Capítulo 4 / Chapter 4

Sistemas Hidráulicos y Bombas

4.1 Tipos de Bombas

Las bombas son dispositivos mecánicos que transforman energía mecánica en energía hidráulica, permitiendo elevar, transportar o comprimir líquidos. En sistemas de bombeo solar, se utilizan principalmente dos tipos de bombas:

A) Bombas de Desplazamiento Positivo (Volumétricas)

Funcionan mediante cambios de volumen que obligan al fluido a avanzar. El elemento impulsor puede tener movimiento rectilíneo alternativo (émbolo, membrana) o rotativo (engranaje, paletas). El impulsor impulsa el líquido desde la cámara que lo contiene por efecto de disminución del volumen de esa cámara.

Característica	Descripción
Principio de funcionamiento	El impulsor impulsa el líquido desde la cámara que lo contiene por efecto de disminución del volumen de esa cámara
Características principales	Alto par de arranque, caudal constante independiente de la altura
Aplicaciones	Pozos profundos, incrementos de presión altos, caudales bajos
Rendimiento	90% aproximadamente
Limitaciones	Problemas con arena, potencias limitadas (< 1 CV)

B) Bombas Centrífugas (Rotodinámicas)

El agua se desplaza por acción de un rodete o impulsor con movimiento giratorio. El líquido sale de la bomba en sentido perpendicular al eje de giro. La fuerza centrífuga aumenta la energía de la corriente. El agua en rotación tiende a escapar hacia fuera produciendo un vacío en su desplazamiento.

Característica	Descripción
Principio de funcionamiento	El agua en rotación tiende a escapar hacia fuera produciendo un vacío en su desplazamiento
Características principales	Relación altura-caudal alta, eliminan restos de arena
Aplicaciones	Sistemas de riego, caudales moderados-altos
Rendimiento	60% aproximadamente
Ventajas	Más económicas, fácil mantenimiento

4.2 Curvas Características de Bombas

Las curvas características relacionan el caudal (Q) con la altura manométrica (H) y el rendimiento (η). Para bombas centrífugas, se aplican las leyes de semejanza hidráulica:

Leyes de Semejanza:
Q/Q₀ = N/N₀ = f/f₀
H/H₀ = (N/N₀)² = (f/f₀)²
P/P₀ = (N/N₀)³ = (f/f₀)³

Donde:
Q = Caudal (l/min o m³/h)
H = Altura manométrica (m)
P = Potencia (W o kW)
N = Revoluciones por minuto (rpm)
f = Frecuencia (Hz)

Ejemplo práctico: Una bomba que a 50 Hz bombea 2.000 l/min y consume 10 kW:
A 40 Hz: Caudal = 1.600 l/min (80%), Potencia = 5,12 kW (51,2%)
Con reducción del 50% del consumo, bombea el 80% del caudal

4.3 Cálculo de Energía Hidráulica

La energía necesaria para elevar agua se calcula considerando el caudal diario y la altura total equivalente:

Fórmula de Energía Hidráulica:
EH (Wh/día) = [Qd (m³/día) × HTE (m) × 1000 × 9,81] / 3600

Simplificada:
EH (Wh) = V (litros) × H (metros) / 367

Donde:
Qd = Caudal diario requerido
HTE = Altura Total Equivalente = HST + HD + Hf
HST = Altura estática (nivel freático a suelo)
HD = Altura dinámica (punto más alto de descarga)
Hf = Pérdidas de carga por fricción

Nota importante: La energía necesaria para elevar 1 m³ de agua a 10 metros es la misma que para elevar 10 m³ a 1 metro. Se utilizan los m⁴ (metro cúbico por metro) como unidad de trabajo hidráulico.

4.4 Dimensionado de Tuberías

Las pérdidas de carga por fricción en tuberías deben minimizarse. Según el IDAE, estas pérdidas deben ser inferiores al 10% de la energía útil:

Cálculo de Pérdidas de Carga:
Hf = f × (L/D) × (v²/2g)

Estimación práctica:
Cada 100 m de tubería ≈ 4 m de pérdidas de carga
Altura Total: HTE = HST × 1,1 (incluye 10% pérdidas estimadas)

Recomendaciones:
✓ Usar tuberías de diámetro adecuado para minimizar pérdidas
✓ Evitar codos y accesorios innecesarios
✓ Considerar elongación de mangueras (5% en manguera roja de bombero)
✓ Dejar cable eléctrico holgado cuando se use manguera elástica

4.5 Selección de Motobomba

La selección del sistema motor-bomba depende del caudal y altura requeridos. El rendimiento del sistema (ηMB) varía según la configuración:

Configuración Motor-Bomba	Rendimiento Medio	Mejor Rendimiento
Superficial CC + Bomba Centrífuga	25%	30%
Superficial CC + Centrífuga Multiestado	28%	40%
Motor AC/CC Sumergible + Centrífuga	32%	42%
Motor CC Superficial + Desplazamiento Positivo	35%	45%

Potencia Eléctrica Consumida:
P (W) = EH (Wh/día) / [ηMB × ηSIST × HSP]

Donde:
ηMB = Rendimiento motor-bomba (0,25 a 0,7)
ηSIST = Eficiencia del sistema (0,8-0,9)
HSP = Horas Solar Pico del lugar

4.6 Bombas SOLENER

Soluciones Energéticas S.A. fabrica bombas solares de muy alto rendimiento con impulsores de desplazamiento positivo muy resistentes. Características principales:

Tipo de Bomba	Aplicación	Caudal	Altura	Potencia
Bombas helicoidales	Pozos profundos	0,5-10 m³/h	50-300 m	0,5-5 kW
Bombas centrífugas	Caudales moderados-altos	5-50 m³/h	20-150 m	1-15 kW

Bombas SOLENER - Fabricación Española - Alta Eficiencia

4.7 Sistemas de Protección

Las instalaciones de bombeo requieren sistemas de protección para garantizar su funcionamiento seguro:

Protección	Función	Actuación
Falta de red	Detección de interrupción del suministro	Desconexión inmediata
Variaciones de tensión	Tensión fuera del rango de trabajo	Paro hasta normalización
Variaciones de frecuencia	Frecuencia fuera de límites	Paro inmediato
Sobretemperatura	Temperatura excesiva interna	Reducción de potencia o paro
Baja tensión generador	Radiación insuficiente	Espera y reintento cada 3 min

4.8 Fórmulas de Cálculo Simplificado

Para dimensionamiento rápido de instalaciones de bombeo solar:

Fórmula Completa:
kWp = [Q × H × 9,81] / [0,9 × 0,3 × Rs × 3.600]

Fórmula Simplificada:
Wfotovoltaicos = (10 × H × Q) / Rs

Donde:
Q = Caudal diario (m³/día)
H = Altura manométrica (m)
Rs = Radiación solar (kWh/m²/día o HSP)
0,9 = Eficiencia generador FV
0,3 = Eficiencia motor-bomba-inversor

Ejemplo:
Para Q = 20 m³/día, H = 30 m, Rs = 5 HSP:
W = (10 × 30 × 20) / 5 = 1.200 Wp
Coste estimado: 1.200 W × 3 €/W = 3.600 €

4.9 Consideraciones de Instalación

Aspectos prácticos para la instalación correcta de sistemas de bombeo:

Entubación del Pozo:
- Usar tubo de PVC para columna o manguera Aqualife
- Con manguera roja de bombero: dejar cable holgado (elongación 5%)
- Entubación resistente a presión y corrosión
Profundidad de Instalación:
- Inmersión mínima = NPSHbomba - 10 m
- Considerar abatimiento del pozo durante bombeo
- Bombas sumergibles: motor refrigerado por agua
- Bombas de superficie: fácil mantenimiento, requieren cebado
Depósito de Almacenamiento:
- Capacidad según autonomía requerida
- Sensores de nivel (mínimo y máximo)
- Preferible acumular agua en lugar de baterías
- Energía potencial almacenada en lugar de química

Importante: No es recomendable la utilización de baterías de acumulación, siendo preferible la acumulación de energía en forma de energía potencial (es decir el agua en la plantación o en el terreno o en una balsa).

4.10 Rentabilidad Económica

El auge de la demanda de sistemas de bombeo fotovoltaico en el panorama español está siendo favorecido tanto por el incremento del costo de la energía, como en la satisfacción del usuario final, debido al aumento de la calidad y eficiencia de las instalaciones, así como, por la amortización del sistema a corto plazo.

