INTRODUCCIÓN La concentración de la población cada vez mayor en núcleos urbanos y grandes ciudades genera una demanda creciente de alimentos en cantidad y calidad asegurando un mercado para los productos de las fincas. La tendencia en la economía de las naciones desarrolladas y que ya esta ocurriendo aceleradamente en Sudamérica donde desaparecen las grandes empresas generadoras de empleo, transformación de los procesos industriales con alta tecnología y mínimo empleo hace que las actividades productivas se transformen en empresas de servicios y empresas productoras y proveedoras de alimentos. Una finca tiene todo el potencial para convertirse en una empresa productora, pero para hacerlo, debe reducir los altos costos de insumos, equipos e instalaciones y disponer de buenos servicios de agua y energía. Las llamadas energías convencionales como energía eléctrica generalmente no esta disponible en las fincas y su costo de generación y tarifas cada vez mas altos, crean una dependencia e incrementan los costos. El agua en la finca es el recurso que garantiza la producción, por tanto debe asegurarse el suministro. En la cartilla se incluye la información más importante de las llamadas Fuentes de energía alternativas. Los primeros contenidos corresponden a los conceptos, y caracterización de las llamadas energías alternativas, tales como, energía hídrica, eólica, solar y de la biomasa; sus generalidades, opciones, aplicaciones, y los criterios de selección e información necesaria para su evaluación en una finca. Los siguientes contenidos presentan la importancia de las energías alternativas en la finca y su relación con los diversos componentes o módulos como riego, establos, vivienda, otros. Los contenidos siguientes describen en forma detallada las cuatro energías alternativas consideradas, su implementación y costos estimados. Esta cartilla corresponde a la número catorce (14) de la serie de cartillas agroindustriales del Proyecto Unidades Productivas Agroindustriales para el Desarrollo Alternativo (UPAR) del Convenio Andrés Bello (CAB), que tiene como propósito principal presentar a los gobiernos de los países miembros del Convenio Andrés Bello alternativas científicas y tecnológicas para la implementación y manejo de sistemas de Producción Agropecuarios Integrados en el marco de la agricultura sostenible y las prácticas bioecológicas para ser transferidos y apropiables socialmente en los grupos sociales rurales. El Autor
CONCEPTOS Y CARACTERIZACIÓN DE ENERGÍAS ALTERNATIVAS De las diversas formas de energía que existen, se trataran aquí las energías alternativas; se llaman alternativas por que el hombre buscó salidas a las crisis económicas originadas por las continuas alzas en el precio del petróleo y cuando adquirió conciencia de que el carbón y el petróleo son recursos que se agotan. De las muchas manifestaciones de la energía en el universo, pareciera que el sol fuera la gran fuente de energía, el agua de mares y ríos se evapora por el calor y asciende hasta formar las nubes para retornar en forma de lluvia. Todos los seres vivos, se nutren de esta energía, las plantas para la formación de su clorofila y ellas a su vez alimentaran tanto a hombres como animales. Se han desarrollado muchas formas de utilización de energía, como la de una central hidroeléctrica que almacena un gran volumen de agua en un embalse, que alimenta en forma regulada una maquina llamada turbina y ésta acciona un generador eléctrico; otras maquinas menores la distribuyen a las viviendas o industrias y queda disponible a voluntad simple de accionar un interruptor, un radio o preparar alimentos. Parece que nuestros antepasados entendieron mejor la naturaleza, de ahí que el sol este presente en todas las culturas americanas como al gran Dios. En la Figura 1. Energías alternativas; vemos la importancia del sol y su relación con las formas de energía La energía de la biomasa proviene de ramas de árboles, arbustos y material vegetal de cobertura del suelo; quienes producen su propio alimento o clorofila, mediante la transformación de la energía solar, el agua y los minerales del suelo. La otra materia prima es el estiércol del ganado, caballos, cerdos y demás animales de la finca. La energía hidráulica tiene su inicio en las lluvias, que alimentan los ríos y quebradas; en su recorrido se encuentran caídas que constituyen energía cinética aprovechable en diversas formas, desde una central hidráulica para generación de energía eléctrica, hasta la sencilla y muy útil bomba de ariete. El agua retorna a la atmósfera y forma nuevamente las nubes por medio de la evaporación producida por el sol.
