Bombeo Solar

El bombeo de agua solar consiste, al igual que un sistema de bombeo de agua tradicional, en extraer agua de un pozo, balsa o similar por medio de una bomba solar hidráulica. Algunas aplicaciones típicas del bombeo fotovoltaico son:

  • Riego Solar sin o con goteo
  • Agua para ganado
  • Bombeo solar directo
  • Agua para consumo humano

Esa bomba solar funciona gracias a la energía de las placas fotovoltaicas conectada a ella y a un variador solar de frecuencia, y con ese aporte de energía impulsará el agua para su posterior uso.

Se suele utilizar un depósito para acumulación del agua bombeada para las horas que no hay radiación solar y que sea necesario el uso del agua.

Video con bombeo solar directo

Sistemas de Bombeo Solar

Los tipos de kit de bombeo fotovoltaico que suelen utilizarse son:

  • Kit de bombeo solar directo sin acumulación de agua
  • Kit de bombeo solar con acumulación de agua en depósito

El motivo de este tipo de soluciones es por qué hay ocasiones en que no disponemos de sistemas de alimentación de red eléctrica para nuestros sistemas de riego, agua potable, etc, para bombeo de agua. En estos casos, el bombeo solar es una solución ideal y fiable.

Recomendamos siempre la utilización de productos y materiales de alta calidad, pues este tipo de sistemas debe tener una vida útil de, al menos, 30 años, por lo tanto, una selección de materiales de alta calidad será un elemento diferenciador en la vida y rentabilidad del proyecto.

Componentes de un sistema de bombeo solar fotovoltaico:

Como decíamos, las aplicaciones de bombeo solar, aparte de las placas fotovoltaicas, tienen los siguientes componentes:

Variadores Solares o de Frecuencia:

Se encargan de adaptar la tensión de las placas fotovoltaicas a las necesidades de la bomba solar. Una bomba hidráulica convencional funciona a una tensión de 220 o 400V. Sin embargo la tensión de las placas solares va variando en proporción a la variación de la irradiación solar a lo largo del día. El variador se encarga de adaptar la tensión variable de las placas fotovoltaicas a una tensión constante que es la que necesita la bomba para funcionar.

Bombas solares:

Están fabricadas específicamente para ser alimentadas por paneles fotovoltaicos. No sirven para su uso con otro tipo de alimentación.

Cálculo básico de bombeo solar fotovoltaico:

¿Cómo se calcula un proyecto de bombeo con energía solar?

Veamos un ejemplo paso a paso para que cada uno pueda estimar cuál es el kit de bombeo solar directo más adecuado.

Lo primero que debemos saber para una correcta configuración de un kit de bombeo:

  • Caudal diario que deseamos suministrar (m3/día).
  • Altura total de bombeo (altura manométrica) en metros.
  • Localización del proyecto.
  • Periodo de funcionamiento (si es anual o estacional).

Esquema bombeo solar

Supongamos entonces que en este caso real queremos un caudal diario de 24m3/día , salvando una altura de 50m (estática + dinámica) y el sistema de bombeo de agua con energía solar se instalaría en la zona Norte de Italia.

Una vez que ya sabemos la localización del proyecto de bombeo solar, debemos averiguar las Horas Solar Pico (kWh/m2) que tenemos en esa zona.

Para ello debemos ayudarnos de alguna herramienta como el PVGIS que nos puede fácilmente dar esa información.

En este caso, sería:

Radiación media Bombeo

Bien, ahora es cuando vamos a calcular cuál sería el kit más adecuado para este caso particular. En función del caudal horario (m3/hora) que necesitemos, se eligirán las potencias de las bombas solares de agua y en función de la potencia de la bomba, el número de módulos solares necesarios.

Supondremos dos casos, uno para funcionamiento anual y otro para funcionamiento estacional.

Cálculo para un Funcionamiento Anual:

Al ser anual, tomamos la media de HSP (Horas Sol Pico) anual, que en este caso son 3,85. Es decir, la bomba funcionaría a pleno rendimiento 3,85 horas cada día de media.

