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Bombeo solar para el agro: cómo dimensionar el sistema
En buena parte de las veredas de Cauca, Santander y Norte de Santander el agua existe, pero está 40, 60 u 80 metros más abajo que el bebedero. La finca la sube con una motobomba a gasolina o diésel, con el costo de combustible y mantenimiento que eso implica, o la acarrea. Y cuando el pozo está a 2 km de la última red de media tensión, extender esa red cuesta más que todo el sistema de bombeo.
Un sistema de bombeo solar sumergible off-grid resuelve exactamente ese caso: paneles, un controlador o variador solar y una bomba sumergible que llena un tanque elevado durante las horas de sol. El tanque hace de “batería”: almacena agua, no energía. Por eso un buen diseño de bombeo solar es más barato y más confiable que un sistema fotovoltaico con banco de baterías, siempre que el dimensionamiento se haga bien.
Esta guía es el procedimiento que seguimos en Matrix Energy Systems para dimensionar estos sistemas, con un ejemplo resuelto de principio a fin para un tanque de 5.000 litros.
Un sistema de bombeo no se dimensiona como un sistema solar normal
En un sistema fotovoltaico convencional se parte de los kWh/mes de la factura. En bombeo solar se parte del agua: cuántos litros por día y contra cuánta altura. La variable de diseño no es el consumo eléctrico, es la energía hidráulica, y esa energía depende del producto caudal × altura.
De ahí salen tres consecuencias prácticas que conviene tener claras antes de cotizar:
Un sistema de bombeo no se dimensiona como un sistema solar normal
En un sistema fotovoltaico convencional se parte de los kWh/mes de la factura. En bombeo solar se parte del agua: cuántos litros por día y contra cuánta altura. La variable de diseño no es el consumo eléctrico, es la energía hidráulica, y esa energía depende del producto caudal × altura.
De ahí salen tres consecuencias prácticas que conviene tener claras antes de cotizar:
- El mismo arreglo entrega la mitad del agua si la altura se duplica. Duplicar la profundidad del pozo pesa tanto como duplicar la demanda.
- Normalmente no se usan baterías. El almacenamiento se hace en el tanque, que cuesta una fracción de lo que cuesta un banco de litio y no se degrada en 8 años. Se usan baterías solo cuando hay que bombear de noche o el tanque no se puede elevar.
- El sistema debe bombear todo el requerimiento diario en 4 a 6 horas útiles de sol. No se diseña con el caudal nominal del catálogo a 24 horas; se diseña con las horas de sol pico reales del sitio.
Esa última línea es la que más equivocaciones causa: una bomba de 1.000 L/h no entrega 24.000 L/día en un sistema solar, entrega unos 5.000 L/día.
Los 8 datos que definen el sistema
Sin estos datos no hay dimensionamiento, hay adivinanza. Esta es la lista que pedimos antes de cotizar un bombeo solar:
Dos advertencias de campo. Primero: el nivel dinámico no es el nivel estático. En pozos de bajo caudal el agua puede bajar 10 o 20 metros al arrancar la bomba, y ese abatimiento se paga en altura. Si no hay prueba de bombeo, se asume un nivel dinámico conservador y se deja la bomba con sumergencia suficiente.
Segundo: la longitud de tubería es la real del recorrido. En finca la conducción rara vez va derecho; 80 metros en el plano suelen ser 120 metros de tubo con cuatro codos.
Paso 1: la demanda diaria de agua
El tanque no es la demanda. Un tanque de 5.000 litros puede corresponder a una demanda de 5.000 L/día (se llena una vez al día) o a una demanda de 2.500 L/día con dos días de reserva. Primero se calcula el consumo, después se decide el tanque.
Valores orientativos de consumo para fincas en Colombia:
Sobre el total se aplican dos ajustes:
- Factor de crecimiento. Si la finca piensa subir de 40 a 60 reses, se dimensiona para 60. Cambiar una bomba sumergible dos años después cuesta más que el sobrecosto inicial.
