Bomba solar a gran altitud: la altitud no te da más sol

La respuesta corta: la altitud no te da más sol, y no hace más débil a una bomba sumergible. La altitud elimina la presión atmosférica, y la presión atmosférica es lo único que permite a una bomba levantar agua por aspiración. A nivel del mar el límite teórico de aspiración es de 10.3 m y el límite práctico es de unos 6 m. A 4,000 m eso pasa a ser 6.3 m y unos 2 m. Una bomba sumergible metida en el agua no se ve afectada en absoluto, y por eso el terreno alto es terreno de sumergibles. La segunda sorpresa es que «gran altitud» y «mucho sol» no son lo mismo, en los diez sitios andinos que extraje de NASA POWER, la estación más alta no es la más soleada, y el mes más soleado puede entregar 40 por ciento más que el peor.

Recibo consultas de Perú, Bolivia, Chile y el norte de Argentina cada semana, y el supuesto detrás de casi todas ellas es el mismo, a 4,000 m el sol es más fuerte, así que la bomba será más fácil. La primera mitad no siempre es cierta y la segunda solo lo es si eliges el tipo de bomba correcto. Este artículo trata ambas, porque son problemas distintos que se confunden entre sí.

Qué cambia realmente la altitud (y qué no cambia)

Hay exactamente tres cantidades físicas que cambian con la altitud y que importan a un sistema de bombeo.

Y esto es lo que no cambia, que es igual de importante:

• La curva de la bomba. Una curva de bomba es altura contra caudal. La altura se mide en metros de agua, el caudal en metros cúbicos por hora, y ninguno depende de la presión del aire sobre el pozo. Una 4DSC6-101-110-1100 que entrega un caudal dado a 60 m a nivel del mar entrega el mismo caudal a 60 m a 4,000 m.
• La densidad del agua. El agua dulce es 1,000 kg/m3 a nivel del mar y a 4,000 m. El trabajo de subir 1 m3 por 10 m es idéntico.
• La potencia del panel solar. Un panel de 550 W de potencia nominal está definido a 1,000 W/m2 de irradiación y 25 C de temperatura de célula, que es una condición de laboratorio, no una condición de altitud. Lo que cambia la altitud es la irradiación que realmente recibes y la temperatura de célula a la que realmente trabajas, y ambas son efectos de segundo orden comparados con las nubes.

La consecuencia práctica es una regla de diseño limpia que ahorra mucho dinero, en terreno alto, nunca levantes el agua por aspiración. Mete la bomba en el agua y el problema de la altitud desaparece por completo. Todo lo demás en esta página trata sobre cómo elegir el campo fotovoltaico y proteger el equipo de superficie.

La altura de aspiración que pierdes por encima de 2,000 m

Una bomba centrífuga que se sitúa por encima de la superficie del agua no tira del agua hacia arriba. Nada tira. La atmósfera empuja hacia abajo sobre la superficie del pozo, y la bomba baja la presión dentro de la tubería de aspiración para que la atmósfera pueda empujar el agua hacia dentro. La altura máxima que ese empuje puede alcanzar está fijada por la física:

Altura máxima de aspiración (m) = altura de la presión atmosférica (m) menos altura de la presión de vapor (m)

A nivel del mar, la presión atmosférica de 101.3 kPa equivale a 10.3 m de agua. A 4,000 m, 62 kPa equivalen a 6.3 m. Ese es el techo absoluto, con una bomba perfecta, rozamiento cero y agua a 20 C. Luego restas las pérdidas del mundo real. Usando una bomba centrífuga pequeña o autoaspirante con un requisito NPSH de 2.5 m, 1.0 m de rozamiento y accesorios en la línea de aspiración, 0.24 m de presión de vapor del agua y un margen de seguridad de 0.5 m, los números quedan así:

(Valores de presión de la atmósfera estándar y de la Tabla A.2 de IEC 60664-1, que da 80.0 kPa a 2,000 m, 70.0 kPa a 3,000 m y 62.0 kPa a 4,000 m. La columna práctica supone requisito NPSH de 2.5 m, pérdida de línea de aspiración de 1.0 m, margen de seguridad de 0.5 m, agua a 20 C.)

