Evaluación de confiabilidad y rendimiento de una planta solar fotovoltaica

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 14174 (2023) Citar este artículo

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El funcionamiento y la eficacia de un sistema de bombeo de agua subterráneo con energía solar se ven afectados por muchos factores ambientales y técnicos. Se debe investigar el impacto de estos factores para considerarlos al desarrollar estos sistemas y garantizar su confiabilidad. Este estudio evaluó la confiabilidad y el rendimiento del sistema fotovoltaico de bombeo de agua (PVWPS) en condiciones operativas reales examinando los efectos de la irradiancia solar, la temperatura de los paneles y la eficiencia de los componentes. Desde diciembre de 2020 hasta junio de 2021, se realizaron experimentos en un PVWPS de 10 hp ubicado en Bani Salamah, gobernación de Al-Qanater-Giza (Egipto), en una latitud de 30,3° N, una longitud de 30,8° E y 19 m sobre el nivel del mar. Los valores de irradiancia alcanzaron 755,7, 792,7 y 805,7 W/m2 a las 12:00 horas en diciembre, marzo y junio, respectivamente. Además, la irradiancia tiene un impacto significativo en el caudal de la bomba, ya que la cantidad de agua bombeada durante el día alcanzó 129, 164,1 y 181,8 m3/día, respectivamente. Las temperaturas de los paneles aumentaron a 35,7 °C, 39,9 °C y 44 °C, respectivamente. Se observó que cuando la temperatura aumenta 1 grado Celsius, la eficiencia cae un 0,48%. La eficiencia media de los paneles solares fotovoltaicos alcanzó su valor más alto en marzo (13,8%) y su valor más bajo en diciembre (13%).

