unacelda solar de 100 cm2 de rea producir una Isc del orden de 4.0 A.

Voltaje a circuito abierto (Vca), (Voc por sus siglas en ingls): Es el voltaje mximo quegenera la celda solar. Este voltaje se mide cuando no existe un circuito externo conectado ala celda.Bajo condiciones estndares de medicin, el valor tpico del voltaje a circuito abierto que seha obtenido en una celda solar de silicio cristalino es del orden de 0.600 V.

Mxima potencia generada (Pm): Su valor queda especificado por una pareja de valoresIm y Vm cuyo producto es mximo. La eficiencia de conversin de la celda, , se definecomo el cociente entre el valor de la mxima potencia generada, Pm, y la potencia de laradiacin luminosa o irradiancia, PI. Para una celda solar de silicio cristalino comercial conuna eficiencia del 17%, la potencia mxima generada en 100 cm2 de captacin cuandosobre la celda incide 1000 W/m2 es de 1.7 W (Vm= 0.485 V; Im=3.52 A).

Mdulo fotovoltaico

El bajo voltaje producido por la celda solar no es suficiente para todas las aplicaciones endonde se pueda usar. Para que se pueda generar una potencia til, las celdas se agrupan enlo que se denomina el mdulo solar o fotovoltaico. Este conjunto de celdas deben estarconvenientemente conectadas, de tal forma que renan las condiciones ptimas para suintegracin en sistemas de generacin de energa, siendo compatibles con las necesidades ylos equipos estndares existentes en el mercado. Las celdas se pueden conectar en serie oen paralelo.

Comercialmente, las celdas solares se conectan en serie, se agrupan, se enlaminan y seempaquetan entre hojas de plstico y vidrio, formando la unidad del mdulo solar. Elmdulo tiene un marco (usualmente de aluminio) que le da rigidez y facilidad en el manejoy transportacin. Adems, en ste se encuentran las cajas de conexiones elctricas paraconectar el cableado exterior. El nmero de celdas que contienen los mdulos depende dela aplicacin para la que se necesite. Es costumbre configurar el nmero de celdasconectadas en serie para tener mdulos que sirvan para cargar acumuladores (o bateras) de12 Volts. Se pueden encontrar mdulos de 30, 33 y 36 celdas conectadas en seriedisponibles comercialmente. Estos mdulos proporcionan un voltaje de salida que sirvepara cargar bateras a 12 Volts ms un voltaje extra que sirve para compensar las cadas detensin en los circuitos elctricos as como en los sistemas de control y manejo de energa.

El comportamiento elctrico de los mdulos est dado por las curvas de corriente contravoltaje (curva I vs V) o potencia contra voltaje (curva P vs. V) que los caracteriza. Lacurva de potencia se genera multiplicando la corriente y el voltaje en cada punto de la curvaI vs. V. La Figura 8 muestran curvas I vs. V y P vs. V para un mdulo fotovoltaico tpico.


Bajo condiciones estndares de prueba cada modelo de mdulo tiene una curva I vs. Vcaracterstica (o P vs. V).

Figura 8. Curva I vs V y P vs V para un mdulo fotovoltaico tpico a 1,000 W/m2 y 25oC

En la curva de potencia contra voltaje, existe un valor de voltaje, el Vp para el cual lapotencia es mxima. La potencia mxima del mdulo se le simboliza por Pp y representala capacidad nominal de generacin o potencia pico del mdulo, y con su valor se evala laeficiencia de conversin del mdulo.

La potencia pico queda definida por una pareja de valores de corriente y voltaje, Ip yVp, los que definen una resistencia de carga RL. Cuando una carga elctrica con resistenciaRL se conecta al mdulo, la transferencia de energa del mdulo a la carga es mxima, y sedice que Ip y Vp corresponden a la corriente y voltaje de operacin de la carga elctrica.Sin embargo, en aplicaciones reales no siempre sucede que la resistencia de la cargaelctrica es RL. En este caso se tienen un desacoplamiento en la curva de potencia y latransferencia no es mxima, el mdulo opera lejos del punto de mxima potencia y lapotencia entregada se reduce significativamente; en consecuencia se tendrn prdidas deenerga.

Otros parmetros de importancia son: la corriente de corto circuito,( Icc): (Isc en lafigura), que es la corriente mxima generada por el mdulo para cero potencia; y el voltajede circuito abierto (Vca), mximo voltaje producido por el mdulo.