Lee la última columna otra vez. Una bomba que un catálogo llama de aspiración 7 m es una bomba de 2 m a 4,000 m. No es una pequeña corrección, es un factor de tres, y es la razón más común por la que una bomba de superficie que funcionaba perfectamente en un valle «no funciona» cuando se instala en la meseta.

Dos cosas lo empeoran en la práctica:

1. El número del catálogo es un número a nivel del mar. Los catálogos de bombas se escriben para una atmósfera de referencia. Cuando un modelo se lista con una altura de aspiración de 7 m u 8 m, eso se mide a unos 100 kPa. Nadie lo recalcula para tu elevación.
2. Las fugas de aspiración importan más. Cualquier pequeña entrada de aire en un brida de aspiración, una válvula de pie gastada o una junta que sería cosmética a nivel del mar se convierte en un fallo de rendimiento a 3,500 m, porque hay menos presión para empujar el agua más allá de ella y la cavitación empieza antes.

La solución no es una bomba de superficie más grande. Una bomba más grande no eleva la presión de la atmósfera. La solución es acortar la altura de aspiración a uno o dos metros, o meter la bomba en el agua.

Por qué una sumergible ignora la altitud y una de superficie no

Esta es la decisión de diseño que separa a un sistema de alta altitud que funciona de uno que se queda disparando la protección contra marcha en seco.

Una bomba de superficie hace dos trabajos, tiene que levantar el agua desde la fuente hasta su propio impulsor, y luego empujarla hasta donde la necesitas. Solo el primer trabajo depende de la presión del aire. Una sumergible solo hace el segundo trabajo, porque ya está metida en el agua. Toda su clasificación, cada metro de altura y cada metro cúbico por hora, trata sobre empujar.

Nuestro propio catálogo muestra las dos versiones de la misma hidráulica una al lado de la otra. La serie DQD es la versión sumergible y la serie HJQD es la versión centrífuga de superficie, y comparten las mismas nueve clasificaciones hidráulicas:

Misma altura, mismo caudal, mismo número de paneles, y una de ellas es inutilizable en cuanto el nivel del agua baja 3 m por debajo de la orilla. En el altiplano, donde los niveles de agua de la estación seca se mueven y los pozos excavados a mano están justo al lado del cobertizo de la bomba, esa es la diferencia entre un sistema que funciona y uno que se devuelve.

El único caso en que una bomba de superficie sigue teniendo sentido a cierta altitud es cuando el agua está genuinamente a tus pies, un canal, una caja de manantial, un tanque de almacenamiento, una acequia de riego. Entonces la altura de aspiración está por debajo de un metro y la penalización de altitud es irrelevante. Ese es exactamente el caso para la DCPM15-14-48-550 (550 W, 48 V, 15 m3/h a 14 m) o la DQB3.0-65-72-750 (750 W, 72 V, 3 m3/h a 65 m) situadas a pocos metros de un canal, y para la HJET2.7-45-48-550 (550 W, 48 V, 2.7 m3/h a 45 m) en una caja de manantial. Lo que no deberías hacer es dejar una bomba autoaspirante en la orilla de un pozo a 3,900 m y esperar que levante 6 m.

Lo más alto suele ser más nublado: los datos que rompen el refrán

Ahora la parte que cuesta dinero. Cualquiera, desde un comprador hasta un instalador local, te dirá que la gran altitud significa sol fuerte. Extraje la climatología mensual de NASA POWER para diez ubicaciones andinas, y los datos no lo respaldan.

(Climatología de NASA POWER de irradiación descendente de onda corta superficial bajo cielo total, kWh/m2/day, promedios mensuales.)

De esa tabla se siguen tres conclusiones.

1. La altitud no predice tu recurso solar. Cerro de Pasco está a 4,380 m, el sitio más alto de la lista, y promedia 4.97 kWh/m2/day. Arequipa está 2,045 m más baja y promedia 6.63. Esa es una ventaja del 25 por ciento para el sitio más bajo. Mientras tanto Uyuni, a 3,670 m, supera a El Alto a 4,150 m por 12 por ciento aunque está 480 m más baja. Lo que decide estas cifras son las nubes, el altiplano seco alrededor de Uyuni, Potosí y Puno es uno de los lugares más despejados de la Tierra, mientras que la puna húmeda del centro y norte de Perú, Cerro de Pasco, Huancayo, Cajamarca, Cusco, está bajo una fuerte nubosidad estacional. Dos mesetas a la misma altitud, una un 35 por ciento más rica que la otra.

