Sistema de Bombeo de Agua Subterránea mediante Energía Solar

Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 1 Resumen El estudio presente pretende dibujar una situación general de los sistemas existentes que permiten extraer agua del subsuelo. Las soluciones existentes de cada parte elemental del sistema serán presentadas, con sus ventajas e inconvenientes, tomando en cuenta un caso concreto de bombeo. Se explicará cómo funciona cada elemento del sistema y se presentaran las ecuaciones fundamentales con el objetivo de obtener el resultado óptimo de un sistema homogéneo. Finalmente, se creará un programa de simulación con el objetivo de aplicar las ecuaciones presentadas anteriormente y recogiendo datos de fabricantes. Pág. 2 Memoria Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 3 Sumario RESUMEN ___________________________________________________ 1 SUMARIO ____________________________________________________ 3 1. GLOSARIO _______________________________________________ 5 2. PREFACIO _______________________________________________ 7 3. INTRODUCCIÓN __________________________________________ 9 3.1. Objetivos del proyecto ..................................................................................... 9 3.2. Alcance del proyecto ........................................................................................ 9 4. ESTADO DEL ARTE ______________________________________ 11 4.1. Sistemas sencillos.......................................................................................... 11 4.2. Sistemas evolucionados ................................................................................ 12 4.2.1. Fuentes de potencia ............................................................................................ 12 4.2.2. Acondicionamiento de potencia .......................................................................... 15 4.2.3. La bomba ............................................................................................................. 15 4.2.4. El motor ................................................................................................................ 17 4.2.5. Las combinaciones tradicionales ........................................................................ 18 5. ESTUDIO DE LOS ELEMENTOS ELEGIDOS ___________________ 20 5.1. Paneles fotovoltaicos ..................................................................................... 20 5.2. Bomba ............................................................................................................ 28 5.3. Motor .............................................................................................................. 30 5.4. Regulador de potencia ................................................................................... 33 6. SIMULACIÓN CON MATLAB-SIMULINK ______________________ 36 6.1. Modelado de elementos ................................................................................ 36 6.1.1. Los módulos fotovoltaicos ................................................................................... 37 6.1.2. El ondulador ......................................................................................................... 39 6.1.3. La motobomba ..................................................................................................... 39 6.1.4. El regulador ......................................................................................................... 39 6.2. Los resultados ................................................................................................ 40 7. ESTUDIO DEL IMPACTO AMBIENTAL _______________________ 43 8. ESTUDIO ECONÓMICO ____________________________________ 44 CONCLUSIONES _____________________________________________ 45 Pág. 4 Memoria AGRADECIMIENTOS __________________________________________ 47 BIBLIOGRAFÍA ______________________________________________ 49 Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 5 1. Glosario eV (electrón-volt): unidad de energía de pequeña escala. Es la energía cinética adquirida por un electrón sometido a una diferencia de potencial de un voltio en el vacío. 