La demanda de electricidad ha aumentado como resultado del rápido aumento tanto de la población como de la tecnología mundial. El uso de combustibles fósiles, que provoca la liberación de una cantidad importante de CO2 a la atmósfera, es uno de los factores que tiene un impacto significativo en el cambio climático. Debido a estos factores, muchas naciones han comenzado a utilizar una forma de energía limpia, accesible, renovable y sostenible (principalmente la energía solar)1,2. Las bombas que funcionan con diésel se utilizan comúnmente para riego. Sin embargo, debido al aumento del precio del petróleo en el mercado internacional, las emisiones nocivas de su combustión, los altos costos de mantenimiento y su corta vida útil, los fabricantes se han visto obligados a buscar una alternativa. El uso de energía renovable puede reducir la necesidad de combustibles fósiles. Debido a que la energía solar está ampliamente disponible, incluso en áreas remotas, es una alternativa viable a las bombas de agua que funcionan con diésel3,4. La energía solar es una fuente de energía renovable y respetuosa con el medio ambiente que no tiene efectos adversos sobre el medio ambiente en comparación con las fuentes de combustible basadas en combustibles fósiles para la generación de energía, y la energía se puede utilizar en zonas rurales donde la electricidad no es fácilmente accesible. Es una de las fuentes de energía renovable más importantes que se puede aprovechar para generar energía eléctrica, que luego puede usarse como fuente de energía para impulsar una bomba de agua eléctrica con fines de riego5,6. La energía de la radiación solar se utiliza principalmente para generar energía térmica y eléctrica. Es un método sustituto para generar electricidad para una gama más amplia de usos industriales, así como en algunos otros campos, como aplicaciones de construcción, productos de almacenamiento de alimentos y usos agrícolas para accionar bombas, motores y diferentes aparatos industriales como ventiladores y refrigeradores7. 8. El uso de un sistema fotovoltaico independiente (la nomenclatura se ilustra en la Tabla 1) en el sector de la agricultura para riego se está volviendo más popular día a día en todo el mundo. El uso de energía solar asegura el uso de energía verde en el sistema9,10. Egipto recibe mucha radiación solar directa porque es un país en el cinturón solar, con cantidades anuales que oscilan entre 2000 y 3200 kWh/m2 de norte a sur. La duración del brillo del sol oscila entre 9 y 11 h, con algunos días nublados durante todo el año11,12. Los sistemas de bombeo con energía solar proporcionan agua para una variedad de usos, incluido el uso doméstico y para satisfacer la demanda de agua en el ámbito del riego, el abrevadero del ganado y el suministro de agua a las aldeas10,13. Un generador de energía fotovoltaica, convertidores de potencia, un motor eléctrico y una bomba son los componentes de un sistema de bombeo de agua alimentado por energía solar14,15. La energía solar se puede utilizar térmicamente mediante el uso de colectores solares térmicos para calentar y secar, o fotovoltaicamente convirtiendo la luz solar en electricidad utilizando células solares hechas de materiales semiconductores como el silicio. Los paneles solares, también conocidos como paneles fotovoltaicos, se fabrican conectando células solares en serie. Ambos tipos tienen numerosas aplicaciones en entornos agrícolas, facilitando la vida y contribuyendo a aumentar la productividad. La electricidad generada por el sol se puede utilizar para alimentar la bomba de agua o almacenarse bombeando agua a un tanque alto durante el día y distribuyéndola por gravedad al anochecer. Se necesitará una batería para almacenar la energía generada durante el día para aplicaciones eléctricas nocturnas16,17. Existen dos métodos para bombear agua con un sistema fotovoltaico: La energía solar se consume en “tiempo real” en la primera técnica, que se conoce como “bombeo al sol”. Esta solución requiere el almacenamiento de agua en un tanque (el agua bombeada durante el día se almacena para su uso posterior por la noche, por ejemplo). La segunda técnica consiste en utilizar baterías para almacenar energía. La energía almacenada durante el día se puede utilizar para bombear agua más tarde18. La potencia de salida de un sistema fotovoltaico se ve afectada por una serie de factores, incluida la radiación solar, la temperatura de la superficie fotovoltaica, la sombra, el ángulo de inclinación y la acumulación de polvo. El diseño de un sistema fotovoltaico debe considerar una serie de factores y condiciones ambientales, incluidos, entre otros, el ángulo de inclinación, la irradiación y la temperatura. Estas variables tienen un impacto significativo en la potencia de salida de los fotovoltaicos19,20,21. Cuando la temperatura de la superficie del panel solar aumenta 1 °C en verano e invierno, la eficiencia disminuye un 0,48% y un 0,42%, respectivamente22,23. La potencia de salida de un sistema fotovoltaico se ve afectada por una serie de factores, incluida la temperatura de la superficie fotovoltaica, el ángulo de inclinación y la eficiencia de los componentes del sistema. Estos factores deben investigarse y considerarse al diseñar y operar un sistema fotovoltaico. Cuando la superficie del módulo fotovoltaico es directamente perpendicular a los rayos del sol, se obtiene la máxima energía de salida de una célula fotovoltaica. Debido a que la orientación del seguidor está orientada a la máxima irradiación, produce más energía fotovoltaica que la orientación horizontal24,25. Se observó que muchas de las estaciones fotovoltaicas de bombeo de agua, aunque están bien diseñadas desde el punto de vista de ingeniería, enfrentan problemas después durante el proceso de operación, y también que las cantidades de agua bombeadas desde la estación son menores de lo esperado. Esto se debe a la falta de atención a los factores ambientales y técnicos que tienen un impacto negativo en la estación y su desempeño. Por lo tanto, el objetivo de este trabajo fue estudiar la confiabilidad y el rendimiento del sistema de bombeo de agua subterráneo con energía fotovoltaica en condiciones de operación reales, investigar los factores de impacto negativos en el sistema fotovoltaico y demostrar la posibilidad de confiar en este sistema como una forma segura y segura. alternativa fiable a los sistemas energéticos tradicionales que son caros y contaminan el medio ambiente.

Los experimentos se llevaron a cabo en Bani Salamah, Al-Qanater, Gobernación de Giza, Egipto, ubicado en la latitud 30.325364° N, longitud 30.805797° E y 19 m sobre el nivel del mar, desde septiembre de 2020 hasta junio de 2021, y se tomaron mediciones cada 15 min. durante el día entre el amanecer y el atardecer.

El diseño del sistema de bombeo de agua solar pasa por varias etapas y se debe conocer cierta información como el consumo diario de agua, el nivel estático del agua y la longitud y el diámetro de las tuberías de bombeo. En el presente caso, consumo medio de agua = 175 m3/día, nivel estático = 47 m, descenso = 5 m, longitud de las tuberías de bombeo = 70 m, presión de la red de riego = 1 bar y diámetro de las tuberías de bombeo = 3 Pulgadas = 76,2 mm.