Entonces, sabiendo esto, ya podemos calcular el caudal horario (Qh):

Qh = 24m3/día / 3,85HSP = 6,23 m3/h

Ya tenemos todos los datos importantes, es decir:

Necesitamos tipos de bomba solares de agua que en las condiciones de nuestra zona sea capaz de mover un caudal horario de 6,23 m3/h y salvar una altura de 50m.

Ahora solo hay que recurrir a las tablas de la bomba para saber el modelo y potencia que necesitamos.

En este caso:

Tabla bomba-4HS bombeo solar

Así pues, mirando la tabla, vemos claramente que para la línea de los 50m de altura de aspiración y 6,23 m3/hora nos da una P1 (potencia de la bomba) de 2400W aproximadamente.

Entonces, el kit que necesitaríamos constaría de una bomba 4HS 06/04 de 2400W de potencia, con 2400W de paneles fotovoltaicos.

Para el caso de funcionamiento estacional de verano:

Al ser estacional, tomamos la media de HSP (Horas Sol Pico) de los meses de verano, que en este caso son 6,05 HSP. Es decir, la bomba funcionaría a pleno rendimiento 6,05 horas cada día de media en los meses de verano.

Entonces, sabiendo esto, ya podemos calcular el caudal horario (Qh):

Qh = 24m3/día / 6,05HSP = 3,96 m3/h

Ya tenemos todos los datos importantes, es decir, necesitamos una bomba que en las condiciones de nuestra zona sea capaz de mover un caudal horario de 3,96 m3/h y salvar una altura de 50m.

Ahora solo hay que recurrir de nuevo a las tablas de la bomba que más se acerque a ese requisito para saber el modelo y potencia que necesitamos.

En este caso:

tabla bomba-4HS bombeo solar verano

Así pues, mirando la tabla, vemos claramente que para la línea de los 50m de altura de aspiración y 3,96 m3/hora nos da una P1 (potencia de la bomba) de 1800W aproximadamente.

Por lo tanto, el kit de bombeo solar que necesitaríamos constaría de una bomba 4HS 04/03 de 1800W de potencia, con 1800W de potencia instalada de placas fotovoltaicas.

También es muy importante tener en cuenta que el caudal diario que puede bombearse nunca puede sobrepasar los recursos hidráulicos disponibles, es decir, no sobrepasar la capacidad de regeneración de agua de la fuente, para evitar la reducción del nivel del agua de la fuente/pozo, que puede provocar que la bomba quede fuera del agua, o aún peor, secar la fuente/pozo.

¿Cómo se calcula la altura total (estática+dinámica) en los bombeos solares?

La altura dinámica total o carga dinámica total, que en nuestro caso eran 50m, se calcula siempre en función de la suma de la carga estática + carga dinámica.

altura de bombeo solar

La carga o altura estática, medida en metros, es la distancia en vertical desde la superficie del agua hasta el nivel de descarga. La carga dinámica, medida en metros, son las cargas que se generan por fricción al recorrer el agua la tubería.

Hay muchas fórmulas para calcularlo, una de ellas sería la de Hazen-Williams: CD = 10,674 * [Q1,852/(C1,852* D4,871)] * L

Siendo:

  • CD: pérdida de carga o de energía dinámica (m)
  • Q: caudal (m3/s)
  • C: coeficiente de rugosidad (adimensional)
  • D: diámetro interno de la tubería (m)
  • L: longitud de la tubería (m)
  • El coeficiente de rugosidad (C), es adimensional, y va en función del material utilizado en la tubería, por ejemplo, para los materiales más habituales como el hierro, cobre, plomo o plástico (PE, PVC) está entre 130 y 140.

Ya solamente habría que sustituir los datos, en la fórmula, calcular la carga dinámica y sumarlo con la carga estática calculada anteriormente para obtener la altura o carga dinámica total de nuestro sistema.

¿Es necesario el uso de baterías en un sistema de bombeo solar?

Lo cierto es que no, aunque pueden usarse baterías solares no es lo más recomendable, pues encarecen enormemente el sistema. Simplemente, si necesitamos bombear agua en horas nocturnas, la solución es incorporar un depósito elevado de agua para almacenarla y poder utilizarla en momentos sin sol.