1eV = 1,602176462 × 10-19 J Irradiancia: magnitud utilizada para medir la potencia por radiación electromagnética que incide sobre una superficie. Su unidad usual es el W/m2. Isc: Intensidad de corto circuito, es la intensidad que pasa por un elemento cuando sus bornes están en corto circuito. Voc: Voltaje (o tensión) en circuito abierto, es el voltaje medido en bornes de un elemento cuando entre éstos no pasa corriente. n: factor de idealidad del diodo de la célula (valores comprendidos entre 1 y 1.5) e: carga del electrón, de valor 1.6*10-19 C k: constante de Boltzmann, de valor 1.38*10-23 J/K Inductancia: propiedad que tiene cada bobina, cuyo valor es constante para cada bobina y depende exclusivamente de su arquitectura. Su unidad es el henrio (H). Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 7 2. Prefacio Se estiman en 1200 millones las personas que padecen escasez de agua potable, y podrían llegar hasta 2500 millones en 2025. Por otra parte, el riego agrícola suele ser empleado en zonas aisladas. Estas dos poblaciones tienen muchos puntos en común: necesitan agua, se sitúan en lugares lejanos, y el sol está muy presente. El agua de nuestro planeta es en un 97,2% salada. Esta agua no puede utilizarse ni para beber, ni para regar las plantaciones. El porcentaje restante, que se corresponde con un 2,8%, es agua dulce, pero sólo cerca de un 1% puede ser aprovechada por el hombre debido a que un 1,8% se encuentra en los casquetes polares. Los lugares naturales dónde se puede encontrar agua dulce aprovechable son ríos, lagos y acuíferos. El agua que se encuentra en ríos y lagos es la más fácil de extraer, pero también la más escasa (0,02% de la masa de agua dulce en el planeta) que se puede encontrar, sobre todo en regiones de clima árido. Por el contrario, los acuíferos, sistemas de acumulación de agua en el subsuelo, están muy presentes (0,96% en masa), pero necesitan un sistema elaborado de extracción. Dada la necesidad vital del agua del ser humano, la importancia de los acuíferos como fuente, y el gran número de casos que se puede encontrar, se han desarrollado muchos sistemas de extracción de agua. Y todavía, con la demanda y las nuevas tecnologías de que disponemos, queda mucho por hacer. Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 9 3. Introducción 3.1. Objetivos del proyecto Ofrecer a poblaciones aisladas la posibilidad de obtener sencillamente agua presente en un pozo. 3.2. Alcance del proyecto Buscar las soluciones existentes. Elegir la mejor por nuestro caso particular. Diseñar un programa de simulación que permite probar sencillamente, únicamente con los datos técnicos de los productos, como el sistema se comporta, y si cumple las expectativas. Pág. 16 Memoria Tipo de bomba Ventajas Inconvenientes Empleo Volumétrica Elevación de altas alturas manométricas Mayor rendimiento que las rotodinámicas Necesitan acondicionamiento de potencia Par de arranque elevado Mantenimiento regular Vida útil de 5 años Grandes alturas manométricas y pequeño caudal Rotodinámica Sencillez mecánica Bajo coste Robustez Pequeño par de arranque Versatilidad Pequeñas alturas (pero se pueden conectar en serie) Alturas pequeñas a medianas y caudal medio a grande Otra vez, el fácil uso y el mantenimiento es el criterio principal, junto con la buena adecuación con los elementos anteriormente elegidos. La rotodinámica es aquí la más idónea. La bomba centrífuga no es auto aspirante, lo que significa que si se pone más arriba que la superficie del agua, no podrá bombearla. Requiere por eso un sistema que impide el retorno de agua. Además, no puede aspirar agua a más de 10 metros de altura (altura entre la superficie del agua y la bomba) teóricamente. En efecto, este tipo de bomba funciona sobre el principio del vacío. Se sabe que una columna de agua de 10 metros ejerza una presión de 100000 Pa = 1 Bar, que es también la presión del atmósfera. Se forma por lo tanto un vacío a 10 metros arriba del nivel de agua, y como una presión negativa no tendría sentido, es imposible aspirar agua a más de 10 metros de profundidad, alrededor de 7 metros en práctica. Todo eso hace que sumergirla, junto al motor –cuanto más corto sea el camino entre el motor y la bomba, mejor-, sea más sencillo. Es muy útil (casi imprescindible en nuestro caso) tener una reserva de energía. Esta puede ser química, con el empleo de baterías que al mismo tiempo sirven de acondicionamiento de potencia, o potencial, en forma de agua en un depósito al exterior del pozo. De este modo, se puede acceder al agua también en ausencia de generación de energía primaria. Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 17 4.2.4. El motor El objetivo de un motor es transformar energía primaria en energía secundaria. En este caso transformar energía eléctrica o química (gasoil) en energía mecánica. Sabiendo que la bomba elegida es sumergida, existen dos opciones para conectar con el motor. O bien directamente, con el motor sumergido pegado a la bomba, o bien mediante un eje que aporta la energía del exterior del pozo. Lo más sencillo para instalar y que implica menos piezas en movimiento consiste en colocar el motor junto con la bomba. Por lo tanto, el motor sólo puede ser eléctrico. Una electricidad que, con las razones expuestas en el capítulo 4.2.1 p.12-14, proviene de paneles fotovoltaicos. Básicamente existen tres tipos de motor eléctrico. El más empleado a pequeña potencia es el motor DC (corriente continua) con escobillas. Las escobillas sirven para cambiar de bobinaje inducido, mientras el motor gira, para adecuar el sentido del campo magnético del estator con lo suyo. Funciona con corriente continua y su curva característica se adapta bien con la de un módulo fotovoltaico, por lo tanto el sistema de acondicionamiento de potencia no es imprescindible, pero necesita mantenimiento por rozamiento de las escobillas con el rotor. De tecnología más reciente, es el motor sin escobillas. Esta vez los imanes son en el rotor, y el inducido es el estator. El cambio de dirección del campo magnético del inducido, que se hacía con las escobillas en el caso anterior, ahora lo produce un sistema electrónico. Por la ausencia de las escobillas, este tipo de motor tiene un rendimiento mayor, incluso con el sistema electrónico, puede trabajar lleno de agua, su vida es larga y mantenimiento muy bajo. Finalmente, los motores de corriente alterna o motores de inducción (motores AC) en sí mismos son los más sencillos de todos los motores eléctricos. Por eso son muy baratos, pero en el caso que nos interesa, hace obligado el uso de un inversor. Su par de arranque es muy bajo, lo que no ayuda para arrastrar una bomba; y la corriente de arranque es elevada. Pág. 18 Memoria Tipo de motor Ventajas Inconvenientes Empleo Corriente continua sencillo Funciona con corriente continua Par de arranque alto Bastante caros (más que los AC) Requieren mantenimiento regular Trabaja únicamente en ambiente seco Instalación de pequeña escala Motor instalado en superficie Sin escobillas Muy alto rendimiento Mantenimiento escaso Larga vida Posible funcionamiento en medio húmedo Gran fiabilidad Más caros que los con escobillas Necesita conmutación electrónica Instalación de escala pequeña a media Motor sumergido Corriente alterna Barato en sí mismo Mantenimiento escaso Larga vida Posible funcionamiento en medio húmedo Gran fiabilidad Necesita inversor de corriente Necesita dispositivo electrónico para proporcionar altas corrientes de arranque Par de arranque bajo. Instalación de gran escala Motor sumergido Si se elige por eliminación, primero se puede dejar de lado el motor de corriente continua con escobillas por su mantenimiento pesado. El motor de corriente continua sin escobillas es muy joven de un punto de vista industrial en sistemas de bombeo, por lo que no se puede encontrar con tanta facilidad como el de corriente alterna. 4.2.5. Las combinaciones tradicionales Dejando de lado el caso de las bombas manuales, los sistemas de bombeo más empleados son los siguientes: -sistemas de pequeña potencia (50 a 400W): Módulos fotovoltaicos Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 19 Convertidor DC/DC (sólo si la bomba es volumétrica) Motor de corriente continúa con escobillas Bomba volumétrica o centrífuga sumergible o de superficie -sistemas de media potencia (400 a 1500W): Módulos fotovoltaicos o aerogenerador Inversor DC/AC Motor de inducción Bomba sumergible multiestado Estos dos ejemplos no son más que tipos muy empleados por el bombeo de agua de pozo. Existe un sinfín de combinaciones, según lo que desea el usuario, y las características del entorno. Sin embargo, hay una adecuación entre componentes que hace de unas combinaciones más idóneas que otras. Por todas las razones expuestas, nuestro sistema se compondrá de un generador fotovoltaico, un regulador/inversor electrónico, un motor de inducción y una bomba centrífuga sumergida. Fig. 4.2: Bombeo de agua con generador fotovoltaico, inversor electrónico, motor de inducción, bomba centrífuga sumergida Pág. 20 Memoria 5. Estudio de los elementos elegidos 5.1. Paneles