INTRODUCCIÓN

La radiación que emite cotidianamente el sol como astro dador de vida constituye una fuente de energía inagotable, universal, ecológica, gratuita y de disponibilidad inmediata; la misma que puede ser utilizada para la generación de calor y electricidad mediante el uso de colectores solares y paneles fotovoltaicos respectivamente. La tierra recibe del sol una potencia promedio diaria de 1,2x1017 Watts.

A nivel nacional y en la actualidad, la explotación de las aguas subterráneas se hace generalmente empleando motores de combustión interna y bombas hidráulicas instalados en pozos ya sea tubulares o a tajo abierto, empleándose como fuente de energía los combustibles fósiles (petróleo, gasolina), originando altos costos de precio, operación y mantenimiento de estos sistemas de bombeo, adicionando a esto la contaminación atmosférica local y daños en la salud humana debido a la emisión de gases tóxicos por la quema de dichos combustibles (CO2, SO2, NOx, Pb).

El uso de la energía eléctrica para la explotación de las aguas subterráneas es una buena alternativa, pero para esto el propietario tiene que invertir en la elaboración de un expediente técnico y la ejecución de su obra para luego contar con el suministro eléctrico de parte de la empresa concesionaria de electricidad, cuya facturación por el consumo de la energía eléctrica está supeditada a una potencia contratada mensual y a una tarifa eléctrica industrial asignada.

En este escenario, el propietario se obliga a cancelar mensualmente a la concesionaria de electricidad el costo por la potencia contratada asignada consumiendo o no la energía eléctrica, lo que se ha visto en algunos casos que el propietario ha tenido que resolver el contrato con dicha entidad y retomar el funcionamiento de sus pozos mediante la quema de combustibles fósiles, perdiendo su inversión y quedándose con una infraestructura eléctrica sin utilizar. Esta situación peculiar se presenta debido a que los cultivos que se siembran en la zona de estudio requieren planes de riego sólo en ciertos periodos del año.

Ante la problemática indicada, existe la alternativa y como objetivo general explotar las aguas subterráneas mediante el uso de la energía solar fotovoltaica para el desarrollo agropecuario y humano, i.e: bombeo solar fotovoltaico; alternativa que en nuestro país de manera muy exigua y aislada se viene utilizando, esto estriba debido al escaso conocimiento sobre las bondades que ofrece el bombeo solar, a la desconfianza de que este sistema pueda funcionar y al alto costo inicial de su instalación, siendo este último el principal obstáculo para su uso generalizado. Situación que puede revertirse mediante charlas técnico-educativas que permitan concientizar al usuario de que se trata de un sistema confiable, duradero, gratuito, ecológico y que como en todo proyecto u obra en ingeniería se debe hacer una inversión inicial, cuyo costo depende fundamentalmente del recurso hídrico a explotar y de la disponibilidad de la irradiancia solar local.

Como objetivos específicos se plantea: determinar el recurso hídrico que se requiere para satisfacer la demanda agrícola según el tipo de cultivo que se siembra, utilizar el recurso solar disponible en la zona de estudio, seleccionar los elementos componentes del sistema solar fotovoltaico, evaluar los impactos ambientales negativos que se generan y una comparación técnico – económico entre el bombeo solar y el bombeo con combustibles fósiles.

A nivel mundial existe una importancia creciente en la elección de generar formas limpias de energía, sobre todo para proyectos de poca potencia como es el caso del bombeo solar; además del ahorro económico a mediano plazo que implica el uso de este método de extracción de agua es también fiable y seguro para la supervivencia de la población beneficiada.

El presente proyecto de investigación está orientado al uso de la energía solar fotovoltaica en la Cuenca Motupe-Olmos- La Leche para la explotación de aguas subterráneas con fines agrícolas; el análisis o tratamiento se puede aplicar en cualquier parte de nuestro país.

