UNAMBombeo de Agua con Energa Solar EXPOSITOR Aarn Snchez JurezCentro de Investigacin en Energa, UNAMApto. Postal 3462580 Temixco, MorelosTel: (73) 25 00 52; e-mail: asj@mazatl.cie.unam.mx

SISTEMA TPICO DE BOMBEO DE AGUAUNAMNIVEL DE SUELO

TANQUE DE ALMACENAMIENTOEnerga ElctricaNIVEL FREATICOBOMBAALTURA DE DESCARGAProfundidad del pozo

CARGAS HIDRULICASCARGA ESTATICA TOTAL = Altura de descarga + Nivel esttico.

CARGA DINAMICA TOTAL = Carga esttica total + Abatimiento + Prdidas por friccin.

Camisa del Pozo

UNAMTRMINOS HIDRULICOS CARGA HIDRULICA: Es la distancia que se debe de elevar el agua desde el nivel de abatimiento hasta la altura de descarga. Se mide en METROS.CARGA ESTTICA: Es la distancia desde el nivel del espejo de agua (nivel esttico) hasta el borde superior del tanque de almacenamiento. Est dada por la suma del nivel esttico con la altura de descarga.NIVEL ESTTICO: Es la distancia desde la superficie al nivel del espejo de agua.NIVEL DINMICO: 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 dinmico y el nivel esttico.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.

UNAMTRMINOS HIDRULICOS Carga por Friccin = k L Q2k: Coeficiente de friccin de la tubera.L: Longitud de la tubera medida en METROSQ: Gasto o flujo de agua medido en M3/segSi no se dispone de Tablas para k,usar un valor del 2% al 5% de la longitud total de la tubera.CARGA POR FRICCIN: Es la resistencia que opone la tubera y conexiones (codos, Ts, etc.) al flujo de agua. Esta depende del flujo, dimetro, distancia y material de la tubera, por lo cual, se puede calcular como:CICLO HIDRULICO: Es el producto del volmen diario bombeado con la carga dinmica 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 hidrulico es:1 m3x m= m4CARGA DIMICA TOTAL: Es la suma de la Carga esttica con la distancia de abatimiento y con la carga por friccin.CDT = CE + A + CF

UNAMTRMINOS HIDRULICOSRGIMEN 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 da, y se tiene una bomba que trabajar solamente 4 hrs al da, entonces el rgimen de bombeo exigido para la bomba es de 20,000/4 = 5,000 L/hrCAPACIDAD DEL POZO: La cantidad de agua que el pozo es capaz de suministrar a largo plazo. Esta se expresa comnmente en GPM; GPH; LPS; LPH Factor de Conversin: 1 Galn americano = 3.785 LitrosREQUERIMIENTO DE AGUA: Es el volumen de agua que se requiere extraer diariamente para satisfacer la demanda. Se expresa en Litros por Da

UNAMALTURA DE SUCCIN O ASPIRACIN: Trmino usado en bombas superficiales. Es la distancia, medida en metros, desde el centro de la bomba hasta el nivel esttico del agua.TRMINOS HIDRULICOSFACTOR 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.AFORO: Es el procedimiento mediante el cul se cuantifica la capacidad del pozo o fuente de agua. Este se debe de realizar con un rgimen 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 ms secoNIVEL DE DESCENSO: Es la distancia vertical desde el nivel esttico hasta el nivel del agua cuando el pozo esta en produccin. Este valor se determina durante el procedimiento de aforo.ADEME: Es el dimetro del pozo

FACTORES DE CONVERSIN HIDRULICOSCiclo Hidrulico diario o Energa Hidrulica1 l x m = 367 W-h1 ft= 0.3048 m; 1 m = 3.281 ft (ft significa pe; m significa m).Una columnade agua de 1 pe de altura es igual a 0.433 psipsi significa: libras por pulgada cuadrada1 psi= 2.31 pes de altura1 psi= 0.0703 kg/cm21 galn US= 3.785 lUnidad de flujo: galones por minuto (GPM); litros por minuto (lPM)1 GPM = 3.785 lPM

El bombeo de agua es clave para la operacin del rancho

Sea confiable.Sea adecuado a las necesidades de su Rancho.Sea de bajo mantenimiento.Cuya operacin requiera poca mano de obra. Y cuyo costo sea el menor posible a largo plazo.El productor requiere un sistemade bombeo de agua que:

Sistemas de Bombeo SolarTipos de bombasUNAMSISTEMA ELICO OPERANDO SOBRE UNA BOMBA DE CILINDRORequiere mantenimiento anual.Depende del viento para bombearNo es fcil predecir y controlar el volumen de agua.

