CÁLCULO INFORMATIZADO DE INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS (FOTORRIEGO), PARA RIEGO DE UN OLIVAR.

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1 CÁLCULO INFORMATIZADO DE INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS (FOTORRIEGO), PARA RIEGO DE UN OLIVAR. F. López-Rodríguez, A. Marcos, F. Moral, I. Silos y F. Cuadros Escuela de Ingenierías Industriales. Universidad de Extremadura. Avda. de Elvas s/n Badajoz. ferlopez@unex.es Tno: RESUMEN El elevado coste de las instalaciones solares fotovoltaicas hace necesario que su dimensionamiento se realice de forma precisa antes de llevar a cabo cualquier estudio posterior. En este trabajo se muestra un programa informático, implementado en hoja de cálculo Excel, para el diseño de una instalación fotovoltaica destinada a alimentar un sistema de bombeo con el fin de suministrar agua para el riego por goteo de un olivar o de otro tipo de cultivos. A este procedimiento se le denomina fotorriego, pudiendo ser de gran utilidad para mejorar las producciones de cultivos socialmente tan importantes como el olivo y la vid, optimizando el uso del agua y empleando energía solar, con los beneficios medioambientales que ello supone. Palabras Clave: Energía solar fotovoltaica, fotorriego, olivo, procedimiento informático. ABSTRACT The high cost of the photovoltaic solar facilities makes necessary that its sizing is made of precise form before carrying out any later study. In this work is a computer science program, implemented in spreadsheet Excel, for the design of a photovoltaic installation destined to feed a system on pumping with the purpose of providing water for the irrigation by dripping of an olive grove or on another type of cultures. To this procedure is denominated photoirrigation, being able to be very useful to improve the productions of socially as important cultures as the olive tree and the grapevine, optimizing the use of the water and using solar energy, with the environmental benefits that it supposes. Key words: Photovoltaic solar energy, photoirrigation, olive tree, computer science procedure. 112

2 0. INTRODUCCIÓN El principal objetivo de este trabajo es mostrar un programa informático que, de forma simple, sirva para dimensionar un equipo fotovoltaico, que se usará para el riego (le llamaremos fotorriego) de una explotación agrícola. Para ello, se ha seguido un procedimiento que integra la tecnología del riego y la del bombeo fotovoltaico, optimizando la conexión (integración) de ambos sistemas [1]. Se trata en fin, de conseguir la máxima eficiencia del conjunto, a fin de regar el máximo número de plantas (en este caso la aplicación se ha hecho a olivos), utilizando el mínimo número de paneles solares posibles. La metodología del programa consta de tres etapas principales: 1)Determinación de las necesidades hídricas de la finca en cuestión, que puede estar situada en cualquier lugar del planeta, para lo que se utilizarán las variables suministradas por cualquier base de datos climática. 2) Diseño del sistema de bombeo, en función de la profundidad del acuífero y de la atura necesaria para estabilizar la presión en las cabeceras de la red de distribución de agua. 3) Determinación de la potencia máxima requerida para el riego de una parcela de una extensión determinada, cuya superficie debe proporcionarse al programa, teniendo en cuenta el rendimiento medio del sistema de riego-bombeo-generación fotovoltaica. Los datos de entrada del programa, como se ha indicado anteriormente, se pueden encontrar en una base de datos meteorológicos. Nosotros hemos utilizado la base de datos de CLIMWAT de la FAO [2]. 1. DISEÑO DE LAS NECESIDADES DE RIEGO. La evotranspiración del cultivo, ET c, constituye la variable más importante a considerar, cuando se diseña una estrategia de riego para un cultivo concreto, en un suelo determinado, y bajo un régimen climático. El cálculo de la ET c es el primer paso para estimar las necesidades hídricas anuales del cultivo (NHAC.). El método más habitual para su determinación es el recomendado por la FAO (Doorenbos y Pruitt, 1997), por el que la ET c del cultivo (mm/mes) se calcula mediante el producto de tres factores: ET = ET K K, (Ec. 1) c 0 c r siendo ET 0 la evapotranspiración de referencia (mm/mes), la cual depende esencialmente del clima local, reflejando la demanda evaporativa de la atmósfera. Equivale conceptualmente a la evapotranspiración de una pradera de gramíneas que cubre la totalidad del suelo y que vegeta sin limitaciones de agua y de nutrientes, segada y con un desarrollo no superior a 15 cm; K c es el coeficiente de cultivo, característico de cada tipo de cultivo en cuestión, y K r es un coeficiente reductor, denominado coeficiente de crecimiento del cultivo, el cual estima el porcentaje de terreno cubierto por la copa de los árboles. La determinación de ET 0 puede realizarse experimentalmente mediante evapotranspirómetros o lisímetros de drenaje. Sin embargo, esos procedimientos son costosos en tiempo y dinero, por lo que la estimación de ET 0 suele hacerse con fórmulas empíricas. La recomendada por la FAO es la ecuación de Penman-Monteith [3]. También son muy usadas la ecuación de Penman y la ecuación de Hargreaves. 113

