Tecnología fotovoltaica aplicada al bombeo de agua



Descargar 145.89 Kb.
Fecha de conversión07.07.2017
Tamaño145.89 Kb.

Tecnología fotovoltaica aplicada al bombeo de agua


PROLOGO


La falta de infraestructura de energía eléctrica en las zonas rurales de nuestro país es una de las principales limitantes para el desarrollo y explotación de las actividades agrícolas. Aunque el Gobierno Mexicano ha establecido una política agropecuaria dirigida a productores del campo para disminuir la pobreza en el medio rural, sin electricidad en el sitio en donde se necesita, no será posible implementar programas basados en esa acción. Aunado a lo anterior, la carencia de agua, importante para el sustento de vida animal y vegetal, limita totalmente el desarrollo de cualquier actividad agropecuaria.

Por tal razón, una solución a la carencia de electricidad es la adopción de tecnologías que usan las Fuentes de Energía Renovable para la generación de electricidad. Una de ellas, la Tecnología Fotovoltaica, basada en la transformación directa de energía solar a electricidad, presenta un potencial de uso muy amplio en el medio rural debido al Recurso Solar grande que tiene nuestro país.

Con electricidad y mantos freáticos disponibles en el subsuelo, el agua puede ser extraída y colocarla a disponibilidad del productor para su aplicación en el desarrollo de proyectos productivos agropecuarios.

Así, con la Tecnología Fotovoltaica y Sistemas de Bombeo Eléctricos, las zonas rurales con baja productividad agropecuaria pueden convertirse en zonas de producción ganadera ó agrícola. Con fondos del Gobierno, se puede entonces fomentar la capitalización del agro mexicano por medio de programas y apoyos económicos que les permita, a los productores agropecuarios, obtener rentabilidad en sus cosechas y productos, y en consecuencia, mejorar y preservar sus recursos naturales.

Éste documento ha sido escrita para proporcionar información básica sobre la Tecnología Fotovoltaica aplicada para Sistemas de Bombeo de Agua. Esta dirigida a todas aquellas personas que estén involucradas en la implementación, desarrollo, y operación de proyectos productivos agropecuarios basados en la disponibilidad de agua en el sitio, así como a vendedores e instaladores de dicha tecnología, y productores agropecuarios.

Aunque el lenguaje técnico en muchas ocasiones es complicado, se ha tratado de usar palabras comunes con el objeto de que los conceptos sean entendidos.





Sistema de Bombeo Fotovoltaico de 2.4 kW-p con arreglos montados en seguidores pasivos.


AGRADECIMIENTOS


El material consultado para la realización de ésta Guía proviene de muchas fuentes, publicas y privadas, todas ellas disponibles en la literatura o en sitios electrónicos. Abarca desde el esfuerzo realizado inicialmente por el Banco Mundial en el área de Bombeo desde 1978, que culminó con la edición de un manual llamado “Handbook on Solar Water Pumping”, publicado en 1984, hasta los esfuerzos realizados hoy en día.

Se incluye también el esfuerzo de otras instituciones, entre las que destaca el Programa de Energías Renovables para México de Sandia National Laboratories, USA, implementado en México desde 1994 a la fecha, que también generó un manual llamado Guía para el Desarrollo de Proyectos de Bombeo de Agua con Energía Fotovoltaica.

El Fideicomiso de Riesgo Compartido, dependencia técnica de la Secretaría de Agricultura, Desarrollo Rural, Alimentación y Pesca (FIRCO-SAGARPA) ha contribuido en gran medida con sus experiencias directas. El personal de Sandia National Laboratories (SNL) y del Southwest Technology Development Institute of New México State University (SWTDI-NMSU) han contribuido con la aportación de material didáctico y escrito, producto de sus experiencias de muchos años en ésta área. A estas organizaciones y su personal, se les extiende un sincero agradecimiento.

También se agradece la colaboración en la búsqueda de material fuente a las siguientes personas: Ing. José Ortega Cruz, Ing. César Rosas Porcayo, Ing. Felipe Aviléz, e Ing. Eduardo Sánchez Macedo, todos ellos becarios del Centro de Investigación en Energía.

