Carolina Barreto

RIEGO POR GOTEO CON BOMBEO FOTOVOLTAICO

RIEGO SOLAR-EÓLICO POR GOTEO DE BAJO COSTO PARA PEQUEÑOS AGRICULTORES

Primera edición digital

Julio, 2011 Lima - Perú

© Carolina M. Barreto Cajina John J. Duffy

PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0248

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/ [email protected] [email protected] facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster 428 4071 - 999 921 348 Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: • su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), • su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), • su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), • su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), • su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: • Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. • Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. • Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. • El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. • El p e r s o n a l d o c e n t e j u g a r á u n r o l d e t u t o r, f a c i l i t a d o r y c o n d u c t o r d e p r o y e c t o s

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. • Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: • Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. • Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011 “El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

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RIEGO SOLAR-EÓLICO POR GOTEO DE BAJO COSTO PARA PEQUEÑOS AGRICULTORES Carolina M. Barreto Cajina– [email protected] John J. Duffy –[email protected] Universidad de Massachusetts Lowell. Programa de Ingeniería Solar

Resumen.

El objetivo de este proyecto es de proveer a pequeños agricultores en países en vías de desarrollo con un método de riego de bajo costo que promueva el uso sostenible de agua y energía. Para poder mantener el mudo en el futuro el 60% de los alimentos extra tienen que provenir de la agricultura irrigada y los países en vías de desarrollo tienen el 75% del área de riego del mundo (FAO, 1999), en donde los pequeños agricultores cultivan la mitad de esta área y un 80% carece de acceso a servicios eléctricos (World Bank, 2000). La seguridad alimenticia del mundo depende de mejorar las técnicas de riego de los pequeños agricultores en países en vías de desarrollo. Las prácticas comunes de riego son inundación con agua temporal de lluvias y sistemas de riego por gravedad con bombas de motores diesel o gasolina. Las bombas solares son limpias, eficientes, y de bajo mantenimiento. El riego por goteo es un 40% más eficiente que inundación y hace un mejor uso del bombeo fotovoltaico y eólico porque es un sistema de baja presión y auto-compensión(Burt&Styles, 1999). Dependiendo del ciclo del cultivo, el riego por goteo podría proveer hasta tres cosechas al año en vez de una en la época de lluvia, generando suficientes ingresos para pagar por el sistema. Éste trabajo es sustentado como parte de un programa de diez años con pequeños agricultores peruanos en Ancash, Perú. Palabras-clave:Riego Solar, Riego Solar-Eólico, Energía Solar, Bombeo Solar

1. INTRODUCCIÓN

Existe un buen enlace entre el riego y la tecnología fotovoltaica dado que ambos el riego como consume y el FV como generación dependen directamente de la radiación solar (Fig.2). Esto significa que cuando llueve o está nublado, el riego no es necesario porque hay una menor evapotranspiración debido a la disminución de la radiación. El riego solar representa un gran potencial para los usos productivos de la energía fotovoltaica dado que el área de riego puede generar suficientes ingresos para pagar por el sistema. Dependiendo del ciclo del cultivo, el riego por goteo podría permitir hasta tres cosechas pro año en vez de una sola durante la época de lluvia. Una de las características más importantes de la energía solar fotovoltaica y el riego por goteo es su modularidad, lo que quiere decir que se pueden aumentar el número de paneles y de cintas de riego tal como se necesiten. A medida que hallan más ganancias los pequeños agricultores tendrán la oportunidad de alcanzar mejores niveles de energía y área irrigada. Un gran número de fabricantes hacen bombas de corriente alterna y directa muy eficientes que pueden ser utilizadas con paneles fotovoltaicos, sin embargo en general estas bombas son muy costosas y relativamente grandes requiriendo costosos arreglos fotovoltaicos. Este estudio propone el uso de bombas de diafragma de bajo costo haciendo el sistema costeable para pequeños agricultores en países en vías de desarrollo (Fig. 3). Empresas fabricantes de bombas de diafragma y ONGs en países en vías de desarrollo han promovido el uso de bombas de diafragma tanto para agua potable para pequeñas comunidades como para riego. Sin embargo, la durabilidad de estos sistemas no ha sido consistente y esto ha resultado en el fallo de estos sistemas, a veces en menos de un año. En mucho de los casos las fallas han sido entre otras: deterioro prematuro del diafragma, sobrecarga térmica, sobrecarga de presión (falla del interruptor de presión), y falta de transferencia tecnológica a los campesinos. Estas observaciones son basadas en visitas personales por el primer autor en instalaciones en 4 países (Perú, Nicaragua, Mali y Haití). El uso de una seria de controles de bajo costo mitigan las fallas descritas anteriormente. Como resultado, dos prototipos con nuevos controles han sido instalados en Ancash, Perú en Enero del 2008 y Enero del