- Reserva de autonomía. Se recomiendan 1 a 2 días de reserva en tanque para cubrir días nublados. Con 2.500 L/día de demanda, el tanque de 5.000 L da exactamente dos días.
El resultado de este paso es un solo número: el volumen diario de diseño en litros por día.
Paso 2: la altura dinámica total (TDH)
La altura dinámica total es la altura real contra la que trabaja la bomba. Es la suma de tres términos:
TDH = nivel dinámico + altura de descarga + pérdidas por fricción
Donde el nivel dinámico se mide desde la boca del pozo hasta el espejo de agua con la bomba en marcha, la altura de descarga es la diferencia de nivel entre la boca del pozo y la entrada al tanque, y las pérdidas por fricción dependen del caudal, del diámetro y de la longitud de la tubería.
Pérdidas por fricción aproximadas en tubería de PVC o PE, en metros de columna de agua por cada 100 m de tubo (Hazen-Williams, C = 150):
A ese valor se le suma un 10–15 % por accesorios (codos, válvula de cheque, uniones). La tabla explica por qué nunca se debe ahorrar en diámetro: pasar de 1" a 1½" con 3 m³/h elimina 10 metros de altura ficticia, y esos 10 metros se traducen directamente en paneles que no hay que comprar.
Regla práctica: si las pérdidas por fricción superan el 10 % de la altura estática, el diámetro de la tubería está mal elegido.
Paso 3: de litros y metros a vatios de panel
Con el volumen diario y la altura dinámica total ya se puede calcular la energía que el sistema debe entregar al agua cada día:
Ehidráulica (Wh/día) = 2,725 × Q (m³/día) × TDH (m)
El 2,725 sale de la densidad del agua y la gravedad: cada metro cúbico elevado un metro cuesta 2,725 Wh de energía útil.
Esa energía útil no es la que hay que generar. El conjunto bomba-motor-controlador tiene una eficiencia global del 30 al 45 %, y el arreglo trabaja fuera de condiciones estándar. La potencia del arreglo se despeja así:
Parreglo (Wp) = Ehidráulica ÷ (η × HSP) × FS
Los valores que usamos en Matrix para diseño conservador:
- η conjunto = 0,35 para bombas sumergibles solares de 0,5 a 2 HP en pozo. Con bombas de mayor potencia y buen punto de operación se puede subir a 0,40–0,45.
- FS = 1,15 a 1,25 como factor de seguridad, que cubre suciedad en los paneles, temperatura de celda, degradación y desviaciones del HSP real.
- HSP del mes más crítico, no el promedio anual.
El resultado es la potencia pico del arreglo. Después se redondea hacia arriba al módulo comercial disponible: con paneles de 585 o 630 Wp, un requerimiento de 820 Wp se atiende con dos módulos.
HSP de diseño: Cauca y los Santanderes no son lo mismo
La diferencia de irradiación entre una finca cerca de Popayán y una finca cerca de Cúcuta cambia el tamaño del arreglo en más de un 30 % para la misma agua. No se puede usar un promedio nacional.
Valores del Atlas de Radiación Solar de Colombia (IDEAM/UPME), en kWh/m²/día:
Tres criterios para elegir el HSP:
- Use el mes más crítico del año, no el promedio. En zonas de ladera del Cauca la diferencia entre el mes más soleado y el más nublado supera el 25 %. Si el sistema se diseña con el promedio, en temporada de lluvias el tanque no se llena.
- Descuente por nubosidad de montaña y por sombras de árboles o relieve. Por eso el HSP de diseño de la tabla es menor que el rango del atlas.
- Verifique el dato del sitio, no el de la capital del departamento. El norte del Cauca, en el valle geográfico, recibe bastante más sol que Popayán.
