Transcript UNAM - Proyecto de Energía Renovable

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: [email protected]
SISTEMA TÍPICO DE BOMBEO
DE AGUA
UNAM
ALTURA DE
DESCARGA
TANQUE DE
ALMACENAMIENTO
Energía Eléctrica
NIVEL DE SUELO
NIVEL FREATICO
BOMBA
Profundidad del pozo
CARGAS HIDRÁULICAS
CARGA ESTATICA TOTAL = Altura de descarga + Nivel estático.
UNAM
CARGA DINAMICA TOTAL = Carga estática total + Abatimiento +
Pérdidas por fricción.
“ Camisa” del Pozo
TÉRMINOS HIDRÁULICOS
NIVEL ESTÁTICO: Es la distancia desde la superficie al nivel del
espejo de agua.
UNAM
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.
TÉRMINOS HIDRÁULICOS
CARGA POR FRICCIÓN: Es la resistencia que opone la UNAM
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:
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
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capaz de suministrar a largo plazo.
Esta se expresa comúnmente en GPM; GPH; LPS; LPH
Factor de Conversión: 1 Galón americano = 3.785 Litros
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.
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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
bombeo de agua es clave para la operación del
El
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.
Sistemas de Bombeo Solar
Tipos de bombas
UNAM
TECNOLOGÍAS TRADICIONALES
PARA ZONAS RURALES
SISTEMA EÓLICO OPERANDO
SOBRE UNA BOMBA DE CILINDRO
SISTEMA DE COMBUSTIÓN INTERNA
OPERANDO A UNA BOMBA
 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.
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.
Centro de Investigación
enEnergía- U.N.AM.
Comparando Sistemas Solares y
Motobombas
(Estos datos son generales y aproximados.)
Costo inicial:
Combustible:
Operación:
Mantenimiento:
motor
bomba
módulo solar
controlador
Vida útil de componentes:
módulo solar
controlador
bomba/motor
Sistema Solar
Motobomba
alto
energía solar (gratis)
automática
bajo
bajo (motor es eléctrico)
bajo
lavar
no
bajo
gas/diesel (caro)
manual (costo de mano de obra)
alto
alto mantenimiento
bajo
no tiene
no tiene
20 años, o más
6-8 años, o más
4-12 años
no tiene
no tiene
2-4 años
Factor que generalmente favorece las motobombas.
Factores que generalmente favorecen los sistemas solares.
COMPONENTES PRINCIPALES EN UN SISTEMA
DE BOMBEO DE AGUA FOTOVOLTAICO
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INTERRUPTOR
ARREGLO
FOTOVOLT.
TANQUE DE
ALMACENAMIENTO
ACONDICIONADOR
DE ENERGÍA
NIVEL DEL SUELO
TIERRA FISICA
NIVEL FREATICO
BOMBA
ARREGLO FV
ESTRUCTURA PARA EL ARREGLO
ACONDICIONADOR DE ENERGÍA
TIERRA FÍSICA
MOTOR ELÉCTRICO
BOMBA DE AGUA
SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA
ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
Sistemas Fotovoltaicos
Diagramas tipicos para Sistemas de Bombeo
UNAM
Sol
Arreglo
Fotovoltaico
Carga
Bomba
Sistema de Generación
de Energía Eléctrica
Sol
Arreglo
Fotovoltaico
Sistema de Control de Energía
Bomba
Controlador
de Carga
Sol
Carga
Arreglo
Fotovoltaico
Sistema de Control de Energía
Sistema de Generación
de Energía Eléctrica
Controlador
de Carga
Inversor
DC =AC
Bomba
Sistema de acondicionamiento de
Energía
Carga
Sistemas de Bombeo Solar
Componentes básicos.
UNAM
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
Controlador
Bomba (ésta es una
centrífuga sumergible)
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
Sistemas de Bombeo Solar
Componentes: La estructura
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Hay 2 tipos de estructura para los arreglos:
FIJA y MÓVIL
Con rastreador
Estructura fija
el sistema produce 20%-30%
más energía eléctrica por día.