3 Para el cálculo de ET 0 con la ecuación de Penman-Monteith puede usarse el programa CROPWAT, desarrollado por la FAO [2]. Este programa emplea datos climáticos de la base Climwat, la cual contiene información de observatorios meteorológicos de 144 países. Introduciendo las coordenadas del observatorio de la población en estudio se obtienen los datos climáticos mensuales para esta ciudad. Con posterioridad, el programa Cropwat calcula los valores de ET Coeficiente de cultivo y de crecimiento de cultivo. Los coeficientes K c y K r, son coeficientes experimentales cuyos valores no existen para todas las regiones. En el caso del coeficiente de cultivo, K c,, es característico de cada cultivo y se conocen valores bastante exactos para los olivares de la provincia de Córdoba [4]. En este caso el valor de K c oscila entre 0,55 y 0,65, variando de regiones húmedas (por ejemplo, valle del Guadalquivir) a regiones áridas en un 19%. Se trata de un coeficiente que tiene gran sensibilidad sobre las necesidades hídricas de los cultivos, y actualmente constituye un reto su determinación mediante una expresión universal para todos los cultivos y terrenos. En la Tabla 1 se suministran, por ejemplo, los referentes al olivar en las regiones productoras de olivo más importantes del mundo [5]. Valores de los coeficientes de cultivo K c para el olivo Localidad K c Córdoba 0,45-0,65 Creta (Grecia) 0,6-0,75 California 0,55-0,65 California 0,75 Tabla 1. Valores de los coeficientes de cultivo Para el coeficiente de crecimiento del cultivo, K r, se emplea la expresión siguiente: 2 Sc Kr =, (Ec. 2) 100 donde S c es el porcentaje de terreno cubierto por la copa de los árboles y puede determinarse como: 2 π DN Sc = 100, (Ec. 3) donde D es el diámetro de la copa de los olivos en metros y N la densidad de la plantación en plantas/ha. Para olivares con S c > 50% se utiliza Kr 1 [2]. 114

