1
Resumen Este trabajo presenta el análisis necesario para conformar un sistema de bombeo de agua que utiliza la energía solar para su funcionamiento; orientado primordialmente a utilizar herramientas matemáticas y computacionales que ayuden a mejorar el diseño, además de también predecir el comportamiento que tendrán
dichos sistemas. Se definirá cómo cómo
funcionan cada una de los componentes necesarios para montar un sistema de bombeo de agua con energía solar, además el tipo de conexión entre ellos; los cuales son paneles fotovoltaicos, bomba, motor y regulador de potencia. Definidos cada una de los componentes, se usarán las fórmulas matemáticas que rigen su comportamiento para desarrollar un modelo matemático que simule el sistema real interconectado, además se usarán programas computacionales para ayudar al diseño así como también ayudarán a la elección de los elementos del sistema. Con esta investigación se busca contribuir al desarrollo del país ya que la sequía que actualmente destruye las cosechas en el área rural podrá ser combatida y promover el uso de energías limpias, para no depender de tecnologías contaminantes como es el petróleo.
Abstract This paper present an analysis for the design of water solar pump system in Honduras, oriented primarily to utilize mathematical and computational tools that helps to make an efficient design. Besides also helps to predict the behavior for this kind of systems. It will be defined how it works every component used for f or this systems, also the way of connection between them; that are photovoltaic panels, pump and when each component is defined, using mathematical formulas that govern their behavior to develop mathematic model that simulated the real system interconnected, additional software programs may be used to aid the design and also help the choice of the system equipment to the designer. This investigation is looking for contribute to the development of our country, because one of the principal problems is the drought that is killing the harvest on the rural area, as well to foster the use of clean energies and leave the dependence on polluting technologies such as petroleum. 2
Resumen Este trabajo presenta el análisis necesario para conformar un sistema de bombeo de agua que utiliza la energía solar para su funcionamiento; orientado primordialmente a utilizar herramientas matemáticas y computacionales que ayuden a mejorar el diseño, además de también predecir el comportamiento que tendrán
dichos sistemas. Se definirá cómo cómo
funcionan cada una de los componentes necesarios para montar un sistema de bombeo de agua con energía solar, además el tipo de conexión entre ellos; los cuales son paneles fotovoltaicos, bomba, motor y regulador de potencia. Definidos cada una de los componentes, se usarán las fórmulas matemáticas que rigen su comportamiento para desarrollar un modelo matemático que simule el sistema real interconectado, además se usarán programas computacionales para ayudar al diseño así como también ayudarán a la elección de los elementos del sistema. Con esta investigación se busca contribuir al desarrollo del país ya que la sequía que actualmente destruye las cosechas en el área rural podrá ser combatida y promover el uso de energías limpias, para no depender de tecnologías contaminantes como es el petróleo.
Abstract This paper present an analysis for the design of water solar pump system in Honduras, oriented primarily to utilize mathematical and computational tools that helps to make an efficient design. Besides also helps to predict the behavior for this kind of systems. It will be defined how it works every component used for f or this systems, also the way of connection between them; that are photovoltaic panels, pump and when each component is defined, using mathematical formulas that govern their behavior to develop mathematic model that simulated the real system interconnected, additional software programs may be used to aid the design and also help the choice of the system equipment to the designer. This investigation is looking for contribute to the development of our country, because one of the principal problems is the drought that is killing the harvest on the rural area, as well to foster the use of clean energies and leave the dependence on polluting technologies such as petroleum. 2
Nomenclatura
A : área de sección transversal ( )
AC : corriente alterna (Amper)
DC : corriente directa (Amper)
V : voltaje(Volts)
Q : caudal (/ s)
h : altura ()
PA : potencia de la bomba (Watt, hp)
g : gravedad (⁄ )
ha : energía añadida ()
hf : energía perdida (m)
K : coeficiente de perdidas [ ]
: densidad (⁄)
: diámetro (m)
e : eficiencia (%)
f : factor de fricción [ ]
L : longitud (m)
: número de Reynolds [ ]
: peso específico del fluido (N/ )
P : potencia (Watt)
ri : radio interno (m)
ro : radio externo (m)
E: energía (W- día)
: rugosidad relativa (W)
: velocidad promedio (m/s)
: viscosidad dinámica (Pa*s)
δ: ángulo
n:
Número total de módulos fotovoltaicos
de declinación con respecto al suelo ( ) °
día del año en que se centrara el estudio
3
Energía requerida por el sistema. (KW)
Potencia pico del módulo (W/KW/m2)
Radiación global sobre una superficie inclinada a un ángulo (KWh/m2)
Factor de pérdidas (para este caso se considerara de 15%)
Índice de Figuras Figura 2-1: flujo en tuberías………………………... tuberías………………………...……………………………… ………………………………....…….17 …….17 Figura 2-2: sistema de flujo de fluido que ilustra la ecuación general de energía…. energía….……..19 Figura 2-3: corriente de tinta en flujo laminar………….…………………… laminar………….………………………………….20 …………….20 Figura 2-4: corriente de tinta en flujo turbulento………………………………………….21 Figura 2-5: Evolución de célula a panel y de panel a generador fotovoltaico……………22 fotovoltaico……………22 Figura 2-6: Sistema de bombeo solar acoplado con baterías………………………….....27 baterías………………………….....27 Figura 2-7: a) Volumen de agua bombeada por la bomba centrifuga a lo largo del día, b). Variación
de
caudal
en
función
de
la
radiación
recibida
por
el
generador………………………………………………………………………….………..29 Figura 3-1: 3-1: Algoritmo para calculo bomba requerida Propuesto…………….……………33 Figura 3-2: Angulo de declinación del panel fotovoltaico con respecto al suelo [13]……34 Figura 3-3: Ejemplos de arreglos PV, izquierda: Serie-Paralelo con diodos en derivación interna y fusibles en serie, derecha: Serie-Paralelo con central conectada a tierra Proporcionar+ y – y – suministros suministros (fusibles y diodos no se muestra) [13]………. [13]……….………….35
4
Tabla de contenido
1.
