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En memoria de mis abuelos Marina, Rosa y Eugenio que desde el cielo iluminan mi camino de superación
Agradezco a mis padres Raúl y Margarita por haberme inculcado los valores y la sapiencia de superación, a mi esposa Cintia y mi hija Danna asimismo a mis hermanos José, Fiorella y Diego por su apoyo incondicional y aliento constate.
A mi asesor Ing. Bacilio Hernández por el apoyo prestado en la culminación de la presente tesis
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CONTENIDO
I. INTRODUCCION. 5
II. OBJETIVOS 7
2.1 OBJETIVO GENERAL
2.2 OBJETIVO ESPECIFICOS
III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 8
3.1 Antecedentes 8
3.2 Formulación del problema 9
IV. MARCO TEORICO 12
4.1 Definiciones 12
Radiación 12
Paneles Fotovoltaicos. 13
4.2 Bombeo Fotovoltaico 17
4.3 Funcionamiento del sistema de bombeo solar 19
4.4 Descripción del sistema de bombeo Fotovoltaico 21
4.4.1 Condiciones hidráulicas 22
A) Carga estática
B) Carga dinámica (Fricción)
4.4.2 Subsistema de generación 29
4.4.3 Subsistema motor-bomba 35
A) Motores
B) Bombas
4.4.4 equipo de bombeo compatible con sistemas fotovoltaicos. 39
A) Bombas de cilindro:
B) Bombas de diafragma:
4.4.5 Selección de la bomba. 44
4.4.6 subsistema de acumulación y distribución 46
4.5 Dimensionado de sistemas de bombeo 50
4.5.1 Necesidades de energía hidráulica, necesidades de agua y altura
manométrica 50
4.5.2 Energía solar disponible: periodo crítico e inclinación óptima. 55
4.5.3 Calculo de la potencia pico y la configuración del sistema generador. 55
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4.5.4 Selección del sistema motor – bomba. 58
4.5.5 Dimensionado de tuberías. 60
4.6 Resumen de cálculos a realizar. 61
V. DESARROLLO DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA 67
VI. ASPECTOS ECONÓMICOS. 73
6.1. Costos de los sistemas de bombeo fotovoltaicos 73
6.1.1 Costos 73
6.1.2 Costo de Capital 74
A. Paneles fotovoltaicos
B. Bombas de agua
C. Baterías
D. Reguladores / Inversores.
6.1.3 Costos de Instalación 76
6.1.4 Costos de operación y mantenimiento. 76
6.1.5 Ciclo de vida 77
6.1.6 Criterios de Decisión 77
6.1.7 Comparación de alternativas de bombeo 78
A) Criterios de decisión
B) calculo del costo del ciclo de Vida Útil (CCVU)
C) Conceptos básicos
D) Pasos para determinar el CCVU
VII. EVALUACIÓN ECONÓMICA DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Y UN SISTEMA
DE COMBUSTIÓN INTERNA 87
VIII. COMPARACIÓN COSTOS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO FOTOVOLTAICO Y
DE COMBUSTIÓN INTERNA 91
IX. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 97
X. BIBLIOGRAFÍA. 101
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XI. ANEXOS Y TABLAS 104
Tabla de Radiación Solar en el Perú
Promedio anual de la Irradiación Solar diaria en el Perú
Datos de radiación solar en Ica – NASA
Calculo de potencia desde el sol
Cuadro de Horas Sol en la provincia Ica – 2005
Cuadro de Horas Sol en la provincia Ica – 2006
Profundidad de Niveles Freáticos de agua en el Valle de Ica
Especificaciones Técnicas de Módulos Solares
Especificaciones Técnicas de Controlares
Catalogo de Bombas Solares
Diagramas de conexión
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IV. INTRODUCCION.
La energía es un importante factor para el desarrollo y crecimiento
económico de un país, ya que provee de fuerza a muchos de los aparatos y
maquinas que ayudan al productor a incrementar su capacidad de trabajo.
Aunque normalmente la energía que se utiliza es a través del uso de
combustibles fósiles, la energía renovable como la del sol y la del viento, son
una fuente limpia, como abundante e inagotable fuente de energía.
Existen hoy tecnologías a nivel comercial que permiten hacer uso de esas
fuentes de energía renovable, para generar trabajo útil y productivo y cuando
se utilizan apropiadamente, son una alternativa económicamente factible. A
nivel comercial, existe una gran variedad de aplicaciones, para el uso
domestico e industrial y en algunos casos, para el sector agropecuario.
Las aplicaciones mas comunes para la agricultura son el bombeo de agua
tecnificando el riego.
Esta aplicación, tiene amplia perspectivas de utilización en las áreas rurales
donde algunos se carecen de suministro de energía eléctrica y su acometida
requiere de grandes inversiones lo que puede coadyuvar al desarrollo del
campo.
Actualmente hay miles de sistemas de bombeo con energía fotovoltaica en
operación de ranchos ganaderos y agrícolas alrededor del mundo. Los
sistemas son confiables y económicamente competitivos para el productor
rural.
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Los sistemas solares de bombeo pueden satisfacer un amplio rango de
necesidades que van desde 1000 litros diarios hasta los 50,000 litros diarios
para irrigación de pequeñas parcelas. Estos sistemas son sencillos y
confiables, requieren de poco mantenimiento y no usan combustible. Otra
ventaja es que son sistemas modulares de manera que pueden optimizarse
para las características específicas de cada proyecto
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V. OBJETIVOS
2.3 OBJETIVO GENERAL
- Presentar una visión general del uso de la energía solar fotovoltaica en la
agricultura con una perspectiva de viabilidad y factibilidad en el uso en los
sistemas de bombeo de agua para irrigación en zonas rurales en la
provincia de ica
2.4 OBJETIVO ESPECIFICOS
- Implementar un proyecto de energía renovable con características de
viabilidad
- Realizar el estudio de cálculos de fuente de generación y los cálculos
hidráulicos del sistema de bombeo fotovoltaicos.
- Promover la capacitación técnica al personal interesado en el manejo del
recurso solar.
- Evaluar la factibilidad de la energía solar fotovoltaica para el bombeo de
agua acompañada de un sistema de riego
- Promover un sistema de bombeo de agua accionado por energía solar
fotovoltaica
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VI. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3.3 Antecedentes
Hoy en día, la tecnología fotovoltaica disponible comercialmente es una
alternativa real para su aplicación en diversas tareas domesticas, industriales y
agropecuarias. Sin embargo es necesario de un análisis de viabilidad
económica y factibilidad técnica para determinar si es la más apropiada para
tal fin. Las aplicaciones comunes en el sector agropecuario son bombeo de
agua, cercos eléctricos, calentadores de agua, congeladores y sistemas de
secados de de productos agrícolas, además de la electrificación básica para
fines domésticos.
El bombeo de agua en pequeña escala es una aplicación de mucha
trascendencia en el mundo; tiene especial impacto en comunidades rurales
donde no hay suministro de energía eléctrica convencional.
En la década de los 80 el Banco Mundial realizo un estudio en sistemas de
Bombeo fotovoltaico en los países de Egipto, Filipinas, Malí y Sudan.
Demostrando, que este sistema es técnico y económicamente viable, llegando
a satisfacer las necesidades de bombeo en áreas rurales.
En el ámbito mundial existen experiencias realizadas por la Universidad
politécnica de Madrid (España), la cual esta desarrollando estudio de “Bombeo
Fotovoltaico”, así como, la Universidad de Tarapacá (Chile) en su programa “El
Desarrollo de la agricultura en el desierto”, asimismo los proyectos en EEUU y
Mexico y Honduras en los cuales destacan el sistema de bombeo fotovoltaico
de “El Retamo” con una potencia de 1600 Wp a un nivel de perforación de 28
m, el pequeño sistema FV de Villa Leyva de 140 Wp y 5.5m de Carga
dinámica, el sistema de bombeo solar del “El Jeromin” de 848 Wp de potencia
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y una CDT de 40 m entre otros proyectos realizados en México y Honduras. En
el Perú, se han realizado investigaciones en las Universidades de San Agustín,
Universidad Privada de Piura, la Universidad Nacional de Ingeniería, y la
Universidad Nacional Agraria La Molina por sus departamentos de energía
renovable.
El gobierno peruano, apunta el uso de este novedoso aprovechamiento de
energía solar fotovoltaica como la principal fuente de generación de energía
para las zonas donde no han llegado los tendidos eléctricos limitando de este
modo el desarrollo de dichas comunidades.
Particularmente en el provincia de Ica cabe la posibilidad de priorizar el estudio
técnico económico para aprovechar la energía solar con el objeto de
aprovecharla para el bombeo de agua de pozos profundos, como es el caso de
pequeños agricultores.
En el Perú la irradiación promedio es una de las mas altas del mundo
especialmente en las zonas de Ica, Arequipa y Puno comparada con Holanda
la fluctuación por estaciones en el Perú es mucho menor que la de las regiones
nórdicos el valor promedio del nivel de irradiación en invierno es de 0.5
Kwh/m2/día mientras que en el verano puede darse valores como de 5
Kwh/m2/día.
3.4 Formulación del problema
La provincia de Ica tiene una extensa zona agrícola, donde generalmente se
cultivan algodones, pallares, espárragos, frijoles y el cultivo de parras de uva,
que requieren agua en su irrigación. En este valle, tiene como característica
que existen zonas que hay aguas subterráneas en distintas zonas de la
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provincia, a distinto niveles freáticos de profundidad tal como se muestra en el
cuadro adjunto.
La Profundidad de la Napa Freática en el área investigada (Ica - Villacuri)
fluctúa entre 1,45 - 3,11 m (Ocucaje y Fundo Cañaveral) entre 60 - 61,46 m.
(Los Aquijes, Santiago) llegando incluso a 77,80 m (Pampa Guadalupe) en la
zona IV (Villacuri). Ver Cuadro Adjunto
Para hacer uso de este liquido se requiere de la instalación de bombas de
agua para succionar y transportar el agua a la zona de cultivo, en la cual en las
zonas rurales el tendido de red eléctrica se encuentra en algunos casos a
distancia considerables, para el cual hacer un tendido de una red eléctrica
resultaría un poco costoso para un pequeño sistema de bombeo, cabe recalcar
que aunque recurso hídrico de la costa peruana es escaso, la disponibilidad de
agua durante el año es variable, es por ello la construcción de pozos que se
encuentran equipados con sistemas convencionales de bombeo diesel,
especialmente en sistemas de menor potencia.
Para elaborar el presente trabajo de investigación se toma en cuenta hacer
estudio de una fuente energética limpia de bajo impacto ambiental que tenga
una amplia disponibilidad en distintos puntos y que sea renovable.
La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía viable para nuestro
propósito por cumplir con las condiciones y requisitos necesarios para nuestro
estudio en el cual la energía solar fotovoltaica será usada como fuente
generadora de energía eléctrica para accionar las bombas de agua.
Cabe mencionar que en la zona rural de la provincia de Ica, la irradiación solar
alcanza un promedio de 5.28 KW/m2 dicha irradiación será de gran utilidad
para el cálculo del sistema de generación eléctrica que estará constituido por
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los paneles solares los cuales generaran la potencia adecuada para accionar
+las bombas de agua.
Aunque actualmente, resulte excesivamente costoso, es una aplicación que
puede presentar en el futuro un gran potencial de desarrollo. Teniendo en
cuenta que las necesidades de agua para el riego suelen ir asociadas a las
épocas de mayor insolación,
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V. MARCO TEORICO
4.5 Definiciones
Radiación.
Radiación Solar: La radiación solar es la energía electromagnética que
mana en los procesos de fusión del hidrógeno (en átomos de helio)
contenido en el sol.
La energía solar que en un año llega a la tierra a través de la atmósfera
es de tan sólo aproximadamente 1/3 de la energía total interceptada por
la tierra fuera de la atmósfera y, de ella, el 70% cae en los mares. Sin
embargo, la energía que queda, de , que en un año cae
sobre la tierra firme, es igual a varios miles de veces el consumo total
energético mundial actual.
La radiación solar (flujo solar o densidad de potencia de la radiación
solar) recogida fuera de la atmósfera sobre una superficie perpendicular
a los rayos solares es conocida como constante solar y es igual a 1353
W/ , variable durante el año un 3% a causa de la elipticidad de la
órbita terrestre.
Radiación Solar Directa: es la radiación solar por unidad de tiempo y
unidad de área, que sin haber sufrido modificación en su trayectoria,
incide sobre una superficie.
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Radiación Solar Reflejada: es la radiación por unidad de tiempo y
unidad de área que, procedente de la reflexión de la radiación solar en
el suelo y otros objetos, incide sobre una superficie.
Radiación Difusa: es la suma de la radiación difusa celeste y la
radiación solar reflejada.
Horas Sol Pico: es el número de horas de sol que con una radiación
global de 1000 W/m² proporciona una energía equivalente a la radiación
global recibida en un período de tiempo.
Albedo o Reflectancia: es la relación entre la radiación reflejada por
una superficie la que incide sobre ella.
Paneles Fotovoltaicos.
Efecto fotovoltaico: transformación directa de energía luminosa en
energía eléctrica.
Este fenómeno físico denominado "efecto fotovoltaico", que
básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por
medio de unos dispositivos semiconductores denominados células
fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio puro (uno
de los elementos más abundantes, componente principal de la arena)
con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y
fósforo), y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4
Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente la
radiación luminosa. Las células se montan en serie sobre paneles o
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módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la
radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por
transmisión (atraviesa la célula). El resto es capaz de hacer saltar
electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la
radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula.
Célula solar: dispositivo unitario correspondiente al elemento
semiconductor que presenta el efecto fotovoltaico, ya esté protegido de
ambiente exterior o no.
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Módulo Solar: conjunto de células solares interconectadas y montadas
sobre un mismo soporte protector.
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Tensión de Circuito Abierto: es la diferencia de potencial medido en
los bornes de una célula o módulo cuando el circuito está abierto en
unas ciertas condiciones de medida.
Corriente de Cortocircuito: es el valor de la corriente que proporciona
la célula o módulo iluminados bajo condiciones estándar, cuando sus
bornes están cortocircuitados.
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Potencia máxima: es la máxima potencia que en determinadas
condiciones de medida pueda proporcionar una célula o módulo solar.
4.6 Bombeo Fotovoltaico
El bombeo de agua con energía fotovoltaica se presenta como una de
las aplicaciones más importantes de la energía solar. Es especialmente
interesante en zonas rurales en donde los pozos se encuentran en
lugares de difícil acceso a la red eléctrica.