2. El mes mínimo no es el mes que esperas. En el altiplano seco el peor mes es junio, el invierno austral, el cielo está en su momento más despejado pero el sol está en su punto más bajo y los días son más cortos. Uyuni oscila desde 8.38 en noviembre hasta 5.00 en junio, una caída del 40 por ciento. En la puna húmeda el peor mes pasa a marzo, al final de la temporada de lluvias, porque allí el factor que manda es la nube y no el ángulo del sol. Cerro de Pasco y Cajamarca tocan fondo en 4.42, en marzo.

3. La estación seca y la estación de sol débil son la misma estación en el altiplano. Junio y julio son cuando la demanda de riego para forraje es más alta en las tierras altas de Bolivia y el sur de Perú, y también son los meses de menor producción del año. Un campo dimensionado sobre la cifra de noviembre se quedará un 40 por ciento corto exactamente cuando el agricultor lo necesita. Dimensiona sobre junio.

El método es gratis y toma cinco minutos. Busca tu propia latitud y longitud en la climatología de NASA POWER, toma el peor mes, y diseña el campo fotovoltaico sobre esa cifra. Si quieres la versión completa de este método, está escrita en la guía de África, donde el mecanismo es la lluvia en lugar de la altitud pero la aritmética es idéntica.

El peor mes no es el mismo mes en todas partes de la meseta

Como cientos de proyectos de bombeo solar en Perú, Bolivia y Chile se dimensionan sobre un promedio anual, todos fallan en las mismas semanas, y las semanas difieren según en qué lado de los Andes estés.

La columna costera es el caso extremo, y es un recordatorio de que la altitud no es lo único que importa, en Arica el valor de junio de 3.25 es más bajo que cualquier mes de cualquier estación de la meseta en la tabla, porque el invierno trae la camanchaca, la niebla costera que se posa sobre el Atacama durante semanas. Si bombeas para un olivar o un aguacatal en la llanura costera al pie de los Andes, estás en un clima solar más duro que un agricultor a 4,000 m.

La regla práctica para la meseta, toma tu peor mes, multiplica tu volumen diario por 1.3, y dimensiona sobre eso. El factor 1.3 cubre el ensuciamiento de los paneles y el envejecimiento que este entorno seco, polvoriento y de alta radiación UV entrega más rápido que un sitio templado. La aritmética completa de dimensionado está en cómo dimensionar una bomba de agua solar.

Ambos extremos del día: un amanecer frío y un mediodía caliente

La gran altitud tiene la mayor oscilación térmica diaria de cualquier lugar habitado de la Tierra. El Alto oscila desde unos menos 3 C antes del amanecer hasta 15 C por la tarde, y un rango diario de 18 a 20 C es normal. Eso te da dos problemas eléctricos distintos en el mismo día, y ambos se comprueban contra el controlador.

El amanecer frío es el extremo peligroso. La tensión de circuito abierto del panel sube a medida que baja la temperatura, un 0.3 por ciento aproximado por grado por debajo de 25 C. Toma un panel de 550 W con una VOC de placa de unos 49.5 V y una Vmp de placa de unos 42 V, y ponlo a 3,900 m en una mañana de julio a menos 10 C. Eso son 35 grados por debajo de 25 C, así que la tensión de placa sube un 10.5 por ciento:

Es esa última fila la que atrapa a la gente. El consejo estándar en los trópicos es que un controlador DF-110 con techo de 220 V admite fácilmente cuatro paneles. En el invierno andino no. Tres paneles en serie es el techo para un controlador de 110 V a gran altitud, y si necesitas más potencia de campo añades una serie en paralelo en lugar de una serie en serie más larga. Toda la aritmética de caída de tensión y de serie está en la guía de dimensionado de cable.