SISTEMA DE COMBUSTIN INTERNA OPERANDO A UNA BOMBA Requiere mantenimiento peridico Depende de la disponibilidad del .combustible en el sitio. El bombeo y control depende del operador.

TECNOLOGAS TRADICIONALES PARA ZONAS RURALES

Sistemas de Bombeo Solar

UNAMEl bombeo de agua es clave para la operacin del rancho.

La energa solar es una opcinpara el bombeo de agua:El sistema de bombeo accionado por el Sol tiene como caractersticas: No usa combustible. Usa la energa del Sol.

. Puede operar automticamente.

Requiere poco mantenimiento.

En muchos casos (no en todos) es una opcin econmica.

Es confiable.

Se disea adecuadamente a las necesidades del productor

UNAMCOMPONENTES PRINCIPALES EN UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA FOTOVOLTAICO TANQUE DEALMACENAMIENTO ARREGLO FOTOVOLT.ACONDICIONADORDE ENERGANIVEL FREATICOBOMBATIERRA FISICA NIVEL DEL SUELOINTERRUPTORARREGLO FVESTRUCTURA PARA EL ARREGLOACONDICIONADOR DE ENERGATIERRA FSICAMOTOR ELCTRICOBOMBA DE AGUASISTEMA DE DISTRIBUCIN DE AGUAALMACENAMIENTO DE ENERGA

UNAMSistemas FotovoltaicosDiagramas tipicos para Sistemas de Bombeo

Arreglo de mdulos solaresEstructura para el arregloControlador elctricoBomba de agua (tpicamente centrfuga o de desplazamiento positivo)Sistema de distribucin de agua

Sistemas de Bombeo SolarComponentes bsicos.UNAMArreglo solar

Sistemas de Bombeo SolarComponentes: El arreglo FVUNAMLos mdulos Fotovoltaicos producenla energa elctrica para la bombaLas caractersticas de un mdulo individual tpico:17 Volts (hasta 15 Volts cuando est a 60C)3 - 5 AmperiosLos mdulos se combinan en serie y en paralelo para dar cualquier voltaje y potencia que requiere la bomba.mdulo individual

UNAMESTRUCTURAS: 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% ms energa que un sistema fijo. Estas pueden ser con seguimiento en dos direcciones: -seguimiento horario diario al Sol a un ngulo fijo.-seguimiento horario diario y con seguimiento ngular diario al Sol. COMPONENTESATERRIZADO: El aterrizaje del sistema de Bombeo a travs de una Tierra Fsica 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 proteccin contra sobrecargas.Las corrientes transitorias inducidas debido a los rayos se desvian a Tierra.REGLAS DE ATERRIZADO: -Use varillas metlicas slidas o electrodos para formar la Tierra Fsica. -Interconecte usando alambres o cintas metlicas slidas. -Todos los doblajes de tubera deben de tener un mnimo de 20 cm de radio.-Use proteccin contra corrientes transitorias de baja impedancia hacia tierra (tubos de descarga, varistores).-Evite metales disimilares o recbralos adecuadamente

Sistemas de Bombeo SolarComponentes: La estructuraUNAMHay 2 tipos de estructura para los arreglos:FIJA y MVILCon rastreadorel sistema produce 20%-30%ms energa elctrica por da.Estructura fijaEstructura montada en seguidor (rastreador).

ACONDICIONADOR DE ENERGIA Y DESCONECTORES.Bombas con motores en CD: En estos casos, el sistema acondicionador de energa es un CONTROLADOR ELECTRNICO. Su funcin es mantener trabajando a la bomba en el punto de mxima potencia del arreglo FV. Incorpora funciones tales como: encendido y apagado de la bomba, rastreo del punto de potencia mxima del AFV, apagado por obstruccin de la bomba, o bombeo en seco, o exceso de agua en el tanque de almacenamiento (funcin que se logra por medio de electroniveles tanto en el pozo como enel tanque de almacenamiento).Pueden ser del tipo: Igualacin de Impedancias, protectores, interruptores y arrancadoresINTERRUPTORES O DESCONECTORES: Su funcin es la de proveer un sistema de seguridad tanto a la bomba como al usuario y facilitar las labores de mantenimiento. Debe dimensionarse segn las normas elctricas establecidas. El acondicionador de energa tiene la funcin de acoplar el arreglo FV y el motor elctrico de la bomba con el objeto de maximizar el rendimiento de la bomba.Bombas con motores en CA: n este caso, el acondicionador de energa funciona como un INVERSOR CD/CA de alta eficiencia, el cul permite el funcionamiento de la bomba an en casos de baja irradiancia.

