Bombeo de Agua con Energía Solar UNAM Bombeo de Agua con Energía Solar EXPOSITOR Aarón Sánchez Juárez Centro de Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal 34 62580 Temixco, Morelos Tel: (73) 25 00 52; e-mail: asj@mazatl.cie.unam.mx

SISTEMA TÍPICO DE BOMBEO DE AGUA UNAM ALTURA DE DESCARGA TANQUE DE ALMACENAMIENTO Energía Eléctrica NIVEL DE SUELO NIVEL FREATICO Profundidad del pozo BOMBA

CARGAS HIDRÁULICAS UNAM CARGA ESTATICA TOTAL = Altura de descarga + Nivel estático. CARGA DINAMICA TOTAL = Carga estática total + Abatimiento + Pérdidas por fricción. “ Camisa” del Pozo

TÉRMINOS HIDRÁULICOS UNAM NIVEL ESTÁTICO: Es la distancia desde la superficie al nivel del espejo de agua. ALTURA DE DESCARGA: Es la distancia vertical a la que hay que subir el agua medida desde el nivel del suelo hasta el borde superior del tanque de almacenamiento. CARGA ESTÁTICA: Es la distancia desde el nivel del espejo de agua (nivel estático) hasta el borde superior del tanque de almacenamiento. Está dada por la suma del nivel estático con la altura de descarga. NIVEL DINÁMICO: Es la distancia desde la superficie al nivel que adquiere el espejo de agua durante el proceso de bombeo. NIVEL DE ABATIMIENTO: Es la diferencia de alturas entre el nivel dinámico y el nivel estático. CARGA HIDRÁULICA: Es la distancia que se debe de elevar el agua desde el nivel de abatimiento hasta la altura de descarga. Se mide en METROS.

CDT = CE + A + CF 1 m3x m= m4 TÉRMINOS HIDRÁULICOS CARGA POR FRICCIÓN: Es la resistencia que opone la tubería y conexiones (codos, T’s, etc.) al flujo de agua. Esta depende del flujo, diámetro, distancia y material de la tubería, por lo cual, se puede calcular como: UNAM Carga por Fricción = k L Q2 k: Coeficiente de fricción de la tubería. L: Longitud de la tubería medida en METROS Q: Gasto o flujo de agua medido en M3/seg Si no se dispone de Tablas para k, usar un valor del 2% al 5% de la longitud total de la tubería. CARGA DIÁMICA TOTAL: Es la suma de la Carga estática con la distancia de abatimiento y con la carga por fricción. CDT = CE + A + CF CICLO HIDRÁULICO: Es el producto del volúmen diario bombeado con la carga dinámica total; por lo que se expresa en litros x metros (l-m). Si se considera que: 1000 litros = 1 m3, entonces la unidad para el Ciclo hidráulico es: 1 m3x m= m4

TÉRMINOS HIDRÁULICOS CAPACIDAD DEL POZO: La cantidad de agua que el pozo es capaz de suministrar a largo plazo. Esta se expresa comúnmente en GPM; GPH; LPS; LPH Factor de Conversión: 1 Galón americano = 3.785 Litros UNAM REQUERIMIENTO DE AGUA: Es el volumen de agua que se requiere extraer diariamente para satisfacer la demanda. Se expresa en Litros por Día RÉGIMEN DE BOMBEO: Es la cantidad de agua que la bomba debe de proporcionar, medido en Litros/hr para satisfacer la demanda diaria de agua. Ejemplo: Si se requiere de 20,000 Litros por día, y se tiene una bomba que trabajará solamente 4 hrs al día, entonces el régimen de bombeo exigido para la bomba es de 20,000/4 = 5,000 L/hr

TÉRMINOS HIDRÁULICOS FACTOR DE TIEMPO DE BOMBEO: Se obtiene al dividir las horas de funcionamiento de la bomba por las horas-pico del Recurso Solar. Para un sistema de bombeo fotovoltaico directo este factor vale 1. UNAM AFORO: Es el procedimiento mediante el cuál se cuantifica la capacidad del pozo o fuente de agua. Este se debe de realizar con un régimen de bombeo igual al requerido para satisfacer la demanda de agua. Al mismo tiempo, permite conocer el nivel de abatimiento. Se recomienda realizarlo en el mes más seco NIVEL DE DESCENSO: Es la distancia vertical desde el nivel estático hasta el nivel del agua cuando el pozo esta en producción. Este valor se determina durante el procedimiento de aforo. ALTURA DE SUCCIÓN O ASPIRACIÓN: Término usado en bombas superficiales. Es la distancia, medida en metros, desde el centro de la bomba hasta el nivel estático del agua. ADEME: Es el diámetro del pozo

