Bombeo solar fotovoltaico: qué es y cómo funciona

Actualizado: 28/08/2023

En tiempos de facturas de electricidad elevadas, no hay quien no se replantee formas de reducir el consumo eléctrico.

Tanto en las empresas como en los hogares, el uso de las energías renovables es una solución para ahorrar dinero y reducir su huella.

En este contexto, un sistema de bombeo solar fotovoltaico es una de las alternativas, especialmente en los lugares más remotos.

La obtención de agua del subsuelo ha sido la base de la supervivencia a lo largo de la historia de muchas sociedades instaladas en climas áridos y semiáridos alejados de ríos o lagos. Con el empleo de paneles solares fotovoltaicos para el bombeo de agua es posible hacerlo con una fuente de energía autóctona y renovable.

La extracción del agua subterránea requiere de una cantidad importante de energía. Es por ello por lo que hasta la revolución industrial, para el uso de volúmenes grandes de agua subterránea se emplearon sistemas mecánicos de impulso que empleaban fuentes de energía naturales (fuerza motriz de origen animal, molinos de viento etc…).

El Agua subterránea: Origen y localización.

Toda el agua que está almacenada en el subsuelo procede de la lluvia. Cuando el agua de lluvia toca el suelo tiene 3 destinos diferentes y simultáneos:

• Evapotranspiración: Cuando el agua se evapora y vuelve a la atmósfera ya sea directamente del suelo o a través de las hojas de las plantas una vez absorbida por estas.
• Escorrentía: Cuando el agua fluye por la superficie y forma arroyos o ríos
• Infiltración en el suelo: Es el agua que es absorbida por la tierra y queda como agua subterránea que puede ser extraída por bombeo.

La fracción de agua de lluvia que se dirige hacia cada uno de estos destinos depende de diversos factores como el clima, la vegetación, la naturaleza del terreno, su inclinación etc…

El agua subterránea, al tener su origen en la lluvia, se recarga regularmente en función del régimen de pluviosidad.

En las áreas desérticas principalmente, existen también las llamadas aguas fósiles. Se trata de bolsas de agua que se formaron en épocas pasadas en las cuales el clima era lluvioso. (Por ejemplo se sabe que hace en torno a los 10000 años buena parte del Sáhara tenia un clima parecido al actual mediterráneo). Este tipo de aguas subterráneas ya no se recargan.

El agua subterránea normalmente esta impregnada en la tierra, (como si la tierra fuera una esponja que retiene el agua) y se mantiene en un nivel no necesariamente horizontal ni paralelo con el suelo llamado nivel freático. En los terrenos calcáreos el agua disuelve la roca y se forman ríos subterráneos, simas, grutas, cenotes etc…

Un pozo es en si una excavación que alcanza el nivel freático. Cuando retiramos una cantidad de tierra a ese nivel quedará una porción de agua pura que será la que se puede extraer. En este caso por medio de la energía solar fotovoltaica.

¿Qué es el bombeo solar fotovoltaico?

Se trata de un sistema útil para bombear agua, abastecer a pequeñas comunidades o regar cultivos, compuesto por una bomba solar que se alimenta de la energía del sol, captada por un panel solar fotovoltaico.

La bomba solar funciona mediante el efecto fotovoltaico: la placa fotovoltaica recibe la energía solar en las células fotovoltaicas y transforma esta radiación en energía eléctrica, que alimenta la bomba.

Este sistema se aplica normalmente en el bombeo de agua en granjas y ranchos y en la extracción de agua de pozos.

Entre las aplicaciones más comunes se encuentran el riego de cultivos, el suministro de agua residencial, el movimiento de agua desde las cisternas a los depósitos de agua y el transporte de agua desde los pozos a los depósitos de agua.

