DISEÑO Y EVALUACION DE UN MODULO DE RIEGO

POR GOTEO EN CULTIVO DE TOMATE (Lycopersicum

sculentum L.) BAJO AGRICULTURA PROTEGIDA CON

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

IVÁN FELIPE PRIOLÓ FUENTES

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

PROGRAMA DE INGENIERÍA AGRONÓMICA

FACULTAD DE CIENCIAS AGRÍCOLAS Y DESARROLLO RURAL

MONTERIA – CORDOBA

DICIEMBRE DE 2014

Este trabajo se enmarca en el campo de las energías

renovables con el fin de incentivar el uso de este tipo de

tecnologías en el país y en el departamento de Córdoba, en

especial la energía solar fotovoltaica (ESFV).

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN

2. PROBLEMÁTICA

3. GENERALIDADES

4. OBJETIVOS

5. MATERIALES Y MÉTODOS

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

7. CONCLUSIONES

8. RECOMENDACIONES

INTRODUCCIÓN

El acceso a la electricidad es por lo tanto crucial para el desarrollo humano y

económico (CEPAL, 2012).

65% electricidad consumida a nivel mundial proviene de combustibles fósiles (40

% carbón, 15% gas natural y 10% petróleo)

La producción mundial de ESFV en 2014 abasteciendo las necesidades de 30

millones de hogares 0,85 de la demanda mundial.

PROBLEMÁTICA ACTUAL

En las zonas rurales se presentan muchas limitaciones para el

acceso a la electricidad aplicada a sus actividades

agropecuarias.

Existe la problemática permanente por la falta de paquetes

tecnológicos para nuestra región, buscando mejorar la

producción y el rendimiento de los cultivos hortícolas.

GENERALIDADES

Radiación media en Colombia 4.5 kWh/m2

Energía del sol en la superficie terrestre es 10.000 veces

mayor que la energía consumida por la humanidad a nivel

mundial.

Irradiancia solar promedio es de 1367 W/m2 (OMM).

Region del país

Guajira

Costa Atlántica

Orinoquia - Amazonía

Región Andina

Costa Pacifica

Radiación Solar (kWh/m2/año)

2000 - 2100

1730 - 2000

1550 - 1900

1550 - 1750

1450 - 1550

Fuente: UPME (2005)

GENERALIDADES

Fuente: Atlas de radiación solaren Colombia. Upme.gov.co (2005)

• Montería 5 kWh/m2 y 5,5 kWh/m2 (UPME) y,

• El brillo solar promedio anual es de 2108,2

horas (Palencia etal, 2006)

GENERALIDADES

Curva de radiación solar en la zona de estudio

Fuente: Mercado y Vergara (2014)

Rad

iaci

ón

W/m

2

Horas del día

GENERALIDADES

EFECTO FOTOVOLTAICO.

Conversión directa de la radiación electromagnética en corriente eléctrica.

Los materiales semiconductores son el soporte de la conversión fotovoltaica

GENERALIDADES

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

GENERALIDADES

BENEFICIOS MEDIOAMBIENTALES.

Un SSFV de 1 kW

Emisión de gases de efecto invernadero g/kWh

Fotovoltaica 46

Planta de gas de ciclo combinado 400 - 599

Planta de gasoil 893

Planta de Carbón 915 - 994

Planta de energía geotermica 91 - 122

Energía hidraúlica, Eólica y Nuclear < ESFV

Ahorra

77 kg (170 libras) de Carbón Combustión

136 kg (300 libras) de CO2 Emisión

400 litros (105 galones) de Agua Uso

OBJETIVOS

General:

Diseñar y evaluar un módulo para riego por goteo en cultivo de tomate bajo

Agricultura Protegida usando energía solar fotovoltaica.

Específicos:

Realizar el dimensionamiento del sistema solar fotovoltaico y el diseño hidráulico del

sistema de riego por goteo.

