Bombeo solar a presión constante:
aspersor, cañón y pívot
Un ramal de aspersión, un cañón o un pívot exigen un caudal y una presión estables durante toda la duración del turno de riego. LE LAB dimensiona el punto de funcionamiento, la bomba, el campo fotovoltaico y la fuente de apoyo necesaria cuando la potencia solar se vuelve insuficiente.
Un caudal, a una presión, durante una duración
En bombeo al ritmo del sol, el encargo se refiere a una cantidad: tantos metros cúbicos al día, elevados cuando la irradiación lo permite y guardados en una balsa. La aspersión plantea otra ecuación. El equipo tiene una presión de servicio y un caudal nominal, y solo riega correctamente en ese par de valores. Sesenta metros cúbicos a repartir en seis horas de turno de riego se leen, por tanto, así: diez metros cúbicos por hora que mantener de forma continua, bajo tres bares en el punto de entrega. El objetivo del cálculo ya no es la cantidad medida al anochecer, sino el mantenimiento del punto de funcionamiento durante toda la franja.
La presión que exige el equipo de riego se convierte en altura de agua y se añade a lo que la bomba ya debe vencer: la profundidad de captación, el desnivel hasta la parcela y las pérdidas por rozamiento en la tubería. Un bar equivale a 10,2 metros de columna de agua dulce. Una consigna de 3,0 bares pesa, pues, 30,6 metros, tanto como un sondeo adicional de treinta metros.
El caudal que hay que mantener gobierna también la conducción. Un diámetro elegido para un llenado lento de balsa se queda estrecho en cuanto el mismo volumen pasa en unas pocas horas: la velocidad sube, los rozamientos con ella, y cada metro perdido reaparece en la altura que la bomba debe aportar. El dimensionado de la tubería se hace, por tanto, sobre el caudal regulado, no sobre una media diaria.
Una consigna mantenida por regulación y apoyo
Un sensor de presión se coloca a la salida de la tubería, después del filtro, lo más cerca posible del punto de entrega. El regulador lee esa medida y adapta la velocidad de la bomba. Este bucle limita el efecto de las variaciones de potencia solar sobre la presión entregada a la red de riego.
Mientras el campo fotovoltaico aporta la potencia necesaria, el bombeo funciona con energía solar. Cuando esa potencia baja, la red o un grupo electrógeno aportan el complemento por la entrada en corriente alterna prevista en la arquitectura elegida. El regulador conserva entonces la consigna de presión y de caudal definida para el proyecto.
Dos familias llevan esta entrada en corriente alterna: la PSk3 la integra en su regulador, mientras que la PSk2 la recibe de un cuadro separado, el smartPSUk2. LE LAB dimensiona la presión constante sobre estas dos familias; el detalle de las dos arquitecturas figura en la ficha LORENTZ PSk híbrido.
El arranque del grupo puede confiarse al propio sistema: el smartStart cierra un contacto libre de potencial en cuanto se solicita el apoyo y pone en marcha la máquina mediante su función de arranque remoto de dos hilos, sin maniobra en la parcela.
La página solar y grupo electrógeno detalla la elección y las exigencias de la fuente de apoyo. La ficha LORENTZ PSk híbrido presenta la arquitectura de los reguladores, el smartPSUk2 y el smartStart.
Sesenta metros cúbicos al día en Granada, a 3,0 bar
Una parcela de horticultura de 1,2 hectáreas en Andalucía, regada por aspersión. La necesidad punta alcanza 60 m³ al día, la franja dura seis horas y la presión requerida en el punto de entrega vale 3,0 bar. El agua viene de un sondeo a 55 metros, la cabecera de riego se encuentra 5 metros por encima, y treinta metros de tubería separan ambos puntos. Este es el estudio tal como lo devuelve la aplicación.
| Dato de entrada | Valor | En qué se convierte en el cálculo |
|---|---|---|
| Necesidad diaria | 60 m³/d | con seis horas de riego: 10 m³/h que mantener de forma continua |
| Presión en el punto de entrega | 3,0 bar | 30,6 m añadidos a la altura manométrica |
| Profundidad de bombeo | 55 m | la parte fija de la altura |
| Altura de llegada | 5 m | el desnivel hasta el punto de entrega |
| Tubería | 30 m | diámetro exterior 63 mm en PN 16, velocidad de 1,33 m/s al caudal regulado |
| Pérdidas de carga | 5,4 m | 3,4 m por rozamiento, 2 m en codos y válvulas, es decir, el 6 % del total |
| Altura manométrica total | 96 m | la altura que hay que aportar a 10 m³/h, de forma continua |
Los seis valores que resumen el estudio, tal como se muestran en la aplicación.
