Metodología de la adaptación de la oferta y demanda de potencia en sistemas de riego a presión constante alimentados con sistemas fotovoltaicos

Abstract

Un tipo de los sistemas de bombeo de agua solar fotovoltaico son los sistemas de riego fotovoltaico autónomo de bombeo directo a la red de riego. El agua que necesita el cultivo se bombea desde un reservorio directamente a la red de riego utilizando la energía generada por un conjunto de paneles fotovoltaicos, sin necesidad de almacenamiento intermedio de agua o de energía eléctrica. La radiación solar que incide en los paneles es de naturaleza estocástica y dificulta la gestión de la oferta y la demanda de energía de estas instalaciones autónomas. En esta tesis se ha implementado una metodología que permite gestionar la energía solar fotovoltaica generada de tal manera que toda la potencia generada es entregada al sistema de bombeo y a la red de riego por goteo a presión constante, que está dividida en sectores de riego. El algoritmo desarrollado se basa en incrementar la presión de la red de riego cuando la energía fotovoltaica aumenta, por medio del aumento de la velocidad del giro de la bomba. Cuando la radiación solar disminuye, la velocidad se reduce. La modificación de la velocidad de giro de la bomba se consigue accionándola con un motor eléctrico de inducción, a su vez alimentado por un convertidor de frecuencia. En el mercado existen variadores de velocidad para ser alimentados por el bus de corriente continua. El algoritmo de gestión considera las necesidades diarias de agua programadas para el riego del cultivo, el balance de agua en el suelo de la finca, el comportamiento hidráulico de la red de riego, el rendimiento de los dispositivos de conversión de la energía y la potencia fotovoltaica generada. El modelo determina diariamente una prioridad de riego de los sectores en función del déficit de agua en el suelo y del tiempo de riego programado. El algoritmo implementado compara la energía producida y la requerida por el sistema hidráulico conforme a las prioridades de riego que se han fijado para el día y las posibles combinaciones de sectores de riego simultáneo. La metodología desarrollada se ha aplicado a una finca de 10 ha con cultivo de olivos en intensivo, con riego por goteo a presión constante, situada en la comarca Sierra Sur de Sevilla (Sur de España). La red de riego se ha rediseñado con distintas configuraciones de capacidad de la bomba, diferente cantidad de sectores de riego y varios caudales de los emisores. Los resultados de la gestión de la oferta y demanda de potencia han mostrado que la eficiencia del uso de la energía está entre el 27,1% y 33,3% anual, con bombas de potencias de 30 a 55 kW y con un generador fotovoltaico de 38,25 kWp. El ahorro de emisiones de CO2 por el no uso de la electricidad de la red de distribución asciende a valores entre 5,0 y 6,2 toneladas al año. Para el tamaño de generador fotovoltaico considerado, para precios de la instalación fotovoltaica por debajo de 1,65 €/Wp es rentable y con 1,19 €/Wp la rentabilidad de la inversión puede llegar al 5%. Además, para esta instalación el costo nivelado de la energía se iguala al coste de la energía eléctrica de la red de distribución cuando el escenario de precios de la instalación fotovoltaica es de 1,264 €/Wp.

One type of solar photovoltaic water pumping system is the stand-alone photovoltaic irrigation system with direct pumping to the irrigation network. The water required by the crop is pumped from a reservoir directly to the irrigation network using the energy generated by an array of photovoltaic panels, without the need for intermediate storage of water or electrical energy. The solar radiation incident on the panels is stochastic in nature and makes it difficult to manage the energy supply and demand of these autonomous installations. In this thesis, a methodology has been implemented to manage the generated solar photovoltaic energy in such a way that all the generated power is delivered to the pumping system and to the constant pressure drip irrigation network, which is divided into irrigation sectors. The developed algorithm is based on increasing the pressure of the irrigation network when the photovoltaic power increases, by increasing the speed of the pump rotation. When solar radiation decreases, the speed is reduced. The modification of the pump speed is achieved by driving the pump with an electric induction motor, which in turn is powered by a frequency converter. Variable speed drives are available on the market to be powered by the DC bus. The management algorithm considers the scheduled daily water requirements for crop irrigation, the water balance in the farm soil, the hydraulic behaviour of the irrigation network, the performance of the energy conversion devices and the generated photovoltaic power. The model determines a daily irrigation priority of the sectors according to the water deficit in the soil and the scheduled irrigation time. The implemented algorithm compares the energy produced and required by the hydraulic system according to the irrigation priorities set for the day and the possible combinations of simultaneous irrigation sectors. The developed methodology has been applied to a 10 ha farm with intensive olive tree cultivation, with constant pressure drip irrigation, located in the Sierra Sur region of Seville (Southern Spain). The irrigation network has been redesigned with different pump capacity configurations, different number of irrigation sectors and various emitter flow rates. The results of the power supply and demand management have shown that the efficiency of energy use is between 27.1% and 33.3% per year, with pumps of 30 to 55 kW power and with a 38.25 kWp photovoltaic generator. The savings in CO2 emissions due to the non-use of electricity from the distribution grid amount to values between 5.0 and 6.2 tonnes per year. For the PV generator size considered, for PV system prices below 1.65 €/Wp it is profitable and at 1.19 €/Wp the return on investment can be up to 5%. Furthermore, for this installation the level cost of energy equals the cost of electricity from the distribution grid when the price scenario of the PV installation is 1.264 €/Wp.