SISTEMAS FOTOVOLTAICOS: DISEÑO · 2019-09-02 · porcentaje de tiempo que un dispositivo encendido está realmente consumiendo energía. Un refrigerador puede tener un ciclo de trabajo

M A T E O V E R G A R A H I D A L G O

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS: DISEÑO

MateoVergara

AGENDA

1. Análisis de Cargas

2. Dimensionamiento de Baterías

3. Cálculo de Paneles Fotovoltaicos

4. Dimensionamiento del Controlador

5. Dimensionamiento del Inversor

6. Cálculo de Bombas de Agua

Consultoría inteligente

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1. ANÁLISIS DE CARGAS ELÉCTRICAS

CÁLCULO DE LA DEMANDA ENERGÉT ICA


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ANÁLISIS DE CARGAS

El primer paso es definir perfectamente los objetivos de una instalación, atendiendo a las necesidades reales de los futuros usuarios y a sus requerimientos concretos.


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Imagen tomada de Pixabay.com

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ANÁLISIS DE CARGAS

Desde el primer momento puede darse al usuario la opción de efectuar una instalación modular, prevista de forma que resulte fácil ir añadiendo paneles y acumuladores a medida que las necesidades de éste crezcan.


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ANÁLISIS DE CARGAS

Se deben recopilar todos los datos referentes a los consumos previstos y anotarse, a fin de proceder a una primera evaluación de los mismos, teniendo en cuenta que una cosa es la potencia teórica y otra es la potencia la consumida en la práctica, que es superior debido a la pérdida porrendimiento.


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ANÁLISIS DE CARGAS

Una vez determinadas, teórica o experimentalmente, las potencias consumidas por cada aparato, es preciso estimar, y esto ha de hacerse de acuerdo con el usuario, los tiempos medios de utilización diarios, semanales, mensuales o anuales de cada uno de ellos, teniendo también en cuenta los posibles altibajos motivados por causas diversas, ya sean estas periódicas o no.


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ANÁLISIS DE CARGAS

Consumos fantasmas: son

aquellos consumos

que se presentan en

dispositivos

electrónicos, incluso

cuando éstos no

están en operación.


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ANÁLISIS DE CARGAS

Ciclo de trabajo: es el porcentaje de tiempo que un dispositivo encendido está realmente consumiendo energía. Un refrigerador puede tener un ciclo de trabajo del 50 % o 60 % dependiendo de su eficiencia. Este es el porcentaje de tiempo que el refrigerador tiene su compresor realmente encendido y consumiendo.


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ANÁLISIS DE CARGAS

Para reducir el costo de un sistema fotovoltaico, evite los siguientes dispositivos:

• Artefactos eléctricos para calefacción.

• Calentadores eléctricos de agua.

• Secadores eléctricos de ropa.

• Refrigeradores ineficientes.


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ANÁLISIS DE CARGAS

También se puede reducir la demanda de energía innecesaria a través de las siguientes buenas prácticas:

• Vivir sin artículos innecesarios.

• Reducir el uso de dispositivos y equipos cuando no los necesite.

• Diseñar un sistema sin inversor y utilizar solo cargas de corriente continua si es posible, evitando las pérdidas de potencia del inversor.

• Realizar tareas durante las horas de luz diurnas para maximizar la eficiencia de las baterías.


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ANÁLISIS DE CARGAS


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DESCRIPCIÓN ENERGÍA

TV apagado, en estado “encendido remoto” 300 Wh/día

Video 260 Wh/día

Horno de microondas con reloj 160 Wh/día

Alimentadores de pequeños aparatos 200 Wh/día

Equipo de sonido con control remoto 160 Wh/día

Caldera de gas con encendido electrónico 250 Wh/día

Alarma doméstica 160 Wh/día

Teléfono con alimentación eléctrica 240 Wh/día

Fax sin funcionar pero activado 240 Wh/día

ANÁLISIS DE CARGAS


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DESCRIPCIÓN POTENCIA

UNITATIA

(W)

No. DE

SALIDAS

HORAS DE

CONEXIÓN

(h)

TOTAL

(W)

ENERGÍA

(W*h)

Tomacorrientes 150 18 2,0 2700 5400

Bombillas 9 9 7,0 81 567

Cargador celular 15 1 4,0 15 60

Equipo de

sonido

100 1 2,0 100 200

Lavadora 900 1 1,0 900 900

Licuadora 350 1 0,6 350 210

Nevera 400 1 14,4 400 5760

Plancha 1200 1 0,5 1200 600

Ventilador 230 1 12,0 230 2760

TV 150 1 10,0 150 1500

ANÁLISIS DE CARGAS


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DESCRIPCIÓN TOTAL

(W)

ENERGÍA

(W*h)

Totales 6.126 17.957

2. DIMENSIONAMIENTO DE BATERÍAS

CÁLCULO Y ESPECIF ICACIÓN DE BATER ÍAS


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BATERÍAS

Número Máximo de Días de Autonomía (N): durante estos días los paneles no recogen prácticamente energía, y todo el consumo se hace a expensas de las baterías. Este número debe ser asignado por el proyectista de acuerdo con las características climatológicas de la zona, el servicio que la instalación preste y las circunstancias particulares de cada usuarios.