La potencia mxima o tamao de los mdulos comerciales vara entre 25 y 300 Watts.El voltaje Vp de la mayora de los mdulos flucta entre los 15 Volts (30 celdas en serie) y17.5 Volts (36 celdas en serie). Cada mdulo tiene en su parte posterior una placa delfabricante con el modelo y las especificaciones elctricas. Por ejemplo, la placa en la parte


posterior del mdulo VLX-53, cuyas caractersticas se mencionan en la Figura 8 se muestraen la Tabla 2.

Tabla 2. Placa del fabricante de un mdulo Solarex VLX-53Modelo 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, 25o C

El funcionamiento del mdulo fotovoltaico se ve afectado por la intensidad de la radiaciny de la temperatura. La Figura 9 muestra el comportamiento de la corriente producida enfuncin del voltaje para diferentes intensidades de la radiacin solar. Se presenta unaumento proporcional de la corriente producida con el aumento de la intensidad. Tambinse debe observar que el voltaje a circuito abierto Vca, no cambia lo cual demuestra uncomportamiento casi constante a los cambios de iluminacin.


Figura 9. Dependencia de la corriente producida en funcin del voltaje para diferentesintensidades de radiacin (temperatura constante de 25oC)

En la Figura 10 se muestra el efecto que produce la temperatura sobre la produccin depotencia en el mdulo. Esta vez, el efecto se manifiesta en el voltaje del mdulo. Lapotencia nominal se reduce aproximadamente 0.5% por cada grado centgrado por encimade 25oC; es decir, un mdulo de 50 W pico bajo condiciones estndares de medicinperder 12.5% de su potencia nominal cuando este operando a 50C.


Figura 10. Dependencia de la corriente producida en funcin del voltaje para diferentestemperaturas de operacin (irradiancia constante 1,000W/m2)

El mdulo FV es el componente ms confiable del sistema. Es la calidad de la instalacin,especialmente las interconexiones entre los mdulos, lo que determina la confiabilidad delarreglo FV en su conjunto

Arreglos fotovoltaicos

Un arreglo FV es un conjunto de mdulos conectados elctricamente en serie y/o paralelo.Las caractersticas elctricas del arreglo son anlogas a la de mdulos individuales, con lapotencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al nmero de mdulos conectados enserie y en paralelo.

Incrementando el voltaje: Los mdulos solares se conectan en serie para obtener voltajesde salida mas grandes. El voltaje de salida, Vs, de mdulos conectados en serie esta dadopor la suma de los voltajes generados por cada mdulo.

Vs = V1 + V2 +V3 +.

Una forma fcil de entender el concepto de sistemas conectados en serie, es mediante laanaloga presentada en la Figura 11 entre un sistema hidrulico y un elctrico. Como se


puede observar en el sistema hidrulico (izquierda) el agua que cae desde cuatro veces laaltura de 12 metros produce una cada de agua con cuatro veces la presin a la misma tasade flujo, 2 L/s. La cual se puede comparar con los 48 voltios que el sistema elctrico(derecha) alcanza al pasar una corriente de 2 amperios por cuatro mdulos conectados enserie. La corriente se compara con el flujo ya que ambas permanecen constantes en elcircuito, y el voltaje es anlogo al papel de la presin en el sistema hidrulico.

Figura 11. Analoga de una conexin en serie entre un sistema elctrico y un hidrulico

Incrementando la corriente: Los mdulos solares o paneles se conectan en paralelo paraobtener corrientes generadas mas grandes. El voltaje del conjunto es el mismo que el de unmdulo (o un panel); pero la corriente de salida, Is, es la suma de cada unidad conectada enparalelo.

Is = I1 + I2 + I3 +

De manera similar al sistema conectado en serie, los sistemas conectados en paralelotambin pueden ser comparados en un sistema hidrulico, tal y como se muestra en laFigura 12. En el sistema hidrulico (arriba) el agua que cae de la misma altura, da la mismapresin que cada bomba individual, pero el flujo es igual al total de los flujos de toda lasbombas. Entonces en el sistema elctrico, el voltaje permanece constante y la corriente desalida de los cuatro mdulos es sumada, produciendo 8 amperes de corriente a 12 voltios.


Figura 12. Analoga de una conexin en paralelo entre un sistema elctrico y un hidrulico

Para evitar el flujo de corriente en la direccin opuesta se utilizan diodos de bloqueo. Ylos diodos de paso, proporcionan un camino de alivio para evitar que circule corriente porun panel o un mdulo sombreado (sombra de nubes o de objetos). Un mdulo sombreadono genera energa, por lo cual, los dems mdulos lo vern como un punto de resistencia.En consecuencia, fluir corriente hacia l convirtindose en un punto caliente del arreglo.Aumentar su temperatura y se degradar aceleradamente.