El bombeo solar de agua para riego, que aunque en actualmente,
resulte excesivamente costoso, es una aplicación que puede presentar
en el futuro de un gran potencial de desarrollo. Teniendo en cuenta que
las necesidades de agua para riego suelen ir asociadas a las épocas de
mayor insolación, coincidiendo oferta y demanda. Los sistemas de
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bombeo fotovoltaicos para riego podrán presentar ventajas económicas
frente a otras tecnologías de sistemas de riegos eficientes que permitan
el ahorro del agua y energía, como son los sistemas de riego por goteo
y se buscara maximizar la utilización de la energía disponible mediante
una rotación sistemática de cultivos o cultivos permanentes.
Existen dos alternativas de sistemas de bombeos fotovoltaicos que son:
- Bombeo solar directo: El agua se extrae del pozo durante el
tiempo de radiación solar únicamente, almacenándose en un
depósito. Se evita los costes asociados a las baterías.
- Bombeo con baterías: Si las necesidades de extracción de agua
son muy precisas o se necesita asegurar el suministro, pueden
instalarse baterías para los periodos sin sol.
Los equipos que conforman esta aplicación son:
- Módulos fotovoltaicos: Captan la energía del sol y la convierten
en electricidad en corriente continua
- Acoplamiento módulos-bomba: Transforma la energía generada
por los módulos fotovoltaicos en adecuada para el funcionamiento
de la bomba
- Bomba: El equipo fundamental que extrae el agua del pozo.
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4.7 Funcionamiento del sistema de bombeo solar
Un sistema de bombeo fotovoltaico es similar a los sistemas
convencionales excepto por la fuente de potencia como se muestra en
la figura anterior, como sus principales componentes son: un arreglo de
módulos fotovoltaico, un controlador, un motor y una bomba y por ultimo
un tanque de almacenamiento.
El sistema generador estará constituido por un conjunto de arreglos de
módulos fotovoltaicos (paneles solares) conectados en serie o en
paralelos, los cuales generaran la energía necesaria para accionar el
motor bomba, intermedio a ellos se encontrara un controlador
electrónico para la bomba (amplificador de corriente) es un dispositivo
electrónico que se usa con la mayoría las bombas solares. Este actúa
como una transmisión automática, ayudando a la bomba a encender y a
no detenerse al disminuir la radiación solar.
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Debe tenerse presente que la solución más simple y económica es
acumular agua en lugar de energía eléctrica, usando una cisterna. Su
incorporación permitirá minimizar el efecto causado por las variaciones
estaciónales de los recursos hidráulicos o desperfectos temporarios que
interrumpan su funcionamiento, almacenar agua en tanques es mucho
mas económico que almacenar energía en baterías. Después de 5 a 7
años, las baterías necesitan reemplazarse, mientras que la vida útil de
un tanque de almacenamiento bien construido es de varias décadas, el
almacenamiento por baterías normalmente se justifica solo cuando el
rendimiento máximo del pozo durante las horas de sol es insuficiente
para satisfacer las necesidades diarias de agua y cuando se requiere
bombear agua durante la noche, en general no se recomienda utilizar
baterías en los sistemas de bombeos fotovoltaicos, además se
recomienda que al almacenar agua se hará para tres días de abasto
El régimen del funcionamiento del sistema corresponderá con la
situación en la que la potencia suministrada por el generador
fotovoltaico sea igual a la absorbida por el motor, lo mismo que la
tensión y la intensidad proporcionada por el sistema generador serán las
aplicadas al motor.
Para diseñar un sistema será necesario conocer el rendimiento del
sistema de bombeo que es la relación entre la potencia hidráulica y la
potencia eléctrica absorbida.
En los sistemas fotovoltaicos de bombeo de agua, la energía necesaria
para accionar la bomba proviene del sol. La energía solar es captada y
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transformada en energía eléctrica por medio de los dispositivos
llamados celdas solares los cuales son la base de la construcción de los
módulos fotovoltaicos.
El sistema generador (paneles solares) deberá elegirse de manera que
el punto de trabajo este lo mas próximo posible de su punto de máxima
potencia ya que son la parte principal del sistema de bombeo
fotovoltaico.
4.8 Descripción del sistema de bombeo Fotovoltaico
Los principales factores que determinan la configuración de un sistema
de bombeo fotovoltaico son:
A) Las condiciones hidráulicas
- La profundidad del nivel del agua en el pozo bajo la superficie.
- La altura estática de elevación del agua por encima de la
superficie del suelo (por ejemplo hasta un deposito de
almacenamiento)
- Las perdidas adicionales de presión en tuberías y accesorios
(altura dinámica)
B) La energía suministrada por el generador fotovoltaico a lo largo del
día, determinada por la radiación solar y las condiciones
climatológicas.
De acuerdo con estos factores, se pueden definir varias
configuraciones de un sistema de bombeo fotovoltaico: sumergible,
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flotante, con bomba centrífuga o de desplazamiento positivo, con
motor de corriente continua o corriente alterna, etc.
Los componentes esenciales en toda instalación son:
- Subsistema de generación o generador fotovoltaico.
- Subsistema motor-bomba
- Subsistema de acumulación y distribución
Analicemos los factores que determinan la configuración del sistema.
4.8.1 Condiciones hidráulicas
Antes de determinar el tamaño del sistema de bombeo de agua, es
necesario entender los conceptos básicos que describen las
condiciones hidráulicas de una obra. El tamaño del sistema esta en
relación directa con el producto de la Carga Dinámica Total (CDT) y
el volumen diario necesario. Este producto se conoce como ciclo
hidráulico. La carga dinámica total es la suma de la carga estática
(CE) y la carga dinámica (CD)
CDT = CE + CD = Nivel estático + abatimiento + altura de la descarga + fricción
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A) Carga estática
La primera parte, la carga estática, puede obtenerse con mediciones
directas. Se trata de la distancia vertical que el agua se desplaza
desde el nivel de abatimiento del pozo hasta la altura en que se
descarga el agua. La carga estática es entonces la suma del
abatimiento, el nivel estático y la altura de descarga. Todos los pozos
experimentan el fenómeno de abatimiento cuando se bombea el
agua. Es la distancia que baja el nivel del agua debido a la constante
extracción de agua. La figura muestra estos componentes hidráulicos
que forman carga estática.
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B) Carga dinámica (Fricción)
La carga dinámica, es el incremento en la presión causado por la
resistencia al flujo al agua debido a la rugosidad de las tuberías y
componentes como codos y válvulas. Esta rugosidad depende del
material usado en la fabricación de las tuberías. Los tubos de acero
producen una fricción diferente a la de los tubos de plástico PVC de
similar tamaño. Además, el diámetro de los tubos influye en la
fricción. Mientras mas estrechos mayor resistencia producirá.
Para calcular la carga dinámica, es necesario encontrar la distancia
que corre el agua desde el punto en que el agua entra a la bomba
hasta el punto de descarga, incluyendo las distancias horizontales,
así como el material de la línea de conducción y su diámetro. Con
esta información se puede estimar la carga dinámica de varias
maneras.
Valor por omisión
La carga dinámica es aproximadamente el 2% de la distancia de
recorrido del agua. Por lo general el resultado es una estimación
conservadora si se asume que los sistemas de bombeo solar típicos
tienen flujos de menos de 1 L/s y las bombas recomendadas se
conectan a tuberías de diámetro amplio.
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Tablas de fricción
Existen tablas publicadas por fabricantes que indican el porcentaje
de fricción que debe añadirse en base al caudal, diámetro y material
de las tuberías.
Formula de Manning
Este es un método matemático que se puede realizar fácilmente con
una calculadora de bolsillo. La formula de Manning se expresa así:
Hf = K x L x Q2
Donde:
Hf es el incremento en la presión causada por la presión y expresada
en la distancia lineal (m)
K es una constante empírica con unidades de (m3/s)-2
L es la distancia total recorrida por el agua por las tuberías. Su
unidad es metros (m).
Q es el flujo expresado en metros cúbicos por segundo (m3/s).
La constante k se obtuvo después de experimentar con varios
materiales y tamaños de tuberías
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Diámetro en pulgadas
Material 0.5 0.75 1 1.5 2
PVC 9,544,491 1,261,034 291,815 31,282 7,236
Galvanizado 19,909,642 2,631,046 608,849 65,263 15,097
Para la determinación de la energía hidráulica es necesario conocer
en primer lugar las necesidades de agua, que las referiremos a los
valores diarios medios de cada mes. Se puede distinguir entre el
consumo continuo, como el abastecimiento de agua potable, tanto
para las personas como para el ganado, consumos estaciónales
como son los debidos al riego de cultivos.
Las necesidades de agua en las zonas rurales son de
aproximadamente 25 a40 litros por persona. Para el uso agrícola
varia según el cultivo y las condiciones climatológicas del lugar. Se
estima, en 50 a 300 m3 por hectárea / día.
No debemos olvidar hacer un estudio de capacidad de fuente de la
que se va a bombear y sus variaciones estaciónales. Se deberá
prevenir cualquier caso que la bomba se quede sin agua mediante
interruptores de flotación que detengan el bombeo cuando el agua
descienda por debajo de un determinado nivel.
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Para el cálculo de la energía hidráulica diaria mensual se empleara
la expresión:
Eh = ρ x g x V x h
Donde: ρ es la densidad del agua (1000 kg/m3), g es la aceleración
de la gravedad (9.81 m/s2), V es el volumen del agua necesario
diariamente (valor medio del mes en m3/día) y h es la altura
manométrica total de elevación.
La altura manométrica h es la suma de la altura estática o
geométrica y la altura dinámica debida a las pérdidas de presión
cuando el liquido se desplaza en el interior de una tubería.
La altura geométrica o estática es la diferencia de cotas entre el
agua en la fuente que puede variar cuando se bombea, y el agua en
la salida.
La altura dinámica se puede determinar mediante la expresión:
hd = f x (L/d) x (v2/(2 x g))
Donde: f es el coeficiente de fricción, L es la longitud de la tubería
(m), d el diámetro hidráulico (m), v la velocidad media del fluido (m/s)
y g es la aceleración de la gravedad (m/s2).
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En el caso que se encuentre en el circuito otro tipo de accesorios
como codos, válvulas, etc., se podrá emplear para ellos la siguiente
expresión:
hd = K x (v2/(2 * g))
Siendo K un coeficiente que depende del tipo de accesorio.
Es frecuente usar tablas en las que se indica las perdidas de carga
en función del caudal y el diámetro de la tubería.
Como el diámetro de tubería aun no se conoce lo normal el fijar la
altura dinámica en un 10% de la altura geométrica, ya que no debe
ser mayor, y posteriormente elegir las tuberías y accesorios para que
este valor no sea superado.
4.8.2 Subsistema de generación
Un generador fotovoltaico consiste en conjunto de módulos,
conectados en serie y/o en paralelo, que transforman la energía solar
incidente en energía eléctrica.
La corriente de salida de un generador es corriente continua y la
potencia eléctrica máxima que puede suministrar depende
fundamentalmente de la irradiancia solar incidente y de la
temperatura ambiente.
El generador fotovoltaico se caracteriza mediante su curva I – V, que
a su vez queda definida mediante los siguientes parámetros:
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Voc = Voltaje de circuito abierto
Isc = Corriente de corto circuito
Pmax = Potencia máxima, (Pmax = Vmax * Imax)
El generador puede trabajar en cualquier punto de la curva I – V
suministrando una potencia distinta para idénticas condiciones de
irradiancia y temperatura, impuesta por el tipo de carga eléctrica de
salida.
El comportamiento de los módulos fotovoltaicos esta definido por dos
parámetros fundamentales: la radiación que tiene una relación lineal
con la corriente generada (potencia generada), como ejemplo
observaremos el siguiente modulo en donde se mostrara las curvas
características del panel solar así como sus datos técnicos que se
proporciona en fabricante a las condiciones de trabajos respectivas:
Modelo VLX-53
Pp 53 W
Vp 17.2 V
Ip 3.08 A
Vca 21.5 V
Icc 3.5 A
Condiciones 1000 W/m2
25 °C
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Para dimensionar el generador fotovoltaico consiste en determinar la
potencia pico que se necesita instalar para satisfacer los consumos a
lo largo de todo el año. El cálculo se hace para el mes critico,
utilizando valores medios mensuales.
La energía eléctrica que se necesita suministrar diariamente al
sistema motor bomba, será el cociente entre la energía hidráulica
requerida y el rendimiento diario medio mensual del grupo motor –
bomba, ηmb, al que le podemos asignar un valor entre 0.3 y 0.4:
Ee = Eh / ηmb
Conocida la energía eléctrica diaria que es necesario aportar y a
partir del dato de radiación diaria mensual y del rendimiento medio
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del generador fotovoltaico se obtiene el área de superficie colectora
necesaria:
A = Ee / ηfv x Hdm)
El rendimiento fotovoltaico se puede determinar mediante la
siguiente expresión:
ηfv = Fm x (1 – γ( Tc – 25)) ηg
Siendo: Fm el factor de acoplo medio, definido como el cociente entre
la energía eléctrica generada en condiciones de operación y la
energía eléctrica que se podría generar si el sistema trabajase en el
punto de máxima potencia. Un buen acoplamiento correspondería a
valores medios para este factor superiores a 0.8.
Γ es el coeficiente de variación de la potencia con la temperatura de
las células (entre 0.004 y 0.005 ºC-1
Tc es la temperatura media diaria de los módulos durante las horas
de sol.
ηg es el rendimiento del generador a la temperatura de 25 ºC y 1000
W/m2 de irradiancia.
Se puede considerar para un sistema bien dimensionado desde el
punto de vista del acoplamiento entre el generador y el grupo motor
bomba, que las mayores temperaturas del panel que afectan
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negativamente al rendimiento, se alcanza en los momentos de
mayor irradiación en los que el sistema deberá operar con valores de
acoplamiento elevados, estos es, en un punto próximo al de máxima
potencia. Como consecuencia es habitual simplificar los cálculos
utilizando un valor de rendimiento medio igual a 0.8 x ηg
Para un cálculo mas riguroso se puede determinar la temperatura
media de las células mediante la siguiente expresión:
Tc = Ta + 0.03 x I
Donde Ta es la temperatura ambiente e I es la irradiancia en (W/m2).