FACTORES DE CONVERSIÓN HIDRÁULICOS Ciclo Hidráulico diario o Energía Hidráulica 1 l x m = 367 W-h 1 ft= 0.3048 m; 1 m = 3.281 ft (ft significa píe; m significa m). Una columnade agua de 1 píe de altura es igual a 0.433 psi psi significa: libras por pulgada cuadrada 1 psi= 2.31 píes de altura 1 psi= 0.0703 kg/cm2 1 galón US= 3.785 l Unidad de flujo: galones por minuto (GPM); ó litros por minuto (lPM) 1 GPM = 3.785 lPM

El productor requiere un sistema de bombeo de agua que: El bombeo de agua es clave para la operación del rancho El productor requiere un sistema de bombeo de agua que: Sea confiable. Sea adecuado a las necesidades de su Rancho. Sea de bajo mantenimiento. Cuya operación requiera poca mano de obra. Y cuyo costo sea el menor posible a largo plazo.

TECNOLOGÍAS TRADICIONALES Sistemas de Bombeo Solar Tipos de bombas UNAM TECNOLOGÍAS TRADICIONALES PARA ZONAS RURALES SISTEMA DE COMBUSTIÓN INTERNA OPERANDO A UNA BOMBA SISTEMA EÓLICO OPERANDO SOBRE UNA BOMBA DE CILINDRO Requiere mantenimiento anual. Depende del viento para bombear No es fácil predecir y controlar el volumen de agua. Requiere mantenimiento periódico Depende de la disponibilidad del .combustible en el sitio. El bombeo y control depende del operador.

La energía solar es una opción para el bombeo de agua: Sistemas de Bombeo Solar UNAM La energía solar es una opción para el bombeo de agua: El sistema de bombeo accionado por el Sol tiene como características: No usa combustible. Usa la energía del Sol. Puede operar automáticamente. . Requiere poco mantenimiento. Es confiable. En muchos casos (no en todos) es una opción económica. Se diseña adecuadamente a las necesidades del productor El bombeo de agua es clave para la operación del rancho.

COMPONENTES PRINCIPALES EN UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA FOTOVOLTAICO UNAM INTERRUPTOR ARREGLO FOTOVOLT. TANQUE DE ALMACENAMIENTO ACONDICIONADOR DE ENERGÍA NIVEL DEL SUELO TIERRA FISICA ARREGLO FV ESTRUCTURA PARA EL ARREGLO ACONDICIONADOR DE ENERGÍA TIERRA FÍSICA MOTOR ELÉCTRICO BOMBA DE AGUA SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA NIVEL FREATICO BOMBA

Sistemas Fotovoltaicos Diagramas tipicos para Sistemas de Bombeo UNAM Arreglo Fotovoltaico Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol Bomba Carga Arreglo Fotovoltaico Sol Bomba Carga Sistema de Control de Energía Controlador de Carga Arreglo Fotovoltaico Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol Sistema de Control de Energía Controlador de Carga DC =AC Sistema de acondicionamiento de Energía Inversor Bomba Carga

UNAM Sistemas de Bombeo Solar Componentes básicos. Arreglo solar Arreglo de módulos solares Estructura para el arreglo Controlador eléctrico Bomba de agua (típicamente centrífuga o de desplazamiento positivo) Sistema de distribución de agua Bomba (ésta es una centrífuga sumergible) Controlador

Los módulos Fotovoltaicos producen la energía eléctrica para la bomba Sistemas de Bombeo Solar Componentes: El arreglo FV UNAM Los módulos Fotovoltaicos producen la energía eléctrica para la bomba Las características de un módulo individual típico: 17 Volts (hasta 15 Volts cuando está a 60ºC) 3 - 5 Amperios Los módulos se combinan en serie y en paralelo para dar cualquier voltaje y potencia que requiere la bomba. módulo individual