......................................................................................................................................... 6
1. Introducción y Objetivo del Trabajo ............................................................................... 6 1.1
Introducción ............................................................................................................. 7
1.2
Justificación del Trabajo de Investigación ............................................................... 8
1.3
Objetivo General ............................................................................................ .......... 9
1.3.1 1.4
Objetivos Específicos ....................................................................................... 9
Estructura del Informe ............................................................................................. 9
2. 2 ..................................................................................................................................... 10 2.1
Planteamiento y Formulación del Problema .......................................................... 11
2.2
Antecedentes .......................................................................................................... 12
2.3
Marco Referencial .................................................................................................. 13
2.3.1
Hidráulica ....................................................................................................... 13
2.3.2
Energía Solar Fotovoltaica ............................................................................. 19
2.3.3
Bombas solares para agua............................................................................... 20
2.3.4
Sistema de Bombeo Solar Acoplado con Baterías ......................................... 24
2.3.5
Sistema de Bombeo Solar con Acoplamiento Directo ................................... 24
2.4
Hipótesis de la Investigación ................................................................................. 27
3. 3 ..................................................................................................................................... 28 3.1
Metodología de la solución .................................................................................... 29
4. 4 .....................................................................................¡Error! Marcador no definido. 4.1
Contribuciones o Aportes Esperados ..................................................................... 35
5. 5 ..................................................................................................................................... 36 5.1
Referencias Bibliográficas ..................................................................................... 37
6. 6 ..................................................................................................................................... 39
5
Capítulo 1 1. Introducción y Objetivo del Trabajo
6
1.1
Introducción
Actualmente la fuente primaria de generación de energía es el petróleo y siendo este un recurso limitado y costoso, se ha comenzado a estudiar las tecnologías renovables para que esta sea una alternativa de generación de energía. Un gran auge que se está presentando en el ámbito renovable es la implementación de estas, para suplir necesidades en comunidades aisladas de la red eléctrica. Una de estas necesidad es la de proveer agua para riego y uso domésticos en estas comunidades. Esta investigación está orientada a fomentar el uso de bombeo solar para suplir la necesidad de este vital líquido. Se busca diseñar un modelo físico-matemático de un sistema de bombeo de agua alimentado con energía solar, que facilite y optimice el diseño de este tipo de sistemas. Al estudiar los mapas de radiación anual de Honduras, vemos que somos un país de los mejores candidatos para este tipo de generación de energía; dejamos de contaminar y construimos sistemas que no dependan de costos elevados para su operación. El modelo utilizado en este estudio permite conocer el comportamiento del sistema cada uno de sus componentes, al conocer los parámetros del sistema se generan los datos necesarios para calcular la potencia en el motor de la bomba, por tanto podremos calcular el arreglo fotovoltaico y su configuración. Con este análisis se construyó el algoritmo que permitirá la programación y simulación del sistema de bombeo de agua con energía solar.
7
1.2
Justificación del Trabajo de Investigación
La generación de energía limpia usando fuentes renovables, se ha vuelto uno de los principales problemas que afectan a todas las naciones del mundo, ya que se buscan sistemas que sean eficientes y más amigables con el medio ambiente. Honduras no es la excepción y una de las principales necesidades que se presentan en nuestro país, es la de suministrar un servicio vital como es el agua a comunidades rurales aisladas del sistema eléctrico nacional, donde es de suma importancia comenzar a desarrollar sistemas de riego para los cultivos; es así que se podrá combatir los cambios climáticos que afectan actualmente a nuestro país ocasionando un desabastecimiento de granos y alimentos básicos, esto debido a sequías prolongadas en diferentes zonas rurales del país. Es por las razones antes mencionadas, que proponemos esta investigación con la cual buscamos utilizar energía solar para extraer agua del subsuelo y abastecer de un recurso tan vital a comunidades aisladas; Honduras es un país con un recurso de irradiación solar abundante y debe ser aprovechado. Proponemos un análisis matemático que servirá para hacer diseños efectivos y más eficientes, en lapsos de tiempo más cortos. El sistema actual hondureño no cuenta con la suficiente penetración de energías renovables, actualmente solo un 38% de la energía generada viene de estas fuentes [1]. Por esta situación al analizar las deudas en que se ha sumido el país por el uso del petróleo y el deterioro de nuestro medio ambiente por el uso de este tipo de generación; deja de ser una necesidad sino, más bien es imperativo buscar otras formas alternativas de generación.
8
1.3
Objetivo General
Desarrollar un modelo físico-matemático de bombeo de agua utilizando energía solar; que facilite el diseño y mejorar la eficiencia de estos sistemas, además promover el uso de esta tecnología en comunidades rurales del país.
1.3.1 Objetivos Específicos
Desarrollar un análisis con las tecnologías disponibles en el campo de la energía solar, que se puedan implementar al bombeo de agua en comunidades aisladas de la red eléctrica en Honduras.
Desarrollar y definir las ecuaciones matemáticas que definen el comportamiento de cada componente del sistema.
Desarrollar un modelo físico-matemático para que pueda ser simulado por computadora.
1.4
Estructura del Informe
Capítulo I. En el primer capítulo se presenta una descripción general de la investigación, también se muestran los factores que la motivaron o justifican, así como también los objetivos que se esperan alcanzar.
Capítulo II. El segundo plantea el problema objeto de la investigación, la revisión bibliográfica se plasma en trabajos previos con el tema de investigación, además de definir el marco teórico a utilizar.