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  2010. Los cálculos para el diseño del sistema fueron realizados utilizando datos de radiación solar que el programa de VillageEmpowerment de la Universidad of Massachusetts Lowell ha obtenido en los últimos 6 años.

Fig. 1: Beneficiarios del sistema

Fig. 2: Relación entre los requerimientos de agua del el cultivo de referencia (ETo en m3/day/ha) y la radiación solar (Rn en MJ/m2/day).

2. COMPONENTES DEL SISTEMA 2.1 Riego Solar Fotovoltaico

El sistema de riego solar consiste en una bomba de 12 voltios de corriente directa marca Shurflo, modelo Probaitmaster 4901-6202 conectada a un arreglo fotovoltaico de 250 vatios (Figs. 1 y 2). Un temporizador fue agregado al sistema para aliviar el deterioro de los diafragmas, sobrecarga térmica y asegurar el trabajo “contínuo” de la bomba. (Fig.3). El temporizador fue programado para que la bomba trabaje un promedio de 14 ciclos de 20 minutos de duración cada uno por día para garantizar los requerimientos de agua de 15,000m2 de área y 3.35 m3 de almacenamiento de agua durante los requerimientos pico de la cosecha, en nuestro caso de espárrago.

Fig. 3: Bomba de diafragma dentro del pozo (sin sumergir)

Fig. 1: Temporizador (izquierda), Controlador de carga (derecha) y caja de breaker (centro)

Durante el periodo pico de demanda de agua se requieren de hasta 17 ciclos del temporizador, lo que requiere bombeo nocturno, por lo que una batería de 140 amperios-horas fue necesaria dado a la restricción de bombeo de 20 minutos por ciclo.Un interruptor de presión externo fue instalado en el sistema adicionalmente al que la bomba trae del fabricante. En previas experiencias con este modelo de bomba, el grupo de VillageEmpowerment ha encontrado que el interruptor construido en la bomba ha fallado seguidamente en nuestras instalaciones y las bombas llegaron a altas presiones, más altas que el límite que el fabricante recomienda. Como consecuencia los motores duraban

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  solamente por unos meses. Por esta razón un presostato externo fue conectado a la bomba. La presión de encendido de la bomba es de 21 PSI y el apagado fue fijado a 40 PSI, 5 PSI menor que la capacidad de presión máxima de la bomba según el fabricante.

Fig. 2: Presostato o interruptor de presión (caja gris al centro) y tanque de expansión abajo a la derecha (tapón azul)

Fig. 3: Instalación de las cintas de goteo.

Un tanque de presión fue instalado en el sistema como componente de control para evitar el arranque temprano del motor cuando la bolla ubicada en el tanque empieza a bajar debido al vaciado del mismo. Fue observado en sistemas instalados previamente que la bomba enciende cuando el tanque se ha vaciado solamente unos pocos litros encendiendo la bomba prematuramente sin que exista una demanda real de agua. Este encendido y apagado constante disminuye la vida del motor. El tanque de presión fue fijado a 18 PSI de presión inicial de aire. La cinta de goteo que se encontró en el mercado local Peruanno fue Ro-Drip de John Deere con un caudal de 1 litro por hora por emisor y la distancia entre emisores de 0.3m. Uno de los componentes esenciales para el diseño de sistemas de riego con energía solar y eólica es la selección del cultivo debido al alto costo de la inversión inicial. El cultivo seleccionado para este estudio fue le espárrago por su alto valor en el mercado y su establecida cadena de suministros en el departamento de Ancash, lo que asegura el pago del sistema. Cultivos con bajos coeficientes de necesidad hídrica o Kc, son ideales para aumentar la producción por unidad de área con sistemas de bombeo solar y eólico. El espárrago es un cultivo que va de acorde con la tecnología solar-eólica por su alto valor de punto de marchitez permanente. Es un cultivo perenne por lo que comparado a los cultivos no-perennes no requerirá de excesivos gastos agrícolas de cada cosecha como semillas, vivero, trasplante, arado, etc. Todas estas son características que se quieren tener de un cultivo para sistemas de bombeo solar-eólico para crear un ambiente favorable para que los campesinos puedan pagar la inversión del sistema en un plazo menor, comparado a otros cultivos. Este trabajo continúa siendo monitoreado y sostenido como parte de un programa de más de 10 años con comunidades agrícolas indígenas de Perú en departamento de Ancash.