fotovoltaicos Una célula fotovoltaica tiene como propiedad la de transformar directamente energía solar en electricidad. Está compuesta de un material semiconductor y dos electrodos, envueltos en una caja que les proteja contra las agresiones exteriores. De los dos electrodos salen los hilos que luego se conectan a la carga. Un material semiconductor tiene propiedades que se sitúan entre los conductores y los aislantes. En un conductor, los electrones se mueven libremente, dando lugar a la posibilidad de conducir la corriente. En un aislante, los electrones están fuertemente ligados a sus átomos, y por eso no pueden conducir la corriente. Si los electrones del semiconductor adquieren del exterior una energía suficiente (del orden del 1.23 eV por el silicio), son arrancados de sus átomos y se encuentran libres en el material, por lo que pueden conducir. Los dos materiales clásicos utilizados en este campo son el silicio y el germanio, siendo el silicio más empleado, por lo que aquí sólo se dedicará a éste. Se puede “dopar” el material con impurezas de otro metal, positivamente o negativamente. Si las impurezas son hechas de un metal que contiene en su banda de valencia (capa de electrones más alejada del centro del átomo, es la única en contacto con el exterior) un electrón más que la del silicio, el material resultante tendrá electrones que se pueden mover. Es el llamado “tipo n”, “n” viene de negativo, por la carga negativa que llevan los electrones libres. Al contrario, si la banda de valencia de las impurezas introducidas tiene un electrón menos que la del silicio, existirán huecos en el material, que se pueden modelizar como electrones de carga positiva. Este material cargado positivamente es de “tipo p”. Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 21 Los dos materiales se enganchan uno al otro, dando lugar a una unión p-n, formando así un diodo. Por otra parte, la luz del sol envía fotones en la superficie de la célula, que luego pasan en la masa. Si tienen la energía suficiente, pueden arrancar electrones del material, generando corriente, pero en el otro sentido que el de paso del diodo. Las dos curvas características (la del diodo y la del generador) se suman para dar la de la célula. Fig. 5.1: Arranque de electrones en material semiconductor Pág. 22 Memoria Si se toma el sentido de paso de la corriente comúnmente empleado en un diodo, la curva característica de la célula solar fotovoltaica resultaría de difícil manejo. Para facilitar los cálculos, se toma por convención que la corriente es positiva en el sentido de bloqueo del diodo, como mostrado en la figura 5.2. Fig. 5.2: Construcción de la curva característica de una célula fotoeléctrica Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 23 Entonces la intensidad total es la suma de la intensidad generada por efecto fotoeléctrico restado de la intensidad que pasa por un diodo. (1.1) siendo V la tensión en bornes de los paneles Existen tres grandes tipos de silicio para fabricar una célula: el silicio monocristalino, cuyo rendimiento en condiciones naturales oscila entre 12 y 15%, el silicio policristalino cuyo rendimiento es de 11-14% y el silicio amorfo, de rendimiento 5-7%. La diferencia de rendimiento entre los dos materiales cristales es pequeña, al contrario del precio: el monocristalino es bastante más caro por su compleja fabricación. En cuanto al silicio amorfo, su poco rendimiento, junto a su sensible bajada de rendimiento después de los veinte años, hace que no está adecuado por el caso que nos ocupa. Se elegirá la tecnología que tiene mejor relación calidad/precio para nosotros, que es entonces el silicio policristalino. Fig. 5.3: Circuito equivalente de una célula fotoeléctrica Pág. 24 Memoria Fig. 5.4: Incidencia de la temperatura sobre un módulo fotovoltaico (G = 1000 W/m2) Fi g . 