E
l autor de ésta Guía es el Dr. Aarón Sánchez-Juárez.
Sistema de Bombeo Fotovoltaico de 1.2 kW-p con estructuras fijas.

RENUNCIA


Esta guía fue escrita en relación al proyecto patrocinado por el Banco Mundial, a través del Fondo Mundial para el Medio Ambiente (Global Environmental Facility, GEF), del Fideicomiso de Riesgo Compartido de la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Alimentación y Pesca.

Ninguna de las instituciones anteriores ofrecen garantía alguna sobre el uso y aplicaciones de esta publicación. Este documento fue escrito de buena fe. La información y datos, los que provienen de fuentes públicas, se consideran correctos en la fecha de su publicación. La mención explícita o implícita de marcas comerciales, fabricantes, productos y servicios no implica que ellas hayan aportado apoyos, patrocinios, endosos o recomendación al autor o instituciones mencionadas; sólo se incluyen para facilitar el entendimiento de los temas cubiertos.



La reproducción total o parcial de esta publicación

puede autorizarse bajo solicitud expresa al:
FIDEICOMISO DE RIESGO

COMPARTIDO (firco-sagarpa)

Cualquier comentario, sugerencia o aclaración

deber dirigirse por escrito a:


Dr. Aarón Sánchez-Juárez

Centro de Investigación en Energía

CIE- UNAM

Priv. De Xochicalco s/n,

Col. Centro, CP 62580

Temixco, Mor., MÉXICO

e-mail: asj@cien.unam.mx

Tecnologías fotovoltaicas en estudio.

Plataforma de experimentación en las

instalaciones del CIE-UNAM, Temixco, Morelos.

Tecnologías fotovoltaicas bajo estudio.

Plataforma Experimental CIE-UNAM


CONTENIDO

PAG.