COMPONENTES UNAM ESTRUCTURAS: Generalmente pueden ser de dos tipos: fijas o con seguimiento. Las Estructuras Fijas pueden anclarse al suelo o bien colocarse sobre un poste. Las Estructuras con seguimiento producen del 20% al 30% más energía que un sistema fijo. Estas pueden ser con seguimiento en dos direcciones: -seguimiento horario diario al Sol a un ángulo fijo. -seguimiento horario diario y con seguimiento ángular diario al Sol. ATERRIZADO: El aterrizaje del sistema de Bombeo a través de una Tierra Física proporciona un sistema de seguridad tanto para el sistema como para el personal. El aterrizaje reduce el ruido para los componentes del sistema y circuitos de control. Se tiene mejor control de los voltajes picos. Facilita la protección contra sobrecargas. Las corrientes transitorias inducidas debido a los rayos se desvian a Tierra. REGLAS DE ATERRIZADO: -Use varillas metálicas sólidas o electrodos para formar la Tierra Física. -Interconecte usando alambres o cintas metálicas sólidas. -Todos los doblajes de tubería deben de tener un mínimo de 20 cm de radio. -Use protección contra corrientes transitorias de baja impedancia hacia tierra (tubos de descarga, varistores). -Evite metales disimilares o recúbralos adecuadamente

Hay 2 tipos de estructura para los arreglos: FIJA y MÓVIL Sistemas de Bombeo Solar Componentes: La estructura UNAM Hay 2 tipos de estructura para los arreglos: FIJA y MÓVIL Con rastreador el sistema produce 20%-30% más energía eléctrica por día. Estructura fija Estructura montada en seguidor (rastreador).

ACONDICIONADOR DE ENERGIA Y DESCONECTORES El acondicionador de energía tiene la función de acoplar el arreglo FV y el motor eléctrico de la bomba con el objeto de maximizar el rendimiento de la bomba. Bombas con motores en CA: Én este caso, el acondicionador de energía funciona como un INVERSOR CD/CA de alta eficiencia, el cuál permite el funcionamiento de la bomba aún en casos de baja irradiancia. . Bombas con motores en CD: En estos casos, el sistema acondicionador de energía es un CONTROLADOR ELECTRÓNICO. Su función es mantener trabajando a la bomba en el punto de máxima potencia del arreglo FV. Incorpora funciones tales como: encendido y apagado de la bomba, rastreo del punto de potencia máxima del AFV, apagado por obstrucción de la bomba, o bombeo en seco, o exceso de agua en el tanque de almacenamiento (función que se logra por medio de electroniveles tanto en el pozo como enel tanque de almacenamiento). Pueden ser del tipo: Igualación de Impedancias, protectores, interruptores y arrancadores INTERRUPTORES O DESCONECTORES: Su función es la de proveer un sistema de seguridad tanto a la bomba como al usuario y facilitar las labores de mantenimiento. Debe dimensionarse según las normas eléctricas establecidas.

UNAM Sistemas de Bombeo Solar Componentes: El controlador Acondiciona la energía eléctrica del arreglo solar para maximizar la producción de la bomba. Para bombas de corriente directa: Optimiza la corriente eléctrica para maximizar el tiempo de bombeo Para bombas de corriente alterna:Es un inversor/controlador.

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA Y SISTEMA DE DISTRIBUCION Las bombas electrificadas con SFV solo funcionan durante las horas de luz. Si se requiere su funcionamiento durante la noche, o en días con nublados cerrados, se requerirá del uso de acumuladores o baterías. ¿ Realmente son indispensables las baterías para que las bombas funciones y proveen de agua a los usuarios de ésta? Si la respuesta es SI, entonces se disminuye la confiabilidad en el SFV y aumenta la demanda de mantenimiento, cosa que no es recomendable en sitios apartados. Su uso sólo se justifica cuando la producción de agua del pozo en las horas de luz es inferior a la demanda diaria; pero en este caso es posible la perforación de otro pozo y la instalación de otro sistema.

Lo recomendable es tener un almacenamiento de agua que puede ser un tanque elevado o cisterna. La ventaja del tanque elevado es que proporciona un presión de salida que es de vital importancia si se tiene sistemas de distribución. En el caso de cisternas, el agua sólo puede ser usada en dicho sitio con aplicaciones tales como abrevaderos El volumen del tanque elevado o cisterna debe de garantizar cierta autonomía, definida ésta como el tiempo en que el sistema de bombeo estará fuera de operación por razones de nublados cerrados , o bien, en el caso de mantenimiento del sistema. AUTONOMÍA: Las condiciones locales del clima y uso de agua definen el tamaño óptimo de la reserva de agua. Se considera adecuada una reserva de 3 días (demanda diaria multiplicada por 3).

