Dimensionamiento de un sistema de bombeo solar de agua: altura manométrica, caudal y el inversor adecuado para el trabajo

El agua es la carga que la energía solar fuera de la red suele dimensionar mal con más frecuencia. Un hogar que ha sobrevivido años con un banco de baterías modesto puede verse desbordado por una sola bomba de pozo que consume más en el arranque que todo lo demás de la casa junto, o por un inversor que es eléctricamente correcto pero hidráulicamente insuficiente, entregando un chorrito donde el pozo debía dar un río.

El bombeo es también uno de los mejores usos de la energía solar. La demanda de agua aumenta cuando brilla el sol, el almacenamiento es barato si se almacena agua en lugar de electricidad, y la carga tolera una producción variable. Pero para lograrlo hay que dimensionar el sistema primero como una cadena hidráulica y después como una eléctrica. Esta guía recorre esa cadena: altura, caudal, elección de bomba, elección de inversor, dimensionamiento del generador fotovoltaico y los ajustes de protección que mantienen viva una bomba durante una década.

Empiece por el agua, no por los vatios

Todos los errores de dimensionamiento que vemos en campo se remontan a saltarse este paso. Antes de tocar cualquier hoja de datos de inversor, anote dos números:

• Demanda diaria de agua. Un hogar de cinco personas suele necesitar 3–5 m³ al día, incluyendo cocina, lavado y saneamiento. El ganado necesita aproximadamente 30–60 litros por cabeza y día; las hortalizas con riego por goteo se sitúan en el rango de 3–6 m³ por hectárea y día según el clima y la fase del cultivo.
• Cuándo se necesita el agua. El agua bombeada al mediodía a un depósito puede usarse de noche. Si el almacenamiento cubre uno o dos días de demanda, el sistema eléctrico puede atravesar periodos nublados sin una fuente de respaldo, lo que cambia por completo el tamaño que debe tener la batería (si es que hay alguna).

El depósito es el héroe silencioso del bombeo solar. Bombear a un almacenamiento elevado o incluso a nivel del suelo convierte una entrada solar variable en un suministro constante, exactamente como hace una batería para un sistema doméstico, salvo que un depósito cuesta una fracción del precio por kWh de amortiguación que proporciona.

Altura dinámica total: el número que lo decide todo

El error más común al dimensionar una bomba es tratar la profundidad del pozo como la altura de bombeo. La bomba no eleva el agua desde el fondo del sondeo; la eleva desde la superficie del agua, que está en algún punto por encima de la toma de la bomba y desciende aún más mientras la bomba funciona.

La altura dinámica total (TDH) es la suma de cuatro componentes, expresada en metros de elevación vertical:

1. Nivel estático del agua — la distancia vertical desde la bomba hasta la superficie del agua en reposo.
2. Descenso — la caída adicional de ese nivel de agua una vez que comienza el bombeo. En un acuífero de recarga lenta, solo el descenso puede añadir 20–40 m de elevación efectiva.
3. Altura de entrega — la altura desde la boca del pozo hasta el depósito o el punto de emisión más alto.
4. Pérdidas por fricción — la presión consumida por las paredes de la tubería, codos, válvulas de retención y accesorios, convertida de nuevo en metros de elevación equivalente. Para una tubería de tamaño razonable, esto suele ser un 5–10% de los componentes verticales.

Ejemplo práctico: un sondeo con un nivel estático de agua de 35 m, un descenso de 10 m durante el bombeo y un depósito en una pequeña elevación 8 m por encima de la boca del pozo. La fricción en una tubería ascendente bien elegida añade unos 5 m. La bomba no lucha contra 35 m, lucha contra 35 + 10 + 8 + 5 = 58 m de TDH.

La potencia hidráulica se deriva entonces del caudal y la altura:

Volumen diario	TDH	Energía hidráulica
5 m³	58 m	≈ 0,8 kWh
5 m³	30 m	≈ 0,4 kWh
20 m³	58 m	≈ 3,2 kWh

La conversión es aproximadamente: energía hidráulica (kWh) = volumen (m³) × TDH (m) × 2,725 ÷ 3600 ÷ eficiencia de la bomba. Con una eficiencia realista de cable a agua del 40–55% para pequeñas bombas sumergibles, ese servicio de 5 m³ / 58 m cuesta en realidad 1,5–2,0 kWh de electricidad al día. Eso, y no los kilovatios de la placa de características de la bomba, es lo que debe suministrar el generador solar.