3. METODOLOGÍA El diseño del sistema fue realizado tomando en cuenta la máxima demanda de agua del cultivo, usualmente la etapa de cosecha. Los cultivos resistentes a la sequía o de bajo demanda de agua permiten el uso de pequeñas bombas de diafragma de bajo caudal, alcanzando así una mayor producción por gota de agua por watt solar instalado. La metodología utilizada para el sistema con bomba de diafragma es resumido en la Fig. 8. Para un cálculo inicial, el método de sistemas autónomo (menor radiación solar en un día típico) es utilizada para calcular el arreglo fotovoltaico con una carga promedio dictada por los ciclos del reloj temporizador el cual establece el encendido y apagado de la bomba.La radiación neta promedio expresada den Mega-Joules por metro cuadrado por día (MJ m-2 day-1) es requerida. Esta es derivada de la radiación promedio medida con un piranómetro. Tres años de radiación solar global horaria promedio en una superficie horizontal (recolectada con un piranómetroApogeePyr-R y almacenada con un data logger Campbell Scientific CR10) fue analizada con la siguiente equación estándar

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  1

cos 2

1

cos 2

Donde Rn es la radiación promedio mensual, Bc es la radiación directa en una superficien inclinada, β es el ángulo de inclinación, Dh es el componente de radiación difusa, ρg es el (pasto verde) reflejo del suelo y Hh es el promedio mensual de radiación global horizontal. Radiation at different tilts 25

Radiation on tilted surface

9 Degrees 0 Degrees -10 Degrees -20 Degrees -30 Degrees Hcm, 0

20

Hcm, 1 Hcm, 2 Hcm, 3 Hcm, 4

15

10 0

100

200

300

400

nm Day number

Fig. 4: Radiación promedio mensual con diferentes inclinaciones. Diferentes inclinaciones fueron utilizadas para encontrar la inclinación optima del arreglo fotovoltaico instalado. La ángulo de inclinación más óptimo de acuerdo con la radiación promedio solar para el arreglo fotovoltaico fue del 10 grados hacia el ecuador, es decir el norte. La radiación promedio mensual con inclinación de cero grados fue utilizada para los cálculos de la evapotranspiración del cultivo de referencia y el cultivo de referencia ajustado. El sistema de bombeo fotovoltaico fue dimensionado con la siguiente formula.

Número del Paneles Solares Donde VbombayIbomba son el voltaje y la correinte valorados de la bomba respectivamente con su respectiva presión de operación. Ncyc yTcycson el número y duración de los ciclos de encendido y apagado de la bomba en horas. ηcyηb son la eficiencia del controlador y la bacteria respectivamente. Rnmines la radiación mensual promedio más baja del año. VnomyImaxson el voltaje y corriente de operación del sistema fotovoltaico cuando está conectado a la batería. El segundo paso es el cálculo de la cantidad de agua bombeada por el sistema fotovoltaico dimensionado con el método autónomo.Para calcular las necesidades hídricas de la planta o evapotranspiración, el método FAO Penman-Monteith fue seleccionado como el método con el cual la evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo) puede ser determinado ambiguamente, y es un método que provee resultados consistentes de ETo en todo tipo de regiones y climas (Allen & Pereira, 1998).

