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Team SBLas bombas de agua para riego que funcionan con energía solar se han vuelto cada vez más populares debido a que la actividad agrícola ocurre principalmente en las áreas rurales y lejos de las redes eléctricas principales. Si bien los consumidores individuales necesitan fuentes de energía alternativas para reducir sus facturas de electricidad y su huella ambiental, las necesidades agrícolas son aún más críticas. Analicemos los beneficios de las bombas de agua solares en general y su particular eficacia en la agricultura.
El desarrollo del sector agrícola es de inmensa importancia para la economía mundial. Estudios de investigación muestran que a partir de 2018, este sector fue responsable del 4% del PIB en promedio y su contribución subió al 25% en algunas de las naciones en desarrollo. Por lo tanto, es vital que las actividades agrícolas no se vean amenazadas por el cambio climático.
El uso de bombas de agua en el riego agrícola.
agua en la agricultura
No puede haber riego agrícola sin agua. La agricultura de secano es sólo la mitad de productiva que la agricultura de regadío por unidad de tierra cultivada. Por lo tanto, la agricultura de regadío permite una mejor diversificación de cultivos, así como una mayor producción.
Sin embargo, la explosión demográfica, el cambio climático y la urbanización se han convertido en amenazas para la abundante disponibilidad de agua, lo que afecta el desarrollo agrícola. Dado que el uso de agua en la agricultura es tan alto, los científicos están trabajando en nuevas tecnologías y técnicas que reducirán este uso. Con las nuevas tecnologías, se estima que entre un 20% y un 40% de esa agua podría desviarse a otros sectores en las próximas décadas.
Este desvío o reasignación puede ocurrir de dos maneras. El agua se puede mover físicamente asignando los recursos de agua dulce y subterránea a áreas urbanas y para uso industrial. El agua también se puede mover virtualmente, mediante la producción de alimentos y servicios intensivos en agua que generalmente se encuentran en áreas con abundante suministro de agua, y se puede asignar a áreas que enfrentan escasez de agua.
Por lo tanto, es esencial que el movimiento de agua fuera de la agricultura vaya de la mano con el uso eficiente del agua. Similarmente, uso eficiente del agua y sistemas adecuados de suministro de agua debe practicarse en el sector agrícola. Las bombas de agua sumergibles que funcionan con energía solar desempeñarán un papel clave en el logro de estos objetivos.
¿Qué son las bombas de agua de combustibles fósiles?
Las bombas de agua necesitan electricidad para bombear el agua hacia las tuberías para regar los campos. Así es, en el caso del uso doméstico. Hay muchos tipos de bombas de agua que utilizan combustibles fósiles: bombas centrífugas, bombas de turbina para pozos profundos, bombas sumergibles y bombas de hélice. Cada sistema de riego necesita que la bomba de agua funcione de manera eficiente según la disponibilidad de la fuente de agua y la distribución del agua, y el sistema de riego en uso. Estas bombas son accionadas por un motor eléctrico. El mantenimiento de la bomba indicará cuánta energía eléctrica se utiliza. Las bombas eléctricas tradicionales generalmente funcionan con combustibles fósiles, ya que necesitan recibir suficiente energía para extraer el agua.
El inconveniente de usar bombas de agua que funcionan con combustibles fósiles es que obtienen su electricidad de los combustibles fósiles, lo que aumenta la amenaza para el medio ambiente. Los combustibles fósiles incluyen carbón, petróleo y gas natural. Ochenta y uno por ciento de la energía en los Estados Unidos proviene de estos tres recursos. Se utilizan para calefacción, transporte, fabricación y electricidad. Sin embargo, estos no son recursos renovables y el impacto en nuestro medio ambiente sigue siendo crítico para algunas personas. El parque eólico congelado en Texas en 2021 mostró a muchas personas que depender de una sola fuente de energía no es prudente.
Inconvenientes de las bombas de agua de combustibles fósiles
- las emisiones de gases de efecto invernadero: Se sabe que los combustibles fósiles causan altos niveles de emisiones de gases de efecto invernadero y, por lo tanto, una amenaza para la vida humana. Los estudios muestran que el petróleo, el gas natural y el carbón causan tasas de mortalidad más altas y mayores niveles de emisiones de gases de efecto invernadero.
- Impacto en la economía: Los combustibles fósiles aumentan la contaminación del aire. Los costos directos e indirectos de la contaminación del aire han aumentado hasta el 3.3% del PIB mundial. El costo para el consumidor individual también es alto. Si bien los precios de los combustibles fósiles pueden parecer bajos, los costos ocultos de la destrucción ambiental son altos.