El mediodía caliente es el extremo más suave a gran altitud, que es lo contrario de los trópicos. La temperatura de célula depende de la irradiación, la temperatura del aire y la refrigeración, y aquí los tres efectos se combaten, la irradiación es alta, el aire es tenue así que la refrigeración convectiva es más débil, pero la temperatura del aire es baja. En la práctica un panel de gran altitud trabaja más fresco que uno tropical, así que no tienes el modo de fallo tropical donde la tensión de la serie se hunde hacia el fondo de la ventana MPPT al mediodía. Lo que sí pierdes es margen de desclasificación, el aire tenue elimina aproximadamente el 40 por ciento de las moléculas de aire disponibles para llevarse el calor de la parte trasera del panel, así que una tarde quieta de alta irradiación a 4,000 m trabaja más caliente de lo que sugiere la temperatura ambiente. No cuentes con la altitud para darte vatios extra. Planifica los estándar 1.3 veces la potencia de la bomba en potencia de placa, y lee MPPT vs PWM si quieres el mecanismo.

Hay un tercer elemento eléctrico que es pura altitud y no tiene nada que ver con el sol, la altitud máxima de instalación de tu controlador. IEC 60664-1, la norma que fija las distancias de aislamiento para equipos de baja tensión, se aplica a equipos usados hasta 2,000 m, y por encima exige que se aumente la distancia dentro del equipo, un factor de 1.14 a 3,000 m, 1.29 a 4,000 m y 1.48 a 5,000 m. Muchos controladores, variadores e inversores por tanto se clasifican para 2,000 m como estándar y o bien desclasan por encima o no están certificados en absoluto. Haz la pregunta por escrito antes de comprar, ¿cuál es la altitud máxima de instalación de este controlador? Un controlador clasificado para 2,000 m instalado a 4,200 m es una reclamación de garantía esperando a ocurrir, y es un modo de fallo que ninguna tubería correcta podrá arreglar.

Heladas, glaciares en retroceso y un nivel de agua en descenso

Dos problemas lentos que deciden si un sistema de gran altitud sigue funcionando en cinco años.

Heladas. La propia sumergible está a salvo, porque está por debajo de la línea de agua donde el agua se mantiene a 4 a 10 C todo el año. Lo que se congela es todo lo que está por encima de la línea de agua:

• El metro superior de agua en un pozo excavado a mano o un pozo poco profundo. Este es el fallo clásico del altiplano. Si la bomba se sitúa en la parte superior de la columna de agua, en junio y julio el impulsor puede estar sentado en hielo. Sitúa la bomba al menos 1.5 m por debajo del nivel de agua más bajo esperado, y más si el pozo es poco profundo.
• La tubería de bajada por encima de la línea de agua, la tubería de superficie desde la boca del pozo hasta el tanque, el interruptor de presión, las conexiones de manguera y la válvula de retención.
• El tanque, si es de acero o plástico de pared fina y se deja lleno a una altura que puede congelarse por completo.

Las medidas que funcionan son las aburridas, entierra la tubería de superficie por debajo de 0.8 m, o mejor, déjala drenar tras cada ciclo de bombeo con un pequeño orificio de sangrado para que la línea se vacíe sola, sitúa la bomba más profunda, aísla o entierra el tanque, y mantén el controlador en interior. Este es el mismo conjunto de problemas que un mercado templado, y se cubre con más detalle en bombas solares en invierno, pero la versión de gran altitud es más dura porque la helada es seguida por una tarde de 20 C que descongela la línea justo a tiempo para que vuelva a congelarse la noche siguiente.

Un nivel de agua en descenso. Este es específico de los Andes y no es reversible. Alrededor del 70 por ciento de los glaciares tropicales del mundo están en los Andes altos de Perú, Bolivia y Ecuador, y retroceden rápido. El glaciar Chacaltaya de Bolivia pasó de una pérdida de masa del 97 por ciento entre 1960 y 2003 a desaparecer por completo en 2009. Los glaciares peruanos han perdido más de una quinta parte de su masa en unos 35 años, reduciendo el caudal de agua a la región costera en unos 12 por ciento. La Paz obtiene alrededor del 30 por ciento de su suministro de agua de una cuenca glaciar, Quito alrededor del 50 por ciento. La información de Yale Environment 360 sobre la evaluación del Banco Mundial sitúa la proporción de glaciares tropicales andinos que se espera desaparezcan en 20 años en la mayoría de ellos.

