(1)ARTÍCULO ORIGINAL
Evaluación de un sistema de micro irrigación accionado por energía eólica
Evaluation of a Micro Irrigation System Powered by Wind Energy
Oscar Brown-Manrique, Nestor Méndez-Jurjo, Mabel Bernal Espinosa
Universidad de Ciego de Ávila, Centro de Estudios Hidrotécnicos, Departamento de Ingeniería Civil, Ciego de Ávila, Cuba.
RESUMEN
La investigación se desarrolló en la localidad, Modesto Reyes localizado en la carretera a Morón, en el km 9,50 de la Ciudad de Ciego de Ávila. Los resultados demostraron que la evapotranspiración del cultivo alcanza los valores más elevados en los meses desde abril hasta noviembre siendo el de mayor demanda hídrica agosto con 72,72 mm semana-1. La velocidad promedio de los vientos es de 5,22 m s-1; por lo que la zona de estudio presenta un buen potencial eólico que permite el bombeo de agua en los sistemas de riego conectados con molinos de viento. El molino multipala evaluado tiene un caudal de diseño de 25,00 m3 d-1, produce una potencia de 261,36 W y dispone de 15,36 horas de bombeo en el día. El sistema de riego por micro irrigación con accionamiento eólico cuenta con un tanque de almacenamiento de 5000 L que permite cumplir con la demanda hídrica del cultivo para el área de riego establecida con un grado de satisfacción de 113%.
Palabras clave: Bombeo, caudal, energía renovable.
ABSTRACT
The investigation was developed in Modesto Reyes town, road to Moron, km 9,50, Ciego de Ávila city. The results demonstrated that the evapotranspiration of the cultivation reaches the highest values in the months of April - November being August the one with the highest water demand of 72,72 mm week-1. The winds speed average is of 5,22 m s-1; therefore the study area presents a good wind potential that allows the pumping of water in the irrigation systems connected with windmills. The multi shovel windmill evaluated has a flow of design of 25,00 m3 d-1, it produces a power of 261,36 W and it has 15,36 hours of pumping in the day. The micro irrigation with wind energy has a tank of storage of 5000 L that allows fulfilling the water demand of the cultivation for the irrigation area established with a grade of satisfaction of 113%.
Keywords: Pumping, flow, renewable energy.
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de riego localizados contribuyen al mejoramiento de la eficiencia del manejo del agua; debido a que las dosis relativamente pequeñas multiplican la producción; pero es evidente la necesidad de perfeccionar el diseño y manejo para que se logre mayor rentabilidad (Rogério et al., 2015).
El diseño de un sistema de micro irrigación comienza con la determinación del caudal y el número de emisores necesarios para humedecer un determinado volumen de suelo, siendo necesario la estimación previa de la forma y dimensiones del bulbo húmedo en dependencia de las propiedades y características físicas del suelo, del volumen, caudal de agua aplicado por el emisor y de la topografía del terreno (Mujica et al., 2012).
El riego localizado de alta frecuencia ha demostrado ser un método de riego adecuado por su particularidad de lograr mantener en el suelo altos potenciales hídricos, en forma localizada (Rodríguez-García y Martínez-Varona, 2017) y se adapta a las pequeñas áreas de terreno y a las energías renovables. Esta característica es de gran importancia, debido a que en la actualidad crece la importancia económica de los sistemas que utilizan estas energías (Besnier, 1980).
La energía eólica se encuentra entre las energías con mayor crecimiento dinámico en la actualidad y se sitúa a la vanguardia de las energías renovables (Avila-Prats et al., 2010). En este sentido, el continente americano puede convertirse en la región eólica mundial de referencia por la capacidad que está aflorando, fundamentalmente en Brasil (Regueiro y Chavez, 2014).
Cuba por los logros que ha obtenido en corto tiempo en la energía eólica es reconocida como un país en desarrollo que trabaja seriamente en la introducción de fuentes renovables de energías, y en particular la eólica; esto es muy importante, porque la Asociación Mundial de Energía Eólica es consciente de la necesidad de implementar políticas gubernamentales para la promoción de esta fuente renovable de energía (Moreno, 2008). En este sentido el objetivo del trabajo consiste en evaluar un sistema de micro irrigación accionado por energía eólica para que se logre el aprovechamiento racional del agua y la energía convencional.