Las bombas de agua solares, por otro lado, que dependen de la energía solar para obtener energía, pueden ser una solución efectiva para el futuro. Hasta ahora, las bombas de agua solares han sido útiles en áreas remotas que están fuera de la red y donde el costo de funcionamiento de la corriente alterna tradicional es demasiado alto. En estas áreas, las bombas de agua solares han sido útiles para bombear agua para las necesidades de riego.
¿Qué es un sistema de bomba de agua solar?
El acceso asequible y fácil a las fuentes de agua está restringido en muchas regiones donde la agricultura juega un papel dominante. Las personas que viven en estas áreas tienen la opción de usar una red eléctrica distante o usar bombas que funcionan con combustible y extraer el agua de una fuente de agua cercana. El uso de una red eléctrica distante puede resultar costoso debido a la necesidad de líneas eléctricas y facturas de servicios públicos. Lo mismo ocurre con las bombas de agua que funcionan con gas y diésel, que necesitan mantenimiento y reabastecimiento de combustible regulares.
El kit de bomba de agua solar puede ser una alternativa ideal en esta situación porque la energía solar es una fuente de energía renovable y totalmente ecológica. Una bomba de agua solar también necesita electricidad, pero es proporcionada por paneles fotovoltaicos (PV). Esto significa que el sistema de bombeo tiene una matriz de paneles solares y proporciona energía al motor eléctrico que le permite encender la bomba de agua.
Las bombas de agua alimentadas por energía solar para riego pueden suministrar agua a áreas remotas que están fuera de la red eléctrica. Una bomba de agua solar puede ser un sistema independiente dependiendo de los paneles fotovoltaicos que obtienen su suministro de energía durante el día.
¿Cuáles son los componentes de un sistema de bomba de agua solar?
Los componentes principales de un sistema de bomba de agua sumergible con energía solar son la matriz fotovoltaica solar, el controlador de la bomba y la bomba.
Matriz solar fotovoltaica
Los paneles fotovoltaicos forman la fuente de energía. El panel solar se mide en vatios de potencia que produce. Por lo tanto, la instalación de un panel solar dependerá de la cantidad de energía que necesites para bombear agua. Los paneles solares están mejor con un 20 % más de potencia de la necesaria, ya que pueden eliminar la necesidad de refuerzos de corriente adicionales. Los paneles solares consisten en celdas solares y la cantidad de energía que pueden producir depende del tamaño de los paneles, el número de paneles y los materiales de las celdas solares.
Bomba de agua
Una bomba de agua es un dispositivo que utiliza la energía del panel solar para mover el agua. Extrae el agua de la fuente y la distribuye donde es necesario. Algunas bombas funcionan mejor cuando usan energía solar. Por lo general, se prefieren las bombas que consumen menos energía. Las bombas de desplazamiento positivo se eligen si la fuente de agua es un pozo profundo. En tales casos, la bomba mueve una cantidad fija de agua y en proporción a la cantidad de energía que reciben.
Las bombas de agua funcionan mejor cuando producen una combinación de presión y flujo de agua para cierta potencia de entrada. Las bombas de agua solares se clasifican según el voltaje de electricidad que necesitan de la fuente de energía. Por ejemplo, una bomba grande de 48 voltios necesitaría más energía y podría bombear más agua. Algunas bombas de agua también necesitarían válvulas de flotador, interruptores y filtros.
Controlador de la bomba
Un controlador de bomba es un dispositivo que se instala entre la bomba de agua y el panel solar. Permite que la bomba de agua se encienda normalmente cuando hay menos luz. Hay dos funciones para el controlador. Una es que hace coincidir la potencia de entrada disponible en los paneles fotovoltaicos con la potencia de salida que recibe la bomba. La segunda función es que proporciona protección contra un voltaje fluctuante. El controlador asegura que el sistema se apague cuando el voltaje es demasiado bajo o demasiado alto, asegurando que la bomba de agua permanezca en buenas condiciones.
Otros componentes
- Tanque de almacenamiento: Idealmente, la capacidad de almacenamiento del tanque debería ser suficiente para suministrar agua durante cinco a diez días si el consumo de agua es promedio. El almacenamiento, así como el consumo, suele depender del clima y del uso. Pero tener un poco de agua adicional almacenada en el tanque permite un aumento inesperado en el uso. La tubería de almacenamiento del tanque debe funcionar de tal manera que mantenga una reserva; por lo tanto, el punto de descarga debe estar un poco más alto que el fondo.
- Almacenamiento de batería: Las baterías almacenan la energía proporcionada por los paneles solares durante el día y aseguran que la bomba de agua pueda funcionar incluso cuando hay poca o ninguna luz solar. La batería también mantiene la energía estable durante la fuente de alimentación fluctuante.