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Figura 1. Fuentes de energías alternativas
En la energía eólica o del viento también encontramos la manifestación del sol, los vientos se forman por las diferencias de temperaturas producidas por la radiación solar que reciben las masas de aire, y que es aprovechada como energía cinética por las aspas de un molino de viento para extraer agua de un pozo, o por el rotor de un aerogenerador eléctrico.
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La energía solar es aprovechable para calentar agua o aire en colectores solares, pero también es un gran potencial para la generación de energía eléctrica mediante celdas fotovoltaicas y concentradores.
Existen otras fuentes de energía aprovechables por el hombre, su aplicación es un poco mas especifica y su tecnología se encuentra en desarrollo.
¿CUALES SON LAS ALTERNATIVAS? Las alternativas más utilizadas son la energía hídrica por menor costo, nivel tecnológico y escala de sus instalaciones, mediante el aprovechamiento de la energía cinética del agua. En segundo lugar esta la energía eólica en la que se aprovecha la energía cinética de las masas de aire para extraer agua por medio de las maquinas conocidas como molinos de viento. En tercer lugar esta la energía solar con sus aplicaciones a pequeña escala para calentamiento de agua o aire por medio de los colectores solares, otras opciones sobrepasan los US $ 1,000 dollares por kilovatio y aunque son muy eficientes no es una solución viable para una finca. En cuarto lugar esta la energía de la biomasa, que es el aprovechamiento de material orgánico de la finca para la producción de gas útil en la preparación de alimentos; esta opción reduce el consumo de madera, pero se pierde la oportunidad de fertilizar los suelos.
Energía hídrica Es la energía del agua en movimiento que mediante maquinas se transforma directamente en potencia mecánica para ser utilizada en otra maquina. Los ríos y quebradas han sido las fuentes de esta energía desde épocas muy antiguas de la humanidad; su energía es aplicada para hacer girar un molino de granos con la energía cinética de la corriente, posteriormente se aprovechó la caída para accionar turbinas y generar energía eléctrica. Desde las primeras centrales instaladas en 1870 en Estados Unidos e Inglaterra, su tecnología se ha desarrollado y es así que hoy es la primera fuente de generación eléctrica del mundo. El agua, es sin duda, el elemento esencial que caracteriza la tierra. La circulación constante a través del ciclo hidrológico, la energía cinética permanente en el movimiento de ríos y quebradas y la energía potencial asociada con los saltos ha sido siempre recurso energético de la humanidad. La potencia depende del caudal (volumen de agua en litros por segundo) y de la caída (diferencia de altura entre el punto donde se toma el agua y el punto donde se instala la máquina)
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En una unidad de producción agropecuaria, interesan las aguas superficiales de ríos o quebradas con un caudal aprovechable. En la Figura 2 se ilustran las opciones de aprovechamiento.