Componentes de las instalaciones solares fotovoltaicas

• Paneles solares: El panel solar es el encargado de transformar la energía solar en electricidad. El tipo de electricidad que proporcionan los paneles solares fotovoltaicos es de corriente continua.
• Bomba: Es el elemento encargado de tomar el agua del pozo e impulsarla hasta el lugar en donde se requiere. Existen múltiples tipos de bombas en función de la técnica de impulsión que utilicen aunque en general pueden dividirse en dos grandes grupos: centrífugas y volumétricas. También existen otras divisiones como las de bombas sumergibles y no sumergibles (en el agua del pozo) o aquellas que trabajan con corriente continua y con corriente alterna. Esta último tipo de bomba para poder conectarla a los paneles solares o a la batería requerirá de un transformador de corriente.
• Batería (opcional): Elemento encargado de almacenar la energía eléctrica proporcionada por los paneles para su posterior uso en los momentos en los que no hay radiación solar o no en la suficiente potencia. En las instalaciones fotovoltaicas para bombeo la batería no se justifica en la mayoría de los casos. Con un correcto dimensionado se puede bombear la cantidad suficiente de agua necesaria durante las horas de radiación solar y así evitar este costoso componente. Además en caso de necesitarse una reserva, el agua en si misma se puede almacenar en depósitos con lo que se evitaría las pérdidas energéticas que ocasiona la batería.
• Reguladores: Cuando la instalación consta de un acumulador será necesario el empleo de un regulador que evite sobrecargas perjudiciales para la batería
• Dispositivos optimizadores de potencia: La corriente eléctrica tiene dos magnitudes: la tensión (medida en Voltios) y la intensidad (medida en Amperios). Del producto de estos dos factores se obtiene la potencia (medida en Watios). La potencia es la capacidad que tiene una máquina para desarrollar un trabajo en un tiempo determinado.

Cuando durante las primeras y las últimas horas del día la radiación solar es débil el panel solar genera un tipo de corriente con casi la tensión máxima de la que es capaz pero con poca intensidad. El producto de ambos elementos da como resultado una potencia insuficiente para activar la bomba.

El dispositivo optimizador de potencia es un transformador de corriente continua a corriente continua que modifica los parámetros de tensión e intensidad que proporciona el panel solar fotovoltaico buscando siempre el punto de mayor potencia posible. Es decir cuando la tensión es alta y la intensidad baja (como cuando la radiación solar es débil), este dispositivo aumenta la intensidad a costa de bajar la tensión para que la potencia resultante sea lo mas alta posible, optimizándola. De esta manera se consigue enviar a la bomba corriente en potencia suficiente para que comience antes su funcionamiento en las primeras horas del día y termine más tarde en las últimas. Así se gana tiempo de bombeo y por lo tanto rendimiento.

Suele tratarse de un dispositivo costoso y en instalaciones pequeñas no se suele emplear por no justificarse suficientemente.

Dimensionamiento e instalación.

La elección de los componentes del sistema debe tener en cuenta el volumen a bombear y los datos del lugar, como las horas de sol y la altura manométrica (altura a la que una bomba puede elevar un líquido).

A continuación, es fundamental comprobar la existencia de una bomba. Si lo hay, dimensiona el sistema para conectarlo; si no, calcula un sistema para suministrar el volumen que se va a bombear.

Otro paso fundamental es dimensionar el sistema generador, teniendo en cuenta su potencia, la tensión y la corriente de los módulos fotovoltaicos.

Por último, dimensionar el inversor, calculando la potencia, la tensión y la corriente que actuará en el sistema.

También corresponde al profesional que va a integrar el sistema evaluar la finalidad de la motobomba que se va a utilizar.

En la actualidad, existen dos tipos: el de superficie, utilizado para aspirar el agua con la ayuda de un tubo de succión, y el sumergido, utilizado en el interior de los pozos, pudiendo alcanzar una mayor profundidad.

¿Cómo funciona una instalación de bombeo solar fotovoltaico?

