Simulación del rendimiento de una planta de ósmosis inversa para purificar agua de mar con bomba de potencia variable acoplada a distintos arreglos fotovoltáicos

Abstract

En este trabajo se simula la producción de agua potable de una planta desalinizadora de agua de mar energizada directamente por un sistema solar fotovoltaico (SFV) sin baterías, funcionando intermitentemente y con variaciones de potencia eléctrica a lo largo del día. Dado el avance en el control electrónico y el desarrollo de más eficientes motores de imanes permanentes, actualmente en forma comercial se puede conseguir el conjunto motor-bomba de potencia variable que pueden ser acoplados a una planta de ósmosis inversa (OI) para ofrecer altas presiones y producir agua para consumo humano o industrial de calidad. Con información técnica de un motor-bomba se logró obtener una expresión matemática para la simulación de la operación de este, bajo diferentes potencias eléctricas que caracterizan a un SFV durante su funcionamiento diario. Así mismo se obtuvo un conjunto de expresiones matemáticas que representan el funcionamiento de la planta de OI. Integrándolas y utilizando información del año típico meteorológico para Ciudad Obregón, Sonora, se efectuó una simulación anual de la producción de agua potable de una planta de OI solamente abastecida por un SFV. De igual manera, se llevó a cabo un análisis trimestral a lo largo del año. La simulación se realizó para tres configuraciones principales de los módulos del SFV: fijos, con seguimiento solar en un eje y con seguimiento en dos ejes. Se encontró, como era de esperarse, que los módulos con seguimiento en dos ejes y en un eje obtienen una producción 39% y 19% mayor que los fijos con orientación al sur, además de que ofrecen una menor variación de la potencia entregada durante el día, lo que mejora el desempeño del sistema en su conjunto y, reducen las posibilidades de fallo y de mantenimiento del equipo. Además, la simulación muestra que una gran cantidad de energía que se desperdicia a medio día (porque no se cuenta con baterías), cuando se trata de igualar la producción de agua con paneles fijos a los con seguimiento. Buscando evitar la inversión inicial y el mantenimiento que representa instalar y operar los sistemas de seguimiento solar, pero al mismo tiempo, tener las ventajas de estos logrando una distribución más uniforme de la potencia eléctrica entregada por la planta solar, se exploró el efecto de contar con un arreglo de paneles fijos, pero con diferentes orientaciones. Los nuevos optimizadores de potencia de módulos fotovoltaicos permiten distribuir la potencia de forma más conveniente para mantener la máxima potencia de salida del arreglo fotovoltaico. Si bien se aumentó el número de módulos fijos (con una relación 2.5 a 3.1), con tres orientaciones distintas, sin embargo, se logra suministrar lo mismo que un sistema de seguimiento en un eje, emulando en forma muy parecida la producción de potencia eléctrica a lo largo del día y sin el inconveniente del costo inicial y del mantenimiento inherente de estos sistemas móviles.