Estudio técnico - económico de un sistema de bombeo haciendo uso de la energía solar para riego por gravedad de un cultivo de arroz
Este proyecto tuvo como objetivo el diseño y evaluación técnico-económica de un sistema de bombeo haciendo uso de la energía solar para riego por gravedad de un cultivo de arroz con el fin de proponer una solución que reduzca el consumo de combustibles fósiles y emisiones asociadas al riego agrícola...
- Autores:
-
Sierra Castellanos, Nicolás
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2021
- Institución:
- Universidad de Ibagué
- Repositorio:
- Repositorio Universidad de Ibagué
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.unibague.edu.co:20.500.12313/4952
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/20.500.12313/4952
- Palabra clave:
- Sistema de Bombeo - Uso Energía Solar
Sistema de Bombeo - Uso Energía Solar - Cultivo de Arroz
Energía solar
Fotovoltaico
Sistema de bombeo
Riego
Energía renovable
Solar energy
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Water pumping system
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Este proyecto tuvo como objetivo el diseño y evaluación técnico-económica de un sistema de bombeo haciendo uso de la energía solar para riego por gravedad de un cultivo de arroz con el fin de proponer una solución que reduzca el consumo de combustibles fósiles y emisiones asociadas al riego agrícola. El proyecto se trabajó mediante tres fases de desarrollo; iniciando con la determinación de los requerimientos de diseño para el sistema de bombeo, seguido del diseño del sistema junto con el arreglo fotovoltaico para culminar con la evaluación económica y ambiental. Además, con el ánimo de incorporar herramientas tecnológicas, se hizo uso del software de gestión de energías limpias y de diseño solar PV*SOL® y RETScreen® en los apartados del diseño fotovoltaico y análisis económico-ambiental. Producto del estudio, se determinó que la bomba adecuada para cubrir las necesidades de caudal y altura total es la Wilo Helix V 3602-1/16/E/KS/460-60. Por su parte, para suplir las necesidades energéticas del sistema de bombeo, el arreglo fotovoltaico debe contar con 180 paneles solares JA Solar JAM60S10-345/MR de 345 W que proporcionen 62,1 kWp junto con 3 inversores Schneider Electric Conext 18000 NA. La producción solar anual es de 85.564 kWh, de los cuales se destinan 36.918 kWh/año para cubrir el consumo, esto es el 46 % del consumo final -los 48.646 kWh/años restantes se inyectan a red. Por su parte, la red se encarga del 54 % restante del consumo con 43.388 kWh/año, aproximadamente, por lo que se evidencia un surplus energético promedio anual de 5.258 kWh/año. En el apartado ambiental, de acuerdo con RETScreen®, la implementación de la instalación fotovoltaica significa una reducción en las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de 86,9 tCO2/año o lo que es equivalente a dejar de consumir 37.318,9 litros de gasolina al año, esto es una reducción bruta del 93 % de las emisiones asociadas el consumo energético del sistema frente a una alimentación únicamente con gasolina. En el apartado económico, los costos iniciales del proyecto son aproximadamente US$210.736 ≈ COP$781.158.312,16 con costos anuales de US$2.242 ≈ COP$8.463.238,29 y ahorros y beneficios de 59.967 US$/año ≈ 226.393.834,87 COP$/año y establece un factor de rendimiento del 85,80 % para la planta solar. Además, se evidencia una amortización del proyecto en 3,7 años con una TIR antes de impuestos del 29,1 % y un VPN de US$384.002 ≈ COP$1.423.422.453,62. |
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Producto del estudio, se determinó que la bomba adecuada para cubrir las necesidades de caudal y altura total es la Wilo Helix V 3602-1/16/E/KS/460-60. Por su parte, para suplir las necesidades energéticas del sistema de bombeo, el arreglo fotovoltaico debe contar con 180 paneles solares JA Solar JAM60S10-345/MR de 345 W que proporcionen 62,1 kWp junto con 3 inversores Schneider Electric Conext 18000 NA. La producción solar anual es de 85.564 kWh, de los cuales se destinan 36.918 kWh/año para cubrir el consumo, esto es el 46 % del consumo final -los 48.646 kWh/años restantes se inyectan a red. Por su parte, la red se encarga del 54 % restante del consumo con 43.388 kWh/año, aproximadamente, por lo que se evidencia un surplus energético promedio anual de 5.258 kWh/año. En el apartado ambiental, de acuerdo con RETScreen®, la implementación de la instalación fotovoltaica significa una reducción en las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de 86,9 tCO2/año o lo que es equivalente a dejar de consumir 37.318,9 litros de gasolina al