Luego, el área de superficie de panel necesaria será:
A = Eh / (ηmb x Fm (1 – γ (Tc – 25)) ηg x Hdm)
La potencia pico es la potencia proporcionada por el modulo en
condiciones estándar de 25 ºC y 1000 W/m2, en las que el
rendimiento es ηg, y que, por tanto, será:
Pp = ηg x A x 1000 = Eh x 100 (ηmb x Fm (1 – γ (Tc – 25)) x Hdm)
La elección del modelo de modulo con mas o menos células se serie
y la configuración serie y paralelo de la asociación de módulos
deberá hacerse teniendo en cuenta la curva I – V del grupo motor –
bomba, tratando de conseguir que el sistema funcione prácticamente
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en el punto de máxima potencia durante las horas de mayor
insolación.
Dividiendo la potencia pico necesaria, entre la potencia pico del
modulo, se obtendrá el numero de paneles necesarios.
Un factor determinante en el comportamiento de los módulos, es la
temperatura, cuyo aumento arriba de los límites especificados por el
fabricante (25°C) produce la disminución de la potencia, que esta
dada por la siguiente relación:
Donde:
P = Potencia generada
T =Temperatura de funcionamiento de las células (°C).
Ptc = Factor de corrección de la potencia por efecto de la
temperatura (0.005/°C)
La figura muestra las variaciones de la característica tensión –
corriente respecto a variaciones de la temperatura de las células.
La temperatura de la célula Tc esta dado por la siguiente relación:
P (T °C) = P (25 °C) 1 + P TC (T-25 °C)
TC = Ta + θ1 (1 + θT Ta) ( 1 – θW VW) I
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Donde:
Ta = Temperatura ambiente (°C)
Tc = Temperatura de la célula (°C)
Vw = Velocidad del viento (m/s)
I = Radiación solar instantánea incidente (W/m2)
θ1, θT, θW = constantes empíricas
Para módulos que están siendo usados en la actualidad, los valores
de las constantes son las siguientes: θ1= 0.0138, θT = 0.031,
θw = 0.042;
Una aproximación razonable es la siguiente:
4.8.3 Subsistema motor-bomba
Para el subsistema motor – bomba lo detallaremos en dos partes:
- Motores
- Bombas
A) Motores
Los motores son los encargados de transformar la energía eléctrica
suministrada por el sistema generador en energía mecánica. Los
motores que se precisan en aplicaciones de bombeo fotovoltaico
deben ser de pequeña potencia y deben tener rendimientos
elevados. Este tipo de motores no son habituales por lo que pueden
ser mas costosos. Dependiendo del tipo de alimentación eléctrica los
TC = Ta + 0.03 * I
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motores podemos distinguir entre motores de corriente continua y
motores de corriente alterna. Dentro de los motores de los motores
de corriente continua podemos distinguir entre motores de imanes
permanentes con escobillas y sin escobillas, motores serie, motor
Shunt o motores compound. Dentro de los motores de corriente
alterna podemos distinguir entre motores monofásicos y motores
trifásicos en función del tipo de corriente para el que estén diseñados
y, por otro lado, también pueden ser motores síncronos o motores
asíncronos.
Las partes fundamentales de un motor de corriente continua son el
inductor o estator que es la parte fija de la maquina, el inducido o
rotor que es la parte giratoria, el colector que va montado sobre el
mismo eje que el rotor y giran simultáneamente, las escobillas que
son unos contactos a presión que rozan sobre el colector y tienen
como misión la entrada y salida de la corriente del rotor.
Los motores de corriente continua se caracterizan por su voltaje,
potencia y velocidad nominal y por el par motor. La potencia que
puede desarrollar un motor es proporcional al par motor y a la
velocidad. El par motor es proporcional al flujo inductor y a la
intensidad de carga. La velocidad de giro del motor varía con el
voltaje e intensidad de funcionamiento así como el flujo magnético.
Las principales ventajas de los motores de corriente continua son
sus altos rendimientos, el no necesitar un inversor y se adaptan bien
para su acoplamiento directo al generador fotovoltaico.
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Los motores de corriente alterna están más extendidos siendo más
fácil de encontrarlos en potencias mayores. Son más baratos y
eficientes que los de corriente continua, pero obligan a la instalación
de un sistema inversor y a dispositivos que permitan proporcionar o
reducir las altas corrientes que suelen requerir ene. Arranque lo que
encarece el sistema fotovoltaico.
Los motores de corriente alterna constan igualmente de dos partes
de rotor y estator. En el inducido, que suele estar en el estator, las
corrientes alternas que lo recorren producen un campo magnético
giratorio como consecuencia de la superposición de tres campos
magnéticos alternantes desfasados en el espacio y el tiempo o por
descomposición de un campo magnético alternante senoidal en dos
campos magnéticos giratorios en sentidos contrarios.
Los motores de corriente alterna se caracterizan generalmente por
sus tensiones nominales, la intensidad nominal, la potencia nominal,
por su velocidad de giro en función de la frecuencia de alimentación,
y por su par motor.
B) Bombas
Una bomba es la maquina que transforma la energía mecánica en
energía hidráulica. Se puede distinguir dos tipos principales de
bombas: bombas de desplazamiento positivo o volumétricas y
bombas dinámicas o de intercambio de cantidad de movimiento.
Las bombas de desplazamiento positivo poseen una cavidad cuyo
volumen varía como consecuencia del movimiento de una parte
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móvil, obligando al líquido que las llena a moverse en un sentido
determinado por la apertura y cierre de válvulas. La más usada en
bombeo fotovoltaico de este tipo bombas es la bomba de pistón. Las
bombas de pistón son apropiadas para los valores elevados de altura
manométrica y bajos caudales.
Las bombas dinámicas le transfieren al fluido una cantidad de
movimiento mediante paletas o alabes giratorios. La mas utilizada es
la bomba centrifuga. Las bombas centrifugas se diseñan para alturas
manométricas determinadas y proporcional mas caudal que las
bombas de desplazamiento positivo. No son recomendables para
alturas de aspiración mayores de 5 -6 metros y pueden tener uno o
varios cuerpos dependiendo de la altura de impulsión necesaria.
Para caracterizar las bombas se utilizan curvas características que
relacionan el caudal con la altura manométrica que pueden
suministrar para un régimen de revoluciones determinado. Además
el rendimiento de las bombas centrifugas disminuye rápidamente con
la velocidad de giro, las bombas centrifugas reúnen una serie de
ventajas entre las que destacamos su simplicidad, con pocas partes
móviles, su bajo costo, su robustez y la tolerancia a los pequeños
pares de arranque.
También podemos clasificar las bombas en función de su forma de
instalación en sumergibles, flotantes y de superficie. Las bombas
sumergibles son apropiadas para los pozos de poco diámetro donde
las variaciones de nivel son importantes para la acumulación de
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agua se hace en altura. Las bombas flotante se instalan en ríos,
lagos o pozos de gran diámetro permitiendo una altura de aspiración
constante y proporcionando un gran caudal con poca altura
manométrica. Las de superficie se instalan en aquellos lugares en
los que los niveles de agua de aspiración no sufre grandes
oscilaciones, permitiendo la altura de aspiración dentro de un rango
admitido por la bomba, generalmente < 6 m. en algunos casos las
bombas son auto aspirantes como las utilizadas en piscinas que no
requieren cebado de la tubería de aspiración (generalmente, h
aspiración < 3m).
4.8.4 Equipo de bombeo compatible con sistemas fotovoltaicos.
Las bombas comunes disponibles en el mercado han sido
desarrolladas pensando en que hay una fuente de potencia
constante. Por otro lado, la potencia que producen los módulos FV
es directamente proporcional a la disponibilidad de la radiación solar.
Es decir, a medida que el sol cambia su posición durante el día y al
variar la disponibilidad de potencia también cambia la disponibilidad
de potencia de la bomba. Por esta razón se han creado bombas
especiales para la electricidad fotovoltaica las cuales se dividen
desde el punto de vista mecánico en centrifugas y volumétricas.
Bombas centrífugas
Tienen un impulsor que por medio de la fuerza centrifuga de su alta
velocidad arrastran agua por su eje y la expulsan radialmente. Estas
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bombas pueden ser sumergibles o de superficie son capaces de
bombear el agua a 60 metros o más, dependiendo del número y tipo
de impulsores. Están optimizadas para un rango estrecho de cargas
dinámicas totales y la salida de agua se incrementa con su velocidad
rotacional.
Las bombas de succión superficial se instalan a nivel del suelo y
tienen ventaja de que se les puede inspeccionar y dar servicio
fácilmente. Tienen la limitante de que no trabajan adecuadamente si
la profundidad de succión excede los 8 metros.
Hay una gran variedad de bombas centrifugas sumergibles. Algunas
de estas bombas tenen el motor acoplado directamente a los
impulsores y se sumergen completamente. Otras, tienen el motor el
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la superficie mientras que los impulsores se encuentran
completamente sumergidos y unidos por una flecha. Generalmente
las bombas centrifugas sumergibles tienen varios impulsores y por
ello, se les conoce como bombas de paso múltiple.
Todas las bombas sumergibles están selladas y tienen el aceite de
lubricación contenido para evitar contaminación del agua. Otras
bombas utilizan el agua misma como lubricante. Estas bombas no
deben operarse en seco por que sufren sobrecalentamiento.
Bombas volumétricas
Las bombas volumétricas o de desplazamiento positivo son
adecuadas para el bombeo de bajos caudales y/o donde la
profundidad es grande. Algunas de estas bombas usan un cilindro y
un pistón para mover paquetes de agua a través de una cámara
sellada. Otras utilizan un pistón con diafragmas. Cada ciclo mueve
una pequeña cantidad de líquido hacia arriba. El caudal es
proporcional al volumen de agua. Esto se traduce a un
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funcionamiento eficiente en un amplio intervalo de cargas dinámicas.
Cuando la radiación solar aumenta también aumenta la velocidad del
motor y por lo tanto el flujo de agua bombea es mayor.
C) Bombas de cilindro:
Las bombas de cilindro han sido muy populares en aplicaciones de
bombeo mecánico activadas por el viento, tracción animal o humana.
Su principio consiste en que cada vez que el pistón baja, el agua del
pozo entra a su cavidad y cuando este sube, empuja el agua a la
superficie. La energía eléctrica requerida para hacerla funcionar se
aplica solo durante una parte del ciclo de bombeo. Las bombas de
esta categoría deben estar siempre conectadas a un controlador de
corriente para aprovechar al máximo la potencia otorgada por el
arreglo fotovoltaico.
D) Bombas de diafragma:
Las bombas de diafragma desplazan el agua por medio e diafragmas
de un material flexible y resistente. Comúnmente los diafragmas se
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fabrican de caucho reforzado con materiales sintéticos. En la
actualidad, estos materiales son muy resistentes y pueden durar de
dos a tres años de funcionamiento continuo antes de requerir
reemplazo dependiendo de la calidad del agua. Los fabricantes de
estas bombas producen un juego de diafragmas para reemplazo que
pueden adquirirse a un precio razonable. Existen modelos
sumergibles y no sumergibles.
las bombas de diafragma son económicas. Cuando se instala una
bomba de este tipo siempre se debe considerar el gasto que
representa el reemplazo de diafragmas una vez cada dos o tres
años. Más aun, muchas de estas bombas tienen un motor de
corriente continua con escobillas. Las escobillas también deben
cambiarse periódicamente. Los juegos de reemplazo incluyen los
diafragmas, escobillas, empaques y sellos. La vida útil de este tipo
de bomba es aproximadamente 5 años del uso.
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4.8.5 Selección de la bomba.
Como se vio anteriormente las bombas centrifugas y volumétricas
ofrecen diferentes alternativas para diferentes rangos de aplicación.
El proceso de selección de la bomba para un proyecto es de suma
importancia. Toda las bombas tienen que usar la energía
eficientemente ya que en un sistema fotovoltaico, la energía cuesta
dinero. Este proceso de selección de la bomba se complica debido a
la multitud de marcas y características de una bomba. Un solo
fabricante puede ofrecer más de 20 modelos de bombas y cada una
tiene un rango óptimo de operación.
Las bombas más eficientes son las desplazamiento positivo de
pistón, pero no son recomendables para los gastos medianos y
grandes a baja carga dinámica total.
En el diagrama siguiente indica el tipo de bomba adecuada que se
recomienda en general según la carga dinámica total del sistema de
bombeo.
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En el siguiente cuadro se presenta las ventajas y desventajas de las
diferentes bombas utilizadas en el bombeo fotovoltaico.
Bombas
Fotovoltaicas Características y Ventajas Desventajas
Centrífugas sumergibles
Comúnmente disponibles. Pueden tolerar pequeñas cantidades de arena. Pueden utilizan el agua como lubricante. Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA. Manejan altos flujos. Operan a cargas dinámicas grandes. Tienen un diseño modular que permite obtener más agua al agregar los módulos fotovoltaicos.
Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a la CDT. Se dañan si trabajan en seco. Deben extraerse para darles mantenimiento. Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentes corrosivas.
Centrífugas de succión superficial
Comúnmente disponibles. Pueden tolerar pequeñas cantidades de arena. Son de fácil operación y mantenimiento por ser superficiales. Cuentan con motores de CC de velocidad variable o CA. Manejan altos flujos. Manejan cargas dinámicas altas, aunque no son capaces de succionar más de 8 metros.
Tienen un rango de eficiencia estrecho con respecto a la CDT. Sufren desgaste acelerado cuando se instalan en fuentes corrosivas. Pueden dañarse por el congelamiento en climas fríos.
Desplazamiento positivo de pistón
Soportan cargas dinámicas muy grandes. La producción puede variarse ajustando la carrera del pistón.
Requieren de reemplazo regular de sellos del pistón. No toleran arenas o sedimentos. La eficiencia se reduce a medida que el pistón pierde la capacidad de sellar el cilindro. Debe extraerse el pistón y el cilindro del pozo para reparar los sellos . No dan grandes flujos.
Diafragma Operan a cargas menores de 80 m. Son muy económicas. No toleran arenas o sedimentos. No trabajan a cargas dinámicas profundas. Bajos flujos.
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4.5.6 subsistema de acumulación y distribución
Los sistemas de bombeo fotovoltaicos sin almacenamiento no
proveen agua cuando el sol brilla. Las necesidades de agua para
consumo requieren del uso de un tanque de almacenamiento. Se
recomienda almacenar el agua para tres días de abasto.