Ejemplo de Rentabilidad: Está demostrado que el riego de 2 o 3 Has. de viñedo con un sistema de bombeo se amortiza en menos de dos años al precio actual de los insumos. Un sistema fotovoltaico de 2 kWp (3 CV) de potencia nominal puede aumentar su producción en un 500%, lo que puede suponer un periodo de amortización inferior a dos años.

Resumen del Capítulo 4

Los sistemas de bombeo solar utilizan bombas centrífugas o de desplazamiento positivo según caudal y altura requeridos. El cálculo considera energía hidráulica (Q×H), pérdidas de carga y rendimientos del sistema. SOLENER fabrica bombas de alta eficiencia con motores sumergibles o de superficie. Las protecciones incluyen sistemas eléctricos (sobrecarga, cortocircuito, sobretensión) e hidráulicos (presostato, sensores de nivel). El dimensionamiento correcto del sistema garantiza su rentabilidad y durabilidad.

4.1 Types de Pompes

Les pompes sont des dispositifs mécaniques qui transforment l'énergie mécanique en énergie hydraulique, permettant d'élever, transporter ou comprimer des liquides. Dans les systèmes de pompage solaire, on utilise principalement deux types de pompes:

A) Pompes à Déplacement Positif (Volumétriques)

Fonctionnent par changements de volume qui obligent le fluide à avancer. L'élément propulseur peut avoir un mouvement rectiligne alternatif (piston, membrane) ou rotatif (engrenage, palettes).

Caractéristique	Description
Principe de fonctionnement	L'impulseur pousse le liquide depuis la chambre qui le contient par effet de diminution du volume de cette chambre
Caractéristiques principales	Couple de démarrage élevé, débit constant indépendant de la hauteur
Applications	Puits profonds, hautes pressions, faibles débits
Rendement	90% environ
Limitations	Problèmes avec sable, puissances limitées (< 1 CV)

B) Pompes Centrifuges (Rotodynamiques)

L'eau se déplace par action d'une roue ou impulseur avec mouvement giratoire. Le liquide sort de la pompe perpendiculairement à l'axe de rotation. La force centrifuge augmente l'énergie du courant.

Caractéristique	Description
Principe de fonctionnement	L'eau en rotation tend à s'échapper vers l'extérieur produisant un vide dans son déplacement
Caractéristiques principales	Rapport hauteur-débit élevé, éliminent les résidus de sable
Applications	Systèmes d'irrigation, débits modérés-élevés
Rendement	60% environ
Avantages	Plus économiques, maintenance facile

4.2 Courbes Caractéristiques

Les courbes caractéristiques relient le débit (Q) à la hauteur manométrique (H) et au rendement (η). Pour les pompes centrifuges, s'appliquent les lois de similitude hydraulique:

Lois de Similitude:
Q/Q₀ = N/N₀ = f/f₀
H/H₀ = (N/N₀)² = (f/f₀)²
P/P₀ = (N/N₀)³ = (f/f₀)³

Où:
Q = Débit (l/min ou m³/h)
H = Hauteur manométrique (m)
P = Puissance (W ou kW)
N = Révolutions par minute (rpm)
f = Fréquence (Hz)

Exemple pratique: Une pompe à 50 Hz pompe 2.000 l/min et consomme 10 kW:
À 40 Hz: Débit = 1.600 l/min (80%), Puissance = 5,12 kW (51,2%)

4.3 Calcul d'Énergie Hydraulique

L'énergie nécessaire pour élever l'eau se calcule en considérant le débit quotidien et la hauteur totale équivalente:

Formule d'Énergie Hydraulique:
EH (Wh/jour) = [Qd (m³/jour) × HTE (m) × 1000 × 9,81] / 3600

Simplifiée:
EH (Wh) = V (litres) × H (mètres) / 367

Où:
Qd = Débit quotidien requis
HTE = Hauteur Totale Équivalente = HST + HD + Hf
HST = Hauteur statique (niveau piézométrique à sol)
HD = Hauteur dynamique (point le plus haut de décharge)
Hf = Pertes de charge par friction

4.4 Dimensionnement de Tuyauteries

Les pertes de charge par friction dans les tuyauteries doivent se minimiser. Selon l'IDAE, ces pertes doivent être inférieures à 10% de l'énergie utile:

Calcul de Pertes de Charge:
Hf = f × (L/D) × (v²/2g)

Estimation pratique:
Chaque 100 m de tuyauterie ≈ 4 m de pertes de charge
Hauteur Totale: HTE = HST × 1,1 (inclut 10% pertes estimées)

4.5 Sélection de Moto-Pompe

La sélection du système moteur-pompe dépend du débit et hauteur requis. Le rendement du système (ηMB) varie selon la configuration:

Configuration Moteur-Pompe	Rendement Moyen	Meilleur Rendement
Surface CC + Pompe Centrifuge	25%	30%
Superficial CC + Centrifuge Multiestado	28%	40%
Motor AC/CC Sumergible + Centrífuga	32%	42%

Puissance Électrique Consommée:
P (W) = EH (Wh/jour) / [ηMB × ηSIST × HSP]

Où:
ηMB = Rendement moteur-pompe (0,25 à 0,7)
ηSIST = Efficacité du système (0,8-0,9)
HSP = Heures Solaires Pics du lieu

4.6 Pompes SOLENER

Soluciones Energéticas S.A. fabrique des pompes solaires à très haut rendement avec des impulseurs à déplacement positif très résistants.

Type de Pompe	Application	Débit	Hauteur	Puissance
Pompes hélicoïdales	Puits profonds	0,5-10 m³/h	50-300 m	0,5-5 kW
Pompes centrifuges	Débits modérés-élevés	5-50 m³/h	20-150 m	1-15 kW

Pompes SOLENER - Fabrication Espagnole - Haute Efficacité

4.7 Systèmes de Protection

Les installations de pompage requièrent des systèmes de protection pour garantir leur fonctionnement sûr:

Protection	Fonction	Actuation
Manque de réseau	Détection d'interruption du supply	Déconnexion immédiate
Variations de tension	Tension hors du range de travail	Arrêt jusqu'à normalisation
Variations de fréquence	Fréquence hors de limites	Arrêt immédiat
Surtempérature	Température excessive interne	Réduction de puissance ou arrêt

4.8 Formules de Calcul Simplifié

Pour dimensionnement rapide d'installations de pompage solaire:

Formule Complète:
kWp = [Q × H × 9,81] / [0,9 × 0,3 × Rs × 3.600]

Formule Simplifiée:
Wfotovoltaicos = (10 × H × Q) / Rs

Où:
Q = Débit quotidien (m³/jour)
H = Hauteur manométrique (m)
Rs = Radiation solaire (kWh/m²/jour ou HSP)
0,9 = Efficacité générateur FV
0,3 = Efficacité moteur-pompe-onduleur

Exemple:
Pour Q = 20 m³/jour, H = 30 m, Rs = 5 HSP:
W = (10 × 30 × 20) / 5 = 1.200 Wp
Coût estimé: 1.200 W × 3 €/W = 3.600 €

4.9 Considérations d'Installation

Aspects pratiques pour l'installation correcte de systèmes de pompage:

Entubage du Puits:
- Utiliser tube de PVC pour colonne ou tuyau Aqualife
- Avec tuyau rouge de pompier: laisser câble lâche (elongation 5%)
- Entubage résistant à pression et corrosion
Profondeur d'Installation:
- Immersion minimum = NPSHpompe - 10 m
- Considérer abattement du puits pendant pompage
- Pompes submersibles: moteur refroidi par eau
- Pompes de surface: maintenance facile, requièrent amorçage
Dépôt de Stockage:
- Capacité selon autonomie requise
- Capteurs de niveau (minimum et maximum)
- Préférable accumuler eau au lieu de batteries
- Énergie potentielle stockée au lieu de chimique

Important: Il n'est pas recommandé l'utilisation de batteries d'accumulation, étant préférable l'accumulation d'énergie en forme d'énergie potentielle (c'est-à-dire l'eau dans la plantation ou dans le terrain ou dans un bassin).

4.10 Rentabilité Économique

L'essor de la demande de systèmes de pompage photovoltaïque dans le panorama espagnol est favorisé tant par l'augmentation du coût de l'énergie, comme dans la satisfaction de l'utilisateur final, dû à l'augmentation de la qualité et efficacité des installations, ainsi que, par l'amortissement du système à court terme.