Elección de la bomba: sumergible vs. de superficie

Una vez conocidos la TDH y el volumen diario, la selección de la bomba se convierte en una consulta de las curvas de bomba del fabricante en lugar de una conjetura:

• Bombas sumergibles de sondeo para pozos profundos donde el nivel estático del agua está más de unos 7–8 m por debajo de la ubicación de la bomba, más allá de la altura de aspiración de cualquier bomba de superficie. Empujan en lugar de aspirar, toleran tuberías ascendentes largas y son la opción por defecto para sondeos de más de 15 m.
• Bombas centrífugas de superficie para fuentes poco profundas: ríos, estanques, pozos someros y trasvases entre depósitos. Son más baratas, más fáciles de mantener y más fáciles de sobredimensionar para caudal, pero cavitan y pierden el cebado si se les pide elevar más de su límite de aspiración.
• Bombas de rotor helicoidal (cavidad progresiva) se ganan su lugar en servicios de bajo caudal y alta altura, la combinación donde los impulsores centrífugos desperdician más energía.

Elija la bomba de modo que su curva interseque su punto de servicio (TDH en el eje vertical, caudal requerido en el horizontal) cerca del centro de su isla de eficiencia. Una bomba elegida lejos de su punto de mejor eficiencia o cavita y muere joven o quema electricidad moviendo agua ineficientemente.

Tres arquitecturas eléctricas y cuándo encaja cada una

Aquí es donde comienza realmente la elección del inversor. El bombeo solar puede cablearse de tres formas, y no son intercambiables:

1. Inversor dedicado para bomba solar (VFD con MPPT). El generador se conecta a un variador que sigue la potencia máxima y varía la velocidad del motor según la luz solar disponible. Sin baterías, sin controlador de carga, sin inversor basado en batería. La bomba simplemente se ralentiza cuando pasan nubes. Esta es la arquitectura más barata por metro cúbico bombeado en climas soleados y la opción estándar para riego y ganadería donde el requisito es "agua al atardecer". Muchos de estos variadores incluyen protección contra funcionamiento en seco que detiene la bomba cuando el pozo se bombea por debajo de su tasa de recarga; protección esencial, porque una sumergible funcionando en seco cocina sus sellos en minutos.

2. Inversor fuera de la red basado en batería. La bomba cuelga de un inversor acoplado en CA alimentado por un banco de baterías, como en cualquier sistema doméstico. Esta es la respuesta correcta cuando el agua debe estar disponible a demanda y a presión (fontanería doméstica presurizada, o un sondeo que también debe llenar un tanque de presión) o cuando el mismo sistema alimenta la casa. La contrapartida es el costo: la batería debe dimensionarse para arrancar y hacer funcionar la bomba después del anochecer o durante el tiempo nublado, y la sobrecarga de arranque del motor debe caber en la capacidad de sobrecarga del inversor.

3. Disposición híbrida. Un inversor solar fuera de la red con controlador de carga MPPT incorporado alimenta las cargas domésticas y la bomba desde la batería y la fotovoltaica juntas, con entrada de generador como respaldo. Para fincas que combinan agua doméstica con riego, este enfoque de sistema único a menudo supera el funcionamiento de dos sistemas separados.

Para servicios de sumergibles en pozos profundos, una sutileza eléctrica importa independientemente de la arquitectura: muchos motores sumergibles son máquinas trifásicas incluso en potencias pequeñas, porque los motores trifásicos son más simples, más baratos y más robustos que los monofásicos en profundidad. Los inversores para bombas solares producen trifásica por diseño; un inversor monofásico basado en batería necesitaría un convertidor de fase o una bomba nominal monofásica. Compruebe la placa de características del motor antes de comprar nada.

Dimensionamiento del inversor: primero la corriente, después los kilovatios

Un motor eléctrico es un cliente implacable. Consume corriente de rotor bloqueado en el arranque, comúnmente 4–7 veces su corriente a plena carga para un arranque directo en línea, y un motor sumergible, con tolerancias mecánicas ajustadas y una columna de agua sobre su descarga, arranca con más dificultad que una bomba de superficie de la misma potencia.