Paso 4: bomba y controlador
Con caudal, altura y potencia de arreglo definidos se entra a la curva de la bomba. El punto de operación debe quedar dentro del tercio central de la curva, no en el extremo: una bomba trabajando al límite de su altura máxima mueve muy poca agua y se calienta.
Lo que debe traer el controlador o variador solar, sin excepción:
- MPPT con ventana de tensión amplia, para aprovechar las primeras y últimas horas del día.
- Protección por marcha en seco. Es la protección más importante del sistema: sin ella, el pozo que se abate quema la bomba.
- Entrada para sensor de nivel o flotador en el tanque, para que el sistema pare al llenar y no rebose todo el día.
- Arranque suave, que evita el golpe mecánico e hidráulico en cada arranque por nube.
- Grado de protección IP65 o superior si va a la intemperie en finca.
La bomba debe quedar sumergida al menos 1 a 2 metros por debajo del nivel dinámico y al menos 1 metro por encima del fondo del pozo, para no succionar sedimento.
Paso 5: cableado, protecciones y montaje
En bombeo solar el cable es parte del diseño hidráulico, no un accesorio. Un pozo de 80 metros implica más de 90 metros de conductor sumergible hasta el motor, más el tramo del arreglo al controlador. Con calibres apretados, la caída de tensión se come la potencia que se pagó en paneles.
- Caída de tensión máxima del 3 % en el tramo DC entre arreglo y controlador, y 3 % en el tramo al motor. En pozos profundos esto suele obligar a subir uno o dos calibres sobre lo que indica la ampacidad.
- Cable sumergible tipo bomba para el tramo del pozo, con empalme termoencogible con resina o kit de empalme sumergible. Un empalme con cinta aislante en un pozo es una falla programada.
- Seccionador DC y portafusibles entre arreglo y controlador, accesibles para mantenimiento.
- DPS clase II en DC y, si hay tramo AC, también en AC. En zonas de alta actividad eléctrica atmosférica como Santander y Norte de Santander, esta no es una opción.
- Puesta a tierra del arreglo, de la estructura y del controlador, con conductor de protección dimensionado y medición de resistencia de puesta a tierra.
- Estructura orientada al sur geográfico e inclinación de 10° a 15° para permitir el lavado por lluvia, en perfilería galvanizada y con anclaje calculado para viento.
Aunque un sistema aislado en finca no siempre requiere el mismo trámite que una interconexión a la red, el montaje se diseña bajo los criterios del RETIE y de la NTC 2050: calibres, protecciones, distancias, señalización y puesta a tierra. Eso es lo que diferencia un montaje que dura 20 años de uno que se pierde en el primer verano.
Ejemplo resuelto: finca ganadera en el Cauca, tanque de 5.000 L
Finca de ladera cerca de Popayán, sin red eléctrica en el punto del pozo, con 45 bovinos, vivienda de 5 personas, galpón pequeño y huerta de 350 m² bajo goteo.
Paso 1. Demanda diaria
Volumen diario de diseño: 5,0 m³/día, que llena el tanque de 5.000 L una vez al día.
Paso 2. Altura dinámica total
Paso 3. Potencia del arreglo
- Energía hidráulica: 2,725 × 5,0 × 72 = 981 Wh/día
- Con η = 0,35 y HSP = 3,5: 981 ÷ (0,35 × 3,5) = 801 Wp
- Con FS = 1,20: 961 Wp requeridos
Paso 4. Kit resultante
Con el arreglo redondeado al módulo comercial, el rendimiento estimado en el mes más crítico es de unos 7 m³/día, es decir un 40 % por encima de la demanda. Ese margen no es desperdicio: es lo que permite llenar el tanque igual en una semana nublada, y en los meses buenos el flotador simplemente corta el bombeo al mediodía.
Comparación: la misma finca en Santander
Mismo ejercicio, otra zona y otro pozo: finca en Santander con pozo de 110 m, riego de 1.500 m² además del ganado, y una demanda de 9 m³/día almacenada en dos tanques de 5.000 L.
