Servicios Integrales de Ingeniería Industrial

El bombeo de agua mediante la energía solar fotovoltaica es una de las aplicaciones por excelencia de este tipo de energía. La razón de esta singularidad radica en que las instalaciones de bombeo proporcionan una atractiva solución para el suministro de agua para granjas, para regadío de cultivos o para el suministro de agua potable en traídas vecinales o comunitarias a través del aprovechamiento de los cauces de aguas subterráneas. La gran ventaja de estos sistemas, principalmente, residen en su simplicidad y el de no requerir la instalación de baterías para la acumulación de energía eléctrica, no se necesita suministro de combustible, son de muy bajo mantenimiento y automáticamente producen más agua cuando más horas de sol hay (que normalmente es cuando más agua se necesita).

En un sistema de bombeo fotovoltaico se transforma la energía eléctrica suministrada por un generador fotovoltaico (en adelante FV) en energía hidráulica: un cierto volumen de agua es elevado a una cierta altura donde, en muchos sistemas dependiendo de las necesidades, se podrá optar por la instalación de un depósito de almacenamiento de agua en un volumen de almacenamiento, que permita desligar las horas de producción fotovoltaica de los momentos de consumo de agua. La mayoría de las instalaciones individuales se centran en un rango de potencias desde 400W_p hasta 1.400W_p, correspondiendo a alturas de bombeo entre 5 y 60 metros y a un volumen de agua bombeado menor de 75m³/día.

En cuanto a las características fundamentales de uso de este tipo de instalaciones se puede decir que el abastecimiento de zonas rurales se caracteriza por una demanda casi constante a lo largo del año, mientas que las instalaciones de agua para riego varían mucho según el cultivo y la época del año.

Los principales factores que determinan la configuración de un sistema de bombeo FV son:

• Las condiciones hidráulicas (la profundidad del nivel del agua en el pozo bajo la superficie, la altura estática de elevación del agua por encima de la superficie, por ejemplo hasta un depósito, las pérdidas en tuberías, accesorios, etc…)
• La energía suministrada por el generador FV a lo largo del día, determinada por la radiación solar y las condiciones climatológicas de la ubicación y orientación

De acuerdo con estos factores, se pueden definir varias configuraciones de un sistema de bombeo FV: sumergible, flotante, con bomba centrífuga o de desplazamiento positivo, con motor de corriente continua o de corriente alterna, etc…

Los componentes esenciales de toda instalación son:

• Subsistema de generación o generador FV: está formado por el conjunto de los paneles solares fotovoltaicos. Incluso, si es posible, podría ser interesante combinarlo con generadores del tipo mini eólico.
• Subsistema motor-bomba: el motor puede ser de DC o de AC, si es de AC tendremos que colocar un inversor en el sistema.
• Subsistema de acondicionamiento de potencia: debido a que los paneles solares varían la intensidad y el voltaje generados en función de la radiación solar, es necesario colocar dispositivos de acondicionamiento de potencia para buscar el punto de máxima potencia y obtener un mayor rendimiento de la instalación. Los dispositivos de acondicionamiento de potencia pueden ser: convertidores DC/DC, inversores y reguladores
• Subsistema de acumulación y distribución: Ya que el sistema FV solo suministra energía durante las horas de sol tenemos dos opciones para poder disponer de agua en cualquier momento del día:  usar baterías (no deseable) o almacenar el agua en depósitos elevados que suministren el agua necesaria cuando la instalación fotovoltaica no genere.

Puede resultar interesante, si es viable, incluir una generación combinada con energía eólica de modo que las horas de no producción fotovoltaica las complemente la energía eólica.

• 

Para dimensionar correctamente un sistema de bombeo, en primer lugar, se ha de evaluar las necesidades de agua en función de la demanda diaria. Una vez definidas las necesidades de volumen de agua para cada mes del año se puede calcular la energía hidráulica mensual necesaria mediante la expresión: 

E_h=d.g.V.h

siendo:

Eh: energía hidráulica (Julios)

V: Volumen de agua (m³)

h: altura total, geométrica y pérdida de carga por la tubería (m)

d: densidad del agua (1000kg/m³)

g: aceleración de la gravedad (9,8 m/s²)

Para obtener h y escoger la bomba adecuada, hemos de calcular:

h = H_g + H_d

siendo

Hg: altura geométrica (desde el nivel del agua a bombear hasta el punto más alto)

Hd: altura dinámica (debido a caídas de presión por fricciones)

En cuanto al dimensionado del motor de la bomba de elevación del agua, éste debe ser capaz de soportar la potencia pico del generador fotovoltaico y por tanto, el valor de su potencia eléctrica de entrada debe ser, al menos, la del generador FV.

Para dimensionar la bomba hemos de obtener la potencia necesaria para elevar un caudal Q a una altura “h”, lo haremos utilizando la siguiente ecuación:

P = g ⋅Q⋅ h

Donde:

P: es la potencia hidráulica (W)

Q: es el caudal (l/s)

g: aceleración de la gravedad (9,8 m/s²)

h: altura total, geométrica y pérdida de carga por la tubería (m)

Finalmente se tendrá en cuenta el rendimiento mecánico del propio equipo de bombeo, de modo que se sobredimensionará el valor obtenido anteriormente, energía aportada al fluido,  teniendo en cuenta dicho rendimiento.

A modo de conclusión, decir que los sistemas de bombeo FV directamente conectados al generador, esto es, sin baterías, sin inversores y sin dispositivos de acondicionamiento de potencia son los más recomendados y con menos mantenimiento. Sin embargo, en determinados casos puede suceder que esta configuración no puede realizarse, normalmente porque la instalación es muy grande (mucha altura, mucho caudal, mucha potencia requerida…), lo cual requerirá de inversores y otros equipos adicionales.