MÉTODOS
La investigación se llevó a cabo en la comunidad de Modesto Reyes, perteneciente al Municipio de Ciego de Ávila en el periodo comprendido desde septiembre de1 2013 a julio del 2015 en una superficie de 3000 m2 (0,30 ha) destinada para cultivos de hortalizas en condiciones de organopónico. La fuente de agua proviene de un pozo ubicado a dos metros de la parcela y el suelo del área experimental es del tipo Ferralítico Rojo Típico el cual se correlaciona en la IUSS Working Group WRB (2007), con el orden Ferralsoles según la actual clasificación de los suelos de Cuba.
La evapotranspiración de referencia (ETo) se calculó mediante el método de Penman Monteith (Allen et al., 2006) con datos climatológicos del Instituto de Meteorología de la provincia Ciego de Ávila para los años 1983-2013; luego se determinó la evapotranspiración del cultivo (ETc) según sugerencias de Ferreyra et al. (2000) y Rogério et al. (2015).
Las necesidades de agua totales se calcularon a partir de la evapotranspiración del cultivo, la cual se corrigió teniéndose en cuenta las pérdidas por percolación, el coeficiente de uniformidad de la instalación de riego y la necesidad de agua para lixiviación de sales. Se utilizaron las ecuaciones siguientes.
donde:
Nt - necesidades de agua totales (mm新emana-1);
Els -eficiencia por necesidad de lavado de sales;
Et -eficiencia total del sistema;
CEa-conductividad eléctrica del agua de riego (dS搶-1);
CEes -conductividad del extracto de saturación del suelo correspondiente a una disminución de producción del 10% en dependencia del cultivo (dS搶-1);
Epp -eficiencia por pérdidas debido a la percolación;
CU -coeficiente de uniformidad.
La eficiencia por pérdidas debido a la percolación (Epp) se consideró a partir de las tablas mostradas por Pacheco et al. (2007), para diferentes tipos de suelos, el coeficiente de uniformidad de la instalación de riego (CU) se asumió igual a 0,90 según Fontova y García (2001), y los valores de CEespara el cálculo de las necesidades de lavado se asumieron según valores tabulados ofrecidos por Allen et al. (2006).
El porcentaje de suelo humedecido (Psh) se estimó a partir de las tablas presentadas por Keller y Bliesner (1990), y el diámetro del bulbo húmedo por la siguiente ecuación desarrollada por Cruz-Bautista et al. (2015):
donde:
Dbh - diámetro del bulbo húmedo (m);
V -volumen de agua aplicada (m3);
Ks -conductividad hidráulica saturada (m新-1);
θ -contenido de humedad inicial del suelo (m3搶-3).
El número de emisores por plantas se obtuvo de la aplicación en secuencia de las siguientes ecuaciones:
donde:
Ne - número de emisores por planta;
Amp -área del marco de plantación (m2);
Psh -porcentaje de suelo humedecido (%);
Ae -área mojada por el emisor (m2).
El tiempo de riego se determinó a partir de la relación entre la dosis práctica de riego y el caudal de riego. Este último depende directamente del número de emisores por metros cuadrados, el caudal del emisor y los espaciamientos entre emisores y laterales respectivamente. Las fórmulas aplicadas fueron las siguientes:
donde:
Dp - dosis práctica de riego (mm);
Nt -necesidades de agua totales (mm搞ía-1);
d -número de días de riego en la semana (día);
Ir -intervalo de riego (día);
Qr -caudal de riego (L搬-1);
qe -caudal del emisor (L搬-1);
Ne-número de emisores por plantas (emisores搆lantas-1);
As -área de siembra atendida por el sistema (m2);
Tr -tiempo de riego (h);
Vs -volumen del sistema en condiciones de diseño (L).
