SISTEMA DE BOMBEO FOTOVOLTAICO Hl BRIDADO HIDRÁULICAMENTE CON LA RED ELÉCTRICA O CON GRUPOS DIESEL PARA APLICACIONES DE RIEGO

Sector técnico

La invención se encuadra en el campo técnico de tecnologías fotovoltaicas y en el sector técnico de la agricultura, y en particular en el sector de las técnicas de riego fotovoltaico para los diferentes cultivos agrícolas.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un sistema de bombeo fotovoltaico hibridado hidráulicamente con la red eléctrica o con grupos diésel para aplicaciones de riego capaz de ofrecer un aprovechamiento máximo y una mayor penetración de la energía solar fotovoltaica, tanto en riegos a presión y caudal constantes como a presión y caudal variables.

Antecedentes de la invención

Hoy en día las hibridaciones hidráulicas de sistemas de bombeo fotovoltaicos con red eléctrica o grupos diésel consisten en alimentar con fotovoltaico solo una cantidad limitada de bombas en una estación de bombeo.

Este número de bombas alimentadas con energía solar fotovoltaica es aún más reducido en riegos a presión y caudal constantes, en los que el control de presión se confía a bombas conectadas a la red eléctrica o a grupos diésel.

Este tipo de sistemas limitan la penetración de la energía solar fotovoltaica y obligan a un mayor consumo de electricidad desde la red eléctrica o desde grupos diésel.

Se hace por tanto necesario en este sector técnico disponer de un sistema de bombeo fotovoltaico hibridado hidráulicamente con la red eléctrica o con grupos diésel capaz de maximizar el aprovechamiento y la penetración de la energía solar fotovoltaica.

Descripción de la invención

De esta forma, el sistema de bombeo fotovoltaico hibridado hidráulicamente con la red eléctrica o con grupos diésel para aplicaciones de riego que la presente invención propone, se presenta como una mejora frente a lo conocido en el estado de la técnica puesto que consigue alcanzar satisfactoriamente los objetivos anteriormente señalados como idóneos para la técnica. El sistema de bombeo para aplicaciones de riego de la invención, comprende al menos un sensor de irradiancia solar y de temperatura, una pluralidad de bombas de agua, una pluralidad de variadores de frecuencia, una pluralidad de generadores fotovoltaicos, una pluralidad de conexiones a la red eléctrica o a grupos diésel, y una pluralidad de contactores que permiten conectar las bombas con los variadores de frecuencia. Todas las bombas vierten a una misma tubería de agua, con lo que la hibridación del sistema se realiza en la parte hidráulica.

De acuerdo con la invención, un primer subgrupo de bombas de agua están conectadas exclusivamente a un primer subgrupo de variadores de frecuencia alimentados por generadores fotovoltaicos, un segundo subgrupo de bombas de agua están conectadas exclusivamente a un segundo subgrupo de variadores de frecuencia alimentados por la red eléctrica o por grupos diésel, y un tercer subgrupo de bombas de agua están conectadas, a través de contactores, a un tercer subgrupo de variadores de frecuencia alimentados por generadores fotovoltaicos y a un cuarto subgrupo de variadores de frecuencia alimentados por la red eléctrica o por grupos diésel. Estos contactores están adaptados para permitir la conexión de las bombas de agua del tercer subgrupo con el tercer o el cuarto subgrupo de variadores de frecuencia.

La suma del número de bombas de agua del primer y del tercer subgrupo de bombas de agua, y la suma del número de bombas del segundo y del tercer subgrupo de bombas de agua, satisfacen la demanda de caudal necesaria para el riego.

Además, el sistema de bombeo comprende una unidad de control configurada para recibir la demanda de caudal necesaria para el riego; determinar el número de bombas de agua que es necesario alimentar para satisfacer la demanda de caudal; evaluar la potencia fotovoltaica disponible a partir del sensor de irradiancia y temperatura; determinar el número de bombas de agua que es posible alimentar a partir de la potencia fotovoltaica disponible; y establecer un modo de funcionamiento del sistema de bombeo, a partir del número de bombas de agua que es necesario alimentar y que es posible alimentar con la potencia fotovoltaica disponible, y donde el modo de funcionamiento establecido está seleccionado entre: modo fotovoltaico, modo híbrido, y modo red/diésel.

La unidad de control configurada para establecer:

- el modo fotovoltaico si el número de bombas de agua que es posible alimentar con la potencia fotovoltaica disponible es mayor o igual al número de bombas de agua que es necesario alimentar para satisfacer la demanda de caudal;

- el modo híbrido si el número de bombas de agua que es posible alimentar con la potencia fotovoltaica disponible es mayor al número de bombas del primer subgrupo pero menor al número de bombas de agua que es necesario alimentar para satisfacer la demanda de caudal;

- y, la unidad de control establece el modo red/diésel si el número de bombas de agua que es posible alimentar con la potencia fotovoltaica disponible es menor al número de bombas del primer subgrupo. Si la unidad de control establece el modo fotovoltaico, dicha unidad de control está además configurada para:

- parar el segundo y el cuarto subgrupo de variadores de frecuencia,

- ordenar a los contactores su conexión con el tercer subgrupo de variadores de frecuencia,

