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Bombeo solar para nuevas aplicaciones de riego por goteo

Photovoltaic solar pumping for new drop irrigationapplications (Drip irrigation)

Eduardo Torres O.', Raúl Sapiain2,Reinhold SchmidtJ, Ricardo Ovalle',Ariel Torres O.', Germán Ayala6,Victor Hidalgo?

RESUMEN

Los sistemas de bombeo fotovoltaico en aplicaciones productivas de riego por goteo significan unanueva alternativa en el desarrollo de zonas áridas, que no cuentan con energía eléctrica a través de la redconvencional.

El trabajo presenta los resultados obtenidos de un proyecto piloto tanto a nivel de laboratorio comode terreno con primeras aplicaciones a pequeña escala. Se ha desarrollado un sistema de bombeo solarutilizando estanques de acumulación, combinado con un sistema de riego tecnificado de muy baja pre-sión, por gravedad. Se muestra las características de las bombas solares utilizadas y también el funciona-miento de distintos tipos de goteros y cintas.

Los resultados indican que sistemas de riego tecnificado trabajando con presiones de 0,2 bar trabajanen forma estable con factores de uniformidad de riego >93 %. Los datos y experiencias obtenidas servi-rán como base para una ampliación de esta tecnología en sistemas de mayor envergadura.

ABSTRACT

Photovoltaic pumping systems, in productive applications of dripping irrigation , mean a new alter-native in the development of arid zones with no electric power through conventional nel.

The work team has developed drip irrigation systems using photovoltaic solar pumps and has asses-sed their behaviour at laboratory and field level with small scale applications.

This paper presents results obtained from the characteristics of the solar pumps used as well as exu-dants. With these new experiences got, a new stage has been planned which studies the implementationof a new 0.5 ha. cactaceous experimental plantation, using this new energy source.

This proposal presents results obtained so far and the future activities in the field.

Centro de Energias Renovables, Facultad de Ingeniería, Universidad de Tarapacá, Casílla 6-D, Arica - Chile, Fax: +56 - 58 - 232135, e-mail: rsch-midt@lluta.mecan.uta.eI

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1. INTRODUCCION

En la actualidad el suministro de agua y electricidaden zonas rurales aisladas del norte de Chile, se realizaprincipalmente utilizando grupos electrógenos comofuente de energía.

Esta operación presenta dificultades desde el puntode vista técnico-económico, las que pueden describirsebajo los siguientes aspectos:

.mantención y confiabilidad de los equipos utilizados

. transporte y almacenamiento de combustibles

. alto costo de operación

Por otro lado, el norte de Chile se caracteriza por un

Generador solar

Inversor/control

IDESIA (Chile) Vol. 16,1999

alto potencial de energía solar, cuasi uniforme durante elaño, que relacionado con la escasez de agua hacen inte-resante el desarrollo de nuevas aplicaciones de energíasolar en sistemas de riego tecnificado.

Este trabajo muestra algunos resultados de un pro-yecto que ha sido implementado por el Centro de Energí-as Renovables de la Universidad de Tarapacá, que con-siste en desarrollar, implementar y evaluar sistemas deriego por goteo de baja presión, utilizando paneles sola-res como fuente de energía, bombas solares sumergiblespara la obtención de agua, un estanque elevado paraalmacenarla y obtener así la presión necesaria para elfuncionamiento del sistema de riego(Pizarro, 1996). Lafigura NO. l muestra una instalación típica.

Estanque de agua./

Riego tecnificado'"

/Medidores caudal

Motobomba sumergible

Fig. No. 1 : Esquema típico de una instalación de riego por goteo con energía solar

Según la demanda de agua para el riego y la profun-didaddelpozovaríanel tamañodelgeneradorsolary labomba involucrada. Se usan sistemas de corriente conti-nua, c.c, para aplicaciones pequeñas ( l -5 m3/día ) y sis-temas de corriente alterna con bombas centrífugas, c.a.para aplicaciones mayores. ( ejemplo: pozo 30m, gene-rador solar 1,8 kWp, volumen de agua disponible por día36 m3).