Capítulo III. En el tercer capítulo se presenta de manera estructurada y secuencial, la propuesta de solución al problema de investigación, incluyendo la modelación matemática necesaria.
Capítulo IV. El cuarto capítulo plasma las principales contribuciones al conocimiento que se obtendrán de la investigación.
Capítulo V. Bibliografía 9
Capítulo 2 Análisis del Problema
2. 2
10
2.1
Planteamiento y Formulación del Problema
En Honduras según el Instituto Nacional de Estadística (I.N.E.) el total de la población se divide en 45.93% en el área urbana y un 54.07% en el área rural, según datos de la misma encuesta en el país un 56.60% de los clientes del servicio de energía eléctrica están ubicados en el área urbana y un 43.40% de los mismos, están concentrados en el área rural.[2] Este problema ha ocasionado que las tareas cotidianas, que deberían de ser más sencillas se vuelvan complicadas en el área rural; por ejemplo: el principal combustible que se utiliza en el área rural es la leña [3], lo que ocasiona graves problemas de salud, así como también, contaminación ambiental y calentamiento global. La utilización del agua para uso humano, animal y de irrigación se ve muchas veces comprometido debido principalmente a las dificultades de bombeo y distribución, especialmente en las localidades situadas en lugares remotos y de difícil acceso. En las regiones que no cuentan con provisión convencional de energía, la distribución de agua se hace, en muchos casos, a través del accionamiento de motores diesel o manualmente. En estos casos los conjuntos de motores y bombas accionadas a través de sistemas fotovoltaicos ofrecen una serie de ventajas sobre aquellos sistemas basados en la utilización del petróleo, entre las cuales se destaca el costo, que es menor en estos sistemas que en aquellos donde la compra y traslado del combustible hasta el lugar de utilización y los gastos de manutención los hacen menos rentables, a la vez que resultan con menor vida útil. El uso de la tecnología fotovoltaica para bombeo de agua no precisa de almacenamiento de energía en baterías para su uso posterior, ya que el agua bombeada puede ser usada durante el día o, guardarse en depósitos elevados para su futuro empleo. Para poder combatir los problemas que ocasionan las sequias y proveer a las comunidades rurales de un servicio tan vital para el ser humano como es el agua, de una manera predecible y constante; además de contar con agua para riego de cultivos podrán contar con agua para uso doméstico. Proponemos como solución, el diseño de un sistema de bombeo de agua subterránea utilizando energía solar. Podemos hacer los diseños más eficientes y en menos tiempo, modelando las ecuaciones que rigen el comportamiento de los dispositivos del sistema, logrando con esto, utilizar herramientas computacionales modernas para lograr diseños más efectivos.
11
2.2
Antecedentes
La revisión exhaustiva de la bibliografía a utilizar en esta investigación, nos ha llevado a encontrar muchos trabajos de las tecnologías involucradas en nuestra investigación, entre ellos podemos mencionar: artículos donde se analiza el comportamiento dinámico de un motor directamente conectado a un panel solar [4], existen también análisis de inversores controlados por microprocesadores [5], convertidores específicos para sistemas fotovoltaicos [6], análisis de sistemas directamente acoplados de bombeo de agua con energía solar [7] , modelado matemático de diferentes partes del sistema [8], [9]. En este trabajo de investigación buscamos hacer un análisis matemático de cada una de las partes que conforman un sistema de bombeo de agua con energía solar, para las zonas rurales de Honduras. La utilización del agua para uso humano, animal y de irrigación se ve muchas veces comprometido debido principalmente a las dificultades de bombeo y distribución, especialmente en las localidades situadas en lugares remotos y de difícil acceso. En las regiones que no cuentan con provisión convencional de energía, la distribución de agua se hace, en muchos casos, a través del accionamiento de motores diesel o manualmente. En estos casos los conjuntos de motores y bombas accionadas a través de sistemas fotovoltaicos ofrecen una serie de ventajas sobre aquellos sistemas basados en la utilización del petróleo, entre las cuales se destaca el costo, que es menor en estos sistemas que en aquellos donde la compra y traslado del combustible hasta el lugar de utilización y los gastos de manutención los hacen menos rentables, a la vez que resultan con menor vida útil. El uso de la tecnología fotovoltaica para bombeo de agua no precisa de almacenamiento de energía en baterías para su uso posterior, ya que el agua bombeada puede ser usada durante el día o, guardarse en depósitos elevados para su futuro empleo. Para que un sistema de bombeo funcione con éxito es importante conocer en profundidad el comportamiento de todos los componentes acoplados al generador fotovoltaico y el valor de la radiación solar incidente en el lugar de instalación [10]
12
2.3
Marco Referencial
2.3.1 Hidráulica 2.3.1.1 Propiedades de los Fluidos Un fluido es una substancia que fluye porque las partículas que lo componen no se encuentran unidas de forma rígida. Esta definición incluye principalmente a líquidos y gases. Las principales propiedades que presenta un fluido son:
Temperatura: es la medida de la actividad molecular de una substancia, a mayor actividad es mayor la temperatura. Es común relacionarlo con la cualificación de qué tan caliente o frío se encuentra una substancia.
Presión: es la medida de la fuerza ejercida por unidad de área en la superficie externa del fluido.
Volumen específico: es el volumen de fluido que contiene una unidad de masa del mismo. Densidad: es la masa que tiene una unidad de volumen del fluido. Flotabilidad: la tendencia de un cuerpo a flotar o suspenderse en un fluido cuando se encuentra sumergido en éste.
Compresibilidad: es la medida del cambio en volumen que una sustancia sufre cuando existe presión sobre ella. En el caso de fluidos, los líquidos son considerados incompresibles y los gases como compresibles.
Viscosidad: es la medida de la resistencia de un fluido a deformarse debido a una fuerza cortante. Se debe a la fricción entre las capas internas del fluido, la cual produce una resistencia a fluir.