Al final, no es más que almacenar energía, en este caso, sería un bombeo solar con almacenamiento con depósito.  

Bombeo solar directo con placas solares:

kit para bombeo solar directo con placas solares

Un sistema típico de bombeo solar directo consta fundamentalmente de los siguientes equipos fotovoltaicos:

  1. Bomba pozo solar
  2. Cable de alimentación sumergible
  3. Sujeciones de cable
  4. Cable de refuerzo
  5. Abrazaderas para cable
  6. Placas Solares Fotovoltaicas
  7. Estructura de soporte para las placas
  8. Caja de conexiones para la bomba hidráulica sumergible

Todos los kits de bombeo solar directo que deben disponer de un circuito de protección, incorporado en la unidad electrónica del motor de la bomba hidráulica sumergible, que la detiene en caso de marcha en seco o situaciones similares.

Utilizando la caja de conexiones se puede desconectar la tensión de alimentación a la bomba solar manualmente, por ejemplo cuando:

  • No se necesita agua en un momento o periodo de tiempo.
  • Hay que reparar o hacer un mantenimiento del kit de bombeo solar.

Otras ventajas de los sistemas de bombeo solar directo podrían ser, entre otros:

  • Fácil instalación con unos mínimos conocimientos.
  • Mantenimiento limitado únicamente limpieza periódica de las placas fotovoltaicas.
  • Pocos y sencillos componentes para un montaje rápido.

Características y ventajas de los kits de bombeo solar para pozos:

1. Protección contra marcha en seco:

La bomba de pozo solar debe estar protegida contra marcha en seco con el fin de evitar daños en la misma.

La protección contra marcha en seco se activa por el electrodo de nivel de agua, colocado en el cable del motor 0,3 – 0,6 m por encima de la bomba, dependiendo del tipo de bomba.

Protección marcha en seco bomba solar

El electrodo de nivel de agua mide la resistencia de contacto a la camisa del motor a través del agua. Cuando el nivel de agua desciende por debajo del electrodo de nivel de agua la bomba hidráulica se desconecta. Se vuelve a conectar automáticamente cuando el nivel de agua lleve 5 minutos por encima del electrodo.

Es un sistema muy práctico para bombeo solar para riego o para agua potable de un pozo, pues evita daños en la bomba cuando el nivel del agua baja por periodos de poca lluvia o casos similares.

2. Alta Eficiencia en las bombas de agua solares para pozos:

El motor utilizado en las bombas de agua solares para pozos de los kits es un motor de imán permanente (motor PM) que proporciona un mayor rendimiento dentro de la gama de potencias en comparación con un motor asíncrono convencional. Además, el estator segmentado del motor contribuye considerablemente a su alto rendimiento.

El motor de estas bombas de agua solares para poxos se caracteriza también por el alto par de arranque, incluso con bajo suministro de potencia.

3. Protección contra sobretensión y bajo voltaje:

Cuando la tensión de alimentación del kit de bombeo es inestable o a causa de una instalación defectuosa puede producirse sobretensión o bajo voltaje. En esos casos la bomba solar se desconectará si la tensión se encuentra fuera del intervalo de tensión permitido. El motor volverá a arrancar automáticamente cuando la tensión esté dentro del intervalo permitido.

El motor está protegido contra perturbaciones transitorias de la tensión de alimentación según EN/IEC 61000-4-5 (6 kV). En áreas con alta intensidad de rayos, si que es recomendable una protección externa contra rayos.

4. Protección contra sobrecarga:

Si se sobrepasa el límite superior de entrada de potencia, el motor lo compensará automáticamente, reduciendo la velocidad. Si la velocidad baja a menos de 500 mín-1, el motor se desconectará automáticamente. El motor de la bomba solar permanecerá entonces parado durante 10 segundos. Pasado este tiempo, la bomba intentará automáticamente arrancar de nuevo.

La protección contra sobrecarga evita que el motor se queme, por lo que no se necesita ninguna protección adicional del motor de las bombas de agua solares para pozos de nuestros sistemas.