La altura dinámica total TDH (m) y el caudal Q (m3/h) deben especificarse con precisión para seleccionar la bomba adecuada.

La cabeza de fricción Hf (m) representa la pérdida de presión en la tubería debido a la fracción. La cabeza de fricción podría calcularse a partir de Hazen William como la ecuación. (1)26.

donde Hf = pérdidas por fricción (m), K = coeficiente constante = 1,22*1010, L = longitud de las tuberías de bombeo (m), Q = descarga (lit/s), d = diámetro interno de las tuberías de bombeo (mm).

La altura dinámica total TDH podría expresarse como la ecuación. (2)27:

donde Hst = altura estática (m), Hd = altura de descenso (m), Hf = altura de fricción (m) y Hp = altura de presión (m).

La bomba adecuada debe elegirse entre los esquemas de eficiencia de bombas utilizando caudal (25 m3/h) y TDH (70 m). Los esquemas recomiendan una bomba de 10 hp y 8 etapas.

La potencia hidráulica requerida HP (W) podría expresarse como Ec. (3)22.

donde HP = potencia hidráulica (W), Q = caudal (m3/h), ρ = densidad del agua (1000 kg/m3), g = aceleración de la gravedad (9,81 m/s2).

Inversor: El inversor apropiado para la bomba se puede elegir de la siguiente manera28: Potencia del inversor ≥ potencia del motor.

Se utilizará inversor solar Lorentz de 15 kw. De la hoja de datos del inversor (voltaje MPPT de 500 a 600 V).

La producción de los paneles disminuye durante los períodos de la mañana, el cielo nublado y el atardecer. La potencia total necesaria para operar la bomba multiplicada por 1,25 determina el tamaño de los paneles fotovoltaicos29. Potencia del panel solar = 1,25 × 10 hp = 12,5 hp = 12,5 hp × 745,7 W = 9321 W. Número de paneles = 9321/260≃36 paneles.

El tipo de conexión entre paneles (en paralelo o en serie) depende del voltaje y corriente que necesita el inversor para funcionar de manera eficiente. Como resultado, según la hoja de datos del inversor Lorentz, el rango de voltaje MPPT es de 500 a 600 V. Por lo tanto, cada 18 paneles se conectaron en serie para formar dos conjuntos. Voltaje de cada conjunto = 18 × 30,5 = 549 V.

Los dos conjuntos de conjuntos se conectaron en paralelo para dar una corriente = 2 × 8,53 = 17,06 amperios. La Figura 1 muestra el diagrama eléctrico de un sistema fotovoltaico de bombeo de agua, los componentes eléctricos y los métodos de conexión.

El diagrama eléctrico del sistema fotovoltaico.

Las células fotovoltaicas son los componentes fundamentales de casi todos los módulos fotovoltaicos. Para aumentar el voltaje, los paneles se conectan en serie. Varias de estas cadenas de celdas se pueden conectar en paralelo para aumentar la corriente. Sistema fotovoltaico (PV) implementado que consta de dos agrupaciones de matrices, cada una de las cuales está compuesta por 18 módulos conectados a una estructura metálica en serie cuyo ángulo de inclinación se puede cambiar manualmente como se muestra en la Fig. 2. Para darle al inversor una corriente de 17 A y 549 V, dos grupos estaban unidos en paralelo. El tipo de módulo utilizado en estos experimentos es Renesola (JC260M-24/Bb) 260 W. La hoja de datos del módulo se ilustra en la Tabla 2.

Los dos conjuntos de paneles fotovoltaicos.

El inversor convierte la energía CC producida por los módulos fotovoltaicos en energía CA utilizada para accionar el motor de la bomba. También ajusta la frecuencia de salida en tiempo real en función de los niveles de irradiación predominantes y funciona con la tecnología MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) para maximizar la salida de energía en todos los niveles de irradiación. La Tabla 3 ilustra la hoja de datos del inversor Lorentz.