El uso de un sistema fotovoltaico presenta ventajascomparativas respecto a los sistemas convencionales, lasque pueden resumirse en los siguientes aspectos:

Utilización de recursos naturales no contami-

nantes como fuente de energía.

La energía solar es una fuente renovable y dis-ponible, que se puede utilizar sin provocar alte-raciones al medio ambiente. El norte de Chilepresenta condiciones altamente favorables parasuaprovechamiento,dadoqueel valorpromedioanual de la radiación global diaria es de Gd =5,91 kWh/m2día en la zona desértica (estaciónmeteor. de Pica, superficie horizontal ). La figu-ra NO..2 muestra valores medidos de la radiación

global en la superficie horizontal y valores cal-culados para una inclinacion de 30°, dando como

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resultado una radiación cuasi pareja sobre lasuperficie inclinada durante todo el año.

Radiación global diaria, Picapromedios mensuales

8

7

6 u

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --- - - - - - - - --

- - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - --lO

~ 5E:c 4==lo:e 3Q).ce" 2

:---\- ----- ~ \---------------------------------------inclinada

- - - - -- - - u - - - -- - -- - h - - u - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - --horizont.

- _u u - - - - u - u - u - - u - u - - - - - - - - - u u - - - - - u - - - _u - - - u - - - - - - - - u u --

o

- - -- - -- u- _u h- - - - - - - - - - - - u- -- -_h- - u - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- -- - - - - - u-

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Fig. No. 2: Radiación global en Pica. superficie horizontal e inclinada

Larga vida útil y alta confiabilidad de loscomponentes

La vida útil de un panel fotovoltaico se estima enalrededor de 20 años y los equipos electrónicosadicionales están en el rango de 10 años (Kothe,1993; Müller, 1992). Durante la operación deestos equipos el porcentaje de fallas es extrema-damente bajo, resultando en un sistema de altaconfiabilidad (Oheimb, 1994).

Ventajas económicas a largo plazo

Aunque la inversión inicial de un sistema solares alta, los costos de operación y mantención sonbajos, la operación del sistema es simple y, com-parado con un sistema convencional, el sistemasolar tiene ventajas económicas a largoplazo.(Posorshi, 1996).

2 EXPERIENCIAS REALIZADAS

Se ha realizado un completo trabajo experimental,dado que no existe información en torno al comporta-miento de las cintas y de los goteros con diferentes pre-siones de trabajo ( altura de carga ), especialmente en elrango de bajas presiones. Asimismo, la información que

los fabricantes entregan sobre las bombas solares foto-voltaicas, no es lo suficientemente completa, de tal mane-ra que permita conocer su comportamiento en distintospuntos de operación. Estas consideraciones hicieronnecesario iniciar previamente un trabajo experimentalpara conocer el comportamiento de estos dos elementosbásicos que constituyen el sistema de riego por goteo debaja presión. Para realizar los ensayos se construyó unbanco de pruebas, utilizado tanto para las bombas comopara los goteros y otros componentes hidráulicos.

En esta etapa experimental, se usaron sistemas depequeña potencia, cuyo conocimiento permite unaampliación futura a niveles de mayor envergadura.

2.1. Comportamiento de las bombas solares

Las bombas ensayadas fueron del tipo DC yestán indicadas como sigue:

.bomba JET -TBP 70

.bomba SHURFLO 9300

.bomba CAP - F5

Los resultados de las bombas Shurflo y CAPpueden verse en los gráficos N°. 3 y 4 :

60

. . ,.:

IDESIA (Chile) Vol. 16, 1999

Bomba Shurflo 9300Caudal VS. radiación

h=10m=- I

---h=20m

h=30m

200 1000 1200400 600 800

Radiación en Watt / m2

Gráfico3 : Bombasolar Shurflo9300 : Caudal en litros/hora VS. radiación en Watt/m2

