La energía eléctrica solar se produce cuando las celdas fotovoltaicas (FV) convierten la energía solar en electricidad, la cual suele alimentar una bomba sumergible o de superficie para que extraiga el agua cruda. Los sistemas de bombeo alimentados por energía solar (SPPS, por sus siglas en inglés) deben combinarse con un tanque elevado de almacenamiento de agua (o, si no se puede evitar, con baterías) para almacenar energía y garantizar un suministro continuo de agua en días nublados y por la noche.

Las celdas FV suelen estar hechas de silicio y colocadas conjuntamente bajo una placa de vidrio protectora para formar un módulo FV. Por lo general, varios de estos módulos se organizan en un panel FV, cuyo número total depende de la cantidad de agua que debe suministrarse al día, de la carga dinámica total del sistema hidráulico y de la energía solar disponible. La cantidad promedio de energía solar normalmente disponible en una zona durante un día se denomina "horas de sol pico", que difiere de las "horas de luz", ya que la intensidad solar cambia a lo largo del día. Por ejemplo, en zonas con un promedio de ocho horas de luz diurna, el promedio de horas de sol pico puede ser mucho menor. Determinar el promedio anual y estacional de horas de sol pico es importante para decidir si los paneles solares son una fuente de energía viable en una zona. Mientras se tengan menos horas de sol pico disponibles, mayores serán los costos de inversión, ya que se necesita un mayor número de módulos FV. Por lo general, los SPPS necesitan horas de sol pico de al menos 3-4 kW/m² para ser una opción viable para el suministro de agua a las comunidades.

Consideraciones de diseño

Aparte de la ubicación geográfica, las horas de sol pico y el espacio disponible en el sitio, las otras consideraciones para el diseño de los SPPS son las mismas que para cualquiera de los esquemas de agua alimentados por un generador o la red (por ejemplo, el aprovechamiento seguro del punto de agua, la extracción y la carga dinámica total). Los paneles solares deben estar completamente expuestos a la luz del sol para producir la máxima electricidad solar. La electricidad generada por la energía solar en días nublados se reduce considerablemente (normalmente entre un 25-40 % en comparación con los días soleados).
Para maximizar la radiación directa, los paneles solares deben montarse de forma segura en un soporte inclinado, orientados hacia el ecuador con un ángulo de inclinación igual a la latitud del lugar y en una zona sin árboles ni edificios cercanos para evitar sombras en los paneles. Los paneles solares también deben protegerse de vientos fuertes, tormentas eléctricas, caídas de objetos (por ejemplo, ramas de árboles) y robos.

Existen numerosos programas informáticos que ayudan a diseñar sistemas de energía solar. Estos programas calculan todos los factores y ubicaciones geográficas y presentan propuestas de diseño, incluida la disposición y potencia de los paneles solares, el tamaño de los cables, los modelos de inversores o cajas de control, las bombas y los componentes de equilibrio de sistemas.
Estas soluciones basadas en programas informáticos también garantizan que el rendimiento y las características eléctricas de los componentes se ajusten de modo que se garanticen las salidas eléctricas y de agua esperadas. La electricidad generada por los sistemas FV es en forma de corriente continua (CC). Para los motores de CA, deben instalarse inversores para cambiar la alimentación de CC a CA. Deben evitarse los inversores estándar y optar por un variador de frecuencia (VFD, por sus siglas en inglés), que variará la tensión y la frecuencia necesarias (adecuado para bombas monofásicas más pequeñas sin condensadores de arranque o para cualquier bomba trifásica).

Materiales

En la mayoría de los países se pueden encontrar paneles solares, inversores, tableros de mando, bombas de agua, tuberías y componentes de equilibrio de sistemas (cables, interruptores, etc.) de buena calidad. Debido a la proliferación de materiales solares falsos y de bajo rendimiento (especialmente paneles solares), es de suma importancia asegurarse de que los componentes adquiridos se fabrican de acuerdo con las especificaciones y normas internacionales pertinentes para garantizar un funcionamiento duradero y correcto.