Dos reglas de dimensionamiento le evitan problemas:

• Dimensione por corriente a plena carga (FLA), no por kilovatios de placa. Los motores sumergibles de los mismos kilovatios consumen notablemente más corriente que los motores de superficie: su factor de potencia es menor (típicamente 0,7–0,8) y su eficiencia unos puntos peor. Un variador nominal solo en kilovatios puede soportar los vatios del motor pero dispararse por sus amperios.
• Deje un margen de corriente del 20–25%. Si la placa del motor indica 17,5 A a plena carga, la capacidad de salida continua del inversor debe ser de al menos unos 21 A. El margen absorbe la degradación térmica del variador en tardes calurosas y las peores condiciones de arranque de una bomba envejecida.

Luego compruebe la sobrecarga. Una bomba sumergible de 750 W con arranque directo en línea a seis veces la plena carga demanda brevemente alrededor de 4,5 kVA. Un inversor basado en batería debe suministrar eso además de todo lo demás que esté funcionando. Dos palancas reducen la sobrecarga si no cabe:

• Un arrancador suave o una rampa VFD en la bomba reduce la corriente de arranque de 6× a aproximadamente 1,5–2× de la plena carga, a menudo la diferencia entre un inversor de 3 kVA y uno de 6 kVA.
• Un arranque escalonado (interbloqueo para que la bomba no pueda arrancar mientras funcionan otras cargas grandes) cuesta casi nada y elimina la peor coincidencia.

Para tiradas de cable largas entre el variador y la bomba, respete la física de las ondas reflejadas: más allá de aproximadamente 100 m de cable de bajada, los picos de tensión PWM pueden duplicarse en los terminales del motor y someter el aislamiento del bobinado. Una reactancia de salida dimensionada por el fabricante del variador es un seguro barato comparado con sacar una bomba quemada de un sondeo.

Dimensionamiento del generador: sobredimensione deliberadamente

Un generador para bombeo no se dimensiona para igualar la placa de características de la bomba. Se dimensiona para despertar temprano, seguir a través de nubes finas y seguir llenando el depósito a última hora de la tarde. Práctica de campo para variadores dedicados de bombas solares:

• Potencia del generador ≈ 1,3–1,5 × potencia de entrada de la bomba para un bombeo fiable todo el día. Un servicio de bomba de 1,5 kW normalmente se empareja con un generador de 2,0–2,2 kW.
• Respete la ventana de tensión. La Vmp del generador debe situarse dentro del rango MPPT del variador y su Voc en frío debe mantenerse por debajo de la entrada máxima de CC del variador, la misma disciplina que al dimensionar cualquier sistema MPPT, que cubrimos en profundidad en la guía de la ventana de tensión MPPT.
• Espere una mañana lenta y una tarde lenta. Un generador fijo sin sobredimensionamiento despierta al variador cerca de media mañana y lo libera antes de última hora de la tarde; la bomba funciona a tope solo unas pocas horas. El factor de sobredimensionamiento anterior es lo que compra el día completo de bombeo.

Si el sistema es basado en batería en su lugar, el generador se dimensiona por energía diaria: el servicio diario de 1,5–2,0 kWh de nuestro ejemplo, dividido por las horas de sol locales y una eficiencia del sistema de aproximadamente 0,7, necesita un generador de unos 450–650 W en un clima de 4 horas de sol, la misma aritmética que cualquier hogar fuera de la red, para el que tenemos una hoja de cálculo de dimensionamiento dedicada.

Ajustes de protección que mantienen viva la bomba

Un sistema correctamente dimensionado aún muere prematuramente si las protecciones están mal configuradas. Cuatro ajustes son los más importantes:

• Protección contra funcionamiento en seco. Actívela en variadores dedicados de bomba; emúlela en sistemas de batería con un interruptor de flotador o un sensor de nivel en el pozo. Una sumergible que bombea su pozo por debajo de la tasa de recarga se sobrecalienta en minutos, la forma más común de matar bombas solares.
• Ventanas de subtensión/sobretensión y frecuencia en sistemas acoplados en CA, para que un generador defectuoso o una conexión de red caída no puedan alimentar el motor con energía deficiente.
• Tiempo de rampa de arranque suave: lo suficientemente largo para mantener civilizada la corriente de arranque, lo suficientemente corto para que el variador no se demore a baja frecuencia donde los cojinetes de empuje sumergibles y el flujo de refrigeración se ven comprometidos. Como regla general, no deje que una bomba de sondeo funcione por debajo de unos 30 Hz.
• Parada por depósito lleno. Un interruptor de flotador en el depósito de almacenamiento que detiene la bomba cuando el depósito está lleno, o una función del variador que reduce a un chorrito en lugar de parar en seco, mantiene el sistema productivo en lugar de ciclar.