Almacenar agua en tanques es mucho más económico que
almacenar energía en baterías. Después de cinco a siete años, las
baterías necesitan reemplazarse, mientras que la vida útil de un
tanque de almacenamiento bien construido es de varias décadas. El
almacenamiento por baterías normalmente se justifica solo cuando el
rendimiento máximo del pozo durante las horas de sol es insuficiente
para satisfacer las necesidades diarias de agua y cuando se requiere
bombear agua durante la noche. La introducción de baterías en un
sistema de bombeo fotovoltaico podría reducir la confiabilidad del
sistema e incrementar sus requerimientos de mantenimiento. En
general no se recomienda utilizar baterías en sistemas de bombeo
fotovoltaico.
Los depósitos de almacenamiento permiten mantener cierta
autonomía, para lo que deberán dimensionarse en función de los
consumos que realicen fuera de las horas de sol, por ello suelen ser
aconsejables sistemas de almacenamiento a corto plazo que
permiten una reducción de la potencia del sistema de bombeo. El
almacenamiento a largo plazo con la finalidad del riego agrícola
exige grandes depósitos que serian costosos a no ser que ya este
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disponible anteriormente. En el diseño se tendrá en cuenta las
variaciones en la altura manométrica que el llenado de los depósitos
pueda ocasionar en el bombeo o en la distribución posterior. Estos
depósitos tendrán la resistencia adecuada para soportar el empuje
del líquido, y si se quieren eliminar las perdidas por evaporación y la
entrada de suciedad deberán estar cubiertos.
Los elementos de aplicación o de distribución del agua de riego mas
apropiados para los riegos fotovoltaicos son los goteros por las bajas
alturas manométricas que requieren para su funcionamiento y el uso
eficiente del agua que se consiguen.
Los sistemas de riego por goteo son altamente eficientes en la
utilización de agua, requiriendo menor cantidad que cualquier otro
sistema de riego agrícola.
Son versátiles pueden ser utilizados tanto en la producción agrícola
domestica, como en viveros forestales, ornamentales o de bien en
producción agrícola comercial a baja escala.
Requieren de baja presión, funcionan con baja presión de agua o
solo con la fuerza de gravedad, por eso no requieren de bombas de
presión o equipos complejos.
Son sistemas funcionales son de fácil instalación, uso y
mantenimiento, y pueden ser instalados temporal o
permanentemente en las áreas de producción. Su apropiada
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utilización y mantenimiento brinda una garantía entre cinco a siete
años de vida útil.
Sistemas de riego por goteo
Como su nombre lo indica, es un sistema de riego que entrega el
agua gota a gota, según la necesidad, humedeciendo solo una parte
del suelo, donde se encuentra las raíces, por ello también se le llama
riego localizado o de alta frecuencia pues se aplica el agua casia a
diario o algunas veces mas de una vez al día, una de las principales
ventajas es que permite la aplicación de fertilizante a través del
sistema igualmente de manera localizada, siendo mas eficiente.
Entre las principales ventajas que nos proporciona esta:
- la eficiencia del riego por goteo es muy alta (90 a 95 %) y la
distribución del agua es muy uniforme.
- Con este sistema se puede regar muy frecuentemente con
pequeñas cantidades de agua, de tal manera que el suelo este
siempre húmedo, con buena relación entre agua y aire.
- El régimen de aplicación (intervalos entre riegos y cantidad de
agua), puede ajustarse exactamente de acuerdo a las
condiciones del suelo y del cultivo.
- Se aplica el agua que solo las raíces del cultivo son capaces de
absorber, por lo tanto se evita mojar otras áreas de terreno, lo
que significa un ahorro de agua.
Los elementos de una instalación de riego por goteo son:
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- Cabezal de riego, esta constituido por los sistemas de impulsión,
fertirrigación y filtrado. El sistema de impulsión es necesaria su
instalación en el caso en que el agua no llegue a la finca con
suficiente presión. El sistema de fertilización, mediante este
sistema se incorpora y distribuyen a través del agua de riego los
abonos y otros tipos de productos a aportar al cultivo.
- Red de distribución, esta constituida por una red de tuberías que
distribuyen el agua de riego desde la entrada en el cabezal,
donde suele colocarse una llave de paso para regular la presión y
a veces un manómetro, a las tuberías porta goteros.
- Emisores, los emisores o goteros deben da un caudal bajo, por lo
que conviene que los diámetros sean pequeños, pero estos
pueden provocar que se produzcan obturaciones, de forma que
existen diversos diseños de goteros en el mercado que intenta
resolver este problema.
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4.6 Dimensionado de sistemas de bombeo
Para dimensionar el sistema de bombeo se parte del conocimiento de
las necesidades diarias de agua que con la altura manométrica nos
permitirá determinar la energía hidráulica que se necesita cada día.
Una vez que se conoce la energía hidráulica necesaria, a partir de los
datos de energía solar disponible se diseña el sistema generador.
Conociendo el sistema generador se elige el motor y la bomba mas
adecuados a su curva característica I-V, dentro del tipo que se haya
seleccionado atendiendo a las características de la instalación: altura
manométrica diámetro del pozo, etc. Posteriormente se determina el
caudal máximo que pueda proporcionar el equipo para dimensionar el
sistema de tuberías, teniendo en cuenta que las perdidas de carga en
las mismas no debe superar el 10 %.
4.6.1 Necesidades de energía hidráulica, necesidades de agua y altura
manométrica
Para la determinación de la energía hidráulica es necesario conocer
en primer lugar las necesidades de agua, que las referimos a valores
diarios medios de cada mes. En aplicaciones de riego el consumo
depende del tipo de cultivo y de factores climáticos.
No debemos olvidar de hacer un estudio de la capacidad de la fuente
de la que se va a bombear y sus variaciones estaciónales. Se deberá
prevenir en cualquier caso que la bomba se quede sin agua
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mediante interruptores de flotación que detengan el bombeo cuando
el agua descienda por debajo de un determinado nivel.
Para el cálculo de la energía hidráulica se empleara la siguiente
expresión:
Donde:
Ehid = energía hidráulica (J)
= densidad del agua (1000 Kg / m3)
g = constante de gravitación (9.81 m / s2)
V = volumen de agua elevada
h = altura de elevación (m)
La potencia de elevación depende del flujo de agua de la bomba, es
decir, de la cantidad de agua elevada por unidad de tiempo.
Donde:
Phid = potencia hidráulica o de elevación (W)
Q = caudal bombeado (m3 / s)
Para caracterizar una instalación especifica, aparte de la potencia de
elevación se debe indicar la cantidad de agua a ser elevada por día.
Ehid = * g * V * h
Phid = * g * Q * h
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Esta se calcula como la integral de la cantidad bombeada sobre el
día.
Donde.
Vd = cantidad de agua bombeada por día (m3)
Por tanto energía hidráulica de la bomba por día es
Donde:
Ehid,d = energia hidráulica por dia (J)
La constante de gravitación y la densidad del agua son constantes.
La altura de elevación h depende entre otras cosas del caudal Q
Es decir cuando hay un mayor caudal de agua, el nivel dinámico del
agua baja y la altura de elevación aumenta, en términos prácticos se
puede suponer h como una constante con una exactitud suficiente,
asi que:
Vd = Q .dt
Ehid,d = x g x h x Q.dt
h = h(Q)
Ehid,d = x g x h x Q.dt Ehid,d = x g x h x Vd
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Aunque lo correcto es indicar la energía en Joules, normalmente se
utilizan Kilovatio-hora (KWh) como unidad. Tomando en cuenta el
factor de proporcionalidad bajo las dos unidades y usando los
valores numéricos para la densidad de aguay la constante de
gravitación, se obtiene.
Donde:
Ehid, d = energia hidráulica por dia (KWh)
Constante = 0.00272 (kg/s2/m2)
La energía hidráulica es directamente proporcional a la altura de
elevación y a la cantidad de agua elevada por día. La cantidad de
agua elevada por día (Vd) debe ajustarse a la demanda de agua. La
demanda de agua no es necesariamente idéntica al requerimiento de
agua. En el caso de la irrigación, la demanda de agua, que se
denomina requerimiento de irrigación, es el requerimiento de las
plantas menos las precipitaciones útiles.
La altura manométrica h es la suma de altura estática o geométrica y
la altura dinámica debida a las perdidas de presión cuando el liquido
se desplaza en el interior de una tubería.
Ehid,d = 0.00272x h x Vd
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La altura geométrica o estática es la diferencia de cotas entre el
agua en la fuente que puede variar cuando se bombea, y el agua en
la salida.
La altura dinámica se puede determinar mediante la expresión:
hd = f x (L/d) x (v2/(2 x g))
Donde: f es el coeficiente de fricción, L es la longitud de la tubería
(m), d el diámetro hidráulico (m), v la velocidad media del fluido (m/s)
y g es la aceleración de la gravedad (m/s2).
En el caso que se encuentre en el circuito otro tipo de accesorios
como codos, válvulas, etc., se podrá emplear para ellos la siguiente
expresión:
hd = K x (v2/(2 * g))
Siendo K un coeficiente que depende del tipo de accesorio.
Es frecuente usar tablas en las que se indica las perdidas de carga
en función del caudal y el diámetro de la tubería.
Como el diámetro de tubería aun no se conoce lo normal el fijar la
altura dinámica en un 10% de la altura geométrica, ya que no debe
ser mayor, y posteriormente elegir las tuberías y accesorios para que
este valor no sea superado.
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4.6.2 Energía solar disponible: periodo crítico e inclinación óptima.
La energía solar disponible varia a lo largo del año y también varia
con la inclinación al sur del plano colector. Es conveniente disponer
de datos de radiación diaria mensual, (kwh/m2/dia) para distintos
meses e inclinaciones, que nos permitan juntos con los datos de
energía hidráulica diaria mensual necesaria, determinar el mes critico
o de dimensionamiento y la inclinación optima.
Haciendo el dimensionamiento para el mes critico que es el mes mas
desfavorable se entiende que el resto de los meses las necesidades
quedaran satisfechas.
Para nuestro estudio se presenta en el anexo 4 la tabla de niveles de
radiación solar en el Perú.
4.6.3 Calculo de la potencia pico y la configuración del sistema
generador.
Dimensionar el generador fotovoltaico consiste en determinar la
potencia pico que se necesita instalar para satisfacer los consumos a
lo largo de todo el año. El cálculo se hace para el mes crítico según
se a indicado en el apartado anterior utilizando valores medios
mensuales.
La energía eléctrica que se necesita suministrar diariamente al
sistema motor bomba, será el cociente entre la energía hidráulica
requerida y el requerimiento diario mensual del grupo motor-bomba,
ηmb, al que podemos asignar un valor entre 0.3 y 0.4:
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Ee = Eh/ηmb
Conocida la energía eléctrica diaria que es necesario aportar y a
partir del dato de radiación diaria media mensual y del rendimiento
medio del generador fotovoltaico se obtiene el área de superficie
colectora necesaria:
A = Ee/(ηfv·Hdm)
El rendimiento fotovoltaico se puede determinar mediante la
siguiente expresión:
ηfv = Fm · (1-γ(Tc – 25))· ηg
Fm el factor de acoplo medio, definido como el cociente entre la
energía eléctrica generada en condiciones de operación y la energía
eléctrica que se podría generar si el sistema trabajase en el punto de
máxima potencia. Un buen acoplamiento correspondería a valores
medios para este factor superiores a 0.8.
El γ es el coeficiente de variación de la potencia con la temperatura
de las células (entre 0.004 y 0.005 ºC-1
Tc es la temperatura medida diaria de los módulos durante las horas
de sol.
La ηges el rendimiento del generador a la temperatura de 25 ºC y
1000 W/m2 de irradiancia.
Se puede considerar para un sistema bien dimensionado desde el
punto de vista del acoplamiento entre el generador y el grupo motor-
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bomba, que las mayores temperaturas de panel que afecten
negativamente al rendimiento, se alcanzan en los momentos de
mayor irradiación en los que el sistema deberá operar con valores de
acoplamiento elevados, estos es, en un punto próximo al de máxima
potencia. Como consecuencia es habitual simplificar los cálculos
utilizando un valor de rendimiento medio igual a 0.8·ηg. Para un
cálculo mas riguroso se puede determinar la temperatura media de
las células mediante la siguiente expresión:
Tc = Ta + 0.03 · I
Donde Ta es la temperatura ambiente e I es la irradiancia en (W/m2).
Luego, el área de superficie de panel necesaria será:
A = Eh / (ηmb · Fm · (1-γ (Tc – 25))· ηg · Hdm
La potencia pico es la potencia proporcionada por el modulo en
condiciones estándar de 25 º C y 1000 W/m2, en las que el
rendimiento es ηg y que, por tanto, será:
Pg = ηg · A · 1000
Pg = Eh · 1000 / (ηmb · Fm · (1-γ (Tc – 25)) · Hdm)
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4.6.4 Selección del sistema motor – bomba.
Cuando el valor alcanzado por el producto entre el caudal diario y la
altura total sea mayor de 2000 m4/día se recomienda el empleo de
grupos motor-bomba diesel. Si el resultado es menor de 50 m4/día
resulta mas interesante el empleo de sistemas manuales.
Entre estos dos valores la solución fotovoltaica resulta la más
interesante.
Para elegir el tipo de grupo motor-bomba se puede seguir las
siguientes recomendaciones:
Cuando la demanda de caudal sea pequeña, hasta 15 m3/día, y las
alturas de impulsión sean elevadas desde 30 m hasta 500 m, se
pueden emplear bombas volumétricas accionadas con motor de
imanes permanentes con potencias hasta 2.25 KW. Si se emplea un
convertidor DC/DC, que pueda aumentar la intensidad suministrada
reduciendo la tensión, la potencia eléctrica absorbida por el grupo
motor-bomba en régimen nominal deberá ser aproximadamente el 80
% de la potencia pico del generador. Cuando no se utilice
convertidor, el rendimiento medio del grupo, ηmb, se reduce a valores
entre 0.2 y 0.3 y la potencia eléctrica del grupo (potencia mecánica
nominal del motor / rendimiento nominal del motor) debe elegirse
entre el 50% y el 70% de la potencia pico del generador fotovoltaico.
Cuando la demanda de caudal sea mayor a 15 m3/día se emplearían
bombas centrifugas accionadas con motores de corriente continua y
en este caso la potencia eléctrica del grupo deberá ser próxima al 80
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% de la potencia pico del sistema generador y su rendimiento medio,
ηmb, será próximo a 0.4.