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  Donde Rn es la radiación neta, G es el flujo de calor del suelo, (es-ea) representa la pérdida por presión de vapor en el aire, ρa es la densidad promedio del aire a una presión constante, cpes el calor específico del aire, ∆ representala pendiente de la relación entre la saturación del vapor de presión y la temperatura, γes la constante psicométrica, y rs yrason las resistencias (promedio) de la superficie y aerodinámica respectivamente. Coeficientes del cultivo ajustados para riego por gravedad, riego por aspersión y riego por goteo son utilizados para calcular los requerimientos de agua de estos 3 tipos de sistemas de riego. Esta comparación se puede observar en la Fig.8.Como resultado de la demanda de agua de cada método de riego, la Tabla 1 resume las áreas de riego que puedes ser regadas por la bomba Shurflo Pro-baitmaster. TABLA1. CAPACIDAD DE AREA DE RIEGO UTILIZANDO LA BOMBA SHURFLO PRO-BAITMASTER Sistema de Riego

Area (m^2)

Energía kWh/ha/cosecha

RiegoporGoteo

6500

317

Aspersión

833

1798

Inundación

454

3371

Fig. 5: Comparación de los tres métodos de riego más comunes y capacidad de volumen bombeado de la bomba Shurflo (en azul). El proceso de dimensionamiento está resumido en la Fig. 9. Al obtener la cantidad de agua bombeada por día y el requerimiento de agua con respecto al sistema de riego y cultivo, se procede a calcular el área que la bomba es capaz de regar con el arreglo fotovoltaico diseñado con el método autónomo en el paso 5. Finalmente se aprovecha la modulariad del sitema solar para aumentar la capacidad del sistema si más área es requerida para ser irrigada de acuerdo con el ingreso del campesino.

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Diseñ ño para el mes de  meno or radiación solar  (mé étodo de diseño autónomo)

Calcu ular el volumen de  bombe eo del sistema de un n  día típico t de cada mes 3 (m /día)

Utilizar la modularidad del  bombeo FV para increm mentar el área de  riego o a medida que incrementen los ingresos

Capaacidad de bombeo

Método de riego

area ==  paso 2/paso 4  (ha) 

ETc**Kadj/Ea (m3/day/haa)

Calcular la  evap potranspiración de laa  plan nta (ETc) (m3/día/ha)

Fig. 6.Pasos 6 a tomaar para dimensiionar el sistemaa

Fig. 7. Insttalando las rayaas de cintas de riego

Fig. 8. Bombeo B fotovooltaico utilizanndo el a (líneea de punto y guión). g métoodo de diseño autónomo Diseñño FV varianndo la produccción de bombbeo de acuerrdo con la radiación r solaar disponible (línea sólidda). Requerimieento del cultivoo (línea de guioones).

El espárraggo tiene un req querimiento piico de agua duurante el rebrotte vegetativo que q sigue despuués de la coseccha de los rebrotees. Entre esos picos p hay un exceso de aguaa que puede serr disminuido al a reducir los ciiclos de bombeeo por día. El benneficio de hacer esto podría ser el de exteender la vida útil ú de la bom mba, la cual es de 4 años, o de los diafragmass que es de 2 años. a La Fig. 11 1 muestra com mo las necesiddades de agua de la planta puueden satisfaceerse al reducir loss ciclos de bom mbeo por día. En E la Fig. 12 see muestra la opptimización dell sistema al dejjar al mismo nivel n la oferta y la demanda de agua. Esto se puede reaalizar ajustanddo por cosechha el número de ciclos dell reloj temporizaddor.

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Fig. 9: Optimiización del bom mbeo fotovoltaaico de acuerdoo a las necesidaades de agua deel cultivo.

Sistem ma de Riego Eólico en la comun nidad de Turrip pampa, Huarmeey, Ancash, Perrú

3.1 Riego Eólico E beo costeable para pequeñoss agricultores es la de energgía eólica, el siistema tiene que q ser Otra alternnativa de bomb diseñado de d manera quee sea simple para p el campessino darle fácill mantenimiennto al sistema y que el sistem ma de bombeo enntregue una caantidad confiabble uniforme de d agua para poder satisfacer las necesidades del cultivvo. Es

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  requerido que el tanque tenga cierta elevación para entregar la presión adecuada al sistema de riego. Sin embargo por que el recurso de viento tiene muchas fluctuaciones, es necesaria la integración de un sistema de respaldo que podría ser operado manualmente, o inclusive con un sistema fotovoltaico como el mencionado en 2.1.

