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INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO CONCEPTUAL DE SISTEMA DE AEROBOMBEO PARA APLICACIONES AGRÍCOLAS.
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL
TITULO DE INGENIERO MECÁNICO
AUTOR: EDWIN CAMILO RAMÍREZ SANABRIA
ASESOR: PhD ÁLVARO ENRIQUE PINILLA
Departamento de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería
Universidad de los Andes Bogotá D.C – Colombia
Diciembre de 2020
AGRADECIMIENTOS En primer lugar, quiero agradecer mi madre quien ha sido sin duda un ejemplo en mi vida, quien junto con mis abuelos maternos me han brindado su amor y apoyo en las decisiones que he tomado, las cuales me han acercado a mis metas y sueños.
Agradezco, a mi asesor de tesis, el doctor Álvaro Enrique Pinilla, por su guía y cada uno de los consejos que recibí durante el transcurso del proyecto. Por último, a mis amigos y compañeros de la universidad por sus enseñanzas y por los buenos momento que disfrute en esta etapa de mi vida.
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CONTENIDO 1. Introducción .............................................................................................................................. 10
2. Objetivos ................................................................................................................................... 12
2.1. Objetivo general ................................................................................................................ 12
2.2. Objetivos específicos ......................................................................................................... 12
3. Marco teórico ............................................................................................................................ 13
3.1. Requisitos de energía ........................................................................................................ 13
3.2. Bombeo con métodos convencionales ............................................................................. 13
3.2.1. Motobombas ............................................................................................................. 13
3.3. Aerobombeo ..................................................................................................................... 13
3.3.1. Potencia del viento .................................................................................................... 13
3.3.2. Distribución de la velocidad del viento ..................................................................... 14
3.3.3. Estimación de producción efectiva ........................................................................... 14
3.4. Bombeo Solar .................................................................................................................... 15
3.5. Riego .................................................................................................................................. 15
3.5.1. Superficie: .................................................................................................................. 16
3.5.2. Aspersión ................................................................................................................... 16
3.5.3. Subirrigación .............................................................................................................. 16
3.5.4. Riego por goteo ......................................................................................................... 16
3.5.5. Los sistemas hidropónicos ........................................................................................ 16
3.5.6. Microaspersión .......................................................................................................... 16
4. Parámetros ambientales. .......................................................................................................... 17
4.1. Selección de ubicación ...................................................................................................... 17
4.2. Tipo de cultivo ................................................................................................................... 17
4.2.1. Riego de la cebolla de bulbo ..................................................................................... 18
4.3. Precipitaciones en la región .............................................................................................. 18
4.4. Fuente hídricas en la región .............................................................................................. 19
4.5. Distribución de acuíferos en la región .............................................................................. 19
4.6. Análisis de incidencia solar ................................................................................................ 21
4.7. Análisis de distribución eólica ........................................................................................... 22
5. Cálculos preliminares ................................................................................................................ 27
5.1. Convencionales ................................................................................................................. 27
5.1.1. Electrobombas .......................................................................................................... 27
5.1.2. Motobombas ............................................................................................................. 27
5.2. Eólico ................................................................................................................................. 27
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5.3. Solar ................................................................................................................................... 28
6. Estudio comercial. ..................................................................................................................... 29
6.1. Equipos eólicos .................................................................................................................. 29
6.1.1. Turbex Wind Turbines ............................................................................................... 29
6.1.2. Industries Poldaw ...................................................................................................... 30
6.1.3. Aermotor Windmill Company ................................................................................... 30
6.1.4. Irrigation Direct ......................................................................................................... 30
6.1.5. South x ....................................................................................................................... 30
6.1.6. Molinos JOBER ........................................................................................................... 30
6.1.7. MoliAgro Ltda. ........................................................................................................... 31
6.1.8. Construfijaciones ....................................................................................................... 31
6.2. Equipos convencionales. ................................................................................................... 31
6.2.1. Electrobombas .......................................................................................................... 31
6.2.2. Motobombas ............................................................................................................. 32
6.3. Equipos solares .................................................................................................................. 33
7. Modelo teórico .......................................................................................................................... 35
7.1. Aerobomba ........................................................................................................................ 35
7.1.1. Análisis para el mes de enero .................................................................................... 35
7.1.2. Análisis para el mes de agosto .................................................................................. 36
7.1.3. Análisis para el mes de noviembre............................................................................ 37
7.2. Irrigación ........................................................................................................................... 39
8. Conclusiones.............................................................................................................................. 41
9. Recomendaciones ..................................................................................................................... 42
10. Bibliografía ................................................................................................................................ 43
11. Anexos ....................................................................................................................................... 45
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LISTA DE TABLAS Tabla 1 Condiciones esperadas en el municipio de Samacá ........................................... 20 Tabla 2 Velocidad promedio mensual obtenida de la torre meteorológica Villa Carmen .... 24 Tabla 3 Estudio comercial de equipos para aerobombeo. .............................................. 29 Tabla 4 Estudio comercial de equipos para bombeo convencional. ................................. 31 Tabla 5 Estudio comercial de equipos para bombeo solar. ............................................ 33 Tabla 6 Capacidad de bombeo y cabeza de operación Aermotor Company [21]. ............. 48 Tabla 7 Capacidad de bombeo y cabeza de operación Construfijaciones [33]. ................ 49 Tabla 8 Recopilación técnico-económica del estudio comercial ...................................... 50 Tabla 9 Tipos de bombas para aplicación con aerobombas. ......................................... 51
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LISTA DE FIGURAS Figura 1 Distribución de acuíferos en Boyacá ampliado en el del municipio de Samacá. ... 20 Figura 2 Distribución de radiación solar anual para el departamento de Boyacá. ............. 21 Figura 3 Distribución de radiación solar anual para el municipio de Samacá.................... 22 Figura 4 Velocidad del viento promedio anual en el departamento de Boyacá ................. 23 Figura 5 Velocidad del viento promedio anual en el municipio de Samacá. ..................... 23 Figura 6 Esquema de riego por goteo adaptado de Wind Pumping a Handbook [31]. ...... 40 Figura 7 Rosa de los vientos Villa Carmen, Samacá, Boyacá [4]. .................................... 45 Figura 8 Acuíferos aledaños a Samacá ........................................................................ 47 Figura 9 Equipos MoliaAgro [32]. ................................................................................ 49
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LISTA DE GRÁFICAS
Gráfica 1 Curva típica de Aerogeneración. ................................................................... 15 Gráfica 2 Adaptado de las Evaluaciones Agropecuarias Municipales EVA [6]. .................. 18 Gráfica 3 Probabilidad de precipitaciones anuales para Samacá. .................................... 19 Gráfica 4 Distribución de la velocidad del viento para el mes de enero. .......................... 24 Gráfica 5 Distribución de la velocidad del viento para el mes de noviembre. ................... 25 Gráfica 6 Distribución de la velocidad del viento para el mes de agosto.......................... 25 Gráfica 7 Distribución de la potencia esperada para el mes de enero. ............................ 36 Gráfica 8 Distribución de caudal esperado para el mes de enero. .................................. 36 Gráfica 9 Distribución de la potencia esperada para el mes de agosto. ........................... 37 Gráfica 10 Distribución de caudal esperado para el mes de agosto. ............................... 37 Gráfica 11 Distribución de la potencia esperada para el mes de noviembre. ................... 38 Gráfica 12 Distribución de caudal esperado para el mes de noviembre. .......................... 38 Gráfica 13 Comparación de la potencia esperada para diferentes equipos en noviembre.. 39 Gráfica 14 Comparación de caudal esperado para diferentes equipos en noviembre. ....... 39 Gráfica 15 Distribución del promedio de la velocidad del viento [4]. ............................... 45 Gráfica 16 Primer Semestre del año 2016-2018. .......................................................... 46 Gráfica 17 Segundo Semestre del año 2016-2018. ....................................................... 46 Gráfica 18 Capacidad de bombeo y cabeza de operación Turbex Wind Turbines [19]. ..... 48 Gráfica 19 Comparación de potencia esperada para diferentes equipos en enero. ........... 51 Gráfica 20 Comparación de caudal esperado para diferentes equipos en enero. .............. 52 Gráfica 21 Comparación de potencia esperada para diferentes equipos en agosto .......... 52 Gráfica 22 Comparación de caudal esperado para diferentes equipos en agosto. ............ 53
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1. INTRODUCCIÓN
La irrigación correcta de los cultivos agrícolas es un factor fundamental para garantizar el éxito de las cosechas y varía dependiendo del tipo de siembra que se esté tratando. En la mayoría de los casos el riego de los cultivos depende de aguas lluvias que se ven afectadas por fenómenos climatológicos que generan variación en la época y en la afluencia del recurso hídrico. Al no tener la cantidad necesaria de agua los cultivos no germinan generando pérdidas económicas.