El grado de satisfacción de los requerimientos hídricos del sistema se determinó a partir de la relación entre el volumen de almacenamiento en el tanque y el volumen del sistema de riego; por lo que fue necesaria la utilización de las ecuaciones que se muestran a continuación:
donde:
Gs - grado de satisfacción de los requerimientos hídricos del sistema (%);
VT-volumen de almacenamiento en el tanque en el intervalo de riego (L);
Vs-volumen real del sistema de riego (L);
Vl -volumen del lateral (L);
Nl-número de laterales que trabajan de forma simultánea;
ql-caudal del lateral (L搬-1).
Se realizó el análisis descriptivo a la serie de velocidad del viento que representa las velocidades horarias mensuales correspondientes al periodo 1983-2013 (Tabla 1). Se empleó el Microsoft Office Excel, versión 2013 por tratarse de una herramienta con la exactitud requerida para este tipo de estudio y ser de fácil utilización por el usuario; posteriormente se construyó un gráfico de dispersión, representándose en el eje de las ordenadas la velocidad del viento en m新-1 y en el eje de las abscisas el tiempo en horas.
La velocidad promedio del viento (vm) se calculó como el cociente de la sumatoria del producto de la frecuencia absoluta (Fa) y la velocidad del viento (v) entre el total de observaciones (N). También se estimó la probabilidad de la velocidad de los vientos, p(v) a partir de los intervalos establecidos según se expresa en las ecuaciones siguientes:
En la evaluación del sistema de bombeo eólico se empleó la metodología sugerida por Moreno (2012), para la estimación de la potencia eólica disponible y la energía hidráulica requerida en un molino multipala con un rotor tipo eje horizontal a barlovento de 3,5 m diámetro formado por 32 aspas, velocidad de rotación máxima de 60 rpm, velocidad angular de 12,56 rad s-1, sensibilidad de 2 m s-1 a partir de la cual el rotor permanece a barlovento a la dirección del viento. El molino utiliza una bomba de desplazamiento positivo reciprocante de simple efecto con un diámetro nominal de 75 mm, desplazamiento de émbolo de 70 m, longitud total de la camisa de 300 mm y eficiencia volumétrica de 90%. Las ecuaciones utilizadas fueron:
donde:
Nves la potencia del viento (W);
ρaire la densidad del aire (kg搶-3);
ρagua la densidad del agua (kg搶-3);
Arel área del rotor (m2);
v la velocidad promedio del viento (m新-1);
Eh la energía hidráulica requerida (m4搞ía-1);
g la constante de gravedad (m s-2);
Q el caudal de agua necesario (m3搞ía-1);
H la altura de bombeo, incluidas las perdidas hidráulicas en la succión y la descarga (m).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la Figura 1 se presenta el comportamiento de la evapotranspiración de referencia (ETo) y la evapotranspiración del cultivo de la col (ETc) que resultó ser el de mayor demanda hídrica en el organopónico. Se observó que los meses de abril, mayo, junio, julio, agosto, septiembre, octubre y noviembre presentaron los valores más elevados. El mes pico fue agosto con 72,72 mm semana-1.
Los parámetros fundamentales del emisor Oz-Line 135 fueron el caudal de 2,50 L搬-1 para una presión de 10 m el cual indica que se aplican pequeños volúmenes de agua que es favorable a los sistemas de riego por micro irrigación que utilizan energías renovables. El cálculo del coeficiente y el exponente de descarga del emisor dieron el resultado de 0,764 y 0,515 respectivamente.
En la Tabla 2 se exponen los diferentes espaciamientos relacionados con el cultivo, el lateral y el sistema de riego. Se observa que el caudal requerido por el sistema es de 31,5 m3搬-1 y el tiempo de riego de 3,87 h; sin embargo, como el área está dividida en seis sectores estos parámetros se reducen a valores de 5,25 m3搬-1 y 0,65 h (38,70 min.) lo que representa un volumen de 3386,3 m3 por subunidad.
En la Tabla 3 se exponen los principales estadígrafos del análisis descriptivo de la serie de velocidad del viento. Se observa que las menores velocidades promedios mensuales se encuentran en los meses de septiembre, octubre y mayo con valores comprendidos entre 2,56 y 2,64 m新-1; pero se incrementan en los meses restantes por encima de los 4,00 m新-1. Este comportamiento confirma el criterio de Montesinos y Moreno (2013), en relación de que en Cuba y en las islas del Caribe, la energía eólica constituye una alternativa para integrarla a la estructura energética.