En la Figura 13 se muestra un ejemplo de mdulos conectados en serie y en paralelo. Enella tambin se muestra la posicin de los diodos de paso y el diodo de bloqueo. Esteltimo debe ser calculado tomando en consideracin la mxima corriente que generar elarreglo fotovoltaico en condiciones de corto circuito. La norma internacional dice que elvalor de la corriente que soporta el diodo debe ser por lo menos 1.56 veces el valor de lacorriente circuito del arreglo de corto.


Figura 13. La conexin de mdulos fotovoltaicos

Finalmente, la potencia nominal del arreglo es la suma de la potencia nominal de cadamdulo.

Ejemplo 1:16 mdulos FV como el de la Tabla 2 han sido interconectados paraaccionar un equipo de bombeo de agua. El arreglo consta de 8 mdulos enserie y 2 hileras de stas en paralelo. La curva I vs V y P vs V que describeel comportamiento del arreglo tendr la misma forma que las curvas de laFigura 8, pero con los siguientes parmetros: Ip = 3.08 2 = 6.16 A, Vp =17.2 8 = 137.6 V, Pp = 53 16 = 848 W-p; corriente mxima del arregloIcc= 3.5x2= 7.0 A; voltaje mximo del arreglo Vca= 21.5x8= 172 V. Estosvalores corresponden a las caractersticas elctricas bajo condicionesestndares de medicin: AM1.5, Irradiancia= 1.0 kW/m2; y la temperaturade operacin de cada mdulo T= 25C .

Inclinacin del arreglo fotovoltaico

La mxima energa se obtiene cuando los rayos solares llegan perpendiculares a lasuperficie del captador. En el caso de arreglos fotovoltaicos la perpendicularidad entre lassuperficies de los mdulos y los rayos solares solo se puede conseguir si las estructuras demontaje del arreglo se mueven siguiendo al Sol.


Existen estructuras de soporte del arreglo que ajustan automticamente el azimut y/o laelevacin. Estas estructuras de montaje se llaman seguidores. Generalmente el ngulo deelevacin del arreglo es fijo. En algunos casos se usan seguidores azimutales.Dependiendo de la latitud del lugar, los seguidores azimutales pueden incrementar lainsolacin promedio anual hasta en un 25%.

En el caso de que no se tenga un seguidor solar, el arreglo se monta en una estructurafija como se muestra en la Figura 14. Este montaje tiene la ventaja de ser muy sencillo.Debido a que el ngulo de elevacin del Sol cambia durante el ao, se debe tener un criteriode seleccin del ngulo ptimo del arreglo que garantice la mxima produccin de energaelctrica. En el hemisferio Norte el Sol se declina hacia el Sur, por lo cual se requiere quelos arreglos fijos se coloquen inclinados (respecto de la horizontal) viendo hacia el Sur.

N

E

S

O

Elevacin = LatitudColector Solar

Figura 14. Orientacin de una estructura fija para maximizar la captacin de radiacin solara lo largo del ao

Regla de Mano:

La inclinacin del arreglo se selecciona para satisfacer la demanda de agua durantetodo el ao.

Si se desea bombear la mxima cantidad de agua al ao, la inclinacin del arreglodeber de ser igual al valor de la latitud del lugar.

Se ha visto que la energa que entrega un mdulo o arreglo fotovoltaico depende de lairradiancia y la temperatura. Es posible estimar la energa elctrica (en kWh/da) que seespera de un arreglo de cierta potencia nominal utilizando las siguientes aproximaciones:

1. Los mdulos fotovoltaicos instalados en una estructura anclada al suelo trabajanaproximadamente a 55C durante el da, 30C por encima de las condicionesestndares de prueba (25C). Esto significa que la capacidad real del arreglo es


aproximadamente 15% menor que su potencia nominal. Es decir, su capacidad reales 85% de la capacidad nominal.

2. La energa elctrica (kWh) esperada es el producto de la capacidad real del arreglo(en kW) por la insolacin (en horas solares pico) al ngulo de elevacin del arreglo.La energa fotovoltaica generada vara con la poca del ao, de acuerdo a loscambios en los niveles de insolacin.