Figura 2. Opciones energía hidráulica Las opciones y aplicaciones pueden ser entre otras las siguientes: OPCIÓN Rueda hidráulica Hidrobomba Turbobomba Turbina
•
APLICACIÓN Molinos de granos, yuca
• • • •
Ariete hidráulico, para elevar agua Elevación y bombeo Elevación y bombeo de agua. Generación electricidad
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Energía eólica Es la generada por la acción del viento y por las diferencias de temperatura en la atmósfera. Esta energía cinética constituye la potencia eólica que el hombre ha utilizado inicialmente en la navegación, en el bombeo del agua, para molienda de granos y otras actividades. Los primeros molinos datan del siglo VII D.C. en Persia hoy Irán, para riego y molienda de granos. En el siglo XIX fue empleado para triturar minerales y al final del siglo XIX en Dinamarca apareció el primer molino generador de energía eléctrica. Hoy en día Alemania, Dinamarca, Inglaterra y Estados Unidos lideran los adelantos tecnológicos en la generación de energía eléctrica usando esta fuente. Para aprovechar esta potencia el hombre ha creado máquinas eólicas. En unas se aprovecha directamente la energía mecánica, en otras se acciona un generador eléctrico. El desarrollo de esta tecnología se orienta hacia la generación eléctrica, la que puede ser hasta de 2.5 megavatios (unos 25,000 bombillos de 100 vatios) como es el caso del aerogenerador instalado en Grevenbroich (Alemania) en la primavera del 2000.
MAQUINAS EOLICAS
MECANICAS
AEROGENERADOR
ELECTRICA
Aspas
Aspas
Generador Rotor
Rotor
Aspas
Biela Engranaje
Arbol de transmisión
Arbol de transmisión
Bomba electrica
Bomba Rotatoria Engranaje Bomba de pistón Arbol de transmisión
Rotor horizontal Multiaspas Baja velocidad Bomba de pistón Transmisión: Eje, biela, árbol.
Rotor horizontal Dos o tres aspas Alta velocidad Bomba rotatoria Transmisión: Eje, engranaje, árbol,
Rotor horizontall Dos o tres aspas Alta velocidad Bomba eléctrica Transmisión: Cable eléctrico.
Natali/02
Figura 3. Opciones energía eólica
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Las opciones y aplicaciones de la energía eólica son las siguientes:
OPCIÓN Rotor multiaspas y bomba de pistón,
• •
APLICACIÓN Extracción y bombeo de agua de pozos excavados. Extracción y bombeo de agua de reservorios, estanques y canales.
Rotor dos o tres aspas, bomba rotatoria.
•
Extracción y bombeo de agua de reservorios, estanques y canales.
Rotor dos o tres aspas, motor bomba
•
Extracción y bombeo de agua de pozos profundos. Extracción y bombeo a mayor profundidad y cabeza.
•
Energía solar El sol se comporta como un horno gigantesco permanentemente encendido por las llamadas reacciones termonucleares. A la temperatura de millones de grados centígrados la materia del sol, se encuentra en partículas muy pequeñas llamadas subatómicas. Estas partículas están en continuo movimiento y chocan entre sí; el hidrógeno choca con el carbono y con otros elementos originando las reacciones en cadena. De estas reacciones resulta la energía radiante que llega a la tierra en unos 8 minutos después de producida la reacción y viaja a la velocidad de la luz, unos 300,000 km por segundo. La energía radiante emitida por el sol que atraviesa la atmósfera sin experimentar cambios sensibles, se denomina energía solar directa y energía difusa. La suma de las dos se denomina radiación diaria global. La radiación solar se puede medir directamente con unos instrumentos llamados Pirheliómetros, que miden la radiación solar directa. Otros instrumentos usados son el piranómetro y el actinómetro Otras formas son estimadas mediante unos procedimientos de cálculo y registrador de horas de sol.
con el
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Esta energía se puede medir como:
CONCEPTO Energía Área y tiempo
UNIDADES Vatios(W) m2 h
La radiación diaria en un área determinada está en función de las condiciones atmosféricas y de las masas de aire. La radiación diaria que sería recibida sobre una superficie horizontal depende de la altura, de la posición de la tierra con relación al sol y del clima.
Innumerables son las manifestaciones de la energía solar, de las cuales podemos citar entre otras: En la formación de la vitamina D2 como sustancia activa para combatir el raquitismo, la sola exposición a la luz solar permite la formación de esta vitamina. Es la base para producir energía eléctrica en las celdas fotovoltaicas donde se generara una corriente eléctrica por excitación de los átomos de silicio.