La unidad de bombeo se compone de tres componentes clave: un motor trifásico de corriente alterna, una bomba sumergible multietapa y un pozo profundo. En la Tabla 4 se muestran los datos técnicos del motor eléctrico sumergible trifásico Vansan VSM 6/10. Los datos técnicos de la bomba centrífuga sumergible Vansan VSP-SS 06030/08 se presentan en la Tabla 5 y las curvas de rendimiento se muestran en la Fig. 3.

Las curvas de rendimiento de la bomba.

Se utilizó un piranómetro para medir la radiación solar, como se muestra en la Fig. 4. Está compuesto por una cúpula de vidrio, un sensor de termopila y una carcasa del instrumento. En un amplio rango de longitudes de onda, la radiación entrante es prácticamente absorbida en su totalidad por una superficie horizontal ennegrecida. Según la diferencia de temperatura entre la superficie absorbente negra y la carcasa del instrumento, el detector produce un voltaje muy pequeño. Esto es del orden de 10 microvoltios por metro cuadrado (W). El proceso de calibración determina la sensibilidad específica de cada piranómetro, que se utiliza para traducir la señal de salida en microvoltios a la irradiancia total en W/m2. La sensibilidad de los piranómetros KIPP&ZONEN utilizados es (12,11*10–6) V/Wm-2 y (14,11*10–6) V/Wm−2. Para convertir la señal de salida del piranómetro en mV en irradiancia global en W/m2, la ecuación. (4) fue utilizado.

donde IR: insolación, W/m2, Sensibilidad del piranómetro: (12,11*10–6) V/Wm-2, y (14,11*10–6) V/Wm-2, mV= Salida del piranómetro.

Piranómetros.

La temperatura de los paneles solares se midió cada hora desde el amanecer hasta el atardecer con un termómetro infrarrojo digital y la Tabla 6 ilustra la hoja de datos del termómetro infrarrojo. Además, se utilizó un termómetro de termopar para medir la temperatura y la Tabla 7 ilustra la hoja de datos del termómetro infrarrojo.

Se utilizó un multímetro UNI-T UT39C para medir el voltaje y la corriente de salida del sistema fotovoltaico. Un multímetro, comúnmente conocido como medidor de voltios/ohmios, es un dispositivo de medición electrónico que incorpora múltiples funciones en un solo dispositivo. Las mediciones de voltaje, corriente y resistencia se encuentran entre las capacidades de un multímetro típico. La hoja de datos del multímetro digital se muestra en la Tabla 8. Se utilizó la ley de Ohm para determinar la potencia (Ec. 5).

donde PDC: potencia de salida del sistema fotovoltaico, W; IDC: corriente, amperios; VCC: voltaje, voltio.

El medidor de flujo de 4 pulgadas y 10 bares (ISO 4064 clase B) es un dispositivo que se utiliza para medir, registrar y mostrar continuamente el volumen de agua que pasa a través del transductor de medición en condiciones de medición. La hoja de datos del medidor de flujo se ilustra en la Tabla 9.

El promedio de horas de sol diarias en Egipto es de aproximadamente 9 a 11 h, por lo que Egipto recibe abundante energía solar con una radiación solar directa anual de alrededor de 2000 a 3200 kWh/m2/año30. Las mediciones de la intensidad de la radiación solar se realizaron mediante un piranómetro y un medidor de radiación solar digital. La Figura 5 muestra la radiación solar promedio por hora (W/m2) para los meses de diciembre de 2020, marzo de 2021 y junio de 2021. Los resultados mostraron que los valores más altos de radiación solar alcanzaron 976,5, 1067,3 y 981,0 W/m2, respectivamente, en 12:00 pm

Radiación solar media horaria en diferentes meses (diciembre, marzo y junio).

La radiación solar promedio diaria se muestra en la Fig. 6, que ilustra el aumento de la radiación solar promedio diaria en junio (805,7 W/m2) en comparación con marzo (792,7 W/m2) y diciembre (755,7 W/m2). Se nota que la intensidad de la radiación solar aumenta en los días soleados y disminuye en los días nublados, donde las nubes dispersan los rayos del sol. Además, la intensidad de la radiación solar varía con la circulación de la Tierra alrededor de su órbita y alrededor del sol, donde la radiación disminuye temprano en la mañana y en invierno (diciembre) porque el ángulo de altitud del sol es pequeño y la radiación penetra un gran distancia de la atmósfera, mientras que durante el mediodía y el verano (junio) la intensidad de la radiación solar aumenta porque el ángulo de altitud se hace grande. y la radiación penetra la atmósfera a corta distancia31.