5.5: Incidencia de la irradiancia sobre un módulo fotovoltaico ( T = 75 °C ) Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 25 La corriente de célula es directamente proporcional a la irradiancia (intensidad energética en forma de luz por superficie); el voltaje depende muy poco de este valor. Al contrario, la temperatura de célula si que influye en la tensión, valor que depende de la tecnología y el fabricante pero que se puede dar como ejemplo – 80 mV/°C. Depende muy poco en su intensidad. Recordamos que la potencia es el producto de la corriente por el voltaje. Por la forma de la curva del generador fotovoltaico, existe un punto en que esta potencia es máxima. A esta potencia se la denomina potencia pico. El punto en que trabajará finalmente el generador dependerá de la carga conectada, puesto que es el punto de cruce entre ambas curvas características. Lo importante para tener un buen rendimiento de sistema es elegir los buenos componentes para que siempre trabajen al punto de máxima potencia. Pero eso no es posible visto que según cambia la irradiancia o la temperatura de la célula, el punto de trabajo no será siempre el de potencia pico. Las características dadas por los fabricantes están medidas por unas condiciones normales de 1000 W/m2 a 25C°. Lo habitual por una célula de 100cm2, en condiciones normales, es una intensidad en corto circuito Isc (intensidad cuando el voltaje es nulo) de 4A y una tensión en circuito abierto Voc de 0.6V. Estos valores cambian según la tecnología. Un aparato raramente funciona a un voltaje de 0.6V, y se puede que necesite más de 4A. Por eso, las células acostumbran a estar conectadas en serie (su número es ns) para aumentar el voltaje (los voltajes de cada célula se suman), y en paralelo (su número es np) para aumentar la intensidad (las intensidades de cada célula se suman). La unidad física resultante se llama módulo. Un módulo se compone en general de 36 células en serie, que da en condiciones normales una intensidad de corto circuito de 4A y un voltaje de circuito abierto de 21.6V. Así la potencia máxima es de 50W, valor medio, que depende de la tecnología y del fabricante. Estos módulos son las unidades que se venden en el mercado, ya que una vez las células conectadas correctamente entre sí, se ponen protecciones por delante y por detrás, a fin de impedir intrusión de partículas no deseadas, dar una rigidez al conjunto y poner las partes de fijación, sin molestar la entrada de luz que bajaría el rendimiento. Pág. 32 Memoria El par de arranque de dicha máquina, cuando está conectado directamente la red, es muy elevado, por lo que requiere una gran corriente de arranque, de 4 a 7 veces la nominal. Se pone después en la parte estable. Cuanto más pide la carga, menor será la velocidad del rotor, y mayor el deslizamiento. En función de la tensión y la frecuencia, el par motor viene dado por esta ecuación [3]: (3.1) Con Tm el par motor, km una constante, V la tensión del motor, f su frecuencia de alimentación. Se ha visto que la única manera para adaptar la potencia recibida por el generador al bombeo de agua, es regular la velocidad de esta última, y por consiguiente la del motor. Con Fig. 5.8: Curvas par-velocidad e intensidad-velocidad de un motor de inducción Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 33 lo visto anteriormente, eso significa cambiar su frecuencia, por lo que un convertidor electrónico puede exprimir todo su potencial en esa instalación. 5.4. Regulador de potencia Se sabe que la potencia en bornes del generador fotovoltaico cambia con la irradiancia y la temperatura, dando lugar a un punto de máxima potencia cambiante. La tensión que provee es continua, mientras que la corriente que el motor necesita es trifásica. Eso nos obliga a poner un dispositivo entre el generador y el motor que, al mismo tiempo realice la función de inversión (transformación de corriente continua en alterna), la condiciona de tal modo que de un lado, hace funcionar el generador en su punto de máxima potencia, de otro regula esta potencia para que el motor-bomba funcione el máximo tiempo posible con características de señal de entrada que no perjudiquen su rendimiento instantáneo. Todo eso con el fin de maximizar el rendimiento diario. El análisis de las características individuales permite realizar este acoplamiento teórico. La función básica de inversor la realizan dos subsistemas: el circuito de potencia que, desde una fuente de tensión continua (que viene del generador) y de consignas, suministra corriente trifásica; y otro circuito que recoge información de la tensión y corriente del generador, las procesa, para luego enviar consignas al circuito de potencia. El circuito de potencia más usado por ser sencillo y de bajo coste es el puente trifásico de transistores. Fig. 5.9: Puente trifásico de 6 transistores usado en un inversor Pág. 34 Memoria Está formado por tres pares de transistores, conectados a la fuente de tensión, y en su parte media, a las tres fases del