Diseño de un sistema de bombeo fotovoltaico autónomo directo para bombear agua desde un pozo hasta un embalse y posterior riego por goteo de cultivo de palta

Abstract

La presente Investigación tiene como objetivo principal diseñar un sistema de bombeo fotovoltaico autónomo directo para impulsar agua desde un pozo hasta un embalse para satisfacer la demanda hídrica del riego por goteo requerido para el cultivo de 5 hectáreas de palta en el Fundo Delicia localizado en el centro poblado La Viña, distrito de Nueva Arica, provincia de Chiclayo, departamento de Lambayeque en Perú. En el diseño de la instalación se consideró tres sistemas, los cuales son: el sistema de bombeo, el sistema de riego por goteo, y el sistema fotovoltaico. La instalación de bombeo elegida en esta investigación es una instalación de bombeo fotovoltaica autónoma directa en la cual el funcionamiento de la bomba se limita solamente a los momentos en que hay radiación solar. La radiación solar se obtiene de la plataforma web PVGIS dando como resultado una variación de irradiación diaria desde 5.291 kWh/m2 en el mes de marzo hasta 6.139 kWh/m2 en el mes de noviembre para un ángulo de inclinación óptimo de 10°. El caudal de bombeo se establece para el mes con máximo caudal requerido lo cual sucede en el mes de enero dando como resultado un caudal de diseño de 48 m3/h. Para establecer este caudal, la bomba debe proporcionar 71.476 m de carga total. Con la finalidad de cumplir este requerimiento de bombeo, se seleccionó una bomba sumergible que requiere de un motor trifásico con potencia nominal de 11 kW. Además, la tubería de impulsión es una tubería de PVC de 4” de diámetro nominal y los accesorios instalados en esta tubería constan de 4 codos de 90°, 1 válvula de compuerta y 1 válvula de retención. El sistema de riego por goteo por gravedad está formado por un embalse de 500 m3 con una base rectangular de 10 m x 20 m y una altura de 2.5 m el cual puede almacenar el agua de hasta 2 días de riego. El embalse debe estar ubicado en un nivel adecuado con la finalidad de proporcionar la presión necesaria en los goteros. En base a los cálculos realizados se tienen tuberías laterales de polietileno de 32 mm de diámetro nominal, tuberías portalaterales de PVC de 2” de diámetro nominal, una tubería primaria de PVC de 4” de diámetro nominal y goteros compensantes de 8 l/h. Finalmente, el sistema fotovoltaico está formado por 60 paneles monocristalinos de 370 W con una disposición de 3 cadenas en paralelo y 20 paneles en serie por cadena produciendo un generador fotovoltaico de 22.2 kW de potencia nominal. El dispositivo electrónico que se encargará de convertir la corriente continua desarrollada por el generador fotovoltaico en corriente alterna es un inversor de bombeo solar de 15 kW con una entrada máxima en DC de 880 V y 33.3 A, y una salida trifásica de 380 V - 460 V.

The main objective of this thesis is to design a direct autonomous photovoltaic pumping system to pump water from a well to a reservoir to meet the water demand of drip irrigation required for the cultivation of 5 hectares of avocado in the Delicia farm located in La Viña village, Nueva Arica district, Chiclayo province, Lambayeque department in Peru. In the design of the installation, three systems were considered, which are: the pumping system, the drip irrigation system, and the photovoltaic system. The pumping system chosen in this thesis is a direct autonomous photovoltaic pumping system in which the operation of the pump is limited only to the moments when there is solar radiation. Solar radiation is obtained from the PVGIS web platform, resulting in a variation in daily irradiation from 5.291 kWh/m2 for the month of March to 6.139 kWh/m2 in the month of November for an optimum inclination angle of 10°. The pumping flow is established for the month with the maximum flow required, which happens in the month of January, resulting in a design flow of 48 m3/h. To establish this flow, the pump must provide 71.476 m of total head. To meet this pumping requirement, a submersible pump was selected that requires a three-phase motor with a nominal power of 11 kW. In addition, the discharge pipe is a 4” nominal diameter PVC pipe and the accessories installed in this pipe consist of 4 90° elbows, 1 gate valve and 1 check valve. The gravity drip irrigation system consists of a 500 m3 reservoir with a rectangular base of 10 m x 20 m and a height of 2.5 m, which can store water for up to 2 days of irrigation. The reservoir must be located at a suitable level in order to provide the necessary pressure in the drippers. Based on the calculations carried out, there are polyethylene lateral pipes with a nominal diameter of 32 mm, PVC submain pipes with a nominal diameter of 2”, a PVC main pipe with a nominal diameter of 4” and compensating drippers of 8 l/h. Finally, the photovoltaic system is made up of 60 monocrystalline panels of 370 W with an arrangement of 3 chains in parallel and 20 panels in series per chain, producing a photovoltaic generator with a nominal power of 22.2 kW. The electronic device that will be in charge of converting the direct current developed by the photovoltaic generator into alternating current is a 15 kW solar pump inverter with a maximum DC input of 880 V and 33.3 A, and a three-phase output of 380 V - 460 V.