UNAM

Bombeo de Agua con Energía Solar

EXPOSITOR

Aarón Sánchez JuárezCentro de Investigación en Energía, UNAM

Apto. Postal 3462580 Temixco, Morelos

Tel: (73) 25 00 52; e-mail: asj@mazatl.cie.unam.mx

SISTEMA TÍPICO DE BOMBEO DE AGUA

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NIVEL DE SUELO

TANQUE DE ALMACENAMIENTOEnergía Eléctrica

NIVEL FREATICO

BOMBA

ALTURA DE DESCARGA

Profundidad del pozo

CARGAS HIDRÁULICASCARGA ESTATICA TOTAL = Altura de descarga + Nivel estático.

CARGA DINAMICA TOTAL = Carga estática total + Abatimiento + Pérdidas por fricción.

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“ Camisa” del Pozo

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TÉRMINOS HIDRÁULICOS

CARGA HIDRÁULICA: Es la distancia que se debe de elevar el agua desde el nivel de abatimiento hasta la altura de descarga. Se mide en METROS.

CARGA ESTÁTICA: Es la distancia desde el nivel del espejo de agua (nivel estático) hasta el borde superior del tanque de almacenamiento. Está dada por la suma del nivel estático con la altura de descarga.

NIVEL ESTÁTICO: Es la distancia desde la superficie al nivel del espejo de agua.

NIVEL DINÁMICO: Es la distancia desde la superficie al nivel que adquiere el espejo de agua durante el proceso de bombeo.

NIVEL DE ABATIMIENTO: Es la diferencia de alturas entre el nivel dinámico y el nivel estático.

ALTURA DE DESCARGA: Es la distancia vertical a la que hay que subir el agua medida desde el nivel del suelo hasta el borde superior del tanque de almacenamiento.

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TÉRMINOS HIDRÁULICOS

Carga por Fricción = k L Q2

k: Coeficiente de fricción de la tubería.L: Longitud de la tubería medida en METROSQ: Gasto o flujo de agua medido en M3/seg

Si no se dispone de Tablas para k,usar un valor del 2% al 5% de la longitud total de la tubería.

CARGA POR FRICCIÓN: Es la resistencia que opone la tubería y conexiones (codos, T’s, etc.) al flujo de agua. Esta depende del flujo, diámetro, distancia y material de la tubería, por lo cual, se puede calcular como:

CICLO HIDRÁULICO: Es el producto del volúmen diario bombeado con la carga dinámica total; por lo que se expresa en litros x metros (l-m). Si se considera que:

1000 litros = 1 m3, entonces la unidad para el Ciclo hidráulico es:1 m3x m= m4

CARGA DIÁMICA TOTAL: Es la suma de la Carga estática con la distancia de abatimiento y con la carga por fricción.

CDT = CE + A + CF

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TÉRMINOS HIDRÁULICOS

RÉGIMEN DE BOMBEO: Es la cantidad de agua que la bomba debe de proporcionar, medido en Litros/hr para satisfacer la demanda diaria de agua.

Ejemplo: Si se requiere de 20,000 Litros por día, y se tiene una bomba que trabajará solamente 4 hrs al día, entonces el régimen de bombeo exigido para la bomba es de 20,000/4 = 5,000 L/hr

CAPACIDAD DEL POZO: La cantidad de agua que el pozo es capaz de suministrar a largo plazo. Esta se expresa comúnmente en GPM; GPH; LPS; LPH Factor de Conversión: 1 Galón americano = 3.785 Litros

REQUERIMIENTO DE AGUA: Es el volumen de agua que se requiere extraer diariamente para satisfacer la demanda. Se expresa en Litros por Día

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ALTURA DE SUCCIÓN O ASPIRACIÓN: Término usado en bombas superficiales. Es la distancia, medida en metros, desde el centro de la bomba hasta el nivel estático del agua.

TÉRMINOS HIDRÁULICOS

FACTOR DE TIEMPO DE BOMBEO: Se obtiene al dividir las horas de funcionamiento de la bomba por las horas-pico del Recurso Solar. Para un sistema de bombeo fotovoltaico directo este factor vale 1.