ANTECEDENTES

ix

OBJETIVO

x

SECCIÓN 1 EL AGUA Y LAS ENERGÍAS RENOVABLES


1

1.1

Introducción

1

1.2

Requerimientos de Agua

1

1.3

Las Energías Renovables

4

1.4

Los Generadores Fotovoltaicos

6

1.5

El bombeo de agua con Tecnología Fotovoltaica

7

1.6

Factores Técnicos de decisión

9




1.6-a

Uso del agua

9




1.6-b

Características hidráulicas del sistema de bombeo

9




1.6-c

Recursos de la región

10




1.6-d

Localización e Infraestructura de comunicación

11

1.7

Conclusiones

13

1.8

Bibliografía y Referencias

14

SECCIÓN 2 EL BOMBEO DE AGUA

15


2.1

Introducción

15

2.2

Términos Hidráulicos

15

2.3

Términos Físicos

19

2.4

Presión Estática y Dinámica

25

2.5

Carga por Fricción o las Caídas de Presión

29

2.6

Cálculo de la Carga Dinámica Total

33

2.7

Sistemas de Bombeo de Agua

36

2.8

Motores Eléctricos

37




2.8-a

Motores CD

38




2.8-b

Motores CA

40

2.9

Bombas

40




2.9-a

Bombas de Desplazamiento Positivo

42




2.9-b

Bombas Dinámicas o Centrífugas

44

2.10

Curvas de Bombeo

46

2.11

Seleccionando el Sistema de Bombeo

47

2.12

Eficiencia en el Sistema de Bombeo

49

2.13

Sistemas de Bombeo Fotovoltaico

50

2.14

Bibliografía y Referencias

51

SECCIóN 3 EL RECURSO SOLAR

53


3.1

Introducción

53

3.2

La Luz Solar

53

3.3

Irradiancia e Insolación

54

3.4

Efectos de atenuación

55

3.5

Radiación directa, difusa y global

56

3.6

El concepto de hora pico

59

3.7

Aparatos para medir la radiación solar

60

3.8

Datos de radiación solar en México

62

3.9

Trayectoria solar y sombras

63

3.10

La orientación del captador

66

3.11

Conclusiones

69

3.12

Referencias

70



SECCIóN 4 CELDAS, MÓDULOS Y ARREGLOS FOTOVOLTAICOS


71

4.1

Introducción

71

4.2

El Efecto Fotovoltaico y la Celda Solar

71

4.3

Conceptos Elementales de Electricidad

73




4.3-a

Electrones y cargas eléctricas

73




4.3-b

Conductores, aislantes y semiconductores

74




4.3-c

Corriente y Voltaje Eléctrico

74




4.3-d

Resistencia y Ley de Ohm

75




4.3-e

Potencia y energía

76

4.4

Funcionamiento de una celda solar

77

4.5

Anatomía de una celda solar

79

4.6

Parámetros eléctricos de una celda solar

79

4.7

Efecto de la intensidad luminosa, la temperatura y el área

81




4.7-a

El efecto de la intensidad luminosa

82




4.7-b

Efecto del área

83




4.7-c

Efecto de la temperatura

83

4.8

Valores de los parámetros eléctricos de celdas solares de Si cristalino

84

4.9

El modulo Fotovoltaico

85




4.9-a

Conexión serie de celdas idénticas

86




4.9-b

Conexión paralelo de celdas idénticas

87




4.9-c

Celdas no idénticas y los diodos de protección

88




4.9-d

El concepto de módulo

89




4.9-e

Número óptimo de celdas en serie en un módulo

91

4.10

Parámetros eléctricos de un módulo

93

4.11

Certificado de módulos

94

4.12

Efecto de la intensidad luminosa

95

4.13

Efecto de la temperatura

96

4.14

El voltaje de diseño bajo condiciones de operación

98

4.15

Incremento de la potencia

99




4.15-a

Incrementando el voltaje

100




4.15-b

Incrementando la corriente

101

4.16

Efecto del sombreado

102

4.17

Diodos de paso y de bloqueo

103

4.18

El arreglo Fotovoltaico

106

4.19

Energía generada por un módulo

108

4.20

Orientación óptima del arreglo Fotovoltaico

109

4.21

Conclusiones

111

4.22

Bibliografía

112



SECCIóN 5 DIMENSIONAMIENTO DE SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO

113


5.1

Introducción

113

5.2

Los Sistemas de bombeo Fotovoltaico

113




5.2-a

Acoplamiento directo

113




5.2-a-1

Bombas centrífugas

115




5.2-a-2

Bombas de desplazamiento positivo (pistón, cilindro, diafragma)

116




5.2-b

Acoplamiento arreglo FV-convertidor CD/CD-Sistema de Bombeo

117




5.2-c

Acoplamiento arreglo FV-Inversor-Sistema de Bombeo

119

5.3

El concepto de dimensionar Sistemas de Bombeo FV’S

120

5.4

Sistemas de Bombeo convencional

124




5.4-a

Método analítico

124




5.4-b

Método gráfico

126

5.5

El dimensionamiento en Sistemas de Bombeo Fotovoltaico

127




5.5-a

Procedimiento gráfico o visual

127




5.5-a-1

Curvas Gasto Instantáneo contra Carga Dinámica Total

128







5.5-a-2

Tabla de Valores hidráulicos con energía

133




5.5-a-3

Carga dinámica total vs. Volumen diario

135




5.5-b

Nomograma energético

141




5.5-b-1

Diagrama o nomograma energético

142




5.5-b-2

Tabla energética

146




5.5-c

Hojas de cálculo

149

5.6

Conclusiones

153

5.7

Bibliografía

154

SECCIóN 6 DISEÑO DE SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO

155


6.1

Introducción

155

6.2

Parte hidráulica

156




6.2-a

Cálculo del requerimiento de agua y del mes de diseño

157




6.2-b

Características de la Fuente de Agua y Cálculo de la carga hidráulica

160




6.2-c

Sensores de nivel

165

6.3

Parte eléctrica

166




6.3-a

Dimensionamiento del arreglo FV y acondicionadores de energía

166




6.3-b

Diseño del cableado eléctrico

171




6.3-b-1

El aislante protector

172




6.3-b-2

Ampacidad

173




6.3-b-3

Caídas de voltaje

176

6.4

Sistema de protección (Interruptores, Diodos de paso y de bloqueo, Varistores y tierra física)