De acuerdo al Atlas de Energía Solar del Perú, elaborado por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI) en coordinación con el Ministerio de Energía y Minas (MEM) del año 2003 indica que en la zona norte de nuestro país comprendido entre las latitudes 3o y 8o Sur se cuenta con una alta disponibilidad de energía solar diaria; cuyos valores oscilan entre 5,5–6,0 Kwh/m2 día, lo que garantiza con menores costos la explotación de las aguas subterráneas mediante el empleo de sistemas fotovoltaicos.

La matriz energética del Perú elaborado por el Comité de Operación Económica del Sistema (COES) a enero de 2017 indica que la mayor fuente de generación de energía eléctrica a nivel nacional es la hidroeléctrica con el 67,1 %, seguida del gas natural con el 28,9 % y las energías renovables como la eólica y solar contribuyen escasamente con el 1,4 % y 0,4 % respectivamente. Esto hace pensar que no se cuenta con una política agresiva de parte del estado en tratar de explotar las energías renovables y en particular la energía solar a fin de mejorar nuestra matriz energética, tenemos radiación solar todos los días y aún no hemos aprendido a cosecharla; las energías renovables ya no es una opción a valorar sino es algo imprescindible y totalmente necesario para mejorar la calidad de vida del ser humano.

Consideramos que debe reforzarse la política de gobierno en todos sus niveles respecto al uso de las energías renovables y de manera específica la energía solar, otorgándose créditos a pequeños agricultores y regantes a fin de adquirir paneles fotovoltaicos y bombas solares en sus proyectos de elevación de agua para fines agrícolas.

METODOLOGÍA

a. Recurso hídrico subterráneo y solar disponible.

La zona de estudio de la Cuenca Motupe- Olmos-La Leche está conformada por los Distritos de Motupe, Olmos, Pacora, Jayanca, Chochope y Salas pertenecientes a la Provincia de Lambayeque y el Distrito de Pitipo perteneciente a la Provincia de Ferreñafe. En esta zona existen 4339 pozos entre tubulares y a tajo abierto, los mismos que se indican en la Tabla 1.

Con respecto al recurso solar disponible en la zona de estudio, existen cuatro formas de obtenerlo:

- Mapa Solar del Perú: aquí se indica que la zona en estudio (comprendida entre las latitudes 6,06º y 6,57º sur) registra alta disponibilidad de energía solar diaria, entre 5,5 a 6,0 Khw/m2.dia en la costa norte (entre las latitudes 3º y 8º sur) y gran parte de la sierra sobre los 2500 msnm.

- NASA Surface Meteorology and Solar Energy RETSCREEN data: para esto se hace necesario introducir los valores de la latitud, longitud y msnm de la localidad de interés y se obtienen los valores de radiación normal directa promedio mensual en Kwh/m2 día correspondiente a los últimos 22 años de registrados por satélites instalados en la atmósfera.

- SENAMHI (Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú) – Dirección Zonal 2 en el Departamento de Lambayeque, cuenta con estaciones que registran datos en forma convencional y automatizados; entre otros parámetros climáticos registran valores de temperaturas máxima, mínima y promedio; no registrando datos de radiación solar. Se puede obtener valores estimados de radiación solar global media mensual a partir valores registrados de temperaturas máximas y mínimas.

-Instalando piranómetros térmicos o fotovoltaicos, también denominados solarímetros, los mismos que miden de manera precisa la intensidad de la radiación solar que incide sobre la tierra. Estos equipos son estandarizados de acuerdo a la Norma ISO 9060, que también es adoptada por la Organización Meteorológica Mundial (OMM).

De las cuatro formas de obtener valores de la radiación solar directa en la zona de estudio se ha optado por la segunda, i.e, los datos obtenidos de la NASA Surface Meteorology and Solar Energy RETSCREEN data.

En la Tabla 2 se muestran los valores máximos, mínimos y promedio anual, indicando el correspondiente mes de radiación solar (I).

b. Ingeniería de diseño de un sistema solar fotovoltaico para explotación de agua subterránea.

b.1 Consideraciones fundamentales

Para este diseño se requiere tener en consideración las siguientes consideraciones fundamentales:

La carga hidráulica diaria requerida (m3/día) para el mes de mayor demanda de agua, la misma que es obtenida teniendo en cuenta el área de cultivo, tipo de cultivo y riego.