Aplicabilidad

En un contexto de emergencia, es posible acelerar eficazmente el proceso de instalación de los SPPS mediante el equipamiento de pozos de sondeo accionados por bombas manuales ya existentes, lo cual es factible cuando el rendimiento del pozo de sondeo es suficiente para atender al número de beneficiarios previsto y se conocen sus especificaciones técnicas. El alcance de la aplicación de los SPPS durante la respuesta inmediata mejora significativamente con el uso de kits de bombeo solar de emergencia que contienen todos los componentes necesarios. Los SPPS son aplicables a una amplia gama de necesidades de agua. Un solo esquema de SPPS puede abastecer a comunidades de 50 hogares hasta ciudades o campamentos enteros con más de 100.000 personas. Como los SPPS son capaces de bombear aguas subterráneas desde 5 m hasta 500 m de profundidad ("altura de bombeo") y con inversores hechos para usos de bombeo solar que se adaptan a bombas de más de 210 kW, se puede solarizar casi cualquier sistema de suministro de agua en un contexto humanitario. Los tanques de almacenamiento de agua D.5 , D.6 deben incluirse en el sistema de agua para los periodos en los que la bomba no funciona (por ejemplo, durante los días nublados y por la noche), así como para equilibrar las fluctuaciones diarias de la demanda. En el diseño de los SPPS, el volumen del tanque de almacenamiento suele cubrir al menos dos días de suministro de agua a la comunidad, en los que el tanque actúa como una batería para suministrar agua por gravedad cuando se necesita. Si no se dispone de suficiente agua almacenada en altura, existen diferentes opciones de energía de reserva. Sin embargo, las baterías reducen la eficiencia de los SPPS y aumentan los costos, así como las necesidades de O&M y reemplazo. De forma alternativa, un SPPS puede hacerse híbrido al combinar diferentes fuentes de energía (por ejemplo, red eléctrica o generador diésel con energía solar). Las bombas de pistón A.4 , de cavidad progresiva A.5 , de diafragma A.6 y de flujo radial A.8 están disponibles como bombas solares sumergibles de diferentes fabricantes.

Operación y mantenimiento

Mientras que un panel solar de buena calidad cuenta con una garantía de 25 años y solo requiere un mantenimiento sencillo, las baterías (si se utilizan), los inversores y las bombas necesitan un mantenimiento más frecuente por parte de operarios cualificados. El sistema debe inspeccionarse de vez en cuando para comprobar la velocidad de bombeo, el estado de los paneles, los tanques de almacenamiento y las tuberías. El mantenimiento consiste en limpiar regularmente la suciedad y el polvo de los paneles y protegerlos de los daños causados por animales y personas. Se debe construir un cerco seguro alrededor de los paneles solares para evitar robos o actos de vandalismo. Para garantizar un mantenimiento preventivo regular y reparaciones rápidas, se recomienda establecer acuerdos de servicio posventa con contratistas especializados. Un SPPS bien diseñado y mantenido puede funcionar durante más de 10 años sin mayores problemas.

Salud y seguridad

Es posible que se produzcan descargas eléctricas en instalaciones con más de un panel solar, por lo que solo debe permitirse el acceso a técnicos capacitados con el equipo de protección adecuado cuando se realicen reparaciones. Deben instalarse interruptores de CC en los puntos críticos del sistema para aislar los distintos componentes y garantizar la seguridad eléctrica.

Costos

Los costos de capital de los SPPS varían enormemente en función del tamaño del sistema desde varios miles de dólares a más de USD 100.000. Por lo general, el panel solar es el componente más caro. El alto potencial para la reducción de costos en comparación con otras tecnologías de bombeo (especialmente las que funcionan a diésel) se aprecia si el análisis se basa en los costos a lo largo del ciclo de vida del sistema y no solo en los costos de capital de la instalación. Aunque los costos de capital serán normalmente más elevados que los de los sistemas equivalentes de generadores diésel, los estudios demuestran que los SPPS ofrecen un alto potencial de reducción de costos con el paso del tiempo, y el rendimiento de la inversión oscila generalmente entre uno y cuatro años.

Consideraciones medioambientales y sociales

Los SPPS son una tecnología bien aceptada. Como fuente de energía renovable, reducen la necesidad de energía derivada de combustibles fósiles, con lo que disminuye la huella de carbono del sistema y se mejora la calidad del aire. Los SPPS también tienen un bajo costo de funcionamiento, y su operación y uso son sencillos y fiables.