La instalación de un sistema de adquisición de datos marca HOBO y las impresiones de los habitantes de lugar fueron tomados en cuenta para tomar decisiones en el diseño tanto. El data logger HOBO recolectó datos durante 6 meses previos al diseño e instalación del sistema. Se decidió acoplar el molino de viento a una bomba de soga por su simplicidad, componentes no especializados y costeabilidad. Para hacer funcional la bomba de soga, un molino de viento con un torque de arranque alto era necesario, por lo que se escogió el modelo Americano multi-aspas. La ubicación del sistema fue en la comunidad de Turripampa, Huarmey, departamento de Ancash, Perú. Debido a las características de la vegetación de la zona, se observó que existía una tendencia unidireccional del viento por lo que se decidió diseñar una bomba de soga eólica unidireccional por simplicidad del sistema.

Esquema del tren de transmisión TABLA . Resumen de componentes del sistema. Componente # 1 2 3 4

Nombre del Componente Eje de transmisión Sistema de rodamiento Marco de soporte Embrague

5 6 7

Polea Cadena Centro de la turbina

8 9

Soga con Pistones Freno del disco rotor

10

Freno del viento

Función Soporta la polea y la turbina – transmite poder Soporta el tren de transmisión Mantiene el sistema Disminuye la velocidad de la turbina con altos vientos Maneja la bomba de soga Conecta el eje de transmisión con el embrague Permite que las aspas sean sustraídas del sistema Bomba de soga Medida de seguridad para detener el molino cuando hallan altos vientos Se activa cuando hay altos vientos

El prototipo del Molino de viento con bomba de soga fue instalado en Enero del 2010 y la transferencia tecnológica fue considerada exitosa. El agricultor tomó propiedad del sistema desde su instalación, lo que ayudó a que conociera cada uno de sus componentes y le ha dado mantenimiento al sistema desde entonces. El trabajo conjunto estudiantepropietario fue de gran ayuda para la finalización del diseño ya que éste último realizó contribuciones significantes para hacer trabajar al sistema. El riego eólico es de alto mantenimiento comparado al solar, por lo tanto la asimilación de la tecnología por parte del propietario es crítica para la sostenibilidad y durabilidad del sistema, así como para el desarrollo de prototipos de investigación. The input of both farmers has been essential to the development of the prototypes, as doing research and development with the farmers and not simply for them is

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  crucial. Villager empowerment is a key component for the marketing of the product. The best advertisement of the product is a satisfied costumer.

4. RESULTS OF THE ECONOMICAL ANALYSIS Cuatro escenarios fueron estudiados para realizar el análisis económico del sistema de Riego Solar. Dado que el sistema eólico todavía está en fase muy temprana de experimentación, todavía no es económicamente viable. Los escenarios estudiados fueron: riego por goteo con bombeo solar, riego por goteo con bomba diesel, riego por inundación con bomba diesel, riego por inundación por gravedad. Los últimos dos escenarios son las prácticas más comunes en las zonas rurales del departamento de Ancash, Perú; las cuales son muy representativas de otros países en vías de desarrollo. La siguiente tabla resume el estudio económico. TABLA2. ANÁLISIS ECONOMICO Tipo de sistema

InversiónInicial

Valor PresenteNeto

Tasainterna de retorno

Período de pago (yr)

RiegoporGoteo-Solar

$5,373

$59,151

61%

1.5

RiegoporGoteo-Diesel

$6,108

$49,082

48%

1.8

RiegoporInundación-Diesel

$5,073

$25,867

29%

2.3

Riegoporinundación-Gravedad

$2,406

$7,531

11%

7.5

El sistema con el valor presente neto más alto, la tasa interna de retorno mas alta y el período de pago más bajo es el sistema de riego solar ya que el sistema reduce ambos, costos operacionales en mano de obra y combustible y aumenta producción. Los costos operativos del riego por goteo son reducidos ya que el sistema fertirriega y disminuye las malezas ocasionadas por la inundación. El análisis económico del riego solar toma en cuenta que la bomba tiene que ser remplazada cada cuatro años y/o los diafragmas cada 2 años según el fabricante. Sin embargo en nuestros sistemas instalados desde el año 2008, los diafragmas no han mostrado señales de desgasto ni ha habido necesidad de remplazar la bomba.