Si las potencias requeridas son relativamente elevadas, superiores a
7.5 kw o se trata de bombas sumergidas, cuando no se pueda
encontrar motores de corriente continua sin escobillas de la
suficiente potencia será necesario emplear grupos con motores de
corriente alterna, generalmente trifásicos. En este caso se pueden
utilizar inversores que además de tener un rendimiento elevado,
superior a 0.9, puedan variar la frecuencia en función de la tensión
y/o seguir el punto de máxima potencia pudiéndose alcanzar un
rendimiento medio del grupo de hasta 0.35. Cuando se emplea un
inversor sin seguimiento del punto de máxima potencia, ni variación
de frecuencia, el rendimiento medio del grupo se reduce
considerablemente. La potencia eléctrica del grupo deberá elegirse
próxima al 80 % de la potencia máxima entregada por el sistema
generador, es decir la potencia pico del campo de módulos
fotovoltaicos multiplicada por el rendimiento del inversor:
Pel(m-b) ≈ 0.8 · ηinv · Ppico
La bomba sera capaz de proporcionar un caudal pico dado por la
siguiente expresión:
Qp = Php / (g · h) = Pp · ηg / (g · h)
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Donde Php es la potencia hidráulica pico, g es la aceleración de la
gravedad, h es la altura manométrica, Pp es la potencia pico del
generador fotovoltaico y ηp es el rendimiento pico del grupo motor-
bomba.
Son recomendables los sistemas de bombeo de conexión directa al
sistema generador con bomba centrifuga, pues son mas simples,
tienen menos perdidas, su mantenimiento es mas sencillo y una
mayor fiabilidad. Deberán adoptarse otras configuraciones en
aquellos casos en los que las alturas de bombeo sean demasiado
elevadas para poder utilizar bombas centrifugas y cuando no se
encuentre motores DC de suficiente potencia.
4.6.5 Dimensionado de tuberías.
Una vez que se conoce el máximo caudal que se va a bombear el
diámetro de las tuberías se puede determinar a partir de este, su
longitud total, incluyendo la longitud equivalente de los distintos
accesorios de la instalación, y de las perdidas de carga, mediante la
utilización de los gráficos correspondientes, no debemos olvidar que
las perdidas de carga en tuberías no debe superar el 10 %.
Las tuberías deberán ser de acero inoxidable o de PVC para que
resistan sin problemas de corrosión durante la vida útil del sistema
generador, estimada en mas de 20 años.
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4.7 Resumen de cálculos a realizar.
Calculo del regimen de bombeo.
Será el volumen de agua necesario (l/día), entre el valor de insolación
en horas pico por día (horas-pico/día), correspondientes al mes critico.
Régimen de bombeo (l/h) = volumen de agua necesaria (l/dia) / insolación del sitio (h-pico/dia)
Calculo de la carga estatica.
Es la suma del nivel estático medido desde el nivel del suelo hasta el
espejo de agua cuando no opera una bomba, más el abatimiento
medido desde el nivel estático al nivel del agua cuando opera una
bomba, con frecuencia este valor se obtiene con de pruebas realizadas
durante el aforo, mas la altura de descarga medida desde el nivel del
suelo hasta el punto donde el agua es descargada.
Carga estática (m) = Nivel estático (m) + Abatimiento (m) + Altura de descarga (m).
Calculo del recorrido de tubería.
Es la longitud total de las tuberías por donde pasa el agua, la cual es la
suma de la carga estática mas el recorrido adicional de la tubería que
es el resto de la tubería no incluida en el calculo de la carga estática, se
toma en cuenta la distancia vertical desde el abatimiento hasta la
posición de la bomba, así como las distancias horizontales del recorrido
de la tubería.
Recorrido total de tubería (m) = carga estática (m) + recorrido adicional de tubería (m)
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Calculo de la carga por fricción.
Es la compensación de las perdidas por fricción causadas por el paso
del agua por la tubería rugosa, la cual viene a ser el producto del
recorrido total de tubería multiplicado por el factor de fricción el cual es
la presión causada por la fricción del agua al pasar por las tuberías.
Puede calcular se de varias maneras como se detallo anteriormente, si
no se contara con suficiente información, se utiliza el valor por omisión
de 2 % del largo de la tubería, expresado como 0.02.
Carga por fricción (m) = Recorrido total de tubería (m) x Factor de fricción (decimal)
Calculo de la carga dinámica total.
Es la suma de la carga causada por la fricción y la carga estática
Carga dinámica total (m) = carga por fricción + carga estática (m)
Calculo de la energía hidráulica
Es el calculo de la energía necesaria para elevar el agua el cual viene a
ser el producto del volumen de agua necesario por la carga dinámica
total todo esto entre el factor de conversión de 367 l-m/ Wh el cual se
usa para calcular la energía en (wats – hora) energía necesaria para
levantar un litro de agua a una distancia de un metro.
Energía hidráulica (Wh/dia) = (volumen de agua necesaria (l/dia) x carga dinámica total (m)) / 367 (l-m/dia)
Calculo de la energía del arreglo fotovoltaico
Es la división de la energía hidráulica entre la eficiencia de la bomba, en
donde la eficiencia de la bomba es la proporción de energía eléctrica
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transformada a energía hidráulica. Los rendimientos diarios varían con
la altura dinámica total, la insolación solar y el tipo de bomba esta
información se obtiene en publicaciones del fabricante. Si no dispone de
esta información, se usa valores por omisión presentados a continuación
Carga dinámica total (m) Tipo de sistema de bombeo Eficiencia (%)
5 Centrifuga de superficie 25
20 Centrifuga de superficie 15
20 Centrifuga sumergible 25
20 a 100 Centrifuga de paso múltiple 35
50 a 100 Desplazamiento positivo 35
Mas de 100 Desplazamiento positivo de
palanca 45
Energía del arreglo fotovoltaico (Wh/dia) = energía hidráulica (Wh/dia) / eficiencia de la bomba (decimal)
Calculo de la carga eléctrica.
Es el calculo de la producción del arreglo fotovoltaico expresado en
amperios-horas /día esto consiste en la división energía del arreglo
fotovoltaico entre voltaje nominal del sistema.
Carga eléctrica (Ah/dia) = Energía del arreglo fotovoltaico (Wh/dia) / voltaje nominal del sistema (V).
Calculo de la carga eléctrica corregida
Es la carga eléctrica requerida después de considerar las pérdidas para
satisfacer la carga diaria.
Carga eléctrica corregida (Ah/dia) = carga eléctrica (Ah/dia) / factor de rendimiento del conductor (decimal)
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Calculo de la corriente del proyecto.
Es el cálculo de la corriente necesaria para satisfacer la carga del
sistema del más crítico del diseño.
Consiste en la división de la carga eléctrica corregida entre el mes de
insolación más crítico o el mes de diseño
Corriente del proyecto (A) = Carga eléctrica corregida (Ah/día) / Insolación (horas-pico/día)
Calculo de la corriente ajustada del proyecto
Es el cálculo de la corriente mínima del arreglo necesaria para activar el
sistema de bombeo a partir de la operación de la corriente del proyecto
entre el factor de reducción del modulo.
Los módulos fotovoltaicos pierden eficiencia debido a las condiciones de
trabajo en el campo. Esto se debe al efecto de temperatura,
degradación con el tiempo polvo en la superficie, cargas desiguales y
algunas condiciones más. Suponga un 95 % de eficiencia en los
módulos cristalinos y un 70 % en módulos amorfos.
Corriente ajustada del proyecto (A) = corriente del proyecto (A) / factor de reducción del modulo (decimal)
Calculo de módulos en paralelo.
Este calculó proporciona el numero de módulos que irán conectados en
paralelo. Muy importante si el valor encontrado no es un numero entero,
anote el numero entero inmediatamente mayor, otra opcion es buscar un
modulo con diferente Imp.
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Donde Imp es la corriente a máxima potencia proporcionada por el
fabricante del modulo fotovoltaico
Módulos en paralelo = corriente ajustada del proyecto (A) / corriente Imp del modulo (A)
Cálculo de los módulos en serie
Es el cálculo del número de módulos conectado en serie necesarios
para producir la tensión del sistema. Muy importe si el valor encontrado
no es un número entero, anote el numero entero inmediato superior.
Consiste en la división del voltaje nominal del sistema entre el voltaje
Vmp del modulo de la información del fabricante.
Módulos en serie = voltaje nominal del sistema (V) / voltaje Vmp del modulo (V)
Calculo del nuecero total de módulos fotovoltaicos
Es el producto del número de módulos en paralelo por el número de
módulos en serie. Asegúrese que sea un número entero múltiplo del
número de módulos en paralelo.
Total de módulos = módulos en serie x módulos en paralelo
Calculo del tamaño del arreglo.
Es el calculo de la potencia del arreglo fotovoltaico a partir del producto
de total de módulos por corriente Imp del modulo por voltaje Vmp del
modulo.
Tamaño del arreglo fotovoltaico (w) = total de módulos x Imp (A) x Vmp (V)
Calculo del agua bombeada.
Es el cálculo de la cantidad de litros de agua bombeada en un dia con
este.
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Es el producto de módulos en paralelo por corriente Imp por voltaje
nominal del sistema por el factor de rendimiento del sistema por factor
de conversión por la insolación del sitio por el factor de reducción del
modulo todo esto entre la carga dinámica total.
Agua bombeada (l/dia) = (módulos en paralelo x Imp (A) x Vnominal sist x factor de rendimiento del sistema x
factor de conversión x insolación (h-pico/dia) x factor de reducción del modulo) / carga dinámica total (m)
Calculo del régimen de bombeo.
Es la división del agua bombea entre la insolación del sitio mes critico
Régimen de bombeo (l/h) = agua bombeada (l/día) / Insolación del sitio (h-pico/día)
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VII. DESARROLLO DE UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA
Se quiere diseñar un sistema de bombeo fotovoltaico en el distrito de
San Juan Bautista en el Caserío de Longar con los siguientes datos:
Caudal deseable : 2300 l/dia
Nivel de reserva : asumimos 4 dias de reserva = 9200 l/dia
Caudal extra : 10% del caudal deseable = 2600 l/dia
Nivel estático del agua : 23m
Abatimiento : 4m
Altura de descarga : 8.20m
Distancia al deposito : 3.5m
Requerimiento diario : 11.500 l/dia
Meses Insolación
(h-pico/día) Enero 4.50 Febrero 5.25 Marzo 5.70 Abril 5.85 Mayo 5.30 Junio 5.20 Julio 4.90 Agosto 5.40 Septiembre 5.20 Octubre 4.90 Noviembre 4.50 Diciembre 4.40
Recurso solar Mejor mes 5.85 Peor mes 4.40 Para el calculo 6.3
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HOJA DE CALCULOS 1 BOMBEO DE AGUA CALCULO DE LA CARGA DEL BOMBEO DE AGUA. 1 Volumen de 2 3
agua
necesaria Insolación
del Régimen de por día sitio bombeo (l/día) (h-pico/día) (l/h) 2,300 / 6.5 = 354
4 5 6 7 8 Recorrido 9 Recorrido 10 11 12 13 Nivel Abatimiento Altura de Carga adicional total Factor de Carga Carga Carga
estático descarga estática de tubería de tubería fricción por fricción estática dinámica
total (m) (m) (m) (m) (m) (m) (decimal) (m) 7 (m) (m) 23 + 1 + 8.2 = 32.2 + 1.2 = 33.4 X 0.02 = 0.668 + 32.2 = 32.87
INFORMACION DE LA BOMBA Y MOTOR Marca Modelo Tipo de bomba Tipo de motor Voltaje de operación (c.a/c.c.) 24
Eficiencia de la bomba 0.35
14 Volumen de 15 Carga 16 17 18 Eficiencia 19 20 Voltaje 21
agua necesario dinámica Factor Energía de la Energía del nominal del Carga por día total conversión Hidraúlica bomba arreglo FV sistema eléctrica
1 (l/día) 13 (m) (Wh/día) (decimal) (Wh/día) (V) (Ah/día) 2,300 X 32.87 / 367 = 205.98 / 0.35 = 588.53 / 24 = 24.52 22 23 Factor de 24 Carga 25 26 Corriente Carga rendimiento eléctrica Insolación del
eléctrica del
conductor corregida del sitio proyecto 21 (Ah/día) (decimal) (Ah/día) 2 (h-pico/día) (A) 24.52 / 0.95 = 25.81 / 6.5 = 3.97
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HOJA DE CALCULOS 2
BOMBEO DE AGUA DIMENSIONAMIENTO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO
INFORMACION DEL MODULO FOTOVOLTAICO Marca y modelo Tipo Vmp Voc . 16.9 21.5 Imp Isc 4.14 4.35 27 Corriente 28 Factor de 29 Corriente 30 Corriente 31 Módulos del reducción ajustada Imp en Proyecto del módulo del proyecto del módulo paralelo
26 (A) (decimal) (A) (A) (núm.