Exemple de Rentabilité: Il est démontré que l'irrigation de 2 ou 3 Has. de vignoble avec un système de pompage s'amortit en moins de deux ans au prix actuel des intrants. Un système photovoltaïque de 2 kWp (3 CV) de puissance nominale peut augmenter sa production en un 500%, ce qui peut supposer une période d'amortissement inférieure à deux ans.

Résumé du Chapitre 4

Les systèmes de pompage solaire utilisent des pompes centrifuges ou à déplacement positif selon débit et hauteur requis. Le calcul considère énergie hydraulique (Q×H), pertes de charge et rendements du système. SOLENER fabrique des pompes de haute efficacité avec moteurs submersibles ou de surface. Les protections incluent systèmes électriques (surcharge, court-circuit, surtension) et hydrauliques (pressostat, capteurs de niveau). Le dimensionnement correct du système garantit sa rentabilité et durabilité.

4.1 Pump Types

Pumps are mechanical devices that transform mechanical energy into hydraulic energy, allowing liquids to be lifted, transported or compressed. In solar pumping systems, two main types of pumps are used:

A) Positive Displacement Pumps (Volumetric)

Operate through volume changes that force the fluid to advance. The impeller can have alternative rectilinear motion (piston, diaphragm) or rotary motion (gear, vanes).

Characteristic	Description
Operating principle	The impeller pushes the liquid from the chamber containing it by effect of decreasing the volume of that chamber
Main characteristics	High starting torque, constant flow independent of head
Applications	Deep wells, high pressure increments, low flow rates
Efficiency	Approximately 90%
Limitations	Problems with sand, limited powers (< 1 HP)

B) Centrifugal Pumps (Rotodynamic)

Water moves by action of an impeller with rotary motion. The liquid leaves the pump perpendicular to the axis of rotation. Centrifugal force increases the energy of the current.

Characteristic	Description
Operating principle	The water in rotation tends to escape outward producing a vacuum in its displacement
Main characteristics	High head-flow ratio, eliminate sand residues
Applications	Irrigation systems, moderate-high flow rates
Efficiency	Approximately 60%
Advantages	More economical, easy maintenance

4.2 Characteristic Curves

Characteristic curves relate flow rate (Q) to head (H) and efficiency (η). For centrifugal pumps, hydraulic similarity laws apply:

Similarity Laws:
Q/Q₀ = N/N₀ = f/f₀
H/H₀ = (N/N₀)² = (f/f₀)²
P/P₀ = (N/N₀)³ = (f/f₀)³

Where:
Q = Flow rate (l/min or m³/h)
H = Head (m)
P = Power (W or kW)
N = Revolutions per minute (rpm)
f = Frequency (Hz)

Practical example: A pump at 50 Hz pumps 2,000 l/min and consumes 10 kW:
At 40 Hz: Flow = 1,600 l/min (80%), Power = 5.12 kW (51.2%)

4.3 Hydraulic Energy Calculation

The energy necessary to lift water is calculated considering daily flow rate and total equivalent head:

Hydraulic Energy Formula:
EH (Wh/day) = [Qd (m³/day) × HTE (m) × 1000 × 9.81] / 3600

Simplified:
EH (Wh) = V (liters) × H (meters) / 367

Where:
Qd = Required daily flow rate
HTE = Total Equivalent Head = HST + HD + Hf
HST = Static head (water table to ground)
HD = Dynamic head (highest discharge point)
Hf = Head losses by friction

4.4 Pipe Sizing

Head losses by friction in pipes must be minimized. According to IDAE, these losses must be less than 10% of useful energy:

Head Loss Calculation:
Hf = f × (L/D) × (v²/2g)

Practical estimation:
Every 100 m of pipe ≈ 4 m of head losses
Total Head: HTE = HST × 1.1 (includes 10% estimated losses)

4.5 Motor-Pump Selection

Motor-pump system selection depends on required flow rate and head. System efficiency (ηMB) varies according to configuration:

Motor-Pump Configuration	Average Efficiency	Best Efficiency
Surface DC + Centrifugal Pump	25%	30%
Surface DC + Multicellular Centrifugal	28%	40%
AC/DC Submersible Motor + Centrifugal	32%	42%

Consumed Electrical Power:
P (W) = EH (Wh/day) / [ηMB × ηSIST × HSP]

Where:
ηMB = Motor-pump efficiency (0.25 to 0.7)
ηSIST = System efficiency (0.8-0.9)
HSP = Peak Solar Hours of the place

4.6 SOLENER Pumps

Soluciones Energéticas S.A. manufactures high-performance solar pumps with very resistant positive displacement impellers.

Pump Type	Application	Flow Rate	Head	Power
Helical pumps	Deep wells	0.5-10 m³/h	50-300 m	0.5-5 kW
Centrifugal pumps	Moderate-high flow rates	5-50 m³/h	20-150 m	1-15 kW

SOLENER Pumps - Spanish Manufacturing - High Efficiency

4.7 Protection Systems

Pumping installations require protection systems to guarantee safe operation:

Protection	Function	Action
Grid failure	Detection of supply interruption	Immediate disconnection
Voltage variations	Voltage out of working range	Stop until normalization
Frequency variations	Frequency out of limits	Immediate stop
Overtemperature	Excessive internal temperature	Power reduction or stop

4.8 Simplified Calculation Formulas

For quick sizing of solar pumping installations:

Complete Formula:
kWp = [Q × H × 9.81] / [0.9 × 0.3 × Rs × 3,600]

Simplified Formula:
Wphotovoltaics = (10 × H × Q) / Rs

Where:
Q = Daily flow rate (m³/day)
H = Head (m)
Rs = Solar radiation (kWh/m²/day or HSP)
0.9 = PV generator efficiency
0.3 = Motor-pump-inverter efficiency

Example:
For Q = 20 m³/day, H = 30 m, Rs = 5 HSP:
W = (10 × 30 × 20) / 5 = 1,200 Wp
Estimated cost: 1,200 W × 3 €/W = 3,600 €

4.9 Installation Considerations

Practical aspects for correct installation of pumping systems:

Well Casing:
- Use PVC pipe for column or Aqualife hose
- With red fire hose: leave loose cable (5% elongation)
- Casing resistant to pressure and corrosion
Installation Depth:
- Minimum immersion = NPSHpump - 10 m
- Consider well drawdown during pumping
- Submersible pumps: water-cooled motor
- Surface pumps: easy maintenance, require priming
Storage Tank:
- Capacity according to required autonomy
- Level sensors (minimum and maximum)
- Preferable to accumulate water instead of batteries
- Potential energy stored instead of chemical

Important: The use of accumulation batteries is not recommended, being preferable the accumulation of energy in the form of potential energy (that is, the water in the plantation or in the terrain or in a pool).

4.10 Economic Profitability

The boom in demand for photovoltaic pumping systems in the Spanish scene is being favored both by the increase in the cost of energy, and in the satisfaction of the end user, due to the increase in the quality and efficiency of the installations, as well as, by the amortization of the system in the short term.

Profitability Example: It is demonstrated that the irrigation of 2 or 3 Has. of vineyard with a pumping system is amortized in less than two years at the current price of inputs. A 2 kWp (3 HP) photovoltaic system of nominal power can increase its production by 500%, which can mean an amortization period of less than two years.

Chapter 4 Summary

Solar pumping systems use centrifugal or positive displacement pumps depending on required flow and head. Calculation considers hydraulic energy (Q×H), head losses and system efficiencies. SOLENER manufactures high-efficiency pumps with submersible or surface motors. Protections include electrical systems (overload, short circuit, overvoltage) and hydraulic systems (pressure switch, level sensors). Correct system sizing guarantees its profitability and durability.

4.1 أنواع المضخات

المضخات هي أجهزة ميكانيكية تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة هيدروليكية، مما يسمح برفع أو نقل أو ضغط السوائل. في أنظمة الضخ الشمسي، يتم استخدام نوعين رئيسيين من المضخات:

أ) مضخات الإزاحة الموجبة (الحجمية)

تعمل من خلال تغييرات الحجم التي تجبر المائع على التقدم. يمكن أن يكون للعنصر الدافع حركة مستقيمة بديلة (مكبس، غشاء) أو حركة دورانية (تروس، ريش).