MOTORES UNAM Los motores usados en Sistemas de Bombeo Fotovoltaico son diseñados especialmente para que su eficiencia se mantenga constante aún cuando las condiciones de corriente y voltaje cambien durante el día. Existen tres tipos de motores usados en Sistemas de Bombeo Fotovoltaico: Corriente Directa con Escobillas (carbones): Es sencillo y eficiente en aplicaciones pequeñas y no necesita circuitos complejos de control. Su desventaja radica en que hay que cambiar frecuentemente las escobillas, lo que resulta muy inconveniente en bombas sumergibles Corriente Directa sin Escobillas: Son eficientes y no requieren mantenimiento. Su desventaja es que requieren un controlador electrónico muy complejo y muy caro. Corriente Alterna: Gran variedad de motores para todo tipo de carga con un costo inferior a los de Corriente Directa. Son menos eficientes que los de CD. Requieren de un Inversor con lo que se incrementa el precio del sistema y el riesgo de descompostura.

TIPOS DE MOTORES EN SISTEMAS DE BOMBEO UNAM MOTORES EN C.D. MOTORES EN A.C. Motores con carbones Requieren reemplazo regular de los ......carbones y limpieza. Mantenimiento regular en baleros. El desempeño depende del acoplamiento .....entre motor y f.e.m. (arreglo FV). No es aplicable a mas de 30 m de .....profundidad. Pueden ser de una, dos, o tres fases. Pueden requerir mantenimiento ......periódico en los baleros. Pueden ser sumergidos a mas de ......90 m de profundidad. Disponibilidad con y sin carbones. Aplicados en SFV, requieren .......inversor CD/CA Motores sin carbones Baleros pueden necesitar reemplazo ......periódico. Necesita un circuito electrónico para la .....conmutación. No es aplicable a mas de 90 m de .....profundidad.

La Bomba Las bombas son diseñadas para uso Exclusivo de sistemas solares (fotovoltáicos) UNAM La Bomba trabaja solo cuando hay energía solar, 6 a 10 horas por día. Por consecuencia la bomba de sistemas FV puede ser más pequeña que una moto-bomba. Por lo general es común usar bombas centrífugas y bombas de desplazamiento positivo.

BOMBAS DE SUPERFICIE CENTRÍFUGAS UNAM Tipos de Bombas Sistemas de Bombeo Solar BOMBAS DE SUPERFICIE CENTRÍFUGAS

Tipos de Bombas Sistemas de Bombeo Solar UNAM BOMBAS DE PROFUNDIDAD CENTRÍFUGAS

Tipos de Bombas Sistemas de Bombeo Solar UNAM Tipos de Bombas Sistemas de Bombeo Solar BOMBAS CENTRÍFUGAS VENTAJAS. DESVENTAJAS Son muy comunes. Pueden tolerar aguas sucias con sólidos disueltos. Usan el agua misma como lubricante. Cargas dinámicas variables y grandes, a través de pasos múltiples de bombeo. Se les encuentra tanto para superficie como para profundidad. Las superficiales son de fácil mantenimiento y reparación. Repuestos de fácil adquisición. Tienen una eficiencia pequeña con respecto a la velocidad del impulsor. .Se dañan cuando operan en seco. Las sumergibles se necesitan sacar del pozo para su servicio de mantenimiento. Las corazas se corren cuando la calidad del agua es corrosiva. En medios abrasivos los impulsores se desgastan reduciendose la eficiencia de bombeo. Las superficiales tienen limitada la succión, necesitan “purgarse” y pueden congelarse con las heladas.

Tipos de bombas Sistemas de Bombeo Solar UNAM Tipos de bombas Sistemas de Bombeo Solar BOMBAS DE DIAFRAGMA

Tipos de bombas Sistemas de Bombeo Solar UNAM Tipos de bombas Sistemas de Bombeo Solar BOMBAS DE DIAFRAGMA VENTAJAS DESVENTAJAS La acción de bombeo es muy eficiente en un amplio rango para la velocidad del motor. Puede tolerar sedimentos. Su diseño permite mantenimientos sencillos con herramientas manuales. Su tamaño pequeño y ligero peso permiten su fácil remoción del pozo. Hay modelos tanto para superficie como para profundidad. En ambos casos puede ser usadas en aplicaciones temporales. El diafragma requiere de reemplazos periódicos. Muchos diseños usan motores con carbones por lo que su reemplazo debe ser periódico. Los sellos de las corazas tiene límites de profundidad. Estan diseñadas para cargas dinámicas moderadas (menos de 30 m). Algunos modelos no se pueden reconstruir.