3. Si se usa un seguidor azimutal, la energa disponible se aumenta hasta en un 25%.

Ejemplo 2:El arreglo del Ejemplo 1 fue instalado en la granja familiar ElJeromn, cerca de Aldama, Chihuahua, Mxico. El arreglo tiene unazimut en la direccin del sur verdadero y una inclinacin fija igual ala latitud (30N). No se usa seguidor azimutal. La capacidad realdel arreglo trabajando a una temperatura de celda de 55C es de 0.85 0.848 kW = 0.72 kW. De acuerdo a las tablas del Apndice, lainsolacin esperada es de 6.1 kWh/m2 por da en el primer trimestredel ao, y 6.6 kWh/m2 por da en el tercer trimestre del ao. Laenerga que se puede esperar del arreglo es, aproximadamente,6.1 0.72 = 4.4 kWh por da en el primer trimestre, y 6.6 0.72 =4.8 kWh por da en el tercer trimestre.Si el mismo arreglo se instala con una inclinacin 15 (latitud menos15), la insolacin estimada para este ngulo es de 5.7 kWh/m2 porda en el primer trimestre, y 6.9 kWh/m2 en el tercer trimestre. Eneste caso, la energa elctrica esperada es de 4.1 kWh y 5.0 kWh porda en el primer y tercer trimestre, respectivamente.


Figura 15. Sistema de bombeo de agua energizado con 16 mdulos solares.


Hidrulica del sistema de bombeo

Antes de determinar el tamao de un sistema de bombeo de agua, es necesario entender losconceptos bsicos que describen las condiciones hidrulicas de una obra. El tamao delsistema est en relacin directa con el producto de la Carga Dinmica Total (CDT) y elvolumen de agua diario necesario. Este producto se conoce como ciclo hidrulico. La carga dinmica total es la suma de la carga esttica (CE) y la carga dinmica (CD):

CDT = CE + CD = [Nivel esttico + altura de la descarga] + [abatimiento + friccin]

Carga esttica

La primera parte, la carga esttica, puede obtenerse con mediciones directas. Se trata de ladistancia vertical que el agua se desplaza desde el nivel del espejo del agua antes delabatimiento del pozo hasta la altura en que se descarga el agua. La carga esttica esentonces la suma del nivel esttico y la altura de la descarga. La Figura 16 muestra estoscomponentes hidrulicos que conforman la carga esttica.


Figura 16. Principales componentes hidrulicos de un sistema de bombeo de agua

Carga dinmica (Friccin)Todos los pozos experimentan el fenmeno de abatimiento cuando se bombea agua. Es ladistancia que baja el nivel del agua debido a la constante extraccin .La carga dinmica, es el incremento en la presin causado por la resistencia al flujo al aguadebido a la rugosidad de las tuberas y componentes como codos y vlvulas. Estarugosidad depende del material usado en la fabricacin de las tuberas. Los tubos de aceroproducen una friccin diferente a la de los

Carga dinmica (Friccin)La carga dinmica, es el incremento en la presin causado por la resistencia al flujo al aguadebido a la rugosidad de las tuberas y componentes como codos y vlvulas. Estarugosidad depende del material usado en la fabricacin de las tuberas. Los tubos de aceroproducen una friccin diferente a la de los tubos de plstico PVC de similar tamao.Adems, el dimetro de los tubos influye en la friccin. Mientras ms estrechos, mayorresistencia producida.


Para calcular la carga dinmica, es necesario encontrar la distancia que recorre el aguadesde el punto en que el agua entra a la bomba hasta el punto de descarga, incluyendo lasdistancias horizontales, as como el material de la lnea de conduccin y su dimetro. Conesta informacin se puede estimar la carga dinmica de varias maneras.

Valor por omisinLa carga dinmica es aproximadamente el 2% de la distancia de recorrido del agua o loque es equivalente a la longitud total L de la tubera. Por lo general el resultado es unaestimacin conservadora si se asume que los sistemas de bombeo solar tpicos tienen flujosde menos de 1 L/s y las bombas recomendadas se conectan a tuberas de dimetro amplio.

Tablas de friccinExisten tablas publicadas por fabricantes que indican el porcentaje de perdidas por friccinque debe considerarse en base al caudal, dimetro y material de las tuberas. Esta guaincluye en el Apndice unas tablas de friccin para tuberas de plstico PVC y acerogalvanizado.

Frmula de ManningEste es un mtodo matemtico que se puede realizar fcilmente con una calculadora debolsillo. La frmula de Manning se expresa as:

Hf = L Q2

Donde:Hf es el incremento en la presin causada por la friccin y expresada en distancialineal (m). es una constante emprica con unidades de (m3/s)-2

L es la distancia total recorrida por el agua por las tuberas. Su unidad es metros(m).Q es el flujo expresado en metros cbicos por segundo (m3/s).