La disponibilidad de la radiación solar directa promedio mensual (Kwh/m2/día) en la zona de estudio.

La Figura 1 muestra el diagrama de bloques para el bombeo solar de aguas subterráneas.

b.2 Determinación de la energía hidráulica

Uno de los primeros pasos para el diseño de un sistema por bombeo solar es determinar la demanda diaria de agua correspondiente al mes más crítico Vh; para esto se debe tener en cuenta la extensión agrícola (Ha), tipo de cultivo y su correspondiente requerimiento hídrico (Lt/Ha/día).

La energía hidráulica Eh (Watt-s/día) requerida para disponer el recurso hídrico en el reservorio se obtiene aplicando la siguiente expresión:

Donde:

- es la densidad del agua (1000 Kg/m3)

- g es la aceleración de la gravedad (9,81 m2/s).

- Vh es la demanda diaria para el mes más crítico (m3/día).

- Ht es la altura total de bombeo incluyendo las correspondientes pérdidas hidráulicas (m).

b.3 Selección del sistema motor-bomba solar y su configuración.

La selección del tipo de bomba solar a instalar es de suma importancia, pues cada modelo tiene un rango óptimo de operación, son diseñadas para trabajar efectivamente durante bajas condiciones de radiación, a voltajes reducidos, sin estancamiento ni sobrecalentamiento.

La bomba solar se selecciona sobre la base de la demanda que debe satisfacer y la capacidad del pozo para producir agua, no es posible extraer mas agua que la cantidad determinada para su rendimiento máximo; emplear un régimen de bombeo más bajo durante un mayor número de horas de operación y la capacidad de almacenamiento menor de manera ininterrumpida.

Cada tipo de bomba trabaja dentro de un rango de recurso hídrico diario Vh y una altura total de carga hidráulica Ht. La figura 2 muestra la opción de selección de la bomba solar cuando se tiene definido el par ordenado (Vh, Ht).

El motor eléctrico es la máquina que se acopla a la bomba solar y que de su accionar conjunto permite de manera óptima la transformación de la energía solar en energía hidráulica disponible en el reservorio. En este proceso de transformación energética se generan pérdidas, las mismas que quedan cuantificadas si se conocen los valores de sus correspondientes eficiencias.

Los motores eléctricos utilizados para bombeo solar son:

-De corriente continua (CC) de imanes permanentes: con escobillas, sencillos, eficientes para bajas potencias, no necesita circuito de control, muy caros a altas potencias. La desventaja de este motor es que no puede operar directamente en bombas sumergibles.

- De corriente continua (CC) bobinado: sin escobillas (brushless), alta eficiencia mecánica, bajo mantenimiento, con mecanismo electrónico que sustituye a las escobillas, lo que constituye una desventaja pues significa un gasto extra y riesgos adicionales de averías.

- De corriente alterna (CA), mayor disponibilidad en el mercado y rango mas amplio de aplicaciones, son más baratos que los motores de CC, requieren de un inversor de CC/CA, son menos eficientes que los motores de CC debido a las pérdidas de conversión, pueden funcionar por muchos mas años con menos mantenimiento que los motores de CC.

La selección del motor eléctrico según la potencia P de generación en el sistema fotovoltaico se hace de acuerdo a los siguientes rangos:

- Para P < 3 HP, se utilizan motores de CC de imanes permanentes.

- Para 3 ≤ P ≤ 10 HP, se utilizan motores de CC con bobina en el rotor.

- Para P > 10 HP, se utilizan motores de corriente alterna con inversor.

No toda la energía fotovoltaica que recibe el motor eléctrico se transforma en energía mecánica de rotación, es decir tiene su propia eficiencia ηm, cuyo valor depende de su potencia, porcentaje de carga de operación y de su velocidad de giro. En este contexto al igual que la bomba solar se debe recurrir a los datos técnicos del fabricante para el tipo de motor eléctrico seleccionado y obtener el valor de su eficiencia. Sin embargo se puede manifestar que la eficiencia para motores eléctricos en general está comprendido entre el rango de 0,7 a 0.95 de su potencia nominal.