entero)
3.97 / 0.95 = 4.18 / 4.14 = 2 32 Voltaje 33 Voltaje 34 Módulos 35 Módulos 36 Total 37 Corriente 38 Voltaje 39 Tamaño del nominal Vmp en en de Imp Vmp arreglo del sistema del módulo serie paralelo Módulos del módulo del módulo fotovoltaico 20 (V) (V) 31 30 (A) 33 (V) (W)
24 / 16.9 = 2 X 2 = 4 X 4.14 X 16.9 = 280
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HOJA DE CALCULOS 3
BOMBEO DE AGUA AGUA BOMBEADA Y REGIMEN DE BOMBEO. 40 41 Coriente 42 Voltaje 43 Factor de 44 45 46 Factor de 47 Carga 48 Módulos Imp Nominal rendimiento Factor de Insolación reducción dinámica Agua en paralelo del módulo del sistema del sistema conversión del sito del módulo total Bombeada 31 30 (A) 20 (V) 18 (decimal) 16 2 (h-pico/día) 28 (decimal) 13 (m) ( l/día) 2 X 4.14 X 24 X 0.35 X 367 X 6.5 X 0.95 / 32.87 = 4,796 49 50 51 Agua Insolación Régimen Bombeada del sitio de bombeo 48 (l/día) 2 (h-pico/día) (l/h) 4,796 / 6.5 = 738
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RESUMEN DE CALCULOS DEL SISTEMA DE BOMBEO FOTOVOLTAICO
VOLUMEN DE AGUA NECESARIA POR DIA (l/dia) = 2,300
REGIMEN DE BOMBEO (l/dia) = 354
CARGA DINAMICA TOTAL (m) = 32.868
ENERGIA HIDRAULICA (Wh/dia) = 205.98
ENERGIA DEL ARREGLO FV (Wh//dia) = 588.53
INTENSIDAD DEL PROYECTO (A) = 3.97
NUMERO TOTAL DE MODULOS = 4
MODULOS EN PARALELO = 2
MODULOS EN SERIE = 2
POTENCIA DEL ARREGLO = 280
CANTIDAD DE AGUA BOMBEADA = 4,796
REGIMEN DE BOMBEO (l/h) = 738
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Se quiere diseñar un sistema de bombeo fotovoltaico en el distrito de
San Juan Bautista en el Caserío de Longar con los siguientes datos:
Caudal deseable : 2100 l/dia
Nivel de reserva : asumimos 4 dias de reserva = 8400 l/dia
Caudal extra : 10% del caudal deseable = 2400 l/dia
Nivel estático del agua : 2.4m
Abatimiento : 1m
Altura de descarga : 2m
Distancia al deposito : 1.2m
Meses Insolación
(h-pico/día) Enero 4.50 Febrero 5.25 Marzo 5.70 Abril 5.85 Mayo 5.30 Junio 5.20 Julio 4.90 Agosto 5.40 Septiembre 5.20 Octubre 4.90 Noviembre 4.50 Diciembre 4.40
Recurso solar Mejor mes 5.85 Peor mes 4.40 Para el calculo 6.5
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HOJA DE CALCULOS 1 BOMBEO DE AGUA CALCULO DE LA CARGA DEL BOMBEO DE AGUA. 1 Volumen de 2 3
agua
necesaria Insolación
del Régimen de por día sitio bombeo (l/día) (h-pico/día) (l/h) 2,100 / 6.5 = 323
4 5 6 7 8 Recorrido 9 Recorrido 10 11 12 13 Nivel Abatimiento Altura de Carga adicional total Factor de Carga Carga Carga
estático descarga estática de tubería de tubería fricción por fricción estática dinámica
total (m) (m) (m) (m) (m) (m) (decimal) (m) 7 (m) (m) 2.4 + 1 + 2 = 5.4 + 2 = 7.4 X 0.02 = 0.148 + 5.4 = 5.55
INFORMACION DE LA BOMBA Y MOTOR Marca Modelo Tipo de bomba Tipo de motor Voltaje de operación (c.a/c.c.) 60
Eficiencia de la bomba 0.35
14 Volumen de 15 Carga 16 17 18 Eficiencia 19 20 Voltaje 21
agua necesario dinámica Factor Energía de la Energía del nominal del Carga por día total conversión Hidraúlica bomba arreglo FV sistema eléctrica
1 (l/día) 13 (m) (Wh/día) (decimal) (Wh/día) (V) (Ah/día) 2,100 X 5.55 / 367 = 31.75 / 0.35 = 90.70 / 60 = 1.51 22 23 Factor de 24 Carga 25 26 Corriente Carga rendimiento eléctrica Insolación del
eléctrica del
conductor corregida del sitio proyecto 21 (Ah/día) (decimal) (Ah/día) 2 (h-pico/día) (A) 1.51 / 0.95 = 1.59 / 6.5 = 0.24
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HOJA DE CALCULOS 2
BOMBEO DE AGUA DIMENSIONAMIENTO DEL ARREGLO FOTOVOLTAICO
INFORMACION DEL MODULO FOTOVOLTAICO Marca y modelo Tipo Vmp Voc . 16.7 21.5 Imp Isc 3 3.1 27 Corriente 28 Factor de 29 Corriente 30 Corriente 31 Módulos del reducción ajustada Imp en Proyecto del módulo del proyecto del módulo paralelo
26 (A) (decimal) (A) (A) (núm.
entero)
0.24 / 0.95 = 0.26 / 3 = 1 32 Voltaje 33 Voltaje 34 Módulos 35 Módulos 36 Total 37 Corriente 38 Voltaje 39 Tamaño del nominal Vmp en en de Imp Vmp arreglo del sistema del módulo serie paralelo Módulos del módulo del módulo fotovoltaico 20 (V) (V) 31 30 (A) 33 (V) (W)
60 / 16.7 = 4 X 1 = 4 X 3.00 X 16.7 = 200
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HOJA DE CALCULOS 3
BOMBEO DE AGUA AGUA BOMBEADA Y REGIMEN DE BOMBEO. 40 41 Coriente 42 Voltaje 43 Factor de 44 45 46 Factor de 47 Carga 48 Módulos Imp Nominal rendimiento Factor de Insolación reducción dinámica Agua en paralelo del módulo del sistema del sistema conversión del sito del módulo total Bombeada 31 30 (A) 20 (V) 18 (decimal) 16 2 (h-pico/día) 28 (decimal) 13 (m) ( l/día) 1 X 3 X 60 X 0.35 X 367 X 6.5 X 0.95 / 5.55 = 25,734 49 50 51 Agua Insolación Régimen Bombeada del sitio de bombeo 48 (l/día) 2 (h-pico/día) (l/h) 25,734 / 6.5 = 3,959
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RESUMEN DE CALCULOS DEL SISTEMA DE BOMBEO FOTOVOLTAICO
VOLUMEN DE AGUA NECESARIA POR DIA (l/dia) = 2,100
REGIMEN DE BOMBEO (l/dia) = 323
CARGA DINAMICA TOTAL (m) = 5.548
ENERGIA HIDRAULICA (Wh/dia) = 31.75
ENERGIA DEL ARREGLO FV (Wh//dia) = 90.70
INTENSIDAD DEL PROYECTO (A) = 0.24
NUMERO TOTAL DE MODULOS = 4
MODULOS EN PARALELO = 1
MODULOS EN SERIE = 4
POTENCIA DEL ARREGLO = 200
CANTIDAD DE AGUA BOMBEADA = 25,734
REGIMEN DE BOMBEO (l/h) = 3,959
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VIII. ASPECTOS ECONÓMICOS.
La decisión de utilizar un sistema de bombeo solar para bombeo de
agua depende de gran medida de costos de sistemas y de los beneficios
económicos que se esperan. Los sistemas de bombeo fotovoltaicos
tienen un alto costo inicial comparado con otras alternativas de bombeo;
sin embargo, no necesitan combustible y requieren menos
mantenimiento y atención del operador.
6.1. Costos de los sistemas de bombeo fotovoltaicos
Los sistemas de energía en general y los sistemas fotovoltaicos de
bombeo en particular producen electricidad que a su vez genera un
beneficio , particularmente en el caso del agua bombeada, el beneficio
será a través del agua potable para el consumo humano, el agua para
irrigación o simplemente el agua para el consumo de animales. El
merito económico asociado a los sistemas de bombeo, debe ser
evaluado, analizando para ello varios indicadores como el precio de
energía producida, el valor presente neto, la relación beneficio / costo,
la taza interna de retorno, etc.
6.1.8 Costos
Para realizar la evaluación de costos de un sistema de bombeo
fotovoltaico es necesario contar con la siguiente información: periodo
de análisis (normalmente igual a la vida útil del componente de mayor
duración, en nuestro caso el panel tiene un aviad útil de 20 años);
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costo de capital de cada uno de los componentes del sistema; costo
anual de operación y mantenimiento; costos de instalación; costos de
los equipos que serán repuesto durante el periodo de análisis; factor de
descuento; vida útil de cada componente.
6.1.9 Costo de Capital
Los costos de capital de un sistema de bombeo fotovoltaico están
compuestos por cinco elementos principales:
Paneles fotovoltaicos
Baterias
Reguladores / inversores
Bombas / motores
Otros accesorios.
E. Paneles fotovoltaicos
Los paneles fotovoltaicos, son los componentes del sistema que
mayor inversión requieren, los precios de los paneles están dado
sen $US / Wp y los mismo varían según la tecnología de fabricación
y el fabricante, los mismos oscilan entre 7 y 9 $US /Wp.
F. Bombas de agua
Los tipos de bomba acoplados a un sistema fotovoltaico son
variados, el precio de las bombas variaran no solo en función de la
potencia sino tambien en función del tipo de bomba.
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G. Baterías
Las baterías de uso fotovoltaicos tienen un costo mayor que las
baterías de automóviles, pero en cambio resisten descargas mas
profundas, el precio de las mismas es aproximadamente 1 $US / Ah
almacenado, en el merado local se puede encontrar baterías de 100
Ah a 95 $US.
H. Reguladores / Inversores.
Los costos de instalación en lo que se refiere a las instalaciones
eléctricas, están basados en el llamado “punto” , pero que es un
punto: se dice punto a aquella conexión relevante que es echa
durante el proceso de instalación, es decir un punto es: un
tomacorriente, una lámpara y su interruptor; en el caso de las
instalaciones fotovoltaicas se considera punto al panel, a la batería
y al regulador, además de los anteriores. El precio es cobrado por
punto es de aproximadamente 4 $US.
Específicamente la instalación de una bomba fotovoltaica (incluye el
conjunto de paneles) oscila entre 7 y el 12 % del costo de inversión.
Además del costo de mano de obra indicado anteriormente, se
debe incluir los gastos correspondientes a: cables, cinta aislante,
grapas, interruptores, disyuntores, cables de soporte, etc.; gastos
que son variables en función de las características propias del
pozo.
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6.1.10 Costos de Instalación
Los costos de instalación en lo que refiere a las instalaciones
eléctricas, están basados en el llamado “punto”, pero que es un punto:
se dice punto a aquella conexión relevante que esta hecha durante el
proceso de instalación, es decir un punto es: un tomacorrientes, una
lámpara y su interruptor, ene l caso del as instalaciones fotovoltaicas
se considera punto al panel, a la batería y al regulador, además de los
anteriores. El precio que es cobrado por punto es aproximadamente
de 4 $US.
Específicamente la instalación de una bomba fotovoltaica (incluye un
conjunto de paneles) oscila entre 7 y el 12 % del costo de inversión.
Además del costo de mano de obra indicado anteriormente, se debe
incluir los gastos correspondientes a cables, cinta aislante, grapas,
interruptores, disyuntores, cables de soporte, etc.: gastos que son
variables en funcion de las características propias del pozo.
6.1.11 Costos de operación y mantenimiento.
En general un sistema fotovoltaico demanda muy poco en gastos de
operación y mantenimiento, reduciéndose a trabajos de inspección
periódica (una o dos veces por año) de las condiciones de cada uno
de los componentes. La batería es la que requiere mayor atención
debido a la necesidad de adición de electrolito o agua destilada. Los
costos debidos a este rubro son difíciles de estimar, como sugerencia,
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se puede adoptar la siguiente relación: de 20 $US mas 0.02 $US / Wp
a laño.
6.1.12 Ciclo de vida
La vida útil de cada uno de los equipos mencionados anteriormente,
con fines de comparación económica tienen los siguientes valores:
EQUIPO VIDA UTIL
Paneles 20 años
Baterias 4 años
Reguladores /inversores 10 años
Bombas 10 años
6.1.13 Criterios de Decisión
Cuando se va ha realizar un análisis de viabilidad (rentabilidad) de un
proyecto de energía, se suelen comparar los beneficios y costos que
producen el mismo, para eso se usan varias herramientas que
proveen los elementos de juicio que son analizados para la
aceptación o rechazo del proyecto.
Es importante recordar que cuando nos referimos a sistemas
fotovoltaicos, esta es una forma cara de provisión de energía y que
solo debe ser aplicada cuando realmente se ha demostrado que es la
alternativa mas rentable.
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6.1.14 Comparación de alternativas de bombeo
Por su alto costo inicial, los sistemas solares generalmente
competitivos en lugares con servicio de electricidad convencional.
Cuando no hay acceso a la red eléctrica, los sistemas solares y de
combustión interna son seguramente alternativas más viables. Si
existe un buen recurso solar en el lugar del proyecto (al menos 3.0
horas pico) y cuando se requieren un ciclo hidráulico menor de 1500
m4 por día, los sistemas solares podrían resultar mas económicos a
largo plazo que los sistemas de combustión interna. Aunque los
sistemas de combustión interna generalmente cuestan menos
inicialmente, su costo a largo plazo es elevado si se toma en
consideración los gastos de combustible, mantenimiento y
reparaciones.
A) Criterios de decisión
Cuando se va a realizar el análisis de la viabilidad (rentabilidad) de un
proyecto de energia, se suelen comparar los beneficios y costos que
producen el mismo, para eso se usan varias herramientas que
proveen los elementos de juicio que son analizados para la
aceptación o rechazo del proyecto.
Costos durante el ciclo de vida (LCC)
Es definido como la suma de los costos de capital, costos de
operación y mantenimiento llevados a valor presente y los costos de
reposición también en valor presente.
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LCC = CC + Co & M [((1+i)n-1)/ i(1+i)n] + Σ[ CC/ (1+i)N]
LCC = InvO + (CC/(1+i)N)) + O & M X [(1+i)n-1 / i(1+i)n]
Donde:
Invo = inversión inicial del proyecto
CC = costo de los componentes a ser cambiados en el futuro
O & M = costo de operación y mantenimiento anuales
i = tasa de descuento practicada en el mercado
N = vida útil de los componentes a ser repuestos
n = vida útil del proyecto
Costos anualizados (ALCC)
Es el costo uniforme que debería ser pagado anualmente para cubrir
todos los costos de inversión, operación, mantenimiento y reposición
a lo largo de la vida del proyecto.
ALCC = LCC x FRC
Donde:
FRC = A / P = i(1+i)N / (1+i)N – 1 = i / (1 – (1+i)-N)
FRC = es también conocido como el factor de recuperación de capital
Costo del litro de agua bombeada (CLAB)
Se obtiene el valor de la cantidad de agua bombeada de la relacion
del valor de ALCC y la producción anual de agua, dando como
resultado el costo unitario de cada litro
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CLAB = ALCC ($US / año) / Agua Bombeada Anualmente (litros/año)
($US /litro)
La opción fotovoltaica de bombeo en muchos casos resultara
económicamente mejor que las otras alternativas de suministro, todo
dependerá de las condiciones climatologiítas y de poder satisfacer los
requerimientos de agua.
B) calculo del costo del ciclo de Vida Útil (CCVU)
Este método permite calcular el costo total de un sistema de bombeo
durante un periodo determinado, considerando no solo los gastos de
inversión inicial, sino también los gastos incurridos durante la vida útil
del sistema. El CCVU es el valor presente del costo de inversión, los
gastos de refacciones, operación y mantenimiento, transporte al sitio
y el combustible para operar el sistema. Se entiende por valor
presente el calculo de los gastos que se realizaran a futuro y que
aplicando las formulas para este efecto se estima cuanto dinero se
requiere “tener” para sufragar este gasto.:
CI (capital de inversión Inicial): Es el valor presente del capital con
que se pagara el equipo, diseño del sistema, ingeniería y gastos de
instalación.
