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HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO Escuela Universitaria Ingeniería Mecánica/ cffc-2010 3.1 Introducción En las zonas rurales desérticas, generalmente, las personas son de escasos recursos económicos y a la vez no tienen acceso al agua para el consumo humano. En África, Oceanía y América Latina 1 existen muchas zonas con población muy dispersa y con problemas de abastecimiento de agua tanto para el consumo humano como para el riego que permita cultivos de subsistencia. En las regiones del norte de Chile, en el siglo pasado, se desarrolló una potente industria del salitre, lo que llevo a desarrollar la agricultura necesaria en el desierto para satisfacer las demandas de la población asentada en los campamentos mineros. Esta actividad declinó completamente a partir de la crisis mundial de 1930 2 . Actualmente estas regiones son la principal zona minera del país gracias a la producción de cobre, ocupando gran cantidad de mano de obra que se concentra en poblados mineros y ciudades de 150000 a 250000 personas. La necesidad de alimentos agropecuarios para atender a esta población hace interesante motivar e iniciar nuevamente la actividad agrícola en zonas áridas del desierto de Chile 3 , como alternativa a transportar los productos desde la zona central o sur del país. El recurso hídrico, generalmente, no se encuentra en forma superficial (ríos, acequias, canales), sino que debe obtenerse de pozos con una profundidad entre 20 – 100 m y con la ayuda de sistemas de bombeo accionados por motores a combustión interna, sean estos diesel o a gasolina. Estos sistemas tienen una baja confiabilidad, el mantenimiento es intensivo, requieren traslado de combustible y, por tanto, conllevan elevados costos de operación. Los sistemas de bombeo fotovoltaico de pequeña potencia son una solución viable para estos problemas 4 . La tecnología de bombeo fotovoltaico ha experimentado últimamente progresos importantes en lo que se refiere a la calidad de los equipamientos, confiabilidad y eficiencia, en comparación con lo sistemas de bombeo con motores de combustión interna. Estos sistemas autónomos, tienen bajos costos de manutención y han presentado una solución ideal para las zonas rurales alejadas de la red eléctrica. Por otra parte, como ya hemos mencionado, la zona norte de Chile se caracteriza por poseer un elevado potencial de radiación solar, casi uniforme durante todo el año, que, relacionado con la escasez de agua, hace interesante el desarrollo e implementación del bombeo fotovoltaico para riego tecnificado 5 orientado al uso productivo y también para el consumo humano.

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Page 1: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO

Escuela Universitaria Ingeniería Mecánica/ cffc-2010 3.1 Introducción En las zonas rurales desérticas, generalmente, las personas son de escasos recursos

económicos y a la vez no tienen acceso al agua para el consumo humano. En África, Oceanía

y América Latina1 existen muchas zonas con población muy dispersa y con problemas de

abastecimiento de agua tanto para el consumo humano como para el riego que permita

cultivos de subsistencia. En las regiones del norte de Chile, en el siglo pasado, se desarrolló

una potente industria del salitre, lo que llevo a desarrollar la agricultura necesaria en el

desierto para satisfacer las demandas de la población asentada en los campamentos

mineros. Esta actividad declinó completamente a partir de la crisis mundial de 19302.

Actualmente estas regiones son la principal zona minera del país gracias a la producción de

cobre, ocupando gran cantidad de mano de obra que se concentra en poblados mineros y

ciudades de 150000 a 250000 personas. La necesidad de alimentos agropecuarios para

atender a esta población hace interesante motivar e iniciar nuevamente la actividad agrícola

en zonas áridas del desierto de Chile3, como alternativa a transportar los productos desde la

zona central o sur del país.

El recurso hídrico, generalmente, no se encuentra en forma superficial (ríos, acequias,

canales), sino que debe obtenerse de pozos con una profundidad entre 20 – 100 m y con la

ayuda de sistemas de bombeo accionados por motores a combustión interna, sean estos

diesel o a gasolina. Estos sistemas tienen una baja confiabilidad, el mantenimiento es

intensivo, requieren traslado de combustible y, por tanto, conllevan elevados costos de

operación.

Los sistemas de bombeo fotovoltaico de pequeña potencia son una solución viable para estos

problemas4. La tecnología de bombeo fotovoltaico ha experimentado últimamente progresos

importantes en lo que se refiere a la calidad de los equipamientos, confiabilidad y eficiencia,

en comparación con lo sistemas de bombeo con motores de combustión interna. Estos

sistemas autónomos, tienen bajos costos de manutención y han presentado una solución

ideal para las zonas rurales alejadas de la red eléctrica.

Por otra parte, como ya hemos mencionado, la zona norte de Chile se caracteriza por poseer

un elevado potencial de radiación solar, casi uniforme durante todo el año, que, relacionado

con la escasez de agua, hace interesante el desarrollo e implementación del bombeo

fotovoltaico para riego tecnificado5 orientado al uso productivo y también para el consumo

humano.

Page 2: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Dada la experiencia negativa obtenida por los campesinos que utilizan grupos electrógenos o

motobombas a combustión interna para la extracción de agua, la Universidad de Tarapacá

(UTA) y la cooperación técnica alemana (GTZ) realizaron instalaciones demostrativas de

extracción de aguas subterráneas utilizando sistemas de bombeo solar fotovoltaico para el

abastecimiento de agua potable y para aplicaciones agrícolas productivas en zonas áridas6.

Estos presentan una gran ventaja: el abastecimiento de agua puede ser asegurado utilizando

un depósito, colocado a una cierta altura superior a la de los puntos de consumo, donde se

almacena el agua bombeada y, con ello, se evita la necesidad de utilizar baterías para

almacenar energía eléctrica producida.

La principal barrera a la instalación de sistemas de bombeo fotovoltaicos a gran escala en

esta región es la alta inversión inicial, por lo que la optimización del diseño se convierte en

un aspecto clave para el desarrollo de esta tecnología. Para ello, se necesita una herramienta

de simulación que permita diseñar y evaluar que el sistema de bombeo fotovoltaico se

adapta bien a las características del pozo y del emplazamiento donde se desea ubicar.

Por otro lado, la evaluación de la correcta operación de sistemas de bombeo fotovoltaico ya

instalados requiere la comprobación del servicio que entrega. Esta evaluación se realiza en

términos de m4, es decir, volumen diario de agua (m3) elevado a una cierta altura (la del

depósito en m), y exige comparar el servicio entregado con el que debería entregar, para lo

que, de nuevo, es necesario contar con una herramienta de simulación que permita conocer

el servicio que debería entregar la bomba en las condiciones reales de operación.