AFORO: Es el procedimiento mediante el cuál se cuantifica la capacidad del pozo o fuente de agua. Este se debe de realizar con un régimen de bombeo igual al requerido para satisfacer la demanda de agua. Al mismo tiempo, permite conocer el nivel de abatimiento. Se recomienda realizarlo en el mes más seco

NIVEL DE DESCENSO: Es la distancia vertical desde el nivel estático hasta el nivel del agua cuando el pozo esta en producción. Este valor se determina durante el procedimiento de aforo.

ADEME: Es el diámetro del pozo

FACTORES DE CONVERSIÓN HIDRÁULICOS

Ciclo Hidráulico diario o Energía Hidráulica1 l x m = 367 W-h

1 ft= 0.3048 m; 1 m = 3.281 ft (ft significa píe; m significa m).

Una columnade agua de 1 píe de altura es igual a 0.433 psipsi significa: libras por pulgada cuadrada

1 psi= 2.31 píes de altura1 psi= 0.0703 kg/cm2

1 galón US= 3.785 lUnidad de flujo: galones por minuto (GPM); ó litros por minuto (lPM)

1 GPM = 3.785 lPM

El bombeo de agua es clave para la operación del rancho

Sea confiable.Sea adecuado a las necesidades de su Rancho.Sea de bajo mantenimiento.Cuya operación requiera poca mano de obra. Y cuyo costo sea el menor posible a largo plazo.

El productor requiere un sistema

de bombeo de agua que:

Sistemas de Bombeo SolarTipos de bombas UNAM

SISTEMA EÓLICO OPERANDO SOBRE UNA BOMBA DE CILINDRO

Requiere mantenimiento anual. Depende del viento para bombear No es fácil predecir y controlar el

volumen de agua.

SISTEMA DE COMBUSTIÓN INTERNA OPERANDO A UNA BOMBA

Requiere mantenimiento periódico Depende de la disponibilidad

del .combustible en el sitio. El bombeo y control depende del

operador.

TECNOLOGÍAS TRADICIONALES PARA ZONAS RURALES

Sistemas de Bombeo SolarUNAM

El bombeo de agua es clave para la operación del rancho.

La energía solar es una opciónpara el bombeo de agua:

El sistema de bombeo accionado por el Sol tiene como características: No usa combustible. Usa la energía del Sol.

Puede operar automáticamente.

Requiere poco mantenimiento.

En muchos casos (no en todos) es una opción económica.

Es confiable.

Se diseña adecuadamente a las necesidades del productor

Comparando Sistemas Solares yMotobombas

(Estos datos son generales y aproximados.)

Sistema Solar M otobomba

Costo inicial: alto bajo

Combustible: energía solar (gratis) gas/diesel (caro)

Operación: automática manual (costo de mano de obra)

M antenimiento:motorbombamódulo solarcontrolador

bajobajo (motor es eléctrico)bajolavarno

altoalto mantenimientobajono tieneno tiene

Vida útil de componentes:módulo solarcontroladorbomba/motor

20 años, o más6-8 años, o más4-12 años

no tieneno tiene2-4 años

Factores que generalmente favorecen los sistemas solares.

Factor que generalmente favorece las motobombas.

Centro de Investigaciónen Energía- U.N.A M.

UNAMCOMPONENTES PRINCIPALES EN UN SISTEMA DE BOMBEO DE AGUA FOTOVOLTAICO

TANQUE DEALMACENAMIENTO

ARREGLO FOTOVOLT.