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BATERÍAS


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El cálculo de la energía necesaria diariamente se

hace de acuerdo a la ecuación (1).

𝐸 =𝐸𝑇𝑅

(1)

Donde R es un factor global de rendimiento, el cual

se calcula de acuerdo a la ecuación (2).

𝑅 = 1 − 𝑘𝑏 − 𝑘𝑐 − 𝑘𝑣 1 − 𝑘𝑎𝑁

𝑝𝑑(2)

BATERÍAS


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Donde,

𝑘𝑎: coeficiente de autodescarga.

𝑘𝑏: coeficiente de pérdidas por rendimiento en el acumulador.

𝑘𝑐: coeficiente de pérdidas en el ondulador, si existe y afecta a toda la red de consumo. En el supuesto que solo se utilizase para algunos aparatos, 𝑘𝑐 se consideraría igual a cero, incluyendo en este caso las pérdidas del inversor en el cálculo previo del consumo de los aparatos que afecte.

𝑘𝑣: coeficiente que agrupa otras pérdidas (rendimiento global de toda la red de consumo, pérdidas por efecto Joule).

𝑝𝑑: profundidad de descarga de las baterías.

N: número de días de autonomía.

BATERÍAS


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COEFICIENTE ¿POR QUÉ? VALORES TÍPICOS

𝑘𝑎 Porcentaje de carga que se pierde diariamente por autodescarga.

- Debe ser suministrado por el proveedor.

- Valor por defecto: 0,005.

𝑘𝑏 Fracción de energía que la batería no devuelve.

- Debe ser suministrado por el fabricante.

- Valor por defecto: 0,05.

𝑘𝑐 Debido a la energía consumida y disipada.

- Debe ser suministrado por el fabricante.

- Inversor senoidal: 0,2.- Inversor de onda cuadrada: 0,1.

𝑘𝑣 Cada aparato eléctrico desprende algo de energía, que se convierte en calor.

- Si se han tenido en cuenta los rendimientos de los aparatos: 0,05.

- Si no se han tenido en cuenta los rendimientos de los aparatos: 0,15.

BATERÍAS


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𝑘𝑎: 3 % (0,03).

𝑘𝑏: 0,05. No indicado en catálogo de proveedor.

𝑘𝑐: 8 % (0,08).

𝑘𝑣: 5% (0,05).

𝑝𝑑: 30 % (0,30).

N: 0,5 (12 horas o medio día).

BATERÍAS


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𝑅 = 1 − 𝑘𝑏 − 𝑘𝑐 − 𝑘𝑣 1 − 𝑘𝑎𝑁

𝑝𝑑

𝑅 = 1 − 0,05 − 0,08 − 0,05 1 − 0,030,5

0,3

𝑅 = 𝟎, 𝟕𝟕𝟗

𝐸 =𝐸𝑇𝑅=17.957𝑊ℎ

0,779= 𝟐𝟑. 𝟎𝟓𝟏, 𝟑 𝑾𝒉

BATERÍAS


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Una vez calculada la energía que deben suministrar

las baterías en un día cualquiera, se procede al

cálculo de la capacidad útil, el cual se hace de

acuerdo a la ecuación (3).

𝐶𝑢 = 𝐸𝑁 (3)

Por lo cual para este ejemplo en particular se tendrá:

𝐶𝑢 = 𝐸𝑁 = 23.051,3𝑊ℎ 0,5 = 11.525,7 𝑊ℎ

BATERÍAS


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TEMPERATURA DE LA BATERÍA MULTIPLICADOR DE TEMPERATURA

26,7 °C 1,00

21,2 °C 1,04

15,6 °C 1,11

10,0 °C 1,19

4,4 °C 1,30

-1,1 °C 1,40

-6,7 °C 1,59

BATERÍAS


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Si se asume que la instalación se realizará en Bogotá

y que la temperatura, de acuerdo a datos

meteorológicos tomados del website de Weather

Spark, en algunos días del año, puede llegar a

alcanzar un valor mínimo de 7 °C, se tendría.

