Evaluación técnica en condiciones de explotación de la bomba solar LORENTZ para abasto de agua

INTRODUCCIÓN

El agua es imprescindible para la subsistencia de los seres vivos, su escasez es un problema grave en el planeta, ya que, al aumentar su demanda y su contaminación, ha mermado el volumen percápita disponible. Ello obliga a la sociedad, a hacer un uso sustentable del agua para conservarla; pues la mayor parte se destina al uso doméstico, la irrigación de cultivos y al abasto a los animales (Cruz, 2011Cruz, B. D. (2011). Estudio de ahorro mediante bombeo solar. Universidad Internacional de Andalucía.; Fernández et al., 2011Fernández, R., Martínez, M., Tavares, E., Castillo, V., & Salas, M. (2011). Estimación de las demandas de consumo de agua. Secretaría de Agricultura, Ganadería (p. 4). Secretaría de agricultura, ganadería, desarrollo rural, pesca y alimentación. Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural. Colegio de Postgraduados. http://www. sagarpa. gob. mx/desarrolloRural/noticias/2012/Documents/FICHAS% 20TECNICAS% 20E ; Poonia et al., 2018Poonia, S., Jain, D., Santra, P., & Singh, A. K. (2018). Use of solar energy in agricultural production and processing. Indian Farming, 68(9), 104-107. http://www.spc.tn.gov.in/sps-reports/SOLAR_POWER.pdf ). Es así que, del agua dulce disponible en el mundo, la agricultura utiliza el 70% y el 30% de esta se dirige a la producción ganadera (FAO, 2018FAO. (2018). World Livestock: Transforming the livestock sector through the sustainable development goals. FAO.; Licl, 2018Licl. (2018). Ganadería y manejo sustentable del agua, La Industria Cárnica Latinoamericana (LICL). https://www.publitec.com/wp-content/uploads/GANADERiA-Y-MANEJO-SUSTENTABLE.pdf ; Mossande et al., 2015Mossande, A. R., Brown, M. O., Mujica, C. A., Mata, R., & Osorio, L. I. (2015). Riego por goteo con energía solar para el tomate en Cavaco, Benguela, Angola. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 24(2), 11-17.). Según explican Perea et al. (2017)Perea, M. A., Hernández, E. Q., & Aguilera, U. M. J. (2017). Seguridad en el suministro del agua y energía limpia: Una propuesta de proyecto para los regantes del río Torrox. Tecnología y ciencias del agua, 8(3), 151-158., el agua y la energía están íntimamente relacionadas, pues en el tratamiento y transporte del agua es necesaria la electricidad. Debido a esto, las Naciones Unidas consciente de la estrecha relación e interdependencia del nexo agua y energía, alerta que el cambio climático, derivado en gran medida del uso insostenible de la energía, incrementará el estrés hídrico y la escasez de agua en muchas regiones (Ferrer et al., 2017Ferrer, J., Aguado, D., Barat, R., Serralta, J., & Lapuente, E. (2017). Huella energética en el ciclo integral del agua en la Comunidad de Madrid (p. 6). Fundación Canal, Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente (IIAMA), Universitat Politècnica de València.; Li et al., 2017Li, G., Jin, Y., Akram, M. W., & Chen, X. (2017). Research and current status of the solar photovoltaic water pumping system-A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 79, 440-458.).