الخاصية	الوصف
مبدأ التشغيل	يدفع الدافع السائل من الحجرة التي تحتويه بتأثير تقليل حجم تلك الحجرة
الخصائص الرئيسية	عزم دوران عالي عند البدء، تدفق ثابت مستقل عن الارتفاع
التطبيقات	الآبار العميقة، زيادات الضغط العالية، التدفقات المنخفضة
الكفاءة	حوالي 90%
القيود	مشاكل مع الرمل، قدرات محدودة (< 1 حصان)

ب) المضخات الطاردة المركزية (الديناميكية الدورانية)

يتحرك الماء بفعل دفع أو مروحة ذات حركة دورانية. يخرج السائل من المضخة بشكل عمودي على محور الدوران. تزيد القوة الطاردة المركزية من طاقة التيار.

الخاصية	الوصف
مبدأ التشغيل	الماء في الدوران يميل إلى الهروب نحو الخارج منتجاً فراغاً في إزاحته
الخصائص الرئيسية	نسبة الارتفاع-التدفق عالية، تزيل بقايا الرمال
التطبيقات	أنظمة الري، معدلات التدفق المتوسطة-العالية
الكفاءة	حوالي 60%
المزايا	أكثر اقتصادية، صيانة سهلة

4.2 المنحنيات المميزة

تربط المنحنيات المميزة بين معدل التدفق (Q) والارتفاع المانومتري (H) والكفاءة (η). للمضخات الطاردة المركزية، تنطبق قوانين التشابه الهيدروليكي:

قوانين التشابه:
Q/Q₀ = N/N₀ = f/f₀
H/H₀ = (N/N₀)² = (f/f₀)²
P/P₀ = (N/N₀)³ = (f/f₀)³

حيث:
Q = التدفق (لتر/دقيقة أو م³/ساعة)
H = الارتفاع (م)
P = القدرة (واط أو كيلوواط)
N = الدورات في الدقيقة (دورة/دقيقة)
f = التردد (هرتز)

مثال عملي: مضخة عند 50 هرتز تضخ 2,000 لتر/دقيقة وتستهلك 10 كيلوواط:
عند 40 هرتز: التدفق = 1,600 لتر/دقيقة (80%)، القدرة = 5.12 كيلوواط (51.2%)

4.3 حساب الطاقة الهيدروليكية

الطاقة اللازمة لرفع الماء تحسب بالنظر إلى التدفق اليومي والارتفاع الكلي المكافئ:

صيغة الطاقة الهيدروليكية:
EH (واط ساعة/يوم) = [Qd (م³/يوم) × HTE (م) × 1000 × 9,81] / 3600

مبسطة:
EH (واط ساعة) = V (لتر) × H (متر) / 367

حيث:
Qd = التدفق اليومي المطلوب
HTE = الارتفاع الكلي المكافئ = HST + HD + Hf
HST = الارتفاع الثابت (مستوى الماء إلى الأرض)
HD = الارتفاع الديناميكي (أعلى نقطة تصريف)
Hf = فقدان الحمل بالاحتكاك

4.4 تحجيم الأنابيب

فقدان الحمل بالاحتكاك في الأنابيب يجب تقليله. وفقاً لـ IDAE، يجب أن تكون هذه الخسائر أقل من 10% من الطاقة المفيدة:

حساب فقدان الحمل:
Hf = f × (L/D) × (v²/2g)

تقدير عملي:
كل 100 م من الأنبوب ≈ 4 م من فقدان الحمل
الارتفاع الكلي: HTE = HST × 1,1 (يشمل 10% خسائر مقدرة)

4.5 اختيار محرك-مضخة

اختيار نظام المحرك-المضخة يعتمد على التدفق والارتفاع المطلوبين. كفاءة النظام (ηMB) تختلف حسب التكوين:

تكوين المحرك-المضخة	الكفاءة المتوسطة	أفضل كفاءة
سطحي DC + مضخة طاردة مركزية	25%	30%
سطحي DC + طاردة مركزية متعددة الخلايا	28%	40%
محرك AC/DC غاطس + طاردة مركزية	32%	42%

الطاقة الكهربائية المستهلكة:
P (واط) = EH (واط ساعة/يوم) / [ηMB × ηSIST × HSP]

حيث:
ηMB = كفاءة المحرك-المضخة (0,25 إلى 0,7)
ηSIST = كفاءة النظام (0,8-0,9)
HSP = ساعات الشمس القصوى للمكان

4.6 مضخات SOLENER

تصنع Soluciones Energéticas S.A. مضخات شمسية بأداء عالٍ جداً مع دوافع إزاحة موجبة مقاومة جداً.

نوع المضخة	التطبيق	التدفق	الارتفاع	القدرة
مضخات حلزونية	آبار عميقة	0,5-10 م³/ساعة	50-300 م	0,5-5 كيلوواط
مضخات طاردة مركزية	معدلات التدفق المتوسطة-العالية	5-50 م³/ساعة	20-150 م	1-15 كيلوواط

مضخات SOLENER - تصنيع إسباني - كفاءة عالية

4.7 أنظمة الحماية

تركيبات الضخ تتطلب أنظمة حماية لضمان التشغيل الآمن:

الحماية	الوظيفة	الإجراء
فشل الشبكة	اكتشاف انقطاع التوريد	فصل فوري
تغيرات الجهد	الجهد خارج نطاق العمل	توقف حتى التطبيع
تغيرات التردد	التردد خارج الحدود	توقف فوري
درجة الحرارة الزائدة	درجة حرارة داخلية زائدة	تخفيض القدرة أو التوقف

4.8 صيغ حساب مبسط

لتحجيم سريع لتركيبات الضخ الشمسي:

الصيغة الكاملة:
كيلوواط ذروة = [Q × H × 9,81] / [0,9 × 0,3 × Rs × 3.600]

الصيغة المبسطة:
واط كهروضوئي = (10 × H × Q) / Rs

حيث:
Q = التدفق اليومي (م³/يوم)
H = الارتفاع المانومتري (م)
Rs = الإشعاع الشمسي (كيلوواط ساعة/م²/يوم أو HSP)
0,9 = كفاءة المولد الكهروضوئي
0,3 = كفاءة المحرك-المضخة-العاكس

مثال:
لـ Q = 20 م³/يوم، H = 30 م، Rs = 5 HSP:
واط = (10 × 30 × 20) / 5 = 1.200 واط ذروة
التكلفة المقدرة: 1.200 واط × 3 €/واط = 3.600 €

4.9 اعتبارات التركيب

الجوانب العملية للتركيب الصحيح لأنظمة الضخ:

تبطين البئر:
- استخدام أنبوب PVC للعمود أو خرطوم Aqualife
- مع خرطوم الإطفاء الأحمر: ترك كابل مرتخي (استطالة 5%)
- تبطين مقاوم للضغط والتآكل
عمق التركيب:
- الغمر الأدنى = NPSHالمضخة - 10 م
- النظر في انخفاض البئر أثناء الضخ
- مضخات غاطسة: محرك مبرد بالماء
- مضخات سطحية: صيانة سهلة، تتطلب تهيئة
خزان التخزين:
- السعة حسب الاستقلالية المطلوبة
- حساسات المستوى (أدنى وأقصى)
- الأفضل تراكم الماء بدلاً من البطاريات
- طاقة كامنة مخزنة بدلاً من كيميائية

مهم: لا يوصى باستخدام بطاريات التخزين، حيث يفضل تراكم الطاقة على شكل طاقة كامنة (أي الماء في المزرعة أو في الأرض أو في بركة).

4.10 الربحية الاقتصادية

يتم تعزيز ازدهار الطلب على أنظمة الضخ الكهروضوئي في المشهد الإسباني من خلال زيادة تكلفة الطاقة، وكذلك رضا المستخدم النهائي، نظرًا لزيادة جودة وكفاءة المنشآت، وكذلك من خلال استهلاك النظام على المدى القصير.

مثال الربحية: ثبت أن ري 2 أو 3 هكتار من كروم العنب بنظام ضخ يتم استهلاكه في أقل من عامين بالسعر الحالي للمدخلات. يمكن لنظام كهروضوئي بقدرة 2 كيلوواط (3 حصان) من الطاقة الاسمية أن يزيد إنتاجه بنسبة 500٪، مما قد يعني فترة استهلاك أقل من عامين.

