Diseño de elementos de Maquinas

Diseño de una Bomba de Pistones para Bombeo Solar en Sectores Rurales

I. RESUMEN

Una de las actividades más importantes en zonas rurales es el abastecimiento y el uso de agua. Es posible tener sistemas de bombeo de agua para tales fines en zonas donde no se dispone de servicio público de energía eléctrica ni suministro de agua. Se diseño un sistema de bombeo de agua con energía solar fotovoltaica para la Hacienda con un panel 43 W de potencia, capaz de trabajar a un caudal de 9 l/min en promedio a una altura de bombeo de 3m. De la experiencia adquirida es posible mencionar la factibilidad técnica de esta aplicación debido a las características geográficas y climáticas de la zona. También se debe mencionar que la implementación de un sistema fotovoltaico es una inversión alta con beneficios a largo plazo, por lo que su factibilidad económica no es tan evidente.

Con este equipo se pretende fomentar el desarrollo de la energía solar fotovoltaica en aplicaciones académicas, así como concientizar a los alumnos sobre la necesidad de utilizar energías alternativas, limpias y no contaminantes. También buscamos crear conciencia de los beneficios del uso de energías alternativas en zonas rurales, donde no hay servicio público de electricidad y agua potable.

II. ANTECEDENTES

Las energías renovables han constituido una parte importante de la energía utilizada por la humanidad desde tiempos antiguos, en especial la energía solar, eólica e hidráulica.

Con el invento de la máquina de vapor, se fueron abandonando estas formas de aprovechamiento, por considerarse inestables en el tiempo y se utilizaron cada vez más los motores térmicos y eléctricos.

Esto ocurrió en una época en la cual el escaso consumo no hacía prever un agotamiento de las fuentes energéticas ni los problemas ambientales que más tarde se presentaron. Hacia la década de 1970, las energías renovables se consideraron una alternativa a las energías tradicionales, tanto por su disponibilidad presente y por su proyección garantizada hacia el futuro, a diferencia de los combustibles fósiles que precisan miles de años para su formación, como por su menor impacto ambiental en el caso de las energías limpias, y por esta razón fueron llamadas energías alternativas.

Dentro de este marco, el aprovechamiento de la energía solar es una de las alternativas más efectivas. Las instalaciones fotovoltaicas domésticas se han convertido en una de las fuentes de energía más atractivas en zonas rurales y han permitido el mejoramiento de la calidad de vida de sus habitantes.

Dentro de las principales características de uno de éstos es su tamaño relativamente pequeño, su fiabilidad y el hecho de no requerir de combustibles para su funcionamiento. Los sistemas solares de bombeo están diseñados para el suministro de agua y riego en áreas retiradas donde no se dispone de una fuente de energía convencional. El agua puede ser bombeada durante el día y almacenada en tanques, con lo que estará disponible tanto durante la noche como con cielo nublado.

III. PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA

Sabemos que en el país, no existe mucho interés en aprovechar las energías renovables, como la energía solar fotovoltaica. Los niveles de contaminación atmosférica de las ciudades van en aumento debido a las emisiones de gases de combustión. Por otro lado, en las zonas rurales es común la carencia de servicio público de energía eléctrica, debido a su lejanía. Estas comunidades requieren de una fuente alternativa de energía, como la solar, especialmente para uso personal y sus actividades agrícolas y ganaderas. Por lo tanto, el presente proyecto tiene como objetivo principal la utilización de energía solar fotovoltaica como alternativa de fuente de electricidad para uso rural y el aprovechamiento de energía limpia, centrándonos principalmente en el bombeo de agua a través de dicha energía.

Beneficios a corto y largo plazo:

· Se requiere operación desatendida.

· No consume combustible.

· Facilidad en la instalación.

· Larga vida útil (20 años).

· Disminución de contaminación ambiental

Justificación e importancia:

El aprovechamiento de la energía solar es una de las opciones para detener los daños que la sociedad ha causado y causa en la naturaleza, es por eso que se requiere de equipos y sistemas en los cuales se implementen las diferentes aplicaciones de la energía solar, entre las cuales se encuentra el bombeo fotovoltaico. La importancia en desarrollar un sistema de bombeo fotovoltaico es demostrar que sus aplicaciones están a nuestro alcance y comprobar que este tipo de sistema posee la factibilidad económica para poder implementarse dentro de cualquier ámbito industrial.