Con el fin de disminuir estas pérdidas en ocasiones las comunidades llevan a cabo procedimientos que perjudican directamente el medioambiente. Tal es el caso, del desvió de fuentes hídricas como ríos o arroyos para el riego de cultivos, lo que afecta no solo la vida silvestre, sino también puede llegar a generar inundaciones de las zonas aledañas. Otro tipo de soluciones que se han implementado están relacionadas con el uso de bombas para el suministro de agua desde fuentes hídricas cercanas. Este tipo de bombas puede variar en cuanto al método empleado para extraer el recurso hídrico. Un ejemplo, son los métodos convencionales como son las motobombas y electrobombas, que emplean como energizante combustibles y electricidad, respectivamente. Con el fin de garantizar el acceso a la energía eléctrica necesaria para operar la bomba se ha venido evaluando, como una opción el uso de paneles solares puesto que en muchos lugares de cultivo la energía eléctrica no es lo suficientemente estable como para respaldar el correcto funcionamiento.
El aerobombeo es otro método aplicado, estos equipos utilizan la energía eólica, por lo que no generan costos adicionales por el uso de combustibles. Paralelamente, por su tamaño y el de sus componentes no son propensos a hurtos. Este tipo de equipos tiene diferentes variaciones en sus componentes como son el rotor, el sistema de transmisión, el sistema de control, la bomba y la torre dependiendo de las condiciones geográficas, ambientales y el tipo de irrigación. Actualmente, en el mercado existen diferentes aerobombas, sin embargo, generalmente la información técnica brindada por los fabricantes no es muy elaborada, lo que puede llevar a una mala selección. Por lo tanto, un estudio comercial de estos métodos es importante para elegir la técnica que se acople de manera más acertada a las condiciones ambientales del lugar.
Anterior al estudio comercial, es primordial tener un amplio conocimiento de las condiciones ambientales de la zona en donde se realizará el riego. Dentro de esta información se debe tener conocimiento del tipo de cultivo, con el objetivo de identificar la cantidad de agua necesaria, igualmente se debe tener conocimiento de la distribución de la velocidad del viento para el análisis de aerobombeo, la distribución de irradiación en la zona con el objetivo de dimensionar los paneles solares, parámetros de obstáculos geográficos, historial de acuíferos en la zona y costos de operación de los equipos convencionales usados por la comunidad. Posteriormente, se deben efectuar una serie de cálculos preliminares con el objetivo de seleccionar correctamente los equipos en los diferentes métodos de bombeo.
En este orden de ideas, una vez se tenga conocimiento del método de bombeo y equipos que mejor se acoplan a las condiciones ambientales de la zona, se puede proseguir a realizar cambios a los parámetros de diseños de los equipos, con el objetivo de mejorar el
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rendimiento de extracción de agua para los cultivos, sin aumentar significativamente sus costos de producción para que no se vea reflejado en sus costos de venta.
Analizando los resultados obtenidos en el proyecto se encontró información relevante para el riego de los cultivos de cebolla de bulbo en el municipio de Samacá. En primera instancia, mediante el análisis ambiental se determinó que las condiciones climatológicas, geográficas y económicas del municipio de Samacá se ajustan a los requisitos necesarios para un adecuado funcionamiento de equipos de aerobombeo con fines agrícolas. De igual manera, con el estudio técnico y comercial fue posible encontrar que los sistemas de aerobombeo nacionales presentan un costo menor que los sistemas internacionales. Paralelamente, comparando el bombeo con energía eólica con los métodos convencionales y solares fue posible analizar, que existen beneficios en costos al emplear aerobombas sobre métodos convencionales y solares. Cabe resaltar, que después de alrededor de catorce periodos de siembra la inversión inicial que se realiza por la aerobomba se habrá recuperado al ser comparado con la metodología empleada actualmente, reduciendo de esta forma los costos de producción. Finalmente, con el objetivo de incrementar la extracción del recurso hídrico se modificó el área barrida por el rotor, mejorando rendimiento de bombeo y así la entrega de agua para el riego. Así mismo, se propuso emplear el riego por goteo a fin de mejorar el aprovechamiento de agua, así aumentando la efectividad de entrega.
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2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo general
2.1.1. Proponer un sistema de aerobombeo para un rango de condiciones específicas como son: tipo de cultivo, fuente hídrica, velocidad del viento, condiciones geográficas y tipo de irrigación para generar un aumento en el aprovechamiento de la energía eólica enfocado al diseño del rodete.
2.2. Objetivos específicos
2.2.1. Seleccionar ubicación geográfica, fuente hídrica y tipo de cultivo con condiciones aceptables para la implementación del sistema de aerobombeo.
2.2.2. Dimensionar correctamente los parámetros de diseños del equipo de bombeo enfocado en aumentar el aprovechamiento eólico.
2.2.3. Desarrollar estudio comercial comparando el rendimiento y costo esperado para diferentes métodos de bombeo.
2.2.4. Proponer variaciones a los diseños comerciales para mejorar el desempeño del equipo de bombeo.
2.2.5. Conceptualizar propuesta de sistema de irrigación para aprovechamiento del recurso hídrico y mejoramiento de producción.
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3. MARCO TEÓRICO
3.1. Requisitos de energía Con el objetivo de calcular la cantidad de energía necesaria para bombear el volumen de agua requerido para el riego acertado de los cultivos, se debe determinar, previamente, la cabeza total 𝐻 que el líquido debe recorrer. Posteriormente empleando la ecuación ( 1 ) se
encuentra la cantidad neta de energía hidráulica necesaria. Donde 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 corresponde a la
densidad del agua y 𝑔 corresponde a la gravedad en el lugar donde se implementará el
diseño.
𝐸𝐻 = 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎𝑔𝑄𝐻 ( 1 )
3.2. Bombeo con métodos convencionales
3.2.1. Motobombas Los parámetros de operación de las motobombas se calculan con la siguiente expresión, la cual relaciona la potencia esperada de la motobomba, con el poder calorífico del combustible que emplea el equipo. A partir de este resultado es posible encontrar la cantidad de combustible que se emplea para cumplir con el caudal esperado para el riego de los cultivos. Cabe resaltar que la selección de estos equipos se hace respecto al cálculo de la energía requerida de la ecuación ( 1 ).
𝑄𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝑃𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
𝑃𝐶𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 ( 2 )
3.3. Aerobombeo
3.3.1. Potencia del viento El viento es definido como el movimiento de las masas de aire a través de la superficie de la tierra, debido a la rotación de la tierra y a la energía solar que llega por medio de la radiación. En este orden de ideas, se entiende a la energía eólica como una forma de energía cinética y se puede definir con la siguiente relación matemática. En donde 𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 es la
densidad del aire, 𝑉𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 es la velocidad del viento, 𝐴𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟 es el área transversal del rotor y
𝜂𝑚𝑎𝑥 corresponde a la eficiencia del equipo.
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝜂𝑚𝑎𝑥
1
2𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒𝑉𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
3 𝐴𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟 ( 3 )
El parámetro de la velocidad del viento efectiva se debe calcular para la incidencia eólica en la cual el equipo de bombeo opera con una eficiencia significativa, generalmente se emplea el 80 % de la velocidad promedio anual del lugar seleccionado, con el objetivo de incrementar la disponibilidad del equipo de aerobombeo. De esta forma la velocidad de diseño se calcula con la ecuación ( 4 ).
𝑉𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 0.8 ∗ 𝑉𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ ( 4 )
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Igualando las ecuaciones ( 1 ) y ( 3 ) se obtiene la siguiente expresión, con la cual es posible
calcular el área del rotor.
𝜂𝑚𝑎𝑥
1
2𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒𝑉𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜
3 𝐴𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎𝑔𝑄𝑟𝑒𝑞𝐻 ( 5 )
3.3.2. Distribución de la velocidad del viento
El comportamiento de la velocidad del viento se puede modelar con la función de densidad de probabilidad Weibull. La cual cuenta con dos parámetros, el parámetro de forma de distribución 𝛼 y el parámetro de escala 𝛽. En la ecuación ( 6 ) se puede ver como varia esta
distribución.
𝑓(𝑉) =𝛼
𝛽(
𝑉
𝛽)
𝛼−1
𝑒−(
𝑉𝛽
)𝛼
( 6 )
El valor del factor de forma de Weibull 𝛼 presenta un valor más alto en áreas que tienen variaciones muy bajas en la velocidad del viento. Cuando hay variaciones considerables en los datos de velocidad del viento, el valor de 𝛼 está más cerca de la unidad. La velocidad
del viento �̅� se presentan como 𝑚
𝑠.
3.3.3. Estimación de producción efectiva Considerando el comportamiento de la variación del viento establecido por la distribución de Weibull y la ecuación ( 3 ) de potencia, se puede observar que la potencia varia de manera
cubica respecto a la velocidad del viento. En este orden de ideas se puede considerar que con una velocidad eólica significativamente alta se tendrá una potencia de igual magnitud. No obstante, la condición de máxima potencia eólica extraída se presenta con la ecuación ( 7 ) que se obtiene con la teoría del Momento Axial o Teoría del disco actuador que fue
desarrollada por Rankine en 1865. El factor 16
27 es conocido como el límite de Betz e implica
que no se puede extraer el total de la energía cinética del viento, ya que el 59.3 % [1] es el límite teórico de extracción de energía eólica de rotores reales en flujo abierto, por lo tanto, el rendimiento esperado será menor a este valor.