4 El diámetro D se calcula a partir del volumen de copa, dato que se suele conocer; o se pude obtener a partir de unos simples cálculos geométricos, a través de medición directa, o actualmente mediante los sistemas de información geográfica (SIG). 1.2 Nivel de agotamiento permisible (NAP). Durante la estación húmeda, la precipitación efectiva, Pe, es mayor que la evapotranspiración, por lo que las reservas del agua son importantes. Por precipitación efectiva se entiende la cantidad de agua utilizable por las plantas. Habitualmente se calcula como una fracción de la precipitación total. Por ejemplo, y para la mayoría de las áreas olivareras españolas, se recomienda un 70% de la precipitación total mensual [5]. La reserva mensual de agua en el suelo, R m (mm/mes), se determina mediante el balance hídrico: R m = P ET, (Ec. 4) e c donde P e, es la precipitación efectiva (mm/mes). La suma de las reservas mensuales acumuladas durante la estación húmeda será la cantidad de agua disponible al comienzo de la estación seca. Sólo una parte de la misma está disponible para las plantas, R d, no pudiendo exceder el nivel umbral, denominado nivel de agotamiento permisible, NAP, definiéndose éste como el contenido de agua del suelo por debajo del cual es previsible que el cultivo empiece a reducir su tasa de transpiración y, por tanto, su crecimiento y producción. El NAP toma valores diferentes para cada cultivo, en función del método de riego y de la demanda evaporativa de la atmósfera. Se determina como una fracción del agua disponible, AD, definiéndose ésta como la diferencia entre la humedad a capacidad de campo, CC, y el punto de marchitez permanente, PMP. Para el olivo, se estima mediante la expresión: NAP = 0,75 AD = 0,75 Zr ( CC PMP), (Ec. 5) considerándose normalmente Z r, profundidad del sistema radicular, como mm. 1.3 Necesidades hídricas anuales de un cultivo. Una estrategia para llevar a cabo el riego de una explotación consiste en usar las reservas de agua acumuladas durante la estación húmeda como complemento al agua aportada mediante el riego, por lo que se minimizarán los volúmenes de agua de riego por hectárea, con la disminución consiguiente de la potencia requerida. Ello permitirá el riego de una mayor superficie para un caudal de agua disponible. En este caso, las necesidades hídricas anuales de un cultivo, HNAC, serán: NHAC = ( ET P ), (Ec. 6) meses e R m meses siendo ( ET P e ) la diferencia total anual entre ET c y P e, y R m la reserva total anual meses acumulada en el suelo. meses 115

5 Las necesidades hídricas anuales de un cultivo se obtienen en mm/año, pero también se puede expresar en m 3 /ha año. Si dividimos estas necesidades entre el número de meses en los cuales es necesario el riego (normalmente en regiones secas de abril a octubre) se obtienen las necesidades netas de riego (RN). Para una determinada superficie, es posible conocer el número de árboles por hectárea, por lo que finalmente puede obtenerse las necesidades netas de riego (RN) por árbol en l/arbol día. Teniendo en cuenta que la eficiencia de un sistema de riego por goteo, γ s está alrededor de un 80 85% [6], se toma el valor más desfavorable (80%), por lo que las necesidades brutas de riego, RB, serán: RN RB = (Ec. 7) γ s Aunque en la actualidad se se suelen emplazar dos goteros por planta, es recomendable que su número aumente hasta 4 o 6 por planta, ya que de esta forma el humedecimiento es más uniforme y existen evidencias experimentales de un incremento de la producción. 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE BOMBEO FOTOVOLTAICO. Los sistemas de bombeo fotovoltaico constan de tres componentes principales: los paneles fotovoltaicos, el motor y la bomba. Dependiendo del diseño, el sistema puede emplear unas baterías de almacenamiento y un regulador de carga. Las baterías sirven para que se pueda operar cuando la intensidad de la radiación solar es baja (en días nublados, al amanecer o al anochecer). Sin embargo, los sistemas sin batería son más baratos y más sencillos, precisando un mantenimiento muy reducido. En estos casos se emplean depósitos elevados para almacenar el agua, lo que servirá también para regular el caudal y la presión de las cabeceras de riego. El motor tiene que elegirse en función de las necesidades de potencia y del tipo de corriente con la que se operará. Si el motor usa corriente alterna, que es lo más común, será preciso instalar convertidores de corriente continua a alterna. 2.1 Energía hidráulica. La energía hidráulica, E H, necesaria para bombear un caudal, Q, a una altura, H, es: ρgqh EH =, (Ec. 8) 3600 donde E H se expresa en W h/día, ρ es la densidad del agua (1000 kg/m 3 ), g es la aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 ), Q es el caudal diario de agua y H es la altura total a la que se desea bombear el agua, que es la suma de la profundidad del pozo mas la altura necesaria para estabilizar la presión en las cabeceras de riego (aproximadamente 10 m). Simplificando, la ecuación (8) queda: EH 3 = 2, QH (W h/día) (Ec. 9) 116