Las energías renovables a nivel mundial han crecido de manera importante en los últimos años; debido al aumento de los precios de los combustibles convencionales, la lucha contra el cambio climático y la búsqueda de nuevas oportunidades de negocio entre otros factores que han impulsado este crecimiento. Se estima que, a fines de 2019, se alcanzó una capacidad instalada para la generación de electricidad a partir de energías renovables cercana a los 2 537 GW a nivel mundial, destacando la solar como la más abundante en el mundo, además de ser amistosa con el medioambiente (International Renewable Energy Agency, (IRENA), 2020International Renewable Energy Agency, (IRENA) (2020). Renewable capacity statistics 2020. IRENA. https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Mar/IRENA_RE_Capacity_Statistics_2020.pdf.; Ren21, 2016Ren21. (2016). Energías Renovables 2016, Reporte de la situación mundial. Renewable Energy Policy Network for the 21st Century.; Rodríguez et al., 2017Rodríguez, J. S., Espinoza, E., Rosenbuch, J., Ortega, H. O., Martínez, M., Cedano, K. G., & Armenta, M. M. (2017). La industria solar fotovoltaica y fototérmica en México (Primera). ProMéxico, Cooperación Alemana.). Por lo que la generación energética fotovoltaica es un aprovechamiento eficiente para el uso de la energía solar (Bravo, 2015Bravo, H. D. (2015). Energía y desarrollo sostenible en Cuba. Centro azúcar, 42(4), 14-25. http://centroazucar.qf.uclv.edu.cu ; Nath et al., 2015Nath, M. V., Ogubazghi, G., Prasad, M. B., Kumar, M. A., & Kaur, B. D. J. (2015). Scope and review of photovoltaic solar water pumping system as a sustainable solution enhancing water use efficiency in irrigation. American Journal of Biological and Environmental Statistics, 1(1), 1-8. https://doi.org/10.11648/j.ajbes.20150101.11 ). Por ello, en Cuba el sector ganadero ha utilizado sistemas de bombeo solar fotovoltaico para el abasto de agua a los animales, especialmente en las unidades ubicadas en áreas de difícil acceso y fuera de la red eléctrica (Baskar, 2014Baskar, D. (2014). Efficiency improvement on photovoltaic water pumping system by automatic water spraying over photovoltaic cells. Middle-East Journal of Scientific Research, 19(8), 1127-1131. https://doi.org/10.5829/idosi.mejsr.2014.19.8.11232 ; Hajj, 2015Hajj, S. N. (2015). Solar-powered pumping in Lebanon: A comprehensive guide on solar water pumping solutions. UNDP. Federal Department of Foreign Affairs FDFA, Swiss Agency for Development and Cooperation SDC United Nations Development Programme.). Además, Pérez et al. (2016)Pérez, T. D., Vázquez, P. A., Pérez, A. O. G., Pérez, P., & Hernández, G. A. (2016). Energy study of the pumping system from the Institute of Animal Science, Cuba. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 25(3), 65-71. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.15663.94886 plantean que el bombeo de agua es una de las actividades que mayor demanda energética posee. Por lo que el bombeo solar fotovoltaico constituye para los agricultores cubanos, un suministro fácil de energía y un mejor acceso al agua (The International Renewable Energy Agency (IRENA), 2016International Renewable Energy Agency (IRENA). (2016). Solar pumping for irrigation: Improving livelihoods and sustainability. IRENA.).

En Cuba, se han introducido diversas bombas solares, las cuales son empleadas en la agricultura tanto para riego como en el abasto de agua a los animales. Su evaluación es una necesidad que permite la toma de decisiones para su posible introducción en el país. El objetivo del presente trabajo fue realizar la evaluación técnica de la bomba solar sumergible Marca LORENTZ modelo PS2-150 C-SJ5-8 en condiciones de explotación y el cálculo del volumen diario de bombeo de agua.

MATERIALES Y MÉTODOS

El trabajo fue realizado en el mes de mayo del 2020, en áreas de la Estación Experimental del Instituto de Investigaciones de Ingeniería Agrícola (IAgric), situado en el municipio de Alquízar, localizada en los 22º∙46' 49,2" de Latitud Norte y los 82º 36' 06,69" de Longitud Oeste (ver Figura 1), a 6 m.s.n.m en el suroeste de la provincia Artemisa.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Tabla 5 se muestran los resultados de los voltajes e intensidades promedios obtenidos, para distintas alturas de presión hidráulica, durante el período de evaluación realizado el día 6 de mayo del 2020 a las 10:00 a.m., con condiciones de temperatura registrada de 33 °C; la potencia mostrada fue calculada a partir del producto de los voltajes y las intensidades medidas.

Como puede observarse en la Tabla 5, durante el ensayo realizado el mayor valor de voltaje registrado fue de 31,70 V en las alturas de presión 0 y 10 m.c.a, y el mayor valor de amperaje fue 10,37 A para 0 m.c.a. de altura. En el análisis estadístico de todos los valores de los parámetros medidos dentro del ensayo, los coeficientes de variación son menores al 20% lo que muestra poca dispersión de los datos. Puede concluirse que la potencia obtenida durante el período de evaluación fue como promedio de 0,3 kW.

