Ingeniería Mecánica · 2024
Análisis técnico-económico de la implementación de un sistema de bombeo automático basado en energía solar fotovoltaica para la finca La Riña
El proyecto "Análisis Técnico-Económico de la Implementación de un Sistema de Bombeo Automático Basado en Energía Solar Fotovoltaica para la Finca La Riña" tiene como objetivo mejorar la eficiencia en el uso de los recursos hídricos y energéticos en una finca rural en el departamento del Cesar, Colombia, donde el acceso a la electricidad es limitado. La solución consiste en implementar un sistema automatizado de bombeo de agua alimentado por energía solar, que garantizará un suministro eficiente tanto para el cultivo de pasto elefante como para el consumo humano. Los principales aportes de este proyecto son la sostenibilidad, al utilizar energía renovable para disminuir la dependencia de fuentes convencionales, y la automatización del sistema, que mediante sensores permite optimizar el uso del agua. Además, el proyecto es replicable en otras fincas rurales del país, promoviendo tecnologías limpias y sostenibles en zonas no interconectadas. Por último, se concluye que el sistema es económicamente viable, ya que ofrece ahorros en costos operativos a largo plazo, mejorando la productividad agrícola y contribuyendo al desarrollo rural sostenible.
Texto completo 126 páginas con texto
Leer la tesis completa Ficha en el repositorio
Contenido
- Introducciónp. 19
- 1. Planteamiento del problemap. 20
- 2. Objetivosp. 21
- 2.1 Objetivo Generalp. 21
- 2.2 Objetivos Específicosp. 21
- 3. Marco Teóricop. 21
- 3.1 Conceptosp. 22
- 3.1.1 Pasto Elefante (Pennisetum purpureum)p. 22
- 3.1.1.1 Ciclo de Crecimiento del Pasto Elefantep. 22
- 3.1.2 Tipo de Textura de Suelo y Característicasp. 22
- 3.1.2.1 Densidad Aparente (Da)p. 23
- 3.1.2.2 Capacidad de Campo (CC)p. 23
- 3.1.2.3 Punto de Marchitez Permanente (PMP)p. 23
- 3.1.2.4 Fracción de Humedad Aprovechable (F)p. 23
- 3.1.3 Humedad Aprovechablep. 23
- 3.1.4 Cálculo de las Necesidades Hídricas del Cultivop. 24
- 3.1.4.1 Valores fisiológicosp. 24
- 3.1.4.2 Evapotranspiración de referencia (ET₀)p. 25
- 3.1.4.3 Evapotranspiración del Cultivo (ETc)p. 26
- 3.1.4.4 Volumen de agua requerido del cultivo al díap. 26
- 3.1.4.5 Caudal Requerido por Plantap. 26
- 3.1.4.7 Lámina Netap. 27
- 3.1.4.6 Frecuencia de riegop. 27
- 3.1.5 Diseño de la red de distribuciónp. 28
- 3.1.5.1 Tubería principalp. 28
- 3.1.5.2 Tuberías secundariasp. 28
- 3.1.5.3 Tuberías porta lateralesp. 28
- 3.1.5.4 Tuberías laterales o porta goterosp. 29
- 3.1.5.5 Manómetrosp. 65
- 3.1.5.6 Medidor o caudalímetrop. 29
- 3.1.5.7 Reguladores de caudalp. 29
- 3.1.5.8 Reguladores de presiónp. 29
- 3.1.5.9 Emisorp. 54
- 3.1.6 Diseño hidráulicop. 30
- 3.1.6.1 Dimensionado de tuberíasp. 30
- 3.1.6.1.1 Caudal tubería con salidas múltiplesp. 30
- 3.1.6.1.2 Área de la sección transversal de una tuberíap. 30
- 3.1.6.1.3 Diámetro de la sección transversal de una tuberíap. 31
- 3.1.6.1.4 Tiempo para suministrar el volumen requeridop. 31
