Introducción

En este tutorial, profundizamos en las complejidades del diseño de un sistema de bomba solar, una solución sostenible que aprovecha la energía solar para bombear agua. Ideales para ubicaciones remotas o fuera de la red, estos sistemas son cada vez más fundamentales en la agricultura moderna, la gestión ganadera y el suministro de agua rural.

Descripción general

Un sistema de bomba solar utiliza paneles fotovoltaicos para alimentar una bomba de agua, eliminando la necesidad de electricidad convencional o diésel. Sus aplicaciones abarcan desde riego hasta suministro de agua potable en áreas que carecen de conectividad a la red.

Beneficios

La principal ventaja de los sistemas de bombas solares radica en su fuente de energía renovable, lo que reduce los costos operativos y la huella de carbono. Son particularmente beneficiosos en áreas remotas y ofrecen una solución de bombeo de agua confiable y ecológica.

Paso 1: Evaluación de los requisitos de agua

• Determine el caudal y la altura dinámica total (TDH): Calcule el caudal de agua necesario, expresado en litros por segundo o galones por minuto. TDH abarca elevación vertical, distancia horizontal y pérdidas por fricción dentro del sistema.

Por ejemplo: Tipo de bomba: Bomba sumergible, Caudal: 6 m³/, Altura vertical: 60 metros Distancia horizontal: 100 metros

Análisis de requerimientos:
Requisito de caudal: 6 m³/h
Cabeza vertical: 63,3 metros (distancia horizontal de 100 metros = cabeza vertical 3,3 metros)
Tiempo de funcionamiento del sistema por día: 6 horas (suponiendo un día soleado)

Paso 2: Seleccionar la bomba

• Tipo de bomba: Elija entre bombas sumergibles para pozos o bombas de superficie para fuentes de agua como ríos o lagos.
• Especificaciones de la bomba: Asegúrese de que el caudal de la bomba y la capacidad de carga cumplan con los requisitos calculados.

Bomba: La bomba de 2,2 kW de 220V o 380V. Su altura máxima es de 127 metros.
El caudal es de 6 m³/h a 83 metros, lo que cumple con el requisito.

Nota:
Como la bomba y el inversor de 380 V requieren una entrada de voltaje más alto, lo que puede provocar un desperdicio de energía cuando se conecta a paneles solares, sugerimos elegir una bomba de 220 V.
Para una bomba monofásica de 220 V, el condensador externo es necesario (ya que el inversor ya realiza el cambio de fase internamente), mientras que el condensador de arranque/funcionamiento debe retirarse.

Paso 3: elegir el inversor adecuado

• Tipo de inversor: Opte por un inversor con MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) para mejorar la eficiencia.
• Tamaño y especificaciones: El inversor debe coincidir con los requisitos de energía de la bomba y la salida del panel solar.

Según las especificaciones conocidas de la bomba (2,2 kW, 220 V, monofásica), el modelo de inversor recomendado es HSPH2200L y el rango de voltaje de entrada de CC MPPT recomendado es el siguiente:
300 Vmp <DC Input<450Voc (Only Solar)
340 Vmp <DC Input<400Voc (Hybrid Power)

Nota: El voltaje de entrada máximo y el voltaje de trabajo del inversor determinarán el método de conexión de los paneles solares.

Paso 4: Cálculo del panel solar

• Energía del panel solar: La energía total requerida por la bomba debe multiplicarse por 1,5 para compensar las ineficiencias y la variabilidad de la luz solar.
• Número de paneles: Calcule el número de paneles necesarios según la potencia del panel individual.

Energía del panel solar

La potencia total de los paneles solares debe ser 1,5 veces la potencia de la bomba de agua, que es 2,2 kW * 1,5 = 3,3 kW. 3,3 kW / 0,405 kW = 8.148 paneles.

Conexión de paneles solares

El voltaje máximo del circuito de entrada del inversor es 450Voc. Si consideramos la tensión de trabajo recomendada de 300Vmp, podemos calcular el número de paneles que se pueden conectar en serie.

450Voc/37,58Voc = 11,97 paneles (máx.)