184




6.4-a

La Norma Eléctrica

184




6.4-a-1

Generalidades

184




6.4-a-2

Artículos de la NOM 001 Aplicables a Sistemas FV

185




6.4-a-3

Síntesis de Artículos importantes para Sistemas de Bombeo FV

186

6.5

Estructuras (Velocidad de viento, Cimentación, orientación, y ángulo de inclinación)

197




6.5-a

Materiales y estructuras

197




6.5-b

Efecto del viento y anclajes

198




6.5-c

Orientación

202




6.5-d

Seguidores solares

202

6.6

Conexiones

203

6.7

Selección de Interruptores y Sistemas de Protección

204

6.8

Conclusiones

208

6.9

Bibliografía

208

SECCION 7 INSTALACIÓN, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

209


7.1

Introducción

209

7.2

Instalación del sistema

209




7.2-a

Visita al sitio de trabajo y corroboración de la fuente de agua

210




7.2-b

La estructura y el montaje para el arreglo

211




7.2-c

Cableado y conexiones eléctricas

213




7.2-d

Puesta a Tierra

214




7.2-e

Obra Civil y plomería

215




7.2-f

Instalación de bombas superficiales

216




7.2-g

Instalación de bombas sumergibles

217

7.3

Operación y mantenimiento del sistema

217




7.3-a

El arreglo FV y el acondicionador de energía

218




7.3-b

Bombas y motores

218

7.4

Instale el equipo adecuado

219

7.5

Conclusiones

220

anexos

Anexos Sección 2





221










Densidad Relativa y viscosidad del agua a diferentes temperaturas

221







Coeficiente de fricción f para agua fluyendo en una tubería nueva y lisa

222







Tabla de pérdidas por fricción en tubería de acero cédula 40

223







Tabla de pérdidas por fricción en tubería de PVC

224







Tabla de pérdidas de carga en accesorios hidráulicos

225







Tabla de conversiones para unidades

226







Factores de conversión entre unidades de volumen, peso y longitud

227







Glosario de Términos usados en el bombeo fotovoltaico

228

Anexos Sección 3





233







Tabla de valores del Recurso Solar Nacional, Captador horizontal

233







Tabla de valores del Recurso Solar Nacional, Captador Inclinado a Latitud

235







Tabla de valores del Recurso Solar Nacional, Captador Inclinado a L-15º

237







Tabla de valores del Recurso Solar Nacional, Captador Inclinado a L+15º

239

Anexos Sección 4





241







Base de Datos de las Características Eléctricas de algunos módulos comerciales

241







Glosario de Abreviaturas y Términos Eléctricos

247







Relación de Instituciones y Organizaciones relacionadas con el uso y manejo de la Electricidad

251

Anexos Sección 5





253







Rangos de Operación de Bombas fotovoltaicas

253

Anexos sección 6





257







Aplicación de conductores eléctricos y aislamientos

257







Resistencia por kilómetro de cables y cordones flexibles

260







Ampacidad de conductores aislados, 3 conductores en ducto, para 60ºC a 90ºC

261







Ampacidad de conductores aislados, sencillos

262



Proceso de Instalación de un Sistema de Bombeo Fotovoltaico,


antecedentes

Desde que fue reportada la primera celda solar de silicio cristalino en 1954 1, el desarrollo de la tecnología fotovoltaica (FV) ha tenido un fuerte impulso en la investigación y aplicación que la ha hecho hoy en día, una tecnología madura, confiable y de larga duración. Debido a sus altos costos, sus aplicaciones iniciales estuvieron acotadas en proyectos en donde el precio del producto no fue una limitante, como es el caso de las aplicaciones espaciales. Afortunadamente, con los resultados de la investigación y desarrollo de la tecnología, que han traído como consecuencia procesos de producción masiva, los costos se han ido reduciendo.


