Bomba solar para África: dimensiona para el peor mes, no para la media

La respuesta corta: una bomba solar para África fracasa por un error de diseño, no por un problema tecnológico. El continente tiene uno de los mejores recursos solares de la Tierra, entre 4.5 y 6.5 kWh/m2/day, así que casi cualquier terreno tiene suficiente sol. Lo que rompe los proyectos es dimensionar sobre la media anual e ignorar los meses nublados, o dimensionar sobre la profundidad del pozo en lugar del nivel del agua. Diseña para tu peor mes, degrada el sol con honestidad por calor y polvo, y la misma bomba te servirá todo el año.

Vendo estos sistemas en África oriental y occidental cada semana, y el patrón es siempre el mismo. El comprador tiene un buen pozo, buen sol y una bomba especificada en una hoja de cálculo hecha para un clima europeo. Así es como especificar una que realmente sobreviva a un julio en Kenia.

Por qué África es a la vez el lugar más fácil y el más difícil para vender bombeo solar

El recurso es genuinamente de clase mundial. Estudios de Kenia sitúan la irradiación horizontal global en torno a 2400 kWh/m2/year, y los profesionales citan un rango nacional de 4.5 a 6.5 kWh/m2/day. Eso es mejor que gran parte del sur de Europa.

Las restricciones son lo que hace real el trabajo:

Observa que el sol no aparece ni una vez en el lado del problema. Si tu proyecto falló, el sol no fue la causa.

El sol de Kenia no es igual en julio que en enero

Este es el número que casi nadie comprueba, y es el que decide si tu tanque está vacío en la estación seca.

Radiación solar media diaria en una superficie horizontal, kWh/m2/day, datos de la FAO.

Lee de nuevo la fila de Nairobi. Julio da 3.72, frente a 6.34 en enero. Eso es una caída del 41 percent a mitad de año, provocada por la fuerte nubosidad de la estación fresca, y llega justo cuando una finca de secano no tiene nada y una finca de regadío sostiene toda la temporada.

Si diseñaste tu sistema sobre la media anual de 5.24 y julio entrega 3.72, te quedas un 30 percent corto sobre el papel antes de hablar siquiera de pérdidas.

Ahora degrada la cifra, porque los paneles a 35 C no dan la potencia nominal

Los paneles pierden rendimiento al calentarse, perdiendo típicamente unas 0.35 percent de tensión por grado por encima de 25 C, y un panel a pleno sol en un sitio caliente trabaja a 60-65 C. Añade polvo, pérdidas de controlador y motor, y el factor de rendimiento práctico en esta región es 0.75 a 0.80, no el 0.85 que usarías en un clima templado. Yo trabajo con 0.78.

Así que la regla que uso para cada presupuesto africano es:

El volumen diario equivale aproximadamente a caudal a tu altura manométrica total x GHI en kWh/m2/day x 0.78.

Para Nairobi en julio eso da 3.72 x 0.78 = 2.9 horas de bombeo a caudal completo. No 8. No 24. Casi tres.

Muchas tablas de regla rápida citan 5 horas pico de sol para los trópicos. Eso es el recurso, no lo que cae en tu tanque. La diferencia entre 5 y 2.9 es la diferencia entre un sistema que funciona y un cliente que cree que el solar es un juguete.

Los tres números que debes medir antes de elegir cualquier cosa

Olvida la profundidad del pozo. Es el número con el que siempre empiezan los compradores y casi nunca es el que dimensiona la bomba.

1. Nivel estático del agua - a qué distancia está la superficie del agua bajo tierra, medida con un hidrómetro o leída del registro del perforador. Este es el número que importa. Un pozo de 100 m con agua a 15 m es un trabajo fácil; el mismo pozo de 100 m con agua a 85 m es una bomba completamente distinta. Esto confunde a más compradores que cualquier otra cosa, y es por lo que escribí una guía aparte sobre pozos profundos de 100 m.
2. Abatimiento - cuánto baja el nivel del agua al empezar a bombear. En un acuífero débil puede ser 5 m, en uno fuerte 1 m. Si nadie lo ha medido, permite 5 m y confírmalo tras la primera semana de funcionamiento.
3. Elevación y rozamiento de la tubería sobre el suelo - la altura hasta el tanque más el rozamiento en la tubería de impulsión. Usa unas 10 m de tubería por 1 m de altura para diámetros estándar, así que 50 m de tubería te cuestan 5 m de altura.

Súmalos: nivel estático + abatimiento + altura del tanque + rozamiento de la tubería = altura manométrica total. El método completo está en cómo calcular la altura manométrica total.

Luego convierte tu necesidad de agua en un caudal:

Caudal necesario (m3/h) = necesidad diaria de agua (m3) / horas de bombeo efectivas en tu peor mes.