IV. OBJETIVOS

1.1 Objetivo General

Ø Diseñar una instalación de bombeo con energía solar fotovoltaica para la Hacienda.

1.2 Objetivos específicos

Ø Realizar el diseño de una instalación de bombeo fotovoltaica y del sistema de funcionamiento.

Ø Comprobar la factibilidad técnica y económica de la aplicación del sistema de bombeo fotovoltaico.

Ø Fomentar el desarrollo de la energía solar fotovoltaica en aplicaciones reales.

V. MARCO TEORICO

5.1 Conceptos

· Energías renovables: Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales inagotables.

· Energía solar: Es la energía producida por el sol y que es convertida a energía útil por el ser humano, ya sea para calentar algo o producir electricidad.

· Bombeo fotovoltaico: Es un sistema que a través de paneles fotovoltaicos, tiene como objetivo bombear agua en aquellas zonas donde no se dispone de suministro de electricidad de la red convencional.

· Radiación directa: Radiación que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias.

· Sistema fotovoltaico: Es una fuente de potencia eléctrica en la cual las celdas solares transforman la energía solar directamente en electricidad DC.

· Célula fotovoltaica: Es un dispositivo formado por una delgada lámina de un material semiconductor, frecuentemente de silicio.

· Módulo fotovoltaico: Es una estructura robusta y manejable sobre la que se colocan las células fotovoltaicas.

5.2 Energía Solar Fotovoltaica

La energía solar es la energía radiante emitida por el sol y recibida en la tierra en forma de ondas electromagnéticas. El sol emite continuamente radiación a todo el espacio. La tierra intercepta aproximadamente 1.7 x 10¹⁴ KW, de tal manera que la tierra es efectivamente un gran colector solar.

Figura 5.1

Beneficios de la energía solar:

· Es inagotable

· No es contaminante

· Es un sistema de aprovechamiento de energía ideal para zonas donde no llega energía eléctrica.

Algunas dificultades de la energía solar

· El flujo de potencia que alcanza la superficie terrestre es pequeño (< 1 kW/m²), comparado con el suministrado por los combustibles fósiles.

· La energía solar disponible en una localidad varía estacionalmente durante el año y además se ve afectada por variaciones meteorológicas, fuera del control del hombre.

· Los equipos necesarios para utilizar la energía solar requieren de

inversiones iníciales elevadas, comparadas con las que se requieren para sistemas convencionales.

Un sistema fotovoltaico es una fuente de potencia eléctrica en la cual las celdas solares transforman la energía solar directamente en electricidad DC. Estos sistemas pueden ser colocados en todos los lugares donde haya suficiente energía solar, no requieren combustibles y por tratarse de dispositivos de estado sólido, carecen de partes móviles, por consiguiente, no requieren de mayor mantenimiento. No producen ruido, emisiones tóxicas, contaminación ambiental ni polución.

5.3 Fuente de Energía

La radiación solar es la energía que se emana 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 1,5x10¹⁷ kWh, 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 recogida fuera de la atmósfera sobre una superficie perpendicular a los rayos solares es conocida como constante solar y es igual a

1353 W/m², variable durante el año un ±3% a causa de la elipticidad de la órbita terrestre.

El valor máximo medido sobre la superficie terrestre es de aproximadamente 1000 W/ m², en condiciones óptimas de sol, a mediodía y en un día de verano. La radiación solar que llega a la superficie terrestre puede ser directa o dispersa. Mientras la radiación directa incide sobre cualquier superficie con un único y preciso ángulo de incidencia, la dispersa cae en esa superficie con varios ángulos. Es necesario recordar que cuando la radiación directa no puede dar a una superficie a causa de la presencia de un obstáculo, el área en sombra no se encuentra completamente a oscuras gracias a la contribución de la radiación dispersa. Esta observación tiene importancia técnica para los dispositivos fotovoltaicos, que pueden funcionar incluso solamente con radiación dispersa.

Figura 5.2

Las proporciones de radiación directa, dispersa y albedo recibida por una superficie dependen:

· De las condiciones meteorológicas (de hecho, en un día nublado la radiación es prácticamente dispersa en su totalidad, en un día despejado con clima seco se tiene la radiación directa, que puede llegar hasta el 90% de la radiación total).