Rvp (refacciones): Valor presente de los gastos en piezas de
reemplazo que se anticipan a lo largo de vida del sistema.
O y Mvp (operación y mantenimiento): Valor presente de los
gastos de operación y mantenimiento programados. El combustible y
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refacciones no son incluidos en este costo. El costo de O y M incluye
el salario del operador, combustible para llegar al sitio, garantías y
mantenimiento.
Tvp (transporte): Valor presente del costo de la transportación al
sitio del sistema. Este costo representa el combustible consumido en
el viaje al sitio si es necesario para operar el sistema.
Cvp (combustible): Este gasto es el costo del combustible
consumido por el equipo de bombeo, si se trata de un sistema de
diesel o gasolina.
El CCVU de varias alternativas se puede considerar directamente. La
opción con el menor CCVU es la mas económica a largo plazo. Note
que los factores sociales, ambientales y de confiabilidad del sistema
no están incluidos en este análisis. Estos factores son difíciles de
evaluar en términos económicos, pero deben ser considerarse al
momento de decidir cual es la mejor opción, principalmente cuando
resultan muy similares.
C) Conceptos básicos
1. Valor presente (VP) es el costo ajustado al presente de gastos
futuros utilizando la taza de descuento real. El pago futuro puede
representar un solo pago o un pago anual.
Valor presente de un solo pago hecho en el futuro:
VP = VF x (1 + ir)-n
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Donde VP es el valor presente, VF es la cantidad que se paga en el
futuro, ir es la tasa de descuento real y n es el numero de años entre
el presente y el año de pago. Para una tasa de descuento y un
numero de años dados, el factor de valor presente para un pago
futuro , dado por (1+ir)-n = FVP se puede calcular o simplemente leer
de la tabla de FVP factor de valor presente de un pago son interés en
la tabla de los anexos
Valor presente de un pago fijo anual:
VP = VA x ((1-1/(1+ir)n)/ir)
Donde VP es el valor presente, VA es la cantidad que se paga
anualmente, ir es la tasa de descuento real, y n es el periodo en años
durante el cual se incurre en el pago anual. Para una tasa de
descuento y un periodo dados, el factor de valor presente para pagos
anuales, dado por FVPA = ((1-1/(1+ir)n)/ir) se puede calcular o
simplemente leer de la tabla de FVPA factor de valor presente de
pagos anuales fijos en el anexo.
2. Tasa de descuento real (ir)
Ir = tasa de interés – tasa de inflación
La tasa de interes es la tasa a la que aumenta el capital si es invertido
en certificados de deposito. La tasa de inflación es la tasa de aumento
general de precios.
En algunos casos, la tasa de inflación anual del combustible es
significativamente diferente a la inflación general de precios
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D) Pasos para determinar el CCVU
1) Determine el periodo de análisis y la tasa de interés. Para hacer una
comparación de CCVU de un equipo solar, generalmente se usa 20
años como periodo de análisis, ya que se considera que este es el
tiempo de vida de un sistema de este tipo.
2) Determine el costo inicial del sistema instalado. La seccion anterior
muestra como estimar el costo inicial de un sistema solar de bombeo.
El costo inicial de un sistema de combustión linterna varia
dependiendo del tipo de de sistema. Se puede utilizar los siguientes
valores aproximados:
Tipo de sistema Costo (instalado)
Motobomba (por lo menos 3Hp) Mas de US$ 200 / Hp
Generador diesel (por lo menos
4KW) bomba sumergible
Mas de US$ 600 / KW
3) Estime el costo anual de operación y mantenimiento. Para sistemas
de combustión interna, se incluye partes (lubricantes, filtros, afinación)
y mano de obra para mantenimiento asi como el pago del operador
del sistema. Si el sistema requiere visitas frecuentes para operación y
mantenimiento, el costo e combustible utilizado para transporte al sitio
puede ser significativo y se deberá considerar. La bomba es el único
componente del sistema solar que esta sujeto a desgaste mecánico.
Bajo condiciones normales de operación, las bombas centrifugas no
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necesitan mantenimiento. La mayoría de las bombas pequeñas de
diafragma requieren cambio de diafragmas y escobillas cada 3 a 5
años de operación continua.
4) Estime la vida útil y el costo de reemplazo de componentes
principales del sistema (bomba, motor, generador, etc) durante el
periodo de análisis. La vida útil varia dependiendo de localidad de los
componentes principales y el mantenimiento que requieren se estima
basados en experiencia previa o información contenida en manuales
del fabricante. Si esta información no esta disponible, se pueden usar
los siguientes valores aproximados:
5) Estime el costo anual del combustible que utiliza el sistema. El gasto
anual de combustible de un sistema de combustión interna depende
de las características de motor que utiliza y las horas de operación
necesarias para bombear agua. El tamaño minimo de las
Componente Vida util
(años) Mantenimiento
Arreglo FV y estructuras 20 + Ninguno
Contralador 10 + Ninguno
Motor/bomba centrifuga
sumergible 7-10 Ninguno o limpiar impulsores
Bomba centrifuga superficial 7-10 Ninguno
Motor/bomba de diafragma
sumergible CC 3-5 Cambio de diafragmas cada 5 años
Generador diesel (10KW) 5-7 Aceite, filtros, afinación anual
Motores ( 3 a 5 hp) 3-4 Aceite, filtros, afinación anual
Motores ( 6 a 10 hp) 4-6 Aceite, filtros, afinación anual
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motobombas comúnmente utilizadas es de 3 hp. Las horas anuales
de operación se pueden estimar utilizando la siguiente formula:
Horas anuales de operación = 1.33 x ciclo hidraulico (m3/dia x m)
Eficiencia de la bomba x potencia del motor (Hp)
Note que la eficiencia de la bomba depende de la carga dinamica
total. La experiencia de campo indica que las motobombas en el
rango de 3 a 15 Hp consumen aproximadamente 0.25 litros de
combustible por hora por cada Hp de potencia. Por consiguiente, el
consumo anual de combustible (en litros) se puede estimar como
sigue:
Consumo anual de combustible (litros) = 0.25 litros por hora por Hp x potencia del motor
(Hp) x horas anuales de operación
Para sistemas con generador y bomba sumergible, se usa la misma
formula para estimar las anuales de operación, teniendo en cuenta
que la potencia del motor (Hp) se refiere a la potencia del motor
eléctrico que acciona la bomba. Estos sistemas consumen mas
combustible debido a que el motor de combustión del generador es
mas grande que el motor electrico de la bomba. Como aproximación,
el consumo anual de combustible (en litros) esta dado por la formula
siguiente:
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Consumo anual de combustible (litros) = 1 litro po hora por Hp x potencia del motor (Hp) x
horas anuales de operación
Donde la potencia del motor (Hp) se refiere a la potencia del motor
electrico que acciona la bomba.
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XII. EVALUACIÓN ECONÓMICA DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Y UN
SISTEMA DE COMBUSTIÓN INTERNA
Analizando un pequeño sistema fotovoltaico el cual consta de las
siguientes especificaciones técnicas:
Carga dinámica total = 5.5 m
Capacidad de bombeo de agua = 2.4 m3
Ciclo hidráulico = 13.2 m4
Sistema fotovoltaico = 140 Wp
Bomba shurflo 9300
Para el análisis económico del sistema de bombeo tendremos lo
siguiente:
Periodo de estudio (años) = 20
Tasa de interés promedio para el periodo de estudio (%) = 20 %/año
Inflación promedio para el periodo de estudio (%) = 13 %/año
Operación y mantenimiento (sistema fotovoltaico) = 1-3%costo
inicial/año
Ir = 20 % - 13 % = 7% = 0.07
Hallando el valor presente
Calculo de de los valores de FVP o FVPA
Calculo del valor presente de la bomba
Para un ir = 7% y un periodo de 10 años = 0.5083
Entonces VP = $ 655 x 0.5083 = $333
Calculo del valor presente del cambio de diafragma de la bomba
Para un ir = 7% y un periodo de 5 años = 0.7130
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Entonces VP = $ 200 x 0.7130 = $143
Para un ir = 7% y un periodo de 15 años = 0.3624
Entonces VP = $ 200 x 0.3624 = $72
Calculo del valor presente para operación, mantenimiento y transporte
por visita de mantenimiento
Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando un 1
% en operación y mantenimiento del costo inicial del sistema tenemos:
$ 2736 x 0.01 = $ 27
Entonces VP = $ 27 x 10.5940 = $290
Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando $72
por transporte por visita de mantenimiento del sistema tenemos:
Entonces VP = $ 72 x 10.5940 = $763
Resumiendo en un cuadro tenemos:
Año Cantidad FVP o FVPA
Valor presente
Costo inicial 0 $ 2736 1.0000 $ 2736
Reemplazos Cambio de diafragma 5 $ 200 0.7130 $ 200
Bomba sumergible Nº 1 10 $ 655 0.5083 $ 333
Cambio de diafragma 15 $ 200 0.3624 $ 72
Operación y mantenimiento
Cada año 27 10.5940 $290
Transporte por visita de mantenimiento
Cada año $ 72 10.5940 $ 763
Combustible para el bombeo
Cada año $0 10.5940 $0
CCVU (20 años) $ 4336
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Analizando un sistema de combustión interna de 3 Hp con los
siguientes especificaciones:
Horas anuales de operación 59 horas
Consumo anual de combustible 176 litros
Costo total de combustible por año $ 83
Para el análisis económico del sistema de bombeo tendremos lo
siguiente:
Periodo de estudio (años) = 20
Tasa de interés promedio para el periodo de estudio (%) = 20 %/año
Inflación promedio para el periodo de estudio (%) = 13 %/año
Operación y mantenimiento (sistema fotovoltaico) = $200/año
Ir = 20 % - 13 % = 7% = 0.07
Hallando valores presente
Calculo de de los valores de FVP o FVPA
Calculo del valor presente de la bomba Nº 1
Para un ir = 7% y un periodo de 6 años = 0.6663
Entonces VP = $ 738 x 0.6663 = $492
Calculo del valor presente de la bomba Nº 2
Para un ir = 7% y un periodo de 12 años = 0.4440
Entonces VP = $ 738 x 0.4440 = $328
Calculo del valor presente de la bomba Nº 3
Para un ir = 7% y un periodo de 18 años = 0.2959
Entonces VP = $ 738 x 0.2959 = $218
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Calculo del valor presente para operación, mantenimiento y transporte
por visita de mantenimiento
Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando
$200 por operación y mantenimiento del sistema tenemos:
Entonces VP = $ 200 x 10.5940 = $2119
Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando
$312 por transporte por visita de mantenimiento del sistema tenemos:
Entonces VP = $ 312 x 10.5940 = $3305
Para un ir = 7% y un periodo de 20 años = 10.5940 y considerando $83
por costo total de combustible por año del sistema tenemos:
Entonces VP = $ 83 x 10.5940 = $879
Resumiendo en un cuadro tenemos: Año Cantidad FVP o
FVPA Valor
presente Costo inicial 0 $ 988 1.0000 $ 988
Reemplazos Motobomba Nº 1 6 $ 738 0.6663 $ 492 Motobomba Nº 2 12 $ 738 0.4440 $ 328 Motobomba Nº 3 18 $ 738 0.2959 $ 218
Operación y mantenimiento
Cada año $200 10.594 $2119
Transporte por visita de mantenimiento
Cada año $ 312 10.594 $ 3305
Combustible para bombeo
Cada año $83 10.594 $819
CCVU (20 años) $ 8329
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XIII. COMPARACIÓN COSTOS DE LOS SISTEMAS DE BOMBEO
FOTOVOLTAICO Y DE COMBUSTIÓN INTERNA
$0
$1,000
$2,000
$3,000
$4,000
$5,000
$6,000
$7,000
$8,000
$9,000
costo inicial
reempalzo de equipos
operación y
mantenimiento
t ransporte porvisita y
mantenimiento
combustible CCVU(20años)
comparacion de costos en valores presentes
sistema fotovo ltaico
sistema de combustion interna
Periodo de recuperación de la inversión
Periodo de recuperacion de la inversion
$0
$1,000
$2,000
$3,000
$4,000
$5,000
$6,000
$7,000$8,000
$9,000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Años
costo sistema fotovoltaico sistema de combustion interna
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Al observar los dos cuadros comparativos anteriores se observa como
en la evaluación de los costos de los sistemas en valores presentes
observamos como en los costos iniciales el sistema fotovoltaico son
relativamente costosos a comparación del sistema de combustión
interna.
Pero si analizamos para un ciclo de vida útil, observamos que en los
ítems de reemplazo de equipos o repuestos, operación y mantenimiento,
transporte por visita de mantenimiento y combustible para el bombeo
observamos como se van incrementando los costo en el sistema de
combustión interna que al final para el ciclo de vida útil analizado, el
sistema de combustión interna resulta altamente costoso a comparación
del sistema fotovoltaico tal como observamos en el cuadro de periodo
de recuperación de la inversión.
Aspectos económicos considerados en la elección del sistema
energético
caso 1
Opcion solar
Cant. Descripción C. U.
(U$$)
C. total
(U$$)
8 Modulo SM50 SHELL 50 Wp 400 32000
1 Bomba sup Mc Donalds 900 900
1 Accesorios eléctricos + estructura metálica 350 350
1 Instalacion + personal 400 400
Total 4850
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Opcion combustibles convencionales
Caso 2
Opcion solar
Opcion combustibles convencionales
Cant. Descripción C. U.
(U$$)
C. total
(U$$)
1 Motobomba a gasolina de 1 HP 400 400
1 Accesorios e instalación 150 150
Total 550
Cant. Descripción C. U.
(U$$)
C. total
(U$$)
16 Modulo i110 isofon 110 Wp 750 12000
1 Bomba sumergible grundfos con inversor
sa1500 3500 3500
1
2 Accesorios eléctricos + estructura metálica
450
400
450
800
1 Instalacion + personal 800 800
Total 17550
Cant. Descripción C. U.