𝐶𝑢 = 11.525,7 𝑊ℎ ∗ 1,19 = 13.715,6 𝑊ℎ

BATERÍAS


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Finalmente la capacidad nominal del banco de

baterías se calcula de acuerdo a la ecuación (4).

𝐶 =𝐶𝑢𝑝𝑑

(4)

Por lo cual para este ejemplo en particular se tendrá:

𝐶 =𝐶𝑢𝑝𝑑

=13.715,6 𝑊ℎ

0,3= 45.718,5 𝑊ℎ

BATERÍAS


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Dado que las baterías no se especifican en Wh, es

necesario especificarlas en Ah, los cuales se calculan

con la ecuación (5).

𝐶(𝐴ℎ) =𝐶(𝑊ℎ)

𝑉𝐵𝐴𝑇𝐸𝑅Í𝐴(3)

De acuerdo a lo anterior se tendrá:

𝐶 𝐴ℎ =45.718,5 𝑊ℎ

12 𝑉= 3.809,9 𝐴ℎ

BATERÍAS


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RESUMEN CÁLCULO DE BATERÍAS

POTENCIA UNITARIA (Ah): 3800

POTENCIA TOTAL DEL BANCO (Ah):

3800

VOLTAJE NOMINAL (V): 12

CANTIDAD: 1

TIPO DE BATERÍAS: AGM o VRLA

TIEMPO DE CARGA (h): 5-6 horas

TEMPERATURA DE OPERACIÓN (°C):

25 °C

3. DIMENSIONAMIENTO DE PANELES FOTOVOLTAICOSD I M E N S I O N A M I E N T O Y E S P E C I F I CA CI Ó N D E P A N E L E S

C Á L C U L O D E D I S TA N CI A D E S E P A RA CI Ó N


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PANELES FOTOVOLTAICOS

Dado que para sistemas autónomos, suele instalarse un regulador entre los paneles y la baterías, es necesario considerar dentro del cálculo de los paneles, las pérdidas de energía debidas al regulador.


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Las pérdidas de

energía en el

regulador, son difíciles

de calcular debido

principalmente a que

dependen del estado

de carga de la

batería, que a su vez

depende del perfil de

consumo diario.


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Dado que el periodo de interés en este análisis corresponde al menos favorable, que es en el cual el estado de carga máxima de las baterías se alcanza pocas veces, el regulador no desaprovechará mucha energía. Es aceptable tomar un rendimiento del 90 %.


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La energía que deben suministrar los paneles se

calcula de acuerdo a la ecuación (6):

𝐸𝑝 =𝐸

0,96

Donde E corresponde a la energía necesaria

diariamente.



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El número de paneles por su parte se calcula de acuerdo a la ecuación (7):

𝑁𝑝 =𝐸𝑝

0,9 ∗ 𝑃 ∗ 𝐻𝑃𝑆7

Donde P es la potencia pico del panelseleccionado, mientras que HPS son las horas picode sol. En el factor de corrección 0,9 se incluyen laspérdidas debidas, por ejemplo, a la posible suciedadde los paneles, pérdidas por reflexión en losmomentos de incidencia muy oblicua, entre otras.



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Las horas pico solares pueden ser obtenidas de:

- Mapa de radiación solar de la UPME.

- Atlas Interactivo IDEAM.

- PV Watts.

- NREL.

- RETScreen.

Para este caso en particular utilizaremos el Atlas Interactivo del IDEAM, en el cual se puede observar que el mes de radiación menos favorable corresponde a noviembre (3,5 – 4 HPS).



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RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS DE PANEL FOTOVOLTAICO PEIMAR

REFERENCIA: SG360M

POTENCIA PICO PMAX (W): 360

TENSIÓN A PMAX (V): 38

CORRIENTE A PMAX (A): 9,48

TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO (V):

46,6

CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO (A):

10,09

DIMENSIONES (LxAxP): 1957x992x40 mm



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De acuerdo a lo anterior se tiene que el número de

paneles fotovoltaicos, necesarios para esta

instalación es:

𝐸𝑝 =𝐸

0,9=23.051,3 𝑊ℎ

0,9= 𝟐𝟓. 𝟔𝟏𝟐, 𝟔𝑾𝒉

𝑁𝑝 =𝐸𝑝

0,9 ∗ 𝑃 ∗ 𝐻𝑃𝑆=

25.612,6 𝑊ℎ

0,9 ∗ 360𝑊 ∗ 3,5 ℎ= 𝟐𝟑



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Inclinación de los paneles fotovoltaicos se hace

teniendo en cuenta la latitud del lugar y el tipo de

consumo:

• Consumo constante a lo largo de todo el año:

ángulo de inclinación igual a la latitud.