6 2.2 Potencia del generador fotovoltaico Teniéndose en cuenta: 1) las pérdidas de energía por fricción del agua en las tuberías del sistema de riego, R; 2) la fracción diaria durante la cual la radiación solar está por encima del umbral al cual la bomba empieza a trabajar G d (>G umbral ); 3) el rendimiento del generador fotovoltaico, µ G ; 4) el rendimiento del convertidor de corriente continua a alterna, µ I ; 5) el rendimiento de la bomba, µ MB. La energía máxima requerida por el generador fotovoltaico, E GF, será: E GF ( E ( G ( > G H = (Ec. 10) d umbral + R ) ) µ µ µ G l MB Los valores óptimos aceptables de R están alrededor del 10% de E H. Con respecto a los rendimientos, se sugieren los siguientes valores: G d (>G umbral ) = 0,95; µ G = 0,85; µ I = 0,90; µ MB = 0,43 [7]. El producto de todos esos rendimientos da lugar a un rendimiento global de la conexión generador-bomba, el cual expresado en porcentaje es: µ = 31,26%. La potencia del generador fotovoltaico, P gf, será: EGF Pgf =, (Ec. 11) hs siendo E GF la energía eléctrica (kwh) y hs el número de horas de sol efectivas al día (el número de horas al día sobre un nivel de radiación estándar de 1000 W/m 2 ). El valor de h coincide numéricamente con los datos de radiación solar expresados en kwh que se puede obtener de cualquier observatorio meteorológico o de la base de datos CLIMWAT. Finalmente, se deben considerar también las pérdidas de potencia que se producen cuando los paneles están trabajando con temperatura por encima de los 25ºC. Dichas pérdidas son aproximadamente un 10% de P GF. Por tanto, la potencia pico fotovoltaica, P (kw p ) será: ( 1 0,1) P= P GF + (Ec. 12) El programa informático desarrolla el proceso, tal como se ha ido explicando, paso a paso. Está implementado en hoja de cálculo Excel y consta de varias pantallas que sucesivamente sirven para introducir datos, escoger soluciones y operar, al mismo tiempo que se obtienen los resultados. Hay pantallas interactivas, que cuando se cambian directamente los valores obtenidos, vuelven a producir nuevos resultados y así sucesivamente, hasta que estos se acomodan a las necesidades del proyectista. 117

7 3. PROGRAMA DE CÁLCULO. El programa informático desarrolla el proceso, tal como se ha ido explicando, paso a paso. Está implementado en hoja de cálculo Excel y consta de varias pantallas que sucesivamente sirven para introducir datos, escoger soluciones y operar, al mismo tiempo que se obtienen los resultados. Hay pantallas interactivas, que cuando se cambian directamente los valores obtenidos, vuelven a producir nuevos resultados y así sucesivamente, hasta que estos se acomodan a las necesidades del proyectista. Figura 1. Pantalla de entrada de datos. En la Figura 1 se aprecia la pantalla de entrada de datos, en la que se comienza suministrando los datos de la población donde se realiza el estudio (nombre, altitud, longitud y latitud), seguidamente hay que introducir los datos referentes a las características de la plantación a regar tales como superficie en ha, diámetro de copa, número de plantas, altura manométrica del pozo de sondeo y eficiencia de un sistema de riego por goteo (se suelen tomar valores del 80 %). Finalmente, se deben suministrar las características de la instalación fotovoltaica en cuanto a la potencia pico del panel fotovoltaico, y rendimiento global de la instalación. La parte inferior de la pantalla de entrada de datos, refleja los obtenidos de la base de datos CLIMWAT, en cuanto a la evapotranspiración inicial, Eto (mm/mes), precipitación media mensual, P (mm/mes), el coeficiente de cultivo K c, las temperaturas máximas y mínimas mensuales, Tª min y Tªmáx (ºC), las horas de sol efectivas al día, hs, la radiación solar neta en la superficie del cultivo, Rn (MJ/m 2 día) y la humedad relativa, HR(%). Los datos y valores hídricos los genera automáticamente el programa, apareciendo en una pantalla auxiliar. Así, se obtiene la precipitación media efectiva, Pe (mm/mes), como 0,7.P, siendo P la precipitación media mensual (Figura 1), la evapotranspiración del cultivo, ETc (mm/mes), la reserva mensual de agua en el suelo, Rm (mm/mes), el nivel de agotamiento 118