Determinar el tiempo de riego de acuerdo al requerimiento hídrico del cultivo.

Observar el desarrollo fisiológico del cultivo al interior del invernadero en función del

requerimiento de agua y variaciones de temperatura y humedad relativa.

MATERIALES Y METODOS

Localización

El trabajo experimental, se realizó en los invernaderos de la Universidad de

Córdoba, localizados 8°48’’ N y 75°52’’ W a 15 m.s.n.m.

Fuente: Autor

MATERIALES Y METODOS

Descripción del sistema solar.

Fuente: Autor

MATERIALES Y METODOS

DISEÑO DEL SISTEMA

Aforo de Goteros = 2,3 L/h

CU = 76% CV = 3%

Evapotranspiración del cultivo.

Según Palencia et al., (2006) la ETo = 4 mm/día.

Tiempo de riego.

𝑅𝑅 =𝑞𝑔𝑜𝑡𝑒𝑟𝑜

𝑀𝑎𝑟𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛

ETc = Uc = ETo× Kc

𝑡𝑟 =𝑞𝑔𝑜𝑡𝑒𝑟𝑜

𝑅𝑅

MATERIALES Y METODOS

DISEÑO HIDRAÚLICO.

, ,

𝑄 = 𝑞𝑔 ∗ 𝑁º 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑜𝑟𝑒𝑠

𝐴 =𝜋𝐷2

4𝑄 = 𝐴 ∗ 𝑉 → 𝑉 =

𝑄

𝐴𝑅𝑒 =

𝑉𝐷

𝑣𝑐

Temperatura (ºC) v (m2/seg) Temperatura (ºC) v (m2/seg)

5 1.52 × 10-6 30 0.81 × 10-6

10 1.31 × 10-6 40 0.66 × 10-6

15 1.14 × 10-6 50 0.55 × 10-6

20 1.01 × 10-6 60 0.48 × 10-6

25 0.90 × 10-6 80 0.37 × 10-6

Valores de la viscosidad cinemática para el agua. Fuente Hidráulica Elemental

MATERIALES Y METODOS

Fórmula de Hazen – Williams.

Perdidas de carga en la tubería principal

Perdidas localizadas

∆ℎ𝑙 = ∆ℎ𝑠 × 0,5

𝑞 = 𝑘ℎ𝑥

ℎ𝑓 =𝑄

0.278551 CHD2.63

1.851852

× 𝐿 ℎ𝐿 = 𝑘𝑥𝑉2

2𝑔× 𝑛

Accesorios utilizados en el tramo de tubería principal Perdida de carga en el lateral de

riego

Accesorios Cantidad K Pérdidas (m)

Uniones 11 0,3

Codo de 90º 2 0,9

Tee de 1" 4 1,8

Codo de 45º 1 0,4

Valvula de globo 1 10

FRASCO DE MARIOTTE

Fundamento físico en el teorema de Torricelli

MATERIALES Y METODOS

𝑣 = 2𝑔ℎ

Fuente: Njock J. (2003)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

DISEÑO AGRONOMICO.

Lo cual concuerda con los estudios realizados en tomate Chonto por Corpeño (2004) yFlórez et al (2007), mostrando que el consumo diario de agua por planta es de aprox.1,5 – 2 l/planta.

ETc = Uc = ETo× Kc = 4 mm/día X 1 = 40.000 L/ha

𝑅𝑅 =40.000 𝑙 · ℎ𝑎−1

25.000 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎𝑠 · ℎ𝑎−1= 1,6 𝑙 · 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎−1

𝑡𝑟 =𝑞𝑔𝑜𝑡𝑒𝑟𝑜

𝑅𝑅=

2,3 𝑙 · ℎ−1

1,6 𝑙 · 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎−1= 1,4 ℎ · 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎−1

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Curva de radiación solar en la zona de estudio

Capacidad de almacenamiento: 3000 litros/día.