En la Figura 2 se observa que los valores más elevados de velocidad del viento se encuentran entre las 17 y 18 horas; mientras que en la Tabla 4 se observa que las mayores probabilidades de la velocidad de los vientos ocurren entre los 2,00 y 8,00 m新-1, alcanzando su máximo valor entre los 2,00 y 3,00 m新-1. La velocidad promedio del viento es de 5,22 m新-1, la cual es apropiada para el funcionamiento del molino.
Los datos de velocidad (v) y probabilidad, p(v) se ajustaron adecuadamente a una ecuación polinómica de segundo orden con un coeficiente de determinación elevado de 0,9118; por lo que puede ser utilizada para la estimación de la potencia media del viento:
Los principales resultados de la evaluación del molino multipala indican que se dispone de 15,36 h de bombeo en el día, que unido a su caudal de diseño de 25,00 m3 d-1 (25000 L), permite el almacenamiento de volumen de agua potencial de 16250 m3; pero se dispone de un tanque elevado de 5000,00 L para el almacenamiento diario, el cual garantiza el riego de dos subunidades cada día y un volumen de 20000,00 L cada 4 días de riego. El molino desarrolla una potencia de 261,36 W y una energía hidráulica de 264,00 m4搞-1.
La evaluación del sistema de riego permitió comprobar que el área de riego dispone de 48 laterales con una longitud de 22,3 m y 32 emisores por lateral. Cada lateral suministra un caudal de 80,0 L搬-1 y un volumen de 52,0 L; por su parte el sistema aporta un volumen total de 4440,0 L en cada día, lo que representa 17760,0 L en cuatro días de riego.
Estos resultados demuestran que se cumple la demanda de agua del cultivo al lograrse en las condiciones actuales de la unidad organopónica un 113% de satisfacción de los requerimientos hídricos; quedando una reserva de 13% que puede emplearse en caso de que el viento este por debajo de los 2,00 m新-1 o para regar un área aledaña al organopónico con el propósito de incrementar la supervivencia de los cultivos de secano que suelen cultivarse en ese espacio.
El grado de satisfacción elevado encontrado en este sistema de riego es similar al encontrado por Rogério et al. (2015), en estudios realizados en la Republica de Angola en un sistema de riego por goteo para el cultivo del tomate accionado con energía renovable.
CONCLUSIONES
NOTA
La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALLEN, R.G.; PEREIRA, L.S.; RAES, D.; SMITH, M.: Evapotranspiración del cultivo: Guías para la determinación de los requerimientos de agua de los cultivos, [en línea], ser. Estudio FAO Riego y Drenaje, no. ser. 56, Ed. FAO, Roma, Italy, 298 p., 2006, ISBN: 92-5-304219-2, Disponible en: http://www.fao.org/docrep/009/x0490s/x0490s00.htm, [Consulta: 21 de octubre de 2015].
AVILA-PRATS, D.; ALESANCO-GARCÍA, R.; GARCÍA-GARCÍA, F.: “Coste del kWh eólico generado en Cuba, a partir de datos de viento de una región de buenos potenciales eólicos”, Ingeniería Mecánica, 13(3): 38-45, 2010, ISSN: 1815-5944, Disponible en: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S1815-59442010000300006&lng=es&nrm=iso&tlng=es, [Consulta: 30 de enero de 2017].
BESNIER, F.: La energía solar en agricultura, ser. Publicaciones de extensión agraria, Hojas Divulgadoras, no. ser. 11–12, Ed. Ministerio de la Agricultura, España, 20 p., 1980, ISBN: 84-341-0226-9.