$80,000.00

Solar Drip

$60,000.00

Diesel Drip

$40,000.00

Diesel furrow Gravity

$20,000.00 $$(20,000.00)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15

Fig. 10: Efectivo acumulado, análisis de retorno de pago con el precio de diesel a 1US$/litroyespárrago 0.7US$/kg

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  Es importante notar como la eficiencia de riego por goteo hace que el sistema de bombeo diesel sea más económico. La mayoría de los agricultores que ya tienen bombas diesel podrían aumentar su producción y reducir sus gastos solo al cambiar su sistema de riego por inundación a goteo. Especialmente para el cultivo del espárrago solamente con utilizar cualquier tubería para distribuir el agua (no necesariamente goteo) aumentaría la eficiencia de manejo del agua ya que este cultivo requiere de suelos arenosos lo que aumenta los problemas de pérdidas de agua por percolación e infiltración los cuales son muy altos cuando se riega por inundación. Es importante mensiona que todos los sistemas analizados con la misma área de riego. El estudio también toma en cuenta que las plantas de espárrago son replantadas cada cuatro años por sobre-explotación de su cosecha (3 por año). Cabe mencionar que durante la instalación inicial del sistema el precio del diesel en las zonas rurales ya había alcanzado US$4 el litro en la comunidad del El Molino, comunidad más cercana a Turripampa que vende diesel. En este momento el riego por inundación deja de tener un valor presente neto y una tasa interna de retorno positivos.En este studio se assume que los pozos tienen la capacidad de recuperación del bombeo demandado, sin embargo es importante observer que la mayoría de los pozos de estos pequeños agricultores son artesianos, cavados a mano y muchas veces de poca capacidad. Cabe resaltar que el requerimiento de agua par a una hectárea de espárrago por goteo es de 3.5m^3/díay por inundación es de 70m^3/día en suelo arenoso.

5. DISCUSIÓN, CONCLUSIONES,Y RECOMMENDACIONES El sistema de riego que puede aprovechar mejor la tecnología fotovoltaica en el riego por goteo. Para dimensionar el sistema hay que tomar en cuenta ambos: el mes de menor radiación solar y el mes de mayor demanda de agua por el cultivo. Los cultivos resistentes a la sequía enlazan muy bien con las bombas pequeñas de diafragma por lo que el sistema obtiene mayor producción por unidad de área regada. El sistema de Turripampa riega un área de 1500m^2 utilizando riego por goteo con un arreglo solar del 250 Vatios. El sistema puede generar hasta tres cosechas por año exceptuando el primer año, con solamente una cosecha). La vida útil del cultivo disminuye al aumentar el número de cosechas por año. En el caso del espárrago se reduce de 15 años a 3. Los costos de producción de replantar cada 4 años tienen sentido económicamente ya que las ganancias de cada año son mayores, asumiendo un precio del espárrago estable. Cultivos perennes reducen los gastos de mantenimiento agrícola y hacen que los sitemas sean más costeables para los pequeños agricultores. En el caso del espárrago hay un exceso de agua cuando el Kc de la planta es bajo pasado del estado vejetativo, este estado dura casi 100 días por lo que este exceso podría utilizarse para otro cultivo no perenne. Buenas prácticas agrícolas como compost, aporque vegetativo, etc, ayudan a disminuir la evapotranspiración de la planta lo que puede crear otra oportunidad para aumento del área de riego. La capacidad de almacenamiento de agua en el suelo es otro factor que podría hacer el sistema más eficiente. En conclusion, la energía solar y el riego trabajan muy bien juntas ya que típicamente a mayor radiadión mayor evapotranspiración y menor radiación menor ET. El riego por goteo es un sistema muy eficiente para distribución de agua en los cultivos particularmente con buenas prácticas agrícolas. Las cosechas pueden ser triplicadas con el riego por goteo en algunos casos. Las tasas de retorno son favorable con hasta dos años de retorno de pago por el prototipo diseñado en este estudio aun tomando encuenta tasas de intereses muy elevadas. La falta de capital con tasas de interés razonables y la falta de información técnica posan barreras potenciales para este tipo de sistemas. Mayor investigación en el future incluye la finalización del prototipo de riego eólico, el desarrollo de un modelo matemático en el proceso de diseño que tome en consideración la alta correlación entre la radiación solar y la evapotranspiración con el método de probablilidades de pédida de carga o LOLP por sus siglas en Inglés. También se espera analizar los datos almacenados en los sistemas de adquisición de datos instalados en ambos prototipos, asi como los resultados de producción de 2 sistemas solare más instalados en los valles de Casma y Huarmey, asi como la comparación con un sistema de riego por gravedad en canales instalado en Junio del 2010 en la comunidad de Colcap, Huanchay del departamento de Ancash, Perú.