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.
Sistemas de Bombeo Solar
Componentes: El controlador
UNAM
 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
MOTORES EN C.D.
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.
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.
UNAM
MOTORES EN A.C.
 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
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 motobomba.
 Por lo general es común usar bombas centrífugas y bombas de desplazamiento
positivo.

Tipos de Bombas
UNAM
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
BOMBAS CENTRÍFUGAS
VENTAJAS.
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.
DESVENTAJAS
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
UNAM
Sistemas de Bombeo Solar
BOMBAS DE DIAFRAGMA
Tipos de bombas
Sistemas de Bombeo Solar
UNAM
BOMBAS DE DIAFRAGMA
VENTAJAS
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.
DESVENTAJAS
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
BOMBAS DE CILINDRO
Tipos de Bombas
Sistemas de Bombeo Solar
UNAM
BOMBAS DE CILINDRO
VENTAJAS
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
DESVENTAJAS
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.
UNAM
INSTALACIONES FV TÍPICAS
CON BOMBAS SUMERGIBLES
UNAM
INSTALACIONES FV TÍPICAS
CON BOMBAS DE SUPERFICIE
UNAM
Bombas
Bombas
UNAM
SOLARJACK
UNAM
Bombas
SHURFLO
UNAM
EJEMPLOS DE APLICACIONES DE BOMBEO
FOTOVOLTAICO EN ZONAS RURALES
SISTEMAS DE BOMBEO PEQUEÑOS
Tamaño del arreglo FV: del orden de 160
W-p; de 1 a 4 módulos.
CARACTERÍSTICAS:
-Se requiere mantenimiento regular.
-Producción típica: 1000- 5000 LPD.
-Con control automático se regula el
volumen diario.
-Ideales para un solo sitio.
-Sistemas portátiles.
SISTEMAS DE BOMBEO MEDIANOS Y
GRANDES.
Tamaño del arreglo FV mayor de 200 W-p;
desde 4 módulos.
CARACTERÍSTICAS:
-Requieren mínimo mantenimiento.
-producen mas de 4000 LPD.
-Puede dar servicio a sitios múltiples.
-Con control automático se regula la producción
a los sitios de consumo.
Los sistemas pueden ser portátiles.
Sistemas de Bombeo Solar Instalados en México
Programa: Uso de Fuentes Renovables SNL-Firco
UNAM
La Esperanza
Caracteristicas
Ubicación: San Francisco de Borja
Chihuahua
Tipo de Proyecto:Bombeo de
agua para 32 Familias
Potencia del sistema: 768 W-p
Carga dinamica total: 10 m
Capacidad de bombeo: 2 0m3
Distancia red: 22 Km
Costo del Sistema: 15, 532 dls
Sistemas de Bombeo Solar
Instalados en México
UNAM
San Miguel
Caracteristicas
Ubicación:
La Paz
Baja California Sur
Tipo de Proyecto:
Bombeo de agua para
abrevaderos para ganado
Potencia del sistema:
700W-p
Carga dinamica total:
24.76 m
Capacidad de bombeo:
16m3
Costo del sistema: 9 000dls
Sistemas de Bombeo Solar
Instalados en México
El Reventon
UNAM
Caracteristicas
Ubicación:
Las Charcas
San Luis Potosí
Tipo de Proyecto:
Bombeo de agua para 16
Familias y ganado
Potencia del sistema:
1530W-p
Carga dinamica total:
58.2m
Capacidad de bombeo:
17m3
Costo del Sistema:
19 125dls
Estimación de sistemas de bombeo FV.
UNAM
Información necesaria:
La recopilación de datos es
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.
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.
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
Insolación
Promedio
diaria
CONSIDERE UN SISTEMA
CONVENCIONAL DE ENERGIA
Más de 3 Hrs-p
CONSIDERE UN SISTEMA
DE ENERGIA SOLAR
Estimación de Sistemas de Bombeo FV
Rango de capacidades de acuerdo con la CDT y m3