En la fotosíntesis ocurre un proceso similar a las celdas fotovoltaicas. Aunque en aquélla no se produce una corriente eléctrica, es sin embargo la energía para que las plantas produzcan su propio alimento. El aprovechamiento de la energía solar la podemos apreciar en la Figura 4.
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ENERGIA SOLAR SISTEMAS ACTIVOS
SISTEMAS PASIVOS
CONCENTRADORES
TERMICOS
ELECTRICIDAD
AGUA O AIRE FRIO
Celdas fotovoltaicas AGUA O AIRE CALIENTE
Sistema termodinamico
Turbo bomba
Generador
Alumbrado electrodomestico
PLACAS PLANAS
Figura 4. Opciones energía solar
En un sistema de aprovechamiento de energía solar se encuentran tres componentes: Captación, almacenamiento, distribución y control.
En la Figura 5, se muestra un sistema solar de calentamiento de agua, un sistema de generación de energía eléctrica y sus componentes.
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Figura 5. Componentes, sistema calentamiento agua y generación energía eléctrica
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Las opciones y aplicaciones de la energía solar son las siguientes: OPCIÓN Colector de placas planas, dispuestos en módulos
Celdas fotovoltaicas, dispuestas en paneles.
• • • • •
Máquinas térmicas
•
APLICACIÓN Calentar aire o agua. Calefacción o refrigeración de la vivienda Deshidratación de alimentos. Generación de energía eléctrica para alumbrado y un electrodoméstico de bajo consumo Calentar agua o aire con un intercambiador Bombeo de agua. Esta tecnología esta en desarrollo
Energía de la biomasa Es la energía aprovechable de la materia orgánica de origen vegetal, animal o humana. Esta materia se genera en procesos naturales en una finca, pudiéndose mezclar previamente preparadas en proporciones definidas según el proceso, para la producción de gas metano, o líquidos como alcohol. En la Figura 6. se ilustran los diferentes procesos
Figura 6. Opciones y aplicaciones energía de la biomasa
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Básicamente existen dos procesos: Conversión bioquímica. Se realiza en un tanque sellado llamado Digestor, donde se controla el contenido de agua, temperatura, período de retención y acidez. El producto obtenido es un gas de propiedades similares al metano. El proceso se llama digestión anaeróbica (en ausencia de oxigeno). El otro proceso es la fermentación para producir alcohol o metano. Conversión térmica. Se realiza en un tanque sellado llamado gasificador, el proceso se llama pirólisis (combustión incompleta en ausencia de oxigeno), para producir gas metano. Las opciones y aplicaciones de la energía de la biomasa son las siguientes: OPCIÓN Conversión bioquímica en digestor
Conversión térmica en gasificador
• • • • •
APLICACIÓN Producción de gas como combustible Producción gas para motobomba. Producción de alcohol para mezclar con gasolina automotor. Producción de gas como combustible Producción de gas para motobomba.
Algunas desventajas de estos sistemas son:
1. Es una fuente de contaminación del aire 2. La dificultad por parte del usuario para lograr la mezcla exacta de ingredientes de sólidos, líquidos y el control de la acidez del proceso. 3. Requiere gran mano de obra en la manipulación y transporte de los ingredientes 4. Soluciona el problema de combustible en la finca pero no el del agua 5. Se obtienen mejores resultados cuando se usa la materia orgánica en la preparación del compost para fertilizar los suelos y cultivos.
Se puede citar también la energía térmica usando como combustible la madera, pero a menos que no exista ninguna otra alternativa y sea imperativo usarla, el costo ambiental es muy alto.
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Otras fuentes de energía Otras fuentes de energía NO renovables como el petróleo y el carbón se caracterizan por: •
Ser limitadas en el universo
•
Ser altamente contaminantes. En las centrales térmicas de generación de energía eléctrica con base en carbón, además de los gases de la combustión, también pasan a la atmósfera partículas y cenizas.