- 3.1.6.1.4 Perdida de cargas por fricción para tuberías con única salidap. 31
- 3.1.6.1.5 Perdida de cargas por fricción para tuberías con salida múltiplep. 32
- 3.1.6.1.6 Número de Reynoldsp. 34
- 3.1.6.1.7 coeficiente de Darcy-Weisbach (𝒇𝑫𝑾)p. 35
- 3.1.6.1.8 Coeficiente de Christiansen (F)p. 36
- 3.1.6.7 Pérdidas de carga localizadasp. 36
- 3.1.6.8 Cálculo del cabezal de presiónp. 37
- 3.1.6.9 Cálculo del NPSHp. 39
- 3.1.6.9.1 Presión atmosféricap. 40
- 3.1.6.9.2 Presión de vaporp. 81
- 3.1.6.9.3 Altura Estática de Succión de una Bombap. 40
- 3.1.6.10 Altura Dinámica de la Bombap. 40
- 3.1.6.11 Potencia de la Bombap. 41
- 3.1.7 Sistema fotovoltaicop. 41
- 3.1.7.1 Cálculo de la Demanda Diaria Máximap. 97
- 3.1.7.2 Horas de sol pico (HSP)p. 42
- 3.1.7.3 Potencia requeridap. 125
- 3.1.7.4 Número de Panelesp. 125
- 3.1.7.4 Sistema de Bateríasp. 44
- 3.1.7.5 Controladorp. 44
- 4. Desarrollop. 25
- 4.1 Ubicación y topografía de la fincap. 45
- 4.1.1 Ubicación geográficap. 45
- 4.1.2 Topografía de la parte de la finca seleccionada para el sistema de bombeop. 46
- 4.2 Análisis del Cultivo y Necesidades Hídricasp. 47
- 4.2.1 Tipo de Cultivop. 47
- 4.2.2 Dimensiones del Cultivop. 47
- 4.2.3 Distancia de Siembrap. 48
- 4.2.4 Cálculo de la humedad Aprovechablep. 49
- 4.2.5 Cálculo de las Necesidades Hídricas del Cultivop. 24
- 4.2.5.1 Cálculo de la evapotranspiración del Cultivo (ETc)p. 50
- 4.2.5.2 Volumen de agua requerido del cultivo al díap. 51
- 4.2.5.3 Cálculo del caudal Requerido por Plantap. 52
- 4.2.5.6 Cálculo de la Lámina Netap. 52
- 4.2.5.4 Cálculo de la frecuencia de riegop. 52
- 4.2.6 Hora del riego y temperatura del aguap. 53
- 4.3 Diseño hidráulico del sistema de riegop. 53
- 4.3.1 Topografía de la zona del cultivop. 53
- 4.3.2 Diseño de la red de distribuciónp. 28
- 4.3.2.1 Emisorp. 54
- 4.3.2.1.1 Caudal del emisorp. 54
- 4.3.2.1.2 Selección del Emisorp. 55
- 4.3.1.2 Distribución y sectorizaciónp. 55
- 4.3.1.2.1 Dimensionado de las tuberías lateralesp. 57
- 4.3.1.2.2 Dimensionado de la tubería porta lateralesp. 59
- 4.3.1.2.3 Dimensionado de la tubería secundariap. 61
- 4.3.1.2.4 Dimensionado de la tubería primariap. 63
- 4.3.3 Cálculo de las pérdidas de carga localizadas en el sistema de riegop. 65
- 4.3.4 Cálculo del cabezal de presión en el sistema de riego del cultivop. 65
- 4.4 Diseño Hidráulico del Sistema de Almacenamiento de Aguap. 70
- 4.4.1 Perdida de cargas por fricción de la tubería que dirige al tanquep. 72
- almacenamientop. 73
- 4.4.3 Cálculo del cabezal de presión en la tubería dirigida al tanque de almacenamientop. 74
- 4.5 Diseño hidráulico del Reservorio de Aguap. 74
- 4.5.1 Dimensionamiento del reservorio de aguap. 75
- 4.6 Selección de la Bombap. 74
- 4.6.1 Caudal totalp. 76
- 4.6.2 Cálculo de pérdidas de carga localizadas totales en el sistemap. 77
- 4.6.3 Cálculo de la presión a la salida de la bombap. 79
- 4.6.4 Cálculo del NPSH requerido y disponiblep. 80
- 4.6.5 Cálculo de la altura dinámica de la bombap. 82
- 4.6.6 Cálculo de la potencia de la Bombap. 82
- 4.6.7 Selección de la bombap. 74