ACONDICIONADORDE ENERGÍA

NIVEL FREATICO

BOMBA

TIERRA FISICA

NIVEL DEL SUELO

INTERRUPTOR

ARREGLO FVESTRUCTURA PARA EL ARREGLOACONDICIONADOR DE ENERGÍATIERRA FÍSICAMOTOR ELÉCTRICOBOMBA DE AGUASISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE AGUAALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

ArregloFotovoltaico

Sistema de Generación de Energía Eléctrica

Sol

Sistema de Control de Energía

Controladorde Carga

DC =AC

Sistema de acondicionamiento deEnergía

Inversor

Bomba

Carga

ArregloFotovoltaico

Sol

Bomba

Carga

Sistema de Control de Energía

Controladorde Carga

ArregloFotovoltaico

Sistema de Generación de Energía Eléctrica

Sol

Bomba

Carga

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Sistemas FotovoltaicosDiagramas tipicos para Sistemas de Bombeo

Arreglo de módulos solaresEstructura para el arregloControlador eléctricoBomba de agua (típicamente centrífuga o de desplazamiento positivo)Sistema de distribución de agua

Sistemas de Bombeo SolarComponentes básicos. UNAM

Arreglo solar

Bomba (ésta es unacentrífuga sumergible)

Controlador

Sistemas de Bombeo SolarComponentes: El arreglo FV

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Los módulos Fotovoltaicos producenla energía eléctrica para la bomba

Las características de un módulo individual típico:

17 Volts (hasta 15 Volts cuando está a 60ºC)

3 - 5 AmperiosLos módulos se combinan en serie y en paralelo para dar cualquier voltaje y potencia que requiere la bomba.

módulo individual

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ESTRUCTURAS: Generalmente pueden ser de dos tipos: fijas o con seguimiento.Las Estructuras Fijas pueden anclarse al suelo o bien colocarse sobre un poste.Las Estructuras con seguimiento producen del 20% al 30% más energía que un sistema fijo. Estas pueden ser con seguimiento en dos direcciones: -seguimiento horario diario al Sol a un ángulo fijo.-seguimiento horario diario y con seguimiento ángular diario al Sol.

COMPONENTES

ATERRIZADO: El aterrizaje del sistema de Bombeo a través de una Tierra Física proporciona un sistema de seguridad tanto para el sistema como para el personal.El aterrizaje reduce el ruido para los componentes del sistema y circuitos de control.Se tiene mejor control de los voltajes picos. Facilita la protección contra sobrecargas.Las corrientes transitorias inducidas debido a los rayos se desvian a Tierra.

REGLAS DE ATERRIZADO: -Use varillas metálicas sólidas o electrodos para formar la Tierra Física. -Interconecte usando alambres o cintas metálicas sólidas. -Todos los doblajes de tubería deben de tener un mínimo de 20 cm de radio.-Use protección contra corrientes transitorias de baja impedancia hacia tierra (tubos de descarga, varistores).-Evite metales disimilares o recúbralos adecuadamente

Sistemas de Bombeo SolarComponentes: La estructura

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Hay 2 tipos de estructura para los arreglos:FIJA y MÓVIL Con rastreador

el sistema produce 20%-30%más energía eléctrica por día.Estructura fija

Estructura

montada en seguidor (rastreador).

ACONDICIONADOR DE ENERGIA Y DESCONECTORES

.Bombas con motores en CD: En estos casos, el sistema acondicionador de energía es un CONTROLADOR ELECTRÓNICO. Su función es mantener trabajando a la bomba en el punto de máxima potencia del arreglo FV. Incorpora funciones tales como: encendido y apagado de la bomba, rastreo del punto de potencia máxima del AFV, apagado por obstrucción de la bomba, o bombeo en seco, o exceso de agua en el tanque de almacenamiento (función que se logra por medio de electroniveles tanto en el pozo como enel tanque de almacenamiento).Pueden ser del tipo: Igualación de Impedancias, protectores, interruptores y arrancadores

INTERRUPTORES O DESCONECTORES: Su función es la de proveer un sistema de seguridad tanto a la bomba como al usuario y facilitar las labores de mantenimiento. Debe dimensionarse según las normas eléctricas establecidas.

El acondicionador de energía tiene la función de acoplar el arreglo FV y el motor eléctrico de la bomba con el objeto de maximizar el rendimiento de la bomba.

Bombas con motores en CA: Én este caso, el acondicionador de energía funciona como un INVERSOR CD/CA de alta eficiencia, el cuál permite el funcionamiento de la bomba aún en casos de baja irradiancia.