•
Los procesos de transformación son irreversibles, al quemar carbón en una caldera su energía eleva la temperatura del agua hasta generar el vapor, que luego se transforma en energía mecánica para mover las turbinas y los generadores.
•
Son recursos de consumo por eso se dice que un kilogramo de carbón por tonelada de vapor
Las fuentes de energía renovables como el viento y los ríos se caracterizan por: •
Si se hace uso racional en especial del agua y la biomasa son prácticamente inagotables.
•
No son contaminantes.
•
En el proceso de transformación su estado natural no sufre alteración, el agua de una caída que se utiliza para mover una rueda que impulsa un molino y que retorna a su cauce natural, el viento que mueve las aspas que transmiten esa fuerza para impulsar una bomba y que luego sigue su camino.
•
No son fuentes de consumo. En estos sistemas se habla de eficiencia.
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¿CUALES SON LOS CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LA ENERGIA? Antes de tratar los criterios de selección se debe tener claro ¿Qué volumen de agua diaria necesito?, esta respuesta y su forma de estimarla se encuentran en la cartilla CAPTACIÓN CONDUCCIÓN Y MANEJO DEL AGUA. Otro aspecto importante en la selección y que debe estar bien claro, ¿Cuál es el problema a resolver?, EL PROBLEMA ES SUMINISTRO DE ENERGIA PARA BOMBEO DE AGUA EN UNA FINCA. La energía eléctrica para alumbrado o aparatos electrodomésticos es otro problema y cuya solución no se tratará en esta cartilla. Con base en la información del proyecto y de cada una de las cuatro fuentes consideradas: hídrica, eólica, solar y biomasa; se seleccionaran las opciones que técnicamente ofrezcan mayor confiabilidad, en especial qué tan promisoria o viable es la fuente y la escala de requerimiento de energía. El segundo criterio de selección es el económico, ¿Cuáles son los costos mensuales? ¿Cuánto cuesta un litro o un metro cúbico puesto en el tanque de almacenamiento?. Es prudente incluir las soluciones con sistemas convencionales como electrobombas o motobombas. Para evaluar la confiabilidad debemos identificar los elementos críticos, es decir aquellos que sin ellos, el sistema no funciona, sus fallas posibles y el tiempo de solución. El aspecto de viabilidad tiene que ver con el comportamiento de los costos, los que no deben tender a subir y la disponibilidad de la fuente. La escala de requerimiento de la energía define el rango de opciones, por eso prácticamente se descartan máquinas como turbinas hidráulicas, por que son solución para escalas de necesidades mayores como por ejemplo una vereda, una población de 300 ó 500 habitantes. En la Tabla 1 se resumen los criterios técnicos más importantes a tener en cuenta para la selección, en la Tabla 2, los criterios económicos y en la Tabla 6, las ventajas y desventajas más importantes. No se presenta información completa para las fuentes de energía solar y de biomasa puesto que las opciones y tecnologías, son muy costosas y corresponden a soluciones de mayor escala. Los costos mensuales se estimaron como la suma del costo de mantenimiento y operación, mas la inversión de los equipos e instalaciones con una vida útil de tres años.