La solución elegida es una bomba sumergible LORENTZ PSk3-15 asociada a una hidráulica C-SJ17-18, capaz de 22 m³/h y de 180 metros en el máximo de su rango. A 10 m³/h contra 96 metros, absorbe 4,3 kW en el motor. El campo cuenta 17 módulos de 515 Wp en una sola cadena, es decir, 8 755 Wp, inclinados 34 grados. El grupo aconsejado para el apoyo alcanza 6,5 kW en carga continua. Se deduce de la regla del fabricante, que multiplica por 1,5 la potencia absorbida en el punto de funcionamiento: los 4,26 kW absorbidos dan 6,39 kW, redondeados al medio kilovatio superior. El dimensionado se detalla en la página dedicada al grupo electrógeno en apoyo del bombeo solar.
Reparto entre solar y apoyo, mes a mes
El cálculo confronta la franja de riego con dieciséis años de irradiación real, hora a hora. La potencia demandada permanece constante durante la franja, mientras que la producción fotovoltaica varía. El apoyo aporta la diferencia necesaria para mantener el caudal y la presión; el reparto entre las dos fuentes evoluciona según la hora y la estación.
El volumen mensual y su reparto entre las dos fuentes.
| Mes | Volumen bombeado | Cuota solar | Cuota de apoyo |
|---|---|---|---|
| Enero | 1 860 m³ | 83 % | 17 % |
| Febrero | 1 680 m³ | 83 % | 17 % |
| Marzo | 1 860 m³ | 85 % | 15 % |
| Abril | 1 800 m³ | 87 % | 13 % |
| Mayo | 1 860 m³ | 91 % | 9 % |
| Junio | 1 800 m³ | 97 % | 3 % |
| Julio | 1 860 m³ | 99 % | 1 % |
| Agosto | 1 860 m³ | 98 % | 2 % |
| Septiembre | 1 800 m³ | 94 % | 6 % |
| Octubre | 1 860 m³ | 90 % | 10 % |
| Noviembre | 1 800 m³ | 83 % | 17 % |
| Diciembre | 1 860 m³ | 85 % | 15 % |
En el año, el 90 % del volumen bombeado viene del sol y el 10 % del apoyo, concentrados de noviembre a abril. Traducido en energía, esto representa unos 965 kWh al año que debe aportar la segunda fuente, y cerca de 570 horas de marcha. El contraste entre julio, donde el apoyo pesa un 1 %, y los meses de invierno, donde sube al 17 %, se debe a dos causas que actúan en el mismo sentido: el día es más corto y la irradiación más baja.
El día tipo de noviembre
El campo fotovoltaico se dimensiona sobre el mes menos soleado de la campaña de bombeo. En Granada, con un riego durante todo el año, es noviembre. El día tipo de ese mes muestra dónde se sitúa el esfuerzo del complemento, hora a hora sobre las seis horas de la franja.
Todas las barras tienen la misma altura: el caudal es constante, solo cambia el reparto.
La franja va de las 10 a las 16 horas en hora solar. El sol asegura el 79 % del caudal en la primera y la última hora, el 86 % en torno al mediodía solar; el apoyo hace el resto. Estos valores son medias del mes: en el detalle de los días, el sol cubre por sí solo la totalidad de la franja dieciséis días de treinta, y los demás días la segunda fuente completa.
| Hora solar | Caudal mantenido | Cuota solar media |
|---|---|---|
| De 10 h a 11 h | 10 m³/h | 79 % |
| De 11 h a 12 h | 10 m³/h | 84 % |
| De 12 h a 13 h | 10 m³/h | 86 % |
| De 13 h a 14 h | 10 m³/h | 86 % |
| De 14 h a 15 h | 10 m³/h | 84 % |
| De 15 h a 16 h | 10 m³/h | 79 % |
Límites y casos fuera de estándar
Tres constataciones acompañan al estudio y conviene plantearlas antes de encargar el material.