Ejemplo resuelto: 0.3 ha de hortalizas cerca de Machakos, Kenia

Un caso real, con los números que usaría realmente.

La finca. 0.3 ha (3,000 m2) de hortalizas por goteo, a 4 mm/día, o sea 12 m3/día. Pozo de 45 m de profundidad, nivel estático del agua 16 m, abatimiento 4 m, tanque 6 m sobre el suelo, 50 m de tubería de impulsión.

Altura. 16 + 4 + 6 + 5 = 31 m de altura manométrica total.

Peor mes. Julio, GHI 3.72, así que 3.72 x 0.78 = 2.9 horas efectivas.

Punto de trabajo. 12 / 2.9 = 4.1 m3/h a 31 m.

Bomba. Una altura de corte de al menos 1.3 x 31 = 40 m, y un caudal máximo holgadamente por encima de 4.1 m3/h. Eso apunta a 4DSC6-45-48-500: 500 W, 48 V, 6 m3/h de caudal máximo, 45 m de altura máxima. Su altura de corte es 1.45 veces la altura de trabajo, así que el punto de funcionamiento queda dentro de la curva en lugar de cerca de su borde.

Una advertencia honesta sobre esa cifra de 6 m3/h: es el caudal cerca de cabeza cero, no a 31 m. Lee siempre tu punto de trabajo real en la curva H-Q publicada en lugar de asumir que el caudal nominal se aplica a tu altura, que es lo que cubre cómo leer una curva de bomba.

Paneles. 500 W x 1.3 = 650 W mínimo, así que dos paneles de 550 W en serie, 1,100 W. En un controlador DF-48 eso da un Vmp de serie cercano a 84 V, dentro de la ventana MPPT de 60-90 V, y un Voc cercano a 99 V frente a un límite de 120 V. El detalle de cableado está en el diagrama de cableado del controlador.

Almacenamiento. 12 m3/día x 1.5 a 3, así un tanque de 20 m3.

Lo que este sistema realmente entrega. En enero, con 6.34 x 0.78 = 4.9 horas, mueve unas 22 m3/día, suficiente para llevar la parcela a 0.5 ha. En julio, con 2.9 horas, mueve unas 13 m3/día, justo cubriendo el cultivo. Misma bomba, mismos paneles, misma tubería. La estación hace el resto. Esa diferencia es para lo que estás diseñando, y es por lo que un tanque no es opcional.

Si quieres usar tus propios números en lugar de los míos, introdúcelos en la herramienta de dimensionado y te calculará la altura y el modelo.

Compra paneles por tensión, no por vatios: la trampa MPPT del clima caliente

Aquí está la parte que sorprende a quienes han leído guías solares europeas. En un clima frío el peligro es una mañana fría que empuja el Voc de los paneles por encima del límite del controlador. En los trópicos no hay mañana fría, así que el riesgo de Voc prácticamente desaparece, y la trampa real es la opuesta: el calor baja el Vmp por debajo de la ventana MPPT.

La consecuencia práctica es que en bombas de mayor tensión a menudo tienes que añadir un panel por razones de tensión aunque ya tengas suficientes vatios. Recórrelo con las ventanas reales del controlador:

Las filas DF-110 son las que cuestan dinero. Tres paneles de 550 W parecen correctos sobre el papel, y en un sitio de 35 C al mediodía derivan a unos 107 V, justo por debajo del suelo de 110 V de la ventana. La bomba sigue funcionando, así que nadie se da cuenta; simplemente da menos agua justo a la hora más calurosa del día. Cuatro paneles en serie lo arreglan, y como los sitios tropicales no ven un pico frío de Voc, el Voc de serie de 200 V queda de forma segura por debajo del límite de 220 V.

Si tu punto de trabajo necesita más de 6 m3/h, conviene saberlo pronto, porque toda la gama de 48 V se queda en torno a 6 m3/h como máximo. Por encima de eso pasas a la clase de 110 V, y debes presupuestar cuatro paneles de 550 W aunque la potencia de la bomba solo justificara dos o tres.

Arena, limo y salinidad: por qué el material del impulsor importa más aquí

Un comprador europeo bombea agua subterránea limpia. Un comprador africano a menudo bombea de un río estacional, un pozo forrado de arena o un pozo tubular en tierras áridas y semiáridas donde el agua es dura y a veces ligeramente salina.

Eso cambia la bomba que debes comprar, no el tamaño, el material.

• Impulsores de plástico (series 2DPC, 3DPC) son la opción económica y son perfectamente válidos en agua limpia con jornadas de funcionamiento modestas.
• Impulsores de acero inoxidable (3DSC, 4DSC, 6DSC, 8DSC) son lo que quieres cuando el agua arrastra arena o limo, cuando la bomba funciona 2,000 horas al año o más, o cuando el agua es agresiva. Un caudal cargado de arena tritura un impulsor de plástico en una o dos temporadas.