𝑃𝑚𝑎𝑥 =16
27 (
1
2𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑉𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
3 𝐴𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟) ( 7 )
Los equipos eólicos presentan una conducta característica como la que se puede observar en la Gráfica 1, en la cual se ilustran los valores de la Potencia Nominal y la velocidad de Viento Nominal para las que el equipo presenta una potencia máxima de producción, a partir de la cual la potencia extraída no depende de la velocidad del viento. Adicionalmente, se pueden analizar las velocidades de arranque, donde la aerobomba inicia su funcionamiento, y la velocidad de desconexión o salida, en la cual la aerobomba se debe parar con el objetivo de no generar daños al equipo.
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Gráfica 1 Curva típica de Aerogeneración.
3.4. Bombeo Solar
Previo al dimensionamiento de los paneles solares se debe realizar la selección de la bomba que se va a implementar, este proceso se realiza empleando la ecuación ( 1 ). Una vez se
dimensione la bomba, se debe investigar la energía irradiada en la zona seleccionada y las horas de sol pico. Posteriormente, se procede a calcular la potencia solar a instalar con la ecuación ( 8 ) [2], donde 𝐸𝐻 corresponde a la necesidad diaria de energía en [𝑊ℎ/𝑑í𝑎],
mientras que 𝐸𝑆.𝐷 es la energía solar disponible en el lugar del proyecto para el mes con
menor incidencia solar en [𝑘𝑊ℎ/𝑚2/𝑑í𝑎] y 𝜂𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 representa la eficiencia total del sistema.
𝑃𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟 =𝐸𝐻
𝐸𝑆.𝐷𝜂𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 ( 8 )
Finalmente, se calcula el número aproximado de paneles solares a instalar para cumplir con los requerimientos de diseño con la siguiente expresión donde 𝑃𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 corresponde a la
potencia individual esperada de cada módulo en [𝑊].
𝑁° 𝑑𝑒 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =𝑃𝑆𝑜𝑙𝑎𝑟
𝑃𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 ( 9 )
3.5. Riego
A diferencia de la opinión común, no existe el método óptimo de riego. La elección de un sistema de riego se basa en consideraciones de suelo, cultivo, economía, calidad del agua y manejo. El Manual Nacional de Ingeniería (NEH) del Servicio de Conservación de Recursos Naturales (NRCS) [3] describe las cuatro principales técnicas de riego: superficie, aspersión, microaspersión y subirrigación.
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3.5.1. Superficie: Se aplica por gravedad a través de la superficie del suelo mediante inundaciones o canales pequeños (es decir, cuencas, bordes, arrozales, surcos, arroyos, ondulaciones)
3.5.2. Aspersión Se suministra en el punto de uso mediante un sistema de boquillas (rociadores comunes o rociadores de impacto) con agua entregada a los rociadores por superficie y oleoductos enterrados, o por ambos. Los laterales de riego por aspersión se clasifican como de juego fijo, movimiento periódico o movimiento automático [3].
3.5.3. Subirrigación El agua se pone a disposición del sistema de raíces del cultivo mediante un flujo capilar ascendente a través del perfil del suelo desde una capa freática controlada. Cada método de riego y sistema de riego tiene una aplicabilidad, capacidad y limitaciones específicas en el sitio. Paralelamente, métodos como el riego por goteo o los sistemas de riego hidropónico no representa una gran parte de los sistemas de riego en el mundo; sin embargo, muchos sistemas de riego nuevos los están implementando por sus diferentes beneficios.
3.5.4. Riego por goteo A pesar de que este método generalmente requiere un mayor nivel de experiencia en gestión, su popularidad está creciendo por varias razones. Una razón es que mantiene un nivel de humedad relativamente constante en la zona de las raíces, lo que aumenta la producción de muchos cultivos. Una segunda razón de la creciente popularidad del riego por goteo es por su eficiencia potencial (90%) [3], la cual es mayor a otros sistemas de riego. La evaporación de la superficie del suelo se reduce drásticamente o puede ser cero para el riego por goteo subterráneo. Los sistemas de riego por goteo también son sistemas de fertilización efectivos, ya que aplican agua directamente a la zona de la raíz de la planta.
3.5.5. Los sistemas hidropónicos Estos sistemas se utilizan en la agricultura de ambiente controlado, como son los invernaderos. La operación y gestión de estos sistemas es única. El agua se aplica a un sustrato de cultivo sin suelo, como cáscaras de coco, lana de roca, arena o perlita. Estos medios sin suelo brindan a los productores la capacidad de focalizar el cultivo hacia las características de producción deseadas al variar rápidamente las concentraciones de nutrientes y salinidad en el medio.
3.5.6. Microaspersión La técnica de microaspersión se emplea al punto de uso a través de dispositivos de descarga de baja presión y bajo volumen, es decir, emisores de goteo, emisores de fuente de línea, microaspersores y cabezales de rociadores, burbujeadores de gravedad y baja presión [3], suministrados por una superficie de pequeño diámetro o enterrada oleoductos.
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4. PARÁMETROS AMBIENTALES. Previo al análisis y la selección de los componentes para el diseño del sistema de aerobombeo se debe determinar la labor que el equipo cumplirá y las condiciones ambientales a las que este se encontrará expuesto. En primera instancia, se debe seleccionar un lugar que presente un recurso eólico y solar favorable, e idealmente que cuente con información documentada de la distribución anual del mismo. Acto seguido, se debe realizar la recopilación de información agrícola de la región. De este modo se entenderán las necesidades que presenta la comunidad y se podrá diseñar un equipo que busque satisfacerlas, aprovechando al máximo los recursos. Posteriormente, teniendo en cuenta la información previa se acotarán las fuentes hídricas útiles para el caso y se seleccionará la que se acople a los requerimientos establecidos. Finalmente, una vez obtenidos los parámetros ambientales se iniciará la parametrización del diseño.
4.1. Selección de ubicación La ubicación es un parámetro importante para garantizar un correcto funcionamiento de la aerobomba o bomba solar, dependiendo de la región que se elija la distribución y la velocidad del viento e incidencia solar tendrán diferentes valores, al igual que las condiciones ambientales a las que el dispositivo se encontrará sometido. La selección de la ubicación para implementar el análisis tiene en cuenta diferentes factores como la disponibilidad de datos meteorológicos, la facilidad de acceso a la región, distribución de obstáculos naturales, producción agrícola, disponibilidad de fuentes hídricas y la velocidad del viento e incidencia solar con su respectiva distribución anual. En consecuencia, teniendo en cuenta el análisis previo, se llegó a la conclusión que el municipio de Samacá en el departamento de Boyacá cumple las condiciones para considerarse como locación para el proyecto. En esta región se cuenta con la estación meteorológica de Villa Carmen a una elevación de 2600 m.s.n.m, la cual presenta una
velocidad de viento promedio anual de 4.01𝑚
𝑠 [4], lo que es una velocidad apropiada para
la operación de una aerobomba con una alta solidez y baja velocidad. Sumado a esto, las direcciones del recurso eólico que se pueden observar en la rosa de los vientos en la Figura 7 denotan que la dirección prevaleciente es el sur, donde se tiene una intensidad y duración más elevada. Igualmente, la Gráfica 15 amplía esta información mostrando la distribución de la velocidad promedio del viento en un año, la cual presenta su pico en el mes de agosto y su valor más reducido a mediados de octubre y noviembre.
4.2. Tipo de cultivo En la región de Samacá existen diferentes tipos de cultivos, los cuales difieren dependiendo de la cantidad de agua que se requiere y el periodo del año en que se cultivan. Los que presentan un mayor impacto en la economía y distribución espacial de la región se pueden observar en la Gráfica 2, dentro de estos destacan la alverja, cebolla de bulbo, zanahoria y papa [5]. Adicionalmente, se encuentra que para el primer periodo del año el cultivo con mayor siembra es la papa y la cebolla Gráfica 16, mientras que para el segundo periodo es la alverja, nuevamente con la cebolla Gráfica 17. Por lo tanto, el cultivo que presenta un
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mejor comportamiento para el análisis que se busca implementar, dada su distribución de siembra, es la cebolla de bulbo.
Gráfica 2 Adaptado de las Evaluaciones Agropecuarias Municipales EVA [6].
4.2.1. Riego de la cebolla de bulbo
Para la producción de cebolla bulbo se debe emplear un riego de agua elevado, puesto que el proceso metabólico de este vegetal lo requiere para que su crecimiento y calidad sea acertado. El riego de la planta se realiza en dos partes: Germinación y Desarrollo [7]. Adicionalmente, es importante resaltar que el exceso de agua puede generar pérdidas en el cultivo y que este se debe suspender con un periodo de aproximadamente 2 a 3 semanas antes de su recolección [8]. El sistema de riego más utilizado es el de aspersión, como se discutió previamente este método se debe aplicar correctamente la cantidad de agua necesaria. Dependiendo de la disponibilidad hídrica y capacidad económica que se tenga para el cultivo se puede, proponer la tecnificación del sistema de riego buscando incrementar el ahorro de agua y fertilizantes de manera oportuna para obtener mejoras en la producción [9]. Se recomienda que el riego para los cultivos de cebolla esté alrededor de 0.76 l/s por cada hectárea que se busque irrigar [10], sin embargo para temporadas de alta sequia estos valores pueden llegar a estar alrededor de 2.48 l/s por hectárea lo que equivale aproximadamente a 3 hectáreas en tiempo regulares.