- 4.7 Sistemas de Control y Automatizaciónp. 84
- 4.7.1 Sistema de Control del Cultivop. 84
- 4.7.1.1 Modelo Predictivo del Cultivop. 84
- 4.7.1.1.1 Ecuación del Modelo de Regresiónp. 85
- 4.7.1.2 Descomposición funcional del sistema de riegop. 88
- 4.7.1.3 Diagrama de Flujo para Control Automático del Riego para el Cultivop. 89
- 4.7.2 Sistema de Control del Tanquep. 91
- 4.7.2.1 Descomposición funcional del sistema de llenado del tanquep. 92
- 4.7.2.2 Diagrama de Flujo para el control automático del sistema de llenado del tanquep. 93
- 4.7.3 Sistema de Control del Reservoriop. 94
- 4.7.3.1 Diagrama de Flujo para el control automático del sistema del reservoriop. 94
- 4.8 Diseño del Sistema Fotovoltaicop. 95
- 4.8.1 Estudio de Orientación de los Paneles y HSPp. 95
- 4.8.2 Cálculo de la Demanda Diaria Máximap. 97
- 4.8.3 Cálculo del Número de Panelesp. 98
- 4.8.4 Cálculo de la capacidad de las Bateríasp. 100
- 4.8.5 Cálculo de la corriente del controladorp. 100
- 4.8.6 Selección del inversorp. 102
- 4.9 Selección de Componentesp. 102
- 4.9.1 Sensor de nivel para el reservoriop. 102
- 4.9.2 Sensor de nivel para el tanquep. 103
- 4.9.3 Sensor de temperaturap. 103
- 4.9.4 Sensor de humedad relativap. 103
- 4.9.5 Sensor de radiación solarp. 104
- 4.9.6 Sensor de velocidad del vientop. 104
- 4.9.7 Sensor de humedadp. 104
- 4.9.8 Módulo de relé electromagnéticop. 105
- 4.9.9 Temporizadorp. 105
- 4.9.10 Microcontroladorp. 105
- 4.9.11 Pantalla de visualizaciónp. 106
- 4.9.12 Electroválvulasp. 106
- 4.9.13 Cableado de sensores y electroválvulasp. 107
- 4.9.14 Medidor de flujop. 107
- 4.9.15 Geomembranap. 107
- 4.9.16 Selección de tuberíap. 108
- 4.9.17 Válvula reguladora de presiónp. 78
- 4.9.18 Caudalímetrop. 65
- 4.9.19 Válvula de piep. 79
- 4.9.20 Manómetrop. 109
- 4.10 Rentabilidad económicap. 109
- 4.10.1 Inversiónp. 111
- 4.10.2 Información de entradap. 111
- 4.10.3 Estados financierosp. 112
- 4.10.3.1 Egresosp. 112
- 4.10.3.2 Ingresosp. 112
- 4.10.4 Flujos de cajap. 113
- 4.10.5 Análisis de la inversiónp. 114
- 4.10.5.1 Conclusión generalp. 116
- 6. Conclusionesp. 117
- 7. Trabajos futurosp. 118
- Referencias Bibliográficasp. 119
- Apéndicesp. 122
- Tabla 1. Valores fisiológicos generales para gramíneas (pastos)p. 25
- Tabla 2. Datos del día con mayor evapotranspiración del cultivo (2 de marzop. 51
- presión del sistema de riego por goteop. 66
- Tabla 4. Ruta crítica con mayor presión requeridap. 68
- Tabla 5. Ruta crítica con menor presión requeridap. 69
- Tabla 6. Presión máxima alcanzada en el sistemap. 70
- Tabla 7. Consumo promedio de agua en diferentes ciudades del paísp. 71
- Tabla 9. Pérdidas de carga localizadas en accesorios de todo el sistemap. 79
- Tabla 10. Consumo energético diario de dispositivos en la fincap. 98
- Tabla 11. Especificaciones técnicas del panel solarp. 99
- Tabla 12. Especificaciones de la batería seleccionadap. 101
- Tabla 13. Especificaciones técnicas del controlador seleccionadop. 102
- Tabla 14. Especificaciones Técnicas del inversor seleccionadop. 103