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Tabla 1. Criterios técnicos de selección
Hidrobomba
HIDRÁULICA
Bomba Ariete
Opción
Requerimientos Técnico s Caudal mínimo de la fuente 1 lt/seg Caída mínima 1 m Cabeza de bombeo 100 m Longitud de bombeo 1000 m Caudales máximos y mínimos en Tabla 4 Caudal mínimo de la fuente 1 lt/seg Caída mínima 0.2 m Cabeza de bombeo 250 m Longitud de bombeo 10000 m
SOLAR
EÓLICA
Aerogenera Molino de aspas dor
Caudales máximos y mínimos en Tabla 5
Celdas fotovoltáicas Concentradores
Velocidad mínima del viento 1.5 m/seg Cabeza de bombeo 10 m Longitud de bombeo 500 m Bombeo con viento de 2 m/seg 2 m3 /día Bombeo con viento de 6 m/seg 7 m3 /día Es una solución para mayor escala Las velocidades son mayores El costo es de 1000 dólares por kilovatio El costo es muy elevado La tecnología se encu entra en desarrollo
BIOMASA
Digestor
Clima húmedo Temperatura media anual mayor de 15 °C Producción de residuos de cosecha secos 20 kg/día Área producción de residuos 5 hectáreas. Producción es del 15% del volumen del digestor Gasificador
Clima húmedo Temperatura media anual mayor de 15 °C Producción de residuos de cosecha secos 100 kg/día Área producción de residuos 15 hectáreas.
CONVEN CIONAL
Es una solución para mayor escala Electrobomba Motobomba
Disponibilidad de energía eléctrica trifásica, servicio de soporte y mantenimiento Disponibilidad de combustible, disponibilidad de soporte y mantenimiento
Nota: Costos en dólares
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Tabla 2. Criterios económicos de selección Equipos necesarios
Obra Civil Opción
Costo
Bomba Ariete
Partes
Costo unitario U$/m3
Placas de anclaje 1 m3, muros 4 m2
Hidrobomba
Costo Equipos Costo
Costo Mensual
Excavación 5 m3, pisos y muros 12 m2
200
Cambio empaques una 1000 vez/año, lubricación mensual
2
35.3
0.353
Molino de aspas
SOLAR
Placa anclaje 1 m3, pivotes tirantes 1m3
Engrase Bomba, mensual, 100 accesorios, 800 empaques Torre, rotor bomba anual
6
31.0
0.413
Anual 3200 empaques, rodamientos
16
138.2
13.822
Motobomb Anual Motobomba Caceta 2x2x2 m 1200 a, 3000 empaques, accesorios rodamientos
30
146.7
14.667
20
Bomba, accesorios
200 Mínimo
0
6.1
0.122
Bomba, accesorios
Aerogener ador
EOLICA
HIDRAULICA
Obra Civil
Mantenimiento y operación
Celdas fotovoltaicas
CONVENCIONAL
Digestor Gasificador
BIOMASA
Concentradores
Bomba, motor, Electrobomba Caceta 2x2x2 m 1200 tablero, arrancador, accesorios
Nota: Costos en dólares
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Tabla 3. Ventajas y desventajas
CONVENCIONAL
Bomba Ariete Hidrobomba Aerogen Molino de aspas erador
Costo Costo unitario Confiabilidad Mensual U$/m3
6.1
Tapado delUso filtro, desgaste 0.122 empaques, Caudal de entrada
Ventajas principales
Desventajas
Uso energía de ríos Costo mínimo de mantenimiento
Requiere flujo continuo, no arranca sola.
No es contaminante Baja inversión Funciona 24 horas sin operario
35.3
Tapado del filtro, desgaste Costo bajo de mantenimiento Requiere muros y cerramiento para protección 0.353 empaques, No es contaminante Caudal de entrada
31.0
Tapado del Funciona 24 horas sin operario filtro, desgaste La velocidad y régimen de vientos 0.413 empaques, baja Costo bajo de mantenimiento locales definen la factibilidad velocidad del viento
Celdas fotovoltaicas
Digestor
Concentradore s Requiere control de proceso, mano Soluciona la necesidad de de obra y un volumen muy grande combustible, pero no la energía para generar el gas de un motor, debe para bombeo destinarse un área considerable a la producción de material
Gasificador
BIOMASA
SOLAR
EOLICA
HIDRAULICA
Opción
Requiere equipos e instalaciones en el ámbito industrial, es una solución más como combustible que como energía para bombeo de agua. Requiere operarios especializados y gran mano de obra.