Tipos de bombas Sistemas de Bombeo Solar UNAM Tipos de bombas Sistemas de Bombeo Solar BOMBAS DE CILINDRO

Tipos de Bombas Sistemas de Bombeo Solar UNAM Tipos de Bombas Sistemas de Bombeo Solar BOMBAS DE CILINDRO VENTAJAS DESVENTAJAS Son eficientes en un amplio rango de velocidad motor o propela. Pueden extraer agua a grandes profundidades. Tecnología muy simple y disponible. En algunos modelos la producción puede controlarse ajustando el pistón Requiere de cambios periódicos en los sellos del pistón. No tolera arena ni sedimentos. La eficiencia decrece con el envejecimiento de los sellos del pistón. Es necesario extraer el cilindro y el pistón para el servicio de mantenimiento.

INSTALACIONES FV TÍPICAS CON BOMBAS SUMERGIBLES UNAM

INSTALACIONES FV TÍPICAS CON BOMBAS DE SUPERFICIE UNAM CON BOMBAS DE SUPERFICIE

UNAM Bombas

Bombas SOLARJACK UNAM

Bombas SHURFLO UNAM

UNAM EJEMPLOS DE APLICACIONES DE BOMBEO FOTOVOLTAICO EN ZONAS RURALES SISTEMAS DE BOMBEO PEQUEÑOS SISTEMAS DE BOMBEO MEDIANOS Y Tamaño del arreglo FV: del orden de 160 GRANDES. W-p; de 1 a 4 módulos. Tamaño del arreglo FV mayor de 200 W-p; CARACTERÍSTICAS: desde 4 módulos. -Se requiere mantenimiento regular. CARACTERÍSTICAS: -Producción típica: 1000- 5000 LPD. -Requieren mínimo mantenimiento. -Con control automático se regula el -producen mas de 4000 LPD. volumen diario. -Puede dar servicio a sitios múltiples. -Ideales para un solo sitio. -Con control automático se regula la producción -Sistemas portátiles. a los sitios de consumo. Los sistemas pueden ser portátiles.

Estimación de sistemas de bombeo FV. UNAM Información necesaria: La recopilación de datos es DATOS IMPORTANTES: Ubicación, Acceso. Fuente de Agua: Noria, Pozo, Arroyo Profundidad, Nivel estático Abatimiento Capacidad de Almacenamiento. Altura de Descarga Carga dinámica total Demanda de Agua por día Rendimiento de la fuente. fundamental para el diseño . Uno de los factores que propician el mal desempeño de un SBFV es la falta de información o datos específicos necesarios para el dimensionamiento del sistema. Mala Información produce mal desempeño del sistema de Bombeo.

CRITERIOS DE SELECCIÓN UNAM FLUJO BAJO Y CDT BAJA A MEDIA: LA MEJOR OPCIÓN ECONÓMICA SON LAS BOMBAS DE DIAFRAGMA. FLUJO ALTO Y CDT BAJA A MEDIA: LA MEJOR OPCIÓN SON LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS SUMERGIBLES; SON MAS CARAS. PROBLEMA: NO HAY PRECIOS MODERADOS PARA BOMBAS SUMERGIBLES QUE PROPORCIONES FLUJOS MEDIOS PARA CDT BAJA A MEDIA. EJEMPLO: Se requieren extraer 1600 GPD con una CDT de 80’. ¿Cual es la opción? Sistema con Bomba de Diafragma grande, da 1400 GPD a un costo $2,500 a $3,000 usd. Sistema con Bomba sumergible pequeña, da 2100 GPD a un costo $5,000 a $6,000 usd. ¿COMO RESOLVER EL PROBLEMA? -Si es posible, disminuya su demanda de agua. -Bomba de cilindro: son mas caras que las de diafragma pero mas baratas que las centrífugas; pero requieren mas mantenimiento. -Sobredimensione su sistema de bombeo sumergible. Tendrá mas agua para otras aplicaciones.

Abastecimiento de Agua para consumo Humano y Animal Menos de 0.5 Km Más de 0.5 Km Distancia de la red Eléctrica Más de 1500 m4 Dotación Hidráulica Menos de 1500 m4 Menos de 3 Hrs-p Más de 3 Hrs-p Insolación Promedio diaria CONSIDERE UN SISTEMA CONSIDERE UN SISTEMA DE ENERGIA SOLAR CONVENCIONAL DE ENERGIA