Lo que muestra la comparación: la finca de Santander pide 80 % más agua contra 44 % más altura, pero su arreglo solo crece 62 % porque el mejor HSP compensa parte del esfuerzo. La irradiación del sitio es un dato de diseño tan duro como la profundidad del pozo.
Una nota de selección: en los dos casos la opción es bomba DC. Por debajo de unos 2,5 kWp de arreglo, la tensión del string rara vez alcanza la ventana de entrada de un variador solar de 220 V AC, y forzarla obliga a comprar paneles que el sistema no necesita. La bomba AC con variador empieza a tener sentido de ahí hacia arriba, o cuando la finca quiere respaldo con red o planta eléctrica.
La altura manda: la misma potencia, la mitad del agua
La curva muestra cuánta agua entrega un mismo arreglo de 1.170 Wp según la altura dinámica total, en una zona de baja irradiación y en una de irradiación alta.
Dos lecturas prácticas. La caída es inversamente proporcional a la altura: entre 40 y 80 metros el mismo arreglo pasa de 13 a 6,6 m³/día. Y la distancia vertical entre las dos curvas es el efecto del sitio: en Santander ese arreglo entrega alrededor de un 29 % más de agua que en el Cauca de ladera, sin cambiar un solo equipo.
Por eso, cuando la demanda de agua no cabe en el presupuesto, lo primero que se revisa no es el panel: es la altura. Bajar las pérdidas de fricción con mejor diámetro, o reubicar el tanque 8 metros más abajo, sale más barato que añadir módulos.
Seis errores que se repiten en bombeo solar
- Dimensionar con el caudal del catálogo a 24 horas. La bomba solo trabaja mientras hay sol útil. El caudal de diseño es el volumen diario dividido por las HSP, no por 24.
- Usar el nivel estático como altura. Ignorar el abatimiento del pozo es el error más costoso: el sistema entrega menos agua de la prometida y nadie entiende por qué.
- Escatimar en diámetro de tubería. Ahorrar en tubo para gastar en un panel adicional. La fricción se paga en vatios todos los días.
- Diseñar con el HSP promedio anual. El sistema funciona nueve meses y deja de llenar el tanque justo en la temporada de lluvias, cuando más nublado está.
- Omitir la protección contra marcha en seco o el control de nivel. Una bomba sumergible sin agua se daña en minutos, y un tanque que rebosa todo el día desperdicia el acuífero y erosiona el terreno.
- Montar sin puesta a tierra ni DPS. En zona de tormentas, el controlador es lo primero que se pierde, y suele ser el equipo más costoso de reponer.
Qué necesitamos para cotizar su sistema
Si tiene estos datos, podemos entregarle un dimensionamiento con memoria de cálculo y cotización:
- Municipio y vereda del proyecto
- Litros por día requeridos, o el detalle de usos (personas, animales, área de riego)
- Profundidad del pozo, nivel estático y, si existe, nivel dinámico
- Diámetro del entubado del pozo
- Altura y capacidad del tanque, y distancia del pozo al tanque
- Fotos del pozo, del sitio del tanque y del área disponible para los paneles
Matrix Energy Systems SAS — 13 años en el mercado colombiano de energía renovable. Dimensionamos el sistema con memoria de cálculo, suministramos el kit completo con garantía de fábrica y despachamos a todo el país.
Escríbanos por WhatsApp al 320 385 4266 o visite www.matrixenergysystems.com.
Fuentes y notas técnicas
- Radiación solar por ciudad en Colombia, con base en el Atlas de Radiación Solar de Colombia (IDEAM/UPME).
- Atlas Interactivo de Radiación del IDEAM: atlas.ideam.gov.co.
- Las pérdidas por fricción se calcularon con la ecuación de Hazen-Williams (C = 150).
- Los consumos por uso y las eficiencias de conjunto son valores orientativos de diseño y deben verificarse en cada proyecto.