La Figura 5a muestra la curva de gasto (m³/h) vs presión (m.c.a.) obtenida en el ensayo realizado; para la potencia promedio bajo la cual se realizó el ensayo (0,3 kW, según Tabla 5), la máxima presión alcanzada por la bomba fue de 20 m.c.a. cuando la descarga fue 1,52 m³/h y el máximo gasto fue de 4,00 m³/h cuando trabajó a 2 m.c.a., lo cual se aproxima a los datos aportados por el fabricante, quien señaló un gasto máximo de 4,60 m³/h y una altura máxima de 20 m.c.a.

La Figura 5b muestra los gastos obtenidos para diferentes potencias y presiones de acuerdo al fabricante; en la misma puede observarse que para la máxima potencia de 0,3 kW, la cual coincide con las obtenidas en el ensayo realizado, se obtienen caudales de 4,60, 3,25 y 1,90 m³/h para presiones de 2, 11 y 20 m.c.a.

A partir de los datos de la curva mostrada y de obtener la ecuación de regresión de la misma (Figura 5a), donde Q es el gasto dado en m³/h, H es la altura de presión dada en m.c.a. y R² es el coeficiente de regresión, el cual estuvo próximo al 1, por lo que se considera que el ajuste del modelo es muy bueno. Además, se calcularon los gastos para las presiones 2; 5; 8; 11; 14; 17 y 20 m.c.a. señaladas por el fabricante en la Figura 5b con una potencia promedio de 0,3 kW. De igual modo, se plotearon los valores de los gastos dados por el fabricante en la Figura referida, a las mismas alturas con igual potencia. De ahí se preparó la Tabla 6, donde se comparan los valores obtenidos a partir de las curvas del fabricante y la obtenida en el campo.

Como puede observarse en la Tabla 6, la mayor diferencia de gasto es en la carga de 8 m.c.a., que es de 0,67 m³/h, para este caso si se tiene en cuenta un tiempo de bombeo de 7 horas, representan 4,68 m³/día que se dejarían de bombear, lo cual puede ser a causa de los 33 °C de temperatura que estaban incidiendo sobre los paneles solares en el momento de la evaluación, ya que según Cepeda & Sierra (2017)Cepeda, M. J. S., & Sierra, A. (2017). Aspectos que afectan la eficiencia en los paneles fotovoltaicos y sus potenciales soluciones. Universidad Santo Tomás, Facultad de Ingeniería Mecánica. y Enchufesolar (2022)Enchufesolar. (2022). ¿Cómo afecta la temperatura al rendimiento de las placas solares?,. https://enchufesolar.com/blog/como-afecta-la-temperatura-al-rendimiento-de-las-placas-solares , la temperatura óptima de funcionamiento de los paneles se sitúa entre los 20 y los 25 °C, por encima de esta temperatura el rendimiento de las placas solares se reduce ligeramente, de hecho, según la mayoría de los fabricantes, a 40 ºC el rendimiento se sitúa alrededor del 80%. Sin embargo, la menor diferencia que se obtuvo fue en la altura de presión de 20 m.c.a. con un caudal de 0,38 m³/h, lo cual indica que, en esta altura, bajo dichas condiciones de bombeo, se obtienen valores más cercanos a los dados por el fabricante. Teniendo en cuenta las características del caudal de la bomba solar LORENTZ, tanto las dadas por el fabricante como las obtenidas en el campo y un tiempo de bombeo diario de 7 horas, en la Tabla 7 se muestran los volúmenes de abasto de agua diarios, obtenidos a partir de la expresión número (1 $V_B=Q*T_B$ ).

Como puede observarse en la Tabla 7, el volumen de bombeo de agua diario (sea el del fabricante o el obtenido en la evaluación de campo), disminuye a medida que aumenta la altura de presión, esto ocurre porque según Carmenates et al. (2017)Carmenates, H. D., López, S. M., Mujica, C. A., & Paneque, R. P. (2017). Evaluación mecánica e hidráulica de emisores en sistemas de riego en Ciego de Ávila. Ingeniería Agrícola, 7(4), 17-22. y Universidad Internacional de Riego (2021)Universidad Internacional de Riego. (2021). Consulta sobre el caudal y la presión, 2021. https://www.universidadderiego.com/consulta-sobre-el-caudal-y-la-presion/ a mayor caudal demandado por la instalación, se tendrá una menor presión, y al contrario, a menor caudal la bomba impulsará el agua con una presión mayor.

CONCLUSIONES