La correspondiente energía Em que requiere el motor eléctrico para desarrollar la potencia P correspondiente a la energía de bombeo Eb queda determinada por la ecuación:

ηm (2)

La configuración o acoplamiento del sistema motor-bomba solar son diversas, dependiendo de las características de bombeo y de la potencia de generación.

Con respecto a las características de bombeo, las más usadas son las que se indican a continuación:

- Conjunto motor-bomba sumergido: es el más habitual en bombeos solares para suministro de agua de boca. Es fácil su instalación a menudo con tubería flexible, dispositivo de bombeo alejado de potenciales daños.

- Bomba sumergida con motor en superficie: de mantenimiento fácil para el motor de imanes permanentes por la accesibilidad para el cambio de las escobillas.

-Conjunto motor-bomba en superficie: configuración que sólo permite bombear agua a una profundidad máxima de 8m.

-Conjunto motor-bomba flotante: la versatilidad de esta configuración es ideal para el bombeo de riego de canales y pozos abiertos.

Con respecto a la potencia de generación existen tres conjuntos de acoplamiento motor-bomba:

- Sistemas de baja potencia (50 a 400 Wp). Se acopla un motor de CC a una bomba de desplazamiento positivo (de membrana). Se instala un convertidor CC/CC entre el panel fotovoltaico y el motor para mejorar su acoplamiento.

- Sistemas de media potencia (400 a 1500 Wp). Puede acoplarse un motor asíncrono accionado por un inversor de frecuencia variable con una bomba centrífuga sumergible multietapa o un motor de CC sin escobillas acoplado a una bomba de desplazamiento positivo helicoidal.

-Sistemas para altas potencias (mayores a 1500 Wp). Puede acoplarse un motor asíncrono o de inducción accionado por un convertidor de frecuencia industrial con una bomba centrífuga sumergible multietapa.

b.4 Dimensionamiento del panel fotovoltaico y acondicionamiento de potencia.

Los paneles solares son fabricados con material semiconductor de silicio cristalino por las siguientes razones:

- Es el segundo material más abundante que existe en la naturaleza, después del aire.

- Debido a su estructura cristalina y enlace covalente es una material muy sensible a la generación de energía eléctrica al ser expuesta como celda a la luz visible de la radiación solar.

El átomo de silicio tiene una energía de ionización de Eb =1,12 eV y de acuerdo a la teoría de bandas de energía que se estudia en la Física del Estado Sólido tiene un gap de energía (ancho de la banda prohibida) de Eg = 8,12 eV.

La Figura 3 muestra el esquema de las bandas de energía de un semiconductor, Ec es la energía que requiere un electrón ubicado en la banda de valencia para que genere corriente eléctrica en la banda de conducción. Para el caso del átomo de silicio se tiene:

EC=Eb+Eg=9,14 eV (3)

Por otro lado, la disponibilidad de radiación solar promedio en la zona de estudio es de 5 Kw-h /m2 día, equivalente a 11,25x109 eV/m2 día, el cual resulta en 1,23x109 veces el valor de Ec, justificándose de esta manera la alta sensibilidad que tienen los paneles solares fabricados de silicio para generar energía eléctrica cuando son expuestos a la luz solar.

Hay diversas consideraciones que hay que tener en cuenta para el dimensionamiento del generador fotovoltaico, las mismas que se detallan a continuación:

- Demanda diaria de agua para el mes más crítico, el mismo que corresponde al mes de mayor consumo del recurso hídrico.

- Energía solar disponible en la zona de interés, el mismo que corresponde para el mes de más baja radiación solar.

- La orientación del generador fotovoltaico teniendo en cuenta la latitud de la zona de estudio. Esto permite captar de manera óptima el recurso solar disponible para poder convertirla en energía eléctrica.

- Las curvas características del generador fotovoltaico, las mismas que son proporcionadas por el fabricante.