ملخص الفصل 4

تستخدم أنظمة الضخ الشمسي مضخات طاردة مركزية أو إزاحة موجبة اعتمادًا على التدفق والارتفاع المطلوبين. يأخذ الحساب في الاعتبار الطاقة الهيدروليكية (Q×H)، وفقدان الحمل، وكفاءات النظام. تصنع SOLENER مضخات عالية الكفاءة بمحركات غاطسة أو سطحية. تشمل الحمايات أنظمة كهربائية (حمل زائد، دائرة قصيرة، جهد زائد) وهيدروليكية (مفتاح ضغط، حساسات مستوى). التحجيم الصحيح للنظام يضمن ربحيته ومتانته.

4.1 انواع پمپ‌ها

پمپ‌ها دستگاه‌های مکانیکی هستند که انرژی مکانیکی را به انرژی هیدرولیکی تبدیل می‌کنند و امکان بالا بردن، انتقال یا فشرده‌سازی مایعات را فراهم می‌کنند. در سیستم‌های پمپاژ خورشیدی، دو نوع اصلی پمپ استفاده می‌شود:

الف) پمپ‌های جابجایی مثبت (حجمی)

از طریق تغییرات حجمی که سیال را مجبور به پیشروی می‌کند کار می‌کنند. عنصر پیشران می‌تواند حرکت مستقیم متناوب (پیستون، دیافراگم) یا حرکت چرخشی (چرخ‌دنده، پره‌ها) داشته باشد.

ویژگی	توضیحات
اصل عملکرد	پیشران مایع را از محفظه‌ای که آن را حاوی است با اثر کاهش حجم آن محفظه هل می‌دهد
ویژگی‌های اصلی	گشتاور راه‌اندازی بالا، دبی ثابت مستقل از ارتفاع
کاربردها	چاه‌های عمیق، افزایش فشار بالا، دبی‌های کم
بازده	حدود 90%
محدودیت‌ها	مشکلات با ماسه، قدرت‌های محدود (< 1 اسب بخار)

ب) پمپ‌های گریز از مرکز (روتودینامیک)

آب توسط پروانه یا ایمپلر با حرکت چرخشی جابجا می‌شود. مایع به صورت عمود بر محور چرخش از پمپ خارج می‌شود. نیروی گریز از مرکز انرژی جریان را افزایش می‌دهد.

ویژگی	توضیحات
اصل عملکرد	آب در چرخش تمایل به فرار به بیرون دارد و خلأ را در جابجایی خود تولید می‌کند
ویژگی‌های اصلی	نسبت ارتفاع-دبی بالا، بقایای ماسه را حذف می‌کنند
کاربردها	سیستم‌های آبیاری، دبی‌های متوسط-بالا
بازده	حدود 60%
مزایا	اقتصادی‌تر، نگهداری آسان

4.2 منحنی‌های مشخصه

منحنی‌های مشخصه دبی (Q) را به ارتفاع مانومتریک (H) و بازده (η) مرتبط می‌کنند. برای پمپ‌های گریز از مرکز، قوانین تشابه هیدرولیکی اعمال می‌شود:

قوانین تشابه:
Q/Q₀ = N/N₀ = f/f₀
H/H₀ = (N/N₀)² = (f/f₀)²
P/P₀ = (N/N₀)³ = (f/f₀)³

که در آن:
Q = دبی (لیتر/دقیقه یا م³/ساعت)
H = ارتفاع (م)
P = توان (وات یا کیلووات)
N = دور در دقیقه (دور/دقیقه)
f = فرکانس (هرتز)

مثال عملی: پمپی که در 50 هرتز 2,000 لیتر/دقیقه پمپاژ می‌کند و 10 کیلووات مصرف می‌کند:
در 40 هرتز: دبی = 1,600 لیتر/دقیقه (80%)، توان = 5.12 کیلووات (51.2%)

4.3 محاسبه انرژی هیدرولیک

انرژی لازم برای بالا بردن آب با در نظر گرفتن دبی روزانه و ارتفاع کل معادل محاسبه می‌شود:

فرمول انرژی هیدرولیک:
EH (وات‌ساعت/روز) = [Qd (م³/روز) × HTE (م) × 1000 × 9.81] / 3600

ساده‌شده:
EH (وات‌ساعت) = V (لیتر) × H (متر) / 367

که در آن:
Qd = دبی روزانه مورد نیاز
HTE = ارتفاع کل معادل = HST + HD + Hf
HST = ارتفاع استاتیک (سطح آب تا زمین)
HD = ارتفاع دینامیک (بالاترین نقطه تخلیه)
Hf = افت‌های هد بر اثر اصطکاک

4.4 اندازه‌گیری لوله‌ها

افت‌های هد بر اثر اصطکاک در لوله‌ها باید برای تضمین کارایی سیستم به حداقل برسند. طبق IDAE، این افت‌ها باید کمتر از 10% انرژی مفید باشند:

محاسبه افت‌های هد:
Hf = f × (L/D) × (v²/2g)

تخمین عملی:
هر 100 م لوله ≈ 4 م افت هد
ارتفاع کل: HTE = HST × 1,1 (شامل 10% افت‌های تخمینی)

4.5 انتخاب موتور-پمپ

انتخاب سیستم موتور-پمپ به دبی و ارتفاع مورد نیاز بستگی دارد. کارایی سیستم (ηMB) بر اساس پیکربندی تغییر می‌کند:

پیکربندی موتور-پمپ	کارایی متوسط	بهترین کارایی
سطحی DC + پمپ گریز از مرکز	25%	30%
سطحی DC + گریز از مرکز چند سلولی	28%	40%
موتور AC/DC مستغرق + گریز از مرکز	32%	42%

توان الکتریکی مصرفی:
P (وات) = EH (وات‌ساعت/روز) / [ηMB × ηSIST × HSP]

که در آن:
ηMB = کارایی موتور-پمپ (0,25 تا 0,7)
ηSIST = کارایی سیستم (0,8-0,9)
HSP = ساعات خورشیدی اوج مکان

4.6 پمپ‌های SOLENER

Soluciones Energéticas S.A. پمپ‌های خورشیدی با بازده بسیار بالا با ایمپلرهای جابجایی مثبت بسیار مقاوم تولید می‌کند.

نوع پمپ	کاربرد	دبی	ارتفاع	قدرت
پمپ‌های مارپیچ	چاه‌های عمیق	0,5-10 م³/ساعت	50-300 م	0,5-5 کیلووات
پمپ‌های گریز از مرکز	دبی‌های متوسط-بالا	5-50 م³/ساعت	20-150 م	1-15 کیلووات

پمپ‌های SOLENER - ساخت اسپانیا - بازده بالا

4.7 سیستم‌های حفاظت

تأسیسات پمپاژ به سیستم‌های حفاظت برای تضمین عملکرد ایمن نیاز دارند:

حفاظت	عملکرد	اقدام
خرابی شبکه	تشخیص خرابی تأمین	قطع فوری
تغییرات ولتاژ	ولتاژ خارج از محدوده کار	توقف تا عادی‌سازی
تغییرات فرکانس	فرکانس خارج از حدود	توقف فوری
دمای بیش از حد	دمای داخلی بیش از حد	کاهش توان یا توقف

4.8 فرمول‌های محاسبه ساده‌شده

برای اندازه‌گیری سریع تأسیسات پمپاژ خورشیدی:

فرمول کامل:
کیلووات ذروه = [Q × H × 9,81] / [0,9 × 0,3 × Rs × 3.600]

فرمول ساده‌شده:
وات فتوولتائیک = (10 × H × Q) / Rs

که در آن:
Q = دبی روزانه (م³/روز)
H = ارتفاع مانومتریک (م)
Rs = تابش خورشیدی (کیلووات‌ساعت/م²/روز یا HSP)
0,9 = کارایی ژنراتور فتوولتائیک
0,3 = کارایی موتور-پمپ-اینورتر

مثال:
برای Q = 20 م³/روز، H = 30 م، Rs = 5 HSP:
وات = (10 × 30 × 20) / 5 = 1.200 وات ذروه
هزینه تخمینی: 1.200 وات × 3 €/وات = 3.600 €

4.9 ملاحظات نصب

جنبه‌های عملی برای نصب صحیح سیستم‌های پمپاژ:

لوله‌کشی چاه:
- استفاده از لوله PVC برای ستون یا شلنگ Aqualife
- با شلنگ قرمز آتش‌نشانی: گذاشتن کابل شل (طویل شدن 5%)
- لوله‌کشی مقاوم به فشار و خوردگی
عمق نصب:
- غوطه‌وری حداقل = NPSHپمپ - 10 م
- در نظر گرفتن کاهش چاه در حین پمپاژ
- پمپ‌های مستغرق: موتور خنک‌شده با آب
- پمپ‌های سطحی: نگهداری آسان، نیاز به آماده‌سازی دارند
مخزن ذخیره‌سازی:
- ظرفیت بر اساس خودمختاری مورد نیاز
- حساس‌های سطح (حداقل و حداکثر)
- ترجیحاً انباشت آب به جای باتری‌ها
- انرژی پتانسیل انباشته شده به جای شیمیایی

مهم: استفاده از باتری‌های انباشته توصیه نمی‌شود، ترجیحاً آب را در مخازن (انرژی پتانسیل) به جای انرژی الکتریکی (انرژی شیمیایی) انباشته کنید.