Bomba CAP F5Caudal VS. radiación

h=10m

=-h=20m

-h=30m

-h=40m

200 400 600 800 1000 1200

Radiación en Watt / m2

Gráfico. 4 : Bomba solar CAP F5 : Caudal en litros/hora VS. radiación en Watt/m2

Los gráficos presentan un resumen de medicio-nes de caudal con distintas alturas versus la

intensidad de la radiación solar. Los gráficosmuestran que el caudal de la bomba depende dela energia recibida. Por ejemplo con un altura de20 metros el caudal de la bomba CAP F5 aumen-

ta hasta un valor máximo de 460 litros/hora con

una intensidad solar de 1000 W/m2, mientrasque la bomba Shurflo 9300 llega a su caudalmáximo de 400 litros/hora con una intensidad

solar de 700 W/m2 y posteriormente permanececonstante.

500

450

400.r:

350e

300(])

cr¡ 250\J::J 200tU

O 150

100

50

OO

650

600

550

500.r: 450

e 400(])

cr¡350

l:J 300::J 250tU

O 200

150

100

50

oo

La intensidad de la radiación solar es variabledurante las horas de sol en el día, por lo tanto loscaudales de la bomba también son variables conun máximo val.ora mediodía con cielo despeja-do.

Esta situación es completamente diferente a unsistema convencional, en que la energía entrega-da a la bomba es normalmente constante y, porlo tanto, también su caudal. Debido a este hecho,es conveniente en un sistema solar acumular elagua durante las horas de sol en un estanque,para ser utilizada en el riego en horas más con-venientes para el usuario. Para el riego, no se uti-liza otra fuente de energía adicional, solo laenergía potencial acumulada en el estanque (rie-go por gravitación).

Razones económicas y de seguridad no hacenrecomendable colocar este estanque en alturaselevadas, por lo tanto se trabaja a niveles de 2 a3 metros sobre suelo, lo que significa presionesde trabajo de 0,2 a 0,3 bar.

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2.2 Comportamiento de los gotero s y cintas

Para realizar los ensayos del comportamiento degoteros y cintas se conectaron varios componen-tes al banco de ensayo mencionado anteriormen-te. Se analizó además las características devarios goteros en mangueras de 50 m de largo yuna cinta de 50 m en una pequeña instalación enterreno (Cerro Sombrero). Se midió el caudalversus las presiones en caso de goteros indivi-duales y la distribución de caudales en el caso demangueras y cintas exudantes para verificar launiformidad de riego.

El gráfico N°. 5 muestra como ejemplo la rela-,ción típica del gotero Twin Drops TD41O, elcaudal del gotero versus la presión. Se midió loscaudales de agua en el rango de 20 kPa hasta 150kPa, verificando así también un funcionamientoadecuado con bajas presiones hasta 20 kPa. Delos datos obtenidos se pudo determinar la rela-ción típica (Q = K . P " caudal versus presión) deeste gotero con los siguientes coeficientes:

K : coeficiente de descarga

x : exponente de descarga

: K = 0,5246

: x = 0,4649

Relación caudal vs. presión, (gotero individual)

6

5

4

St:i 3oCI

2

oo 20 40 60 80

presion en kPa

100 120 140 160

Gráfico No. 5 : Relación caudal vs. presión, gotero TD410, datos medidos

62 IDESIA (Chile) Vol. 16, 1999

Para evaluar y verificar el comportamiento degoteras y cintas operando con presiones de p=20kPa ( 0,2 bar) en terreno, se instaló un estanquede agua en que se mantenía el nivel de agua en 2metros. Se conectó a este estanque mangueras de50 m de largo ( PE 16 mm, con 17 goteras) yuna cinta. Se midió el caudal entregado por losgoteros y la cinta, en el principio, el final y en

varios puntos intermedios para evaluar la distri-bución de caudales sobre las líneas.

La tabla siguiente entrega los valores de cauda-les obtenidos, el caudal promedio y el coeficien-te de uniformidad. Ver gráfico N°. 6.

