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Guía de diseño de bomba de agua de CC con energía solar
Un diseño típico de una bomba de motor de CC fotovoltaica
El tipo de sistema fotovoltaico más simple que se puede diseñar es conectar uno o varios módulos fotovoltaicos directamente a una carga de CC, como se muestra en la Figura 1 a continuación.
La capacidad total del módulo es tal que solo puede suministrar energía durante el día. Con el controlador de carga rastreando el punto de máxima potencia del módulo a lo largo del día, no se realizan ajustes especiales para aprovechar al máximo el módulo.
Dichos sistemas son sistemas no regulados porque la salida de energía de los módulos varía con los cambios en las horas del día y no hay provisiones para baterías de respaldo para satisfacer la demanda de energía durante la operación nocturna. Dichos sistemas son más adecuados para aplicaciones domésticas, como el bombeo de agua mediante una bomba de agua con motor de CC.
Como se mencionó, dichos sistemas pueden usarse para el bombeo de agua, especialmente en aplicaciones de riego. Si necesita agua por la noche, la energía almacenada en la batería se puede utilizar para bombear agua durante la noche. Pero como sabemos, la batería solo se puede cargar durante el día cuando brilla el sol.
Entonces, ¿por qué deberíamos cargar las baterías cuando podemos aprovechar la energía solar disponible para bombear agua rápidamente durante el día?También sabemos que requiere circuitos y es costoso. Por lo tanto, al usar inmediatamente la energía solar disponible para bombear agua durante el día, esta aplicación independiente puede reducir el costo y el espacio requerido para las baterías y los controladores de carga.
El diseño de un sistema de este tipo es muy simple. Esto se debe a que la clasificación de potencia y voltaje del módulo fotovoltaico debe coincidir con la clasificación del motor de la bomba de CC. Cuando el módulo recibe radiación solar, una bomba extrae agua y la almacena en un depósito. Dichos sistemas también pueden diseñarse para motores de CA de varias potencias nominales disponibles en el mercado.
Sin embargo, las bombas de motor de CA requieren un circuito inversor (CC – CA) para convertir la energía de CC generada por los módulos fotovoltaicos en energía de CA para hacer funcionar el motor. Además, la clasificación de potencia del inversor debe coincidir con las clasificaciones del motor de CA y del módulo fotovoltaico.
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Requisitos de la bomba de agua de CC con energía solar
Antes de comenzar a diseñar un sistema de bomba de agua, es importante comprender algunos términos que están estrechamente relacionados con el diseño de un sistema independiente de este tipo.
- Requerimiento diario de agua (m3/día): Los requisitos de agua pueden variar de un día a otro, de un mes a otro y de una estación a otra. La cantidad de agua requerida por día determina el costo y el tamaño del sistema. Entonces, si sus necesidades de agua cambian de un día a otro, puede usar promedios semanales o mensuales para sus cálculos de diseño. Sin embargo, si el sistema puede satisfacer la demanda máxima de agua, puede satisfacer la demanda normal, por lo que se deben considerar los requisitos máximos de agua.
- Cabeza dinámica total (TDH) (metros): este es el parámetro más importante para el diseño del sistema de bombeo. La presión efectiva a la que debe operar la bomba de agua, medida en metros. Tiene dos subparámetros, el primero es la elevación vertical total y el segundo es la pérdida total por fricción. Además, la fuerza de elevación vertical total es la suma de los tres parámetros que se muestran en la Figura 3 a continuación. Elevación, nivel de agua estancada y descenso.
- La elevación es una medida de la diferencia entre puntos, la diferencia de altura desde el suelo hasta donde drena el agua.
- El nivel estático del agua es la diferencia entre el nivel del agua del pozo y el nivel del agua superficial.
- Drawdown es una medida de la altura a la que se reduce el nivel del agua mediante el bombeo de agua.
- Pérdida por fricción (metros): esta es la presión requerida para superar la fricción en la tubería que existe desde la salida de la bomba de agua hasta la salida de agua. Esto se suma a la altura vertical total para obtener el valor de cabeza dinámica total (TDH) y se mide en metros. Varios factores contribuyen a las pérdidas por fricción, incluidos el tamaño de la tubería, el tipo de conexión, el aire presente en la tubería, el número de curvas y el caudal. Si el punto de descarga de agua está más cerca del pozo de lo estimado, use el valor de pérdida por fricción para el cálculo. Por ejemplo, si el punto de bombeo está dentro de los 10 m del pozo, la pérdida por fricción es el 5% de la elevación vertical total.
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Pasos de diseño para bomba de agua de CC con energía solar
Todos los parámetros anteriores son muy útiles para el diseño de sistemas de bombeo de agua mediante módulos fotovoltaicos. Ahora veamos cómo estos parámetros y los diferentes pasos pueden ayudarnos a diseñar un sistema independiente. El diseño del sistema se puede hacer en cinco pasos:
- paso 1: (Determine sus necesidades diarias de agua en m.3/Día)
- Paso 2: Calcule la cabeza dinámica total (TDH) requerida para bombear el agua.
- Paso 3: Calcule la energía hidráulica total (vatios hora/día) requerida por día para bombear agua.