- Controlador de carga: El controlador de carga solar se usa para cargar la batería o para hacer funcionar un suministro de CC.
- Alambrado: El cableado es esencial para un sistema de bomba de agua solar y conecta los paneles solares a la bomba de agua. Se puede usar una caja combinadora para hacer que el cableado sea seguro.
- Los disyuntores: Se pueden instalar disyuntores para encender o apagar manualmente la bomba de agua si la bomba de agua necesita reparaciones o mantenimiento.
- Tubería: Los sistemas de bombas de agua solares necesitarán tuberías del tamaño adecuado en función de la presión de salida requerida. Las tuberías pueden ser de plástico, acero o cobre.
La clasificación de las bombas de agua con energía solar.
Los diferentes tipos de bombas de agua son bombas de agua solares sumergibles y bombas de agua solares de superficie.
Bombas de agua sumergibles con energía solar
Por lo general, una bomba de agua sumergible tiene forma cilíndrica y se coloca dentro de la carcasa del pozo. Una bomba de agua solar sumergible es ideal si la fuente de agua es profunda como en el caso de un pozo. Funcionan directamente desde el panel solar y la batería. La bomba funciona durante el día y el agua se almacena en el tanque de almacenamiento para ser utilizada cuando sea necesario. Las bombas sumergibles dependerán de la profundidad de la fuente de agua y de la cantidad de agua que necesite.
En la mayoría de los casos, no es necesario perforar los pozos más allá del borde del nivel freático. Para necesidades agrícolas, los pozos pueden ser menos profundos que pozos más profundos si la necesidad es para uso doméstico de agua. La bomba de agua solar sumergible también deberá medirse con la cantidad de energía que puede suministrar para empujar el agua verticalmente.
Bombas solares de agua de superficie
Se prefieren las bombas solares de agua de superficie cuando la fuente de agua es poco profunda, como un estanque, un lago o pozos que tienen agua a menos de veinte pies de la superficie. La ventaja de una bomba de agua superficial es que puede empujar el agua a una distancia mayor. La desventaja es que es posible que no pueda empujar el agua verticalmente como es el caso de la bomba de agua sumergible. Las bombas solares de superficie son menos costosas que las sumergibles.
Comprender los pros y los contras de las bombas de agua con energía solar
Bombas de agua solares versus bombas de agua de combustibles fósiles
Los combustibles fósiles como fuente de energía para los sistemas de bombeo de agua han sido el enfoque tradicional que implica el uso de recursos no renovables como el petróleo, el gas y el carbón. Estas fuentes generadoras de contaminación se han convertido cada vez más en una amenaza para el bienestar de la sociedad y el medio ambiente. Son más caros en términos de las facturas de servicios públicos en el consumo de electricidad.
El costo de las bombas de agua que funcionan con combustibles fósiles también varía según la distancia de la red eléctrica y los componentes necesarios para conectar el sistema de bomba de agua a la red eléctrica. Las bombas de agua que funcionan con combustibles fósiles producen más ruido y contaminación del aire y es probable que necesiten un alto mantenimiento. No duran mucho y necesitarían el reemplazo de piezas o todo el sistema de bomba de agua.
Las bombas de agua que funcionan con energía solar, por otro lado, son ecológicas porque utilizan energía solar, que es una fuente de energía renovable. Son sistemas autónomos y requieren menos mantenimiento. Tienen una larga vida útil y los costes medios de uso son bajos. La siguiente tabla muestra las ventajas y desventajas básicas de las bombas que funcionan con energía solar y las bombas de agua que funcionan con combustibles fósiles.
Factores a considerar al elegir una bomba de agua solar
Una bomba ayuda a aumentar la energía del agua vertical u horizontalmente a las regiones que necesitan agua. Las bombas de agua solares son económicas a largo plazo y son ecológicas. Hay muchos factores a considerar al elegir una bomba de agua con energía solar para el riego.
Tasa de flujo deseada
El caudal es el tiempo que tarda una bomba de agua en bombear la cantidad de agua necesaria, que se mide en galones por minuto. Dependiendo de dónde necesite instalar la bomba solar y la distancia desde la fuente de agua, puede elegir una que sea capaz de bombear más de 650 galones de agua por minuto. Para uso doméstico, una bomba solar que pueda bombear alrededor de 55 galones de agua por minuto debería ser suficiente.
Tamaño de la entrada
Generalmente, las bombas tienen un tamaño de entrada de entre una y seis pulgadas. Cuanto mayor sea el tamaño de la válvula de entrada, mayor será el volumen de agua que se puede bombear.