En este capítulo presentamos la herramienta de simulación de sistemas de bombeo

fotovoltaico que se ha desarrollado en el marco de esta tesis doctoral, para la optimización

del diseño de este tipo de instalaciones y para la evaluación de la calidad del servicio de los

sistemas ya instalados.

3.2 Herramienta de simulación de sistemas de bombeo fotovoltaico Un sistema de bombeo fotovoltaico transporta fluidos gracias a que es capaz de transformar

la energía obtenida de la radiación solar en energía eléctrica y ésta en energía mecánica que,

mediante una bomba, finalmente termina en forma de energía hidráulica.

Una de las condiciones básicas para la instalación de un sistema de bombeo fotovoltaico en

una zona en particular es conocer la radiación incidente en dicho lugar. Esto trae como

consecuencia tanto la necesidad de predecir la radiación solar que incide sobre un panel

fotovoltaico, como también modelar el comportamiento real de los diferentes componentes

del sistema de bombeo fotovoltaico bajo esas condiciones. Se pretende, por tanto,

desarrollar una herramienta de simulación que tenga como función principal modelar el

sistema de bombeo fotovoltaico, entregando así al usuario datos finales del agua bombeada

por el sistema y que le permitirán evaluar la factibilidad de dicho sistema.

Page 3: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

La figura 3.1 describe los bloques de la herramienta de simulación de sistemas de bombeo

fotovoltaico. El primer bloque, el denominado “modelo matemático del generador”, tiene

como finalidad obtener la potencia DC entregada por el generador. Este bloque calcula a

partir de la irradiancia incidente en los paneles fotovoltaicos, la potencia DC (PDC) entregada

por los mismos. El segundo bloque, denominado “modelo del convertidor de frecuencia”,

considera las pérdidas de conversión de corriente DC a corriente AC para obtener la potencia

en los bornes de conexión con el motor eléctrico (PM). El tercer bloque, denominado “modelo

del motor eléctrico”, cuantifica las pérdidas de un motor eléctrico de inducción para obtener

la potencia mecánica en el eje de la bomba (PNe). El cuarto bloque, denominado “modelo

matemático de las bombas centrífugas de pozo profundo”, calcula la potencia útil hidráulica

(PNu).

Figura 3.1 Bloques de cálculo de la herramienta de simulación de sistemas de

bombeo fotovoltaico

La herramienta permite analizar la evolución temporal de los principales parámetros del

sistema de bombeo fotovoltaico, como son la potencia, el caudal, la eficiencia instantánea,

etc., en función de las distintas características de los emplazamientos.

Page 4: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

3.3.- Modelo del generador fotovoltaico

Por lo general se puede determinar la energía producida por un generador fotovoltaico con

la siguiente ecuación:

∫ ⋅⋅⋅=t

GGDC dtAIGE η)( (Ec. 3.1)

donde, G(I) es la irradiancia incidente, AG es la superficie del generador y ηG es la eficiencia

energética del generador fotovoltaico.

3.3.1.- La Eficiencia del generador fotovoltaico

La potencia que puede entregar un generador fotovoltaico, PG, depende principalmente de la

iluminación eficaz que recibe, Gef(I) y, en menor medida, de la temperatura a la que operan

sus células, TC. Por otro lado, la potencia nominal de un generador fotovoltaico, PG*, se

define como la correspondiente a las condiciones estándar de medida, definida comúnmente

como G*=1000 W/m2 y TC*=25 ºC, lo anterior permite escribir:

**

****

G

Gef

GGGGGGGefGG

GPPAGPyAGP

η

ηηη

⋅⋅=⇒⋅⋅=⋅⋅= (Ec. 3.2)

En la ecuación anterior, para mayor facilidad de cálculo se puede utilizar la relación lineal

entre ηG/ηG* y TC la que se describe a continuación.

)(1*

* CCT

G

G TT −−= γη

η (Ec. 3.3)

donde γT es un valor característico técnico de los módulos fotovoltaicos; para casos donde no

se tiene los valores experimentales de este coeficiente se utiliza los valores de la tabla 3.1

Tabla 3.1 Coeficiente de variación de la potencia con la temperatura para materiales fotovoltaicos más utilizados en aplicaciones terrestres

Material

Coeficiente de variación de potencia con la

Temperatura γγγγT (1/ºC)

Silicio Cristalino -0.0045

Silicio Amorfo -0.0020

CIS -0.0036

CdTe -0.0025

La ecuación 3.3 tiene como variables la temperatura TC. Este valor puede ser estimado a

partir de la información que esté disponible. La alternativa es estimarlos a partir de la

irradiancia y temperatura ambiente, Tamb, de acuerdo a la siguiente expresión:

eftambC GCTT ⋅+= (Ec. 3.4)

Page 5: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

donde CT es una constante y se puede obtener con la ecuación siguiente:

)/(800

20)(º2mW

CNOCTCT

−= (Ec. 3.5)

donde NOCT es un valor característico de los paneles fotovoltaicos. El valor NOCT de los

paneles fotovoltaicos que se comercializan en el mercado actual oscila entre 42 y 46 ºC, y

varía el valor de CT de 0.027 y 0.032 ºC/ (W/m2). Una buena aproximación de CT, cuando

no se conoce el valor exacto de NOCT es 0.03 ºC/ (W/m2).

Reemplazando las ecuaciones anteriores en la ecuación (3.1) obtenemos la ecuación de

energía producida por un generador fotovoltaico

[ ]∫ −+⋅−⋅⋅=t

CAefTTefG

DC dtTTGCGG

PE )(1 *

*

*

γ (Ec. 3.6)

3.3.2.- Cálculo de la irradiancia efectiva sobre el generador, Gef.

La información normalmente disponible es la base de datos climáticas de distintos lugares

del mundo, en las que se encuentran en su mayoría valores medios mensuales de irradiación

global diaria incidente en una superficie horizontal, Gdm(0), temperaturas máxima, TM y

Temperatura mínimas, Tm.

Algunas de las fuentes de Información disponibles que pueden ser consultadas son: CIEMAT,

PV-GIS, NASA, H-WORD, ATLAS, METEONORM entre otras.

Presentamos a continuación la forma de estimar la irradiancia efectiva sobre el generador a

partir de datos disponibles. Seguiremos aquí el procedimiento de Lorenzo E.7

Entonces, a partir de las medias mensuales de la irradiación global diaria sobre superficies

horizontales Gdm(0) es posible desarrollar un año típico, constituido por 12 días típicos

correspondientes a los 12 meses del año.

El procedimiento a utilizar en este trabajo es el propuesto por Liu y Jordan y consiste

primero en descomponer la irradiación global en directa y difusa, Bdm(0) y Ddm(0)

respectivamente, luego se estima la radiación inclinada a partir de la radiación sobre

superficie horizontal, considerando los efectos del ángulo de inclinación y del polvo.