4.3. Precipitaciones en la región La información de la Gráfica 3 ilustra la probabilidad de presentar precipitaciones o días de lluvia para los diferentes meses del año, esta información se basa en un análisis estadístico de informes climatológicos históricos por hora y reconstrucciones de modelos del 1 de enero de 1980 al 31 de diciembre de 2016 [13]. Se pude observar que los meses de octubre y mayo presentan picos en la posibilidad de ocurrencia con un valor máximo de 78% cada
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uno, mientras en el mes de enero se encuentra la menor probabilidad con un valor de 26%. Estos valores son significativos para el diseño y selección de los equipos de bombeo.
Gráfica 3 Probabilidad de precipitaciones anuales para Samacá.
4.4. Fuente hídricas en la región
Samacá presenta una cantidad considerable de fuentes hídricas que se podrían emplear para la irrigación de cultivos, dentro estas se encuentran la microcuenca del rio Teatinos, la Quebrada Cortadera, además de contar con fuentes subterráneas empleables para el riego de cultivos. Con el objetivo de seleccionar la opción más efectiva para el tipo de cultivo elegido se decide realizar un análisis empleando el programa ArcGIS, en donde se tendrá en cuenta la cercanía entre la fuente hídrica y el cultivo, la cantidad de agua que puede obtener del reservorio y la factibilidad de emplear el recurso. Un análisis inicial se realizó empleando el mapa de la Figura 8 en donde se puede observar que la región cuenta con varios reservorios de agua subterránea [11]. Ampliando la información previa se realizó una búsqueda de documentación de la región y se obtuvieron archivos para el análisis, provenientes de Corpoboyacá y Corpochivor [12] instituciones encargadas de recopilar la información ambiental para esta región. Adicionalmente, a través del IDEAM se obtuvo información complementaria, respecto a la distribución de la velocidad del viento e incidencia solar en el municipio, esto con un historial de datos de mayor amplitud al recibido por parte de la estación meteorológica.
4.5. Distribución de acuíferos en la región Como se expresó previamente, se obtuvo un compilado de información amplio por parte de Corpoboyacá y Corpochivor en lo que respecta a los acuíferos de la región, en específico se implementaron los recursos del acuífero de Tunja provenientes de Corpoboyacá [14]. Analizando el compilado de estos datos fue posible encontrar el mapa de aguas subterráneas para Samacá que se puede observar en la Figura 1. Esta Figura contiene en color rojo los
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acuíferos que actualmente están siendo utilizados que son un total de 55, junto con la información histórica en azul de acuíferos en la zona con un total de 59. La distribución de los acuíferos demuestra la alta probabilidad de encontrar aguas subterráneas en el territorio Boyacense y en específico en el municipio Samacá. A partir de la descripción suministrada en los archivos se encuentran los promedios de la Tabla 1 con esta referencia es posible iniciar un análisis de diseño del equipo, en cuanto a factores como el uso de tanques de reserva, la cabeza, diámetro y carrera necesarios para la bomba. Adicionalmente, los archivos cuentan con información acerca de la calidad del agua lo que servirá de insumo una vez se realice el análisis de riego para los cultivos del municipio.
Tabla 1 Condiciones esperadas en el municipio de Samacá
Parámetros Propiedades esperadas/actuales
Profundidad 4𝑚 − 8𝑚
Caudal esperado 2.8𝑚3
𝑠
PH 6.3
Temperatura 13.72 °C
Apariencia Incoloro/Clara
Litología Arcilla/Grava
Métodos de extracción Moto bomba/ Manual
Diámetro 2m
Geografía Laderas
Figura 1 Distribución de acuíferos en Boyacá ampliado en el del municipio de Samacá.
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4.6. Análisis de incidencia solar
Empleando los datos de incidencia solar en Colombia obtenida del IDEAM [15], junto con la información de acuíferos en Samacá, se genera la Figura 2 en la cual se puede ver que el
municipio presenta un valor promedio anual de entre 5𝑘𝑊ℎ
𝑚2 y 5.5𝑘𝑊ℎ
𝑚2 por cada metro
cuadrado. Esto para las zonas donde se espera encontrar un mayor número de acuíferos activos, esta información es un insumo para el posterior análisis comercial de las bombas subterráneas solares. Igualmente, podemos observar en la Figura 3 que el rango para el municipio de Samacá es el rango máximo que se espera encontrar en el departamento de Boyacá con el promedio anual. Sin embargo, cabe resaltar que para periodo críticos este
valor se reduce a 3.5𝑘𝑊ℎ
𝑚2 con 4.5 horas disponibles.
Figura 2 Distribución de radiación solar anual para el departamento de Boyacá.
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Figura 3 Distribución de radiación solar anual para el municipio de Samacá.
4.7. Análisis de distribución eólica En cuanto al análisis de distribución del recurso eólico se empleó una metodología similar al proceso realizado con el análisis de incidencia solar. Estos datos se consiguieron de la plataforma del IDEAM. Empleando el programa ArcGIS para combinar esta información con la obtenida de Corpoboyacá, se obtuvieron los mapas de la Figura 4 y Figura 5. En los cuales se puede observar la distribución anual promedio, tanto del departamento como del municipio. En el caso particular de Samacá, se observa que la distribución de velocidad anual varía según la ubicación, lo que permite elegir los acuíferos que tendrán un mejor rendimiento en lo que respecta al bombeo de agua. Conjuntamente, en la Tabla 2 se encuentra el promedio de incidencia eólica por meses en el municipio de Samacá, extraídos del Atlas de viento de Colombia para la estación meteorológica de Villa del Carmen [4], la cual se encuentra a las afueras del municipio de Samacá y nos permite tener un mayor entendimiento del comportamiento del viento en la zona durante cada uno de los meses del
año así como la velocidad promedio anual de 4.01𝑚
𝑠 que se espera encontrar en el municipio.
Finalmente, empleando nuevamente los datos extraídos del IDEAM se realiza un análisis con la función de densidad de probabilidad de Weibull para los meses críticos de enero como el periodo menor precipitaciones Gráfica 4, noviembre con menor incidencia eólica Gráfica 5 y agosto con la mayor incidencia Gráfica 6.
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Figura 4 Velocidad del viento promedio anual en el departamento de Boyacá
Figura 5 Velocidad del viento promedio anual en el municipio de Samacá.
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Tabla 2 Velocidad promedio mensual obtenida de la torre meteorológica Villa Carmen
Periodo V. Promedio
[m/s]
Enero 3.9
Febrero 3.7
Marzo 3.7
Abril 3.6
Mayo 4.3
Junio 4.4
Julio 4.6
Agosto 4.9
Septiembre 4.3
Octubre 3.5
Noviembre 3.3
Diciembre 3.9
Anual 4.01
Gráfica 4 Distribución de la velocidad del viento para el mes de enero.
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Gráfica 5 Distribución de la velocidad del viento para el mes de noviembre.
Gráfica 6 Distribución de la velocidad del viento para el mes de agosto.
En conclusión, a través del exhaustivo análisis se selecciona el municipio de Samacá para realizar el estudio técnico económico y diseño del equipo de bombeo, debido a sus condiciones ambientales. Igualmente, se opta por el cultivo de cebolla de bulbo como un parámetro de diseño para la cantidad de agua necesaria, puesto que su cultivo se realiza
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en gran parte de la región durante la mayor parte del año. Esta elección no significa que el equipo no sea transversal con otro tipo de aplicaciones.
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5. CÁLCULOS PRELIMINARES Conociendo las variables ambientales es posible realizar un análisis preliminar en lo que respecta al dimensionamiento de los diferentes equipos. En primera instancia se calcula la energía hidráulica requerida para cumplir con la condiciones de diseño, como se describió
previamente el caudal de diseño será de 2.48𝐿
𝑠 a fin de cumplir los requerimientos de un
cultivo de cebolla de una hectárea en tiempos de elevada sequia [7]. Igualmente, valores como la gravedad y densidad del aire se corrigieron para una altitud de 2600 metros sobre el nivel del mar, altura a la que se encuentra el municipio de Samacá. Finalmente, la cabeza de la bomba se encontró basándose en la información analizada en la anterior sección, por lo tanto, se selecciona un valor de 10 m. Utilizando la ecuación ( 1 ) [1] se encuentra que la energía hidráulica óptima para el diseño
del instrumento de bombeo es 241.75𝐽
𝑠, es decir, este es el valor que los equipos deben
tener para cumplir con la restricción de diseño. Una vez se conoce está restricción se da inicio al cálculo particular para cada uno de los equipos.
5.1. Convencionales En primera instancia con el análisis de energía hidráulica previo se puede concluir, que se requiere una bomba convencional operada, bien sea por un combustible fósil o por energía proveniente de la red eléctrica del municipio. La cual debe suministrar una energía hidráulica de 241.75 𝑊.