4.10 سودآوری اقتصادی

رونق تقاضا برای سیستم‌های پمپاژ فتوولتائیک در صحنه اسپانیا هم توسط افزایش هزینه انرژی و هم توسط رضایت کاربر نهایی، به دلیل افزایش کیفیت و کارایی تأسیسات، و همچنین توسط استهلاک سیستم در کوتاه مدت تقویت می‌شود.

مثال سودآوری: ثابت شده است که آبیاری 2 یا 3 هکتار تاکستان با سیستم پمپاژ در کمتر از دو سال با قیمت فعلی ورودی‌ها مستهلک می‌شود. یک سیستم فتوولتائیک 2 کیلووات (3 اسب) توان نامی می‌تواند تولید خود را 500٪ افزایش دهد، که ممکن است به معنای دوره استهلاک کمتر از دو سال باشد.

خلاصه فصل 4

سیستم‌های پمپاژ خورشیدی از پمپ‌های گریز از مرکز یا جابجایی مثبت بسته به دبی و ارتفاع مورد نیاز استفاده می‌کنند. محاسبه انرژی هیدرولیک (Q×H)، افت‌های هد و بازدهی‌های سیستم را در نظر می‌گیرد. SOLENER پمپ‌های با بازده بالا با موتورهای مستغرق یا سطحی تولید می‌کند. حفاظت‌ها شامل سیستم‌های الکتریکی (بار بیش از حد، اتصال کوتاه، ولتاژ بیش از حد) و هیدرولیک (کلید فشار، حساس‌های سطح) هستند. اندازه‌گیری صحیح سیستم سودمندی و دوام آن را تضمین می‌کند.

4.1 Tipos de Bombas

As bombas são dispositivos mecânicos que transformam energia mecânica em energia hidráulica, permitindo elevar, transportar ou comprimir líquidos. Em sistemas de bombeamento solar, utilizam-se principalmente dois tipos de bombas:

A) Bombas de Deslocamento Positivo (Volumétricas)

Funcionam mediante mudanças de volume que obrigam o fluido a avançar. O elemento impulsor pode ter movimento retilíneo alternativo (êmbolo, membrana) ou rotativo (engrenagem, palhetas).

Característica	Descrição
Princípio de funcionamento	O impulsor impulsiona o líquido desde a câmara que o contém por efeito de diminuição do volume dessa câmara
Características principais	Alto torque de partida, vazão constante independente da altura
Aplicações	Poços profundos, incrementos de pressão altos, vazões baixas
Rendimento	90% aproximadamente
Limitações	Problemas com areia, potências limitadas (< 1 CV)

B) Bombas Centrífugas (Rotodinâmicas)

A água se desloca por ação de um rotor ou impulsor com movimento giratório. O líquido sai da bomba perpendicularmente ao eixo de rotação. A força centrífuga aumenta a energia da corrente.

Característica	Descrição
Princípio de funcionamento	A água em rotação tende a escapar para fora produzindo um vácuo em seu deslocamento
Características principais	Relação altura-vazão alta, eliminam resíduos de areia
Aplicações	Sistemas de irrigação, vazões moderadas-altas
Rendimento	60% aproximadamente
Vantagens	Mais econômicas, fácil manutenção

4.2 Curvas Características

As curvas características relacionam a vazão (Q) com a altura manométrica (H) e o rendimento (η). Para bombas centrífugas, aplicam-se as leis de semelhança hidráulica:

Leis de Semelhança:
Q/Q₀ = N/N₀ = f/f₀
H/H₀ = (N/N₀)² = (f/f₀)²
P/P₀ = (N/N₀)³ = (f/f₀)³

Onde:
Q = Vazão (l/min ou m³/h)
H = Altura manométrica (m)
P = Potência (W ou kW)
N = Revoluções por minuto (rpm)
f = Frequência (Hz)

Exemplo prático: Uma bomba a 50 Hz bombeia 2.000 l/min e consome 10 kW:
A 40 Hz: Vazão = 1.600 l/min (80%), Potência = 5,12 kW (51,2%)

4.3 Cálculo de Energia Hidráulica

A energia necessária para elevar água se calcula considerando a vazão diária e a altura total equivalente:

Fórmula de Energia Hidráulica:
EH (Wh/dia) = [Qd (m³/dia) × HTE (m) × 1000 × 9,81] / 3600

Simplificada:
EH (Wh) = V (litros) × H (metros) / 367

Onde:
Qd = Vazão diária requerida
HTE = Altura Total Equivalente = HST + HD + Hf
HST = Altura estática (nível freático a solo)
HD = Altura dinâmica (ponto mais alto de descarga)
Hf = Perdas de carga por fricção

4.4 Dimensionamento de Tubulações

As perdas de carga por fricção em tubulações devem minimizar-se. Segundo o IDAE, estas perdas devem ser inferiores a 10% da energia útil:

Cálculo de Perdas de Carga:
Hf = f × (L/D) × (v²/2g)

Estimação prática:
Cada 100 m de tubulação ≈ 4 m de perdas de carga
Altura Total: HTE = HST × 1,1 (inclui 10% perdas estimadas)

4.5 Seleção de Motobomba

A seleção do sistema motor-bomba depende da vazão e altura requeridos. O rendimento do sistema (ηMB) varia segundo a configuração:

Configuração Motor-Bomba	Rendimento Médio	Melhor Rendimento
Superficial CC + Bomba Centrífuga	25%	30%
Superficial CC + Centrífuga Multiestado	28%	40%
Motor AC/CC Submersível + Centrífuga	32%	42%

Potência Elétrica Consumida:
P (W) = EH (Wh/dia) / [ηMB × ηSIST × HSP]

Onde:
ηMB = Rendimento motor-bomba (0,25 a 0,7)
ηSIST = Eficiência do sistema (0,8-0,9)
HSP = Horas Solar Pico do lugar

4.6 Bombas SOLENER

Soluciones Energéticas S.A. fabrica bombas solares de altíssimo rendimento com impulsores de deslocamento positivo muito resistentes.

Tipo de Bomba	Aplicação	Vazão	Altura	Potência
Bombas helicoidais	Poços profundos	0,5-10 m³/h	50-300 m	0,5-5 kW
Bombas centrífugas	Vazões moderadas-altas	5-50 m³/h	20-150 m	1-15 kW

Bombas SOLENER - Fabricação Espanhola - Alta Eficiência

4.7 Sistemas de Proteção

As instalações de bombeamento requerem sistemas de proteção para garantir seu funcionamento seguro:

Proteção	Função	Atuação
Falta de rede	Detecção de interrupção do supply	Desconexão imediata
Variações de tensão	Tensão fora do range de trabalho	Paro até normalização
Variações de frequência	Frequência fora de limites	Paro imediato
Sobretemperatura	Temperatura excessiva interna	Redução de potência ou paro

4.8 Fórmulas de Cálculo Simplificado

Para dimensionamento rápido de instalações de bombeamento solar:

Fórmula Completa:
kWp = [Q × H × 9,81] / [0,9 × 0,3 × Rs × 3.600]

Fórmula Simplificada:
Wfotovoltaicos = (10 × H × Q) / Rs

Onde:
Q = Vazão diária (m³/dia)
H = Altura manométrica (m)
Rs = Radiação solar (kWh/m²/dia ou HSP)
0,9 = Eficiência gerador FV
0,3 = Eficiência motor-bomba-inversor