Page 6: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Para determinar la irradiancia extraatmosférica es necesario conocer la distancia entre el Sol

y la Tierra, pero se debe tener presente que la tierra gira alrededor del sol describiendo una

órbita elíptica en la que el sol ocupa uno de los focos:

−⋅+⋅=

365

93(360017.010

ndsenrr (Ec. 3.7)

donde r es la distancia entre el sol y la tierra, dn es el número de días del año, tomando

como el día uno, el primer día de enero y r0 es la distancia promedio y se denomina unidad

astronómica (r0=1,496 x108 Km).

El factor de corrección de excentricidad, ε0, que corresponde a la relación entre distancia

promedio, r0, y la distancia entre el sol y la tierra, r, se determina como.

( )

⋅⋅+==

365

360cos033.01

2

00ndrrε (Ec. 3.8)

Otra variable importante es la declinación solar, que es el ángulo formado por el plano del

ecuador con la recta que pasa por los centros del sol y la tierra. Cambia a lo largo del año y

se debe tomar el convenio de signo[l2] considerando positivo los ángulos al norte del ecuador

y negativos los ángulos al sur del ecuador. La figura 3.2 muestra la declinación para el

mediodía de un día y una latitud, φ. Para determinar la declinación solar se puede ocupar la

siguiente ecuación.

+⋅⋅=

365

)284(36045.23 0 ndsenδ (Ec. 3.9)

donde ε0 es el factor de corrección de la excentricidad y δ es el ángulo de declinación solar

que puede ser considerado constante a lo largo de un mismo día.

Page 7: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

δ

δ

φ

δφ −

Figura 3.2 Posición relativa del Sol y de la Tierra al mediodía de un día con declinación

negativa. (Invierno en el hemisferio Norte y Verano en el hemisferio Sur)

La figura 3.3 ayuda a especificar la posición del sol por medio de dos ángulos referidos uno,

al plano horizontal y el otro a la vertical del lugar. θZS, denominado ángulo cenital es el

ángulo formado por el vector sol-tierra y la vertical del lugar;, ψS, denominado ángulo

azimutal, es el ángulo formado por el meridiano del sol y el meridiano del lugar, siendo

positivo por las mañanas y negativo por las tardes. γS, es el ángulo complementario del

cenital y se denomina elevación.

ZSθ

Figura 3.3 Posición del Sol relativa a un lugar de la Tierra

Page 8: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Las coordenadas angulares del sol en un determinado tiempo del día están dadas en las

siguientes ecuaciones referidas a una superficie horizontal.

SZS sensensen γωφδφδθ =⋅⋅+⋅= coscoscoscos (Ec 3.10)

[ ])(coscos

)(cos φ

φγ

δφγψ signo

sensensen

S

SS ⋅

−⋅= (Ec 3.11)

Si la superficie fuera ahora inclinada, como en las instalaciones reales de paneles

fotovoltaicos, tendríamos una relación de ángulos como la que muestra la figura 3.4, siendo

el ángulo β la inclinación de la superficie receptora con respecto a la horizontal, el ángulo α la

orientación azimutal de la superficie y el ángulo θS es el de incidencia de los rayos solares.

β

β

α

Figura 3.4 Ángulos de posición de una superficie inclinada

El ángulo de incidencia (θS) viene dado por la siguiente expresión.

[ ][ ]

βωαδ

ωαβφδφωβφδ

αβφδφβφδθ

sensensen

sensensigno

sensensignosensenS

⋅⋅⋅+

⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+

⋅⋅⋅⋅−⋅⋅=

cos

coscoscos)(coscoscoscos

coscos)(coscos

(Ec 3.12)

donde ω es el ángulo llamado tiempo solar verdadero y es nulo al medio día, negativo por la

mañana y positivo por la tarde, φ es la latitud del lugar y el signo(φ) tiene un valor uno (1)

en el hemisferio norte y menos uno (-1) en el hemisferio sur.

Haciendo θZS = 90º en la ecuación (3.4) se determina el ángulo de salida del sol (wS).

Considerando que al amanecer la elevación del sol es nula, se obtiene la siguiente ecuación

para el ángulo de salida del Sol.

Page 9: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

)tantancos( φδω ⋅−−= arS (Ec. 3.13)

La longitud del día es igual a Sω2 y además se debe considerar las siguiente condiciones de

fronteras en las regiones polares: en invierno no sale el sol entonces (tanδ . tanφ) >1 y la

ecuación del ángulo de salida del sol no tiene solución y se debe hacer que ωS = 0; en

verano en estas regiones no se pone el Sol, (tanδ . tanφ) <-1, y se debe hacer que ωS = -π..

La irradiancia extraatmosférica sobre una superficie incidente horizontal se determina con la

siguiente ecuación.

ZSBB θε cos)0( 000 ⋅⋅= (Ec. 3.14)

donde B0 es la constante solar8 y tiene un valor de 1376 W/m2 cuando la distancia Sol -

Tierra es de una unidad astronómica, ε0 es el factor de corrección de la excentricidad y θZS es

el ángulo formado por la dirección del sol y la vertical.

Integrando la ecuación 3.14 a lo largo de un día obtenemos la irradiación extraatmosférica

diaria sobre una superficie incidente horizontal9

⋅⋅+⋅⋅⋅−⋅⋅⋅= SSod sensensenBB ωφδφδω

πε

πcoscos

180

24)0( 00

(Ec. 3.15)

Donde ωS es la hora de salida del sol en grados, B0 es la constante solar, cuyo valor es de

1367 Wm-2 ó 4921 kJ m-2 h-1, ε0 es el factor de corrección de excentricidad, δ es el ángulo

de declinación Solar y φ es el ángulo de la latitud del lugar.

Siguiendo la propuesta de Liu y Jordan10, la relación entre la radiación global que llega a un

punto de la tierra y la radiación extraatmosférica es una medida de la transparencia de la

atmósfera, lo que permite calcular el índice de claridad según la siguiente expresión:

horizontalféricaextraatmosRadiación

horizontalglobalRadiación

B

GK

od

dTd ==

)0(

)0( (Ec. 3.16)

Para determinar la fracción difusa de la radiación horizontal se puede utilizar la correlación

de Page11:

TdDd KF ⋅−= 13.11 (Ec. 3.17)

Page 10: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

donde KTd es el índice de claridad diario. Esta ecuación es válida para valores diarios medios

mensuales. Para un análisis diario es recomendable utilizar la correlación propuesta por

Collares Pereira y Ralb12.

17.099.0 ≤= TdDd KparaF .