Lista de verificación de puesta en marcha: una tarde, diez minutos

Antes de entregar el sistema, ejecute esta secuencia:

1. Mida el nivel estático del agua y confirme la TDH calculada contra la realidad.
2. Verifique la Voc del generador en una mañana fresca contra la entrada máxima nominal del variador: debe pasar con margen.
3. Arranque la bomba al mediodía y registre la entrada de CC, la corriente de salida de CA y la frecuencia en tres niveles de irradiancia (mañana, mediodía, última hora de la tarde).
4. Confirme la parada por funcionamiento en seco estrangulando el caudal o probando el sensor de nivel, deliberadamente, no por accidente.
5. Compruebe que el flotador de depósito lleno detiene la bomba y que la bomba se reinicia automáticamente cuando baja el nivel.
6. Registre la FLA de la placa contra el ajuste de salida del variador y deje las hojas de datos en el armario de control.

Diez minutos de mediciones el día de la puesta en marcha es el seguro más barato que tendrá el sistema.

Preguntas frecuentes

Reuniéndolo todo

Un sistema de bombeo solar triunfa o fracasa según tres números establecidos en orden: altura dinámica total, volumen diario de agua y corriente a plena carga. Acierte esos tres y la bomba, el inversor y el generador prácticamente se seleccionan solos; omítalos y ninguna comparación de hojas de datos salvará el proyecto.

Nuestras líneas de inversores solares fuera de la red, desde la compacta serie VM con ventanas MPPT de 90–430 Vdc para pequeñas tareas domésticas, pasando por el MKS II 5K de 5 kVA con un rango MPPT de 120–430 Vdc, hasta el SC-MAX de 8 kW para cargas domésticas y de bombeo combinadas, cubren las arquitecturas basadas en batería descritas anteriormente. Para el bombeo de riego dedicado en climas soleados, la ruta del inversor para bomba solar sin batería con un depósito elevado sigue siendo el menor costo por metro cúbico. En cualquier caso, la tarea hidráulica va primero: explore nuestra gama de inversores solares fuera de la red o contacte con nuestro equipo de ingeniería con sus números de altura y caudal, y le ayudaremos a emparejar el variador con el servicio.

Preguntas frecuentes sobre bombeo solar de agua

¿Puedo hacer funcionar una bomba de sondeo directamente desde paneles solares sin baterías?

Sí, con un inversor dedicado para bomba solar (un VFD con entrada MPPT). Esta es la arquitectura más común y más económica para riego y abrevado de ganado. La velocidad de la bomba sigue la luz solar disponible y un depósito elevado proporciona amortiguación. Las baterías solo son necesarias cuando el agua debe entregarse a demanda y a presión, o cuando la bomba comparte un sistema de respaldo doméstico.

¿Por qué mi bomba dispara el inversor en el arranque aunque la potencia esté muy por debajo de la nominal?

La corriente de arranque, no los vatios en funcionamiento, es lo que dispara los variadores. Un arranque directo en línea consume 4–7 veces la corriente a plena carga durante uno o dos segundos. Dimensione el inversor por corriente a plena carga con un margen del 20–25%, compruebe su capacidad de sobrecarga contra la demanda de rotor bloqueado, o instale un arrancador suave para reducir la corriente de arranque.

¿Qué tamaño debe tener el generador solar comparado con la bomba?

Para variadores dedicados de bombas solares, planifique 1,3–1,5 veces la potencia de entrada de la bomba en vatios de generador. El sobredimensionamiento extiende el día de bombeo hacia la mañana y la tarde en lugar de concentrar la producción al mediodía, y mantiene el variador siguiendo a través de transitorios de nubes. Verifique siempre que la Vmp del generador esté dentro de la ventana MPPT del variador y que la Voc en frío se mantenga por debajo de la entrada máxima de CC.

¿Qué mata en la práctica a las bombas solares de agua?

El funcionamiento en seco. Una sumergible que bombea su pozo por debajo de la tasa de recarga pierde refrigeración y lubricación en minutos y quema sus sellos y bobinados. Active la protección contra funcionamiento en seco del variador o instale un sensor de nivel de pozo, y ajuste el flotador de depósito lleno para que el sistema reduzca o se detenga en lugar de ciclar contra una altura cerrada.