5.1.1. Electrobombas El costo del funcionamiento de las electrobombas se calculará con la tarifa para el mes de septiembre de la empresa prestadora del servicio en Samacá. Empresa de Energía de Boyacá E.S.P. (EBSA), la cual corresponde a $ 486.3 kWh [16], este valor se multiplicará por el número de horas que el equipo estará en funcionamiento, para este caso es de 8 horas diarias.
5.1.2. Motobombas El costo de operación para este tipo de equipos se calculará empleando el poder calorífico de la gasolina convencional de 34,613 𝑀𝐽 [17], junto con el precio por galón actual en el
municipio de Samacá, el cual es de $9,500. De manera similar, al análisis realizado en la sección de electrobombas se utilizará como referencia un funcionamiento diario de 8 horas durante un semestre de cultivo, empleando la ecuación ( 2 ).
5.2. Eólico En segunda instancia, se realizará el análisis para equipos de aerobombeo como se puede observar en la sección de parámetros ambientales el valor promedio anual esperado para la
velocidad del viento en las zonas aledañas a Samacá es de aproximadamente 4.01𝑚
𝑠. No
obstante, como se especificó previamente, la velocidad de diseño para el equipo corresponde al 80% de la velocidad promedio del viento con el objetivo de tener en cuenta las variaciones en el recurso eólico que se pueden presentar en el municipio.
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Una vez calculada la velocidad de diseño con la ecuación ( 4 ) se prosigue relacionando la
energía hidráulica requerida con la siguiente ecuación, la cual permite conocer el diámetro de diseño que tendrá el equipo de aerobombeo. Previo a este cálculo, es importante conocer lo valores de densidad y gravedad para las condiciones en las que se encuentra el municipio debido a que su magnitud varia debido a la altura del municipio. Este cálculo se realiza
implementando la ley de los gases ideales y se obtiene un valor de 0.9429𝑘𝑔
𝑚3, es decir, el
73.09% del valor al nivel del mar de la densidad del aire y un valor de 9.799𝑚
𝑠2 para el valor
de la gravedad.
Despejando y resolviendo la anterior relación de la ecuación ( 5 ), se obtiene un diámetro
para el rotor de 4.55 𝑚. Este valor permitirá realizar una selección de equipos de
aerobombeo de manera adecuada. Adicionalmente, se debe tener en cuenta que la zona de implementación cuenta con una geografía con laderas y no presenta obstáculos notables, por lo que la altura de diseño para la torre tendrá una altura de alrededor de los 10 𝑚.
5.3. Solar De manera similar al análisis para los equipos eólicos se buscará conocer los parámetros de diseño para una bomba subterránea energizada por paneles solares. De esta forma, para un correcto dimensionamiento se investigará el área y número de paneles solares necesarios para cumplir con los requerimientos de diseño [18], utilizando las ecuaciones ( 8 ) y ( 9 ). En
primera instancia, del análisis ambiental se encuentra que el periodo con menor incidencia
solar corresponde al mes de mayo con un valor de 3.5 𝑘𝑊ℎ
𝑚2 con un brillo solar de 4.5 horas
diarias. En segunda instancia, se realiza el cálculo del que se obtiene que la potencia solar a instalar es de 1989.26 𝑊, paralelamente se pueden emplear los datos de las
electrobombas para tener un estimado del consumo esperado por parte de estos equipos. Aun así, el rendimiento del sistema se debe considerar para dimensionar de manera efectiva la potencia solar requerida. Finalmente, dependiendo del equipo se debe calcular el número de paneles a implementar con la ecuación ( 9 ).
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6. ESTUDIO COMERCIAL. Posterior al análisis de los parámetros ambientales del municipio seleccionado y de los cálculos preliminares, se prosiguió a realizar un estudio comercial de los diferentes instrumentos que se acoplan a estas condiciones. Esto con el objetivo de realizar un estudio técnico económico del equipo o variantes que mejor se adaptan. Adicionalmente, buscando que la información recolectada fuera transversal se investigaron instrumentos de aerobombeo, al igual que variantes de bombas solares, motobombas y electrobombas. Por lo que, el estudio se dividió en tres secciones: equipos eólicos, solares y convencionales. Finalmente, se realizó una tabla comparativa de los diseños que se adaptaban a las condiciones ambientales del municipio de Samacá.
6.1. Equipos eólicos
Teniendo en cuenta que la región seleccionada presenta una velocidad de viento de 4.01𝑚
𝑠
según el análisis ambiental y empleando el dimensionamiento preliminar de la anterior sección se espera tener una aerobomba con las condiciones descritas, como son un diámetro de alrededor de 4.55 𝑚 una torre de 10 𝑚 y una bomba capaz de entregar el caudal
requerido. Una vez finalizado el estudio se encontraron los siguientes proveedores de equipos que cumplieron con las restricciones, Tabla 3, primero se revisaron empresas extranjeras y posteriormente nacionales.
Tabla 3 Estudio comercial de equipos para aerobombeo.
6.1.1. Turbex Wind Turbines Turbex Wind Turbines es una empresa de Sudáfrica que posee diferentes diseños de indumentaria para aerobombeo [19], los más relevantes se pueden observar en la Gráfica 18, implementando un análisis es posible seleccionar dos modelos para el diseño. El primero con un diámetro de 4.6𝑚 para el cual se requiere el uso de un tanque de almacenamiento,
ya que para la cabeza seleccionada el equipo no cumple con el objetivo de agua bombeada. La segunda opción es la aerobomba con un rotor de 5.5𝑚 de diámetro, con este modelo la implementación del tanque de almacenamiento no es necesaria, ya que cuenta con una capacidad de bombeo similar a la requerida. En ambos casos se selecciona una torre de 9 𝑚
que se acopla a las condiciones del municipio.
Empresa Altura Torre [m] Diámetro [m] Caudal esperado [L/H] Envío del Exterior Costo Total (sin envío)
Turbex Wind Turbines 12 4.6 5000 Si 23,413,859$
Turbex Wind Turbines 12 5.5 8500 Si 34,202,599$
Industries Poldaw 12 5 7500 Si 6,003,448$
Aermotor Windmill Company 10 3.65 7097.6 Si 55,047,958$
Aermotor Windmill Company 10 4.26 9652.8 Si 72,682,078$
Irrigation Direct: Modelo A 12.02 4.26 8000 Si 48,823,590$
Irrigation Direct: Modelo B 12.02 4.26 8500 Si 43,321,068$
Irrigation Direct: Modelo C 12.02 4.26 8600 Si 28,775,169$
South X: IZ Windmill 12 4.26 8000 Si 43,321,068$
South X: Climax Windmill 12 4.26 8500 Si 48,823,590$
Molinos JOBER 35-00 9 3.5 3200 No 8,500,000$
Molinos JOBER 40-00 12 4 4500 No 10,000,000$
Moliagro 9 3.65 4000 No 6,800,000$
Construfijaciones 12 ft 12 3.65 7100 No 6,300,000$
Construfijaciones 14 ft 12 4.26 8500 No 8,300,000$
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6.1.2. Industries Poldaw
Al igual que Windex, Industries Poldaw es una empresa sudafricana que fabrica y comercializa instrumentos de aerobombeo [20], sin embargo, su diversidad es menor fabricando tres variaciones del mismo diseño de aerobomba con diámetros de 2.2 𝑚, 3.5 𝑚
y 5𝑚. El equipo que logra cumplir con los requerimientos tiene un diámetro de 5 𝑚 con 18
aspas. Según la especificación técnica, la velocidad de arranque es 2.5𝑚
𝑠 , la cual se cumple
en el municipio de Samacá durante todos los meses del año, su precio ronda los $6,003,448, sin tener en cuenta el costo de envío.
6.1.3. Aermotor Windmill Company Esta compañía tiene su sede en Texas, Estados Unidos, el diseño de sus equipos es tipo americano [21], presenta seis variaciones para el diámetro del rotor. Asimismo, las dimensiones de la bomba varían dependiendo del diámetro del rotor, como se puede observar en la Tabla 6. Realizando un análisis es posible seleccionar dos modelos para las condiciones ambientales como son el Modelo D de 12’ o 3.65 𝑚 y el Modelo E de 14’ o
4.27 𝑚. Sin embargo, para el caso específico del Modelo D es necesario emplear un tanque
de reserva para cumplir con las restricciones. Esto se debe a que la información que se encuentra en la Tabla 6 es para unas condiciones de viento promedio mayores a las que se encuentra normalmente en el municipio de Samacá. Finalmente, el costo total de los Modelos D y E es de $55,047,958 y $72,682,078 respectivamente, sin el valor de envío.
6.1.4. Irrigation Direct La compañía Irrigation Direct de Australia presenta tres equipos diferentes dentro de su inventario [22]. Las aerobombas presentan características diferentes y variaciones en su precio. El Modelo A se basa en el diseño de Southern Cross IZ Windmill con un diámetro de
4.27𝑚, una altura de 12.2𝑚 y un caudal esperado de 8000𝐿
𝐻 con un valor de $43,179,739.
