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 BOMBEO SOLAR - calculo, instalacion y medidas de seguridad.

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MensajeTema: BOMBEO SOLAR - calculo, instalacion y medidas de seguridad.   Lun Ene 14, 2013 7:38 pm

Estimados Foreros.

El Sr. LUIS FUENTES MORRISON., Instructor del Instituto Interamericano de Electronica (Enlace al sitio web) nos hizo llegar esta valiosa información para compartirla con todos ustedes. Información como está la podran encontrar en los cursos de Energia Solar que imparte el Instituto Interamericano de Electronica, en Santiago. También prontamente en versión e-learning.


CALCULO DE GENERADOR ENERGIA SOLAR para BOMBA HIDRAULICA

Calculo, instalacion y medidas de seguridad.
Finalidad del ejercicio:
Funcionamiento de sistema de riego por Bomba Hidráulica de 1HP, 220 volts, por un lapso de 5 horas diarias.

El método de cálculo propuesto es aplicable a todos los casos que se presenten.

Lo primero es establecer qué cantidad de energía en Watts representa un Hp (Horse Power en inglés- Caballo de Fuerza, en español) de la bomba hidráulica que desea activar mediante energía solar.
Un HP o Caballo de Fuerza equivale a 746 Watts/hora, cantidad de energía eléctrica que deberá generar desde su grupo solar para hacer funcionar la bomba.


Paso 1:
Convertir los 746 W. a Amperes. La fórmula dice: Watts / Volts, entonces
746 Watts / 220 V. = 3,39A/h

En otras palabras, su bomba hidráulica consumirá un poco menos de 3,5 Amperes por hora de funcionamiento, por tanto esta cantidad de energía, en potencia (W.), debe estar disponible a la salida del inversor a utilizar para alimentar la bomba, sea generada desde grupos de paneles de 12 ó 24 voltios.

Por otro lado, el acto de romper la inercia mecánica de un motor, en otras palabras para ponerlo en marcha, demanda una cantidad de energía adicional equivalente a por lo menos 3 veces la nominal; dicho de otro modo, durante el tiempo de partida de la bomba, ( 1 ó 2 segundos aproximadamente) , debe disponerse de: 3,39 x 3 = 10,1 Amperes.

Lo que hace necesario incluir una batería de respaldo con su correspondiente Controlador de Carga, para la puesta en marcha. Esta batería puede ser de 100 Amperes a objeto pueda además solventar el bombeo hidráulico pensando en un corto período de días nublados. Por otra parte, la inclusión de una batería hace posible que la operación de la bomba hidráulica sea eficiente en todo momento, independientemente cuáles sean las condiciones solares que afecten al grupo de paneles; en otras palabras, actúa como un elemento estabilizador para la gestión operativa de la bomba.


¿Cuánta energía se consumirá durante las 5 horas de operación?


Veamos:
Partida = 10,1.
Cifra que no vamos a considerar en el consumo final pues es de carácter instantáneo y se recuperará con la carga de la batería.

Entonces, consumo total de la operación = 3,39A/h. x 5 horas = 17A.
Como un inversor nunca es 100% eficiente en su trabajo de convertir energía de corriente continua (DC) en energía de corriente alterna (AC), debemos considerar esta pérdida –de acuerdo a los manuales en aproximadamente un 15%- como parte de energía a consumir durante las 5 horas de operación, por tanto:
17A + 15% de pérdida en inversor = 20A.

Redondeando la cifra, proponemos 20A. de consumo real diario, durante la actividad de 5 horas de bombeo continuo. A esta cifra debemos sumarle un 25 % en razón de la presencia de un elemento reactor inductivo (coseno fi) en el circuito a alimentar -bobinado de motor-,

por tanto
20A x 25% Coseno fi = + 5A. = 25A. Total

Lo que nos da una cifra promedio real de 5A. de consumo por hora de operación de la bomba, que llevado a potencia consumida durante la 5 horas de funcionamiento corresponde a:

220V x 25A = 5.500W.





DIAGRAMA DE CONEXIONADO PARA BOMBAS HIDRAULICAS SOLARES


Aquí el camino se bifurca en tres vías posibles:


a) Operar la bomba alimentándola directamente desde paneles, incluyendo una pequeña batería para efectos de partida. Esta solución es de tipo diurna y tiene la desventaja de ser muy sensible al nivel de irradiación solar que se tenga en la zona de operación. En otras palabras, esta modalidad operará de mejor forma en zonas de alta y continua insolación.


b) Solventar la operación directamente desde paneles y contar un grupo de baterías para la partida/soporte y posibilitar así la operación nocturna y/o en días nublados.


c) Operar en configuración On Grid.
La opción a) requiere mínimo 3 paneles de a lo menos 7A/h, una batería de 33A/h para la partida, junto a un controlador de carga de 5A , más el correspondiente inversor.

En el caso de una instalación ubicada donde la irradiación solar no sea constante durante el día, la opción b) se presenta como la más apropiada, en el cual es mejor que la bomba opere alimentada desde batería(s) lo que se traducirá en un flujo operativo ininterrumpido durante las horas de funcionamiento, pese a las variaciones de insolación.