De la misma manera en que se fue desarrollando la tecnología FV, los fabricantes de dispositivos eléctricos se abocaron a la tarea de diseñar y construir aparatos eléctricos que fueran susceptibles de funcionar con ésta energía eléctrica del tipo directo. Así, los proyectos de aplicación terrestre, usando éstos aparatos eléctricos, muestran un panorama de competitividad económica con tecnologías convencionales para generar electricidad. Como consecuencia, el uso de la tecnología fotovoltaica se han venido haciendo cada vez más popular para generar electricidad en sitios remotos apartados de la red eléctrica convencional o para proyectos en donde se requiere de un generador confiable, limpio y que no impacte al ambiente.
Una de las aplicaciones principales que se detectó en los inicios del desarrollo de la tecnología FV fue el extraer agua del subsuelo, dadas las necesidades del vital líquido para el desarrollo de la vida vegetal o animal. Por esa razón, en los años 70’s se tiene el reporte de la primera aplicación de un motor de corriente directa, de imán permanente, acoplado mediante una flecha, a una bomba sumergible energizado con un sistema fotovoltaico. Este sistema fue desarrollado por la compañía francesa Pompes Guinard 2. Varias unidades de este tipo fueron instaladas en dichos años.

Posteriormente, a fines de los años 70’s, el Banco Mundial emite una convocatoria para desarrollar sistemas de bombeo de agua mediante el uso de la Energía Solar, especialmente usando la tecnología FV, con el objeto de abastecer de éste vital líquido a pequeñas granjas para propósito de irrigación a baja escala. Además, se pretendía evaluar y demostrar la factibilidad económica, confiabilidad y de uso de dichos sistemas en esa aplicación. Así mismo, retroalimentar a los fabricantes para el mejoramiento de sus productos y tecnificar los procesos de irrigación. La meta era establecer un precio de $ 0.05 usd por m3 de agua extraído para cargas estáticas de 7 metros con razones de flujo de hasta 5 litros por segundo. Un total de 11 proyectos fueron instalados y los resultados del estudio fueron dados a conocer en 1981. De ellos se destaca que la meta de $ 0.05 usd por m3 de agua extraído no puede ser alcanzada fácilmente, pero la tecnología demostró que dichos proyectos se pueden realizar.

Como continuación del programa se instalaron 64 sistemas adicionales los que fueron sometidos a estudios técnicos y económicos. El reporte final fue realizado en 1983, el cual arrojó resultados muy interesantes. En primera instancia se concluyó que los sistemas de bombeo FV son económicamente competitivos con sistemas de generación de electricidad convencionales y su aplicación se justifica claramente en sitios con insolaciones altas en donde el costo del combustible (diesel, gasolina, gas) es alto, la velocidad del viento es baja, y la demanda de agua al año es casi constante. Se demostró que para aplicaciones de consumo humano el sistema de bombeo FV es más barato que un sistema convencional.

Como consecuencia de dicho esfuerzo se publicó en 1984 el manual Handbook on Solar Water Pumping, el cual fue actualizado en 1986, y posteriormente en 1993 se presenta la última versión 2: Solar Pumping: An Introduction and Update on the Technology, Performance, Cost, and Economics. A esa fecha se instalaron del orden de 10,000 sistemas de bombeo fotovoltaico alrededor del mundo que han demostrado la confiabilidad y simpleza de dicha tecnología.

En 1994, la entidad gubernamental mexicana Fideicomiso de Riesgo Compartido, dependencia técnica de la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Alimentación y Pesca (FIRCO-SAGARPA), adoptó el uso y promoción de Tecnologías basadas en las Energías Renovables, especialmente la FV, para aplicaciones agropecuarias. Con estos fines se unió a los esfuerzos de Sandia National Laboratories (SNL), organismo perteneciente al Departamento de Energía de los Estados Unidos (USDOE), en la implementación de tecnologías de energía renovable en aplicaciones productivas, y acordaron promover, el uso de sistemas de bombeo FV ya que representaba una alternativa conveniente para el abrevadero de animales en regiones apartadas de la red eléctrica convencional.

Para garantizar el éxito del programa, el FIRCO capacitó a personal técnico sobre la dinámica de identificación de proyectos factibles, operación de estos sistemas, dimensionamiento y evaluación técnica y económica de propuestas. Paralelamente, el personal técnico de Sandia puso en marcha un programa de capacitación y asesoramiento de proveedores, diseñadores y casas distribuidoras de material de bombeo y solar con el fin asegurar una máxima calidad en las instalaciones y productos instalados.