Para un comprador de bombas la consecuencia es concreta, el nivel estático del agua que mides hoy no es el nivel estático que verá tu bomba dentro de diez años. Diseña para ello:

1. Compra margen de altura, no solo lo justo. Si tu altura total es de 43 m, elige una bomba con una altura máxima de al menos 65 a 70 m en lugar de una clasificada exactamente a 45 m. En estas bombas, un punto de trabajo al 90 por ciento de la altura máxima es un punto de trabajo con casi nada de caudal, y no te deja nada cuando el nivel baja. Cualquier cosa en el rango de alta altura es adecuada, esto solo trata sobre dejar margen.
2. Deja tu tubería de columna generosamente para poder bajar la bomba. Deja suficiente cable y suficiente tubería para que la bomba pueda soltarse otros 10 o 15 m en una década seca sin una nueva instalación.
3. Mide estacional, no una instantánea. Registra el nivel del agua en la estación húmeda y en la estación seca antes de dimensionar. En el altiplano la medición de la estación seca es la única que importa.

Ejemplo resuelto: una explotación de alpacas y forraje a 3,900 m

Un caso real de proyecto del altiplano boliviano. Una familia con 150 alpacas y una parcela de forraje de 0.1 hectárea, un pozo entubado de 4 pulgadas y 70 m de profundidad, y una casa a 60 m de la boca del pozo.

Paso 1 - los datos del sitio, medidos en la estación seca, no en la húmeda.

Paso 2 - el volumen diario, separado en la carga base y la carga de riego.

• Hogar: 0.5 m3/día
• 150 alpacas a unos 5 litros por cabeza por día: 0.75 m3/día
• Riego de forraje en estación seca: 0.1 ha recibiendo 60 mm por semana son 60 m3 por semana. Bombealo a un embalse gradualmente en lugar de de golpe, así cuesta 60 / 7 = 8.6 m3/día
• Total diario pico: unos 10 m3/día

Paso 3 - conviértelo a un caudal usando el peor mes. Junio a 3,900 m da unos 5.3 kWh/m2/day, y a 3,900 m el aire fresco ayuda al campo fotovoltaico, así que usa un factor de sistema de 0.85 en lugar del 0.78 que usarías en un clima caliente:

5.3 x 0.85 = 4.5 horas de bombeo efectivas

10 m3/día / 4.5 h = 2.2 m3/h requeridos a 43 m de altura

Paso 4 - elige el modelo con margen, no el modelo que justo entra. No elijas una bomba cuya altura máxima sea 45 m para un trabajo de 43 m, en una bomba solar ese es un punto de trabajo con casi nada de caudal, y no le queda nada para la década seca. Elige una altura máxima de al menos 1.5 veces tu altura de trabajo, así 65 m o más aquí.

La 4DSC6-101-110-1100 es el encaje natural, 1,100 W, 110 V, caudal máximo de 6 m3/h y altura máxima de 101 m. A 43 m de altura entrega cómodamente más de los 2.2 m3/h que necesitas, y le quedan 58 m de altura en reserva para el día que el nivel del agua baje. Impulsor de acero inoxidable, que es la decisión correcta para las aguas subterráneas andinas que a menudo llevan fino limo glaciar.

Paso 5 - el campo fotovoltaico y la serie. 1.3 x 1,100 W = 1,430 W, así tres paneles de 550 W a 1,650 W. Tres en serie dan 148 V de VOC de placa y unos 164 V en una mañana a menos 10 C, dentro del límite de 220 V del controlador de 110 V. La Vmp de placa de la serie es de unos 126 V, dentro de la ventana MPPT del controlador. Cuatro paneles en serie llegarían a 219 V y no son aceptables. Si necesitas un cuarto panel, añádelo como una segunda serie en paralelo.

Paso 6 - almacenamiento. Un tanque doméstico de 5 m3 en la casa cubre dos días de demanda doméstica y ganadera, y un embalse forrado separado de 60 m3 recibe el golpe semanal de riego para que la bomba nunca tenga que trabajar más fuerte de 2.2 m3/h. Este es el único sitio donde la gran altitud es genuinamente más fácil que los trópicos, no hay problema de nubes de temporada húmeda que diseñar, solo el ángulo solar de junio, y el agua que almacenas no se evapora tan rápido como en el Sahel.