300 Vmp/31,47 Vmp = 9,53 paneles (mínimo)

Nota
Ajustar la potencia del panel solar a 1,5 veces la potencia de la bomba de agua es un valor teórico. Se puede ajustar según las condiciones locales de luz solar. Si las condiciones de luz solar son buenas, puedes reducir el número de paneles solares. Por el contrario, es posible que deba aumentar el número de paneles solares para garantizar un suministro de energía adecuado.

Paso 5: Configuración del sistema

• Disposición de los paneles: Decida una configuración en serie o en paralelo según las especificaciones de voltaje y corriente del inversor.
• Montaje y Orientación: Planifique una exposición óptima a la luz solar al montar y orientar los paneles.

1. ¿Cómo funciona el sistema con 11 paneles solares conectados en serie?
   Conectar 11 paneles en lugar del mínimo requerido de 8 paneles tendrá un impacto en el funcionamiento del sistema. El suministro total de agua por día se puede calcular en base a 7 horas de funcionamiento. Con más paneles solares instalados, el tiempo nominal de salida de agua será mayor. Por el contrario, si se conectan menos paneles, se reducirá el suministro total de agua. Por lo tanto, la cantidad de paneles solares conectados afecta directamente la capacidad general de suministro de agua del sistema.
2. ¿Cómo funciona el sistema con un panel solar de 6 piezas conectado en serie?
   6 * 31,47 = 188,82. Debido a que el requisito mínimo de voltaje de entrada del inversor es de 200 voltios o más, conectar solo 6 paneles puede activar potencialmente la protección de bajo voltaje del inversor.
3. ¿Cómo funciona el sistema con un panel solar de 7 piezas conectado en serie?
   El uso de 7 paneles no activará la protección de bajo voltaje del inversor (7 * 31,47 V = 220,29 V). El sistema aún puede funcionar, pero la salida de la bomba de agua se reducirá y es posible que no alcance el caudal nominal.

entonces la configuración del sistema:

Flujo de agua: 6 m³/h, altura de elevación vertical: 60 m,

Distancia horizontal 100 metros.

Solución:

Bomba: 2,2 KW 220 V monofásica (condensador externo)

Inversor: HSPH2200L

Paneles solares: 9 unidades de 405 W en serie.

Flujo nominal: 6 m³/h*6 = 36 m³ @ 80 cabeza (día soleado)

Paso 6: Conexiones eléctricas para el diseño del sistema de bomba solar

1. Planificación del diseño eléctrico

Determinar la ubicación de los componentes: Identifique las posiciones de los paneles solares, la caja combinadora, el inversor y la bomba de agua.

Calcular longitudes de cables: Mida y calcule las longitudes de cables necesarias para conectar todos los componentes de manera eficiente.

2. Selección de cables

Cables CC: Utilice cables de calibre adecuado para conectar los paneles solares a la caja combinadora y desde la caja combinadora al inversor.

Cables de CA: Utilice cables adecuados para conectar el inversor a la bomba de agua.

Toma de tierra: Asegúrese de que se incluyan cables de conexión a tierra adecuados para proteger el sistema de fallas eléctricas.

3. Instalación de la caja combinadora

Montaje: Monte de forma segura la caja combinadora fotovoltaica cerca de los paneles solares.

Conexiones: Conecte los terminales positivo y negativo de los paneles solares a las entradas correspondientes en la caja combinadora.

Dispositivos de seguridad: Asegúrese de que los fusibles y los dispositivos de protección contra sobretensiones estén instalados dentro de la caja combinadora.

4. Conexión del inversor

Entrada CC: Conecte la salida de la caja combinadora a los terminales de entrada de CC del inversor.

Salida de CA: Conecte los terminales de salida de CA del inversor a la bomba de agua.

entrada de CA (función híbrida): Conecte los terminales de entrada de CA del inversor a la bomba de agua.

5. Puesta a tierra

Instalación de varilla de tierra: Instale varillas de tierra cerca del inversor y la caja combinadora.

Conexiones de puesta a tierra: Conecte todas las partes metálicas del sistema a las varillas de tierra usando cables de tierra.

6. Verificaciones y pruebas finales

Inspeccionar conexiones: Asegúrese de que todas las conexiones estén apretadas y seguras.

