Diseño y estudio de una bomba solar fotovoltaica para extracción de agua en una zona rural en Senegal.

Abstract

This Final Degree Project presents a design and study proposal for a solar photovoltaic pump intended for water extraction in a rural area of southern Senegal, specifically in the village of Djiragone. This initiative is part of a collaborative project between the University of La Laguna and the Université Assane Seck de Ziguinchor, aiming to improve access to water in communities facing supply difficulties and limited energy resources. The installation is intended for community-based agricultural work, especially during the dry season, when access to water becomes particularly critical. At a theoretical level, the operation of solar cells has been addressed through the band theory of solids, with a focus on semiconductors and the photovoltaic effect. The p-n junction, its behavior under solar irradiation, and the electrical modeling of the cell are described. In addition, key concepts such as conversion efficiency, Fill Factor, and standard test conditions are introduced. The second part of the project focuses on the analysis of the components and possible configurations of a solar pumping system: surface, floating, and submersible pumps; power supply through direct current, batteries, or alternating current using an inverter; as well as rotodynamic and positive displacement pumps. Subsequently, based on the climatic data of the area and a daily water demand of 10 m³, the required hourly flow rate was calculated as 2.25 m³/h. A total dynamic head of 16.56 meters was estimated, which includes the geometry head, the drawdown, and the head losses in the piping system. The chosen configuration was a submersible Grundfos model: the SQF 1-70 pump powered by two solar panels connected in series, thus avoiding the batteries and inverters use and simplifying maintenance. Specifically, the selected panels are Yangtze Solar YS350P-72 modules rated at 350 Wp. The electrical system includes 4 mm² PV1-F cabling, a DC-rated fuse, a manual disconnector, grounding, and a water level sensor to protect the equipment in the event of a dry well. A 40 mm diameter, 59-meter-long PVC piping system was designed, balancing hydraulic efficiency, cost, and ease of installation. The proposal was designed with a practical and realistic approach, supported by information provided by local students based on previous projects in Darou and Sampathé. The testimonies collected highlight significant improvements in agricultural production, the economic autonomy of women farmers, and overall quality of life. Negative aspects observed in those installations—such as panel shading, well sedimentation issues, and the need for regular maintenance—were also taken into account. Ultimately, this project proposes an efficient and sustainable energy solution for water supply in rural communities. Its design considers not only the technical sizing but also the social and environmental conditions of the area, making it a replicable model for similar regions.

Este Trabajo de Fin de Grado en una propuesta de diseño y estudio de una bomba solar fotovoltaica para la extracción de agua en una zona rural del sur de Senegal, concretamente en el poblado de Djiragone. Esta iniciativa forma parte de un proyecto de colaboración entre la Universidad de La Laguna y la Université Assane Seck de Ziguinchor, con el objetivo de facilitar el acceso al agua en comunidades con dificultades de abastecimiento y escasos recursos energéticos. La instalación está destinada a labores agrícolas comunitarias, especialmente durante la estación seca, cuando el acceso al agua resulta más crítico. A nivel teórico, se ha abordado el funcionamiento de las células solares mediante la teoría de bandas de los sólidos, profundizando en los semiconductores y el efecto fotovoltaico. Se describen la unión p-n, su comportamiento bajo radiación solar, y el modelado eléctrico de la celda. Además, se introducen conceptos clave como la eficiencia de conversión, el Fill Factor y las condiciones estándar de prueba. La segunda parte del trabajo se centra en el análisis de los componentes y configuraciones posibles de un sistema de bombeo solar: bombas superficiales, flotantes y sumergibles, alimentación en corriente continua DC, mediante baterías o con inversor a corriente alterna AC, bombas rotodinámicas y bombas de desplazamiento positivo. Posteriormente, a partir de los datos climáticos de la zona, y de una demanda de agua diaria de 10 m³ se calculó el caudal horario requerido, 2.25 m³/h. Se estimó una altura dinámica total de 16.56 metros, que incluye la altura geométrica, la diferencia entre el nivel estático y el nivel dinámico y las pérdidas de carga en las tuberías. La elección fue un modelo sumergible de Grundfos: la bomba SQF 1-70 alimentada por dos paneles solares conectados en serie, evitando así el uso de baterías e inversores y simplificando el mantenimiento. Concretamente los paneles seleccionados son los Yangtze Solar YS350P-72 de 350 Wp, y el sistema eléctrico incluye cableado PV1-F de 4 mm², un fusible de corriente continua, desconectador manual, toma de tierra y un sensor de nivel de agua para proteger el equipo frente a situaciones críticas. Se diseñó un sistema de tuberías de PVC de 40 mm de diámetro y 59 m de longitud, buscando la eficiencia hidráulica, coste y facilidad de instalación. La propuesta fue diseñada con un enfoque práctico y realista, apoyado por información proporcionada por estudiantes locales en instalaciones anteriores en Darou y Sampathé. Los testimonios recogidos evidencian mejoras significativas en la producción agrícola, la autonomía económica de las mujeres agricultoras y la calidad de vida general. También se tuvieron en cuenta aspectos negativos observados en dichos proyectos, como el sombreado de los paneles, problemas con la sedimentación del pozo y la importancia del mantenimiento periódico. En definitiva, este trabajo propone una solución energética eficiente y sostenible para el abastecimiento de agua en comunidades rurales. Su diseño contempla no solo el dimensionamiento técnico, sino también las condiciones sociales y ambientales del entorno, siendo una propuesta replicable en otras regiones con características similares.