- Tabla 15. Parámetros de entrada para el análisis económico del proyectop. 112
- Tabla 16. Degradación anual y proyección tarifa de energíap. 113
- Tabla 17. Indicadores y criterios financierosp. 115
- Figura 2. Distribución de presiones a lo lardo de la tubería lateral y porta lateralp. 39
- Figura 3. Ubicación de la finca La Riñap. 46
- Figura 4. Topografía de la parte de la finca seleccionada para el sistema de bombeop. 47
- Figura 5. Ensilaje para alimentos de bovinosp. 48
- Figura 6. Ubicación del cultivo por medio del Google Earth Prop. 49
- Figura 7. Curvas de nivel del cultivo en AutoCADp. 54
- Figura 8. Sistema de riego en EPANET 2.0p. 55
- Figura 9. Esquema del Sistema fotovoltaico de bombeo automáticop. 56
- Figura 10. Esquema del Sistema de Riego con Distribución de Tuberíasp. 57
- Figura 11. Rutas críticas del sistema de riegop. 67
- Figura 12. Dimensiones de Tanque de Agua Seleccionadop. 72
- Figura 13. Esquema del reservorio de aguap. 75
- Figura 14. Curvas de Pérdida de Carga del Filtro Azud Helix Systemp. 78
- Figura 16. Volumen Requerido vs Días (Comparación de métodos de cálculo)p. 87
- Figura 17. Diagrama de Descomposición Funcional del Sistema de Riegop. 89
- Figura 18. Diagrama de flujo para el sistema de riego para el cultivo (parte 1 y 2)p. 90
- Figura 19. Diagrama de flujo para el sistema de riego para el cultivo (parte 3)p. 91
- Figura 20. Esquema de Automatización de Llenado de Tanquep. 92
- Figura 21. Diagrama de Descomposición Funcional del Sistema Llenado del Tanquep. 93
- Figura 22. Diagrama de flujo para el sistema de llenado de tanquep. 94
- Figura 23. Diagrama de flujo para el sistema del reservoriop. 95
- Figura 24. Mapa de radiación solar promedio en Colombiap. 96
- Ecuación 1. Ecuación de la humedad aprovechablep. 24
- Ecuación 2. Ecuación de la evapotranspiración del Cultivop. 27
- Ecuación 3. Ecuación de volumen de agua requerido del cultivo al díap. 27
- Ecuación 4. Ecuación de caudal requerido por plantap. 27
- Ecuación 5. Ecuación de la lámina netap. 28
- Ecuación 6. Ecuación de frecuencia de riegop. 28
- Ecuación 7. Ecuación del caudal tubería con salidas múltiplesp. 31
- Ecuación 8. Ecuación del área de la sección transversal de una tuberíap. 31
- Ecuación 9. Diámetro de la sección transversal de una tuberíap. 32
- Ecuación 10. Tiempo para suministrar el volumen requeridop. 32
- Ecuación 11. Pérdidas de carga por fricción en una tubería con única salidap. 33
- Ecuación 12. Ecuación de la pérdida de carga por fricción en tuberías con salidas múltiplesp. 34
- Ecuación 13. Ecuación del número de Reynoldsp. 35
- Ecuación 14. Ecuación del coeficiente de Darcy-Weisbach cuando Re < 4000p. 36
- Ecuación 15. Ecuación de Colebrook-Whitep. 37
- Ecuación 16. Ecuación del Coeficiente de Christiansenp. 37
- Ecuación 17. Ecuación de pérdidas de carga localizadasp. 38
- Ecuación 18. Ecuación de conservación de energía de Bernoullip. 38
- Ecuación 19. Ecuación del cabezal de presión en una tuberíap. 38
- Ecuación 20. Cálculo NPSH requeridop. 40
- Ecuación 21. Cálculo del NPSH disponiblep. 40