INTRODUCCIÓN
En el Ecuador poco a poco se ha ido
cambiando la matriz energética con la implantación de energías amigables con el
medio ambiente como son: la eólica, solar, biomasa; para evitar o mitigar la
generación de energía mediante la quema de combustibles fósiles. Por lo cual se
emplaza un sistema de riego inteligente por aspersión utilizando energía solar
fotovoltaica, para una parcela de cacao y café, ubicada en el Centro
Experimental La Playita de la Universidad Técnica de Cotopaxi extensión La
Maná.
Con el análisis efectuado sobre el predio
se evidencia que el método utilizado de riego es muy poco eficiente, ya que
existen pérdidas innecesarias de agua. Se opta por usar un sistema de riego por
micro aspersión para así ayudar a que los cultivos tengan mejor captación de
agua.
El tiempo de riego para el cultivo es
controlado por sensores de humedad y temperatura, estos dispositivos
electrónicos son programados con distintas herramientas, en este caso se
utiliza Arduino. Para la programación de este sistema de riego por aspersión se
tomaron en cuenta los factores climáticos obtenidos por el Instituto Nacional
de Meteorología e Hidrología (INAMHI, 2017), teniendo como periodo de verano
los seis meses, comprendidos desde diciembre a mayo y los otros seis meses del
año, comprendido desde junio a noviembre como periodo de invierno; cabe
destacar que los cultivos en esta parte del país no necesitan de riego por ser
una zona muy lluviosa en el invierno.
Para la alimentación de este sistema de
riego por aspersión se propone utilizar un sistema fotovoltaico cuyo objetivo
es tener un sistema de riego automático controlado, donde se procese la
información obtenida por los respectivos sensores tanto de humedad como de
temperatura; para que así las plantaciones de café y cacao cuenten con la
humedad necesaria.
MATERIAL Y MÉTODOS
Metodología
Metodológicamente en el
estudio se utiliza la
investigación bibliográfica para conocer
los antecedentes nacionales o internacionales, las características necesarias y
suficientes para el diseño e implementación de paneles solares; estadísticas de
algunos años anteriores de otras instituciones o industrias en el área del
proyecto; datos técnicos importantes tales como: demanda, parámetros, precios,
protecciones, entre otros. Además, se utiliza la investigación formativa que
permite conocer en forma detallada las características de la bomba, sensores y
el tipo de paneles solares necesarios que serán utilizados en la etapa de
instalación.
Adicionalmente, se utilizan estudios
correlacionales, por cuanto se han establecido relaciones de varias variables
de manera simple, tales como: la relación existente entre los paneles solares y
demanda de la carga instalada.
El diseño del sistema está ubicado en la
Universidad Técnica de Cotopaxi en el Centro Experimental La Playita y se
proyecta a asegurar la humedad de las plantaciones distribuidas en: una parcela
de café que tiene 13,70 m. de ancho y de largo 31,50 m.; y una parcela de cacao
de 12.50 m. de ancho y 31.50 m. de largo; ya que presentan deficiencia de riego
de mayo a noviembre, periodos que corresponde a los meses de máxima sequía y
con mayor radiación solar.
Disposición del Sistema
El Centro Experimental “La Playita”, se
encuentra ubicado en la Provincia de Cotopaxi cantón la Maná, con una latitud
de 0°57’7.79’’ N y 79°15’.862’’ O. Esta zona se caracteriza por ser una región
agrícola la cual cuenta con cultivos de diferentes variedades originarias de la
costa ecuatoriana.
Figura 1. Ubicación de “La Playita” cantón La
Maná provincia de Cotopaxi
Recurso Hídrico disponible en el Área
del Proyecto
Se tiene como principal recurso un pozo
profundo de agua donde se obtiene un promedio de 2000 litros de agua disponible
en temporada de invierno y un promedio de 1000 litros en verano.
Figura 2. Pozo profundo
Para el cálculo agronómico se realizan
mediciones de la parcela de cacao y café, también el número de plantas que
están cultivadas y la distancia de separación entre las mismas, contrastando la
información bibliográfica de manuales de cultivos donde se detalla la necesidad
de agua, el tiempo de riego y caudal requerido, con la referida por los
ingenieros y estudiantes del centro experimental Playita que trabajan con estos
cultivos. Esta información permitió diseñar las respectivas parcelas con el
cultivo de cacao figura 3 y el cultivo de café figura 4.