Verificación de polaridad: Verifique la polaridad correcta de todas las conexiones de CC para evitar daños a los componentes.

Pruebas del sistema: Encienda el sistema y verifique que funcione correctamente. Controle el voltaje y la corriente para asegurarse de que estén dentro de rangos aceptables.

7. Documentación y Seguridad

Etiquetado: Etiquete todos los cables y componentes para una fácil identificación.

Precauciones de seguridad: Siga todos los protocolos de seguridad y asegúrese de que el sistema esté instalado de conformidad con los códigos y estándares eléctricos locales.

8. Selección de reactores

Determinar la necesidad de reactores: Los reactores pueden ayudar a gestionar los picos de tensión, reducir los armónicos y mejorar la calidad general de la energía. Se recomienda encarecidamente utilizar reactores cuando la longitud del cable de la bomba supere los 100 metros.

Tipos de reactores:

• Reactores de CC: Colocado en el lado de CC para suavizar la corriente CC.
• Reactores de CA: Colocado en el lado de CA para filtrar armónicos y mejorar la calidad de la energía.

Recomendaciones:

• Cuándo utilizar reactores: Se recomienda encarecidamente utilizar reactores cuando la longitud del cable de la bomba supere los 100 metros.
• Beneficios: El uso de reactores ayuda a:
  • Proteja el inversor y la bomba de picos de tensión.
  • Reducir el ruido eléctrico y los armónicos.
  • Mejorar la eficiencia y longevidad del sistema.

Selección de reactores apropiados:

• Valoración actual: Asegúrese de que el reactor pueda manejar los niveles actuales del sistema.
• Valor de inductancia: Elija un reactor con un valor de inductancia que coincida con los requisitos del sistema.
• Instalación: Instale el reactor entre el inversor y la bomba de agua, o según lo especificado por el diseño del sistema.

Paso 7: Selección de tuberías y válvulas para el sistema de bomba solar

La selección adecuada de tuberías y válvulas es crucial para garantizar la eficiencia y la longevidad de un sistema de bomba solar. Estas son las consideraciones clave:

1. Determinación del material de la tubería

PVC (Cloruro de polivinilo):

• Ventajas: Ligero, resistente a la corrosión, fácil de instalar.
• Aplicaciones: Adecuado para la mayoría de los sistemas de bombas solares, especialmente para instalaciones pequeñas y medianas.

HDPE (Polietileno de Alta Densidad):

• Ventajas: Flexible, duradero y resistente a impactos y productos químicos.
• Aplicaciones: Ideal para sistemas e instalaciones más grandes en entornos hostiles.

Acero galvanizado:

• Ventajas: Fuerte y duradero.
• Aplicaciones: Se utiliza en sistemas de alta presión o donde las tuberías están expuestas a daños mecánicos.

2. Diámetro de la tubería

Calcular los requisitos de caudal:

• Determine el caudal requerido para su sistema según la capacidad de la bomba y las necesidades de la aplicación.

Seleccionar el diámetro correcto:

• Las tuberías de mayor diámetro reducen las pérdidas por fricción y mejoran la eficiencia, pero pueden resultar más caras.
• Utilice diagramas de caudal y tablas de pérdida por fricción para seleccionar el diámetro de tubería adecuado para sus requisitos específicos.

3. Longitud de la tubería

medir la distancia:

• Mida la distancia total desde la fuente de agua hasta el punto de uso.

Minimizar curvas y accesorios:

• La reducción del número de codos y accesorios minimiza las pérdidas de presión y mejora la eficiencia del sistema.

4. Clasificación de presión

Haga coincidir la clasificación de presión de la tubería:

• Asegúrese de que las tuberías puedan soportar la presión máxima producida por la bomba.

Considere las pérdidas de presión:

• Tenga en cuenta las pérdidas de presión debido a la fricción y los cambios de elevación en el proceso de selección de tuberías.

5. Consideraciones de instalación

Tuberías seguras y de soporte:

• Asegure y apoye adecuadamente las tuberías para evitar combaduras y daños.

Permitir la expansión térmica:

• Considere la expansión térmica, especialmente para tuberías de plástico, para evitar daños debido a cambios de temperatura.