432

648.14856.21473.92272.2188.1 TdTdTdTdDd KKKKF ⋅+⋅−⋅+⋅−= (Ec. 3.18)

Vale la pena indicar que estas correlaciones son dependientes del emplazamiento. Por

ejemplo, para Madrid, Macagnan y Lorenzo13, proponen la siguiente correlación:

18.0942.0 ≤= TdDd KparaF .

79.018.0661.2896.3326.0974.032

≤<⋅+⋅−⋅+= TdTdTdTdDd KparaKKKF (Ec. 3.19)

79.0115.0 >= TdDd KparaF

Para estimar las componentes directa, B0(0) y difusa, Dd(0) de la radiación horizontal a partir

de la radiación global, se debe tomar en cuenta lo propuesto por Liu y Jordan con respecto a

la relación entre la fracción difusa de la radiación horizontal, )0(/)0( ddDd GDF = y que las

mediciones de radiación se llevan a cabo en superficies horizontales y libre de obstáculos 14.

[ ]Dddd FGB −⋅= 1)0()0( (Ec. 3.20)

Dddd FGD ⋅= )0()0( (Ec. 3.21)

Si se asume teóricamente que los perfiles de irradiancia en la tierra son similares a los

perfiles de irradiancia extraatmoférica, relacionando cosθZS, B0(0), B0d(0) y ωS se tiene la

siguiente expresión.

−⋅⋅

−⋅

=

SSS

S

d senTB

B

ωωωπ

ωωπ

cos180

coscos

)0(

)0(

0

0 (Ec. 3.22)

donde ωS está expresada en radianes y T, la duración del día, que puede ser en horas ó en

minutos.

Lo mismo se puede plantear con respecto al perfil diario entre la radiación difusa40:

Page 11: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

)0(

)0(

)0(

)0(

0

0

dd

DB

B

D

Dr ==

En el caso de la radiación global, esta relación se puede deducir a partir de la masa de aire

que debe atravesar la radiación solar a esa hora para llegar a la superficie de la tierra:

)cos()0(

)0(

)0(

)0(22

0

0 ωbaB

B

G

Gr

dd

G +⋅=

=

donde las constantes

)047.1(5016.0409.02 +⋅−= Ssena ω (Ec. 3.23)

)047.1(4667.06609.02 +⋅−= Ssenb ω (Ec. 3.24)

Con las expresiones de Gr y Dr estamos en disposición de determinar las radiaciones difusa,

D(0), global G(0) y directa B(0) sobre un plano horizontal en una hora determinada.

Dd rDD ⋅= )0()0( (Ec. 3.25)

Gd rGG ⋅= )0()0( (Ec. 3.26)

)0()0()0( DGB −= (Ec. 3.27)

Los datos de radiación generalmente se encuentran para superficies horizontales y los

generadores fotovoltaicos se instalan inclinados entonces. Por tanto, para estimar la

irradiancia sobre superficie inclinada a partir de la horizontal se debe descomponer la

radiación global horizontal en sus componentes directa B(β,α), difusa D(β,α), y del albedo

AL(β,α).

),(),(),(),( αβαβαβαβ ALDBG ++= (Ec. 3.28)

La irradiancia directa referida a una inclinación (β) y una orientación (α) del generador

fotovoltaico, se puede estimar con la ecuación siguiente, que se deduce a partir de

consideraciones geométricas.

ZS

SBB

θ

θαβ

cos

)cos,0max()0(),(

⋅= (Ec. 3.29)

donde θS es el ángulo de incidencia de los rayos del sol sobre la superficie receptora y puede

calcularse con la ecuación 3.12

Page 12: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

La estimación de la componente difusa requiere aplicar modelos teóricos. Algunos

subestiman sistemáticamente la irradiancia difusa sobre superficies inclinadas y otros la

sobrestiman 15, obteniéndose los mejores resultados con los modelos llamados anisotrópicos

de Hay y Davis 16, que propusieron considerar la irradiancia difusa como resultado de dos

componentes: una isotrópica, DI, y la otra circunsolar, DC. Entonces la componente difusa se

puede escribir según la siguiente expresión:

),(),(),( αβαβαβ CI DDD += (Ec. 3.30)

La componente isotrópica es:

+⋅−⋅=

2

cos1)1()0(),( 1

βαβ kDD I (Ec. 3.31)

y la componente circunsolar es:

)cos,0max(cos

)0(),( 1

S

ZS

C kDD θ

θαβ ⋅

⋅= (Ec. 3.32)

donde k1 es una constante de valor:

ZSB

B

B

B

B

Bk

θεε cos

)0(

)0(

)0(

00000

1⋅⋅

=⋅

==

Para determinar la irradiancia del albedo, teniendo como referencia que la reflectividad de los

suelos es muy baja (salvo excepciones como cuando existe nieve), se suele considerar que el

suelo es horizontal, infinito e isotrópico. Con estas condiciones se obtiene la siguiente

expresión:

−⋅⋅=

2

cos1)0(),(

βραβ GAL (Ec. 3.33)

donde, ρS es la reflectividad del suelo y normalmente toma un valor ρS = 0.2

Page 13: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Una vez determinada la irradiancia incidente sobre el generador se considera los efectos del

ángulo de incidencia sobre los paneles en términos de la reflectancia y la transmitancia de

los vidrios que protegen los módulos fotovoltaicos. Para ello utilizamos la ecuación propuesta

por N. Martin y J.M. Ruiz Pérez 17

−−

−−−

−=

r

rr

S

SB

a

aaFT

1exp1

)1

exp()cos

exp(

1)(

θ

θ (Ec. 3.34)

Los valores de ra según el grado de suciedad son los siguientes 0.17; 0.20; 0.21; 0.27 para

limpio, bajo, medio y alto respectivamente. La ecuación FTB(θS) se aplica a las componentes

directa y circunsolar de la irradiancia, pero para las componentes isotrópica y reflejada se

utiliza las siguientes expresiones:

(Ec. 3.35)

+

−⋅−+⋅+

+

−⋅−+⋅−−=

2

21cos1

)180(

cos1

)180(1exp1)(

β

βπβπβ

β

βπβπββ

sensenc

sensenc

aFT

r

D

Y para la irradiancia del albedo

(Ec. 3.36)

−⋅+⋅+

−⋅+⋅−−=

2

21cos1

)180(

cos1

)180(1exp1)(

β

βπββ

β

βπβββ

sensenc

sensenc

aFT ALAL

r

AL

El valor de π341 =ALc y los valores de ALc2 según el grado de suciedad son los

siguientes:

-0.069; -0.054; -0.049; -0.023 para limpio, bajo, medio y alto respectivamente.