Figura 3. Parcela de Cacao
Figura 4. Parcela de Café
El diseño de una instalación de riego
localizado es un proceso muy importante, ya que de él depende el buen
funcionamiento del sistema posteriormente.
La clave del diseño está en fijar
previamente las prestaciones que se le van a exigir a la instalación como:
caudal, presión, uniformidad esperada, y seguidamente conocer las limitaciones
a las que se debe someter al proyecto, tales como: tipo de suelo, cantidad y
calidad del agua a aportar. Se tendrá en cuenta que el sistema de riego tiene
una necesidad máxima y una mínima acorde a cada plantación.
Desde el punto de vista de diseño
agronómico, lo que realmente interesa conocer son las necesidades de agua en
épocas en que el cultivo requiere mayor cantidad, y en función de ese valor se
determinarán las dimensiones de los componentes del sistema de riego. Es
fundamental que esta instalación sea capaz de suministrar la suficiente
cantidad de agua al cultivo cuando su demanda sea máxima.
Las necesidades de agua de los cultivos
están determinadas por la evapotranspiración (ET) que engloba las cantidades de
agua consumida por dos procesos distintos: la transpiración (que depende del
tipo de cultivo y su fase de desarrollo); y la evaporación (producidas desde la
superficie del suelo y dependiente de las condiciones climáticas de la zona).
La evapotranspiración (ET) se expresa en
milímetros de altura de agua evapotranspirada en cada día (milímetros/día). La
evapotranspiración se calcula multiplicando la evapotranspiración de referencia
(ETr) por el coeficiente de cultivo (Kc). Los datos de la evapotranspiración de
referencia (ETr) se obtienen con frecuencia usando un tanque evaporímetro clase
“A”, en el que se pueden medir los descensos de nivel de la superficie del
agua. Lo normal es recoger datos en cada zona durante varios años, hasta
obtener unos valores medios mensuales. Por su parte, el coeficiente de cultivo
(Kc) varía en función del tipo de cultivo y de su estado de desarrollo,
diferenciándose cuatro valores de Kc correspondientes a cada una de las fases:
inicial, desarrollo, media y maduración. (Rafael Fernández Gómez, 2010).
Factores que influyen en el riego
Pluviosidad y Riego
El óptimo para el cacao está entre 1.500 y
2.000 milímetros de agua distribuidos todos los meses del año. Las zonas
cacaoteras reciben entre 800 y 1200 milímetros de agua en época de invierno,
por lo cual la diferencia debe suministrarse mediante el riego suplementario.
Temperatura
Los rangos óptimos fluctúan entre los:
24ºC y 26ºC.
Luminosidad
La necesidad de luz solar del café y del
cacao es 1800 a 2000 horas luz al año, respectivamente.
Altitud
Desde el nivel del mar hasta los 800
metros de altitud, el cacao se adapta más a las zonas tropicales. (Dra. Nogales
Hipatia, 2016)
Frecuencia y tiempo de riego
La frecuencia de aplicación de agua es el
número de veces que se riega en un tiempo determinado, mientras que el
intervalo de funcionamiento de la bomba es el tiempo transcurrido entre la
aplicación de un riego y el siguiente. Al aplicar el agua de una forma
irregular, se puede provocar a la planta una situación de falta de agua que,
según intensidad, duración y estado de desarrollo, origina una posterior
disminución de la producción. Para conseguir una alta eficiencia en riego
localizado, se debe aportar el agua siguiendo la norma de “riegos cortos pero
muy frecuentes”. Para conocer la cantidad requerida de agua en cada cultivo es
necesario el cálculo agronómico, el cual se expresa en el agua que demanda cada
uno de estos cultivos la que es igual a la evaporación que hay presente en el
lugar. Según la bibliografía el requerimiento hídrico del cacao y del café es
5.48 mm/día.