- arrancar el primer subgrupo de variadores de frecuencia y un número de variadores de frecuencia del tercer subgrupo, donde la suma de variadores de frecuencia arrancados coincide con el número de bombas de agua que es necesario alimentar para satisfacer la demanda de caudal. Si la unidad de control establece el modo híbrido, dicha unidad de control está además configurada para:

- habilitar la conexión a la red eléctrica o arrancar el generador de diésel,

- ordenar a los contactores su conexión con un número de variadores de frecuencia del tercer subgrupo, donde dicho número de variadores coincide con el número de bombas de agua del tercer subgrupo que es posible alimentar con la potencia fotovoltaica disponible, y arrancar dicho número de variadores de frecuencia,

- ordenar a los contactores su conexión con un número de variadores de frecuencia del cuarto subgrupo, donde dicho número de variadores coincide con el número de bombas de agua que es necesario alimentar para satisfacer la demanda de caudal menos el número de bombas de agua del tercer subgrupo que es posible alimentar con la potencia fotovoltaica disponible y menos el número de bombas de agua del primer y segundo subgrupo, y arrancar dicho número de variadores de frecuencia, - arrancar los variadores de frecuencia del primer y del segundo subgrupo.

Si la unidad de control establece el modo red/diésel, dicha unidad de control está además configurada para:

- parar el primer y el tercer subgrupo de variadores de frecuencia,

- habilitar la conexión a la red eléctrica o arrancar el generador de diésel,

- ordenar a todos los contactores su conexión con el cuarto subgrupo de variadores de frecuencia,

- arrancar el segundo subgrupo de variadores de frecuencia y un número de variadores de frecuencia del cuarto subgrupo, donde la suma de variadores de frecuencia arrancados coincide con el número de bombas de agua que es necesario alimentar para satisfacer la demanda de caudal.

De esta forma, el sistema de bombeo de la invención permite tres modos de funcionamiento: el modo fotovoltaico (sólo fotovoltaico), el modo híbrido, y el modo red/diésel (sólo red/diésel) que maximizan el uso de la energía solar fotovoltaica y minimizan el consumo desde la red eléctrica o los grupos diésel, tanto en bombeo a balsa con presión y caudal variables, como en riego directo a presión y caudal constantes. Así, la invención permite el máximo aprovechamiento fotovoltaico a todos los niveles de irradiancia posibles.

Según una realización preferente, la unidad de control está configurada para establecer un primer modo de funcionamiento (F1) con bombeo a presión y caudal variables, y un segundo modo de funcionamiento (F2) con bombeo a presión y caudal constantes, e incorporar un algoritmo de control de seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico. Si la unidad de control establece el primer modo de funcionamiento (F1), dicha unidad de control está además configurada para:

- establecer como punto de trabajo del primer y del tercer subgrupo de variadores de frecuencia el seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico mediante el algoritmo de control de seguimiento de la unidad de control,

- y establecer como punto de trabajo del segundo y del cuarto subgrupo de variadores de frecuencia su potencia nominal.

Si la unidad de control establece el segundo modo de funcionamiento (F2), dicha unidad de control está además configurada para:

- controlar por presión el segundo y el tercer subgrupo de variadores de frecuencia,

- establecer como punto de trabajo del primer subgrupo de variadores de frecuencia el seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico mediante el algoritmo de control de seguimiento de la unidad de control,

- establecer como punto de trabajo del cuarto subgrupo de variadores de frecuencia su potencia nominal.

De forma preferente, el segundo y el cuarto subgrupo de variadores de frecuencia preparados para trabajar a potencia nominal, pueden ser sustitutidos por arrancadores suaves.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un dibujo en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra una vista esquemática de un sistema de bombeo para aplicaciones de riego, según una realización preferente de la invención.

Realización preferente de la invención

La figura 1 muestra un sistema de bombeo (1) para riego a presión y caudal constantes integrado por tres bombas de agua (2), cuatro variadores de frecuencia (3), un contactor (5), una tubería (8), una unidad de control (7), un generador fotovoltaico (4a), conexiones a un grupo diésel (4b), y un sensor de irradiancia y temperatura (6) conectado a la unidad de control (7).

De acuerdo con la invención, el sistema de bombeo (1) comprende un primer subgrupo de bombas de agua (2a) conectadas a un primer subgrupo de variadores de frecuencia (3a) alimentados únicamente por generadores fotovoltaicos (4a), un segundo subgrupo de bombas de agua (2b) conectadas a un segundo subgrupo de variadores de frecuencia (3b) alimentados únicamente por generadores de diésel (4b), y un tercer subgrupo de bombas de agua (2c) conectadas, a través de contactores (5), a un tercer subgrupo de variadores de frecuencia (3c) alimentados por generadores fotovoltaicos (4a) y a un cuarto subgrupo de variadores de frecuencia (3d) alimentados por el grupo diésel (4b).