motor. Los diodos conectados en anti-paralelo con cada transistor sirven para permitir el paso de la corriente en sentido contrario de los transistores, y así protegerlos. Las órdenes de encendido y disparo de los transistores son las que van a crear el carácter alternativo de las corrientes en cada uno de los devanados del motor, el desfasado de 120° entre cada una de ellas, y fijar la tensión y la frecuencia. El modo utilizado para enviar estas consignas es la modulación por ancho de pulso (PWM, Pulse Width Modulation en inglés) como se puede ver en el gráfico de la figura 5.10 siguiente. Un gráfico está afectado a cada uno de los transistores, de tal modo que cuando uno está encendido, el otro de la misma fase queda apagado, y cada “curva” desfasada de 120° entre cada fase. La señal enviada a los transistores es de tipo “todo o nada”, de modo que el Fig. 5.10: Consigna de transistores y efecto producido en la corriente de la carga por un sistema PWM Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 35 gráfico de la tensión en los bornes de las bobinas del motor es de la misma forma que la señal PWM. Sin embargo, la ecuación tensión-corriente de una inductancia, con U la tensión, i la corriente, y L la inductancia (constante), pone de manifiesto que si U es constante (fig. 5.10 abajo), i es un una rampa (fig. 5.10 arriba), acercándose entonces de una señal sinusoidal. Cuantos más pulsos genera el controlador PWM, menos tendrá harmónicos la corriente final. La curva PWM tiene toda la información para imponer la tensión y la frecuencia en la salida del convertidor. Solo falta programar la relación tensión-frecuencia decidida, y como varían en función de la potencia de entrada. Las ecuaciones que ponen en relación el par son, por una parte en el motor (ecuación (3.1) p.32)) , por otra parte (ecuación (2.3) p.31) la de la bomba centrífuga . El acoplamiento mecánico entre el motor y la bomba implica la igualdad entre sus pares, lo que se resume como . Quiere decir que si se quiere un comportamiento del conjunto motor-bomba, sea cual sea la velocidad, parecido, el control tensión frecuencia del motor tiene que ser cuadrático. Pág. 36 Memoria 6. Simulación con Matlab-Simulink La simulación ofrece una serie de ventajas que, combinada con la relativa sencillez para implementar el modelo con los instrumentos de que disponemos hoy en día, la hace imprescindible. Mediante la rapidez de cálculo, es posible poner a prueba nuestro sistema únicamente con los datos de los constructores, eso sí, la precisión dependiendo del modelado. Una vez hecho con un sistema en concreto, sólo hay que cambiar los datos de los elementos, lo que no dura más de una hora. Es posible probar el sistema elegido bajo las condiciones que queremos. Eso para adecuarse al máximo a las necesidades. 6.1. Modelado de elementos Para este primer modelado, se ha planteado un problema tipo, que sólo sirve para facilitar la ejecución, los cambios de datos, una vez hecho el modelo, siendo muy rápidos. Se empieza por los resultados que se quiere, para remontar toda la cadena. Circuito hidráulico Alzada manométrica 20 metros Requerimientos de caudal 15 m3 por día Moto-bomba ESPA PRISMA 15-4 230V trifásica Variador de frecuencia OMRON V1000 VZAB0P7BAA monofásica Paneles fotovoltaicos KYOCERA KC65GX-2P 36 células conectadas en serie 18 paneles conectados en serie Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 37 Transformando las ecuaciones de cada parte del sistema para que se puedan modelar en forma de bloque en el programa Simulink, y luego introduciendo los datos de los fabricantes citados en la taula, se ha conseguido crear este programa. Cada bloque representa un elemento del sistema, están presentes también las fuentes de irradiación y de temperatura, como también los bloques finales que permiten ver el resultado final, el caudal en función del tiempo, y el volumen de agua bombeado, en un gráfico. También se introdujo un regulador, cuyo papel es dar la consigna al ondulador de qué voltaje y qué frecuencia tiene que entregar al motor. 