La constante se obtuvo despus de experimentar con varios materiales y tamaos detuberas de ah que se denomine emprica. La Tabla 3 proporciona estos valores de en(m3/s)-2 para tuberas de plstico PVC y acero galvanizado.

Tabla 3. Valores de la constante usado en la frmula de Manning

Dimetro 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


Ejemplo 3

El sistema instalado en la granja El Jeromn se dise con los siguientesdatos:

Nivel esttico del agua: 25 m

Abatimiento: 4 m

Altura de la descarga: 9.20 m

Distancia al depsito: 3 m

Requerimiento diario: 12,500 l/da

La bomba seleccionada se conect a una tubera de 1.5 de dimetro. Seseleccion material PVC por ser econmico y durable. Se desea encontrar laCDT, que es la suma de la CE ms la CD.

La carga esttica se calcula con la adicin de las distancias

CE = Nivel esttico + Abatimiento + Altura de la descargaCE = 25 m + 4 m + 9.20 m = 38.20 m

La CD se puede obtener de tres formas:

1.- Por omisin:2% de L es: CD = 0.02 L = 0.02 (25 m + 4 m + 9.20 m + 3 m)= 0.02 41.20 m = 0.82 m

entonces,

CDT = CE + CD = 38.20 m + 0.82 m = 39.02 m

2.- Usando las tablas de friccin:El Jeromn se encuentra en Chihuahua y para este ejemplo se consider queel recurso solar es de aproximadamente 6.4 horas solares en el mes crtico.Es decir, se considerar que el sistema trabajar 6.4 horas diarias. En 6.4horas hay 23,040 segundos. El requerimiento diario es de 12,500 litros porda. Este dato nos permite encontrar el caudal Q.

Q = 12,500 l / 23,040 s = 0.543 l/s.


Localice las tablas de friccin en al Apndice. Se selecciona la tabla detubera PVC y se localiza la hilera con el flujo ms aproximado a0.543 l/s.En este caso se encuentra que la hilera con 0.55 l/s y la columna de 1.5pulgadas corresponden al valor de 0.78%. Por tanto:

CD = Friccin = 0.0065 L = 0.0078 41.20 m = 0.32 m

por lo tanto,

CDT = CE + CD = 38.20 m + 0.32 m = 38.52 m


Usando la frmula de Manning:El volumen 12,500 litros es equivalente a 12.5 m3.y por tantoQ = 5.43 10-4 m3/s

As,CD = Hf = L Q2 = 31,282 (m3/s)-2 41.20 m (5.43 10-4

m3/s)2 = 0.35 m

La Carga Dinmica Total es entonces

CDT = CE + CD = 38.20 m + 0.35 m = 38.55 m


Bombeo fotovoltaico

Actualmente hay miles de sistemas de bombeo FV en operacin en granjas y ranchosalrededor del mundo. Los sistemas fotovoltaicos pueden satisfacer un amplio rango denecesidades que van desde pequeos hatos (menos de 20 cabezas de ganado) hastarequerimientos moderados de irrigacin. Los sistemas de bombeo solar son sencillos,confiables y requieren de poco mantenimiento. Tampoco se requiere combustible. Estasventajas deben considerarse cuidadosamente cuando se comparen los costos iniciales de unsistema convencional con un sistema de bombeo solar.

Un sistema de bombeo FV es similar a los sistemas convencionales excepto por la fuentede potencia. Un sistema FV tpico se muestra en la Figura 17. Los componentesprincipales que lo constituyen son: un arreglo de mdulos FV, un controlador, un motor yuna bomba. El arreglo se puede montar en un seguidor pasivo para incrementar el volumeny el tiempo de bombeo. Se emplean motores de corriente alterna (CA) y de corrientecontinua (CC). Las bombas pueden ser centrfugas o volumtricas. Generalmente el aguase almacena en un tanque. En esta seccin Bombeo fotovoltaico se explica brevementecada uno de estos componentes excepto el arreglo FV, el cual se explica en la seccin deEnerga foltovoltaica.

Figura 17. Esquema de una instalacin tpica de un sistema FV de bombeo de agua


Almacenamiento de energa

Debido a que Los sistemas FV sin almacenamiento no proveen agua cuando el sol no brilla.es recomendable contar con un tanque de almacenamiento. Se recomienda almacenar elagua para tres das de abasto.