Sistemas de Bombeo SolarComponentes: El controladorUNAM Acondiciona la energa elctrica del arreglo solar para maximizar la produccin de la bomba. Para bombas de corriente directa: Optimiza la corriente elctrica para maximizar el tiempo de bombeo Para bombas de corriente alterna:Es un inversor/controlador.

ALMACENAMIENTO DE ENERGA Y SISTEMA DE DISTRIBUCIONLas bombas electrificadas con SFV solo funcionan durante las horas de luz. Si se requiere su funcionamiento durante la noche, o en das con nublados cerrados, se requerir del uso de acumuladores o bateras. Realmente son indispensables las bateras para que las bombas funciones y proveen de agua a los usuarios de sta?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 slo se justifica cuando la produccin de agua del pozo en las horas de luz es inferior a la demanda diaria; pero en este caso es posible la perforacin de otro pozo y la instalacin 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 presin de salida que es de vital importancia si se tiene sistemas de distribucin. En el caso de cisternas, el agua slo puede ser usada en dicho sitio con aplicaciones tales como abrevaderosEl volumen del tanque elevado o cisterna debe de garantizar cierta autonoma, definida sta como el tiempo en que el sistema de bombeo estar fuera de operacin por razones de nublados cerrados , o bien, en el caso de mantenimiento del sistema.AUTONOMA: Las condiciones locales del clima y uso de agua definen el tamao ptimo de la reserva de agua. Se considera adecuada una reserva de 3 das (demanda diaria multiplicada por 3).

UNAMMOTORESCorriente Directa sin Escobillas:Son eficientes y no requieren mantenimiento. Su desventaja es que requieren un controlador electrnico muy complejo y muy caro.Los motores usados en Sistemas de Bombeo Fotovoltaico son diseados especialmente para que su eficiencia se mantenga constante an cuando las condiciones de corriente y voltaje cambien durante el da.Existen tres tipos de motores usados en Sistemas de Bombeo Fotovoltaico:Corriente Directa con Escobillas (carbones): Es sencillo y eficiente en aplicaciones pequeas 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 sumergiblesCorriente 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.

UNAMTIPOS DE MOTORES EN SISTEMAS DE BOMBEOMOTORES EN C.D.MOTORES EN A.C.Motores con carbones Requieren reemplazo regular de los ......carbones y limpieza. Mantenimiento regular en baleros. El desempeo 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 ......peridico. Necesita un circuito electrnico para la .....conmutacin. No es aplicable a mas de 90 m de .....profundidad.

Pueden ser de una, dos, o tres fases. Pueden requerir mantenimiento ......peridico 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

UNAMLas bombas son diseadas para uso Exclusivo de sistemas solares (fotovolticos) La Bomba trabaja solo cuando hay energa solar, 6 a 10 horas por da. Por consecuencia la bomba de sistemas FV puede ser ms pequea que una moto-bomba. Por lo general es comn usar bombas centrfugas y bombas de desplazamiento positivo.

La Bomba

Tipos de Bombas Sistemas de Bombeo SolarBOMBAS DE SUPERFICIE CENTRFUGAS

BOMBAS DE PROFUNDIDAD CENTRFUGASTipos de BombasSistemas de Bombeo Solar

BOMBAS CENTRFUGASSon muy comunes. Pueden tolerar aguas sucias con slidos disueltos. Usan el agua misma como lubricante. Cargas dinmicas variables y grandes, a travs de pasos mltiples de bombeo. Se les encuentra tanto para superficie como para profundidad.Las superficiales son de fcil mantenimiento y reparacin.Repuestos de fcil adquisicin.Tienen una eficiencia pequea con respecto a la velocidad del impulsor..Se daan 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 succin, necesitan purgarse y pueden congelarse con las heladas.VENTAJAS.DESVENTAJASTipos de BombasSistemas de Bombeo Solar