2.3.1.2 Conceptos Básicos del Movimiento de los Fluidos 2.3.1.2.1 Ecuación de la continuidad En la Hidráulica, el término más importante por ser el de mayor uso es el de rapidez de flujo de volumen, que se refiere al volumen del flujo de fluido que pasa por una sección por unidad de tiempo y se calcula con la siguiente ecuación: 13
Q vA
(1)
El método para calcular la velocidad de flujo de un fluido en un sistema de conductos cerrados depende del principio de continuidad. Si se considera la Figura 2-1, el fluido fluye de la sección 1 a la sección 2 con una rapidez constante; es decir que la cantidad de fluido que pasa por cualquier sección en un tiempo dado es la misma, lo cual se puede expresar en términos de rapidez de flujo de masa como: 1v1 A1 2v2 A2
(2)
Figura 2-1 flujo en tuberías Si el fluido que se encuentra en el sistema es incompresible, entonces su densidad no varía, obteniéndose así la siguiente ecuación: A1v1 A2v 2 Q1 Q2
(3)
2.3.1.2.2 Ecuación de Bernoulli La energía total del fluido sería la suma de su energía potencial, energía cinética y energía de flujo, referidas a un mismo punto e instante. La ecuación de Bernoulli se basa en la conservación de la energía, es decir que la energía total del fluido en un punto debe ser igual a la energía total del fluido en otro punto, así se plantea lo siguiente:
14
E1 E 2 Z1
v12 2 g
p1
Z 2
v22 2 g
p2
(4)
Esta es la expresión de la ecuación de Bernoulli, siendo las expresiones parciales conocidas como cabezas: de elevación, de velocidad y de presión respectivamente.
2.3.1.2.3 Ecuación General de la Energía En Hidráulica, la ecuación general de la energía considera los efectos de tener dispositivos mecánicos en el sistema y las pérdidas de energía debido al rozamiento. El efecto que tienen los dispositivos mecánicos en un sistema de flujo se dividen en dos tipos, unos entregan energía al fluido y otros por el contrario reciben energía del mismo. Por ejemplo, una bomba es un elemento que entrega energía a un fluido y, por otro lado, un motor hidráulico y una turbina, son equipos que reciben energía del fluido. Un fluido en movimiento ofrece una resistencia de fricción al flujo. Parte de la energía del sistema se convierte en energía térmica, la cual se disipa por las paredes del conducto que contiene al fluido. La magnitud de la pérdida de energía depende de las propiedades del fluido, la velocidad de flujo, el tamaño del conducto, y la longitud del mismo. La energía añadida se simboliza como ha, la energía retirada como hr y la energía perdida como hl. Manteniendo el principio de conversión de energía, estas expresiones se añaden a la ecuación de Bernoulli de la siguiente manera:
15
Figura 2-2 sistema de flujo de fluido que ilustra la ecuación general de energía
E1' h A E2' hL hR Z1
v12 2 g
p1
h A hL hR Z 2
v22 2 g
p2
(5)
2.3.1.2.4 Potencia Requerida por la Bomba P A hA Q
(6)
2.3.1.3 Análisis de flujo en tuberías El flujo de un fluido puede clasificarse en dos grupos: laminar y turbulento. Es necesario conocer el tipo de régimen de flujo para el diseño y operación de cualquier sistema. La cantidad de fricción del fluido, que permite conocer la cantidad de energía necesaria para mantener una rapidez de flujo deseada en un sistema, depende del tipo de flujo. El régimen de flujo puede determinarse mediante la evaluación del número de Reynolds. Este parámetro es un número adimensional producto de la relación de distintas características físicas del flujo y su ecuación es la siguiente: 16
N R
v
(7)
Si el valor obtenido del número de Reynolds es menor a 2000, corresponde a flujo laminar; si toma un valor mayor a 3500, entonces se refiere a un régimen turbulento; y si Re está en el intervalo entre 2000 y 3500, se conoce como flujo en transición. El número de Reynolds sirve para determinar el factor de fricción. En forma práctica, se utiliza el Diagrama de Moody; en el cual se ingresa con el valor Re y según el tipo de flujo y la rugosidad de tubería se puede determinar fácilmente el factor de fricción (f).
2.3.1.3.1 Flujo laminar f
64 N R
(8)
Figura 2-3 corriente de tinta en flujo laminar
17
2.3.1.3.2 Flujo turbulento f
0.25
1 5.74 0.9 log 3.7 / N R
2
(9)
Figura 2-4 corriente de tinta en flujo turbulento 2.3.1.4 Perdidas El factor de fricción depende del número de Reynolds y de la rugosidad relativa de la pared interna del tubo ⁄. Con estos dos parámetros se ingresa en el Diagrama de Moody [anexos] para conocer el valor de tal factor. Otra forma de calcular la cabeza de pérdidas es aplicando la ecuación de Darcy en función de la longitud del tubo: h L
fLv
2
2 g
(10)
Las pérdidas que ocurren en accesorios y válvulas se conocen como pérdidas menores. Se las puede calcular mediante la ecuación de Darcy para pérdidas menores, en la cual se incluye el coeficiente de pérdidas k, el cual es tabulado en diferentes tablas: h L
kv2 2 g
(11)
Estas pérdidas no son relevantes; ya que son mínimas en comparación con el sistema. [11] 18
2.3.2 Energía Solar Fotovoltaica Las celdas fotovoltaicas están hechas de materiales semiconductores que pueden convertir la luz del sol directamente en electricidad. La luz incidente en las células libera electrones dentro del material, los cuales se mueven para producir una corriente eléctrica directa (DC). Las células fotovoltaicas se combinan para hacer módulos, los cuales se encierran en vidrio o plástico transparente. Los módulos se juntan para componer un panel, cuyo tamaño varía según la aplicación específica. La mayoría de las células fotovoltaicas comerciales están hechas de sílice y vienen en tres tipos generales: monocristalinas, multicristalinas y amorfas. Las células monocristalinas se componen de secciones de un único cristal de silicio que son reconocibles por su forma circular o rectangular. Este tipo de célula es la más eficiente, con aproximadamente 15% de eficiencia (eficiencia se define como la fracción de la energía del sol que es convertida a energía eléctrica), pero al mismo tiempo es la más cara de producir.