Exemplo:
Para Q = 20 m³/dia, H = 30 m, Rs = 5 HSP:
W = (10 × 30 × 20) / 5 = 1.200 Wp
Custo estimado: 1.200 W × 3 €/W = 3.600 €

4.9 Considerações de Instalação

Aspectos práticos para a instalação correta de sistemas de bombeamento:

Entubação do Poço:
- Usar tubo de PVC para coluna ou mangueira Aqualife
- Com mangueira vermelha de bombeiro: deixar cabo frouxo (elongação 5%)
- Entubação resistente a pressão e corrosão
Profundidade de Instalação:
- Imersão mínima = NPSHbomba - 10 m
- Considerar abaixamento do poço durante bombeamento
- Bombas submersíveis: motor refrigerado por água
- Bombas de superfície: fácil manutenção, requerem preparação
Depósito de Armazenamento:
- Capacidade segundo autonomia requerida
- Sensores de nível (mínimo e máximo)
- Preferível acumular água em lugar de baterias
- Energia potencial armazenada em lugar de química

Importante: Não é recomendável a utilização de baterias de acumulação, sendo preferível a acumulação de energia em forma de energia potencial (ou seja a água na plantação ou no terreno ou em uma balsa).

4.10 Rentabilidade Econômica

O auge da demanda de sistemas de bombeamento fotovoltaico no panorama espanhol está sendo favorecido tanto pelo incremento do custo da energia, como na satisfação do usuário final, devido ao aumento da qualidade e eficiência das instalações, assim como, pela amortização do sistema a curto prazo.

Exemplo de Rentabilidade: Está demonstrado que o regadio de 2 ou 3 Has. de vinhedo com um sistema de bombeamento se amortiza em menos de dois anos ao preço atual dos insumos. Um sistema fotovoltaico de 2 kWp (3 CV) de potência nominal pode aumentar sua produção em um 500%, o que pode supor um período de amortização inferior a dois anos.

Resumo do Capítulo 4

Os sistemas de bombeamento solar utilizam bombas centrífugas ou de deslocamento positivo conforme vazão e altura requeridos. O cálculo considera energia hidráulica (Q×H), perdas de carga e rendimentos do sistema. SOLENER fabrica bombas de alta eficiência com motores submersíveis ou de superfície. As proteções incluem sistemas elétricos (sobrecarga, curto-circuito, sobretensão) e hidráulicos (pressostato, sensores de nível). O dimensionamento correto do sistema garante sua rentabilidade e durabilidade.

4.1 泵的类型

泵是将机械能转化为液压能的机械装置,用于提升、输送或压缩液体。在太阳能泵送系统中,主要使用两种类型的泵:

A) 容积泵(正排量泵)

通过体积变化迫使流体前进来工作。推动元件可以有往复直线运动(活塞、隔膜)或旋转运动(齿轮、叶片)。

特性	描述
工作原理	推动元件通过减少该腔室体积的效果将液体从包含它的腔室中推出
主要特性	启动扭矩高,流量恒定且与扬程无关
应用	深井、高压增量、低流量
效率	约90%
限制	沙子问题,功率有限(< 1马力)

B) 离心泵(动力泵)

水通过叶轮或推动器的旋转运动而移动。液体垂直于旋转轴离开泵。离心力增加了水流的能量。

特性	描述
工作原理	旋转中的水倾向于向外逃逸,在其位移中产生真空
主要特性	扬程-流量比高,可清除沙子残留物
应用	灌溉系统、中高流量
效率	约60%
优点	更经济,易于维护

4.2 特性曲线

特性曲线将流量(Q)与扬程(H)和效率(η)联系起来。对于离心泵,适用水力相似定律:

相似定律:
Q/Q₀ = N/N₀ = f/f₀
H/H₀ = (N/N₀)² = (f/f₀)²
P/P₀ = (N/N₀)³ = (f/f₀)³

其中:
Q = 流量(升/分钟或m³/h)
H = 扬程(m)
P = 功率(W或kW)
N = 每分钟转数(rpm)
f = 频率(Hz)

实际示例: 一台50 Hz的泵输送2,000升/分钟,消耗10 kW:
在40 Hz时: 流量 = 1,600升/分钟(80%), 功率 = 5.12 kW(51.2%)

4.3 水力能计算

提升水所需的能量通过考虑日流量和总等效扬程来计算:

水力能公式:
EH(瓦时/天) = [Qd(立方米/天) × HTE(米) × 1000 × 9.81] / 3600

简化:
EH(瓦时) = V(升) × H(米) / 367

其中:
Qd = 所需日流量
HTE = 总等效扬程 = HST + HD + Hf
HST = 静态扬程(水位到地面)
HD = 动态扬程(最高排放点)
Hf = 摩擦水头损失

4.4 管道尺寸确定

管道中摩擦的水头损失必须最小化。根据IDAE,这些损失必须小于有用能量的10%:

水头损失计算:
Hf = f × (L/D) × (v²/2g)

实际估计:
每100 m管道 ≈ 4 m水头损失
总扬程: HTE = HST × 1.1(包括10%估计损失)

4.5 电机-泵选择

电机-泵系统选择取决于所需的流量和扬程。系统效率(ηMB)根据配置而变化:

电机-泵配置	平均效率	最佳效率
地面直流 + 离心泵	25%	30%
地面直流 + 多细胞离心	28%	40%
直流/交流潜水 + 离心	32%	42%

消耗的电功率:
P(W) = EH(瓦时/天) / [ηMB × ηSIST × HSP]

其中:
ηMB = 电机-泵效率(0.25至0.7)
ηSIST = 系统效率(0.8-0.9)
HSP = 地点的峰值太阳时数

4.6 SOLENER泵

Soluciones Energéticas S.A. 制造具有非常耐用的容积式叶轮的高效率太阳能泵。

泵类型	应用	流量	扬程	功率
螺杆泵	深井	0.5-10 m³/h	50-300 m	0.5-5 kW
离心泵	中高流量	5-50 m³/h	20-150 m	1-15 kW

SOLENER泵 - 西班牙制造 - 高效率

4.7 保护系统

泵送装置需要保护系统以确保安全运行:

保护	功能	操作
电网故障	检测供应中断	立即断开
电压变化	电压超出工作范围	停止直到正常化
频率变化	频率超出限制	立即停止
过温	内部温度过高	功率降低或停止

4.8 简化计算公式

用于太阳能泵送装置的快速尺寸确定:

完整公式:
kWp = [Q × H × 9.81] / [0.9 × 0.3 × Rs × 3,600]

简化公式:
W光伏 = (10 × H × Q) / Rs

其中:
Q = 日流量(m³/天)
H = 扬程(m)
Rs = 太阳辐射(kWh/m²/天或HSP)
0.9 = 光伏发电机效率
0.3 = 电机-泵-逆变器效率

示例:
对于Q = 20 m³/天,H = 30 m,Rs = 5 HSP:
W = (10 × 30 × 20) / 5 = 1,200 Wp
估计成本: 1,200 W × 3 €/W = 3,600 €

4.9 安装考虑

泵送系统正确安装的实际方面:

井套管:
- 使用PVC管作为柱或Aqualife软管
- 使用红色消防软管: 留松弛电缆(5%伸长)
- 耐压力和腐蚀的套管
安装深度:
- 最小浸没 = NPSH泵 - 10 m
- 考虑泵送期间的井下降
- 潜水泵: 水冷电机
- 地面泵: 易于维护,需要准备
储罐:
- 根据所需自主性的容量
- 液位传感器(最小和最大)
- 最好蓄水而不是电池
- 势能储存而不是化学能

重要: 不建议使用蓄积电池,最好以势能的形式(即种植园或土地或水池中的水)蓄积能量。

4.10 经济盈利能力

西班牙市场中光伏泵送系统需求的繁荣受到能源成本增加的推动,以及最终用户的满意度,由于安装质量和效率的提高,以及系统的短期摊销。

盈利能力示例: 事实证明,在当前投入价格下,使用泵送系统灌溉2或3公顷葡萄园在不到两年的时间内摊销。额定功率为2 kWp(3马力)的光伏系统可以将其产量提高500%,这可能意味着摊销期不到两年。

第4章摘要

太阳能泵送系统根据所需流量和扬程使用离心泵或容积泵。计算考虑水力能(Q×H)、水头损失和系统效率。SOLENER制造带有潜水电机或地面电机的高效率泵。保护包括电气系统(过载、短路、过电压)和液压系统(压力开关、液位传感器)。正确的系统尺寸确定保证其盈利能力和耐用性。

4.1 Типы Насосов

Насосы - это механические устройства, которые преобразуют механическую энергию в гидравлическую энергию, позволяя поднимать, транспортировать или сжимать жидкости. В системах солнечного насоса используются в основном два типа насосов:

А) Насосы Положительного Вытеснения (Объемные)

Работают посредством изменений объема, которые заставляют жидкость продвигаться. Рабочий орган может иметь возвратно-поступательное движение (поршень, мембрана) или вращательное движение (шестерня, лопасти).