8 permisible, NAP, la reserva mensual de aua disponible, Rd (mm), las necesidades netas de riego, RN (m 3 /ha mes) y las necesidades brutas de riego, RB (l/planta día) o (m 3 /ha día). En la Figura 2, se puede observar la pantalla de dimensionamiento de la instalación solar, que se genera automáticamente a partir de la pantalla de entrada (Figura 1) y la pantalla auxiliar de necesidades hídricas. En ella se puede ver los valores que toma la temperatura media mensual, Ta, la temperatura de operación de las células fotovoltaicas, Tc, las horas de sol efectivas, hs (h/día), la altura total manométrica de la instalación, H (m), el caudal necesario, Q (m 3 /Ha día), la superficie total, ST (Ha), el caudal total, QT (m 3 /día), la energía hidráulica, Eh (kwh/día), las pérdidas por fricción del agua en las tuberías del sistema de riego R (kwh/día), se suele tomar un valor de 0,1 E H, la energía máxima requerida por el generador fotovoltaico, Eel (kwh/día), la potencia del generador fotovoltaico Pgf (kw), la potencia pico fotovoltaica, Pp (kwp), el número de paneles necesarios para cada mes, Np, resultado del cociente entre Pp y la potencia pico de un panel Wp, la energía radiante, Erad (kw mes), producto de la potencia total del campo de paneles (Np.Wp) por los días del mes, el número de paneles que se escoge inicialmente para la instalación Npe, de forma que se cumpla la ecuación (13), y la energía radiante de acuerdo con el número de paneles escogido, Erp (kw mes). 12 ( Erad ) i= 1 i Np i Grado de Cobertura = 100 (Ec. 13) 12 Npe Erad i= 1 i Figura 2. Pantalla de necesidades solares. En la Figura 3, está representada la pantalla de soluciones, que se genera en parte automáticamente. La primera parte de la misma contiene los datos de la localización de la explotación y los de la superficie regar, ya suministrados en la pantalla de entrada de datos (Figura 1). La segunda parte de la pantalla de la Figura 3, son datos de la instalación de riego, pudiendo establecerse en la propia pantalla el número de sectores de riego y bajo estas premisas, puede escogerse el número de goteros por planta (2, 4 ó 6) y el caudal de cada gotero (2, 4, ó 6 l/h). El resto de valores de la pantalla, caudal necesario, tiempo de riego por sector, tiempo de riego por día, superficie de riego, altura de bombeo y NAP, se obtiene a partir de los datos anteriores y de los de otras pantallas. Por último, se recoge el número de paneles de la instalación, que también pueden variarse en la misma pantalla (Figura 3), apareciendo en este caso el grado de cobertura del campo de paneles (%) para el número escogido, y finalmente el programa escoge una bomba, de entre la gama de que dispone, para la potencia de bombeo requerida. 119

9 El programa dispone de otra pantalla auxiliar, que recoge los datos de riego por goteo, y ponen de manifiesto las distintas posibilidades existentes para la explotación en cuanto a número de goteros, caudal de goteros, número de sectores y tiempos de riego por sector, empleándose como auxiliar para obtener los tiempos de riego y caudales de la pantalla de soluciones (Figura 3). Figura 3. Pantalla de soluciones. En la pantalla auxiliar citada, se relaciona el número de goteros por árbol, G, y los caudales de cada gotero, Q G (l/h), obteniéndose el tiempo de riego por sector en horas, TR s (h/sector), y de acuerdo con el número de sectores en que se divide la explotación, el tiempo total de riego, TR d (h/día). Finalmente la pantalla obtiene unos ratios tales como la superficie regada por litro de agua, SR (ha/l) y el caudal unitario, Qt (l/s ha). 120