Cálculo de las Necesidades de Agua del
Cultivo
En la tabla 1 se presentan los valores
para el cálculo de riego de cada cultivo interés del estudio, en función a las
características de los mismos (considera la profundidad de las raíces) y del
terreno (área de terreno, capacidad de retención, entre otros). Por otro lado,
la evapotranspiración potencial de cada cultivo.
|
Datos
|
Cacao
|
Café
|
|
Capacidad de retención del
suelo
|
1.45mm/cm
|
1.36mm/cm
|
|
Profundidad de
raíces
|
100 cm
|
80cm
|
|
Coeficiente del cultivo (Kc)
|
0.90
|
0.90
|
|
Área del terreno
|
378 m2
|
404 m^2
|
|
Porcentaje de
agotamiento
|
50%
|
50%
|
|
Etp lisimétrico
|
5.55
m/días
|
3.5mm/días
|
|
Gasto hidráulico
(Q)
|
50%
|
50%
|
Tabla 1. Valores para el cálculo de riego de los cultivos
Método Penman Monteith
Se utilizó este método ya que permite
estimar la evapotranspiración de referencia, ETo, en función de los elementos
meteorológicos solamente: radiación solar neta, temperatura del aire, velocidad
del viento y tensión de vapor del agua. La capacidad de retención del suelo es
de
1.45mm/cm, la profundidad de la raíz es de
100cm, la retención de humedad es de 145mm, pero tenemos un porcentaje de
agotamiento que es del 50%, así pues, el porcentaje de agua a reponer será de
72.5mm (Álvarez Arboleda, 2017). Tomando en cuenta estos valores y conociendo
el consumo diario, 5 mm/días para el cacao y en café 3.10 mm/días, la lámina a
reparar es de 72.5 mm, la frecuencia promedio del riego será 72.5 dividido para
el consumo diario, de donde se obtiene que el riego debe realizarse cada 14
días en cacao y 23 días en café. Para ello la tabla 2.
|
Cacao
|
Café
|
|
A= 378 m2
|
A= 404 m^2
|
|
Una hectárea de terreno necesita
1000 litro de agua
|
Una hectárea de terreno necesita 1000 litro de agua Etc=6,72 m/día Etc=6,72
m/día
Volumen a aplicarse
|
|
Volumen
a aplicarse 27.41m3
|
Volumen
aplicarse 29.29m3
|
Tabla 2. Datos de la necesidad de agua de cada cultivo
Potencia de la bomba
Se requiere para la selección del tipo de
bomba afín que cumpla con las necesidades del proyecto, calcular el requerimiento
total, por lo que se debe considerar la profundidad del pozo las pérdidas
producidas de la succión y la descarga de los equipos asociados a la bomba.
La máxima capacidad tiene un caudal diario
de agua expresado en litros de 2,77 y mínimo de 1,77 este valor se midió en la
época de sequía, obteniendo una bomba con capacidad de 1.05 hp, para los
requerimientos del sistema.
Figura 5. Acondicionamiento de la bomba
Dimensionamiento del generador
Fotovoltaico
Se consideró que la duración de bombeo es de
2 horas diarias, utilizando para ello micro aspersores que cumplan la necesidad
de humedad de las respectivas plantaciones, en conjunto con los sensores de
humedad y temperatura.
Adicional a esto, se añade un módulo ARDUINO
para realizar un sistema de control para la activación y desactivación del
sistema de irrigación. Para el cálculo del sistema fotovoltaico es necesario
conocer todos los aparatos electrónicos y eléctricos que se requiere energizar tanto
en AC como en DC., representado en la tabla 3.
Figura 6. Componentes del Sistema
|
Dispositivos
|
Total
(horas)
|
Potencia
(W)
|
Unidades
|
Total
(Wh)
des
|
|
Bomba
|
2
|
745,7
|
1
|
1491,4
|
|
Arduino
|
24
|
1,08
|
1
|
25,92
|
|
Lm 35
|
24
|
0,005
|
1
|
0,1296
|
|
Yl 9
|
24
|
1
|
4
|
96
|
|
Total
(Ldm)=
|
|
|
|
1613,4
|
Tabla 3. Consumo Energético
Método del peor mes
También es conocido como el método Amperio –
hora, ya que ofrece resultados suficientemente precisos, con una metodología
intuitiva y fácilmente entendible (NAP,2002). Este método consiste en
dimensionar el sistema para satisfacer las demandas de energía eléctrica en el
mes más desfavorable, con el propósito de que el resto del año el sistema pueda
suministrar de manera constante la energía eléctrica demandada. Para aplicar
el método anteriormente mencionado, se necesita conocer la irradiancia
existente en “La Playita”.