Almacenar agua en tanques es mucho ms econmico que almacenar energa en bateras.Despus de cinco aos o menos, las bateras necesitan reemplazarse, mientras que la vidatil de un tanque de almacenamiento bien construdo es de varias dcadas. Elalmacenamiento por bateras normalmente se justifica slo cuando el rendimiento mximodel pozo durante las horas de sol es insuficiente para satisfacer las necesidades diarias deagua y cuando se requiere bombear agua durante la noche. A largo plazo, podra ser mseconmico perforar otro pozo que aadir almacenamiento por bateras. La introduccin debateras en un sistema de bombeo FV podra reducir su confiabilidad e incrementar susrequerimientos de mantenimiento. En general no se recomienda utilizar bateras ensistemas de bombeo fotovoltaico.

Equipo de bombeo compatible con sistemas fotovoltaicos

Las bombas comunes disponibles en el mercado han sido desarrolladas pensando en quehay una fuente de potencia constante. Por otro lado, la potencia que producen los mdulosFV es directamente proporcional a la disponibilidad de la radiacin solar. Es decir, amedida que el sol cambia su posicin durante el da, la potencia generada por los mdulosvara y en consecuencia la potencia entregada a la bomba. Por esta razn se han diseadoalgunas bombas especiales para la electricidad fotovoltaica las cuales se dividen, desde elpunto de vista mecnico, en centrfugas y volumtricas.

Bombas centrfugas

Tienen un impulsor que por medio de la fuerza centrfuga de su alta velocidad arrastranagua por su eje y la expulsan radialmente. Estas bombas pueden ser sumergibles o desuperficie y son capaces de bombear el agua a 60 metros de carga dinamica total, o ms,dependiendo del nmero y tipo de impulsores. Estn optimizadas para un rango estrechode cargas dinmicas totales y la salida de agua se incrementa con su velocidad rotacional.

Las bombas de succin superficial (Figuras 18 y 19) se instalan a nivel del suelo y tienenla ventaja de que se les puede inspeccionar y dar servicio fcilmente. Tienen la limitante deque no trabajan adecuadamente si la profundidad de succin excede los 8 metros.


Figura 18. Bomba centrfuga superficial (SolarRam)

Figura 19. Esquema de una bomba centrfuga superficial

Hay una gran variedad de bombas centrifugas sumergibles. Algunas de estas bombastienen el motor acoplado directamente a los impulsores y se sumergen completamente(Figuras 20, 21, y 22). Otras, tienen el motor en la superficie mientras que los impulsoresse encuentran completamente sumergidos y unidos por una flecha. Generalmente lasbombas centrfugas sumergibles tienen varios impulsores y por ello, se les conoce comobombas de paso mltiple o de etapas.


Figura 20. Esquema de una bomba centrfuga sumergible

Todas las bombas sumergibles estn selladas y tiene el aceite de lubricacin contenidopara evitar contaminacin del agua. Otras bombas utilizan el agua misma como lubricante.Estas bombas no deben operarse en seco porque sufren sobrecalentamiento y se queman.

Figura 21. Vista interna de una bomba sumergible (Grundfos)


Figura 22. Bombas centrfugas sumergibles (SolarJack)

Bombas volumtricas

Las bombas volumtricas (Figura 23) o de desplazamiento positivo son adecuadas para elbombeo de bajos caudales y/o donde la profundidad es grande. Algunas de estas bombasusan un cilindro y un pistn para mover paquetes de agua a travs de una cmara sellada.Otras utilizan un pistn con diafragmas. Cada ciclo mueve una pequea cantidad delquido hacia arriba. El caudal es proporcional al volumen de agua. Esto se traduce a unfuncionamiento eficiente en un amplio intervalo de cargas dinmicas. Cuando la radiacinsolar aumenta tambin aumenta la velocidad del motor y por lo tanto el flujo de aguabombeada es mayor.


Figura 23. Esquema de una bomba volumtrica de cilindro

Bombas de cilindro: Las bombas de cilindro han sido muy populares en aplicaciones debombeo mecnico activadas por el viento, traccin animal o humana. Su principio consisteen que cada vez que el pistn baja, el agua del pozo entra a su cavidad y cuando ste sube,empuja el agua a la superficie. La energa elctrica requerida para hacerla funcionar seaplica slo durante una parte del ciclo de bombeo. Las bombas de esta categora debenestar siempre conectadas a un controlador de corriente para aprovechar al mximo lapotencia del el arreglo fotovoltaico.