El funcionamiento de este tipo de instalación es en si sencillo. Los paneles solares puestos al Sol transforman la luz en electricidad que sirve para alimentar la bomba que extrae el agua del subsuelo. En los casos en que la instalación cuenta con batería, los paneles alimentan la batería y esta a la bomba.

Cuando los paneles alimentan directamente a la bomba se produce una fluctuación del flujo del agua bombeada en función de la variación de la intensidad de la radiación solar a lo largo del día. Así en las primeras horas el flujo de agua será pequeño e irá aumentando conforme nos acercamos a las horas centrales del día cuando es máxima la radiación. A partir de este momento vuelve a descender hasta que se hace nulo en el momento de anochecer.

Ventajas del bombeo solar fotovoltaico.

Entre las ventajas del bombeo solar fotovoltaico, está el ahorro de hasta un 95% en la factura de la luz, por no hablar de la valoración de la propiedad.

Algunos municipios y/o regiones y/o países, incentivan la generación de energía renovable, así que la instalación de estos sistemas puede salirte más económico.

Factores a tener en cuenta a la hora de realizar una instalación solar fotovoltaica para el bombeo de agua

Para poder llevar a cabo con éxito la ejecución y la explotación de un sistema de bombeo fotovoltaico es preciso tener en cuenta determinados aspectos:

Conocer la cantidad de agua necesaria- En primer lugar es importante tener un conocimiento lo más preciso posible del volumen de agua real que es necesario bombear. Es habitual que hasta los propios usuarios desconozcan la cantidad precisa que utilizan. Una mala estimación puede llevar a diseñar una instalación solar para un volumen que puede llegar a resultar insuficiente. Es recomendable contar con un especialista en la materia que ayude a determinar la cantidad de agua adecuada.

Este tipo de instalaciones se dimensionan en función del volumen de agua que se requiere y de la radiación solar disponible. Si el volumen de agua es insuficiente será imposible dejar la bomba más tiempo funcionando ya que no habrá más radiación solar que las horas de Sol que tiene el día.

También puede ser interesante calcular un volumen extra de agua de reserva para los días en los que no pueda haber Sol. Para esto habrá que realizar un dimensionado en función de las estadísticas de días consecutivos sin Sol de la zona donde se esté la instalación.

Afortunadamente en este tipo de instalaciones se da la coincidencia de que cuando hay Sol (y por lo tanto mas calor y necesidad de agua, más transpiración) es cuando también hay más energía disponible para bombearla del subsuelo.

Determinar adecuadamente la profundidad del pozo en todas las estaciones- Es importante conocer el nivel del agua en el interior del pozo en los momentos de abundancia ( Etapas lluviosas) y en los de escasez (sequías). Si no se tiene en cuenta este aspecto puede ocurrir que en los momentos de sequía, con el nivel del agua bajo, la bomba carezca de potencia suficiente para bombear o que se haga en cantidad insuficiente. No se requerirá la misma potencia para elevar el agua desde una profundidad de 40 metros que desde sólo 25. Si una instalación esta diseñada para bombear un volumen concreto de una profundidad máxima de 30 metros, en los momentos en los que el nivel supere esta profundidad, no se bombeará la cantidad suficiente de agua.

Es por ello por lo que se debe contar con un experto que determine correctamente las fluctuaciones de la capa freática a lo largo del año y también en función de los datos climáticos de la región en los ciclos de sequía de varios años.

Conocer la capacidad de recarga de los acuíferos– Es muy importante cerciorarse antes de ejecutar una instalación de que el acuífero tiene la suficiente capacidad de recarga para obtener de él regularmente la cantidad de agua que se precisa. De no ser así el acuífero terminará por agotarse y la instalación podría quedar totalmente inútil. De nuevo el experto en la materia será el que pueda precisar este punto.

Por último siempre se recomienda que la instalación la ejecute personal con la suficiente preparación y en caso de adquirir Kits de bombeo fotovoltaico siempre asesorarse por personal cualificado ya que como se ha visto cada lugar ofrece unas características particulares que hay que tener en cuenta.