Figura 2-5 Evolución de célula a panel y de panel a generador fotovoltaico Los paneles fotovoltaicos son instalados de modo que maximicen la cantidad de exposición directa al sol. Esto significa instalarlas en áreas libres de sombras de edificios y árboles, con orientación hacia el norte en el hemisferio sur (hacia el sur en el hemisferio norte) e inclinadas en un ángulo igual a la latitud del lugar. Si los paneles se usan estacionalmente, así como muchos de los sistemas de bombeo solar que actualmente existen, entonces se puede usar un tracker para inclinar el panel en la medida que el sol se mueve en el cielo. Esto puede incrementar el volumen de agua bombeado en un 40% en verano y en un 5 – 10% en invierno comparado con un panel fijo. Con un sistema de tracking se puede usar una bomba más pequeña o menor área de paneles para reducir el 19
costo total. Los trackers pueden ser activos o pasivos. El tracking funciona mejor en tiempos soleados y despejados y no debería usarse en áreas con mucho viento. [11]
2.3.3 Bombas solares para agua Uno de los usos más comunes para los sistemas fotovoltaicos es el bombeo de agua, especialmente cuando el agua a bombear se encuentra a largas distancias de la red eléctrica. Bombeo de agua no necesita un acoplamiento de baterías a menos que la fuente de agua no sea adecuada para satisfacer las necesidades de agua durante los periodos picos de luz solar. Un sistema de bombeo alimentado por energía solar está compuesto de dos componentes básicas. La primera, son los paneles fotovoltaicos que proporcionan la potencia. Cada panel está compuesto por varias células solares las que producen corriente directa (DC) cuando se exponen a la luz. Esta corriente DC es recolectada por el cableado en el panel. Luego, es abastecida a una bomba DC que bombea agua mientras el sol brille, o almacenada en baterías para su posterior uso por las bombas. También puede usarse un convertidor de frecuencia DC/AC para usar una bomba con un motor de inducción de corriente alterna. Los fabricantes de paneles normalmente miden el voltaje (Volts) y la corriente de salida (Amperes) de los paneles bajo condiciones de potencia pico. La potencia pico (Watts = Volts x Amperes) es la máxima potencia que se puede obtener del panel fotovoltaico con una radiación solar de 1000 W/m2 y una temperatura de 25°C. Típicos voltajes y corrientes de salida para un panel de 60 W se muestran en la siguiente tabla. La corriente DC producida por un panel fotovoltaico es mucho más sensible a la intensidad de la luz incidente en el panel que el voltaje. Gruesamente, si la intensidad de luz se reduce a la mitad, la corriente DC también se reduce a la mitad y el voltaje se reduce muy poco.
Tabla 2-1 Voltaje y corriente de salida típicas para un panel 60 W-12W Máxima potencia
60 Watts
Máximo voltaje
16.9 Volts
Máxima corriente
3.55 Amps
20
Un panel fotovoltaico individual puede ser conectado en serie o en paralelo con otros similares para obtener el voltaje o corriente requeridos para hacer funcionar la bomba. El voltaje de salida de paneles conectados en serie es la suma de todos los voltajes producidos en cada uno de los paneles. Por ejemplo, el máximo voltaje de salida de dos paneles de 60W – 12V mostrados en la tabla 1.1 conectados en serie es 33,8 Volts. Con esto, una bomba DC de 24 Volts requiere un mínimo de dos paneles 12V conectados en serie. La corriente de salida de estos paneles en serie es igual a la corriente de salida de un panel individual, 3,55 Amps. El voltaje y corriente de salida de paneles conectados en paralelo es el opuesto de los paneles conectados en serie. La corriente de salida es la suma de todas las corrientes (amps) de cada uno de los paneles y el voltaje de salida es igual al voltaje producido por un panel individual. La otra componente principal de estos sistemas es la bomba. Las bombas eléctricas que se conectan a la red eléctrica con corriente alterna (AC), normalmente no están hechas para operar en forma muy eficiente porque no hay limitación de la potencia disponible. Las bombas solares están diseñadas para usar la corriente directa (DC) proporcionada por un panel fotovoltaico o un conjunto de baterías, aunque algunas versiones más nuevas usan un motor de corriente alterna con frecuencia variable y un controlador de corriente alterna de tres fases que les permite ser alimentadas directamente por los paneles solares. Debido a que los paneles fotovoltaicos son caros y su generación de potencia puede ser variable, las bombas solares tienen que ser en lo posible muy eficientes, esto es, tienen que maximizar los litros de agua bombeados por watt o unidad de electricidad usada. También deben ser capaces de bombear durante condiciones de baja luz (baja potencia). Existen dos tipos de bombas usadas en aplicaciones solares: las bombas centrífugas y las bombas de desplazamiento positivo. Las bombas centrífugas usan un impulsor rotatorio que pone el agua en movimiento. Una bomba centrífuga multietapa tiene una serie de impulsores apilados y cámaras. Las bombas centrífugas comienzan a trabajar gradualmente y su flujo de salida se incrementa con la cantidad de corriente. Por esta razón, éstas pueden ser conectadas directamente al panel fotovoltaico sin incluir baterías. Sin embargo, cuando es operada a baja potencia (debido a menor intensidad de luz) la cantidad de agua bombeada por las bombas centrífugas se reduce dramáticamente. Es por esto que las bombas centrífugas se usan en aplicaciones solares normalmente con tracking en los paneles. En general, las bombas centrífugas son recomendadas para caudales altos 21