En la irradiancia efectiva se debe considerar el efecto de la suciedad sobre las componentes

directa, difusa y la del albedo en términos de reducción de la transmitividad:

⋅⋅=

)0(

)0()(),(),(

lim pio

sucioSBef

T

TFTBB θαβαβ (Ec. 3.37)

⋅⋅=

)0(

)0()(),(),(

lim pio

sucioSB

CC

efT

TFTDD θαβαβ (Ec. 3.38)

Page 14: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

⋅⋅=

)0(

)0()(),(),(

lim pio

sucioSD

II

efT

TFTDD θαβαβ (Ec. 3.39)

⋅⋅=

)0(

)0()(),(),(

lim pio

sucioSALef

T

TFTAlAL θαβαβ (Ec. 3.40)

Los valores del término )0(lim piosucio TT según el grado de suciedad son los siguientes, 1;

0.98; 0.97; 0.92, para limpio, bajo, medio y alto respectivamente.

Entonces la irradiancia efectiva es:

),(),(),(),(),( αβαβαβαβαβ ef

C

ef

I

efefef ALDDBG +++= (Ec. 3.41)

3.3.3.- Cálculo de la temperatura de la célula fotovoltaica

La temperatura de la célula en los paneles fotovoltaicos depende de la temperatura ambiente

a partir de la expresión 3.4, de donde se deriva la necesidad de conocer cómo evoluciona la

temperatura ambiente a lo largo del tiempo de operación del sistema.

En la mayoría de las estaciones meteorológicas los datos disponibles son las temperaturas

máximas y mínimas. A continuación se presenta un modelo sencillo que utiliza la

temperatura máxima del día anterior y temperatura mínima del día siguiente, para

determinar la temperatura ambiente en cualquier momento de un día j:

Para -180º < ω ≤≤≤≤ Sω

[ ]bajTjT

jTjT amaMaMa +⋅+⋅

−−−−= ωω cos(1

2

)()1()1(),( (Ec. 3.42)

donde:

S

S

abya ωω

⋅−=+

−=

330

180

Para Sω < ω ≤≤≤≤ Sω

[ ]bajTjT

jTjT amaMama +⋅+⋅

−+= ωω cos(1

2

)()()(),( (Ec. 3.43)

donde:

Page 15: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

abyaS

⋅−=−

= 3030

180

ω

Para 30 < ω ≤≤≤≤ 180

[ ]bajTjT

jTjT amaMaMa +⋅+⋅

+−−= ωω cos(1

2

)1()()(),( (Ec. 3.44)

donde:

)18030(330

180+⋅−=

+= abya

En las expresiones anteriores se puede ingresar los datos de temperaturas máxima y mínima

del propio día, con un error no muy significativo.

3.4.- Modelo del convertidor de frecuencia.

La potencia AC entregada por el sistema es la potencia a la salida del convertidor de

frecuencia. Los convertidores se caracterizan por tener un eficiencia entre 0.94 y 0.96 18 ,

por lo que representan una buena alternativa para ser utilizados en la transformación de

corriente continua en corriente alterna en los sistemas de bombeo fotovoltaicos.

Por lo tanto la energía alterna producida por el sistema será:

[ ]∫ ⋅⋅−+⋅−⋅⋅=t

ACDCCambefTTefG

AC dtTTGCGG

PE /

*

*

*

)(1 ηγ (Ec. 3.45)

donde ηDC/AC, representa la eficiencia del convertidor de frecuencias.

3.5.- Modelo de la bombas centrífuga 19,20.

3.5.1.- La bomba centrífuga

La bomba hidráulica es una de las máquinas más antigua que se conoce: las norias ya

existían hace 3000 años y el tornillo de Arquímedes 250 años antes de cristo. Este último

sigue utilizándose hoy con gran eficacia para bombear mezclas de líquidos y sólidos. Las

bombas se utilizan para elevar líquidos, en otras palabras, la bomba toma el agua a baja

presión y la entrega a una mayor presión manométrica.

Page 16: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Las bombas centrífugas de pozo profundo están sumergidas en el fluido que será impulsado.

En la figura 3.5 muestra en el recuadro a) una bomba centrifuga convencional, con sus

partes principales, y en el recuadro b) una bomba centrífuga sumergible.

Figura 3.5 a) Bomba Centrifuga normal y b) Bomba centrífuga de pozo profundo

Estas bombas forman parte de las turbomáquinas, que constan de una rueda con álabes

llamado rodete o impulsor, que gira libremente alrededor de su eje cuando pasa un fluido

por el interior. La forma de los álabes es tal que cada dos consecutivos forman un conducto

que obliga al flujo a variar de cantidad de movimiento. En el rodete tiene lugar una

transformación de energía mecánica en energía de flujo (cinética). De acuerdo a la dirección

de flujo a la salida del rodete pueden subdividirse los siguientes grupos:

• Bombas Centrífugas, salida del flujo perpendicular al eje.

• Bombas Helicocentrifugas flujo mixto.

• Bombas de Hélice, salida del flujo paralelo al eje.

Aquí nos centraremos en las bombas centrífugas, que adicionan energía al fluido

acelerándolo a través de un impulsor o rodete giratorio.

Motor

Eléctrico

Bomba

a) b)

Page 17: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

3.5.2- Triángulo de Velocidades

La figura 3.6 (b) muestra la configuración básica del triángulo de velocidades de entrada y

de salida del fluido en una bomba centrífuga de flujo radial.

En el comportamiento del fluido por los canales del rodete, se deben distinguir el movimiento absoluto del relativo.

• El movimiento absoluto es el de las partículas de líquido que nota un observador situado fuera del rodete.

• El movimiento relativo es aquel que ve un observador situado dentro del giro del

rodete. Los símbolos y nomenclatura que se utilizan en turbomáquinas son los siguientes:

c = Velocidad absoluta (del flujo). Es aquel vector que se traza como la resultante de la

sumatoria de la velocidad relativa y la velocidad tangencial en la figura 3.5, donde

los subíndices 1 y 2 corresponden a los triángulos de velocidades de entrada y salida

respectivamente.

w = Velocidad relativa (del flujo). Es aquel vector que se traza paralelo a la superficie del

álabe en la figura 3.5 (b), donde los subíndices 1 y 2 corresponden a los triángulos

de velocidades de entrada y salida respectivamente.

u = Velocidad tangencial del rodete en la figura 3.5, donde los subíndices 1 y 2

corresponden a los triángulos de velocidades de entrada y salida respectivamente.

α B = Ángulo que forma la velocidad absoluta →

c con la velocidad tangencial →

u , donde los

subíndices 1 y 2 corresponden al triangulo de velocidades de entrada y salida

respectivamente

β = Ángulo que forma la velocidad relativa →

w con )(→

− u , donde los subíndices 1 y 2

corresponden a los triángulos de velocidades de entrada y salida respectivamente.