Una escalera de modelos real para sitios de gran altitud

Cada modelo de abajo es de nuestro catálogo actual, y cada uno es un producto genuino con una clasificación publicada. El paréntesis del medio es el que hay que leer, es la altura máxima, y tu altura de trabajo nunca debe ser más de unas dos terceras partes de ella.

El patrón de la gama es coherente, 2DPC, 3DPC y 4DPC para perforaciones pequeñas y agua limpia, 3DSC y 4DSC donde el agua lleva limo o necesitas más altura de un agujero de 4 pulgadas, 3DSS bombas de tornillo para la combinación difícil de un volumen diario muy pequeño y un nivel de agua muy profundo, DQD para cualquier cosa donde el agua esté abierta y poco profunda, y la familia 4/6DSC con el sufijo A/D cuando el cliente es una aldea y no una familia. Los modelos A/D importan más en la meseta que en la mayoría de los mercados, porque muchas comunidades de tierras altas tienen una conexión de red intermitente que se puede usar por la tarde mientras los paneles hacen el trabajo diurno, sin comprar una batería. La economía de esa decisión está en bomba solar sin batería.

Generalizaciones que vale la pena conservar, un impulsor de baja altura es adecuado para una DQD en un embalse y erróneo para un pozo de 100 m, y si tu agua es limo glaciar en lugar de arena limpia, sube a un impulsor de acero inoxidable y quédate ahí.

Cinco errores que acaban con los proyectos de gran altitud

En el orden en que realmente los veo:

1. Instalar una bomba de superficie o autoaspirante por encima del agua. Este es el fallo número uno y es totalmente evitable. Una aspiración de catálogo de 7 m es una realidad de 2 m a 4,000 m. Mete la bomba en el agua, o muévela a un metro de la superficie.
2. Dimensionar el campo fotovoltaico sobre el promedio anual, o sobre el promedio de la meseta. El peor mes va de 4.42 a 5.54 según en qué lado de los Andes estés, y la oscilación dentro de un mismo sitio llega al 40 por ciento. Diseña sobre tu propio peor mes, en tus propias coordenadas.
3. Suponer que la gran altitud significa sol fuerte. Cerro de Pasco a 4,380 m recibe 25 por ciento menos sol anual que Arequipa a 2,335 m. Dos ubicaciones a la misma elevación pueden diferir en un tercio. Las nubes deciden, no la altura.
4. Contar la serie en serie a temperatura ambiente. Un amanecer a menos 10 C añade unos 10 por ciento a la VOC de tu serie. Cuatro paneles de 550 W en un controlador de 220 V son 219 V, que es un fallo con un voltio de margen. Tres es el techo en un controlador de 110 V, dos en uno de 48 V.
5. Ignorar el nivel de agua en descenso y la helada. Los glaciares andinos han perdido más de una quinta parte de su masa en 35 años y la estación seca se alarga. Compra margen de altura, deja suficiente tubería de columna para bajar la bomba otros 10 m, entierra o drena la línea de superficie, y sitúa la bomba al menos 1.5 m por debajo del nivel de agua más bajo para que no esté sentada en hielo en julio.

Todo lo demás, la aritmética de altura, el número de paneles, la ventana de tensión, el tamaño del cable, el volumen del tanque, es ingeniería corriente, y está todo en este artículo y en los enlazados desde él.

¿Planeas una bomba solar en Perú, Bolivia, Chile o el norte de Argentina? Pon tu nivel estático del agua, tu abatimiento, tu altura y tu tendido de tubería en la herramienta de dimensionado para ver tu altura manométrica total real, o escríbeme por WhatsApp con tu elevación, nivel estático del agua, abatimiento, altura, tendido de tubería y volumen diario, y te responderé con el modelo, la serie de paneles y el tamaño de tanque dimensionados para tu propio peor mes.

Lecturas relacionadas: cómo calcular la altura manométrica de una bomba para la aritmética de altura, cómo leer una curva de bomba para por qué una bomba de 45 m no es una bomba de 45 m, diagrama de cableado del controlador de bomba solar para la disposición de la serie y el cable, y bomba solar para suministro de agua de aldea si tu proyecto es una comunidad y no una sola explotación.