Radiación solar media diaria (W/m2) en diferentes meses (diciembre, marzo y junio).

La corriente producida por los paneles se ve afectada directa y uniformemente por la radiación solar32. Donde la corriente producida aumenta cuando aumenta la radiación y disminuye cuando disminuye la radiación solar. La Figura 7 ilustra la correlación entre la corriente continua (CC) generada por los paneles solares y la intensidad de la radiación solar en marzo y junio, respectivamente. La corriente continua (CC) producida por los paneles solares se ve afectada positivamente por la intensidad de la radiación solar, como se muestra en la Fig. 8.

Radiación solar (IR) y corriente continua (DC) en marzo y junio.

La radiación promedio por hora y la corriente continua.

Los voltajes promedio por hora que entregó el generador fotovoltaico se muestran en la Fig. 9 para los meses de diciembre, marzo y junio. Está claro que diciembre tiene los valores de tensión más altos de todos los meses, seguido de marzo y los valores más bajos en junio. Se observa que los meses con mayor radiación solar y temperatura fueron los de menor voltaje de salida de los sistemas fotovoltaicos, los cuales pueden verse afectados por las altas temperaturas en el verano y una atmósfera despejada. También es evidente que el voltaje no se ve afectado significativamente por la radiación solar33, como se ilustra en la Fig. 10.

Tensión media horaria del sistema fotovoltaico en diferentes tres meses (diciembre, marzo y junio).

La radiación promedio por hora y el voltaje del sistema fotovoltaico.

La energía CC producida por los paneles solares se ve afectada por la intensidad de la radiación solar. La Figura 11 ilustra la correlación entre la energía CC y la irradiancia en marzo y junio, respectivamente. La Figura 12 representa la relación positiva entre la radiación solar y la energía eléctrica generada por los paneles, la cual se basa en la relación positiva entre la radiación y la corriente eléctrica. La Figura 13 muestra la potencia eléctrica de CC promedio diaria generada por paneles fotovoltaicos durante los meses de diciembre, marzo y junio. Se observa que marzo presenta los valores de potencia más altos durante todo el día, seguido de junio y los valores más bajos son en diciembre. Está claro que junio tiene el mes de mayor radiación solar, pero en este mes la potencia fue menor que marzo porque la temperatura del módulo en junio fue mayor que marzo, por lo que la eficiencia en marzo fue mayor que junio33.

La correlación entre la irradiancia y la potencia CC en marzo y junio.

La radiación promedio por hora y la potencia de CC.

La potencia eléctrica de CC promedio diaria en diferentes meses.

Resulta que existe una correlación directa entre la potencia hidráulica y la intensidad de la radiación solar, como se muestra en la Fig. 14 para marzo y junio. Los experimentos han revelado un aumento de la potencia hidráulica a medida que aumenta la intensidad de la radiación solar. La Figura 15 ilustra la relación positiva entre la radiación solar y la energía eléctrica. Los valores medios diarios de potencia hidráulica en diciembre, marzo y junio alcanzaron 3.795,2, 4.312,3 y 4.207,4 W, respectivamente.

La correlación entre irradiancia (IR) y potencia hidráulica (HP) en marzo y junio.

La radiación media horaria y la potencia hidráulica.

La intensidad de la radiación solar (IR) tiene un impacto significativo en la descarga de la bomba (Q)34. La correlación entre el caudal y la intensidad de la radiación solar se ilustra en la Fig. 16 para marzo y junio. La Figura 17 muestra la descarga promedio de la bomba por hora durante tres meses. El caudal medio horario en diciembre, marzo y junio alcanzó valores de 18,2, 22,2 y 22,8 m3/h. El número de horas de funcionamiento de la bomba fue de 7, 7 y 8 h, y la cantidad de agua que se bombeó durante el día fue de 129, 164,1 y 181,8 m3/día, respectivamente.

La correlación entre irradiancia y descarga en marzo y junio.