año, esto es una reducción bruta del 93 % de las emisiones asociadas el consumo energético del sistema frente a una alimentación únicamente con gasolina. En el apartado económico, los costos iniciales del proyecto son aproximadamente US$210.736 ≈ COP$781.158.312,16 con costos anuales de US$2.242 ≈ COP$8.463.238,29 y ahorros y beneficios de 59.967 US$/año ≈ 226.393.834,87 COP$/año y establece un factor de rendimiento del 85,80 % para la planta solar. Además, se evidencia una amortización del proyecto en 3,7 años con una TIR antes de impuestos del 29,1 % y un VPN de US$384.002 ≈ COP$1.423.422.453,62.The objective of this project was the design and technical-economic evaluation of a water pumping system using solar energy for gravity irrigation of a rice crop in order to propose a solution that reduces the consumption of fossil fuels and emissions associated with agricultural irrigation. The project was developed through three phases; starting with the determination of the design requirements for the water pumping system, followed by the design of the system together with the photovoltaic array to culminate with the economic and environmental evaluation. In addition, with the aim of incorporating technological tools, the clean energy management and solar design softwares PV*SOL® and RETScreen® were used in the photovoltaic design and economic-environmental analysis sections. As a result of the study, it was determined that the Wilo Helix V 3602-1/16/E/KS/460-60 is the right pump to meet the flow and total head requirements. To satisfy the energy needs of the pumping system, the photovoltaic array should have 180 JA Solar JAM60S10-345/MR 345 W solar panels providing 62.1 kWp along with 3 Schneider Electric Conext 18000 NA inverters. Annual solar production is 85,564 kWh, of which 36,918 kWh/year are used to cover consumption, i.e. 46% of final consumption - the remaining 48,646 kWh/year are injected into the grid. On the other hand, the grid is responsible for the remaining 54% of the consumption with approximately 43,388 kWh/year, which shows an average annual energy surplus of 5,258 kWh/year. On the environmental side, according to RETScreen®, the implementation of the photovoltaic installation means a reduction in greenhouse gas (GHG) emissions of 86.9 tCO2/year or the equivalent of not consuming 37,318.9 liters of gasoline per year, i.e. a gross reduction of 93 % of the emissions associated with the system's energy consumption compared to a system powered solely by gasoline. In the economic section, the initial costs of the project are approximately US$210,736 ≈ COP$781,158,312.16 with annual costs of US$2,242 ≈ COP$8,463,238.29 and savings and benefits of US$59,967/year ≈ COP$226,393,834.87/year and establishes a yield factor of 85.80 % for the solar plant. In addition, a project payback of 3.7 years is evident with a pre-tax IRR of 29.1 % and a NPV of US$384,002 ≈ COP$1,423,422,453.62.PregradoIngeniero MecánicoIntroducción.....10 Planteamiento del problema y justificación.....11 Objetivos.....13 Objetivo general.....13 Objetivos específicos.....13 Capítulo 1: Marco teórico.....14 1.1 Energía solar.....14 1.1.2 Energía solar fotovoltaica.....14 1.1.3 Células solares.....15 1.1.4 Paneles solares.....16 1.1.5 Arreglos fotovoltaicos.....17 1.2 Sistemas PVWPS (Photovoltaic Water Pumping Systems).....18 Capítulo 2: Metodología y desarrollo.....22 2.1 Diseño del sistema de bombeo.....23 2.1.1 Consideraciones generales.....23 2.1.2 Cálculo de diámetro tubería de descarga y succión.....25 2.1.3 Cálculo de las condiciones de sumergencia.....26 2.1.4 Cálculo de la carga dinámica total (ℎ).....26 2.1.5 Calculo de la carga de succión positiva neta disponible ().....29 2.1.6 Selección de la bomba.....30 2.1.7 Costos del sistema de bombeo.....31 2.2 Diseño del sistema fotovoltaico.....32 2.2.1 Dimensionamiento del generador fotovoltaico.....32 2.2.2 Dimensionamiento del inversor.....34 2.2.4 Selección del panel solar e inversor.....35 2.2.4.1 Selección del panel solar.....35 2.2.4.2 Selección del inversor.....37 2.2.5 Cálculo de paneles en serie (Ns) y paralelo (Np).....40 2.2.6 Cálculo de intensidad (IT) y tensión (UT) de trabajo.....42 2.2.7 Cálculo de relación entre generador e inversor (RFI).....42 2.2.8 Cálculo del área necesaria para el montaje.....43 2.2.9 Dimensionamiento de los cables DC y AC.....45 2.2.10 Cálculo del voltaje de pérdida.....47 2.2.11 Acometida eléctrica.....48 Capítulo 3: Análisis de rendimiento y evaluación económico-ambiental.....49 Conclusiones.....53 Referencias bibliográficas.....5470 páginasapplication/pdfSierra Castellanos, N. 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