'β = Ángulo de diseño del álabe.

La bomba inicia su trabajo cuando el caudal llega al rodete o impulsor a través de un

conducto perpendicular a él. Entra con una velocidad absoluta cm1, que puede tener

componentes axiales ca1 y componentes radiales cr1. Obsérvese que como existe rotación del

flujo, también hay una componente tangencial cu1, y que a la salida del rodete sólo existen

componentes radial cr2 y tangencial cu2 por ser una bomba centrífuga. A la resultante de las

componentes ca y cr se le llama velocidad meridiana cm y de la figura 3.7 se tiene:

222

ram ccc += (Ec. 3.46)

Page 18: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Cuando no hay componente axial cm = cr; y si no hay componente radial cm = ca. El flujo de

agua, a su paso por el rodete, gana energía tanto de presión como de velocidad. Al salir del

impulsor y descargar en la cámara espiral (voluta), con presión p2 y una velocidad c2 , esta

velocidad se ha de transformar también en presión a lo largo de la voluta y del difusor, y si

es elevada, puesto que los canales son divergentes, esta transformación origina pérdidas.

Entonces conviene que la energía recibida por el flujo en el rodete sea fundamentalmente de

presión, o lo que es lo mismo que la velocidad c2 sea pequeña.

De acuerdo a la figura 3.6, podemos escribir las siguientes ecuaciones:

111

→→→

+= wuc (Ec. 3.47)

→→→

+= 222 wuc (Ec. 3.48)

Cuando el rodete gira a la velocidad angular (ω), sus álabes tienen en los puntos de entrada

y salida una velocidad tangencial, 222111 rwuyrwu ⋅=⋅= respectivamente, donde r1 y

r2 son los radios del rodete. Además la velocidad angular se determina de la siguiente forma

60/2 nw ⋅⋅= π , donde n es el número de revoluciones por minuto.

El caudal (Qr) que atraviesa el rodete pude calcularse a la entrada o salida del mismo. En

ambos casos se obtiene del producto del área de la corona de paso (S) por la velocidad

meridiana (cm) correspondiente, generalizando:

mr cSQ ⋅= (Ec. 3.49)

Si se calcula el caudal con respecto a la salida, siendo D2 el diámetro de la corona a la salida,

k un coeficiente reductor que tiene en cuenta el espesor del álabe y b2 es la altura de la

corona a la salida, la expresión anterior se puede escribir de la siguiente forma:

222 mr cbDkQ ⋅⋅⋅⋅= π (Ec. 3.50)

Page 19: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Figura 3.6 Triángulo de velocidades de una bomba centrifuga subíndice 1 y 2 indica entrada

y salida del agua respectivamente.

3.5.3.- Ecuación de Euler. Curva teórica Altura-Caudal

La ecuación de Euler que vamos a utilizar, a pesar de sus simplificaciones, sigue siendo una

buena herramienta para estimar el diseño y/o predecir el comportamiento de una bomba

centrífuga. Conviene además señalar que esta ecuación no depende de la trayectoria del

fluido dentro del rodete, sino que sólo depende de las condiciones de entrada y salida.

Aplicando la ecuación de Euler al rodete de una bomba centrífuga con número infinito de

álabes y de espesor inmaterial, permite calcular la altura teórica de bombeo (Ht∞) si

conocemos las velocidades absolutas (c1 , c2), las velocidades tangenciales (u1 , u2) y los

Page 20: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

ángulos (α1 , α2) que forman estas velocidades. Los subíndice 1, 2 indican la entrada y salida

del agua del impulsor o rodete. La ecuación de Euler queda entonces de la siguiente forma:

111222, coscos αα ⋅⋅−⋅⋅=⋅ ∞ cucuHg t (Ec. 3.51)

donde g es la aceleración de gravedad , Ht,∞ es la altura teórica; u1 y u2 son las velocidades

tangenciales; c1 y c2 son las velocidades absoluta; α1 y α2 son los ángulos que forman los

vectores de velocidad absoluta y tangencial.

La curva característica de la bomba centrífuga es la curva H=H(Q), que relaciona un régimen

de giro constante, la altura (H) y el caudal (Q). Para este análisis teórico no se considerarán

las pérdida internas llamadas así a las pérdidas volumétrica y hidráulicas, las cuales se

explicarán más adelante.

Al no considerar el rozamiento entonces H = Ht, donde Ht es la altura sin considerar las

pérdidas por rozamientos, además se supone que hay infinitos álabes de espesor inmaterial

(β2=β2’ y H=Ht∞), y que no existe pre-rotación en la entrada del rodete (α1=90º), la ecuación

de Euler queda de la siguiente forma:

g

cuHH u

t22

,

⋅== ∞ (Ec. 3.52)

Del triángulo de velocidades a la salida del rodete y aplicando relaciones trigonométricas

básicas, se obtiene la velocidad absoluta a la salida del rodete, siendo c2u la componente de

la velocidad absoluta, cr2 la componente radial y β2 el ángulo que forman la velocidad relativa

y tangencial:

2222 cot βgcuc ru ⋅−= (Ec. 3.53)

El caudal que atraviesa el rodete puede valorarse a la entrada o a la salida, donde S1, S2 es

la sección de la corona y cm1, cm2 es la velocidad meridiana de la entrada y salida

respectivamente. Utilizando la ecuación 3.49,

2211 mmr cScSQ ⋅=⋅= (Ec. 3.54)

En la salida, donde D2 es el diámetro exterior del impulsor, y b2 es la altura de la corona en

la salida:

22222 mmr cbDkcSQ ⋅⋅⋅⋅=⋅= π (Ec. 3.55)

Page 21: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Obsérvese que:

a.- En las bombas centrífugas, cm2=cr2

b.- En las bombas axiales, cm2=ca2

c.- k es el coeficiente reductor que tiene en cuenta el espesor de álabe (k≈0.95).