Figura 7. Irradiancia mínima y máxima
Estos datos fueron obtenidos de la base de
datos de la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA, 2020) y
se tomaron en cuenta los valores diarios, de un histórico de cinco años atrás,
para así obtener los promedios mensuales de irradiancia; con lo cual se
determina que el peor mes es diciembre con un valor de
3980 Wh/m2.
Utilizando el valor obtenido del análisis de
cargas Ldm, y el valor de irradiancia del peor mes se consigue un valor de:
898.1 vatios; como potencia necesaria para el generador fotovoltaico. Los
paneles fotovoltaicos se colocaron con una inclinación de 15° orientados al
Norte, ya que “La Playita” se ubica en el hemisferio Sur, y adicionalmente para
evitar acumulación de suciedad y de agua lluvia. Los paneles utilizados son de
300 vatios de potencia cada uno, VOC=48V y un ISC=65 A.
Por lo tanto, el generador fotovoltaico consta
de tres paneles solares, un regulador de carga y el inversor que abastecerá de
energía a la bomba de agua y a los demás dispositivos electrónicos, se
representa en la figura 8
Figura 8. Diagrama de Conexiones
Módulo de Control
El control está constituido por una placa
Arduino, mismo que actúa en conjunto con los sensores de humedad y de
temperatura, el cual cumple los siguientes
parámetros: si la humedad es >= 60% y la temperatura >= 24°C, la bomba no
se encenderá; mientras que si estos valores son menores la bomba se encenderá, en
la figura 9 se muestra el diagrama de flujo del sistema de control.
Figura 9. Diagrama de Flujo del sistema
RESULTADOS Y
DISCUSIÓN
Las condiciones de funcionamiento del sistema
son: al cumplir los requisitos estipulados en el programa, inicia el
funcionamiento de la bomba, con ello se garantiza que las plantaciones tengan
la correcta humedad, necesaria para el desarrollo óptimo de las plantas. En
caso contrario, al existir humedad suficiente el sistema de control no
permitirá activar la bomba.
Se realizaron medidas con el multímetro
Figura 10. Datos de prueba
Obteniéndose los siguientes datos, tabla 4:
Tabla 4: Datos de prueba
|
Horas
|
T (°C)
|
V panel
|
A panel 1
|
A panel 2
|
A panel 3
|
Sensor de humedad
|
|
10:00
|
20
|
13.8 v
|
6
|
3
|
6
|
40%
|
|
11:00
|
23
|
13.8 v
|
6
|
3
|
6
|
65%
|
|
12:00
|
26
|
42.3 v
|
10.8
|
9.5
|
10.5
|
50%
|
|
12:30
|
26
|
42.3 v
|
10.8
|
9.5
|
10.5
|
65%
|
|
12:45
|
26
|
42.3 v
|
10.8
|
9.5
|
10.5
|
62%
|
Tabla 4. Datos de prueba
La hora con máxima irradiancia fue entre las
12:00 y las 14:00, donde se aprecia valores de voltaje de 42.3 V y de corriente
de 10.8 A. en cada panel; con esto se garantiza el suministro eléctrico al
sistema, además, el controlador al detectar humedad del 50%, activa el sistema
de riego por micro aspersión, validando así el funcionamiento correcto.
Figura 11. Funcionamiento del sistema
Discusión
El sistema es totalmente funcional, abarca un
total de 100 micros aspersores para el regadío de las parcelas de cacao y de
café; manteniendo bajo control los parámetros medidos por los sensores de
humedad y de temperatura, logrando un sistema fiable.
Adicional, el generador fotovoltaico asegura
el continuo funcionamiento de los dispositivos eléctricos y electrónicos que
forman parte del mismo.
El sistema no cuenta con un banco de
baterías, ya que, los micros aspersores, la bomba, los sensores y el sistema de
control funcionarán durante el día.
CONCLUSIONES
Según la investigación realizada se determina
que, para los cultivos de cacao y café, es posible realizar su regadío por
medio de la energía fotovoltaica, ya que, estos sistemas contribuyen al ahorro
energético y a un bajo impacto ambiental.
Se optimiza el aprovechamiento del agua por
cada parcela, mejorando el desarrollo de las plantas de cacao y de café,
garantizando la igualdad en el riego y reduciendo el consumo de los recursos
hídricos.
El sistema de control automático
implementado, permite que el proceso logre un control exacto y especifico de
los tiempos de regadío, encendiendo durante dos horas el sistema de riego para
que las plantas se nutran y se desarrollen uniformemente.
De acuerdo a las pruebas realizadas del
sistema fotovoltaico, se garantiza la carga eléctrica y autonomía de los
equipos correspondientes para el funcionamiento, logrando tener un sistema auto
suficiente.
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