(necesidad diaria de agua) y alturas dinámicas bajas. El otro tipo de bombas usadas en aplicaciones solares son las bombas de desplazamiento positivo, las cuales traen el agua dentro de una cámara para luego forzarla hacia arriba mediante un pistón o tornillo helicoidal. Estos tipos de bombas bombean de forma más lenta la bomba centrífuga (caudales más bajos), pero tienen buen desempeño bajo condiciones de baja potencia y pueden alcanzar gran altura. Su diseño les permite mantener su capacidad de elevación durante todo el día con condiciones de velocidad cambiantes que resultan de condiciones cambiantes de luz. Hay disponibles bombas solares de tipo sumergible y superficial. Una bomba sumergible se coloca bajo el nivel de agua, por ejemplo dentro de un pozo. Una bomba de este tipo tiene la ventaja de no presentar problemas de congelamiento ni de aplicación de cebado. Una bomba superficial se monta al nivel de agua, ya sea adyacente a la fuente de agua o, en el caso de una bomba flotante, por encima del agua. Las bombas superficiales son menos caras que las bombas sumergibles pero no son aptas para succión ya que no pueden ubicarse a más de 20 pies verticales desde la fuente de agua (ya que podrían generar eventualmente problemas de cavitación). Las bombas superficiales son excelentes para empujar agua grandes distancias horizontales. Las bombas solares están disponibles en un amplio rango de tipos y tamaños. La bomba adecuada para cierta aplicación está determinada después de un cuidadoso cálculo de necesidades o demanda de agua. Las bombas solares más chicas requieren menos de 150 Watts y pueden bombear 1,5 galones por minuto (aprox. 0,1 l/s). En 10 horas de sol de un día de un mes caluroso como Enero o Febrero, tal sistema puede bombear hasta 900 galones por día (3,3 m3). Por ejemplo, una bomba sumergible con 300 Watts en paneles puede producir más de 4 m3 al día desde un pozo de 50 metros de profundidad. La bomba de corriente alterna equivalente HP 240 VAC requeriría 2000 Watts de paneles, un inversor y baterías para realizar el mismo trabajo. Existen otras opciones para bombear agua en zonas remotas. Éstas, sus ventajas y desventajas están listados en la siguiente tabla. La clave de un sistema fotovoltaico es el poco trabajo que requiere y el bajo costo de mantenimiento comparado con otras opciones, lo que a largo plazo lo convierte en el sistema más conveniente, excepto donde la alimentación por gravedad está disponible. Un estudio hecho por la Oficina de Administración del Suelo en Battle Mountain, Nevada, EE.UU. comparó bombeo solar con bombeo mediante generador diésel. Para un caudal de bombeo de 3,8 gal/min (0,23 l/s) con 22
una altura de bombeo de 275 pies (84 m), el costo del sistema fotovoltaico a lo largo de 20 años fue igual al 64% del costo del sistema con generador en 10 años, además que la cantidad de horas de trabajo invertidas en el primero fue el 14% de las horas invertidas en el segundo. Otro estudio mostró que el bombeo solar en zonas alejadas o rurales es la mayoría de las veces más conveniente que el bombeo mediante generadores. El costo inicial de los generadores es menor, pero requieren constante mantenimiento y tienen una vida útil de 1500 horas. Un sistema de bombeo solar pequeño y de mediano tamaño cuesta menos que un motor generador durable de baja velocidad. Las ventajas de la energía solar para bombeo de agua hacen de este sistema el más idóneo para dicha función:
Se da una excelente coincidencia entre la mayor radiación solar existente con el periodo de mayor necesidad de riego.
Extrae el agua sin gastos energéticos y no requiere apenas mantenimiento.
Funciona con total fiabilidad y de una forma especialmente cómoda para el usuario.
No emite ninguna contaminación al medio. La duración de un panel fotovoltaico supera los 40 años de vida.
Existen dos tipos básicos de sistemas de bombeo activados por energía solar y son, acoplado con baterías y directamente acoplado. Varios factores deben considerarse para determinar cuál de estos sistemas es el óptimo para una situación particular. El primero de ellos se basa en el almacenamiento de energía mientras el segundo se basa en el almacenamiento de agua.
23
2.3.4 Sistema de Bombeo Solar Acoplado con Baterías Este sistema consta de paneles fotovoltaicos, regulador de carga, baterías, controlador de bomba, interruptor de presión, tanque de presión y bomba DC. La corriente eléctrica producida por los paneles durante las horas de sol carga las baterías, las que luego abastecen de poder a la bomba para bombear agua cuando se necesite. El uso de baterías extiende el bombeo por un largo período de tiempo, proveyendo un voltaje de operación constante al motor DC de la bomba. Por lo tanto, durante la noche y días de poca luz, el sistema puede proveer un caudal de agua constante.
Figura 2-6 Sistema de bombeo solar acoplado con baterías El uso de baterías tiene algunas desventajas. Primero, éstas pueden reducir la eficiencia del sistema completo debido a que el voltaje de operación es controlado por las baterías y no por los paneles. Dependiendo de su temperatura y de cuan bien están cargadas, el voltaje abastecido por las baterías puede ser de 1-4 Volts menor que el voltaje producido por los paneles durante condiciones de máxima luz solar lo cual se traduce en menor energía proporcionada.