El equilibrio completo está en impulsor de plástico vs acero inoxidable, y la mecánica del daño por arena está en manejo de arena en bombas solares. Si te llevas una sola cosa de esta sección: en un proyecto en tierras semiáridas, el acero inoxidable no es una mejora, es la especificación.

También analiza el agua antes de comprar, no después. La alta salinidad o el hierro cambian tanto la elección de la bomba como el método de riego.

Montaje, inclinación, polvo y robo

Cuatro detalles de instalación que son distintos aquí, y que las cuadrillas de instalación formadas en Europa suelen hacer mal.

Inclinación. El consejo habitual es inclinar los paneles a tu latitud. Kenia está entre aproximadamente 5 grados norte y 5 grados sur, así que esa regla te dice que los montes casi planos. No los montes totalmente planos. Usa 10 a 15 grados, orientados al norte en el hemisferio sur y al sur en el hemisferio norte. La pequeña inclinación te cuesta casi nada de rendimiento y deja que la lluvia lave el polvo en lugar de dejarlo hornear en una costra.

Polvo. En el norte árido, de Marsabit a Turkana y por todo el Sahel, la suciedad no es un error de redondeo. Un arreglo muy polvoriento puede perder 10 a 20 percent de su rendimiento. Planifica una limpieza mensual y ponla en el contrato de mantenimiento, porque un arreglo polvoriento se ve idéntico a una bomba rota para un agricultor.

Robo. Los paneles son portátiles, valiosos y a menudo el único objeto caro en un terreno rural. Eleva el marco de montaje bien por encima del alcance, usa tornillos anti manipulación, y cuando sea posible monta el arreglo en la torre del tanque o dentro de un recinto cercado con la casa de la bomba. En proyectos comunitarios, la propiedad comunitaria es la única medida de seguridad que funciona de forma fiable.

Cable. Las grandes caídas a agua profunda implican largos tendidos de cable, y la caída de tensión se come la diferencia entre una bomba que rinde y una que cojea. Con 100 m de cable de bajada esta es una pérdida real y medible, y las secciones correctas están en dimensionado de cable para bomba solar.

Una escalera real de modelos para pozos africanos

Estos son modelos reales de nuestra gama, ordenados por el trabajo que convienen. Cada modelo y cada cifra de abajo proceden de nuestras tablas de especificaciones publicadas.

La progresión es coherente en toda la gama: 2DPC y 3DPC para trabajos pequeños con impulsor de plástico en agua limpia, 3DSC y 4DSC cuando el agua arrastra arena o la bomba funciona muchas horas, 6DSC y 8DSC cuando el trabajo es un proyecto y no una finca. Si tu proyecto es un suministro comunitario y no una sola finca, la lógica de dimensionado se orienta hacia la demanda del día pico, lo que se cubre en bomba solar para suministro de agua de aldea.

Las cinco cosas que deciden si el proyecto sobrevive

En orden de cuán a menudo realmente matan un proyecto:

1. Un tanque dimensionado para la temporada nubosa. Dimensiona el almacenamiento a 2 a 3 veces la necesidad diaria, no a 1. Un tanque que solo cubre un buen día estará vacío en julio, y el agricultor concluirá que el solar no funciona.
2. Dimensionar sobre el mes soleado. Cualquiera que te cotice un solo volumen diario sin preguntar por tu peor mes está adivinando. Pregúntales qué cifra usaron y compárala con la tabla de arriba.
3. Distancia de repuestos y servicio. Una bomba para la que no consigues un impulsor tiene una vida de dos años. Compra una gama que esté almacenada en tu región, y guarda un impulsor de repuesto en el sitio.
4. Seguridad. Cercado, montaje elevado y propiedad comunitaria. He visto sistemas funcionando desmontados para chatarra, que es una lección más dura que cualquier fallo técnico.
5. Calidad del agua analizada antes de la compra. Arena, salinidad y hierro cambian la especificación. Analiza primero; cuesta casi nada y protege toda la inversión.

Todo lo demás, altura, cable, ventana de tensión, tamaño del tanque, es aritmética, y la aritmética está en este artículo.

¿Planeas un sistema en Kenia, Nigeria, Senegal o Tanzania? Introduce tu nivel estático del agua, tu necesidad diaria de agua y la altura del tanque en la herramienta de dimensionado, o escríbeme por WhatsApp con tu nivel estático del agua, la profundidad del pozo y tu necesidad diaria de agua, y te responderé con un modelo, una cantidad de paneles y un tamaño de tanque dimensionados para tu peor mes.