Sistemas de Bombeo SolarComponentes: El controlador UNAM

Acondiciona la energía eléctrica del arreglo solar para maximizar la producción de la bomba. Para bombas de corriente directa: Optimiza la corriente eléctrica para maximizar el

tiempo de bombeo Para bombas de corriente alterna:Es un inversor/controlador.

ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA Y SISTEMA DE DISTRIBUCION

Las bombas electrificadas con SFV solo funcionan durante las horas de luz. Si se requiere su funcionamiento durante la noche, o en días con nublados cerrados, se requerirá del uso de acumuladores o baterías.

¿ Realmente son indispensables las baterías para que las bombas funciones y proveen de agua a los usuarios de ésta?

Si la respuesta es SI, entonces se disminuye la confiabilidad en el SFV y aumenta la demanda de mantenimiento, cosa que no es recomendable en sitios apartados.

Su uso sólo se justifica cuando la producción de agua del pozo en las horas de luz es inferior a la demanda diaria; pero en este caso es posible la perforación de otro pozo y la instalación de otro sistema.

Lo recomendable es tener un almacenamiento de agua que puede ser un tanque elevado o cisterna. La ventaja del tanque elevado es que proporciona un presión de salida que es de vital importancia si se tiene sistemas de distribución. En el caso de cisternas, el agua sólo puede ser usada en dicho sitio con aplicaciones tales como abrevaderos

El volumen del tanque elevado o cisterna debe de garantizar cierta autonomía, definida ésta como el tiempo en que el sistema de bombeo estará fuera de operación por razones de nublados cerrados , o bien, en el caso de mantenimiento del sistema.

AUTONOMÍA: Las condiciones locales del clima y uso de agua definen el tamaño óptimo de la reserva de agua. Se considera adecuada una reserva de 3 días (demanda diaria multiplicada por 3).

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MOTORES

Corriente Directa sin Escobillas:Son eficientes y no requieren mantenimiento. Su desventaja es que requieren un controlador electrónico muy complejo y muy caro.

Los motores usados en Sistemas de Bombeo Fotovoltaico son diseñados especialmente para que su eficiencia se mantenga constante aún cuando las condiciones de corriente y voltaje cambien durante el día.

Existen tres tipos de motores usados en Sistemas de Bombeo Fotovoltaico:

Corriente Directa con Escobillas (carbones): Es sencillo y eficiente en aplicaciones pequeñas y no necesita circuitos complejos de control. Su desventaja radica en que hay que cambiar frecuentemente las escobillas, lo que resulta muy inconveniente en bombas sumergibles

Corriente Alterna: Gran variedad de motores para todo tipo de carga con un costo inferior a los de Corriente Directa. Son menos eficientes que los de CD. Requieren de un Inversor con lo que se incrementa el precio del sistema y el riesgo de descompostura.

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TIPOS DE MOTORES EN SISTEMAS DE BOMBEO

MOTORES EN C.D. MOTORES EN A.C.

Motores con carbones Requieren reemplazo regular de los ......carbones y limpieza. Mantenimiento regular en baleros. El desempeño depende del acoplamiento .....entre motor y f.e.m. (arreglo FV). No es aplicable a mas de 30 m de .....profundidad.Motores sin carbones Baleros pueden necesitar reemplazo ......periódico. Necesita un circuito electrónico para la .....conmutación. No es aplicable a mas de 90 m

de .....profundidad.

Pueden ser de una, dos, o tres fases. Pueden requerir mantenimiento ......periódico en los baleros. Pueden ser sumergidos a mas de ......90 m de profundidad. Disponibilidad con y sin carbones. Aplicados en SFV, requieren .......inversor CD/CA

UNAMLas bombas son diseñadas para uso Exclusivo de sistemas solares (fotovoltáicos)

La Bomba trabaja solo cuando hay energía solar, 6 a 10 horas por día. Por consecuencia la bomba de sistemas FV puede ser más pequeña que una moto-

bomba. Por lo general es común usar bombas centrífugas y bombas de desplazamiento

positivo.

