¿Conoces la bomba de agua solar?

1. Definición y composición

1.1 Definición básica

El sistema de bombeo de agua solar (SWPS) es un dispositivo que convierte la energía solar en energía eléctrica para impulsar una bomba de agua que bombea agua sin depender de las redes eléctricas tradicionales o de combustibles fósiles.

1.2 Composición del sistema

Paneles solares

Tipos: silicio monocristalino (eficiencia 18%-22%), silicio policristalino (15%-18%), película fina (10%-13%).

Adaptación de potencia: diseñada en función de la potencia de la bomba de agua y las condiciones de luz solar. Por ejemplo, una bomba de agua de 1 kW debe combinarse con un panel fotovoltaico de 1,5-2 kW (teniendo en cuenta las pérdidas).

Estructura de soporte: fija/seguimiento (eje único/eje doble), este último aumenta la generación de energía entre un 10% y un 30%.

Bomba de agua

Bombas de CC:

Bomba sumergible (para pozos profundos): material resistente a la corrosión, profundidad de trabajo hasta 200 metros.

Bomba centrífuga (aguas superficiales): baja altura (<50 metros), gran caudal (5-100m³/h).

Bomba de CA: requiere un inversor (como un inversor de onda sinusoidal), adecuado para escenarios de alta potencia (>5 kW).

Controlador

Función: Controlador MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) (mejora de la eficiencia del 20%-30%), protección contra sobretensión/subtensión, arranque suave.

Módulos adicionales: sensor de nivel de agua (para evitar bombeo en seco), monitoreo remoto Bluetooth/WiFi.

Sistema de almacenamiento de energía (opcional)

Tipo de batería: batería de plomo-ácido (bajo costo), batería de litio (larga vida útil, eficiencia de carga y descarga > 95%).

Cálculo de capacidad: Para satisfacer las necesidades de 1 a 3 días de lluvia, por ejemplo, se requiere una batería de 10 kWh (profundidad de descarga del 50 %) si el consumo diario de energía es de 5 kWh.

Equipo auxiliar

Filtro: Evitar obstrucciones por sedimentos, como un filtro de malla de acero inoxidable (número de malla ≥ 80).

Tuberías: PVC (bajo costo), HDPE (resistente a rayos UV, vida útil de 20 años).

2. Principio de funcionamiento y proceso

2.1 Proceso de conversión de energía

Energía luminosa → Energía CC: Los paneles fotovoltaicos generan pares electrón-hueco a través de uniones PN y voltaje de CC de salida (como 36 V, 48 V).

Regulación de potencia: El controlador MPPT ajusta dinámicamente el voltaje y la corriente para maximizar la potencia de salida del panel fotovoltaico.

Impulsión de la bomba de agua:

Motor DC: alimentado directamente por paneles fotovoltaicos, eficiencia > 90%.

Motor de CA: el inversor convierte CC en CA (como 220 V/380 V) con una eficiencia del 85 % al 92 %.

2.2 Modo de funcionamiento del sistema

Accionamiento directo: sin almacenamiento de energía, funciona cuando brilla el sol y se para cuando está nublado (adecuado para necesidades no continuas como el riego).

Amortiguador de almacenamiento de energía: las baterías suavizan las fluctuaciones de energía y permiten el suministro de agua las 24 horas (adecuado para uso doméstico).

3. Clasificación

Por tipo actual

Según la estructura de la bomba

Bombas sumergibles:

Bomba sumergible para pozo profundo: altura 50-200 metros, carcasa de acero inoxidable, cable grado de impermeabilidad IP68.

Bomba sumergible para pozos poco profundos: altura <50 metros, caudal 1-10m³/h, adecuada para ríos y estanques.

Bomba centrífuga:

Autocebante: Expulsa el aire automáticamente, adecuado para el bombeo intermitente de aguas superficiales.

Bomba centrífuga multietapa: alta altura (100-500 metros), utilizada para transporte de agua en zonas montañosas.

Por tamaño del sistema

Sistema pequeño (<1kW): uso doméstico de agua, riego de pequeños huertos, suministro diario de agua de 1 a 5 m³.

Sistema de tamaño medio (1-10kW): riego de granjas, suministro de agua centralizado a pueblos, suministro diario de agua de 10 a 100 m³.

Sistema grande (>10kW): reverdecimiento del desierto, suministro de agua industrial, suministro diario de agua >200m³.

4. Casos y escenarios de aplicación

4.1 Escenarios típicos

Riego agrícola:

Caso: Un sistema de 5kW bombea 50m³ de agua por día en una granja en Rajastán, India, para regar 10 hectáreas de cultivos tolerantes a la sequía.

Puntos técnicos: El sistema de riego por goteo está equipado con un aspersor compensado por presión, ahorrando un 30% de agua.

Suministro de agua para uso doméstico:

Caso: En África subsahariana, un sistema de 300 W + una batería de 2 kWh pueden satisfacer las necesidades diarias de agua de una familia de cinco personas con 200 L.

Puntos técnicos: Equipado con módulo de esterilización UV para garantizar la seguridad del agua potable.

4.2 Escenarios especiales

Áreas de gran altitud: se requieren paneles fotovoltaicos resistentes a bajas temperaturas (funcionamiento a -40 ℃) y el grado de aislamiento del motor de la bomba de agua es grado H.

Desalinización de agua de mar: Con membrana de ósmosis inversa (RO), potencia del sistema >10kW, el costo de producción de agua es de aproximadamente 0,5-1 USD/m³.

5. Selección y diseño de tecnología

5.1 Cálculo de parámetros clave

Ascensor (H):

Fórmula: H = altura vertical + pérdida por fricción de la tubería (cada 10 metros de tubería horizontal ≈ 1 metro de altura) + requisito de presión de salida.

Ejemplo: Profundidad del pozo 30 metros, tubería horizontal 100 metros (pérdida por fricción 10 metros), altura total H = 30 + 10 = 40 metros.

Caudal (Q):

Fórmula: Q = demanda diaria de agua (m³) / horas de sol efectivas (h).

Ejemplo: se requieren 20m³ de agua diariamente y hay 5 horas de sol, entonces Q=4m³/h.

Energía fotovoltaica (P):

Fórmula: P = (Q × H × 0,163) / (horas pico de sol × eficiencia del sistema (0,4-0,6)).

Ejemplo: Q=4m³/h, H=40 metros, 5 horas de sol, eficiencia 0,5 → P≈ (4×40×0,163)/(5×0,5)=10,4kW.

5.2 Ejemplo de configuración

Requisitos: Riego de 5 mu de huerto, requerimiento diario de agua 15m³, elevación 30 metros, sol 4 horas.

plan:

Bomba de agua: bomba sumergible DC de 1,5kW (Q=3,75m³/h, H=30m).

Paneles fotovoltaicos: conjunto monocristalino de 3kW (6 paneles de 500W).

Controlador: MPPT 48V/30A.

Almacenamiento de energía: no necesita baterías (el agua se bombea directamente a una piscina de alto nivel durante el día).

6. Instalación y mantenimiento

Detalles de instalación

Ángulo de inclinación del panel fotovoltaico:

Fijo: Latitud ±10° (como Beijing 40°N, inclinación 30°-50°).

Ajuste estacional: +15° en invierno, -15° en verano.

Disposición de la tubería:

Evite los codos en ángulo recto y utilice codos de 45° para reducir las pérdidas por fricción.

Las tuberías de superficie deben ser a prueba de rayos UV (tuberías de HDPE) o estar enterradas a una profundidad de >0,5 m para evitar la congelación.