En el sistema de la Figura 1 , el primer (2a), el segundo (2b) y el tercer subgrupo de bombas de agua (2c) están formados cada uno por una única bomba de agua (2). Según una realización preferente, el primer (2a) y el segundo subgrupo de bombas de agua (2b) estarán formados por una única bomba de agua (2), y el tercer subgrupo (2c) estará formado por una pluralidad de bombas de agua (2), el resto de bombas de agua que integra el sistema de bombeo (1) hasta alcanzar la demanda necesaria. En este caso, el sistema de bombeo (1) precisará una bomba de agua más (n+1 bombas de agua) de las bombas de agua que se precisaría en el estado de la técnica (n bombas de agua) para alcanzar la presión y el caudal de trabajo requeridos. Así mismo, el sistema precisará 2n variadores de frecuencia (3).

Como se observa en la Figura 1 , el sistema de bombeo (1) comprende una única tubería (8) a la que todas las bombas de agua (2) están conectadas. De esta forma, la hibridación del sistema de bombeo (1) se realiza en la parte hidráulica, y no en la parte eléctrica.

En una realización de la invención con bombeo a presión y caudal constantes (segundo modo de funcionamiento (F2)), la unidad de control (7) recibe la demanda de caudal necesaria y determina que es necesario alimentar dos bombas de agua (2) para satisfacer dicha demanda. Posteriormente, la unidad de control (7) evalúa la señal que recibe del sensor de irradiancia y temperatura (6) y determina que hay suficiente potencia fotovoltaica para alimentar dos bombas de agua (2). En base a ello, la unidad de control (7) establece el modo fotovoltaico. Bajo este modo fotovoltaico, la unidad de control (7) ordena: parar el segundo (3b) y el cuarto subgrupo de variadores de frecuencia (3d) (alimentados por los grupos diésel (4b)), al contactor (5) que se conecte con el tercer subgrupo de variadores de frecuencia (3c) (alimentados por el generador fotovoltaico (4a)), y a los dos variadores de frecuencia (3) alimentados por el generador fotovoltaico (4a) (del primer y del tercer subgrupo de variadores de frecuencia) que se pongan en funcionamiento. El variador de frecuencia del primer subgrupo (3a) trabajará en el punto de máxima potencia mediante un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico (4a) de la unidad de control (7), y el variador de frecuencia (3) del tercer subgrupo (3c) estará controlado por presión. En el ejemplo de la Figura 1 , bajo este modo fotovoltaico, funcionarán las dos bombas de agua (2) del primer (2a) y del tercer subgrupo (2c).

En otra realización de la invención con bombeo a presión y caudal constantes (segundo modo de funcionamiento (F2)), la unidad de control (7) recibe la demanda de caudal necesaria y determina que es necesario alimentar dos bombas de agua (2) para satisfacer dicha demanda. Posteriormente, la unidad de control (7) evalúa la señal que recibe del sensor de irradiancia y temperatura (6), y determina que no hay suficiente potencia fotovoltaica para alimentar dos bombas de agua (2). En base a ello, la unidad de control (7) establece el modo híbrido. Bajo este modo híbrido, la unidad de control (7) ordena: parar los variadores de frecuencia (3) del tercer (3c) y del cuarto subgrupo (3d), arrancar el grupo diésel (4b), y arrancar los variadores de frecuencia (3) del primer (3a) y del segundo subgrupo (3b). El variador de frecuencia del primer subgrupo (3a) trabajará en el punto de máxima potencia mediante un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico (4a) de la unidad de control (7), y el variador del segundo subgrupo (3b) estará controlado por presión. En el ejemplo de la Figura 1 , bajo este modo híbrido, funcionarán las dos bombas de agua (2) del primer (2a) y del segundo subgrupo (2b).

En otra realización de la invención con bombeo a presión y caudal constantes (segundo modo de funcionamiento (F2)), la unidad de control (7) recibe la demanda de caudal necesaria y determina que es necesario alimentar dos bombas de agua (2) para satisfacer dicha demanda. Posteriormente, la unidad de control (7) evalúa la señal que recibe del sensor de irradiancia y temperatura (6), y determina que no hay suficiente potencia fotovoltaica para alimentar ni siquiera una bomba de agua (2). En base a ello, la unidad de control (2) establece el modo red/diésel. Bajo este modo red/diésel, la unidad de control (7) ordena: parar los variadores de frecuencia (3) del primer (3a) y el tercer subgrupo (3c), arrancar el grupo diésel (4b), ordenar al contactor (5) que se conecte con el variador de frecuencia (3) del cuarto subgrupo (3d) y arrancarlo, y arrancar el variador de frecuencia (3) del segundo subgrupo (3b). El variador de frecuencia del segundo subgrupo (3b) trabajará controlado por presión y el variador del cuarto subgrupo (3d) trabajará a su potencia nominal. En el ejemplo de la Figura 1 , bajo este modo red/diésel, funcionarán las dos bombas de agua (2) del segundo (2b) y del tercer subgrupo (2c). De acuerdo a una realización preferentemente, los variadores de frecuencia (3) alimentados por grupos diésel (4b) que siempre trabajan a potencia nominal (segundo (3b) y cuarto subgrupo de variadores de frecuencia (3d)) serán arrancadores suaves. Finalmente, a la vista de esta descripción y figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin salir del objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.