Por lo tanto, analizando el triángulo de velocidades a la salida de la bomba centrífuga:

22

2bDk

Qc rr

⋅⋅⋅=

π (Ec. 3.56)

Luego:

2

22

22 cot βπ

gbDk

Quc r

u ⋅⋅⋅⋅

−= (Ec. 3.57)

La curva teórica tiene la siguiente expresión considerando Qr=Q, que β=β’ de la geometría y

un régimen de giro 222 rwu ⋅= y r2=D2/2 y la velocidad angular se puede determinar con

60/2 nw ⋅⋅= π , donde n es el número de revoluciones por minuto del impulsor:

QbDkg

gu

g

uHH t ⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅−== ∞

22

'

22

2

2

,

cot

π

β (Ec. 3.58)

En la estimación del cálculo de un sistema de bombeo fotovoltaico se considera variable la

frecuencia o el número de revoluciones de la bomba; entonces la ecuación anterior se

puede escribir de la siguiente forma:

Qbkg

gn

g

nDHH t ⋅

⋅⋅

⋅−

⋅⋅== ∞

2

'

2

22

2

2

,

cot βπ (Ec. 3.59)

Se puede observar que la ecuación anterior es una familia de rectas:

QnancHH t ⋅⋅+⋅== ∞∞∞

2 (Ec. 3.60)

donde las constantes c∞ y a son:

g

Dc

2

2

2 ⋅=∞

π (Ec. 3.61)

Page 22: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

2

'

2cot

bkg

ga

⋅⋅−=∞

β (Ec. 3.62)

En la figura 3.7 se muestran los resultados de la ecuación (3.58), variando el ángulo (β2) y

manteniendo constante el número de revoluciones. Si β2> 90º es un impulsor con álabes

curvado hacia delante, β2= 90º es un impulsor radial y β2< 90º impulsor con álabes curvado

hacia atrás. Lo más habitual es que, de estos tres casos, las bombas centrífugas utilicen un

impulsor curvado hacia atrás porque origina menor velocidad absoluta a la salida del

impulsor.

g

u

⋅2

2

2

)(sin, rozamientoHH t =∞

Q

0

2 90>β

0

2 90=β

0

2 90<β

Figura 3.7 Curva teórica H-Q de una bomba centrífuga

Si analizamos ahora el caso en el que el número de álabes (Z) es finito, y β2=β’2, esto se

traduce en un valor menor de cu2 y consecuentemente en una menor altura Ht (Ht,z < Ht,∞).

∞⋅= ,, tzt HH µ (Ec. 3.63)

El coeficiente µ es una relación empírica, cuya expresión más utilizada es la de Pfleiderer 21,

−⋅

+⋅+

=

2

2

1

'

2

1

)1(2,11

1

D

DZ

senβµ

`

(Ec. 3.64)

Page 23: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

La diferencia entre la alturas Ht,∞ y Ht,z, no es una pérdida, ya que todavía no se han

considerado rozamientos y choques, sino que se trata de consideraciones diferentes. La

expresión anterior se puede escribir de la siguiente manera, donde c’ y a’ son constantes que

considera el coeficiente de Pfleiderer.

QnancH zt ⋅⋅+⋅= '2'

, (Ec. 3.65)

La figura 3.8 muestra la diferencia de los modelos teóricos de la altura de euler tomando en

consideración un número infinito (Ht,∞) y finito (Ht,z)de álabes.

)(sin rozamientoHH t =

Q

∞,tH

ztH ,

∞⋅= ,, tzt HH µ

Figura 3.8 Resultados de la ecuación de Euler con β2 < 90º para número de álabes

infinitos, (Ht∞), y finitos, (Htz).

3.5.4.- Curva característica real H-Q

La altura H0 que entrega la bomba (ver figura 3.9), con un determinado régimen de giro, a

válvula cerrada (Q=0) y para z1 álabes es teóricamente:

⋅⋅⋅⋅

⋅−= Q

bDkg

gu

g

uH

22

'

22

2

20

cot

π

βµ (Ec. 3.66)

Si la válvula está cerrada, circula el caudal de agua por el rodete que corresponde a las

pérdidas volumétricas interiores (Qr=Q+q) y la altura H0 es la mayor que da la bomba.

Page 24: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Aparte de las pérdidas volumétricas, q, existe además un reflujo tanto en el tubo de acceso

como en el impulsor (ver figura 3.9), por lo que aún será mayor el caudal Qr que circula por

este. Estas pérdidas provocan un valor H0 real menor que el teórico. Cuando existe

circulación de caudal a través de la bomba (Q>0), la curva real H=H(Q) está afectada,

además, por pérdidas hidráulicas por rozamiento y por choques. Éstas responden a las

siguientes expresiones:

Figura 3.9 pérdidas Volumétricas

a) Las pérdidas por rozamientos, donde Kr es el coeficiente de pérdida por rozamiento y

Q es el caudal que entrega la bomba, son:

2QKH rr ⋅= (Ec. 3.67)

b) Las pérdidas por choque que se producen a la entrada y a la salida del impulsor

cuando la bomba trabaja en condiciones fuera de diseño, donde Kc es el coeficiente

de pérdida por choque, Q es el caudal que entrega la bomba y Q* es el caudal de

diseño, son:

2*)( QQKH cc −⋅= (Ec. 3.68)

En consecuencia,

crztB HHHH −−= , (Ec. 3.69)

En la figura 3.10 se puede ver que las pérdidas por rozamiento aumentan con el caudal y las

pérdidas por choque varían cuando el caudal es diferente al caudal de diseño y son nulas

cuando el caudal es igual al caudal de diseño (Q*= Q). Reemplazando las variables en la

ecuación (3.69) la altura de la bomba es:

Page 25: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

2*2'2 )()´( QQKQKQnancH crB −⋅−⋅−⋅⋅+⋅=

22 QaQnbncH BB ⋅+⋅⋅+⋅= (Ec. 3.70)

Se observa que la curva característica real es una función parabólica, en lugar de una

función lineal, lo que se ajusta bastante con las experimentales.

En general, se determina la curva real en forma experimental en un banco de ensayos, se

toma sobre ella una serie de puntos, y se ajusta una función mediante métodos numéricos.

Esta curva resultante es la que el fabricante de la bomba suministra al usuario.

Generalizando esta expresión, el modelo matemático del comportamiento de la bomba

centrífuga es:

2QacH B ⋅+⋅= (Ec. 3.71)

Figura 3.10 Comparación de las curvas H-Q ideales y real de la bomba centrifuga

3.5.5.- Potencias y rendimiento de una bomba centrífuga

La potencia útil, PF, aportada por la bomba al líquido, se puede determinar por:

HQgPF ⋅⋅⋅= ρ (Ec. 3.72)

El caudal (Q) que pasa por la bomba se mide con un medidor de caudal, la altura (H) con

manómetros colocados en la entrada y salida de la bomba, y el peso especifico, ρg, se

)(sin ro zam ien toHH t =

Q*

QQ =

0'

2 90>β

0'

2 90<β

0'

2 90=β

g

u

⋅2

2

2

g

u

⋅⋅2

2

0H

rH

cH

∞,tH

ztH ,

)(QfH =

Page 26: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

determina de las propiedades físicas del agua. Por lo tanto la altura se puede obtener de la

siguiente ecuación:

g

PPH Es

−=

ρ

)( (Ec. 3.73)

donde:

PE, PS = Presiones manométricas a la entrada y salida de la bomba

ρ = Densidad del agua o líquido.

g = Aceleración de gravedad.