Характеристика	Описание
Принцип работы	Рабочий орган выталкивает жидкость из камеры, содержащей ее, за счет уменьшения объема этой камеры
Основные характеристики	Высокий пусковой момент, постоянный расход независимо от напора
Применение	Глубокие скважины, высокие приросты давления, низкие расходы
Эффективность	Приблизительно 90%
Ограничения	Проблемы с песком, ограниченные мощности (< 1 л.с.)

Б) Центробежные Насосы (Ротодинамические)

Вода перемещается под действием рабочего колеса или импеллера с вращательным движением. Жидкость выходит из насоса перпендикулярно оси вращения. Центробежная сила увеличивает энергию потока.

Характеристика	Описание
Принцип работы	Вода во вращении стремится вырваться наружу, производя вакуум в своем перемещении
Основные характеристики	Высокое соотношение напор-расход, удаляют остатки песка
Применение	Системы орошения, умеренные-высокие расходы
Эффективность	Приблизительно 60%
Преимущества	Более экономичные, легкое обслуживание

4.2 Характеристические Кривые

Характеристические кривые связывают расход (Q) с напором (H) и эффективностью (η). Для центробежных насосов применяются законы гидравлического подобия:

Законы Подобия:
Q/Q₀ = N/N₀ = f/f₀
H/H₀ = (N/N₀)² = (f/f₀)²
P/P₀ = (N/N₀)³ = (f/f₀)³

Где:
Q = Расход (л/мин или м³/ч)
H = Напор (м)
P = Мощность (Вт или кВт)
N = Обороты в минуту (об/мин)
f = Частота (Гц)

Практический пример: Насос при 50 Гц перекачивает 2.000 л/мин и потребляет 10 кВт:
При 40 Гц: Расход = 1.600 л/мин (80%), Мощность = 5.12 кВт (51.2%)

4.3 Расчет Гидравлической Энергии

Энергия, необходимая для подъема воды, рассчитывается с учетом ежедневного расхода и общего эквивалентного напора:

Формула Гидравлической Энергии:
EH (Вт·ч/день) = [Qd (м³/день) × HTE (м) × 1000 × 9.81] / 3600

Упрощенная:
EH (Вт·ч) = V (литры) × H (метры) / 367

Где:
Qd = Требуемый ежедневный расход
HTE = Общий Эквивалентный Напор = HST + HD + Hf
HST = Статический напор (уровень воды до земли)
HD = Динамический напор (самая высокая точка сброса)
Hf = Потери напора на трение

4.4 Расчет Размеров Труб

Потери напора на трение в трубах должны быть минимизированы. Согласно IDAE, эти потери должны быть менее 10% полезной энергии:

Расчет Потерь Напора:
Hf = f × (L/D) × (v²/2g)

Практическая оценка:
Каждые 100 м трубы ≈ 4 м потерь напора
Общий Напор: HTE = HST × 1.1 (включает 10% оцененных потерь)

4.5 Выбор Мотор-Насоса

Выбор системы мотор-насос зависит от требуемого расхода и напора. Эффективность системы (ηMB) варьируется в зависимости от конфигурации:

Конфигурация Мотор-Насос	Средняя Эффективность	Лучшая Эффективность
Поверхностный DC + Центробежный Насос	25%	30%
Поверхностный DC + Многоклеточный Центробежный	28%	40%
Мотор AC/DC Погружной + Центробежный	32%	42%

Потребляемая Электрическая Мощность:
P (Вт) = EH (Вт·ч/день) / [ηMB × ηSIST × HSP]

Где:
ηMB = Эффективность мотор-насос (0.25 до 0.7)
ηSIST = Эффективность системы (0.8-0.9)
HSP = Пиковые Солнечные Часы места

4.6 Насосы SOLENER

Soluciones Energéticas S.A. производит солнечные насосы с очень высокой эффективностью с очень устойчивыми рабочими органами положительного вытеснения.

Тип Насоса	Применение	Расход	Напор	Мощность
Винтовые насосы	Глубокие скважины	0.5-10 м³/ч	50-300 м	0.5-5 кВт
Центробежные насосы	Умеренные-высокие расходы	5-50 м³/ч	20-150 м	1-15 кВт

Насосы SOLENER - Испанское Производство - Высокая Эффективность

4.7 Системы Защиты

Насосные установки требуют систем защиты для гарантии безопасной работы:

Защита	Функция	Действие
Сбой сети	Обнаружение прерывания снабжения	Немедленное отключение
Изменения напряжения	Напряжение вне рабочего диапазона	Остановка до нормализации
Изменения частоты	Частота вне пределов	Немедленная остановка
Перегрев	Чрезмерная внутренняя температура	Снижение мощности или остановка

4.8 Упрощенные Формулы Расчета

Для быстрого размерения установок солнечного насоса:

Полная Формула:
кВтп = [Q × H × 9.81] / [0.9 × 0.3 × Rs × 3,600]

Упрощенная Формула:
Втфотоэлектрические = (10 × H × Q) / Rs

Где:
Q = Ежедневный расход (м³/день)
H = Напор (м)
Rs = Солнечная радиация (кВт·ч/м²/день или HSP)
0.9 = Эффективность фотоэлектрического генератора
0.3 = Эффективность мотор-насос-инвертор

Пример:
Для Q = 20 м³/день, H = 30 м, Rs = 5 HSP:
Вт = (10 × 30 × 20) / 5 = 1,200 Втп
Оцененная стоимость: 1,200 Вт × 3 €/Вт = 3,600 €

4.9 Соображения Установки

Практические аспекты для правильной установки насосных систем:

Обсадка Скважины:
- Использовать трубу ПВХ для колонны или шланг Aqualife
- С красным пожарным шлангом: оставить свободный кабель (5% удлинение)
- Обсадка устойчивая к давлению и коррозии
Глубина Установки:
- Минимальное погружение = NPSHнасос - 10 м
- Рассмотреть снижение скважины во время насоса
- Погружные насосы: мотор с водяным охлаждением
- Поверхностные насосы: легкое обслуживание, требуют подготовки
Резервуар для Хранения:
- Емкость согласно требуемой автономии
- Датчики уровня (минимум и максимум)
- Предпочтительно накапливать воду вместо батарей
- Потенциальная энергия, накопленная вместо химической

Важно: Не рекомендуется использование батарей накопления, предпочтительнее накопление энергии в форме потенциальной энергии (то есть вода в плантации или в земле или в бассейне).

4.10 Экономическая Рентабельность

Бум спроса на фотоэлектрические насосные системы в испанской сцене благоприятствуется как увеличением стоимости энергии, так и удовлетворенностью конечного пользователя, из-за увеличения качества и эффективности установок, а также амортизации системы в краткосрочной перспективе.

Пример Рентабельности: Доказано, что орошение 2 или 3 Га виноградника с насосной системой амортизируется менее чем за два года по текущей цене входных данных. Фотоэлектрическая система мощностью 2 кВтп (3 л.с.) номинальной мощности может увеличить свое производство на 500%, что может означать период амортизации менее двух лет.

Резюме Главы 4

Системы солнечного насоса используют центробежные насосы или насосы положительного вытеснения в зависимости от требуемого расхода и напора. Расчет учитывает гидравлическую энергию (Q×H), потери напора и эффективность системы. SOLENER производит насосы высокой эффективности с погружными или поверхностными двигателями. Защиты включают электрические системы (перегрузка, короткое замыкание, перенапряжение) и гидравлические системы (реле давления, датчики уровня). Правильное размерение системы гарантирует ее рентабельность и долговечность.