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6. REFERENCIAS

1. 2.

3. 4. 5.

Barreto, C, and J. Duffy, 2009, “Low-Cost Solar Drip Irrigation for Small Farmers in Developing Countries,” Proceedings American Solar Energy Society Annual Conference, Paper 0158. Hillman J. Duffy, J. 2010, Wind Powered Rope Pump for a Drip Irrigation System in Turripampa Peru. Graduation Project Report. U Mass LowellAllen, R., & Pereira, L. (1998). FAO Irrigation and Drainage Paper No 56. Rome: FAO. Burt, C. M., & Styles, S. W. (1999). Drip and Micro Irrigation Design and Management for Trees, Vines and Field Crops. San Luis Obispo, CA, USA: Irrigation Training and Research Center. FAO. (1999). Poverty Reduction and Irrigated Agriculture. FAO, International Programme for technology and research in Irrigation and Drainage . Rome: FAO. World Bank. (2000). Expanding Electricity to remote areas: Off-Grid Rural Electrification in Developing Countries. Washington D.C.: World Power.

SOLAR-WIND DRIP IRRIGATION FOR SMALL FARMERS IN DEVELOPING COUNTRIES Abstract The aim of this project is to provide small farmers in developing countries with an affordable irrigation method that promotes the sustainable use of water and energy. To sustain the world in the future 60% of the extra food required must come from irrigated agriculture, and developing countries hold three quarters of the total world’s irrigated area (FAO, 1999) where rural small farmers cultivate more than half of this agricultural land and 80% lacks electricity services (World Bank, 2000). The world’s food security relies on improving irrigation techniques for smallholder agriculture in developing countries. The common irrigation practice is flooding with seasonal water gravity fed systems or diesel/gasoline powered pumps. Solar pumps are clean, efficient and have lower maintenance. Drip irrigation is 40% more efficient than furrow and takes better advantage of solar and wind pumping because of its low pressure-low flow features (Burt & Styles, 1999). Drip Irrigation represents a potential for productive uses of renewable energy, depending on the crop cycle. Drip irrigation could allow four harvests per year instead of one in the rainy season, generating enough income to pay for the system. This work is sustained as part of a twelve-year-old program with indigenous Peruvian farmers.

Outline     

Antecedentes Objetivos Metodología Resultados del modelo Resultados del análisis económico  Discusión, conclusiones y recomendaciones

Inicio de mi trabajo en bombeo fotovoltaico Universidad Nacional de Ingeriería Managua, Nicaragua. Augosto 2002. Bombeo fotovoltaico para riego con paneles construidos localmente.

Justificación  60% de los alimentos requeridos para sustentar el mundo en el futuro deben de venir de una    

agricultura irrigada. Los países del tercer mundo tienen ¾ del área irrigada en el mundo (1/2 pequeños agricultores) Los pequeños agricultores tienen un promedio de 3-4 hectáreas 80% de los pequeños agricultores carecen de acceso a la red eléctrica. 2.1 billones de personals viven con menos de $2 al día y 880 millones con menos de $1 por día

Objetivo General

 El objetivo general es de diseñar, modelar e instalar un sistema de riego solar por goteo para regiones remotas en el mundo.

Metodología  Diseñar un sistema que utilize menos energía que la

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práctica común de riego. Instalar un prototipo que propocione agua a una pequeña parcela en la cumunidad de Turripampa, Huarmey, Peru. Revisar y comparar las diferentes alternativas de riego de manera que se determine la eficiencia del trabajo en términos de energía Estimar el tiempo de pago del sistema y su comportmiento económico Proponer estrategias de trasnferencia de la tecnologías de riego solar para pequeños productores de países en vías de desarrollo.