La figura anterior muestra el diagrama de circuito propuesto para la opción b). El panel(es) 1 se hace cargo exclusivamente de recuperar carga, operando con independencia absoluta de los paneles 2, 3 y 4, quienes sostendrán la operación de la bomba.

Para mantener completamente cargada nuestra(s) batería(s) de partida/ respaldo debemos recordar que el ritmo normal de carga de una batería de ciclo profundo –pensado para prolongar su vida útil- no debe superar el 5 % de su capacidad nominal, por tanto una batería de 100A deberá recuperar su carga a un ritmo no superior a 5A/h.

En otras palabras, de acuerdo con lo estudiado y considerando el Día / Sol de 5 horas, podemos recuperar 25A. de carga por día, desde el panel solar 1, más que suficiente para recuperar el consumo extra provocado al partir la bomba, pues en esta configuración la batería concurre principalmente como elemento de partida y luego como soporte frente a variaciones que afecten la irradiación durante las horas de operación.

Arrancada la bomba, su funcionamiento pasa a ser solventado directamente por los paneles 2, 3 y 4, siempre y cuando se trate de un día soleado, pues de no ser así, la(s) batería(s) solventará(n) lo faltante para la operación y podrán sostener operación durante por lo menos 2 días nublados, o bien para operar en forma nocturna.

Una vez recuperada la cargada de la batería, parte de la energía generada por el panel(es) 1 que ya no se ocupa en esta tarea, pasa a través del controlador de carga a sumarse en su totalidad a la de los paneles 2 , 3 y 4.

Dos diodos Shottky (10A c/u.) en paralelo, por un lado se hacen cargo de impedir que la energía de los paneles 2, 3 y 4 ingresen al controlador de carga y por el otro, permitir que el flujo excedente del panel(es) 1, conforme la(s) batería(s) vaya(n) recuperando su carga, fluya expeditamente a sumarse a la generada por los paneles 2, 3 y 4, que se encuentran soportando directamente la operación de la bomba.

El valor de los fusible señalados en los diagramas deberá determinarlos conforme las corrientes en juego, multiplicando dicha cifra por el factor 1.25.


Sugerencias para la instalación:

1. Ponga tierra la estructura de la bomba, el inversor y además las partes metálicas de los paneles solares.

2. Incluya interruptores seccionadores a la salida de los paneles solares, o por lo menos fusibles. Inclúyalos en todas las líneas que operan con energía DC. También sugiero incluya un automático entre la salida del inversor y la bomba.

3. Oriente e incline bien los paneles.

4. Verifique que lo existan sombras incidentes sobre ellos a ninguna hora

5. Veamos qué dice el Registro Solarimétrico, por ejemplo correspondiente a la zona 35° latitud Sur, aproximadamente, y considerando que nunca la insolación diaria es absolutamente pareja en un lugar dado y por tanto la recuperación de carga tampoco.

Insolación anual aproximada y promedio en Kwh./m2/día = 1.620Kwh./m2/día / 365 =
4,438 Kwh/m2/día.

Recordemos que por un acuerdo internacional se considera el Día/Sol -5 horas- como el equivalente a 5KWh/m2/día para efectos de cálculo de rendimiento de un panel solar. Dicho de otro modo y para establecer un promedio que facilite los cálculos, dado lo variable de la fuente energética -solar-, este acuerdo nos dice que es necesario multiplicar la potencia nominal de un panel solar por 5 horas, o sea, si se trata de un panel de 120 Watts/12V., esta cifra debe multiplicarse por 5 para conocer el rendimiento diario propuesto:





120W. x 5horas = 600W. x Día/Sol
lo que equivale en la práctica a aceptar que el rendimiento real de un panel por día, no supera en mucho el 60% de su capacidad nominal.

Volviendo al promedio de insolación anual diaria -aproximada- para el lugar de instalación 4,438 Kw/m2/día-, la cifra nos revela que para cubrir el Día/Sol para efectos de cálculo equivalente a 5KWh/ m2/día, nos falta aproximadamente un 15%, -digamos 600 Watts- cifra que deberá ser compensado con una mayor área de superficie de panel solar, a partir del cálculo central, a incluir en el grupo generador para la bomba.

Quedamos entonces en que la potencia necesaria para opera la bomba, considerando las pérdidas, corresponde a:

220V. x 25A. = 5.500W durante 5 horas

veamos si la superficie de los paneles incluidos son suficientes para sostener el funcionamiento de la bomba, -que cuenta además con el apoyo de la(s) batería(s) y para cubrir la cifra establecida para el Día/Sol correspondiente al lugar de instalación de la bomba:

Paneles 240W. x 5 = 960W. x 5 horas (Día/Sol) = 6.000 Watts x día

Potencia total -pérdidas incluidas- ocupada por la bomba durante 5 horas de operación:

5.500 Watts

entonces:

6.000W - 5.500W. = 500 Watts sobrantes.
por tanto nos sobran 500W. que servirán para compensar casi totalmente la deficiencia faltante en insolación (15% = 600W. aprox.) para cubrir el Día/Sol promedio, señalada por el registro Solarimétrico, correspondiente a la latitud de la instalación; incluya un panel más, si es posible.
Siempre será preferible sobredimensionarse en tal sentido.