La Bomba

Tipos de Bombas Sistemas de Bombeo Solar

BOMBAS DE SUPERFICIE CENTRÍFUGAS

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BOMBAS DE PROFUNDIDAD CENTRÍFUGAS

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Tipos de BombasSistemas de Bombeo Solar

BOMBAS CENTRÍFUGAS

Son muy comunes. Pueden tolerar aguas sucias con sólidos disueltos. Usan el agua misma como lubricante. Cargas dinámicas variables y grandes, a través de pasos múltiples de bombeo. Se les encuentra tanto para superficie como para profundidad.Las superficiales son de fácil mantenimiento y reparación.Repuestos de fácil adquisición.

Tienen una eficiencia pequeña con respecto a la velocidad del impulsor.

.Se dañan cuando operan en seco. Las sumergibles se necesitan sacar del

pozo para su servicio de mantenimiento.

Las corazas se corren cuando la calidad del agua es corrosiva.

En medios abrasivos los impulsores se desgastan reduciendose la eficiencia de bombeo.

Las superficiales tienen limitada la succión, necesitan “purgarse” y pueden congelarse con las heladas.

VENTAJAS. DESVENTAJAS

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Tipos de BombasSistemas de Bombeo Solar

Tipos de bombas Sistemas de Bombeo Solar

BOMBAS DE DIAFRAGMAUNAM

BOMBAS DE DIAFRAGMA

La acción de bombeo es muy eficiente en un amplio rango para la velocidad del motor.Puede tolerar sedimentos.Su diseño permite mantenimientos sencillos con herramientas manuales.Su tamaño pequeño y ligero peso permiten su fácil remoción del pozo.Hay modelos tanto para superficie como para profundidad. En ambos casos puede ser usadas en aplicaciones temporales.

El diafragma requiere de reemplazos periódicos.Muchos diseños usan motores con carbones por lo que su reemplazo debe ser periódico.Los sellos de las corazas tiene límites de profundidad.Estan diseñadas para cargas dinámicas moderadas (menos de 30 m).Algunos modelos no se pueden reconstruir.

VENTAJAS DESVENTAJAS

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Tipos de bombasSistemas de Bombeo Solar

BOMBAS DE CILINDROUNAM

Tipos de bombasSistemas de Bombeo Solar

BOMBAS DE CILINDRO

Son eficientes en un amplio rango de velocidad motor o propela.Pueden extraer agua a grandes profundidades.Tecnología muy simple y disponible.En algunos modelos la producción puede controlarse ajustando el pistón

Requiere de cambios periódicos en los sellos del pistón.No tolera arena ni sedimentos.La eficiencia decrece con el envejecimiento de los sellos del pistón.Es necesario extraer el cilindro y el pistón para el servicio de mantenimiento.

VENTAJAS DESVENTAJAS

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Tipos de BombasSistemas de Bombeo Solar

UNAM INSTALACIONES FV TÍPICAS INSTALACIONES FV TÍPICAS CON BOMBAS SUMERGIBLESCON BOMBAS SUMERGIBLES

CON BOMBAS DE SUPERFICIECON BOMBAS DE SUPERFICIEINSTALACIONES FV TÍPICASINSTALACIONES FV TÍPICAS

UNAM

UNAM

Bombas

UNAMBombasBombas

SOLARJACKSOLARJACK

BombasBombas SHURFLOSHURFLO

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SISTEMAS DE BOMBEO PEQUEÑOSTamaño del arreglo FV: del orden de 160W-p; de 1 a 4 módulos.CARACTERÍSTICAS:-Se requiere mantenimiento regular.-Producción típica: 1000- 5000 LPD.-Con control automático se regula elvolumen diario.-Ideales para un solo sitio.-Sistemas portátiles.

SISTEMAS DE BOMBEO MEDIANOS YGRANDES.Tamaño del arreglo FV mayor de 200 W-p;desde 4 módulos.CARACTERÍSTICAS:-Requieren mínimo mantenimiento.-producen mas de 4000 LPD.-Puede dar servicio a sitios múltiples.-Con control automático se regula la produccióna los sitios de consumo.Los sistemas pueden ser portátiles.