• Consumo primordial en invierno: ángulo de

inclinación igual a la latitud más 15°.

• Consumo primordial en verano: ángulo de

inclinación igual a la latitud menos 15°.



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RESUMEN CÁLCULO DE PANELES

NÚMERO DE PANELES: 23

POTENCIA PICO PMAX DE CADA PANEL (W):

360

INCLINACIÓN DE PANELES (°): 10

DISTANCIA DE SEPARACIÓN (m):

1,1

MARCA DE PANEL: PEIMAR

REFERENCIA: SG360M

TIPO DE PANEL: MONOCRISTALINO

4. DIMENSIONAMIENTO DEL CONTROLADOR

D I M E N S I O N A M I E N T O Y E S P E C I F I CA CI Ó N D E C O N T R O L A D O R D E B A T E R Í A S


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CONTROLADOR

El dimensionamiento del controlador debe considerar lo siguiente:

• Voltaje de CC del sistema.

• Corriente máxima del arreglo fotovoltaico.

• Corriente máxima de las cargas de corriente continua.

• Características opcionales.


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CONTROLADOR


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• Voltaje de corriente continua del sistema: 12 V, debido a que las baterías son de este nivel de voltaje.

• Corriente Máxima del Arreglo Fotovoltaico: la corriente máxima del arreglo se calcula de acuerdo a la ecuación (10).

𝐼𝑀𝑎𝑥_𝐴𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 = 1,25𝐼𝑆𝐶𝑁𝑃𝑃𝐴𝑅𝐴𝐿𝐸𝐿𝑂 (10)

Donde Isc es la corriente de cortocircuito de cadapanel y NP es el número de paneles el paralelo.

CONTROLADOR


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La corriente máxima para este ejemplo en particular

es:𝐼𝑀𝑎𝑥_𝐴𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 = 1,25 10,09 𝐴 23 = 𝟐𝟗𝟎, 𝟏 𝑨

Donde Isc es la corriente de cortocircuito de cada

panel y NP es el número de paneles el paralelo.

• Voltaje Máximo del Arreglo: este voltaje máximo

está en función de las características del panel

fotovoltaico: 60 V.

CONTROLADOR


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RESUMEN CÁLCULO DEL CONTROLADOR

VOLTAJE DE C.C. (V): 12

VOLTAJE MÁXIMO (V): 60

CORRIENTE MÁXIMA (A): 290,1

FUNCIÓN MPPT: SÍ

FUNCIONES ADICIONALES: LVD (DESCONEXIÓN POR BAJO VOLTAJE)

5. DIMENSIONAMIENTO DEL INVERSOR

D I M E N S I O NA M I E N T O Y E S P E C I F I CA CI Ó N D E L I N V E R S OR


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INVERSOR

El dimensionamiento del inversor debe considerar lo siguiente:

• Potencia de salida de CA (W).

• Voltaje de entrada en CC desde las baterías.

• Voltaje de salida en CA.

• Frecuencia.

• Picos de consumo.

• Tipo de onda.


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INVERSOR


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Potencia de salida en CA (W): el inversor debe ser capaz de manejar todas las cargas que puedan estar encendidas al mismo tiempo. Para nuestro ejemplo consideraremos que la potencia pico son 1731 W.

Voltaje de Entrada CC desde las baterías: 12 V, debido a que esta es la tensión de las baterías seleccionadas.

Voltaje de Salida en CA: 120 V, monofásico.

INVERSOR


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DESCRIPCIÓN POTENCIA

UNITATIA (W)

No. DE

SALIDAS

TOTAL

(W)

Tomacorrientes 150 2 300

Bombillas 9 9 81

Plancha 1200 1 1200

TV 150 1 150

TOTAL 1731

INVERSOR


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Frecuencia: 60 Hz.

Tipo de onda: senoidal.

Eficiencia: superior al 90 %.