Se hace mención en el cálculo de 5 paneles de 240W. lo que obligaría operar en 24V.
Si se opera en 12V lo importante es mantener la equivalencia en potencia (W.). Entonces otra alternativa es instalar 10 paneles de 120 Watts (12V.)., 8 en paralelo para solventar la operación del motor y 2 para recuperación de carga de las baterías.

También pueden ser 12 paneles de 100W (12V.), dejando 2 para carga de baterías y 10 para el motor. La inclusión de una segunda batería al sistema incrementa la posibilidad de operar durante un mayor número de días nublados:

Dos baterías de 100 en paralelo = 200 amperes, los que en realidad no disponemos en su totalidad si recordamos que el controlador de carga permite una descarga de sólo un 70% de dicha cifra, lo que es equivalente a aproximadamente 140A., y digo aproximadamente pues para no complicar más el tema no estoy considerando el mencionar a fondo el efecto Peukert, en relación a las reales capacidades de almacenamiento de carga y descarga de las baterías.

Al respecto, la unidad que define la carga es el Coulomb (cuando un A. fluye durante un segundo) pero como esta unidad es muy pequeña se suele usar el Amper/hora. La capacidad de carga se refiere al tiempo que una corriente de un determinado amperaje puede ser extraída de una batería antes de que ésta se agote.

Por ejemplo, si la capacidad de una batería es de C = 100Ah, ésta en teoría puede dar 10A durante 10 horas, 5A durante 20 horas, 100A durante una hora, 200A durante media hora, etc.

No obstante, lo descrito es del todo relativo puesto que la real capacidad de entrega de energía de la batería variará siempre en función de cómo extraigamos la carga.

Cuanto más rápido lo hagamos, menor será la capacidad energética final y al revés, cuanto más lento extraigamos la carga, mayor será la capacidad final. Dicho de otro modo, una batería de 40Ah será capaz de dar 4A durante 10 horas pero al suministrar 40 Amperes es probable que dure menos de una hora.

Como durante las partidas de motores las corrientes suelen ser bastante elevadas, este fenómeno se vuelve particularmente importante y tenemos que prestarle atención ya que la capacidad real de la batería puede, en tal sentido (arranques), ser mucho menor que la esperada, particularmente en motores a combustión interna, donde la energía de partida puede llegar a ser -intantáneamente- extremadamente elevada.

De regreso a lo central, -la operación de la bomba durante días nublados-, disponemos entonces de
aproximadamente 140 A. de energía almacenada en las baterías de 100A (2) cargadas al máximo, los que frente a un consumo de 45,8A por día, nos permitirán en el caso analizado, operar claramente durante 3 días sin sol (140A. / 45,8 = 3,0 ds.) a partir de las baterías a máxima carga.

Los amperes que restan almacenados en las baterías, dejémoslos para compensar el efecto Peukert, a las deficiencias propias del uso, al paulatino envejecimiento del grupo de baterías de respaldo y a las pérdidas que necesariamente se presentan al reconvertir la energía eléctrica almacenada químicamente en una batería, nuevamente en energía eléctrica convencional.

Lo analizado hasta aquí, hace referencia a un grupo de bombeo OFF GRID. Diferente es el caso si se operara la alimentación de la bomba considerando una modalidad ON GRID, en cuyo caso la configuración quedaría acotada a generar una corriente de alimentación para el motor de aproximadamente 4A/h, dejando que la corriente de partida sea suministrada desde la conexión a la red pública, e incluyendo de todas maneras 1 batería de respaldo de 33A. –con su controlador correspondiente- que servirá como un elemento estabilizador destinado a compensar las variaciones de eficiencia del grupo panel, debido a las variable atmosféricas –temperatura, velocidad
del viento, nubes, eventuales sombras- que puedan afectarlo en un momento dado, aunque en estricto rigor, estas variaciones estarán de hecho compensadas por la condición de conexionado On Gris

Si el caso fuese el empleo de una bomba solar accionada por corriente contínua desde un grupo de paneles (12 ó 24 VDC), debe considerarse la batería de partida y su controlador de carga- pudiendo incluirse además un Estabilizador de Voltaje DC/DC, a instalarse entre la batería y la Bomba Hidráulica Solar, que sea capaz de manejar una cifra algo superior a la corriente de consumo de la bomba, el que se hará cargo de compensar las variaciones precedentemente señaladas, que puedan afecta la operación del Panel Solar.

Estos equipos disponen de entradas 12/24V., a diferentes niveles de corriente y salida estabilizada a 12VDC, resultando ideales para esta clase de aplicaciones.




Fuente: Instituto Interamericano de Electronica
autor: Profesor Luis fuentes M.
Sitio Web
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