Bomba solar sin batería con banco capacitivo

Este proyecto nació de una necesidad muy específica: desarrollar un sistema de bombeo de agua alimentado directamente por energía solar, capaz de operar en lugares remotos y con el menor mantenimiento posible.

Un desarrollo anterior se había iniciado en el exterior, pero se interrumpió antes de llegar a una solución utilizable. Entonces contrataron a ECK para hacerse cargo del problema y desarrollar una arquitectura electrónica capaz de aprovechar directamente la energía de los paneles solares, sin usar baterías.

El punto central del proyecto era fácil de describir, pero técnicamente desafiante: la energía disponible variaba continuamente con la radiación solar, mientras que la bomba necesitaba recibir pulsos de energía lo bastante fuertes para mover el conjunto mecánico.

Almacenar energía sin usar batería

La solución adoptada se basó en un banco capacitivo.

La energía de los paneles solares, con una tensión del orden de decenas de volts, se acumulaba en ese banco de capacitores. En lugar de intentar alimentar continuamente la bomba con una fuente cuya potencia variaba a lo largo del día, el sistema esperaba hasta tener almacenada una cantidad suficiente de energía.

Un microprocesador monitoreaba en forma continua la tensión del banco capacitivo.

Cuando la tensión alcanzaba el nivel definido para operar, el control liberaba un pulso de energía hacia el actuador de la bomba. Después del pulso, el sistema volvía a acumular energía hasta alcanzar otra vez la condición necesaria para el siguiente ciclo.

Esta estrategia permitió separar, de alguna manera, la generación variable del panel solar de la demanda instantánea de la bomba.

Bus de alta tensión y accionamiento en puente H

La bomba usada era de diafragma y necesitaba un accionamiento alternado para completar el movimiento mecánico.

El circuito electrónico elevaba la energía almacenada a un bus de alta tensión, del orden de cientos de volts, y usaba un puente H para aplicar la energía alternadamente en sentidos opuestos.

La bomba quedaba conectada entre las ramas del puente.

En un ciclo, la corriente circulaba en un sentido; en el siguiente, en el sentido contrario. Así, el conjunto completaba el movimiento del diafragma que bombea el agua.

La temporización de esos pulsos la definía el microprocesador según la energía disponible en el banco capacitivo.

La frecuencia de la bomba acompaña la energía disponible

Una de las características más interesantes de la arquitectura era la forma en que el sistema se adaptaba naturalmente a la cantidad de energía solar disponible.

Con mucha radiación solar, el banco capacitivo alcanzaba rápido la tensión necesaria. Los pulsos eran más frecuentes y la bomba movía más agua.

Cuando la radiación disminuía, la carga de los capacitores tardaba más. El sistema no intentaba mantener artificialmente la misma frecuencia; simplemente aumentaba el intervalo entre pulsos.

Con radiación muy baja, la frecuencia de bombeo podía caer bastante, pero la arquitectura seguía aprovechando la energía disponible cada vez que el banco alcanzaba el nivel necesario para un nuevo ciclo.

Esta característica permitía extraer energía útil del panel en un rango muy amplio de condiciones ambientales, sin necesidad de una batería intermedia.

Eliminar la batería redujo el mantenimiento

No usar batería fue una decisión importante para la aplicación.

El equipo iba a instalarse en lugares remotos, donde un mantenimiento periódico para cambiar baterías, revisar el electrolito o reemplazar acumuladores representaría un costo alto y, en algunos casos, una operación difícil.

Con el banco capacitivo, el almacenamiento de energía se usaba solo para acumular lo necesario para cada pulso de bombeo.

Eso permitió construir un sistema con poca necesidad de mantenimiento y adecuado para pasar largos períodos en campo.

Aplicación en pozos y zonas remotas

El producto se usó en sistemas de extracción de agua de pozos, incluso en instalaciones con caños de aproximadamente cuatro pulgadas de diámetro.

La propuesta era permitir el bombeo en zonas sin infraestructura eléctrica, usando solo el panel solar y la electrónica de control.

Soluciones de este tipo se usaron en entornos severos y zonas de difícil acceso, incluidas áreas desérticas y regiones secas, donde la confiabilidad y el bajo mantenimiento eran requisitos tan importantes como el rendimiento del sistema.

El concepto resultó especialmente adecuado para aplicaciones en las que el objetivo no era mantener un caudal instantáneo constante, sino aprovechar continuamente la energía solar disponible a lo largo del día para mover agua.

Control electrónico basado en la energía disponible

Desde el punto de vista de la ingeniería, el proyecto es un ejemplo interesante de cómo una carga puede controlarse según la energía realmente disponible, en lugar de exigir una fuente estable dimensionada para la potencia de pico.

La lógica de control tenía que medir el banco capacitivo, decidir cuándo había energía suficiente para un ciclo y controlar el puente H con seguridad.

Además del control normal, la electrónica tenía que considerar el comportamiento del bus de alta tensión, la descarga de los capacitores, las condiciones de arranque y la robustez necesaria para operar por mucho tiempo en campo.

Diseño electrónico orientado a la aplicación real

La solución final no nació solo de elegir un panel solar o una bomba.

Surgió de la integración entre captación de energía, almacenamiento capacitivo, conversión de tensión, accionamiento de potencia, control embebido y comportamiento mecánico del conjunto.

Este tipo de desarrollo muestra una característica importante de los proyectos electrónicos de energía: muchas veces el problema no es simplemente generar o convertir potencia, sino adaptar la carga al perfil real de la fuente disponible.

ECK desarrolló la arquitectura electrónica justamente con ese objetivo, creando un sistema capaz de operar sin batería, con poco mantenimiento y adecuado para instalaciones remotas.

Vea también otros proyectos de ingeniería electrónica desarrollados por ECK.