El Modelo B de 8500𝐿
𝐻 y Modelo C de 8600
𝐿
𝐻 presentan dimensiones similares al Modelo A
con un diseño propio y un costo de $43,321,068 y $28,775,169 respectivamente.
6.1.5. South x De manera similar a Irrigation Direct [23]esta empresa sudafricana también emplea el diseño de Southern Cross IZ Windmill y de la aerobomba Climax Windmill [24]. El costo del
primer equipo ronda los $ 43,321,068 y presenta un caudal de 8000𝐿
𝐻. Por otro lado, el
equipo Climax Windmill tiene un costo de $ 48,823,590 y un caudal esperado de 8500𝐿
𝐻.
Existen empresas nacionales que también comercializan equipos de aerobombeo algunas de las más destacadas se describirán a continuación.
6.1.6. Molinos JOBER Industrias JOBER es una empresa colombiana que ofrece modelos estándar de molinos, junto con modelos no convencionales para satisfacer diferentes necesidades [25]. Dentro de los modelos que tiene la empresa los que mejor se ajustan a los requerimientos de diseño
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son los molinos de viento JB 35-09 y JB 40-12, los cuales pueden brindar 3200 y 4500 𝐿
𝑠
respectivamente. Esto significa que el uso de un tanque de almacenamiento es un requisito si se busca cumplir con la cantidad de agua necesaria para la hectárea de cultivo. El costo es de $ 8,500,000 para el molino de JB 35-00 [26] con una torre de 9𝑚 y de $ 10,000,000
para JB 40-00 con una torre de 12𝑚.
6.1.7. MoliAgro Ltda.
Esta empresa colombiana ubicada en la ciudad de Bogotá cuenta con diferentes diseños de molinos como se puede observar en la Figura 9, en particular el molino que mejor se acopla
presenta un caudal de 4000 𝐿
𝐻 con un rotor de 3.66𝑚 de diámetro a una altura de 9𝑚 y un
costo de $ 6.545.000.
6.1.8. Construfijaciones La empresa se encuentra en la ciudad de Barranquilla y ofrece la variación de equipos que se pueden observar en la Tabla 7, de esta información se puede analizar que las aerobombas que mejor se acoplan a las necesidades establecidas tienen un rotor de diámetro de 3.66𝑚
y 4.27𝑚. En ambos casos se esperaría obtener un caudal de aproximadamente 7100𝐿
ℎ, sin
embargo, para el caso del rotor de 4.27𝑚 esta magnitud será mayor. Por tanto, la
implementación de un tanque de almacenamiento no sería necesaria. Caso contrario al rotor de 3.66𝑚 para el cual se requeriría un tanque para garantizar el volumen de agua adecuado.
6.2. Equipos convencionales. Dentro de esta sección se encuentra la indumentaria que actualmente se utiliza en el municipio para suplir la demanda del recurso hídrico a través de los acuíferos subterráneos. La selección de estos instrumentos se realiza, en primera instancia, respecto a las restricciones de diseño, la facilidad de conseguir el equipo en el municipio y su costo. Igualmente se realiza un análisis del precio aproximado de su operación como se puede observar en la Tabla 4.
Tabla 4 Estudio comercial de equipos para bombeo convencional.
6.2.1. Electrobombas Con el objetivo de realizar la selección de estos equipos se revisa la potencia necesaria para cumplir con los requerimientos de riego para el cultivo de cebolla, a partir de esto se evalúa el costo de operación de diferentes equipos.
Empresa Caudal esperado [L/H] Costo energizante Costo Total (sin envío)
Pedrollo de 1 HP 7600 1,247,885$ 3,145,785$
Pedrollo de 2 HP 8200 1,663,846$ 4,117,746$
Evans de 3 HP 7200 2,403,334$ 4,503,234$
Power Master 7030 700,995$ 1,320,895$
Arvek 12000 785,115$ 1,455,016$
Sumycom 9780 1,177,672$ 2,307,572$
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6.2.1.1. Electrobomba Sumergible Pedrollo de 1 HP Esta electrobomba es fabricada en Acero inoxidable AISI 304, con impulsores flotantes en Lexan multi etapas, motor en baño de aceite y trabajo continuo por 24 horas [27]. Puede
entregar un caudal máximo de 7800𝐿
ℎ , valor cercano al requerido por los requerimientos
de diseño. Adicionalmente, tiene un consumo de energía, para seis meses de operación de $1,247,884.70 y un costo de $1,897,900 por el equipo.
6.2.1.2. Electrobomba Sumergible Pedrollo de 2 HP Esta electrobomba Pedrollo de 2 𝐻𝑃 cuenta con las misma características de la bomba de
1 𝐻𝑝. Sin embargo, su capacidad de entrega de caudal aumentó a 8200𝐿
ℎ, al igual que el
valor semestral de operación teniendo un precio de $2,453,900 semestral y un costo del instrumento de $1,663,846.27 [28].
6.2.1.3. Electrobomba Sumergible Evans de 3 HP
Esta electrobomba presenta una mayor potencia con un caudal de entra de 7200𝐿
ℎ su costo
es de $2,403,333.50 respecto a su operación y un valor de $2,099,900 por el equipo [29].
6.2.2. Motobombas La selección de las Motobombas se realizará similar al proceso establecido con las electrobombas. Primero se tendrá en cuenta la potencia necesaria para cumplir con los requisitos de bombeo y su costo será evaluado con los parámetros establecidos en la sección de cálculos preliminares.
6.2.2.1. Motobomba Power Master Esta motobomba presenta como combustible gasolina convencional con un tanque con una capacidad de 1.2 𝐿. Su potencia nominal es de 2.5 ℎ𝑝 [30], lo que permite movilizar un
caudal de 7030𝐿
ℎvalor que se acerca a los requerimientos. Sin embargo, no es lo
suficientemente elevado, por lo que el uso de un tanque de almacenamiento puede ser una opción viable para cumplir con las restricciones. El precio del equipo es de $619,900 y el costo del combustible para la operación en el periodo de cultivo es de $700,995.
6.2.2.2. Motobomba Arvek Similar a la motobomba anterior esta motobomba utiliza gasolina convencional como
combustible con una potencia de 2.5 ℎ𝑝 que transportan 12000𝐿
ℎ. Este caudal es muy
superior al requerido, por lo que el uso de un tanque de almacenamiento podría ser útil para alojar el volumen de agua adicional en caso de ser requerido para otras áreas de cultivo o para el hogar. El precio del equipo es de $669,901 con un consumo de $785,115 para el periodo de selección.
6.2.2.3. Motobomba Sumycom Finalmente, la motobomba de referencia Sumycom tiene una potencia nominal de 4.8 ℎ𝑝
que permiten desplazar un volumen de agua de 9780 𝐿
ℎcon una cabeza mayor a la de los
anteriores diseños. El costo del equipo es de $1,129,900 y el combustible para los 6 meses de operación es de $1,177,672.
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6.3. Equipos solares Dentro de las empresas de paneles solares que se indagaron se encontraron diferentes diseños. De estos los que se acoplan a las condiciones descritas previamente, así como a las restricciones ambientales los podemos observar a continuación. Adicionalmente, como se explicó en la sección previa tanto el número de paneles como el área que ocuparán depende estrechamente de la eficiencia del equipo. Finalmente, se debe recalcar que adicional al valor neto de los paneles se debe tener en cuenta el costo de la electrobomba que se emplearía para extraer el recurso hídrico, para este estudio se empleara un valor de $1,771,688, costo promedio de la electrobombas investigadas previamente. Además, se debe tener en cuenta el valor del inversor y baterías que ronda alrededor de $1,500,000. Después de realizar el análisis económico de la Tabla 5 con diferentes empresas se encuentra que, para las condiciones ambientales del municipio de Samacá, el valor de la implementación de equipos solares sería elevado, dado su bajo nivel de radiación para el mes de mayo y su brillo solar diario en este periodo.
Tabla 5 Estudio comercial de equipos para bombeo solar.
En conclusión, como se puede observar en la Tabla 8 el precio de los equipos de aerobombeo enviados del extranjero incrementa al realizar el cambio a la moneda local, igualmente el transporte de estos equipos requiere una inversión y coordinación adicional para garantizar su correcta entrega. Por otro lado, los equipos locales presentan un costo accesible con rendimiento considerable, en ocasiones se pude ver la necesidad de implementar un tanque de almacenamiento para cumplir con las condiciones.
Al mismo tiempo, se observó que el valor de implementar equipos de bombeo con paneles solares no es una opción viable para las condiciones ambientales del municipio de Samacá. Esto se debe a su baja irradiación y bajo número de horas con brillo solar, en el periodo de diseño del equipo, lo que conlleva a tener un alto número de paneles y por lo tanto de área, lo que reduce el espacio de cultivo. Otro factor es el precio del equipo de bombeo, transformador y batería, lo que incrementa el valor, que de por sí considerable.