5. Protección contra exceso de temperatura:

Un motor de imán permanente, como el que es utilizado en el motor de la bomba, desprende muy poco calor. Este hecho, junto con un eficaz sistema de circulación interna que aleja el calor del rotor, estátor y cojinetes, garantizan unas condiciones de funcionamiento óptimas del motor.

Como protección adicional, la unidad electrónica incorpora un sensor de temperatura. Cuando la temperatura sube por encima de 85 °C, el motor se detiene automáticamente. Cuando la temperatura haya bajado a 75 °C, el motor volverá a arrancar automáticamente.

6. Seguimiento de punto de máxima potencia (MPPT):

La unidad electrónica incorporada le proporciona una serie de ventajas al sistema de nuestros kits de bombeo solar directo en comparación con los productos convencionales. Una de estas ventajas es el microprocesador incorporado con MPPT(seguimiento del punto de máxima potencia). Gracias a la función del MPPT, el punto de trabajo de la bomba se optimiza continuamente según la potencia de entrada disponible de las placas solares. El MPPT sólo está disponible para bombas conectadas a corriente continua.

7. Amplia gama de tensiones:

Una amplia gama de tensiones permite que el motor funcione a cualquier tensión de 30-300 DC o 90-240 AC, por lo que la instalación y el dimensionamiento resultan especialmente fáciles.

Si desea presupuesto o ayuda con el diseño para su kit de bombeo solar directo no dude en ponerse en contacto con nosotros. Nuestro equipo técnico/comercial le ayudará con todo lo que necesite sin compromiso alguno.

Riego Solar:

Kit básico para riego solarUn kit solar para riego es básicamente como el que se muestra en la imagen, que está compuesto por:

  1. Bomba pozo solar
  2. Cable de alimentación sumergible
  3. Sujeciones de cable
  4. Cable de refuerzo
  5. Abrazaderas para cable
  6. Placas solares fotovoltaicas
  7. Estructura de soporte para las placas
  8. Caja de conexiones para la bomba sumergible
  9. Depósito de acumulación de agua
  10. Sensor/interruptor de nivel de agua.

Utilizando la caja de conexiones se puede desconectar la tensión de alimentación a la bomba solar manualmente, por ejemplo cuando:

  • No se necesita agua en un momento o periodo de tiempo.
  • Hay que reparar o hacer un mantenimiento el sistema.

Además un kit solar de riego debe permitir utilizar la energía solar para almacenar agua en un depósito como el que se mostraba inicialmente en la figura.

Aplicaciones habituales:

Algunas de las aplicaciones habituales de este tipo de kit de riego solar son:

  • el depósito del kit de riego solar se utiliza en los casos que se necesita agua durante la noche.
  • la energía solar es insuficiente, durante periodos breves, para accionar la bomba, por lo que se aprovechan las horas en las que el kit de riego funciona para acumular agua en el depóstico.
  • se necesita una fuente de agua de reserva a partir del depósito.

De este modo, al hacer uso de un depósito de agua, nos evitamos tener que utilizar baterías que encarecen mucho un sistema de este tipo. Al fin y al cabo, un depósito de agua tiene la misma función que una batería, acumular energía para cuando se necesite, en este caso en forma de agua en un depósito a una altura determinada.

El interruptor de nivel de agua, conectado a la caja de conexiones, detiene la bomba solar cuando el depósito está lleno. En la caja de conexiones podemos ver indicado:

  • depósito de agua lleno (interruptor de nivel activado)
  • funcionamiento de la bomba
  • potencia de entrada.

La caja de conexiones indicará parada de funcionamiento del sistema de riego solar en el caso de:

  • funcionamiento en seco
  • mantenimiento
  • suministro de energía insuficiente

Características y ventajas:

1. Protección contra marcha en seco:

La bomba solar que empleamos en nuestros kits está protegida contra marcha en seco con el fin de evitar daños en la misma. La protección contra marcha en seco se activa por el electrodo de nivel de agua, colocado en el cable del motor 0,3 – 0,6 m por encima de la bomba, dependiendo del tipo de bomba.