Evite las esclusas de aire:

• Asegúrese de que la pendiente y la ventilación sean adecuadas para evitar esclusas de aire en el sistema.

6. Selección de válvulas

Tipo de válvulas:

• Válvulas de compuerta: Se utiliza para control de encendido/apagado con una caída de presión mínima.
• Válvulas de bola: Proporcionan un sellado confiable y son fáciles de operar.
• Revisar válvulas: Evite el reflujo y garantice el flujo unidireccional.

Material de válvulas:

• CLORURO DE POLIVINILO: Resistente a la corrosión y adecuado para aplicaciones de baja presión.
• Latón: Durable y adecuado para una amplia gama de aplicaciones.
• Acero inoxidable: Alta resistencia y resistencia a la corrosión para sistemas de alta presión.

Dimensionamiento de válvulas:

• Haga coincidir el tamaño de la válvula con el diámetro de la tubería para garantizar un control de flujo eficiente y una pérdida de presión mínima.

7. Mantenimiento y Accesibilidad

Fácil acceso para mantenimiento:

• Diseñe el sistema de manera que las tuberías y válvulas sean accesibles para inspección y mantenimiento.

Durabilidad y vida útil:

• Elija materiales y métodos de instalación que maximicen la vida útil y la durabilidad de las tuberías y válvulas.

Paso 8: Sistema Instalación

Consideraciones prácticas para la instalación del sistema de bomba solar

Al instalar un sistema de bomba solar, tenga en cuenta los siguientes puntos clave para garantizar una instalación exitosa y eficiente:

Precauciones de seguridad

• Personal calificado: Sólo técnicos calificados deben realizar la instalación.
• Apagado: Asegúrese de que todas las instalaciones eléctricas se realicen con la energía apagada.
• Equipo de protección: Utilice guantes, gafas protectoras y botas de seguridad.

Selección y preparación del sitio

• Evite las sombras: Instale paneles solares en lugares libres de sombras.
• Base robusta: Asegúrese de que la estructura de montaje sea segura y pueda soportar vientos fuertes.
• Espaciado adecuado: Mantenga un espacio adecuado entre los paneles solares.

Instalación de paneles solares

• Utilice materiales resistentes a la corrosión: Elija acero o aleación de aluminio para los soportes solares.
• Liquidación de Fundación: Considere el asentamiento de los cimientos, especialmente en suelos blandos o arenosos.
• Minimizar la longitud del cable: Coloque los paneles solares cerca del inversor.
• Parámetros consistentes: Utilice paneles solares con especificaciones coincidentes.
• Ventilación para caja combinadora: Instalar en un área ventilada, lejos de la luz solar directa.

Conexiones eléctricas

• Comprobar polaridad: Asegúrese de que la polaridad sea correcta para todas las conexiones de CC.
• Dimensionamiento adecuado del cable: Utilice cables que puedan soportar la carga actual y minimizar la caída de voltaje.
• Conexiones seguras: Apriete todas las conexiones eléctricas para evitar la formación de arcos.

Instalación del inversor

• Buena ventilación: Instale el inversor en un área ventilada, lejos de la luz solar directa.
• Instalación de lado a lado: Coloque varios inversores uno al lado del otro, no apilados.

Instalación de la bomba

• Profundidad correcta: Instalar bombas al menos 1 metro por debajo del nivel dinámico del agua y 5 metros por encima del fondo del pozo.
• Montaje seguro: Utilice cables metálicos y abrazaderas para asegurar la bomba.
• Selección adecuada de tuberías: Utilice tuberías de PVC para cabezales dentro de 100 metros y tuberías de acero tratadas con óxido para instalaciones más profundas.

Uso del reactor

• Cables largos: Utilice reactores para cables de bomba de más de 100 metros para gestionar los picos de tensión y reducir los armónicos. Engrose el cable de salida.

Puesta a tierra y protección contra rayos

• Conexión a tierra confiable: Conecte a tierra todos los componentes correctamente.
• Pararrayos: Instalar según lo especificado para proteger contra rayos

Paso 9: Prueba y puesta en servicio

• Pruebas del sistema: Describir los procedimientos para garantizar que el sistema funcione correctamente.
• Consejos para solucionar problemas: Ofrecer soluciones para problemas comunes del sistema.