Tipos de bombas Sistemas de Bombeo SolarBOMBAS DE DIAFRAGMA

BOMBAS DE DIAFRAGMALa accin de bombeo es muy eficiente en un amplio rango para la velocidad del motor.Puede tolerar sedimentos.Su diseo permite mantenimientos sencillos con herramientas manuales.Su tamao pequeo y ligero peso permiten su fcil remocin del pozo.Hay modelos tanto para superficie como para profundidad. En ambos casos puede ser usadas en aplicaciones temporales.El diafragma requiere de reemplazos peridicos.Muchos diseos usan motores con carbones por lo que su reemplazo debe ser peridico.Los sellos de las corazas tiene lmites de profundidad.Estan diseadas para cargas dinmicas moderadas (menos de 30 m).Algunos modelos no se pueden reconstruir.VENTAJASDESVENTAJASTipos de bombasSistemas de Bombeo Solar

BOMBAS DE CILINDROTipos de bombasSistemas de Bombeo Solar

BOMBAS DE CILINDROSon eficientes en un amplio rango de velocidad motor o propela.Pueden extraer agua a grandes profundidades.Tecnologa muy simple y disponible.En algunos modelos la produccin puede controlarse ajustando el pistnRequiere de cambios peridicos en los sellos del pistn.No tolera arena ni sedimentos.La eficiencia decrece con el envejecimiento de los sellos del pistn.Es necesario extraer el cilindro y el pistn para el servicio de mantenimiento.VENTAJASDESVENTAJASTipos de BombasSistemas de Bombeo Solar

UNAMINSTALACIONES FV TPICAS CON BOMBAS SUMERGIBLES

CON BOMBAS DE SUPERFICIEINSTALACIONES FV TPICASUNAM

UNAMBombas

UNAMBombas SOLARJACK

Bombas SHURFLOUNAM

88.bin

89.bin

90.bin

91.bin

92.bin

SISTEMAS DE BOMBEO PEQUEOSTamao del arreglo FV: del orden de 160W-p; de 1 a 4 mdulos.CARACTERSTICAS:-Se requiere mantenimiento regular.-Produccin tpica: 1000- 5000 LPD.-Con control automtico se regula elvolumen diario.-Ideales para un solo sitio.-Sistemas porttiles.SISTEMAS DE BOMBEO MEDIANOS YGRANDES.Tamao del arreglo FV mayor de 200 W-p;desde 4 mdulos.CARACTERSTICAS:-Requieren mnimo mantenimiento.-producen mas de 4000 LPD.-Puede dar servicio a sitios mltiples.-Con control automtico se regula la produccina los sitios de consumo.Los sistemas pueden ser porttiles.EJEMPLOS DE APLICACIONES DE BOMBEOFOTOVOLTAICO EN ZONAS RURALES

Estimacin de sistemas de bombeo FV.UNAMInformacin necesaria:La recopilacin de datos esfundamental para el diseo.Uno de los factores que propician elmal desempeo de un SBFV es lafalta de informacin o datosespecficos necesarios para eldimensionamiento del sistema.Mala Informacin produce maldesempeo del sistema de Bombeo.DATOS IMPORTANTES:

Ubicacin, Acceso.Fuente de Agua: Noria, Pozo, ArroyoProfundidad, Nivel estticoAbatimientoCapacidad de Almacenamiento.Altura de DescargaCarga dinmica totalDemanda de Agua por daRendimiento de la fuente.

UNAMCRITERIOS DE SELECCINFLUJO BAJO Y CDT BAJA A MEDIA: LA MEJOR OPCIN ECONMICA SON LAS BOMBAS DE DIAFRAGMA.

FLUJO ALTO Y CDT BAJA A MEDIA: LA MEJOR OPCIN SON LAS BOMBAS CENTRFUGAS 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 opcin? Sistema con Bomba de Diafragma grande, da 1400 GPD a un costo $2,500 a $3,000 usd.Sistema con Bomba sumergible pequea, 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 centrfugas; pero requieren mas mantenimiento.-Sobredimensione su sistema de bombeo sumergible. Tendr mas agua para otras aplicaciones.

CONSIDERE UN SISTEMA DE ENERGIA SOLARAbastecimiento de Agua paraconsumo Humano y Animal Distancia de lared Elctrica DotacinHidrulicaInsolacinPromediodiariaCONSIDERE UN SISTEMACONVENCIONAL DE ENERGIAMs de 0.5 Km Menos de 0.5 KmMs de 3 Hrs-p

Ms de 1500 m4 Menos de 3 Hrs-pMenos de 1500 m4