INVERSOR


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RESUMEN CÁLCULO DEL INVERSOR

POTENCIA DE SALIDA (W): 2000

VOLTAJE DE ENTRADA CC (V): 12 V

VOLTAJE DE SALIDA CA (V): 120

FRECUENCIA (Hz): 60

FASES: 1Φ

TIPO DE ONDA: SENOIDAL

EFICIENCIA (%): >90

6. CÁLCULO DE BOMBAS DE AGUA

S E L E C C I Ó N Y E S P E C I F I CA CI ÓN D E B O M BA S D E A G UA


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BOMBAS DE AGUA


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ÍTEM LITROS/DÍA ÍTEM LITROS/DÍA

HOMBRE EN MEDIO RURAL 50 GALLINA 0,3

CABALLO 45 CABRA 5

GANADO VACUNO EN GENERAL55

INDUSTRIA AZUCARERA (POR KG DE AZUCAR)

100

VACA DE LECHE150

BODEGA VINÍCOLA (POR LITRO DE VINO)

2

CERDO15

CENTRAL LECHERA (POR LITRO DE LECHE)

8

OVEJA 10 RIEGO DE CALLES (POR M2) 1,5

PAVO 0,5 RIEGO DE JARDINES (POR M2) 2

POLLO 0,15 - -

BOMBAS DE AGUA


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El cálculo del caudal medio se hace de acuerdo a la ecuación (18).

𝑄 =𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎

𝐻𝑃𝑆(18)

Donde:

HPS: son las horas pico solares.

Q: es el caudal (Litros/hora).

V: es el volumen de agua requerido diariamente(Litros). (1m3=1000L).

BOMBAS DE AGUA


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La presión de la bomba o la altura manométrica se

calcula de acuerdo a la ecuación (19).

ℎ𝑚 = ℎ𝑔 + ℎ𝑅 + ℎ𝑑 (19)

Donde:

ℎ𝑚: es la altura manométrica (m).

ℎ𝑔: es la altura de presión gravitatoria (m).

ℎ𝑅: es la altura de pérdida de carga (m).

ℎ𝑑: es la presión dinámica(m).

BOMBAS DE AGUA


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BOMBAS DE AGUA


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La altura de pérdida de carga se define por medio

de la ecuación (20).

ℎ𝑅 = 𝐷 ∗ 𝐿 (20)

Donde:

D: es diámetro de la tubería (m).

𝐿: es la longitud de la tubería (m).

ℎ𝑅: es la altura de pérdida de carga (m).

BOMBAS DE AGUA


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La presión dinámica se define por medio de la ecuación (21).

ℎ𝑑 =𝑣2

2𝑔(21)

Donde:

ℎ𝑑 : es la presión dinámica con que el aguabombeada mana (m).

𝑔: es la gravedad (m/s2).

𝑣: es la velocidad con que el agua mana (m/s).

BOMBAS DE AGUA


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Ejemplo: un agricultor necesita obtener 1500 litros

diarios de agua, de un pozo cuyo nivel, en época de

sequía, suele bajar hasta una profundidad de 16 m.

El agua se almacena temporalmente en un deposito

situado a 5 m de altura. La tubería es de PVC de 2”

(5,08 cm de diámetro) y 50 m de longitud. Las horas

pico solares son 3,5 h.

BOMBAS DE AGUA


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Cálculo del caudal:

𝑄 =𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎

𝐻𝑃𝑆=1,5 𝑚3

3,5 ℎ= 0,429 𝑚3/ℎ

Cálculo de la presión gravitatoria:ℎ𝑔 = ℎ𝑚𝑎𝑥 − ℎ𝑚𝑖𝑛 = 16𝑚 + 5𝑚 = 21 𝑚

Cálculo del caudal de carga:

ℎ𝑅 = 𝐷 ∗ 𝐿 = 0,058𝑚 50𝑚 = 2,9 𝑚

Cálculo de la altura manométrica:

ℎ𝑅 = 21𝑚 + 2,9𝑚 ≈ 24𝑚

BOMBAS DE AGUA


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BOMBAS DE AGUA


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Selección de la bomba: se selecciona una bomba de 0,73 m3/h, 50 m, 0,3 kW, 100 V, 11 A. La energía que va a consumir es:

𝑃 = 𝑉𝐼 = 100 𝑉 11 𝐴 = 1100 𝑊

La energía a consumir por la bomba es:

𝐸𝑝 = 𝑃𝑡 = 1100 𝑊 3,5 ℎ = 3850 𝑊ℎ

La cantidad de paneles necesarios para alimentar esta bombason:

𝑁𝑝 =𝐸𝑝

0,9 ∗ 𝑃 ∗ 𝐻𝑃𝑆=

3850 𝑊ℎ

0,9 ∗ 360 𝑊 ∗ 3,5 ℎ= 3,39

REFERENCIAS


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1. Censolar, Centro de Estudios de la Energía Solar,

Curso Programado, 2013.

2. Fotovoltaica, Manual de Diseño e Instalación,

Solar Energy International, 2015.

3. RETIE, Reglamento Técnico de Instalaciones

Eléctricas, 2013.

4. NTC 2050, Código Eléctrico Colombiano, 1998.

¿PREGUNTAS?


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¡Gracias!

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