Paso 10: Mantenimiento y Monitoreo(Cómo realizar el mantenimiento del sistema de bomba solar)

• Mantenimiento regular: Establecer un cronograma de mantenimiento para la bomba, paneles e inversor.
• Rendimiento del sistema de monitoreo: Analizar métodos para monitorear y garantizar la eficiencia del sistema a largo plazo.

Paso 11: Solución de problemas del sistema de bomba solar

1. Verifique la fuente de alimentación

Primero, asegúrese de que los paneles solares o la batería funcionen correctamente. Los problemas comunes de suministro de energía incluyen:

• Obstrucciones del panel solar: Verifique que no haya polvo, hojas u otros desechos que cubran los paneles solares, lo que puede afectar la absorción de la luz.
• Problemas de conexión: Inspeccione las conexiones entre los paneles solares y el paquete de baterías para asegurarse de que estén seguras y libres de corrosión.
• Verificación de voltaje: Utilice un multímetro para medir la salida de voltaje de los paneles solares y el paquete de baterías, asegurándose de que esté dentro del rango normal.

2. Verifique el inversor

El inversor es un componente crucial que convierte la energía CC de los paneles solares en energía CA para la bomba. Los problemas con el inversor pueden afectar a todo el sistema:

• Códigos de error: Verifique si hay códigos de error o indicaciones de falla en el panel de visualización del inversor.
• Conexiones: Asegúrese de que todas las conexiones eléctricas hacia y desde el inversor estén seguras y libres de corrosión.
• Calentamiento excesivo: Compruebe si el inversor se está sobrecalentando, lo que puede ser un signo de mal funcionamiento o ventilación inadecuada.

3. Verifique la bomba y el sistema de tuberías

La bomba y la tubería son los componentes principales del sistema de bomba solar y su condición afecta directamente la eficiencia:

• Motor de bomba: Escuche ruidos o vibraciones inusuales del motor de la bomba, ya que el sobrecalentamiento o los sonidos anormales pueden indicar problemas.
• Impulsor de bomba: Asegúrese de que el impulsor de la bomba no esté atascado con residuos ni dañado.
• Fugas en tuberías: Inspeccione la tubería en busca de fugas, lo que puede causar una presión de agua insuficiente y reducir el rendimiento de la bomba.

4. Verifique los sensores e interruptores

Los sensores e interruptores monitorean y controlan el funcionamiento del sistema, y cualquier falla puede alterar el funcionamiento normal:

• Interruptor de flotador: Compruebe si el interruptor de flotador está atascado o dañado. Este interruptor detecta los niveles de agua y controla las operaciones de arranque y parada de la bomba.
• Sensor de presión: Asegúrese de que el sensor de presión no esté bloqueado o dañado. Monitorea la presión del sistema y previene la sobrepresión o la baja presión.

5. Factores ambientales

Las condiciones ambientales también pueden afectar el funcionamiento del sistema de bomba solar:

• Impacto de la temperatura: Las temperaturas extremas pueden afectar la eficiencia de los paneles solares y el rendimiento de la batería. Asegúrese de que el sistema funcione dentro del rango de temperatura recomendado.
• Las condiciones climáticas: Los períodos prolongados de tiempo nublado o lluvioso pueden provocar una carga insuficiente de los paneles solares. Consulte los registros y pronósticos meteorológicos para determinar si el problema de energía es temporal.

6. Consulte con soporte técnico profesional

Si las comprobaciones anteriores no resuelven el problema, es recomendable ponerse en contacto con soporte técnico profesional. Los expertos pueden proporcionar diagnósticos y soluciones en profundidad:

• Síntomas de falla del documento: Registre los síntomas de falla y los pasos de solución de problemas ya realizados, para que el equipo de soporte técnico pueda comprender mejor el problema.
• Proporcionar información del sistema: comparta detalles sobre el modelo del sistema, la fecha de instalación y el entorno operativo para ayudar a los técnicos a identificar rápidamente el problema.

Conclusión

Hemos cubierto los pasos esenciales en el diseño de un sistema de bomba solar. Para obtener más información, consulte los recursos adicionales proporcionados.