La potencia en el eje es el producto del torque, T, generado por el motor eléctrico y la

velocidad angular, ω, del eje, se calcula por la siguiente expresión:

ω⋅= TPe (Ec. 3.74)

El rendimiento global de la bomba se obtiene mediante el cociente de la potencia útil y la

potencia en el eje de la bomba:

e

FB

P

P=η (Ec. 3.75)

En general, la curva del rendimiento η=η(Q) puede ajustarse, con una expresión del tipo:

2QeQdB ⋅+⋅=η (Ec. 3.76)

donde d y e son constantes.

En la figura 3.11 se muestra la potencia P ganada por el flujo teniendo la válvula cerrada (Q

= 0), por lo que el rendimiento ηB es nulo; en cambio, la potencia en el eje de la bomba Pe

tiene lógicamente un valor: el correspondiente a las pérdidas interiores y exteriores. Se

observa también que el punto de operación donde mejor trabaja la bomba es con su

potencia nominal, la correspondiente al caudal (Q*) de diseño.

Page 27: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

Q*Q

)(QHH =

máxη

)(Qηη =)(QPP ee =

)(QPP =

0

H

Figura 3.11. Curvas características de una bomba centrifuga

3.5.6.- Funcionamiento de una bomba a velocidad variable. Leyes de semejanza

Lo más común en una bomba es que sea comercializada con el motor eléctrico incorporado

y, en consecuencia, para una velocidad de giro prevista. Resulta interesante analizar cómo

varían sus características si hiciéramos funcionar a otras velocidades. Esto es de especial

interés, por ejemplo:

a. Cuando la bomba es arrastrada por un motor de combustión interna y su velocidad

puede cambiarse según necesidad.

b. Cuando el caudal de la instalación es variable, por ejemplo en el suministro de agua a

una pequeña población y además queremos mantener las presiones dentro de unos

limites, puede resultar interesante colocarle al motor eléctrico, un convertidor de

frecuencia con objeto de buscar en todo momento el punto de funcionamiento más

conveniente.

c. Cuando la fuente de energía de funcionamiento de la bomba es variable a través del

día, como es el caso de los sistemas del bombeo fotovoltaico.

A partir de las leyes de semejanza entre bombas se puede plantear como varían las

características de una bomba al cambiar la frecuencia o velocidad de giro. Lo detallamos a

continuación:

- Relación de alturas

2

2

⋅=

m

p

m

p

n

n

H

Hλ (Ec. 3.77)

Page 28: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

donde Hp , Hm; np, nm es la altura de elevación y el número de revoluciones del prototipo y

del modelo respectivamente; y lamda (λ) es la relación de escala entre el prototipo y el

modelo.

- Relación de caudales

m

p

m

p

n

n

Q

Q⋅= 3λ (Ec. 3.78)

donde Qp, Qm es el caudal del prototipo y del modelo respectivamente.

- Relación de potencias

3

5

⋅=

m

p

em

ep

n

n

P

Pλ (Ec.3.79)

donde Pep, Pem es la potencia del prototipo y el modelo respectivamente.

Si ahora sustituimos λ=1, estaríamos comparando la bomba consigo misma y, además

trabajando con el mismo fluido. Por lo tanto, las ecuaciones que permiten relacionar

distintas condiciones de operación de la máquina son las siguientes:

32

;;

=

==

T

N

T

N

T

N

T

N

T

N

T

N

n

n

P

P

n

n

H

H

n

n

Q

Q (Ec. 3.80)

donde QN y QT es el caudal; nN y nT es el número de revoluciones; HN y HT es la altura

manométrica; PN y PT es la potencia y los subíndices N y T indican las condiciones de

operación nominal y de trabajo respectivamente.

Las tres han de cumplirse simultáneamente y sólo serán válidas para comparar situaciones

análogas, o de igual rendimiento.

De las ecuaciones anteriores, eliminando nN/nT entre las dos primeras, obtenemos la relación

entre H y Q para situaciones de igual rendimiento a diferentes frecuencias; este sería el lugar

geométrico de los puntos que tienen el mismo rendimiento (curva de isorrendimiento),

2

=

T

N

T

N

Q

Q

H

H; ⇒⋅= siQ

Q

HH N

T

T

N

2

2 ⇒= entonces

Q

HK

T

T

T 2 2

NTN QKH = (Ec. 3.81)

En General, 2QKH ⋅= , que representa la familia de curvas de isorrendimientos de la bomba

centrifuga (figura 3.12), son parábolas que pasan por el origen. Cada valor de K da lugar a

Page 29: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

una curva de isorrendimiento diferente, donde K es una constante que relaciona la altura

manométrica y el cuadrado del caudal. En la práctica, las leyes de semejanza no se cumplen

para pequeños caudales en las proximidades del origen a causa de la desigual intervención

de las pérdidas. Es por ello que las curvas de isorrendimiento deben obtenerse, en esta

región, mediante ensayos; son más bien elipses y desde luego no pasan por el origen como

se pueden ver en la figura 3.13.

2

2 QKH ⋅=

2ηη =

1ηη =

2

1 QKH ⋅=

H

Figura 3.12 Curvas de isorrendimientos.

Figura 3.13 Curvas experimentales de altura-caudal, y potencia caudal de una bomba

centrífuga.

Page 30: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

REFERENCIAS:

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información geográfica a la integración regional de las energías renovables en la producción

descentralizada de electricidad”, Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, 2000. 2 S. González, “Cruzando los Mallkus. Las migraciones bolivianas pendulares durante la gran

crisis salitreras”, Revista Historia social y de las mentalidades USCH. Vol. 2, 155-191, 2006. 3 R. Sapiain, R. Schmidt, A. Torres, “Aplicaciones de bombeo solar fotovoltaico a

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España, 2001. 4 R. Schmidt, A. Anthrakidis, A. Torres, E. Torres, “Desarrollo de un sistema de riego por

goteo de baja presión utilizando Bombas Solares Fotovoltaicas”, Seminario Nacional y

Congreso Internacional de energías Renovables” 13, 14, 15, Noviembre, Antofagasta, Chile,

1996. 5 R. Sapiain, R Schmidt, C. Flores y A. Torres, “Riego tecnificado a muy baja presión por

medio de bombas fotovoltaicas y estanques de acumulación”,, Información Tecnológica Vol

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14 E. Lorenzo, “Radiación Solar y Dispositivos Fotovoltaicos”, Volumen II, PROGENSA, Sevilla,

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Page 31: Herramienta-sistemas-Fotovoltaico

15 E. Lorenzo, “Radiación Solar y Dispositivos Fotovoltaicos”, Volumen II, PROGENSA, Sevilla,

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