Bombas de diafragma: Estas bombas (Figuras 24 y 25) desplazan el agua por medio dediafragmas de un material flexible y resistente. Comnmente los diafragmas se fabrican decaucho reforzado con materiales sintticos. En la actualidad, estos materiales son muyresistentes y pueden durar de dos a tres aos de funcionamiento continuo antes de requerirreemplazo, dependiendo de la calidad del agua. Los fabricantes de estas bombas proveenun juego de diafragmas para reemplazo que pueden adquirirse a un precio razonable.Existen modelos sumergibles y de superficie.


Figura 24. Esquema de una bomba de diafragma sumergible

Figura 25. Bombas de diafragma superficiales(Shurflo)

Las bombas de diafragma son econmicas. Cuando se instala una bomba de este tipo siempre se debeconsiderar el gasto que representa el reemplazo de los diafragmas una vez cada dos o tres aos. Ms an,muchas de estas bombas tienen un motor de corriente continua con escobillas. Las escobillas tambin debencambiarse peridicamente. Los juegos de reemplazo incluyen los diafragmas, escobillas, empaques y sellos.La vida til de este tipo de bomba es aproximadamente 5 aos del uso.

Diafragmas


Seleccin de la bombaComo se ha visto, las bombas centrfugas y volumtricas ofrecen diferentes alternativaspara diferentes rangos de aplicacin. El proceso de seleccin de la bomba para un proyectoes de suma importancia. Todas las bombas tienen que usar la energa eficientemente ya queen un sistema FV, la energa cuesta dinero. En general, el proyectista debe tener una ideaclara de qu tipo de bomba es la ms adecuada para su proyecto. Este proceso de seleccinde la bomba se complica debido a la multitud de marcas y caractersticas de cada bomba.Un slo fabricante puede ofrecer ms de 20 modelos de bombas y cada una tiene un rangoptimo de operacin.

Las bombas ms eficientes son las de desplazamiento positivo de pistn, pero no sonrecomendables para gastos medianos y grandes a baja carga dinmica total. Por ejemplo,una bomba de palanca puede llegar a tener una eficiencia de ms del 40%, mientras que unabomba centrfuga puede tener una eficiencia tan baja como 15%. La Figura 26 indica eltipo de bomba adecuada que se recomienda en general segn la carga dinmica total delsistema de bombeo. La Tabla 4 presenta las ventajas y desventajas de las diferentesbombas utilizadas en el bombeo FV.

200

100

50

20

10

5

2

20010050201052 400

DesplazamientoPositivo de pistn

Centrfuga sumergiblede multipaso

Centrfugas de succinsuperficial y flotantes

Diafragma

Manual

0

Volumen bombeado (m /da)3

Car

ga

din

mic

a to

tal d

el s

iste

ma

(m)

Figura 26. Intervalos comunes donde se aplica los diferentes tipos de bombas solares


Tabla 4. Principales caractersticas de las bombas fotovoltaicasBombas

FotovoltaicasCaractersticas y Ventajas Desventajas

Centrfugassumergibles

Comnmente disponibles.Pueden tolerar pequeas cantidades de arena.Pueden utilizan el agua como lubricante.Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA.Manejan flujos altos.Operan a cargas dinmicas grandes.Tienen un diseo modular que permite obtener ms agua alagregar ms mdulos fotovoltaicos.

Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a laCDT.Se daan si trabajan en seco.Deben extraerse para darles mantenimiento.Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentescorrosivas.

Centrfugas desuccinsuperficial

Comnmente disponibles.Pueden tolerar pequeas cantidades de arena.Son de fcil operacin y mantenimiento por ser superficiales.Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA.Manejan flujos altos.Manejan cargas dinmicas altas, aunque no son capaces desuccionar ms de 8 metros.

Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a laCDT.Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentescorrosivas.Pueden daarse por el congelamiento en climas fros.

Desplaza-miento positivode pistn

Soportan cargas dinmicas muy grandes.La produccin puede variarse ajustando la carrera del pistn.

Requieren de reemplazo regular de sellos del pistn.No toleran arenas o sedimentos.La eficiencia se reduce a medida que el pistn pierde lacapacidad de sellar el cilindro.Debe extraerse el pistn y el cilindro del pozo para repararlos sellos .No dan grandes flujos.

DiafragmaOperan a cargas menores de 40 metros.Son muy econmicas.

No toleran arenas o sedimentos.No trabajan a cargas dinmicas grandesBajos flujos.

