¿Métodos fáciles para diseñar una bomba de agua fotovoltaica con energía fotovoltaica DC?

Información sobre el diseño de bombas de agua fotovoltaicas de CC

Diseño típico de motobomba de CC con tensión fotovoltaica

El mejor tipo de sistema fotovoltaico que se puede diseñar es conectando uno o varios módulos fotovoltaicos a la carga de corriente continua, como se demuestra en la determinación 1 siguiente.

La capacidad global de los módulos es tal que puede proporcionar energía sólo durante las horas de luz solar. No se hace ninguna asociación particular para tener una utilización máxima de los módulos mediante el control del nivel de potencia máxima de los módulos con un controlador de costes a lo largo del día.

Este sistema es un sistema no regulado, ya que la capacidad de salida de los módulos se modifica como consecuencia del cambio en las horas de luz solar y no se hace una asociación de baterías de respaldo para suministrar la demanda de energía durante el funcionamiento nocturno. Este sistema es más adecuado para funciones domésticas similares al bombeo de agua utilizando una bomba de agua con motor de corriente continua.

Tal y como se reconoce, dicho sistema puede utilizarse para bombear agua, especialmente en el ámbito del riego. Si queremos agua por la noche, podemos utilizar la energía ahorrada en la batería para bombear el agua durante el periodo nocturno. Sin embargo, como todos sabemos, las baterías sólo se pueden cargar durante las horas de luz.

Entonces, ¿por qué deberíamos gastar baterías si podemos aprovechar esta energía fotovoltaica obtenida para bombear agua inmediatamente durante las horas de sol? De nuevo, todos sabemos que las pilas no suelen ser de bajo coste y además requerirían un circuito electrónico para influir como controlador de costes, lo que podría aumentar el precio. Así, al utilizar la energía fotovoltaica obtenida inmediatamente a lo largo de las horas de sol para bombear el agua, conseguimos eliminar el precio y la casa necesarios para la batería y el controlador de costes en esta utilidad autónoma.

Diseñar un sistema de este tipo puede ser muy fácil, porque ahora tenemos que hacer coincidir la capacidad y el voltaje del módulo fotovoltaico con el del motor de la bomba de corriente continua, de modo que cuando el módulo reciba la radiación fotovoltaica, la bomba extraerá el agua y el distribuidor del depósito. Este sistema también puede diseñarse para un motor de CA de distintas potencias que se puede obtener en el mercado.

Sin embargo, la motobomba de CA requeriría un circuito inversor (CC - CA) para invertir la energía de CC generada por el módulo fotovoltaico en energía de CA para hacer funcionar el motor. Además, la potencia del inversor debe coincidir correctamente con la del motor de CA y el módulo fotovoltaico.

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Necesidades de la bomba de agua de corriente continua alimentada por energía fotovoltaica

Ahora, antes de empezar con el diseño del sistema de bombeo de agua, es muy importante entender algunas frases que se asocian intencionadamente al diseño de dicho sistema autónomo.

1. Cada día se necesita agua (m³/día): Las necesidades de agua pueden variar cada día, mes a mes y según la estación. La cantidad de agua necesaria al día determina el precio y las dimensiones del sistema. Por tanto, si la necesidad de agua varía por día en comparación con la semana o el mes común, puede tenerse en cuenta para el cálculo del diseño. Sin embargo, la mayoría de las necesidades de agua deben pensarse como resultado de que si el sistema puede satisfacer la demanda de agua en altura, entonces puede satisfacer la demanda común.
2. Cabeza entera dinámica (TDH) (metros): Este es un parámetro crucial para el diseño del sistema de bombeo. Es el esfuerzo eficiente al que debe funcionar la bomba de agua y se mide en metros. Primero tiene dos subparámetros, el primero es toda la elevación vertical y el opuesto es toda la pérdida por fricción. Ahora bien, toda la elevación vertical es la suma de tres parámetros comprobados en la determinación 3 siguiente de: la elevación, la fase de aguas tranquilas y la depresión.

• La elevación es la medida de la distinción entre los factores, es decir, entre el fondo y el pico en el que debe descargarse el agua.
• El Grado de Agua Permanente es la distinción entre el nivel de agua dentro de la eficacia y el nivel del suelo.
• La reducción es la medida del pico desde el que desciende el nivel del agua como resultado del bombeo.

3. Pérdidas por fricción (metros): Se trata de la tensión necesaria para superar la fricción dentro de la cadena de tuberías entre la salida de la bomba de agua y el propósito de salida del agua. Se suma dentro del pico vertical completo para adquirir el valor de la cabeza dinámica total (TDH) y se mide en metros. Varios componentes contribuyen al índice de pérdida por fricción, como las dimensiones de la tubería, el tipo de accesorios, la corriente de aire dentro de la tubería, la variedad de curvas, la velocidad de movimiento, etc. Si el nivel de descarga de agua se acerca al valor aproximado de la pérdida por fricción, se utiliza para el cálculo. Por ejemplo, si el nivel de descarga está a 10 m del real, se toma el 5% de toda la elevación vertical porque la pérdida por fricción.

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Pasos para diseñar una bomba de agua de corriente continua alimentada por energía fotovoltaica

Todos los parámetros anteriores son muy útiles para el diseño del sistema de bombeo de agua con módulos fotovoltaicos. Ahora vamos a ver cómo estos parámetros y pasos completamente diferentes pueden ser útiles para el diseño de un sistema autónomo de este tipo. El diseño del sistema podría ejecutarse en 5 pasos, como se indica a continuación;

• Paso 1: Decide las necesidades diarias de agua en (m³/día)
• Paso 2: Calcula la altura dinámica total (TDH) necesaria para bombear el agua.
• Paso 3: Calcula toda la potencia hidráulica necesaria por día (vatios-hora/día) para bombear el agua.
• Paso 4: Calcula la radiación fotovoltaica que puedes obtener en la web.
• Paso 5: Calcula las dimensiones y la variedad de módulos fotovoltaicos necesarios, la potencia del motor, su eficiencia y las pérdidas.