Protección marcha en seco bomba solar

El electrodo de nivel de agua mide la resistencia de contacto a la camisa del motor a través del agua. Cuando el nivel de agua desciende por debajo del electrodo de nivel de agua la bomba se desconecta. Se vuelve a conectar automáticamente cuando el nivel de agua lleve 5 minutos por encima del electrodo.

Es un sistema muy práctico para bombeo solar para riego o para agua potable de un pozo, pues evita daños en la bomba cuando el nivel del agua baja por periodos de poca lluvia o casos similares.

2. Alta Eficiencia:

El motor utilizado en las bombas solares para pozos es un motor de imán permanente (motor PM) que proporciona un mayor rendimiento dentro de la gama de potencias en comparación con un motor asíncrono convencional. Además, el estator segmentado del motor contribuye considerablemente a su alto rendimiento.

El motor de las bombas se caracteriza también por el alto par de arranque, incluso con bajo suministro de potencia.

3. Protección contra sobretensiones y bajo voltaje:

Cuando la tensión de alimentación del sistema de riego es inestable o a causa de una instalación defectuosa puede producirse sobretensiones o bajo voltaje. En esos casos la bomba se desconectará si la tensión se encuentra del intervalo de tensión permitido. El motor volverá a arrancar automáticamente cuando la tensión esté dentro del intervalo permitido.

El motor está protegido contra perturbaciones transitorias de la tensión de alimentación según EN/IEC 61000-4-5 (6 kV). En áreas con alta intensidad de rayos, si que es recomendable una protección externa contra rayos.

4. Protección contra sobrecarga:

Si se sobrepasa el límite superior de entrada de potencia, el motor lo compensará automáticamente, reduciendo la velocidad. Si la velocidad baja a menos de 500 mín-1, el motor se desconectará automáticamente. El motor de la bomba solar permanecerá entonces parado durante 10 segundos. Pasado este tiempo, la bomba intentará automáticamente arrancar de nuevo.

La protección contra sobrecarga evita que el motor se queme, por lo que no se necesita ninguna protección adicional del motor de las bombas de agua solares para pozos de nuestros sistemas.

5. Protección contra exceso de temperatura:

Un motor de imán permanente, como el que es utilizado en el motor de la bomba, desprende muy poco calor. Este hecho, junto con un eficaz sistema de circulación interna que aleja el calor del rotor, estátor y cojinetes, garantizan unas condiciones de funcionamiento óptimas del motor.

Como protección adicional, la unidad electrónica incorpora un sensor de temperatura. Cuando la temperatura sube por encima de 85 °C, el motor se detiene automáticamente. Cuando la temperatura haya bajado a 75 °C, el motor volverá a arrancar automáticamente.

6. Seguimiento de punto de máxima potencia (MPPT):

La unidad electrónica incorporada le proporciona una serie de ventajas al sistema de nuestros kits de bombeo solar directo en comparación con los productos convencionales. Una de estas ventajas es el microprocesador incorporado con MPPT(seguimiento del punto de máxima potencia). Gracias a la función del MPPT, el punto de trabajo de la bomba se optimiza continuamente según la potencia de entrada disponible de las placas solares. El MPPT sólo está disponible para bombas conectadas a corriente continua.

7. Amplia gama de tensiones:

Una amplia gama de tensiones permite que el motor funcione a cualquier tensión de 30-300 DC o 90-240 AC, por lo que la instalación y el dimensionamiento resultan especialmente fáciles.

Si desea presupuesto o ayuda con el diseño para su kit solar para riego o bien necesitas consultar modelos en venta de paneles solares, no dude en ponerse en contacto con nosotros.

Autor / Redactor:

José Alfonso Alonso Lorenzo

José Alfonso Alonso Lorenzo

Profesional Fotovoltaico desde 2006.

  • Ingeniero técnico Industrial por la Escuela Politécnica de Ferrol.
  • Experto en Solar Fotovoltaica por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de Madrid en 2009-2010.
  • Experto Profesional en Energía Fotovoltaica, por la UNED 2010-2011.
  • Gerente y Responsable de Compras en SunFields Europe desde 2010.
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