Altura y presión
Altura, en este caso, significa la cantidad de agua que se puede bombear verticalmente a la mayor distancia. Esto afecta el caudal porque si necesita la bomba para succionar agua de un pozo profundo donde la fuente de agua está por debajo de los 60 metros, y su bomba tiene una altura máxima de 60 metros, el caudal será lento o incluso cero. Por lo tanto, la bomba solar que elija deberá tener una cabeza máxima que sea más alta que la distancia en altura que necesita para que fluya el agua.
Carga dinámica total (TDH)
Dado un tamaño particular de la matriz solar y la cabeza dinámica total (TDH), las bombas de agua se pueden medir en la cantidad de galones por minuto que pueden suministrar. La cantidad de galones necesarios por día será un factor decisivo en el tamaño de la bomba de agua solar.
Antes de diseñar un sistema de bombeo de agua, es fundamental determinar la TDH. TDH tiene tres componentes: carga de presión, carga de elevación y pérdida de carga por fricción.
- Cabeza de presión: Se refiere a la cantidad de presión de agua disponible a la salida de la tubería. Puede ser una tubería abierta o una manguera que llegue al tanque de almacenamiento de agua. En algunos casos, es posible que no haya una indicación del cabezal de presión y se puede establecer en cero. En otros, indicando un cabezal de presión específico, se puede multiplicar en la salida en PSI por la presión de una columna de agua que es de 2.31 ft/psi. Por ejemplo, si el PSI de salida es 20, se multiplicaría por 2.31, lo que daría como resultado 46.2 pies de TDH.
- Altura de elevación: Es la distancia entre la fuente de agua y la altura del agua que se bombea para llegar al tanque de almacenamiento de agua. Es la distancia vertical cuando desafía la gravedad para llegar al tanque.
- Pérdida de fricción: Para calcular el TDH, es importante calcular las pérdidas por fricción. Una vez que se determina la longitud de la tubería a través de la cual debe fluir el agua, e incluyendo las secciones de la tubería en diferentes ángulos, el tamaño de la tubería, el material de la tubería, el caudal y el número de válvulas, se vuelve fácil calcular el cantidad de pérdida de carga por fricción en pies de la carga dada.
La TDH total se calcula sumando los números derivados de los cálculos de la cabeza de presión, la cabeza de elevación y la pérdida por fricción, es decir,
Altura de presión (pies) + Altura de elevación (pies) + Pérdida por fricción (pies)
Otros factores a considerar incluyen sus necesidades de agua. Si necesita suministro de agua durante las noches o durante los días nublados o lluviosos, es posible que necesite un refuerzo para crear la presión de agua necesaria. En tales circunstancias, es posible que también necesite una batería para almacenar la energía solar para que el agua aún esté disponible.
¿Cuánto cuesta una bomba de agua solar? ¿Vale la pena la inversión?
El costo de un sistema de bomba de agua con energía solar depende de los parámetros (tasa de flujo, TDH, etc.) de la bomba, luego del tamaño del panel solar fotovoltaico requerido y otros componentes que queremos integrar en el sistema.
El rango de precios de las bombas de agua solares puede oscilar entre $ 2,000 y $ 5,000 para el conjunto de paneles solares y el kit de bomba de agua solar. Incluye una bomba. Ayudará a comprender la forma en que la producción de agua se relaciona con el costo. También hay diferentes modelos que varían en la cantidad de salida y en función del número de paneles solares.
Los costos anteriores son solo una aproximación y también hay opciones más costosas disponibles en el mercado. El costo de una bomba de agua con energía solar también dependerá de la fuente del agua. Las bombas de agua superficial serán más baratas ya que necesitan menos energía para extraer agua de la fuente, como en el caso de extraer agua de un estanque o lago. La bomba de agua con energía solar para riego es un ejemplo. Las bombas de agua sumergibles que funcionan con energía solar serán más costosas ya que el agua debe extraerse de una mayor profundidad, como en el caso de los pozos profundos.
Las bombas de agua solares sirven para varios propósitos
Las bombas de agua solares son competitivas ya que no involucran extensiones de líneas eléctricas para llegar a la red eléctrica. Con una vida útil de más de veinte años, los sistemas de bombas de agua solares tienen una ventaja sobre las bombas de agua que funcionan con combustibles fósiles. Las bombas de agua que funcionan con energía solar también son energéticamente eficientes y adecuadas para regiones que están demasiado lejos de las redes eléctricas o que son demasiado costosas para conectarse.
Algunas de las mejores aplicaciones de los sistemas de bombas de agua solares incluyen riego y agua potable para el ganado. Son más efectivos para suministrar agua de aguas superficiales o subterráneas y distribuir el agua almacenada en sus tanques de almacenamiento. No se pueden subestimar las ventajas de una vida útil más larga y el ahorro de costes, lo que hace que la inversión sea justificable tanto para uso doméstico como para riego agrícola.