CRUZ-BAUTISTA, F.; ZERMEÑO-GONZÁLEZ, A.; ÁLVAREZ-REYNA, V.; CANO-RÍOS, P.; RIVERA-GONZÁLEZ, M.; SILLER-GONZÁLEZ, M.: “Modelo para estimar la extensión del bulbo de humedecimiento del suelo en riego por goteo”, Tecnología y ciencias del agua, 6(4): 131-140, 2015, ISSN: 2007-2422, Disponible en: http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S2007-24222015000400009&lng=es&nrm=iso&tlng=es, [Consulta: 30 de enero de 2017].
FERREYRA, R.; SELLÉS, G.; PIMSTEIN, A.: “Diseño, manejo y mantención de equipos de riego localizado de alta frecuencia”, Boletín INIA, (35): 55, 2000, ISSN: 0717-4829.
FONTOVA, M.; GARCÍA, E.: Ingeniería de Riego, Ed. Félix Varela, La Habana, Cuba, 2001, ISBN: 959-258-160-6.
IUSS WORKING GROUP WRB: World reference base for soil resources 2006. A framework for international classification, correlation and communication, Micheli, E. (ed.), ser. World Soil Resources Reports, no. ser. 103, Ed. Food and Agriculture Organization of the United Nations, 2.a ed., Rome, Italy, 128 p., Primera Actualización, 2007, ISBN: 978-92-5-105511-3.
KELLER, J.; BLIESNER, R.D.: Sprinkle and trickle irrigation, no. solc. S619.S66 K45 1990, Ed. Van Nostrand Reinhold, New York, 652 p., 1990, ISBN: 978-0-442-24645-7.
MONTESINOS, A.; MORENO, C.: “La energía eólica en las islas caribeñas”, Revista Energía y Tú, (62): 20-24, 2013, ISSN: 1028-9925.
MORENO, C.: “Cuba en el escenario eólico mundial Reporte sobre la VII Conferencia Mundial de Energía Eólica”, Revista Energía y Tú, (43): 23-24, 2008, ISSN: 1028-9925.
MORENO, C.: “¿Cuál molino de viento instalar? Una guía para seleccionar molinos de viento para el bombeo de agua”, Revista Energía y Tú, (59): 21-24, 2012, ISSN: 1028-9925.
MUJICA, C.A.; CARMENATES, H.D.; PANEQUE, R.P.: “Determinación de la forma y dimensiones del bulbo húmedo en el riego subsuperficial para el cultivo de la caña de azúcar”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 21(Suppl.): 59–62, 2012, ISSN: 1010-2760.
PACHECO, J.; ALONSO, N.; PUJOL, P.; CAMEJO, E.: Riego y Drenaje, Ed. Pueblo y Educación, 2.a ed., La Habana, Cuba, 2007, ISBN: 978-959-07-0621-9.
REGUEIRO, F.R.M.; CHAVEZ, A.H.: “El desarrollo eólico en Brasil, Ecuador y España: Reflexiones a partir del marco normativo”, Revista de estudios económicos y empresariales, (26): 95-112, 2014, ISSN: 0212-7237, Disponible en: https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=4875501, [Consulta: 30 de enero de 2017].
RODRÍGUEZ-GARCÍA, M.R.; MARTÍNEZ-VARONA, R.: “Indicadores agronómicos del riego por goteo sub superficial para el banano (musa sp.) en suelos ferralíticos rojos”, Revista Ingeniería Agrícola, 7(1): 28-32, 2017, ISSN: 2227-8761, Disponible en: http://revistas.unah.edu.cu/index.php/IAgric/article/view/510, [Consulta: 30 de enero de 2017].
ROGÉRIO, M.A.; BROWN, M.O.; MUJICA, C.A.; MATA, R.C.; OSORIO, L.I.: “Riego por goteo con energía solar para el tomate en Cavaco, Benguela, Angola”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 24(2): 11-17, 2015, ISSN: 2071-0054, Disponible en: http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S2071-00542015000200002&lng=es&nrm=iso&tlng=es, [Consulta: 30 de enero de 2017].
Recibido: 25/01/2017
Aceptado: 22/12/2017
Oscar Brown-Manrique, Prof. Titular, Universidad de Ciego de Ávila, Centro de Estudios Hidrotécnicos, Departamento de Ingeniería Civil, Ciego de Ávila, Cuba. E-mail: obrown@unica.cu
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