- La eficiencia del panel solar fotovoltaico, la cual es afectada por la temperatura ambiente. Debe también considerarse las pérdidas que se generan en los cables de comunicación entre el panel y el motor eléctrico.

- El arreglo fotovoltaico, es decir la composición serie-paralelo de las celdas solares individuales que permitan generar la energía eléctrica a una determinada corriente y voltaje de operación, acorde con las características eléctricas del motor seleccionado. Este arreglo fotovoltaico debe ser dimensionado como un “traje a la medida”, es decir el necesario para evitar por un lado costos excesivos de suministro de equipos e instalación y por otro lado optimizar el recurso solar justo para satisfacer la demanda hídrica, a diferencia de lo que ocurre con el bombeo de agua mediante la quema de combustibles fósiles.

la Cuenca Motupe-Olmos-La Leche, tiene latitudes comprendidas entre 6º 3’ 51” (Olmos) y 6º 33’ 59” (Pitipo) hemisferio sur. Los fabricantes de paneles solares recomiendan que la inclinación Φ que éstos deben tener para captar el máximo recurso solar debe cumplir la siguiente relación.

Φ=L +10° (4)

Donde L es la latitud del lugar.

Para nuestro caso,se puede considerar una inclinación del gerenador fotovoltaico Φ=16°

Las curvas características del generador fotovoltaico se detallan en las figuras 4, 5 y 6

La temperatura del medio ambiente afecta a los parámetros eléctricos I, U y P del panel fotovoltaico y por ende su eficiencia.

La eficiencia de un panel fotovoltaico generalmente se mide en condiciones de prueba estándar (STC), es decir a una incidencia normal de 1000 W/m2, distribución espectral AM 1,5 y temperatura de célula de 25ºC. Otro valor importante proporcionado por el fabricante es la temperatura normal de operación de la celda solar (TONC), la misma que oscila entre 43ºC y 49ºC, cuando no se dispone de éste dato se puede tomar el valor de 45ºC.

Con la información indicada líneas arriba, se determina la temperatura de la celda fotovoltaica Tc y la eficiencia de la celda solar ηT por efecto de la temperatura. Las ecuaciones a utilizar son las que se indican a continuación:

Tc = Ta + G(TONC – 25)/1000 (5)

ηT = 1 – 0,0048 (Tc – Ta) (6)

Siendo G la irradiancia solar en la zona de interés.

La eficiencia del panel fotovoltaico ηs no es igual a la eficiencia de la celda solar ηT, generalmente es de 1 a 3% inferior a ésta.

Los conductores eléctricos que se conectan entre el panel fotovoltaico y el motor eléctrico, que son de cobre electrolítico de 99,9% de pureza, tienen una eficiencia ηCE elevada, del orden del 0,99, de manera que ηs se obtiene de la ecuación:

ηs = ( 1 – K ) ηT ηCE (7)

Donde K toma valores de 1 al 3%.

La Figura 7 muestra un arreglo fotovoltaico típico cuyo número de celdas y disposición depende del consumo de energía requerido y el voltaje de salida que debe ser el mismo al del motor eléctrico seleccionado.

RESULTADOS

Los resultados se obtienen de la aplicación de la metodología indicada a cualquier pozo de agua, pues ésta es de carácter general.

Para efectos de cálculos se ha seleccionado el sector El Arrozal (Motupe), en donde se tiene como principales cultivos al maíz, mango, maracuyá y limón, cuyos consumos hídricos (m3/Ha-año), denominado coeficiente de riego se muestran en la Tabla 3

De manera específica se seleccionó el pozo Nº 255 que tiene una altura dinámica Hd = 11,5m.

Los datos considerados para el diseño se muestran a continuación:

- Recurso hídrico diario: Vh= 15 m3/día

- Altura total de bombeo:

Hr= es la altura de descarga del agua en el reservorio con respecto al nivel del suelo = 3,5m

Hp son las pérdidas hidráulicas considerado como un 10% de Hd+Hr

- HSP = 4,21 es la hora solar pico para la zona de estudio, correspondiente al peor mes (julio).

- Potencia pico del panel solar Pph : 100 Wp, 12V.