10 4. CONCLUSIONES. Se trata de un programa versátil, sencillo de manejar y que dimensiona tanto la instalación de riego, como la de bombeo fotovoltaico, de forma que no es necesario ser un especialista en riego para su manejo, por lo que es muy válido tanto para instaladores, como para proyectistas y agricultores. Aunque el programa se emplea fundamentalmente para el cálculo de instalaciones de riego por goteo del olivar, debido a que los valores de los coeficientes de cultivo K c y de los coeficiente de crecimiento K r son más usuales y no son difíciles de encontrar en la bibliografía asimilándolos a los ya obtenidos para otras regiones, también es posible aplicarlo a cultivos de viñedos, almendros u otro tipo de especies arbóreas, eso sí, es necesario localizar los coeficientes K c y K r, apropiados. Leyenda: Figura 4. Valores de K c y K r para distintos valores de paneles. La determinación precisa de estos parámetros, para los diferentes cultivos, es una labor importante, por lo que es necesario promover la investigación en este sentido dada la importancia que tienen los valores de K c y de K r en la programación del riego y en el tamaño de las instalaciones fotovoltaicas (y, por tanto, en el coste), puesto que los resultados finales son muy sensibles a cualquier variación de los mismos. En la Figura 4, se aprecia este aspecto y en ella se recoge la variación del número de paneles en función de K c, para distintos valores de K r, mostrándose que para una variación pequeña de Kc hay un incremento o disminución importante del número de paneles fotovoltaicos. Cuando un olivar tradicional, con K r = 0,50 se pone en riego, el volumen de copa aumenta considerablemente y con él, el valor de K r, que, como hemos dicho depende del estado de desarrollo de la plantación, por lo que éste no se estabilizará hasta varios años después de la puesta en riego, hecho que debe tenerse muy presente en el diseño de la instalación, a la vista de la sensibilidad que tiene K r, sobre las dimensiones y la potencia de la instalación. 121

11 A pesar de la fiabilidad del programa, los trabajos continuarán de forma que se siga estudiando las producciones de los cultivos en función de diferentes condiciones, con y sin riego, aplicándolo no solo al olivar sino a otros cultivos muy importantes para otras regiones. El programa es de gran utilidad para el diseño, la programación y el dimensionamiento de una instalación solar y de riego para diferentes cultivos, teniendo, entre otros objetivos, los de generación de riqueza en regiones agrícolas, evitando la erosión y el uso de combustibles fósiles muy contaminantes y cada vez mucho más caros. En definitiva trata de generar oportunidades de trabajo y desarrollo sostenible en las zonas rurales. BIBLIOGRAFÍA. [1] Cuadros, F., López, F., Marcos, A. y Coello, J. (2004). A procedure to size solar-powered irrigation (photoirrigation) schemes, Solar Energy, 76, [2] Base de datos climáticos CLIMWAT y programa CROPWAT de la FAO ( [3] Smith, M., Allen, R., and Parreira, L. (1996). Revised FAO methodologyfor crop water requirements, ASAE International Conference on Evapotranspiration and Irrigation. San Antonio. E.E.U.U. [4] Orgaz F., Pastor, M., Vega, M. y Castro, J. (1996). Necesidades de agua del olivar, manejo del olivar con riego por goteo. Consejería de Agricultura y Pesca de la Junta de Andalucía, informaciones técnicas 41/96. Sevilla. [5] Orgaz, F., y Fereres, E., (1998), Riego, En el cultivo del olivo, Consejería de Agricultura y Pesca de la Junta de Andalucía. Sevilla. [6] Rabiza, J., (1996), Riego localizado, Universidad Politécnica de Valencia. Valencia. [7] Lorenzo, E. (1994), Electricidad Solar. Ingeniería de los Sistemas Fotovoltaicos. Universidad Politécnica de Madrid. Madrid. [8] López, F., Cuadros, F., Marcos, A., Martínez, E., (2001). Proyecto de sistema mixto de bombeo fotovoltaico aplicado al riego tecnificado para el olivar en Extremadura. XVII Congreso Nacional de Ingeniería de Proyectos. Murcia. [9] Pastor, M., Castro, J., y Vega, V. (1997). Programación de riego en olivar en Andalucía, VIII Simposium Científico-Técnico. Jaén. 122