El análisis de los equipos convencionales, como son las electrobombas y motobomba dejan información valiosa al realizar la comparación con los equipos de aerobombeo. Es evidente que la inversión inicial para los equipos de aerobombeo es mayor. No obstante, la adquisición tanto del combustible como de la electricidad con la que operan los equipos convencionales es elevado, al mismo tiempo que incrementa con el pasar de los años.
Equipos Eficiencia Potencia Solar Potencia equipo N° de paneles Costo unidad Costo Total
Panel Monocritalino:
CSU 370 W 17.56% 11328.34 370 31 481,000$ 18,111,000$
Panel Policristalino:
ZnshineSolar 335 W 17.26% 11525.24 335 35 462,000$ 19,370,000$
Panel Monocritalino:
ZNSHINE 435 W 20.01% 9941.32 435 23 629,000$ 17,667,000$
Panel Monocritalino:
ZNSHINE 375 W} 18.96% 10491.86 375 28 489,000$ 16,892,000$
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El tiempo para recuperar la inversión inicial de una aerobomba se pude calcular empleando el valor de la aerobomba JOBER 40-12 que en aproximadamente 13 periodos de cultivo se habrá cubierto el valor de la inversión inicial, al ser comparado con una motobomba, mientras que con una electrobomba será de aproximadamente 8 periodos. Finalmente, es evidente que el uso de un equipo de aerobombeo es una opción viable a largo plazo, puesto que significa una reducción en los costos de operación, garantizando una funcionalidad confiable dadas las condiciones ambientales del municipio de Samacá.
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7. MODELO TEÓRICO
7.1. Aerobomba Teniendo como referente los cálculos realizados en la sección previa y las ecuaciones de diseño, se realizó un análisis iterativo con el objetivo de mejorar el rendimiento esperado de las aerobombas revisadas en el estudio comercial. Por lo tanto, se evalúa modificar parámetros de diseño como la solidez del rotor, la altura de la torre y la carrera de la bomba en los diferentes equipos. En primera instancia, se evaluó aumentar la altura de la torre buscando incrementar la velocidad esperada en el lugar, sin embargo, realizar esta variación incrementaría los costos de manufactura. Adicionalmente, la documentación, por parte del IDEAM, no presenta información para alturas superiores y cercanas a la altura actual, en este orden de ideas, se debería realizar una extrapolación de los actuales que puede generar discrepancias entre el modelo teórico y experimental. En segunda instancia, se consideró seleccionar un tipo diferente de bomba, dentro de las cuales se evaluaron de tipo centrifugas y de tornillo, junto con la bomba de pistón que se emplea actualmente. La información de la Tabla 9, muestran que la bomba que mejor se acopla a las necesidades de cabeza esperada es la bomba de pistón. En tercera instancia, se revisó la solidez de los rotores donde se contempló incrementar el número de palas y el diámetro del rotor para aumentar el área efectiva. Finalmente, se decidió variar el área del rotor de las diferentes aerobombas modificando su radio, debido al impacto directo que tiene sobre el desempeño del equipo.
Posteriormente, se realiza el dimensionamiento del área del rotor aplicando la ecuación 3,
en esta ocasión el valor de la velocidad es 3.1𝑚
𝑠, la cual corresponde a la velocidad de
arranque esperada en los diferentes equipos investigados. Adicionalmente, es inferior a la incidencia esperada en el periodo de noviembre, el cual posee la menor velocidad promedio mensual en el año. Aplicando el análisis se obtiene un área de 17.21 𝑚2 y un radio de
2.34 𝑚. Con el objetivo de favorecer la manufactura del rotor de la aerobomba se tomará
un diámetro de 4.7 𝑚. Se resalta que la velocidad nominal del equipo es de 9𝑚
𝑠 y la velocidad
de corte es de 15𝑚
𝑠.
Acto seguido se realiza un análisis con los datos de distribución de velocidad de viento para los meses de enero, agosto y noviembre. Este análisis se realizará empleando las distribuciones de Weibull obtenidas de la base de datos del IDEAM y se emplearán para calcular la potencia y caudal esperado en cada mes, junto con una comparación entre el modelo teórico y los equipos investigados.
7.1.1. Análisis para el mes de enero Este mes presenta las menores precipitaciones en el año con un valor de alrededor de 26%, por lo que se debe analizar detenidamente a fin de cumplir con los requerimientos de riego. La distribución de incidencia eólica se encuentra en la Gráfica 4, donde se observa que la
velocidad con mayor ocurrencia es de 3.71𝑚
𝑠 con un 22.19% y calculando la probabilidad de
tener una velocidad mayor a la necesaria para que el rotor inicie su funcionamiento, se encuentra que durante 229 horas no se cumpliría con la condición. Sin embargo, esta problemática se solventa empleando un tanque de almacenamiento, puesto que al analizar
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la Potencia (Gráfica 7) y Caudal esperado (Gráfica 8) se observan picos donde se puede extraer un caudal superior al requerido y se puede almacenar para periodos donde este sea necesario.
Gráfica 7 Distribución de la potencia esperada para el mes de enero.
Gráfica 8 Distribución de caudal esperado para el mes de enero.
7.1.2. Análisis para el mes de agosto Este mes presenta la mayor incidencia eólica en el año, junto con precipitaciones considerables de alrededor del 65%. La distribución eólica se puede observar en la Gráfica
6 con una velocidad de mayor ocurrencia de 5.4𝑚
𝑠 con un 18.96%. En lo que respecta a la
probabilidad de arranque del equipo durante este periodo se tiene un 88.25%, es decir, un funcionamiento 635 Horas del mes. De manera similar, tanto la potencia, Gráfica 9, como el caudal esperado, Gráfica 10, tienen una alta distribución en zonas de producción, por lo
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que el uso de tanques de almacenamiento para periodos con bajas precipitaciones e incidencia del viento se debe considerar.
Gráfica 9 Distribución de la potencia esperada para el mes de agosto.
Gráfica 10 Distribución de caudal esperado para el mes de agosto.
7.1.3. Análisis para el mes de noviembre El mes de noviembre corresponde al periodo con menor velocidad de viento del año. Sin embargo, como se logró observar en la sección de análisis ambiental, las precipitaciones tienen una probabilidad de ocurrencia de alrededor del 70%, un valor considerable en lo que respecta a la irrigación de los cultivos. A continuación, se puede observar la distribución de la incidencia eólica en la Gráfica 5, donde se puede verificar que la velocidad con mayor
ocurrencia es de 3.12𝑚
𝑠 con un 23.67%. Igualmente, calculando el área bajo la curva se
encuentra que en 42.67% del mes de noviembre se tiene una velocidad menor a la velocidad
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de arranque del rotor, lo que significa que durante 307 horas del mes el equipo no se encontrará en funcionamiento. Adicionalmente, en la Gráfica 11 se pude corroborar la potencia esperada para este mes dependiente de la velocidad del viento y su equivalencia de caudal suministrado en la Gráfica 12 con el número esperado de días donde se entregará un caudal específico. Adicionalmente, en la Gráfica 13 y Gráfica 14 se puede observar una comparación de la potencia y el caudal esperado, respectivamente, de los equipos investigados en el estudio comercial. A partir del análisis de las gráficas se considera que el aumento en el radio mejora el rendimiento de la aerobomba.
Gráfica 11 Distribución de la potencia esperada para el mes de noviembre.
Gráfica 12 Distribución de caudal esperado para el mes de noviembre.
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Gráfica 13 Comparación de la potencia esperada para diferentes equipos en noviembre.
Gráfica 14 Comparación de caudal esperado para diferentes equipos en noviembre.
7.2. Irrigación
Teniendo en cuenta la sección previa, riego en los cultivos de cebolla, se logró analizar que el método más utilizado es el riego con aspersores. Sin embargo, como se discutió previamente este método emplea una cantidad elevada de agua que se traduce en un aumento en el costos de producción. Por lo tanto, analizando los diferentes métodos se considera implementar el riego por goteo, ya que reduce la cantidad de agua necesaria para el riego y facilita el suministro de fertilizantes. Adicionalmente, al emplear un tanque de almacenamiento se puede mezclar estos elementos disminuyendo la mano de obra y por ende los precio de producción. El siguiente diagrama conceptual expone la idea propuesta de irrigación y bombeo, Figura 6.
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Figura 6 Esquema de riego por goteo adaptado de Wind Pumping a Handbook [31].