Caudal promedio horario (m3/hr.) en diferentes meses.

Los factores ambientales que rodean a los paneles solares afectan directamente la producción de paneles solares, siendo la temperatura la que tiene el mayor impacto en la eficiencia de los paneles35. Donde el panel se calienta y su rendimiento se degrada como resultado del aumento de la temperatura del aire. La Figura 18 muestra la temperatura promedio de los paneles con valores de 35.7 °C, 39.9 °C y 44 °C en diciembre, marzo y junio, respectivamente.

Temperatura media de los paneles durante cuatro meses.

La eficiencia de los paneles solares se ve afectada negativamente por el aumento de la temperatura, como se muestra en la Fig. 19. Por lo tanto, el rendimiento en un mes de alta temperatura como junio es menor que el rendimiento en un mes de temperatura moderada como marzo. La eficiencia de los paneles tiene el valor más bajo a las 12:00 pm porque al mediodía la temperatura tiene el valor más alto durante el día. Se puede observar en la Fig. 20 que cuando la temperatura aumenta, la eficiencia de los paneles disminuye, y cuando la temperatura alcanza el valor más alto durante el día, 47,4 °C al mediodía, la eficiencia de los paneles disminuye al valor más bajo, 12,8%. Además, está claro que cuando la temperatura aumenta 1 °C la eficiencia de los paneles ηpaneles disminuye en un 0,48%. Estudios anteriores encontraron una disminución de la eficiencia del 0,5%/1 °C36.

La correlación entre la temperatura de los paneles y su eficiencia.

Temperatura de los paneles y eficiencia de los paneles en verano.

El inversor puede considerarse el corazón del sistema debido a su importancia. Es un dispositivo electrónico que convierte la corriente continua (DC) producida por los paneles solares en una corriente alternativa (AC) adecuada para operar la bomba. También controla la bomba, regula su funcionamiento y la protege de los cambios en la corriente producida por los paneles solares. El rendimiento del inversor se estudió estudiando varios factores, como su frecuencia, potencia de salida y eficiencia.

La frecuencia del inversor se vio afectada directamente por la corriente continua producida por los paneles solares37, como se muestra en la Fig. 21. Mientras que la corriente más alta fue en marzo, la frecuencia promedio alcanzó 46,6 Hz, y la corriente más baja fue en diciembre, la frecuencia promedio alcanzó 44,6 Hz. Hz. donde, el valor de frecuencia promedio fue de 46.4 Hz en junio como se muestra en la Fig. 22. Los valores de frecuencia más altos fueron a las 12:00 del mediodía, que alcanzaron 47.4, 50 y 48.5 Hz en diciembre, marzo y junio, respectivamente, como se ve. en la figura 23.

La correlación entre corriente continua (IDC) y frecuencia (Hz).

Corriente continua y frecuencia en diferentes meses.

Frecuencia del inversor (Hz) en diferentes meses.

Los valores de la potencia eléctrica de CA entregada por el inversor dependen positivamente de los valores de la potencia eléctrica de CC de entrada y de la eficiencia del inversor38. La correlación entre la energía CA y CC se ilustra en la Fig. 24 para marzo y junio. El valor más alto de energía CC se registró en marzo y el valor más bajo se registró en diciembre. Por lo tanto, en la Fig. 25 se puede observar que los valores más altos de potencia de CA se produjeron en marzo y los valores más bajos se produjeron en diciembre. Donde los valores promedio de potencia de CA alcanzaron 6416,2, 7119,7 y 6748,6 W en diciembre, marzo y junio, respectivamente.

La correlación entre DC Power PDC y AC Power PAC en marzo y junio.

PAC de potencia CA promedio en diferentes meses.

Como se ilustra en la Fig. 26, la corriente continua suministrada por los paneles solares tiene un impacto directo en la eficiencia del inversor. Donde se debe suministrar al inversor el voltaje adecuado y la corriente continua adecuada para operarlo de manera eficiente38. Mientras que los valores promedio de corriente continua en diciembre y marzo alcanzaron 12 y 13,64 amperios, respectivamente. Por lo tanto, la eficiencia promedio del inversor alcanzó 89,64% y 90,43%, respectivamente, como se muestra en la Fig. 27.