2.3.5 Sistema de Bombeo Solar con Acoplamiento Directo En estos sistemas, el generador fotovoltaico se conecta directamente al circuito de utilización y no disponen de sistema de acumulación de energía eléctrica. Se utilizan en aplicaciones donde el uso de la energía eléctrica se puede limitar a los momentos en los que hay radiación solar. La corriente generada en los paneles fotovoltaicos es enviada directamente a la bomba. Este sistema está diseñado para bombear agua sólo durante el día. 24
La cantidad de agua bombeada depende directamente de la cantidad de luz solar incidente en los paneles y el tipo de bomba. Debido a que la intensidad de luz y el ángulo en el cual incide en los paneles cambian durante el día, la cantidad de agua bombeada también cambia durante el día. Por ejemplo, durante periodos de óptima luz solar (desde las últimas horas de la mañana hasta las primeras horas de la tarde en días soleados y radiantes) la bomba opera cercana o en su 100% de eficiencia con un caudal máximo de agua. Sin embargo, durante las primeras horas de la mañana y las últimas horas de la tarde, la eficiencia de la bomba puede disminuir en un 25% o más bajo esas condiciones de baja luz. Durante días nublados, la eficiencia de la bomba disminuirá aún más. Para compensar estas variables se requerirá tomar en cuenta un buen diseño. El caudal obtenido depende la radiación, es decir que, a lo largo del día las variaciones de radiación repercuten en el caudal bombeado. A través de un análisis gráfico es posible distinguir tres áreas diferentes delimitadas por las curvas de radiación, de caudal y por los ejes cartesianos. En la primera, que se denomina región de radiación inicial y en la que no hay bombeo, representa las primeras horas de sol en el día; revela niveles de radiación en aumento, pero que no son aptos para generar potencias de salida que permitan vencer la resistencia producida por la fricción y por la altura estática de la instalación estudiada. Con el transcurrir de las horas, la radiación aumenta hasta lograr un valor capaz de generar una potencia que accione el motor de la bomba. Este valor corresponde a un mínimo por debajo del cual no existe el bombeo y se denomina umbral útil o frontera útil de radiación. Este valor es el nivel crítico de radiación para el cual la potencia generada por los módulos fotovoltaicos permite superar las resistencias e iniciar el bombeo. Al mediodía se da el valor máximo de radiación, que normalmente corresponde también al valor de máximo caudal. Hacia las horas de la tarde, se produce la disminución progresiva de la radiación hasta llegar a un valor mínimo, por debajo del cual cesa el bombeo. Este último valor se designa como umbral útil final o frontera útil final de radiación. En la última área, denominada región de radiación final y que correspondería a las horas en que concluye la tarde, no se produce bombeo. Esta región se caracteriza por presentar niveles de radiación decrecientes y la corriente y tensión no son capaces de generar una potencia de salida suficientemente elevada como para vencer el conjunto de resistencias impuesto por el sistema y continuar el bombeo.[12]
25
(a)
(b) Figura 2-7. a) Volumen de agua bombeada por la bomba centrifuga a lo largo del dia b). Variación de caudal en función de la radiación recibida por el generador. Este análisis grafico nos permite conocer cómo será el comportamiento de este tipo de sistemas y maximizar la eficiencia del diseño.
26
2.4 o
Hipótesis de la Investigación
Existe ya en nuestro país la tecnología necesaria para aplicarse en un sistema de bombeo con energía solar.
o
Podemos diseñar un modelo físico-matemático de las partes que conforman un sistema de bombeo de agua con energía solar.
o
Se pueden utilizar dichos modelos para optimizar el tiempo de diseño y que sean más eficientes.
27
Capítulo 3 Metodología de Solución
3.
3
28
3.1
Metodología de la solución
Al diseñar un sistema de bombeo de agua, es necesario determinar una serie de parámetros con el fin de dimensionar adecuadamente los componentes del sistema. En primer lugar, las necesidades diarias de agua deben ser determinadas. En segundo lugar, la fuente debe ser caracterizada en términos de agua disponible y la distancia vertical sobre la que debe ser bombeada el agua. Una vez conocidos estos factores, junto con el número de horas por día disponibles para el bombeo, la velocidad de bombeo se puede determinar. La velocidad de bombeo junto con la altura de bombeo es igual a la potencia de bombeo, una vez más el producto de una cantidad de presión con una cantidad de flujo. La potencia de bombeo puede entonces ser convertido en caballos de fuerza por lo que el tamaño del motor de la bomba se puede determinar. Como primer paso para definir el diseño de nuestro sistema, debemos definir el caudal (Q) y el área (A) de la tubería a utilizar para con la ecuación (1) encontrar el valor de la velocidad (v); esta será la velocidad máxima para la tubería. Como podemos observar en las ecuaciones (2) y (3) el flujo será el mismo para dos puntos cualquiera de la tubería. Para utilizar la ecuación (5) definimos como referencia un punto de succión antes de la bomba y un punto de descarga, que será la entrada al tanque de abastecimiento. Utilizando la ecuación (3) obtenemos la velocidad ( ) En el punto de descarga. Con la selección de estos puntos ya conocemos el valor de; presión en el punto de succión ( ); elevación del punto de succión ( ); la velocidad en el punto de succión. En el punto de descarga también se conocen; . Para calcular utilizamos la ecuación (10) que es el termino faltante en (5), para esto utilizamos (7) si, < 2000, el flujo es laminar y utilizamos (8) o si, > 4000, entonces el flujo es turbulento y utilizamos (9). Ahora despejando en (5) obtenemos el valor de . Con este valor obtenemos la potencia de la bomba requerida con la ecuación (6)
29
Al tener la potencia requerida en la bomba; podemos empezar a calcular el arreglo fotovoltaico necesario. El primer dato a buscar será el ángulo de desviación solar llamado declinación, δ. Esto nos dara el angulo con respecto al suelo al que se debe colocar nuestro panel solar. 360 n 180 365
23.45sin
(12)
Figura 3-1. Angulo de declinación del panel fotovoltaico con respecto al suelo [13] Usando el mapa de radiación solar anual en Centroamérica provisto por el National Renewable Energy Laboratory (NREL) [14]; el diseñador podrá conocer la radiación de la zona donde desea instalar el sistema y así calcular el número de módulos necesarios para suplir la carga dada. N T
E T P P Gm P G
(13)
La configuración de la conexión de paneles se recomienda en paralelo, ya que se busca eficientar el sistema obteniendo la misma potencia.