Con el objeto de dinamizar el sector agropecuario, el gobierno de México instrumentó en 1996, el programa de la Alianza para el Campo, el cual contempla el apoyo a este tipo de tecnologías en sus componentes de establecimiento de praderas, fomento lechero y ferti-irrigación, al apoyar a los productores con recursos económicos para la construcción de infraestructura y la adquisición de equipos con fuente de suministro de energía alterna, que permita el mejoramiento de las unidades productivas de manera sustentable y sostenible.
Los buenos resultados obtenidos en esta fase proporcionaron un incentivo para continuar el programa y extenderlo a otras aplicaciones como lo son la iluminación básica , refrigeración y comunicaciones. Durante los siguientes cinco años, se instalaron con éxito 195 sistemas de bombeo de distintas capacidades. Las experiencias y lecciones aprendidas en el desarrollo de éstos proyectos dieron como resultado un manual llamado “Guía para el Desarrollo de Proyectos de Bombeo de Agua con Energía Fotovoltaica”, que fue editado por el Southwest Technology Development Institute of New México State University (SWTSI-NMSU) en el año de 1999.

A raíz de los resultados obtenidos en dicho programa, el FIRCO solicitó un donativo al Banco Mundial, del Fondo Mundial del medio Ambiente (Global Environmental Facility; gef), para que dicha institución continuara impulsando las experiencias anteriores, mediante el establecimiento del “Proyecto de Energía Renovable para la Agricultura”, que considera el fortalecer los cuadros técnicos, el establecer módulos demostrativos, y la promoción y difusión de la tecnología FV.

Para esto, el programa contempla la realización de cursos, eventos y la capacitación de técnicos y funcionarios tanto de los gobiernos estatales, de la SAGARPA, como del propio firco, empresas prestadoras de servicios y productores, que minimizarán la barrera del desconocimiento sobre el uso de estas tecnologías; requiriéndose para esto la obtención de material didáctico que servirá de apoyo a la instrucción planteada.
Estas notas se han escrito, a petición del FIRCO, para proveer de un material didáctico a todas aquellas personas involucradas con el desarrollo de proyectos basados en el bombeo de agua con sistemas FV. Para su realización se tomaron en cuenta todas las experiencias y lecciones aprendidas en los programas anteriores. La intención es que estas valiosas experiencias contribuyan a la diseminación y aplicación de la tecnología FV en las zonas rurales de nuestro país. Los proyectistas, ingenieros de campo y cualquier personal involucrado en desarrollo rural podrá beneficiarse de estas experiencias.

objetivo

El propósito de éste Libro-Guía es dar al lector las herramientas necesarias para que, por medio de los conceptos básicos y procedimientos sencillos, pueda identificar proyectos de bombeo en los cuales la tecnología fotovoltaica pueda ser empleada en el desarrollo de proyectos productivos agropecuarios. Además, pueda adquirir los conocimientos básicos para establecer criterios de dimensionamiento, diseño, operación y mantenimiento de dichos sistemas.


Para lograr lo anterior ésta obra se ha dividido en secciones, dentro de las cuales, la primera proporciona un panorama general del papel que juega la disponibilidad de agua en el desarrollo rural, así como las tecnologías convencionales para su extracción. En la segunda sección se proporcionan los conceptos relacionados al bombeo de agua. La siguiente establece los conocimientos básicos de la energía solar y el fenómeno fotovoltaico, así como los conceptos de módulo y arreglo FV y sus parámetros eléctricos. Se proporciona además, una metodología para estimar la energía generada por dichos sistemas. Posteriormente, se establece en la siguiente sección, los criterios de dimensionamiento fotovoltaico para el bombeo de agua. Más adelante se proporcionan las ideas básicas del diseño del sistema, para posteriormente dar los criterios de instalación, operación y mantenimiento de los mismos. Las consideraciones institucionales, especificaciones técnicas y los apéndices se proporcionan posteriormente.





La base de datos está protegida por derechos de autor ©bazica.org 2016
enviar mensaje

    Página principal