6.1.1. Los módulos fotovoltaicos La irradiancia de un día tipo a lo largo del tiempo tiene la forma de una campana (figura 5.6 p.27), con un punto máximo al mediodía; también tiene esta forma la temperatura. Es la forma que vamos a utilizar, con una irradiancia máxima de 800W/m2. Fig. 6.1: Modelado de un sistema de bombeo fotovoltaico mediante Simulink Pág. 38 Memoria Las ecuaciones (1.2) y (1.3) que rigen la intensidad en bornes de paneles fotovoltaicos en función de la tensión son las siguientes: (1.2) (1.3) En este caso las constantes son: ns=36, np=1, nps=18, nsp=1, Isc=3.99A, Voc=21.7V También se ha dicho que los parámetros Voc depende de la temperatura e Isc de la irradiancia G y de la temperatura T, entonces los parámetros se transforman de esta manera: Fig. 6.2: Consignas de irradiancia y temperatura para la simulación Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 39 El fabricante da por estos parámetros los datos siguientes: αi= 1.59mA/°C, αv= - 82.1mV/°C Así las ecuaciones (1.2) y (1.3) sólo tienen dos incógnitas, la intensidad que pasa por los paneles y la tensión en sus bornes, por lo que se puede ahora introducir en la simulación. 6.1.2. El ondulador El ondulador transforma la tensión continua de los paneles en alterna, de frecuencia regulable. La relación entre la tensión y la frecuencia se la elige cuadrática, como se ha visto en el capítulo anterior, p.35. El hecho de transformar tensión continua en alterna implica que la tensión eficaz de salida sea dividida por respecto la entrada (la intensidad también), y como el motor se lo alimenta de forma trifásica, la tensión de salida será además multiplicada por respecto la entrada. La variación de tensión se produce con la introducción de un parámetro r, que puede variar entre 0 y 1, valor fijada por el regulador. Sin tener en cuenta los coeficientes de transformación de continua a alterna, la tensión de salida es igual a la de entrada multiplicada por r, mientras para preservar la potencia, la intensidad de salida es igual a la de entrada dividida por r (y por el rendimiento del variador). 6.1.3. La motobomba Funciona según las dos ecuaciones (2.1) y (2.2) p.29-30, relacionando por una parte la altura manométrica con la frecuencia y el caudal, por otra el par con la frecuencia y el caudal. El fabricante da básicamente estas dos curvas, la secunda cambiando el par por la potencia. No es un problema ya que P = 2 π f T. Las ecuaciones no las da el fabricante, pero se pueden deducir sencillamente por interpolación con polinomios del secundo orden. Con una altura manométrica fijada, conociendo la tensión y la frecuencia, se deducen el caudal y la intensidad. 6.1.4. El regulador Su papel es fijar la tensión de los paneles a una elegida. En este caso, se ha tomado la que da la máxima potencia en condiciones normales. Del comparador sale el error entre la consigna y la tensión real. Después de un paso por un regulador PID, se resta al valor que tenía la r para dar la “nueva” r. Pág. 40 Memoria De este modo, cuando la temperatura disminuye por ejemplo (ver fig.5.4 p.24), el punto de trabajo se desplaza hacia la derecha (misma intensidad, pero voltaje más importante). El error se pone negativo, haciendo aumentar el coeficiente r. El voltaje de la bomba así aumenta, la bomba pide más potencia en forma de intensidad al generador, haciendo bajar el voltaje, hasta que se adecue al fijado, con el buen valor de r. Lo inverso tiene lugar en condición de subida de temperatura. 6.2. Los resultados El resultado se lo obtiene en forma de caudal y de cantidad de agua bombeada. Este primero sigue bien la curva de la irradiación, pero solo por encima de cierto umbral (170W/m2 en este caso particular); por debajo, los paneles no suministran la energía necesaria como para hacer funcionar el motor. Fig. 6.3: Caudal en función del tiempo en simulación Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 41 El volumen de agua bombeado permite comprobar que el sistema cumple las exigencias. Al final de la jornada, se ha bombeado 22.5 m3 de agua, por lo que en este día tipo, se ha superado la cantidad requerida. De este modo, aún cuando el día es más nublado, se bombearía lo bastante, lo que parece lógico dada la importancia del agua en la vida de todos los seres vivos. Fig. 6.4: Agua bombeado a lo largo del tiempo en simulación Sistema de Bombeo de Agua Subterránea Mediante Energía Solar Pág. 49 Bibliografía [1] MIGUEL ALONSO ABELLA, Sistemas fotovoltaicos, Era Solar. 2005. p.331. [2] ASSOCIATION GENERALE DES HYGIENISTES ET TECHNICIENS MUNICIPAUX, Les stations de pompage d’eau, 5ème édition. Editions Tec&Doc. Paris: 2000. p.7-11. [3] JOSE ROLDAN VILORA, Motores eléctricos. Accionamiento de Máquinas. 30 Tipos de Motores.4ª edición. Thomson editors. p. 110.