Bombas de riego con energía solar: Principios y arquitectura

03 Diciembre 2019

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Bombas de riego con energía solar: Principios y arquitectura

Bombas de riego con energía solar: La extracción de agua de pozos para riegos de cultivos es una de las aplicaciones más rentables y novedosa de la energía solar fotovoltaica.

Bombas de riego con energía solar

El empleo de un tipo de bombas sumergibles específicas para aplicaciones con energía fotovoltaica, que funcionan a corriente continua/directa (CC/DC) generada directamente de los módulos fotovoltaicos, posibilita una instalación independiente de la red eléctrica con muy escasas necesidades de mantenimiento.

Como se ha indicado, son necesarios la instalación de unos paneles fotovoltaicos que producen energía eléctrica a una tensión de 12 ó 24 voltios en corriente continua. Esta electricidad es consumida directamente por una bomba, también en corriente continua, que bombea el agua desde el fondo del pozo a un depósito con una cierta altura o directamente a la red de distribución de riego.

La falta de uniformidad derivada de la dependencia del rendimiento de los módulos fotovoltaicos a la intensidad de la radiación solar, puede ser suplida por la instalación de un sistema de baterías de acumulación, de manera que la alimentación de corriente hacia la bomba se realice a través de ellas. Con ello se consigue una alimentación de corriente eléctrica constante que asegura un suministro uniforme de agua por parte de la bomba, independiente de las condiciones de radiación solar.

No obstante, otra alternativa a la anterior, y mucho más barata y simple, es la instalación de un sistema de bombeo solar directo, que no incluye baterías. En este caso, para conseguir la uniformidad en el riego se construye un depósito en altura de manera que el flujo de agua extraída por la bomba se dirija hacia este depósito de acumulación. Este depósito, que actuaría como depósito pulmón, permitiría realizar el riego de manera constante y uniforme, mientras el depósito disponga de un nivel de agua mínimo.

Principio fotoeléctrico utilizado en bombas de riego con energía solar

La base sobre la cual se fundamenta los actuales sistemas fotovoltaicos comerciales es el denominado principio fotoeléctrico, mediante el cual las radiaciones de la luz solar se pueden transformar en energía eléctrica.

Bombas de riego con energía solar

Este efecto tiene lugar en las llamadas células fotoeléctricas, unidad básica que componen los módulos o paneles fotovoltaicos.

Dichos módulos o paneles fotovoltaicos estarán formados por la interconexión de estas células solares, que quedarán dispuestas en serie y/o en paralelo de manera que la tensión y corriente que finalmente proporcione el panel se ajuste al valor que se requiera.

Por otro lado, y para entender el fundamento de las células solares, decir que toda radiación de luz solar está compuesta por partículas elementales, llamadas fotones.

Sistemas de Unidades de Medida

Cuando un módulo fotovoltaico recibe radiación solar, los fotones que componen dicha radiación inciden sobre las células fotovoltaicas del panel. Éstos pueden ser reflejados, absorbidos o pasar a través del panel, y sólo los fotones que quedan absorbidos por la célula fotovoltaica son los que, finalmente, van a generar electricidad.

En efecto, cuando el fotón es absorbido por la célula, la energía que porta el fotón es transferida a los átomos que componen el material de la célula fotovoltaica.

Con esta nueva energía transferida, los electrones que están situados en las capas más alejadas son capaces de saltar y desprenderse de su posición normal asociada al átomo y entrar a formar parte de un circuito eléctrico que se genera.

Por lo tanto, un factor crucial para que pueda generarse el efecto fotovoltaico es que las células de los paneles solares estén compuestas por un tipo determinado de material, tales que sus átomos sean capaces de liberar electrones para crear una corriente eléctrica al recibir energía.

Los átomos de los materiales llamados semiconductores ofrecen esta propiedad, es decir, materiales que actúan como aislantes a baja temperatura y como conductores, al desprenderse de sus electrones, cuando se aumenta la energía que incide sobre ellos.

Además, para mejorar sus prestaciones estos materiales semiconductores son tratados de forma que se crean dos capas diferentes dopadas (tipo P y tipo N), con el objetivo de formar un campo eléctrico, positivo en una parte y negativo en otra, de manera que cuando la luz solar incide sobre la célula para liberar electrones, éstos puedan ser atrapados por el campo eléctrico, y formar así una corriente eléctrica.

En la actualidad, la mayoría de las células solares están construidas utilizando como material semiconductor el silicio, en sus formas mono o policristalina.

Las células solares de silicio monocristalino se fabrican a partir de secciones cortadas o extraídas de una barra de silicio perfectamente cristalizado de una sola pieza, y que permiten alcanzar rendimientos del 24% en ensayos de laboratorio y del 16% para células de paneles comercializados.

Por el contrario, para obtener células solares de silicio puro del tipo policristalino el proceso de cristalización del silicio es diferente. En este caso se parte de secciones cortadas de una barra de silicio que se ha estructurado desordenadamente en forma de pequeños cristales. Son más baratas de fabricar y se reconocen visualmente por presentar su superficie un aspecto granulado. Sin embargo, los rendimientos obtenidos son inferiores, alcanzándose del orden del 20% en ensayos de laboratorio y del 14% en módulos comerciales.

En consecuencia, los módulos solares fotovoltaicos fabricados con células de silicio monocristalino ofrecen una mayor potencia nominal que los hechos a base de células de silicio policristalino, debido principalmente a las mejores propiedades que ofrece el silicio monocristalino, un material muy uniforme, frente a la falta de uniformidad que presentan los límites de grano del silicio policristalino.

Bombas de riego con energía solar

Además, otro aspecto importante a favor de los módulos monocristalinos es la textura final en su superficie que presentan las células monocristalinas, de mayor calidad y con mejores propiedades antirreflexivas, que permiten mejorar las prestaciones del módulo.