- Rendimiento mecánico medio (ηm): 25%.

La energía de extracción de agua de pozo es:

Eh = 1000x9,81x15x16,5/1000x3600 = 0,674 Kw-h/día

Ee = Eh / ηm = 0,674/0,25 ≈ 2,7 Kw-h/día

La potencia del grupo motor-bomba (Pmb) es:

Pmb = Ee /HSP = 2,7/4,21 = 0,641 Kw.

El caudal requerido (Q) es:

Q = Vh /HSP = 15/4,21 = 3,56 m3/h (0,99 l/s)

La energia requerida en el panel fotovoltaico (Eph) es:

Eph = Ee / ηc = 2,7/0,95 = 2,84 Kw-h/día

Donde ηc es la eficiencia de los conductores eléctricos que unen al motor eléctrico con el sistema de los paneles fotovoltaicos.

El cálculo del número de paneles fotovoltaicos (N) es:

N = Eph /(Pph x HSP) = 2,84/(0,1x4,21) = 6,75→ 7 paneles (paralelo)

Se selecciona 08 paneles (02 grupos en serie con 04 paneles en paralelo por grupo)

A continuación se muestra el correspondiente arreglo fotovoltaico.

Como se ha elegido un panel solar de 1 Wp, 12 V, el sistema trabaja a una tensión de 24 V, con una corriente total Iop = 4 (1/12) = 1/3 Amp.

Para la selección del equipo motor-bomba solar nos referimos a la Figura 2, teniendo en cuenta el recurso hídrico diario (15 m3/día) y una altura total de 16,5m , se selecciona una bomba centrífuga sumergible.

Además, teniendo en cuenta que la potencia requerida es de 0,641 Kw (0,86 HP), se selecciona un motor eléctrico de corriente continua de imanes permanentes, de 1 HP, 24 V a ser instalado en la superficie del pozo en consideración.

DISCUSIÓN

La investigación aporta como una propuesta concreta a incentivar el uso de la energía solar para el bombeo de agua en lugar de la quema de los combustibles fósiles que no sólo contaminan el medio ambiente circundante sino también afecta a la salud humana.

Si bien es cierto que al inicio el costo de instalación de un sistema solar es caro, en el tiempo resulta económico, pues su inversión se recupera en promedio a los tres años para luego tener energía gratuita durante los veinte y cinco años que dura este tipo de sistemas.

CONCLUSIONES

- En la Cuenca Motupe-Olmos-La Leche, según la Autoridad Nacional del Agua (ANA)-MINAG-Censo 2014, reporta un total de 4339 entre pozos tubulares y a tajo abierto; de los cuales 1118 están en estado de uso utilizables, cuyas aguas subterráneas pueden ser explotados mediante el uso de un sistema de bombeo solar.

- El Mapa Solar del Perú elaborado por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI) indica que la zona de estudio cuenta con una alta disponibilidad de energía solar diaria, la misma que oscila entre 5,5 a 6,5 Kwh/m2.día. De acuerdo a la Tabla 2 se considera para efectos de cálculos solares una radiación solar disponible de 4,21 Kwh/m2/día correspondiente al mes de julio.

- Para el diseño del bombeo de agua mediante un sistema solar fotovoltaico se necesita conocer fundamentalmente la demanda hídrica requerida y la radiación solar disponible. Para determinar la demanda hídrica se considera la extensión agrícola, tipo de cultivo y tipo de riego correspondiente al mes de mayor consumo de agua.

- El bombeo solar fotovoltaico es caracterizado como el bombeo de caudales pequeños, extrae las aguas subterráneas de manera racional y necesaria justo para satisfacer la demanda hídrica del usuario, haciéndolo ambientalmente sostenible y sustentable en el tiempo, evitando el agotamiento prematuro del acuífero en consideración. Asimismo este sistema es prácticamente no contaminante.

- Se ha aplicado la metodología indicada a un pozo de agua en particular en donde se han realizado cálculos de ingeniería para la selección de sus componentes, i.e: bomba solar, motor eléctrico y arreglo fotovoltaico.

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