La correlación entre la corriente continua (CC) y la eficiencia del inversor.

La eficiencia promedio del inversor ηinv en diferentes estaciones.

La eficiencia promedio de la unidad de bombeo (ηbomba) para diferentes meses se muestra en la Fig. 28, donde los valores de eficiencia (ηbomba) en diciembre, marzo y junio alcanzaron 63,5%, 67,6% y 68,7%, respectivamente. Está claro que la eficiencia de la unidad de bombeo (ηbomba) se ve afectada por la intensidad de la radiación solar IR, la temperatura de los paneles y la potencia de CA (PAC). La Figura 29 ilustra la correlación entre la eficiencia de la unidad de bombeo y la radiación solar, y la Fig. 30 ilustra la correlación entre la eficiencia de la unidad de bombeo con energía CA.

La eficiencia promedio de la unidad de bombeo en diferentes meses.

Intensidad de la radiación solar y eficiencia de la unidad de bombeo.

Energía de CA y eficiencia de la unidad de bombeo en junio.

La eficiencia general del sistema se puede calcular dividiendo la salida del sistema (energía hidráulica) por la entrada del sistema (potencia de radiación solar), o multiplicando las eficiencias de todos los componentes del sistema (paneles solares, inversor y unidad de bombeo). La eficiencia global del sistema se ve directamente afectada por la radiación solar, pero cuando la radiación solar supera los 900 W/m2 al mediodía, esto va acompañado de un aumento de temperatura, lo que afecta negativamente a la eficiencia de los paneles solares y, por tanto, a la eficiencia general del sistema. como se muestra en la Fig. 31. En diciembre, marzo y junio, respectivamente, la eficiencia promedio del sistema fue de 7,40%, 8,46% y 8,51%.

Intensidad de la radiación solar y eficiencia global.

La radiación solar, la temperatura de los paneles y la eficiencia de los componentes son los factores más importantes que afectan el funcionamiento y el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos de bombeo de agua. El voltaje de los paneles no se ve afectado significativamente por la radiación solar, donde tiende a ser estable, mientras que la corriente continua se ve afectada directa y uniformemente por la radiación solar. Además, cuando la temperatura del panel aumenta 1 °C, su eficiencia cae un 0,48 por ciento. La irradiación y el número de horas de sol tuvieron un impacto significativo en el volumen de agua bombeada durante el día, que alcanzó 129, 164,1 y 181,8 m3/día, respectivamente, en diciembre, marzo y junio. En conclusión, la eficiencia promedio general del sistema fue de 7,40%, 8,46% y 8,51%, respectivamente. Por lo tanto, los resultados del estudio mostraron la confiabilidad de los sistemas de bombeo de agua subterránea con energía fotovoltaica, siempre que se consideren factores ambientales y técnicos negativos al desarrollar y diseñar estos sistemas.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB). Esta investigación no recibió ninguna subvención específica de agencias de financiación del sector público, comercial o sin fines de lucro.

Departamento de Ingeniería Agrícola, Facultad de Agricultura, Universidad de El Cairo, Giza, Egipto

Nesma Mohamed Ahmed

Departamento de Ingeniería Agrícola, Facultad de Agricultura, Universidad de El Cairo, Giza, Egipto

Ahmed Mahrous Hassan y Mohamed Abdelwahab Kassem

Centro de Investigación Nuclear, Autoridad Egipcia de Energía Atómica, Inshas, ​​Egipto

Ahmed Mahmoud Hegazi

Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Al-Azhar, El Cairo, Egipto

Youssef Fayez Elsaadawi

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Todos los autores participaron en los experimentos. Todos los autores participaron en la redacción del manuscrito. Todos los autores participaron en el examen del manuscrito. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Youssef Fayez Elsaadawi.

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en conflicto ni relaciones personales conocidas que pudieran haber influido en el trabajo presentado en este artículo.

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Reimpresiones y permisos

Ahmed, NM, Hassan, AM, Kassem, MA et al. Evaluación de confiabilidad y desempeño de un sistema de bombeo de agua subterránea con energía solar fotovoltaica. Representante científico 13, 14174 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41272-5

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Recibido: 17 de abril de 2023

Aceptado: 24 de agosto de 2023

Publicado: 30 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41272-5

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