Bombas de riego con energía solar

Arquitectura del sistema utilizado en bombas de riego con energía solar

Una instalación solar fotovoltaica para bombeo directo de agua está destinada a satisfacer las necesidades de consumo propio de electricidad para el accionamiento de la bomba, y consta de un esquema de instalación cuyos componentes principales se muestran en la figura adjunta.

Bombas de riego con energía solar

Paneles o módulos solares

Son los encargados de captar la radiación solar y transformarla en electricidad, generando una corriente continua (CC), también llamada corriente directa (DC) que alimenta a la bomba. El número de paneles quedará determinado por la potencia que se necesita suministrar a la bomba, de acuerdo al caudal de agua a bombear y presión de suministro.

Asimismo, la disposición y forma del conexionado de los paneles (en serie o en paralelo), será en función de la tensión nominal y la intensidad de corriente necesaria para el accionamiento del motor eléctrico de la bomba.

Los paneles solares se situarán sobre un rack o estructura metálica a cierta altura para evitar que se proyecten sombras sobre la superficie de los paneles debida a la presencia de árboles o de cualquier otro obstáculo cercano.

Cada célula de las que compone un panel fotovoltaico es capaz de ofrecer una tensión del orden de 0,5 voltios y una potencia eléctrica alrededor de los 3 watios, aunque este valor dependerá de la superficie que mida la célula.

De esta manera la potencia que pueda ofrecer el conjunto de células que conforman un módulo dependerá del número de células que posea, estando diseñado para el suministro eléctrico en corriente continua (CC), también llamada directa (DC), a un determinado voltaje (normalmente 12 ó 24 V).

La tensión e intensidad de corriente que es capaz de ofrecer un panel fotovoltaico dependerá por tanto, del número de células que disponga y el tipo de conexión entre células.

Como norma general, los paneles solares se fabrican disponiendo primero las células necesarias conectadas en serie hasta que se alcance la tensión que se desee a la salida del panel, y a continuación, estos ramales de células se asocian en paralelo hasta alcanzar el nivel de corriente deseado.

Por su parte, al sistema completo formado por el conjunto de módulos o paneles fotovoltaicos dispuestos o conexionados en serie y/o en paralelo se le suele denominar en su totalidad generador fotovoltaico.

Con el fin de poder ofrecer la potencia eléctrica deseada, así como de la tensión e intensidad de corriente a la salida del generador, los distintos módulos o paneles serán distribuidos con conexión en serie y/o en paralelo, según convenga hasta alcanzar los valores determinados.

Para formar un panel o módulo fotovoltaico, las células conectadas unas con otras se dispondrán encapsuladas y montadas sobre una estructura soporte o marco, conformando el llamado módulo fotovoltaico.

Regulador o controlador de carga

Dispositivo electrónico encargado de controlar el funcionamiento óptimo de la bomba de agua. El controlador ayuda a maximizar el rendimiento energético de los paneles solares, permitiendo que la bomba de agua funcione también durante periodos de menor irradiación solar.

El controlador además regula el funcionamiento de la bomba, desconectándola cuando el depósito donde se bombea el agua haya llegado a su capacidad máxima o bien, porque el nivel del agua en el pozo haya bajado por debajo de un límite de seguridad establecido, con el fin de evitar que se quede descubierta la boca de aspiración de la bomba.

Asimismo, el regulador de carga dispone de un sistema de control con conectores "Plug&Play" de posición única, que permite el encendido o apagado del sistema (en invierno, por ejemplo, como es época de lluvias se desconecta, situando el interruptor en posición "Off").

Un regulador de carga se encarga de controlar la alimentación de corriente a la bomba, haciendo que ésta sea segura cuando por ejemplo; los paneles solares están recibiendo mucha radiación solar evitando que se produzcan cargas excesivas por picos de corriente.

De un modo sencillo, un regulador se puede entender como un interruptor colocado en serie entre los paneles solares y la bomba; que está cerrado y conectado para el proceso de alimentación de la bomba; y abierto cuando los niveles de tensión o intensidad de corriente no son los adecuados para alimentar los bornes del motor de la bomba.

Bomba de agua sumergible

Conectada al regulador o controlador de carga quedará sumergida en el pozo. El valor de la inmersión mínima, expresado en metros, que deberá tener la bomba será aproximadamente de: NPSHbomba (m) - 10 (m). Las bombas solares funcionan en corriente continua y suelen estar fabricadas en acero inoxidable para soportar mejor la agresividad de las aguas subterráneas.

Las bombas solares trabajan por lo general sin baterías, conectadas directamente a los paneles fotovoltaicos a través del regulador o controlador de carga.

Son bombas en acero inoxidable para soportar la agresividad de las aguas subterráneas, y disponen de un motor eléctrico de corriente continua (CC/DC), a una tensión nominal que puede abarcar desde bombas que funcionan a 12/24V hasta modelos de bombas diseñadas para ofrecer grandes caudales y presiones con tensiones nominales de entre 300 y 500 Voltios.

Suelen ser bombas sumergibles que se instalan inmersas en pozos de agua, en cuyo caso, será necesario la instalación de sondas de nivel de agua en el interior del pozo para evitar que el nivel del agua pueda descender durante el bombeo por debajo de la boca de aspiración de la bomba; evitándose así que la bomba trabaje en seco.

Toda bomba deberá trabajar cerca de su máximo rendimiento, el cual se alcanza sólo en un estrecho margen de caudal; que será el criterio que se emplee para la selección del tipo de bomba. Esta información aparecerá en las curvas de funcionamiento de la bomba que deberán ser suministradas por el fabricante en sus catálogos técnicos.

Fuente: ingemecanica.com

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