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8. CONCLUSIONES El municipio de Samacá en el departamento de Boyacá se eligió como lugar para realizar el estudio de la implementación de un sistema de bombeo con fines agrícolas. Esto se consiguió mediante un exhaustivo estudio de contexto ambiental, en el cual se exploraron las diferentes condiciones del municipio. Cabe resaltar, el análisis de actividades agrícolas, a partir del cual se encontró que la cebolla de bulbo se cultiva semestralmente y tiene la mayor recurrencia de siembra para la región, por lo que es un cultivo con un alto impacto económico en el región. Sumado a esto, se examinó, entre otros, la distribución de velocidad
del viento encontrando una velocidad de 3.9𝑚
𝑠 para los periodos críticos con bajas
precipitaciones y con promedio anual de 4,01𝑚
𝑠. Igualmente, la irradiación solar, junto con
sus horas pico, con las cuales se encontró un valor significativo de hasta 5 − 5.5 𝑘𝑊ℎ
𝑚2 , sin
embargo, para los periodos críticos su valor disminuye a 3.5 𝑘𝑊ℎ
𝑚2 con un brillo solar de 4.5
horas diarias. Finalmente, la distribución de acuíferos en la región, donde se pudo observar que existe un número notable de fuentes hídricas subterráneas en el municipio con un valor histórico de 59 y un valor actual de 55. Una vez se conocieron las condiciones ambientales se dimensionaron los parámetros de diseño para los diferentes métodos de bombeo, en particular se revisó el aerobombeo, bombeo solar, bombeo con electrobombas y motobombas. En concreto, los equipos de aerobombeo presentaban un diámetro barrido por el rotor de aproximadamente 4.55 𝑚, con
el objetivo de cumplir con los requisitos de bombeo. Paralelamente, se encontró que potencia solar a instalar debe ser 1989.26 𝑊, la cual varía dependiendo de la eficiencia del
sistema. Finalmente, se planteó la relación para encontrar el caudal de combustible necesario para operar los equipos de bombeo con motor, y el costo de la energía para las electrobombas. Posteriormente, mediante la ejecución del estudió comercial se logró seleccionar el método de extracción que mejor se acopla a las condiciones de la región. Por ende, se llegó a la conclusión que los equipos aerobombeo, presenta una mayor efectividad para las condiciones ambientales del municipio de Samacá, recuperando su inversión inicial en aproximadamente 15 periodos de cultivo al ser comparados con el costo de equipos que emplean motor y combustibles, mientras que el tiempo se reduce a 8 periodos al ser comparado con electrobombas. Acto seguido se realizaron variaciones a la aerobomba para mejorar su desempeño donde se planteó aumentar el área barrida por el rotor. Lo cual demostró mejorar el desempeño del equipo, pasando a cumplir con los requerimientos funcionales en meses críticos como enero, con menor probabilidad de precipitaciones, y noviembre, menor velocidad promedio mensual entregando un mayor caudal para el riego de los cultivos. Adicionalmente, se propuso emplear el método de riego por goteo a fin de mejorar el aprovechamiento de agua, así aumentando la efectividad de entrega, mientras que se facilita el suministro de fertilizantes que mejoran la calidad del cultivo.
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9. RECOMENDACIONES
Las recomendaciones están relacionadas con la validación del desempeño del modelo teórico, que se puede realizar con pruebas experimentales del modelo propuesto con las condiciones ambientales del municipio de Samacá. La validación se puede ejecutar escalando la aerobomba, a partir de la relación de los parámetros en números adimensionales, con el objetivo de emplear las condiciones ambientales en el túnel de viento de la Universidad de los Andes.
Paralelamente, buscando aprovechar el método de riego por goteo para la entrega de fertilizantes y vitaminas directamente a los cultivos, se pude revisar la calidad del agua que se espera extraer la fuentes hídricas, a partir de los datos obtenidos de Corpoboyacá, con el objetivo de conocer que tratamientos y nutrientes se deben entregar para tener un cultivo de mejor calidad.
Finalmente, debido a la emergencia sanitaria por covid-19, la cual se presenta actualmente, las cotizaciones de equipos se deben realizar con antelación e insistencia, ya que pueden tardar un tiempo significativo.
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[26] Industrias JOBER, «Hoja técnica Molino de viento JOBER serie JB 35-00», 2006.
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[27] «Electrobomba Sumergible Pozo Profundo 1HP - Homecenter.com.co».
https://www.homecenter.com.co/homecenter-co/product/240751/Electrobomba-Sumergible-
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[28] «Electrobomba Sumergible Pozo Profundo 2HP - Homecenter.com.co».
https://www.homecenter.com.co/homecenter-co/product/240754/Electrobomba-Sumergible-
Pozo-Profundo-2HP/240754 (accedido oct. 19, 2020).
[29] «Bomba Sumergible Monofásica para Pozo Profundo 4 pulg - 45 GPM - 3 HP -
Homecenter.com.co». https://www.homecenter.com.co/homecenter-co/product/337805/Bomba-
Sumergible-Monofasica-para-Pozo-Profundo-4-pulg-45-GPM-3-HP/337805 (accedido oct. 19,
2020).
[30] «Motobomba Caudal Gasolina 117I/Min - Homecenter.com.co».
https://www.homecenter.com.co/homecenter-co/product/381146/Motobomba-Caudal-Gasolina-
117I-Min/381146 (accedido oct. 19, 2020).
[31] Joop van Meel y Paul Smulders, Wind Pumping a HandBook, 1.a ed. Washington: The
International Bank for Reconstruction and Development/THE WORLD BANK, 1989.
[32] MOLIAGRO Ltda., «Molinos de viento», MOLIAGRO MOLINOS DE VIENTO, oct. 20, 2020.
https://moliagro.wixsite.com/molinosdeviento/molinos-de-viento (accedido oct. 19, 2020).
[33] Construfijaciones E.U., «Construfijaciones E.U.», AeroBombas, oct. 20, 2020.
https://www.construfijaciones.com.co/productos.html (accedido oct. 19, 2020).
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11. ANEXOS
Figura 7 Rosa de los vientos Villa Carmen, Samacá, Boyacá [4].
Gráfica 15 Distribución del promedio de la velocidad del viento [4].
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Gráfica 16 Primer Semestre del año 2016-2018.
Gráfica 17 Segundo Semestre del año 2016-2018.
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Figura 8 Acuíferos aledaños a Samacá
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Gráfica 18 Capacidad de bombeo y cabeza de operación Turbex Wind Turbines [19].
Tabla 6 Capacidad de bombeo y cabeza de operación Aermotor Company [21].
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Figura 9 Equipos MoliaAgro [32].
Tabla 7 Capacidad de bombeo y cabeza de operación Construfijaciones [33].
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Tabla 8 Recopilación técnico-económica del estudio comercial
Referencia Empresa Tipo Altura Torre [m] Diámetro [m] Caudal esperado [L/H] Envío del Exterior Costo energizante Costo Total (sin envío)
1 Turbex Wind Turbines Aerobombeo 12 4.6 5000 Si N.A 23,413,859$
2 Turbex Wind Turbines Aerobombeo 12 5.5 8500 Si N.A 34,202,599$
3 Industries Poldaw Aerobombeo 12 5 7500 Si N.A 6,003,448$
4 Aermotor Windmill Company Aerobombeo 10 3.65 7097.6 Si N.A 55,047,958$
5 Aermotor Windmill Company Aerobombeo 10 4.26 9652.8 Si N.A 72,682,078$
6 Irrigation Direct: Modelo A Aerobombeo 12.02 4.26 8000 Si N.A 48,823,590$
7 Irrigation Direct: Modelo B Aerobombeo 12.02 4.26 8500 Si N.A 43,321,068$
8 Irrigation Direct: Modelo C Aerobombeo 12.02 4.26 8600 Si N.A 28,775,169$
9 South X: IZ Windmill Aerobombeo 12 4.26 8000 Si N.A 43,321,068$
10 South X: Climax Windmill Aerobombeo 12 4.26 8500 Si N.A 48,823,590$
11 Molinos JOBER 35-00 Aerobombeo 9 3.5 3200 No N.A 8,500,000$
12 Molinos JOBER 40-00 Aerobombeo 12 4 4500 No N.A 10,000,000$
13 Moliagro Aerobombeo 9 3.65 4000 No N.A 6,800,000$
14 Construfijaciones 12 ft Aerobombeo 12 3.65 7100 No N.A 6,300,000$
15 Construfijaciones 14 ft Aerobombeo 12 4.26 8500 No N.A 8,300,000$
16 Pedrollo de 1 HP Electrobomba N.A N.A 7600 No 1,247,885$ 3,145,785$
17 Pedrollo de 2 HP Electrobomba N.A N.A 8200 No 1,663,846$ 4,117,746$
18 Evans de 3 HP Electrobomba N.A N.A 7200 No 2,403,334$ 4,503,234$
19 Power Master Motobomba N.A N.A 7030 No 700,995$ 1,320,895$
20 Arvek Motobomba N.A N.A 12000 No 785,115$ 1,455,016$
21 Sumycom Motobomba N.A N.A 9780 No 1,177,672$ 2,307,572$
22 CSU 370 W Panel solar N.A N.A 8928 No N.A 18,111,000$
23 ZnshineSolar 335 W Panel solar N.A N.A 8928 No N.A 19,370,000$
24 ZNSHINE 435 W Panel solar N.A N.A 8928 No N.A 17,667,000$
25 ZNSHINE 375 W} Panel solar N.A N.A 8928 No N.A 16,892,000$
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Tabla 9 Tipos de bombas para aplicación con aerobombas.
Gráfica 19 Comparación de potencia esperada para diferentes equipos en enero.
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Gráfica 20 Comparación de caudal esperado para diferentes equipos en enero.
Gráfica 21 Comparación de potencia esperada para diferentes equipos en agosto
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Gráfica 22 Comparación de caudal esperado para diferentes equipos en agosto.