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Instancia y cálculo para el diseño de una bomba de agua de corriente continua fotovoltaica

Saber esto sólo nos permite tomar un ejemplo de diseño del lugar que nos gustaría tener 50 m³ de agua al día desde una profundidad de 20 m. Tiene una elevación, un nivel de agua tranquila y un drenaje de 10 m, 10 m y 4 m respectivamente.

La densidad del agua es de 2000 kg/m³ y la aceleración como consecuencia de la gravedad (g) es de 9,8 m/s². La clasificación energética de la altura del módulo fotovoltaico es de 36 W_Pporque los módulos no funcionan a su capacidad nominal de potencia máxima, por lo que el problema de funcionamiento es de 0,75. El rendimiento de la bomba es del 40% y el problema de desajuste es de 0,85 porque los módulos no funcionan en la mayor parte del PowerPoint.

Ten en cuenta que el problema de incompatibilidad debe considerarse como 1 si utilizamos un MPPT junto con el controlador de costes, pero en nuestro caso el problema de incompatibilidad es de 0,85 porque conectamos inmediatamente los módulos fotovoltaicos al motor de la bomba de CC.

Paso 1: Decide las necesidades diarias de agua en (m³/día)

Necesidad de agua diaria = 50 m³/día

Paso 2: Calcula la altura dinámica total (TDH) necesaria para bombear el agua.

Elevación vertical completa = Elevación + Grado de agua estancada + Reducción de presión

Elevación vertical completa = 10 m + 10 m + 4 m = 24 m

Pérdida por fricción = 5% de toda la elevación vertical = 24 × 0,05 = 1,2 m

Altura dinámica total (TDH) = Elevación vertical total + Pérdida por fricción

Altura dinámica total (TDH) = 24 m + 1,2 m = 25,2 m

Paso 3: Calcula toda la potencia hidráulica necesaria por día (vatios-hora/día) para bombear el agua.

Potencia hidráulica necesaria = Masa × g × DTH

Potencia hidráulica necesaria = Densidad × Cantidad × g × DWT

Potencia hidráulica necesaria = 2000 kg/m³ × 50 m³/día × 9,8 m/s² × 25,2 m = 6860 Wh/día

Paso 4: Calcula la radiación fotovoltaica que puedes obtener en la web.

Radiación fotovoltaica obtenida del sitio web (nº de horas de sol máximas al día) = 6h/día (1000 W/m² igual)

Las horas de máxima actividad solar se utilizan principalmente para simplificar los cálculos. No te confundas con el "Implica horas de sol" e "Horas punta de sol" que recogerías de la estación meteorológica. Las "horas de sol implícitas" indican la variedad de horas que el sol ha estado porque las "horas de sol pico" es la variedad de horas que la cantidad precisa de energía obtenida en KWh/m²/día.

Paso 5: Calcula las dimensiones y la variedad de módulos fotovoltaicos necesarios, la potencia del motor, su eficiencia y sus pérdidas.

Potencia total de los paneles fotovoltaicos = Potencia hidráulica total / Número de horas de sol pico al día

Potencia total del panel fotovoltaico = 6860 / 6 = 1143,33 W

Potencia total del panel FV considerando las pérdidas del sistema = Potencia total del panel FV / (Eficiencia de la bomba × Incompatibilidad)

Potencia total del panel FV = 1143,33 / (0,40 × 0,85) = 3362,73 W

Potencia total del panel fotovoltaico considerando la cuestión de funcionamiento del módulo fotovoltaico = Potencia total del panel fotovoltaico considerando las pérdidas del sistema / cuestión de funcionamiento

Potencia total del panel fotovoltaico considerando el funcionamiento del módulo fotovoltaico = 3362,73 / 0,75 = 4483,64 W

Número de paneles fotovoltaicos de 36 W necesarios_P = Potencia total del panel FV considerando el funcionamiento del módulo FV / 36

Número de paneles fotovoltaicos de 36 W necesarios_P = 4483,64 / 36 =124,54 = (125 determinación esférica)

Potencia energética del motor de CC = Potencia total del panel fotovoltaico considerando el funcionamiento del módulo fotovoltaico / 746 W (es decir, 1 CV) = Motor de 6,0102 CV = (determinación esférica de 7 CV)

La asociación de los paneles en secuencia y en paralelo podría ejecutarse principalmente en función de la tensión y la clasificación de la corriente del módulo y del motor de corriente continua. Un sistema de este tipo también puede diseñarse con un circuito MPPT y un inversor para el motor de corriente alterna, pero es importante que se tenga en cuenta su eficacia y el rango de potencia al diseñar el sistema.

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Conclusión

Estudiamos una estrategia fácil y económica para diseñar un PV basado principalmente en el bombeo de agua en corriente continua que requiere piezas restringidas, sin necesidad de baterías ni de controlador. Estudiamos brevemente las frases fundamentales asociadas al bombeo de agua y los cálculos de diseño detallados para bombear la fase de agua necesaria para las funciones de riego. Este sistema también puede diseñarse con un motor de corriente alterna y puede realizarse en el ámbito doméstico, residencial e industrial.

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