· De la inclinación de la superficie respecto al plano horizontal (una superficie horizontal recibe la máxima radiación dispersa).

· De la presencia de superficies reflectantes (debido a que las superficies claras son las más reflectantes, la radiación reflejada aumenta en invierno y disminuye en verano por efecto de la absorción de la hierba o del terreno).

5.4 Instalaciones

Una instalación fotovoltaica está compuesta por un grupo generador, formado por una extensión de paneles solares fotovoltaicos, un regulador de carga, un grupo acumulador y un inversor. Durante las horas de radiación, los paneles fotovoltaicos producen energía eléctrica en forma de corriente continua que es almacenada en los acumuladores. En los momentos de consumo energético, los acumuladores suministran ésta electricidad, teniendo que ser transformada en corriente alterna por el inversor, a los receptores.

En una instalación sin sistema de seguimiento solar, lo ideal es utilizar una o dos inclinaciones a lo largo del año, dependiendo del uso y el consumo que se vaya a hacer. En el caso de poder modificar más o menos fácilmente la inclinación de los paneles, se pueden poner a 60º durante el invierno y a 15º durante el verano, que son los ángulos de inclinación más usuales. Si no es posible o es complicado cambiar la inclinación, se pueden dejar los paneles fijos durante todo el año. La inclinación elegida dependerá del tipo de uso que se vaya a hacer.

VI. FUNCIONAMIENTO Y OPERATIVIDAD

FUNCIONAMIENTO:

El sistema de bombeo fotovoltaico puede demostrar una de las aplicaciones más relevantes acerca del uso de la energía solar fotovoltaica. Su principio de funcionamiento está basado en el hecho de poder aprovechar energía solar y poder transformarla en energía fotovoltaica a través del panel.

El funcionamiento del sistema construido es el siguiente:

· La energía solar fotovoltaica que es receptada en el panel y almacenada en las celdas del mismo para luego poder utilizarse como fuente de poder de la bomba. Una vez con el panel expuesto a la radiación este va conectado hacia un circuito el cual regula el voltaje y amperaje que requiere la bomba para su funcionamiento.

· La bomba esta sujetada en el fondo del tanque de donde se va a bombear el agua hacia otro tanque el cual se encuentra ubicado a 3 metros de altura respecto de la bomba.

· Los tanques se conectan a través de tuberías, a través de la cuales fluirá el agua que se desea bombear, además los mismos se encuentran conectados de tal manera que existe una recirculación del fluido.

OPERATIVIDAD:

El sistema de bombeo fotovoltaico, fue diseñado y construido con el fin de utilizarlo a manera de un equipo demostrativo. Por lo tanto el mismo debe manejarse con todas las precauciones y seguridades necesarias que permitan su normal funcionamiento sin riesgo de dañar alguno de sus componentes.

· El equipo está diseñado para operar de la siguiente manera:

· El panel fotovoltaico debe colocarse con dirección hacia el sol con un ángulo de 10º.

· El panel posee un tomacorriente al cual se debe conectar la toma que va desde el interruptor que acciona la bomba.

· Verificar que las válvula de desfogue en los tanques se encuentren cerradas y que la válvula de recirculación este abierta antes de encender el equipo.

· El pozo donde se encuentra la bomba debe estar con un volumen de agua considerable. Cabe mencionar que la bomba puede trabajar aunque no exista agua, pero esto disminuye su vida útil, por lo que es requisito que el pozo tenga un nivel de agua considerable.

· Luego de verificar lo solicitado anteriormente, colocar el interruptor que acciona la bomba en la posición ENCENDIDO.

· El sistema empezara a funcionar inmediatamente haciendo que el agua sea bombeada 3 m de altura.

VII. ANALISIS FINANCIERO ECONOMICO

Para realizar el análisis financiero, se debe comparar el costo total del equipo con el ahorro que éste genera. Para esto es posible tomar en cuenta:

- Ahorro de energía eléctrica.

Para el ahorro de energía eléctrica, se debe considerar el consumo de

kilovatios-hora del equipo, y determinar cuánto dinero significa esto para la facturación del servicio de energía eléctrica. El cálculo se realiza tomando en cuenta una bomba de ¾ HP y 7 horas de uso diario.