Tipos de motores

La seleccin de un motor depende de la eficiencia, disponibilidad, confiabilidad,acoplamiento a bombas y costos. Comnmente se usan dos tipos de motores enaplicaciones FV: De CC (de imn permanente y de bobina) y de corriente alterna CA.Debido a que los arreglos FV proporcionan potencia en CC, los motores de CC puedenconectarse directamente, mientras que los motores de CA deben incorporar un inversor CC-CA. Los requerimientos de potencia en Watts pueden usarse como una gua general para laseleccin del motor. Los motores de CC de imn permanente, aunque requieren reemplazoperidico de las escobillas, son sencillos y eficientes para cargas pequeas. Los motores deCC de campos bobinados (sin escobillas) se utilizan en aplicaciones de mayor capacidad yrequieren de poco mantenimiento. Aunque son motores sin escobillas, el mecanismoelectrnico que sustituye a las escobillas puede significar un gasto adicional y un riesgo dedescompostura.

Los motores de CA son ms adecuados para cargas grandes en el rango de diez o mscaballos de fuerza. . Los sistemas de CA son ligeramente menos eficientes que lossistemas CC debido a las prdidas de conversin. Los motores de CA pueden funcionarpor muchos aos con menos mantenimiento que los motores CC.

Controladores

Los controles electrnicos pueden mejorar el rendimiento de un sistema de bombeo solar,bien diseado, del 10 al 15%. Los controles se usan con frecuencia en reas con niveles de


agua y/o condiciones atmosfricas fluctuantes. Los controles electrnicos consumen del 4al 7% de la energia generada por el arreglo. Es comn que las bombas FV se vendan juntocon el controlador adecuado para operarlas eficientemente. Generalmente se usancontroladores de potencia mxima (los cuales operan el arreglo cerca de su punto depotencia pico).

Figura 27. Controlador tpico de un sistema fotovoltaico de bombeo (San Lorencito,Chihuahua)


Dimensionamiento

Antes de iniciar el dimensionamiento de un sistema de bombeo activado con energa solar, esnecesario contar con informacin bsica que puede obtenerse directamente en el lugar de la obra.Se necesita conocer la demanda diaria de agua en el mes ms crtico del ao, llamado "mes dediseo," y las caractersticas fsicas del pozo o la noria. La Figura 28 muestra estascaractersticas fsicas.

Nivel esttico

Abatimiento

Altura dela descarga

Friccin

Figura 28. Caractersticas fsicas de un pozo

Con los datos a la mano, las siguientes tres hojas de clculo ayudarn a determinar el tamao yconfiguracin del arreglo fotovoltaico. Aunque este procedimiento puede ser diferente al


empleado por un profesional, servir para asegurarse que una oferta tcnica presentada por unvendedor sea factible.

Las siguientes tres hojas de clculo contienen casillas que deben llenarse en el orden en que sepresentan y tienen el siguiente formato:

37

17

Voltajenominal

del sistema (V)

X 120

Nmero de casilla

Informacin se obtienede esta casilla

Operacin aritmticaa realizar

Descripcin del valorpor encontrar con susunidades

Valor calculado oprocedente de laotra casilla

Como ejemplo ilustrativo, se presenta el caso de "El Jeromn" al final de este captulo. Losformularios pueden encontrarse en el Volumen 2, Libro de Trabajo. Cierta informacin deberconsultarse de tablas o materiales proporcionados por fabricantes.

Instrucciones para llenar las hojas de clculo

Escriba el nombre y localizacin del proyecto en la seccin de NOTAS DEL PROYECTO. Asmismo anote la fecha y el nombre del proyectista.

1. Volumen de agua necesario (l/da): Anote el requerimiento de agua diario para satisfacer la necesidad delusuario. Escoja el mes del ao que requiera mayor el caudal de bombeo. Tabla 5 ayuda en la seleccin delmes. Anote la demanda diaria y divdala entre la insolacin en horas Solares pico para obtener el caudal.Los valores de insolacin podrn encontrarse en el Apndice. Utilize datos del lugar geogrfico mscercano al sitio del proyecto.

Tabla 5. Clculo del mes crtico

Mes Demanda Diaria(l/da)

Insolacin(h-pico/da)

Caudal(l/h)

enero 8,000 5.8 = 1,379

febrero 8,000 6.4 = 1,250

marzo 10,000 6.8 = 1,471

abril 10,000 6.9 = 1,449mayo 10,000 6.9 = 1,449

junio* 12,500 6.4 = 1,953

julio* 12,500 6.4 = 1,953agosto 12,500 6.5 = 1,923

septiembre 12,500 6.8 = 1,838

octubre 10,000 6.8 = 1,471noviembre 10,000 6.0 = 1,667

diciembre 8,000 5.2 = 1,538*mes critico


2. Ins

guia bombeo de agua con energia fotovoltaica vol. 1 libro de consulta

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