Los volúmenes pequeños pueden llevar a un equipo sobredimensionado
La presión constante impone una máquina capaz de mantener el punto de funcionamiento durante toda la duración declarada. En el mismo emplazamiento de Granada, a 20 m³ al día y seis horas de riego, el conjunto compatible más pequeño aporta 3,3 m³/h con un campo de 5 850 Wp: un tercio del volumen del ejemplo principal exige todavía dos tercios de su potencia fotovoltaica. La aplicación muestra las soluciones disponibles y lo señala en pantalla: por debajo de unos 40 m³ al día, la gama más pequeña capaz de presión constante supera con creces la necesidad, y su precio también.
La franja se sitúa en torno al mediodía solar
La ventana de riego que adopta el cálculo está centrada en el mediodía solar del emplazamiento, es decir, en el mejor punto de la curva. Un intervalo desplazado hacia la mañana o hacia la tarde sigue siendo técnicamente posible, con los mismos componentes, y aumenta la parte de la segunda fuente. La hipótesis está escrita bajo el gráfico y se recoge en el informe, para que la cifra anunciada se refiera a un horario conocido.
El riego por goteo sigue otra lógica
Un riego localizado trabaja a baja presión y acepta un caudal variable: llena una balsa o riega al ritmo del recurso, y sigue siendo el modo más ahorrador de energía. El recorrido de dimensionado le resulta idéntico, con una producción mensual y una autonomía de reserva. El equipo de riego declarado en el paso 3 gobierna, por tanto, todo el cálculo posterior.
La presión constante en LE LAB
En el paso 3, la aplicación pide el tipo de equipo de riego. La elección de un aspersor, de un cañón o de un pívot hace aparecer la duración diaria y la presión requerida en el punto de entrega; el caudal que hay que mantener se calcula entonces y se muestra junto con la necesidad diaria.
El paso 3 con un aspersor elegido: la duración, la presión y el caudal que de ahí se deriva.
La duración diaria se introduce entre una y dieciséis horas. La presión viene rellenada según el equipo y sigue siendo modificable de 0,5 a 10 bar: 3,0 bar para un aspersor, 5,5 bar para un cañón de riego y 2,5 bar para un pívot, con el rango habitual recordado bajo el campo. La pantalla presenta juntos el volumen diario, el caudal regulado y la consigna en el punto de entrega.
En el paso 6, la fuente de apoyo queda marcada de oficio y así permanece mientras se mantenga el equipo a presión, con el motivo escrito en la tarjeta. Los resultados sustituyen entonces la producción mensual habitual por los dos bloques vistos más arriba, el reparto mes a mes y el día tipo del mes de diseño. El informe profesional añade una sección específica: la consigna con su mínimo y su máximo a medio bar, la posición del sensor, el caudal que mantener con su franja, y después el grupo aconsejado, la cuota solar anual, la energía y el tiempo de marcha exigidos a la segunda fuente.
Los conjuntos de velocidad variable alimentados en corriente continua responden a otras necesidades, en particular los grandes caudales sobre sondeo profundo: la página dedicada a los conjuntos SPE y RSI detalla su lógica de dimensionado.
De dónde vienen estas cifras
- Nota de aplicación « Hybrid Irrigation in Spain », LORENTZ: diseño de un sistema de caudal y presión constantes con apoyo, posición del sensor de presión después del filtro, dimensionado del grupo por la potencia del motor multiplicada por 1,5.
- Nota de aplicación « Automatic flow control », LORENTZ: mantenimiento de una consigna por regulación de la velocidad, llamada a la fuente alterna únicamente cuando es necesaria, temporización de arranque ajustada en la puesta en servicio.
- Nota de aplicación « PSk2, smartPSUk2 hybrid system layout and design », LORENTZ: conmutación y mezcla de las dos fuentes, especificaciones de los grupos admitidos, contacto libre de potencial del smartStart y función de arranque remoto de dos hilos.
- Manual del regulador PSk3, LORENTZ: entrada en corriente alterna integrada, combinación de las dos fuentes de energía, corriente de entrada no senoidal del rectificador, instalación del sensor de presión.
- Curvas caudal-altura y curvas de potencia de las fichas de producto LORENTZ para la hidráulica citada como ejemplo.
- Datos de irradiación horarios del emplazamiento, dieciséis años de histórico para Granada, y ficha oficial del módulo fotovoltaico elegido para sus coeficientes de temperatura.
Cifras tomadas de la documentación oficial de los fabricantes, versiones en vigor en la fecha de publicación; el manual sigue siendo la referencia. Una página editada por SINES.