System’s components

Metodología

Diseño para el mes de menor radiación solar (método de diseño autónomo)

Utilizar la modularidad del bombeo FV para incrementar el área de riego a medida que incrementen los ingresos

Calcular el volumen de bombeo del sistema de un día típico de cada mes (m3/día)

Capacidad de bombeo area = paso 2/paso 4 (ha)

Calcular la evapotranspiración de la planta (ETc) (m3/día/ha)

Método de riego ETc*Kadj/Ea (m3/day/ha)

Evapotranspiratción del cultivo

Evapotranspiración del Cultivo

Evapotranspiración de referencia

Promedio de radiación mensual: datos de 3 años (Raypa)

Métodos de riego: innundación, aspersión y goteo

Capacidad de área irrigada utilizando la bomba de diafragma Shurflo Tipo de sistema de riego Riego por Goteo Aspersión

Area (m^2)

Energía kWh/ha/cosecha

6500

317

833

1798

Inundación

454

3371

PV pumping design

PV array slope and ETc

Arco Solar-53

Pump

Replacement parts

Controls

Drip Irrigation

Drip irrigation: water behavior in different types of soil

Economical Analysis: System payback  Four different scenarios  Solar Drip PV System  Diesel Drip Irrigation

 Diesel Furrow Irrigation  Gravity fed system

Farmers requirements for access to loans  Caja Municipal Paita S.A.: 51.11% (Effective

interest anual rate)  Property title (original) and topographic drawings  Agricultural experience 1 year or 1harvest  Proof of being a farmer and have as a minimum 1.5

hectares  Watering plan for the harvest

 Caja Sur Créditos y Ahorros: 55%. Most of the

requisites same as above except for  Water bill !!!  Electricity bill!!!

Initial invest Type of system ment NPV IRR Solar Drip Irrigation $5,373 $59,151 Diesel Drip Irrigation $6,108 $49,082 Diesel Furrow Irrigation $5,073 $25,867 Gravity Fed Furrow Irrigation

$2,406

$7,531

Payback period (yr) 61% 1.5 48% 1.8 29%

2.3

11%

7.5

Cumulative cash flow Diesel 1$/L, Asparagus 0.7$/kg $80.000,00 Solar Drip $70.000,00

Diesel Drip Diesel furrow

$60.000,00

Gravity $50.000,00

$40.000,00 $30.000,00

$20.000,00 $10.000,00 $0 $(10.000,00) $(20.000,00)

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Diesel 1$/L , Asparagus 0.3$/kg $40.000,00 Solar Drip

$35.000,00

Diesel Drip

$30.000,00 Diesel furrow $25.000,00

Gravity

$20.000,00

$15.000,00

$10.000,00

$5.000,00

$0 $(5.000,00)

$(10.000,00)

$(15.000,00)

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Diesel (Sensitivity Analysis) $70.000,00

$60.000,00

Diesel Drip Diesel (Furrow)

$50.000,00

Diesel Drip 2$/l Diesel (Furrow) 2$/l $40.000,00

$30.000,00

$20.000,00

$10.000,00

$0 $(10.000,00)

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Training: Key component to technology transfer, assimilation, ownership, etc.

Conclusiones  Drip irrigation is the best match to solar pumping to get more crop per drop… and per watt

 Good matching of water demand and production: PV vs Crop needs. Both depend on solar Radiation.  PV sizing with respect to crop requirements

 Irrigated Area: 5000 m^2  Solar Array: 250W  Crop yield: 5000kg/irrigated area

 Favorable financial rates of return, even with high interest rates

Recommendations  Crop Selection: High yield, high price and

establish market  Existing diesel systems can be improved with drip irrigation  More information to micro-financing institutions  Yields can be improved with good agricultural practices: mulching

Future work  Installation of a second improved prototype

system and the monitoring and analysis of the existing system along with the second one  Chain value analysis of all the system’s components including business model, microcredit partners, etc

Riego Eólico

Red para cadena de suministros

Questions? [email protected]