Factor de seguridad de 1 día, garantizando el suministro de agua.

Fuente: Mercado y Vergara (2014)

Rad

iaci

ón

W/m

2

Horas del día

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Iteración del sistema hidráulico.

qgotero (L/h)Nº de

PlantasL/h

Caudal Q

(m3/s)

Velocidad

(m/s)Re Hf (m) HL (m) HT (m)

2,3

1500 3450 0,000958 1,92 48201 7,45 4,25 11,70

1400 3220 0,000894 1,79 44988 6,55 3,71 10,26

1300 2990 0,000831 1,66 41774 5,71 3,20 8,91

1200 2760 0,000767 1,53 38561 4,93 2,72 7,65

1100 2530 0,000703 1,41 35348 4,19 2,29 6,48

1000 2300 0,000639 1,28 32134 3,52 1,89 5,41

900 2070 0,000575 1,15 28921 2,89 1,53 4,42

800 1840 0,000511 1,02 25707 2,33 1,21 3,54

700 1610 0,000447 0,89 22494 1,82 0,93 2,74

600 1380 0,000383 0,77 19281 1,36 0,68 2,05

500 1150 0,000319 0,64 16067 0,97 0,47 1,45

400 920 0,000256 0,51 12854 0,64 0,30 0,95

300 690 0,000192 0,38 9640 0,38 0,17 0,55

200 460 0,000128 0,26 6427 0,18 0,08 0,25

100 230 0,000064 0,13 3213 0,05 0,02 0,07

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

360 m2

20 m

Esquema para 900 plantas

Consumo de potencia 480 Wp

Consumen 1440 L

20 kg/m2

4,5 ton/modulo

19 m

Lateral de riego

con 45 plantas

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las pérdidas de carga permisibles en las laterales de riego son iguales

a 1,2 m/m.

La aplicación del frasco de Mariotte mantuvo una velocidad constante

de 1,98 𝑚 ∙ 𝑠−1 en la salida del tanque, mostrando que es un método

eficiente para garantizar la salida de agua por los goteros.

Garantizando una presión de 0,5 atmosfera o 7,5 psi.

El sistema solar fotovoltaico funciona eficientemente con un factor de

seguridad de un día, evitando de esta manera que se agote el

suministro de agua para el cultivo.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

4 de Jun 11 de Jun 18 de Jun

Altura (cm)

y Nº de Hojas

Muestreo cada 8 días

Altura de plantas y Nº de hojas

Altura (cm)

Nº de hojas

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Desarrollo del cultivo durante tres muestreos

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Comportamiento de la Humedad relativa y la Temperatura.

Relación Humedad relativa y Temperatura

Horas de día

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Tem

pera

tura

(%)

28

30

32

34

36

38

40

Hum

edad

rela

tiva

(%)

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Temperatura (°C)

Humedad Relativa (%)

CONCLUSIONES

El diseño agronómico satisface las necesidades de las plantas cultivadas y el

objetivo propuesto

El diseño del sistema de riego por goteo presento parámetros hidráulicos

óptimos para su funcionamiento.

El montaje del sistema bombeo solar fotovoltaico permitiendo el suministro

constante de agua para cumplir con los requerimientos exigidos del cultivo en

invernadero.

Por último, las respuestas fisiológicas frente a los valores de temperatura y

humedad relativa en las primeras etapas del cultivo fueron favorables

RECOMENDACIONES

Comparar los resultados obtenidos en el presente ensayo con nuevas

investigaciones que permitan la transferencia de tecnología a los productores

de nuestra región.

Dimensionar nuevas investigaciones teniendo en cuenta diferentes dosis de

riego, sustrato y parámetros fisiológicos.

Automatizar el sistema de bombeo solar fotovoltaico de riego por goteo y el

invernadero, para un mejor control de las variables ambientales y la

obtención de altos rendimientos por metro cuadrado.

GRACIAS