EJEMPLOS DE APLICACIONES DE BOMBEOFOTOVOLTAICO EN ZONAS RURALES

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Sistemas de Bombeo Solar Instalados en MéxicoPrograma: Uso de Fuentes Renovables SNL-Firco

UNAMLa Esperanza

Ubicación: San Francisco de BorjaChihuahua

Tipo de Proyecto:Bombeo deagua para 32 FamiliasPotencia del sistema: 768 W-pCarga dinamica total: 10 mCapacidad de bombeo: 2 0m3

Distancia red: 22 KmCosto del Sistema: 15, 532 dls

Caracteristicas

Sistemas de Bombeo SolarInstalados en México UNAM

San Miguel

Ubicación:La Paz

Baja California SurTipo de Proyecto:

Bombeo de agua paraabrevaderos para ganado

Potencia del sistema:700W-p

Carga dinamica total:24.76 m

Capacidad de bombeo:16m3

Costo del sistema: 9 000dls

Caracteristicas

Sistemas de Bombeo SolarInstalados en México

UNAMEl Reventon

Ubicación:Las Charcas

San Luis PotosíTipo de Proyecto:Bombeo de agua para 16

Familias y ganadoPotencia del sistema:

1530W-pCarga dinamica total:

58.2mCapacidad de bombeo:

17m3

Costo del Sistema:19 125dls

Caracteristicas

Estimación de sistemas de bombeo FV.

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Información necesaria:La recopilación de datos esfundamental para el diseño .

Uno de los factores que propician elmal desempeño de un SBFV es lafalta de información o datosespecíficos necesarios para eldimensionamiento del sistema.

Mala Información produce maldesempeño del sistema de Bombeo.

DATOS IMPORTANTES:

Ubicación, Acceso.Fuente de Agua: Noria, Pozo,

ArroyoProfundidad, Nivel estáticoAbatimientoCapacidad de Almacenamiento.Altura de DescargaCarga dinámica totalDemanda de Agua por díaRendimiento de la fuente.

UNAMCRITERIOS DE SELECCIÓN

FLUJO BAJO Y CDT BAJA A MEDIA: LA MEJOR OPCIÓN ECONÓMICA SON LAS BOMBAS DE DIAFRAGMA.

FLUJO ALTO Y CDT BAJA A MEDIA: LA MEJOR OPCIÓN SON LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS SUMERGIBLES; SON MAS CARAS.

PROBLEMA: NO HAY PRECIOS MODERADOS PARA BOMBAS SUMERGIBLES QUE PROPORCIONES FLUJOS MEDIOS PARA CDT BAJA A MEDIA.

EJEMPLO: Se requieren extraer 1600 GPD con una CDT de 80’. ¿Cual es la opción? Sistema con Bomba de Diafragma grande, da 1400 GPD a un costo $2,500 a $3,000 usd.Sistema con Bomba sumergible pequeña, da 2100 GPD a un costo $5,000 a $6,000 usd.

¿COMO RESOLVER EL PROBLEMA?-Si es posible, disminuya su demanda de agua.-Bomba de cilindro: son mas caras que las de diafragma pero mas baratas que las centrífugas; pero requieren mas mantenimiento.-Sobredimensione su sistema de bombeo sumergible. Tendrá mas agua para otras aplicaciones.

CONSIDERE UN SISTEMA DE ENERGIA SOLAR

Abastecimiento de Agua paraconsumo Humano y Animal

Distancia de lared Eléctrica

DotaciónHidráulica

Insolación

Promediodiaria

CONSIDERE UN SISTEMA

CONVENCIONAL DE ENERGIA

Más de 0.5 Km Menos de 0.5 Km

Más de 3 Hrs-p

Más de 1500 m4

Menos de 3 Hrs-p

Menos de 1500 m4

Rango de capacidades de acuerdo con la CDT y m3

Estimación de Sistemas de Bombeo FV