Tabla 1.

Evaluación de la distribución de caudales (1/h)y coeficiente de uniformidad (%).

(CU =Qmin. / Qprom.. coeficiente de uniformidad)(cinta Rodrip : 0,5 I/h =2,5 l/m)(perdida de presión en las lineas entre Punto N°1 y Punto W. 4 : 0,012 bar en las mangueras, 0,018 bar en la cinta)

Distribución caudal goteros / cinta, Cerro Sombrero '96Rn'nlda= 2m

24Twin drops TD41 O

2 . '." ''''''. " ", . .'...,..'''''....... . '. . . .. .

..c:::::. 1.6

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Bayanet

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Rodrip

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..

I

2

t3

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Om 50 m

Gráfico No. 6 : Distribución caudales goteros/cinta, Cerro Sombrero, 1996

Punto Twin drops Laberinto Bayonet Rodrip1 2,0 I/h 1,82 I/h 1,43 I/h 0,48 I/h2 1,92 1,8 1,6 0,5253 1,88 1,71 1,14 0,5254 1,76 1,66 1,82 0,48

Qpromedio 1,89 I/h 1,751/h 1,5 1/h 0,5 1/hCU 93,1 % 94,8 % 76% 96%

Como consecuencia, se puede mencionar lossiguientes aspectos:

. existen goteros y cintas que entregan caudalescon variaciones aceptables sobre el largo de lasmangueras con coeficientes de uniformidad> 93%, trabajando con presiones de 20 kPa

. pero también existen goteros no aptos para estetipo de aplicación con presiones bajas, lo quehace necesario evaluar cada tipo de gotero parasu uso en un sistema de riego con baja presión

. la baja presión utilizada hace necesario diseñarel sistema de riego de tal manera de minimizarlas pérdidas de carga en la tubería y componen-tes utilizados. Este diseño y cálculo es especial-mente necesario para una ampliación del sistemade riego con más líneas en paralelo. Las pérdidasde presión, medidas entre el primer y últimogotero ( 0.012 bar ), indican que la utilización demás goteros en línea es fácilmente posible.

3. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos permiten concluir losiguiente:

* El trabajo realizado muestra la factibilidad de uti-lizar goteros y cintas, operando con baja presión

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*

( menor de 3 m de altura de carga) en sistemasde riego tecnificado.

La instalación piloto, realizada y puesta en mar-cha desde hace un año, muestra un comporta-miento estable de los goteros y cintas utilizados.

La información obtenida permite aplicar estosnuevos conocimientos en instalaciones de mayorenvergadura en cooperación con el sector pro-ductivo. Para esto, se ha planificado un proyectode 0.5 ha de cactáceas ( tuna y pitaya ) a desarro-llarse en los próximos meses en la quebrada deChaca al sur de Arica, y un proyecto con coope-ración internacional ( GTZ ) para iniciarse a finesdel año en 4 instalaciones con una superficie totalde 3,5 ha y diferentes cultivos.

Una futura difusión de esta nueva aplicación deenergías renovables contribuirá significativa-mente al desarrollo de zonas rurales aisladas.

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LITERATURA CITADA

KOTHE, 1993, HANS, STROMVERSORGUNG MITSOLARZELLEN, FRANCIS-VERLAG, München,Alemania.

MÜLLER, H.P., 1992, Theoretische und experimentelleUntersuchungen zum Einsatz von photovoltaischbetriebenen Pumpsystemen zur Feldbewasserung,Universitat Siegen, Alemania.

POSORSKI, R., 1996, Rentabilidad de Sistemas deBombeo Fotovoltaico, Energía y Desarrollo,PROPER -GTZ, Bolivia.

OHEIMB, R., 1994, Photovoltaik Anwendungen imAgrarbereich, KTBL Darmstadt, Alemania.

PIZARRO, F., 1996, Riegos localizados de altafrecuencia, Mundi Prensa, Madrid.