En el presente proyecto se utilizó los siguientes equipos y materiales, detallados en cantidad y costo en la siguiente tabla:

Tabla de selección de Materiales

Ord	Descripción	Unidad	Cantidad	Costo Unitario	Costo Total
1	Bomba		1	30.00	30.00
2	Panel Solar	43 W	1	640.00	640.00
3	Tubería PVC ¾ pulgada	5 m	1	7.00	7.00
4	Codos de 90º de ¾ pulgada		2	2.50	5.00
5	Cable AWG 16	1 m	1	0.80	0.80
6	Bornera		1	20.00	2.00
7	Regulador de voltaje		1	5.00	5.00
8	Fusible		1	2.00	2.00
9	Teflón		1	1.50	1.50
10	Interruptor		1	2.50	2.50
	TOTAL				695.8

Consumo del Sistema Anual

Potencia (HP)	Horas de uso diario (h)	Kilowatios hora (Kw.h)	Precio por Kw. h	Ahorro anual
0.25 HP	6	408.43	0.407	166.23

Estimamos que este valor no se altera en el tiempo, es decir que cada período (año) se ahorra una cantidad igual. Con esto es posible analizar la Tasa Interna de Retorno, mediante las siguientes ecuaciones:

Resolviendo la ecuación obtenemos una tasa de interés de retorno (TIR) de 6%, esto es evaluado para la evaluación a 5 años futuros, lo cual quiere decir podemos recuperar nuestra inversión en 5 años con una tasa de interés de 6%. Los años posteriores obtendríamos ganancias, una vez que ya recuperemos la inversión inicial.

También el resultado de éste análisis financiero es que los sistemas fotovoltaicos son caros, por lo que requieren de una fuerte inversión inicial con resultados a largo plazo. Este es el motivo por el cual muchas empresas y personas no utilizan estos sistemas.

VIII. RECOMENDACIONES

Se recomienda realizar un proyecto de bombeo fotovoltaico aplicado en una localidad rural o en una localidad urbana, para determinar de manera clara cuál es el ahorro que se logra alcanzar al no utilizar energía eléctrica convencional.

· Se podría implementar sistemas que complementen las características del equipo, aplicando el principio de energías limpias, como por ejemplo implementado un sistema combinado en el que no solo se bombee agua sino también se obtenga agua para uso doméstico purificada.

· Al realizar las conexiones e instalaciones del sistema, asegurarse de que las mismas estén correctamente ensambladas para evitar fugas las cuales afectarían al rendimiento ya que las mismas estarían causando pérdidas no tomadas en cuenta en el cálculo del diseño.

· Finalmente estimular el estudio de este tipo de sistemas los cuales están basados en el uso de energía renovable, tomando en cuenta que el agotamiento de recursos y la contaminación que causa la energía convencional está llegando a niveles críticos.

IX. CONCLUSIONES

· El funcionamiento del equipo construido demuestra que el bombeo fotovoltaico es una aplicación válida técnicamente de la energía solar fotovoltaica para el uso doméstico tanto en zonas rurales como urbanas para aprovisionamiento de agua y sistemas de riego, en la zona de Huarochirí.

· En el sistema diseñado se pudo obtener una eficiencia eléctrica promedio de de la bomba del 61% en condiciones óptimas de funcionamiento y un caudal aproximado de 13 l/min a 3 m de altura de bombeo, lo que demuestra que se puede conseguir un desempeño comparable con el de un sistema convencional.

· Se determinó que la eficiencia de la bomba depende del nivel de radiación que el panel recibe, lo que nos guía a concluir que para un sistema en el que se desee un funcionamiento constante se necesita de un acumulador de energía que almacene la misma, con la que el sistema funcionaría a pesar de no tener días despejados e incluso durante las noches.

· Podemos observar que el equipo diseñado utiliza una bomba de alto desempeño y bajo costo, 30 USD, lo que nos permite deducir que si se desea construir un sistema a escala real será factible en cuanto se disponga del presupuesto necesario para los materiales e implementos de la instalación.

· El equipo construido tuvo un costo de 695 dólares, esto representa una alta inversión. Al considerar el ahorro de energía de dólares anuales (considerando solamente el ahorro por el uso de una bomba), se tiene que esta inversión se recupera en un largo plazo de 12 años aproximadamente, por lo cual no es financieramente atractivo.

Diseño de elementos de Maquinas - Bomba de Piston

jueves, 5 de diciembre de 2013

miércoles, 4 de diciembre de 2013