- Etapa 4: Calcule la cantidad de radiación solar disponible en su sitio.
- Paso 5: Calcule el tamaño y el número de módulos fotovoltaicos requeridos, la clasificación del motor, la eficiencia y las pérdidas.
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Ejemplos y cálculos de diseño de bombas de agua fotovoltaicas de CC
Para comprender esto, considere un ejemplo de diseño que requiere 50 m.3 Agua por día desde una profundidad de 20m. La altitud es de 10 m, el nivel estático del agua es de 10 m y el nivel del agua es de 4 m.
La densidad del agua es de 2000 kg/m3 La aceleración debida a la gravedad (g) es de 9,8 m/s2La potencia nominal máxima del módulo solar es de 36 W.PAG.El factor de funcionamiento es 0,75 porque el módulo no funciona a su capacidad nominal de potencia máxima. La eficiencia de la bomba es de alrededor del 40 % y el factor de desajuste es de 0,85, ya que el módulo no funciona a plena potencia.
Tenga en cuenta que cuando se usa MPPT con un controlador de carga, se supone que el factor de desajuste es 1, pero en este caso el módulo fotovoltaico está conectado directamente al motor de la bomba de CC, por lo que el factor de desajuste es 0,85.
paso 1: (Determine sus necesidades diarias de agua en m.3/Día)
Necesidad diaria de agua = 50 m3/Día
Paso 2: Calcule la cabeza dinámica total (TDH) requerida para bombear el agua.
elevación vertical total = elevación + nivel de agua estático + descenso
Elevación vertical total = 10 m + 10 m + 4 m = 24 m
Pérdida por fricción = 5 % de la elevación vertical total = 24 × 0,05 = 1,2 m
Carga dinámica total (TDH) = elevación vertical total + pérdida por fricción
Carga dinámica total (TDH) = 24 m + 1,2 m = 25,2 m
Paso 3: Calcule la energía hidráulica total (vatios hora/día) requerida por día para bombear agua.
Energía hidráulica requerida = masa x g x TDH
Energía Hidráulica Requerida = Densidad x Volumen x g x TDH
Energía hidráulica requerida = 2000 kg/m3 ×50m3/día×9.8m/s2 × 25,2m = 6860Wh/día
Etapa 4: Calcule la cantidad de radiación solar disponible en su sitio.
Radiación solar disponible en el sitio (horas pico de sol por día) = 6 horas/día (1000 W/m2 equivalente)
Para simplificar los cálculos, el más utilizado es el de las horas pico de luz.no confundas “Promedio de horas de sol” y “Hora pico del sol” Recoger de las estaciones meteorológicas. “Horas de sol promedio” indica el número de horas de sol. “Horas pico de luz solar” es la cantidad real de energía recibida (KWh/m).2/Día.
Paso 5: Calcule el tamaño y el número de módulos fotovoltaicos requeridos, la clasificación del motor, la eficiencia y las pérdidas.
Potencia total de los paneles fotovoltaicos = energía hidroeléctrica total / número de horas pico de sol por día
Potencia total del panel fotovoltaico = 6860 / 6 = 1143,33 W
Potencia total del panel fotovoltaico considerando las pérdidas del sistema = Potencia total del panel fotovoltaico / (eficiencia de la bomba × factor de desajuste)
Potencia total del panel fotovoltaico considerando las pérdidas del sistema = 1143,33 / (0,40 × 0,85) = 3362,73 W
Potencia total del panel fotovoltaico considerando la utilización del módulo fotovoltaico = Potencia total del panel fotovoltaico considerando la pérdida/utilización del sistema
Potencia total del panel fotovoltaico considerando la utilización del módulo fotovoltaico = 3362,73/0,75 = 4483,64 W
Número de paneles fotovoltaicos necesarios para 36WPAG. = Potencia total del panel fotovoltaico considerando la disponibilidad del módulo fotovoltaico / 36
Número de paneles fotovoltaicos necesarios para 36WPAG. = 4483,64 / 36 = 124,54 = (125 números en un círculo)
Potencia nominal del motor de CC = potencia total del panel fotovoltaico teniendo en cuenta el factor de rendimiento del módulo fotovoltaico / 746 W (es decir, 1 hp) = motor de 6,0102 hp = (número redondeado para 7 hp)
Los arreglos de paneles en serie y en paralelo se pueden hacer en función de los valores nominales de voltaje y corriente de los módulos y motores de CC. Dichos sistemas también se pueden diseñar utilizando circuitos MPPT e inversores para motores de CA, pero es importante tener en cuenta su eficiencia y potencia nominal al diseñar el sistema.
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Conclusión
Hemos investigado un enfoque simple y económico para diseñar una bomba de agua de CC alimentada por energía solar que requiere una cantidad limitada de componentes y no necesita baterías ni controladores. Una breve introducción a la terminología básica de bombeo de agua y cálculos de diseño detallados para bombear los niveles de agua necesarios para el riego. Dichos sistemas también se pueden diseñar utilizando motores de CA y se pueden implementar a nivel doméstico, residencial y comercial.
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