30
Figura 3-2. Ejemplos de arreglos PV, izquierda: Serie-Paralelo con diodos en derivación interna y fusibles en serie, derecha: Serie-Paralelo con central conectada a tierra Proporcionar + y - suministros (fusibles y diodos no se muestra) [13] Factores a tener en cuenta a la hora de realizar una instalación solar fotovoltaica para el bombeo de agua Para poder llevar a cabo con éxito la ejecución y la explotación de un sistema de bombeo fotovoltaico es preciso tener en cuenta determinados aspectos:
Conocer la cantidad de agua necesaria: En primer lugar es importante tener un conocimiento lo más preciso posible del volumen de agua real que es necesario bombear. Es habitual que hasta los propios usuarios desconozcan la cantidad precisa que utilizan. Una mala estimación puede llevar a diseñar una instalación solar para un volumen que puede llegar a resultar insuficiente. Es recomendable contar con un especialista en la materia que ayude a determinar la cantidad de agua adecuada. Este tipo de instalaciones se dimensionan en función del volumen de agua que se requiere y de la radiación solar disponible. Si el volumen de agua es insuficiente será imposible dejar la bomba más tiempo funcionando ya que no habrá más radiación solar que las horas de Sol que tiene el día. También puede ser interesante calcular un volumen extra de agua de reserva para los días en los que no pueda haber Sol. Para esto habrá que realizar un dimensionado en función de las 31
estadísticas de días consecutivos sin Sol de la zona donde se esté la instalación. Afortunadamente en este tipo de instalaciones se da la coincidencia de que cuando hay Sol (y por lo tanto más calor y necesidad de agua, más transpiración) es cuando también hay más energía disponible para bombearla del subsuelo.
Determinar adecuadamente la profundidad del pozo en todas las estaciones: Es importante conocer el nivel del agua en el interior del pozo en los momentos de abundancia (Etapas lluviosas) y en los de escasez (sequías). Si no se tiene en cuenta este aspecto puede ocurrir que en los momentos de sequía, con el nivel del agua bajo, la bomba carezca de potencia suficiente para bombear o que se haga en cantidad insuficiente. No se requerirá la misma potencia para elevar el agua desde una profundidad de 40 metros que desde sólo 25. Si una instalación esta diseñada para bombear un volumen concreto de una profundidad máxima de 30 metros, en los momentos en los que el nivel supere esta profundidad, no se bombeará la cantidad suficiente de agua. Es por ello por lo que se debe contar con un experto que determine correctamente las fluctuaciones de la capa freática a lo largo del año y también en función de los datos climáticos de la región en los ciclos de sequía de varios años.
Conocer la capacidad de recarga de los acuíferos (pozos): Es muy importante cerciorarse antes de ejecutar una instalación de que el acuífero tiene la suficiente capacidad de recarga para obtener de él regularmente la cantidad de agua que se precisa. De no ser así el acuífero terminará por agotarse y la instalación podría quedar totalmente inútil. De nuevo el experto en la materia será el que pueda precisar este punto.[15]
32
Figura 3-3 Algoritmo para calculo bomba requerida Propuesto 33
Capítulo 4 Contribuciones o Aportes Es erados
34
3.2
1.
Contribuciones o Aportes Esperados
Demostrar que es posible construir sistemas de bombeo de agua en comunidades
aisladas de Honduras, para ayudar a mitigar los efectos que produce el cambio climático, principal causante de la sequía que actualmente afecta la zona rural. 2.
Proponer que en Honduras se utilicen, tecnologías modernas que
sean más
eficientes, no contaminantes y además lo económicos. 3.
Facilitar, eficientar y optimizar el trabajo del diseñador proponiendo modelos físico-
maticos; para que estos sistemas no sean complicados de construir.
35
Capítulo 5
Bibliografía
4. 5 36
4.1
[1]
Referencias Bibliográficas
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2014
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10].
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37
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El Bombeo Solar Fotovoltaico [Internet]. España: Sitiosolar.com Portal de Energías
Renovables; [Consultado 28 Julio 2014]. Disponible en: http//www.sitiosolar.com
38
5. 6
Anexos Anexos
39
6. Anexos
Anexo-1. Sistema de bombeo con acoplamiento directo
Anexo-2. Sistema de bombeo agua con energía solar.
40
Anexo-2. Sistema de bombeo agua con energía solar. 41
7. Cronograma de Actividades Plan
ACTIVIDAD
PLAN
PLAN
REAL
REAL
INICIO
DURACIÓN
INICIO
DURACIÓN
Real
Real (más allá del plan)
DURACION (semanas) fecha de inicio: 16 de agosto de 2014 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
1 Entrega y aprobación del anteproyecto 2 Buscar organizaciones para financiamiento
1
1
1
1
1
3
1
4
3 Elección del sitio de investigación 4 Cotizar y compra de equipo; para recoleccion de datos
2
1
1
1
2
2
2
4
5 Estudio de campo por 5 semanas para recolección de datos 6 Analisis y procesamiento de datos
4
5
5
6
5
7
4
9
7 Desarrollo de programa para el diseño 8 Comprobación de funcionamiento de programa
10
4
10
5
12
2
12
3
9 Redactar informe final
15
2
14
2
17
1
17
1
18
1
18
1
10 Revision del informe final por Asesor 11 Entrega de informe final
42
Presupuesto