(U$$)
C. total
(U$$)
1 Grupo electrógeno DIESEL de 4 HP (3KW) 2400 2400
1 Bomba eléctrica sumergible de 2.2 KW 1500 1500
1 Tab. Eléctrico y recontrol con accesorios
eléctricos 200 200
1 Instalacion + mano de obra 400 400
Total 4500
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Haciendo un análisis a un sistema de bombeo solar
Periodo de análisis = 20 años
Tasa de descuento = 10 %
Demanda anual de 110.05 m3 / año
Potencia de dimensionamiento = 102 Wp
Carga dinamica = 8m
Costo de mantenimiento = 175 $ / año
Tomamos como ejemplo el caso numero 2 se tiene las siguientes
consideraciones para hacer un calculo estimado del costo del ciclo de
vida anualizado del proyecto , y en base a esto poder calcular el costo
unitario del agua bombeada (US$/m3) se considera los siguientes
tiempos de vida para diferentes componentes:
Generador solar = 20 años
Bomba solar y accesorios = 10 años
Grupo electrógeno =5 años
Electro bomba sumergible = 5 años
Costo del combustible diesel en el campo 3.70 (US$/galon)
Consumo diario del grupo electrógeno = 028 galones / hora
Operación del grupo al día = 3 horas diarias
Costo de O & M = 100 US$ / año
Costo de Mantenimiento opción térmica = 250 US$ / año
Costo de operación opción térmica = 500US$/ año
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AñoCosto
Sistema fotovoltaico ($)
Costo Diesel ($) D2 + combustible
0 17550 4500 45001 17650 5250 60442 17750 6000 75883 17850 6750 91324 17950 7500 106765 18050 8250 122206 18150 9000 137647 18250 9750 153088 18350 14400 168529 18450 15150 18396
10 22050 15900 1994011 22150 16650 2148412 22250 17400 2302813 22350 18150 2457214 22450 18900 2611615 22550 19650 2766016 22650 20400 2920417 22750 21150 3074818 22850 21900 3229219 22950 22650 3383620 23050 23400 35380
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
años
cost
o en
($)
Costo Sistema fotovoltaico ($)
D2 + combustible
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calculando el LCC en la opción solar es US$ 19590.0 mientras que para
el sistema convencional es de US$ 23400.00. El ALCC para la opción
solar es US$ 2620.00 y para la convencional es de US$ 3133.00; por que
el costo de agua bombeada será de 0.40 y 0.48 US$/m3 para las
opciones solar y convencional respectivamente.
Puede apreciarse que, a pesar de la diferencia existente en la inversión
inicial para la implementación de ambos sistemas, poseer, operar y
mantener el sistema de bombeo solar resulta mas económico, en el
tiempo, como se puede deducir en el indicador LCC.
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XIV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
De acuerdo al estudio llevado a cabo en el presente trabajo se a llegado
a las siguientes conclusiones:
1) Como se menciono anteriormente, uno de los motivos limitantes para el
uso de los combustibles convencionales es el suministro y/o
almacenamiento debido a la lejanía de las zonas rurales. En el caso de
la energía solar existe una relación entre la disponibilidad de energía y
la necesidad de agua para el consumo agrícola. Esta disponibilidad
crece en los periodos de fuerte radiación, por ejemplo, para la costa
norte entre los meses de septiembre y octubre, cuando la radiación
solar es mayor, por lo tanto la potencia suministrada por el modulo
fotovoltaico es máxima, al contrario, la necesidad de agua disminuye
cuando el clima es frió y la luz solar es mucho mas débil. En verano, se
puede tener un alto valor de radiación solar, pero al ser las celdas
fabricadas con silicio la lata temperatura hace que la producción de
energía del generador solar sea menor, respecto a otras épocas del
año. La principal razón es el aumento de la resistividad (en función de
la temperatura) del material que compone la celda y por lo tanto,
perdidas de voltaje generado y en la potencia de salida. El agua puede
ser bombeada durante el día y almacenada en reservorios, con lo cual
estará disponible durante la noche. De esta forma se garantiza un
suministro, adaptándose a las condiciones agrícolas.
2) Con respecto a la flexibilidad los sistemas de bombeo solar son
flexibles respectos a la motobombas convencionales, ya que una
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misma bomba puede aumentar su capacidad si se aumenta el numero
de módulos fotovoltaicos, hasta ciertos limites dependiendo de los
componentes del sistema, entre los cuales se pueden nombrar, los
limites estructurales (para soportes de módulos) y el calibre de los
conductores eléctricos. Se estima que el tiempo de vida de los
componentes de la electro bomba es de 5 a 10 años dependiendo de
la tecnología y en el caso de una instalación con energía solar el tiempo
de vida es de 20 años
3) El principal limitante de los sistemas convencionales es que el
combustible suele tener continuos incrementos en su precio de venta, si
a esto le suma el costo por transporte y los gastos operativos que
supone la instalación, el costo resulta mayor respecto a lo obtenido con
la energía solar. Aunque la inversión inicial se estima relativamente alta,
los gastos operativos (operador, mantenimiento, etc.) no son
significativos. Se debe tener en cuenta que el precio de los módulos
solares ha disminuido en los últimos años, haciendo que los sistemas
de bombeo solar resulten económicos.
4) Se a calculado la demanda de energía solar para diferentes
condiciones.
5) La instalación de paneles de energía fotovoltaica son un sistema de
amplias perspectivas de aplicación en el ámbito rural de la provincia de
ica.
6) Los sistemas de bombeo de agua con energía solar requieren de una
alta inversión inicial, pero el costo de mantenimiento y operación es
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BACH. LUIS EUGENIO HERNANDEZ QUIJAITE 104
muy bajo, en contraste con los sistemas que utilizan combustible,
donde su inversión inicial es baja y un alto costo de operación y
mantenimiento.
7) Los sistemas fotovoltaicos tienen una vida útil mayor que la de los
sistemas operados con combustible. Esta diferencias hacen difícil la
comparación económica entre los dos sistemas. Sin embargo, para
realizar este análisis, se requieren considerar todos los costos de cada
sistema sobre la entera vida del equipo. A este método se le llama
“análisis del ciclo de vida de un proyecto”, e involucra identificar las
inversiones iniciales para sistema de bombeo y todos los costos de
operación y mantenimiento durante la vida útil del sistema, comparando
los costos durante el mismo periodo para ambas opciones.
8) El beneficio de esta tecnología de bombeo tiene mayor impacto cuando
va acompañado de un mejoramiento integral de la explotación agrícola.
9) Existen beneficios asociados con los sistemas de bombeo fotovoltaicos,
uno de ellos es el tiempo ahorrado por el productor durante la operación
y mantenimiento del sistema. Por ejemplo, los sistemas fotovoltaicos
operan automáticamente encendiendo el equipo cuando el sol aparece
en el horizonte y apagándose al atardecer y por otro, los sistemas de
bombeo que utilizan combustible, como son operados manualmente,
requieren de tiempo y atención para activar el sistema y recarga de
combustible el deposito de la bomba. Ante esta situación lo productores
valoran el tiempo ahorrado, que puede ser utilizado para la realización
de otras actividades, al adquirir un sistema fotovoltaico otro beneficio
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que debe considerarse es el costo en este sistema, el cual que debe
incluir el tiempo y costo invertido para salir a comprarlo transportarlo
hacia el deposito y hacia la bomba.
10) Por otro lado, la conservación del medio ambiente y el entorno
ecológico para nuestros hijos y los hijos de nuestros hijos, tengan
asegurado un futuro sano.
11) Por otro lado la larga vida útil y alta confiabilidad. La vida útil de un
panel fotovoltaico se estima alrededor de 20 años y durante ese periodo
el porcentaje de fallas es extremadamente bajo, lo que hace un sistema
de alta confiabilidad
12) Es muy importante concentrar esfuerzos de difusión de sistemas
solares es aquellas para captar una mayor aceptación social y buen
desempeño técnico.
13) Por la parte ambiental la energía solar es una fuente renovable.
Durante la operación del generador fotovoltaico no se verifican
emisiones, como gases causantes del efecto invernadero.
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XV. BIBLIOGRAFIA.
- “Fuentes renovables de energía para sistemas de abastecimiento de
agua” primera edición Hofkes E. H. 1990
- “Bombeo Fotovoltaico” primera edición Orellana R. 1989
- “Riegos localizados de alta frecuencia” Editorial Mundi – Prensa
- “Energía solar y agricultura” Inocente García Araque 2000
- Proyecto de Norma Técnica Peruana PNTP 399.403 – 2003
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la determinación de la eficiencia energética del sistema” primera
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- Texto único refundido del as especificaciones técnicas de diseño y
montaje de instalaciones solares fotovoltaicas para la producción de
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de desarrollo de infraestructura sociales salud y educación básica
en el medio rural países andinos
- “Utilizando energía renovable para bombear agua” Cooperativa de
Texas Extensión el sistema universitario Texas A&M
- “Atlas de Energía Solar del Perú”, Senamhi, MEM
- Reglamento técnico “Especificaciones Técnicas y Ensayos de los
componentes de Sistemas Fotovoltaicos Domésticos hasta 500 Wp”,
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Ministerio de Energía y Minas Dirección General de Electricidad,
Febrero – 2005
- Guía para el desarrollo de proyectos de bombeo de agua con
Energía Fotovoltaica de Sandia Nacional Laboratories
- Guía para aplicaciones de bombeo de agua con Energía Solar,
KYOCERA SOLARM, INC
- Energía solar para bombeo de agua experiencias sustentables en
baja California del sur, FIRCO
- Guía de la Energía Solar, Madrid solar
- Sistema de control para bombeo solar directo ISOFOTON
- Energía Solar en el país Vasco
- Programa de bombeo de agua con Energías Alternas
- El uso de la Energía Solar
- Evaluación de la Energía Solar para el bombeo de agua aplicado al
riego por goteo.
- Instalaciones Fotovoltaicas de Bombeo de Agua.
Catálogos
- Catalogo Techno Sun distribuidor mayorista fotovoltaico
- Bombeo directo mediante Energía Solar ATERSA electricidad solar
- Instalaciones Fotovoltaicas de Bombeo de Agua, Universidad
Politécnica de Madrid
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- Sistemas de suministros de agua basados en energia renovables
GRUNDFOS
- SUNTECH modulos solares
Paginas Wed:
- www.censolar.es
- www.managenergy,net
- www.energiasostenible.org
- www.erasolar.es
- www.energia-renovables.com
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- www.iie.org.mx
- www.shruflo.com
- www.grundfos.com
- www.eve.es
- www.solarenergy.org
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ANEXOS
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TABLA N° II RADIACIÓN SOLAR EN EL PERÚ
═══════════════════════════════════════════════════ LUGAR DEPARTAMENTO ALTITUD RAD. SOLAR (m) (KWh/m²-dia) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Zorritos Tumbes 005 4.931 Guayabamba Iquitos 122 4.466 Tablazo Piura 0147 5.129 Tarapoto San Martín 0356 4.431 Lambayeque Lambayeque 018 5.001 Cajamarca Cajamarca 2750 4.582 Cartavio La Libertad 051 4.861 Huaraz Ancash 3207 5.792 Huánuco Huánuco 1800 5.152 Atacocha Cerro de Pasco 4023 5.455 Fdo. Iberia Madre de Dios 180 4.524 Huancayo Junín 3350 6.780 La Molina Lima 251 4.094 Túnel Cerro Huancavelica 4600 5.873 Kayra Cusco 3219 5.280 Abancay Apurimac 2398 5.210 Ica Ica 398 5.280 Cechapampa Ayacucho 2450 6.629 Puno Puno 3825 6.804 Characato Arequipa 2461 7.094 Moquegua Moquegua 1420 6.141 Calana Tacna 590 5.431 ═══════════════════════════════════════════════════
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CUADRO DE HORAS SOL EN EL PROVINCIA DE ICA EN EL AÑO 2006
Estacion Metereologica Agricola
Principal Latitud 14.1 Longitud 75.8 Altitud Mes Horas Sol Enero 7.0 Febrero 6.6 Marzo 8.0 Abril 8.9 Mayo 7.8 Junio 6.6 Julio 6.8 Agosto 7.0 Septiembre 7.7 Octubre 8.7 Noviembre 7.9 Diciembre 6.9
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CUADRO DE HORAS SOL EN EL PROVINCIA DE ICA EN EL AÑO 2005
Estacion Metereologica Agricola Principal
Latitud 14.1 Longitud 75.8 Altitud Mes Horas Sol Enero 7.0 Febrero 6.5 Marzo 8.0 Abril 8.9 Mayo 7.9 Junio 6.7 Julio 6.9 Agosto 7.0 Septiembre 7.8 Octubre 8.7 Noviembre 7.9 Diciembre 6.8
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Profundidad de los Niveles Freaticos de Agua Valle de Ica - Villacuri
La Profundidad de la Napa Freatica en el area investigada (Ica - Villacuri) flutua entre 1,45 - 3,11 m (Ocucaje y Fundo Cañaveral) entre 60 - 61,46 m. (Los Aquijes, Santiago) llegando incluso a 77,80 m (Pampa Guadalupe) en la zona IV (Villacuri). Ver Cuadro Adjunto.
Zona Sector Profundidad del Nivel Freatico (m)
San Jose de los Molinos 3,84 - 21,63 San Juan Bautista 4,20 - 17,99 La Tinguiña 6,75 - 39,40 Salas - Guadalupe 16,20 - 26,40
I
Subtanjalla 15,80 - 18,40 Ica 7,50 - 39,70 Parcona 17,80 - 50,40 Los Aquijes 15,55 - 61,46 Pueblo Nuevo 8,10 - 57,51 Pachacutec 45,81 - 56,96
II
Tate 29,43 - 38,00 Ocucaje 1,45 - 6,99 III Santiago 3,27 - 59,78 Pampa de Guadalupe 46,20 - 77,80 Fdo. El Recuerdo - Fdo. Peru Tom 35,40 - 60,00 Fdo. El Galmo - Pampa del Aguila 16,50 - 33,30 Fdo. Coriyaco - Fdo. Bellavista 10,44 - 26,00 Fdo. El Carmen - Fdo. La Almendral 21,60 - 45,87 Fdo. Hacienda del Sur - Fdo. Melchorita 5,60 - 26,27 Huarango Redondo - Pampa Mutaca 2,85 - 7,80
IV
Fdo. Maria Fernanda - Fundo Cañaveral 1,86 - 3,11 Orongocucho - Pampahuasi 13,03 - 19,10 Quilque - Casa Blanca 11,36 - 23,66 Cocharcas - Hda. Rosario 38,43 - 74,80 Tingue 14.93
V
Huarangal 9,42 - 17,65
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MEDIOS DE DESCONEXION
MEDIOS DE DESCONEXION
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PUESTA A TIERRA DE UN SITEMA DE BOMBEO FOTOVOLTAICO
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