Tapado del filtro, desgaste Electrobomba 138.2 13.822 empaques, Mayor capacidad de bombeo cortes de energía Tapado del filtro, desgaste Mayor capacidad de bombeo Motobomba 146.7 14.667 empaques, sin combustible Nota: Costos en dólares
Requiere operario, inversión alta, riesgo de pérdida por robo
Requiere operario, inversión alta, riesgo de perdida por robo
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¿CUÁL ES LA INFORMACIÓN NECESARIA? Las alternativas de energía solar y biomasa no son viables para suministro de agua en una finca, de acuerdo con los criterios de selección y no se consideran en la cartilla. Existen diferentes fuentes de información, en el ámbito local y regional como también en el ámbito nacional, generalmente son instituciones gubernamentales, que han dispuesto estaciones meteorológicas en diferentes puntos geográficos. La información necesaria para las alternativas hidráulica y eólica, debe incluir como mínimo lo siguiente: ♣ Plano de la finca en escala 1:5,000 con curvas de nivel cada metro y que incluya: •
Localización de todos los componentes de la finca.
•
Localización de las fuentes de agua.
♣ Localización de la estación meteorológica más cercana, y adquirir información de: •
Caudales mensuales de 3 años en litros por segundo
•
Precipitación diaria y mensual de 3 años en milímetros diarios.
•
Rosa de los vientos de 5 años. Frecuencia relativa en las 12 o más direcciones y velocidad media en metros por segundo.
•
Evapotranspiración diaria en milímetros diarios.
•
Radiación solar diaria de 3 años en vatios por metro cuadrado.
♣ Calidad fisicoquímica de las fuentes de agua. •
Reglamentación del uso del agua local y regional.
•
Demanda de agua de la finca.
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LA IMPORTANCIA DE ALTERNATIVAS EN UNA FINCA
LAS
ENERGÍAS
Estructura general Se representa el suministro de agua en una finca y su estructura en la Figura 7 donde se pueden identificar cuatro componentes: suministro de agua, componente uso del agua y los consumidores. El modelo es una herramienta para representar e identificar las partes o elementos, las funciones que realizan y sus relaciones con los demás. Es útil para tomar acciones y solucionar problemas como por ejemplo ¿Cuántos litros debo almacenar diariamente en invierno para mantener el riego de mi cultivo que para esa época esta en floración?
Objetivos •
Implementar soluciones económicas y confiables de energía para el suministro de agua a la finca.
•
Suministrar el agua para garantizar la vida de las personas, plantas y animales de la finca.
•
Controlar el uso eficiente del recurso.
Componentes El primer componente representa la Información de la finca, desde los diseños agrícolas y pecuarios, clima, suelos y costos. Es responsable por toda la información y su actualización. Esta relacionado con todos los demás componentes. El segundo componente Suministro de agua, representa el proceso de evaluación de las fuentes de energía alternativas; tiene como funciones obtener solución para captar, conducir y distribuir el agua a la finca. Mantiene relación con el componente de información y de los consumidores.
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Figura 7. La energía y el agua en la finca
El tercer componente Uso eficiente del agua, representa el control que se debe tener sobre el recurso según las necesidades, por cambios climáticos o necesidades de los cultivos. Tiene la función de hacer el programa de riego y administrarlo.
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El cuarto componente representa la Producción de la finca y el consumo del recurso, sus funciones son la de mejorar la calidad de vida de las personas y el logro de alta productividad.
LA ENERGÍA A TRAVÉS DEL AGUA Generalidades En esta cartilla se consideran como fuentes de energía hidráulica los ríos o quebradas cercanas a la finca. La aplicación de que tan cercana o lejana está la fuente depende de los costos de conducción desde la captación al tanque de almacenamiento y distribución, su porcentaje sobre los costos totales para la factibilidad económica. El recurso hídrico en todas las comunidades y naciones es de interés general y como existen leyes, normas que rigen y reglamentan su uso, el proyecto deberá contar con la debida aprobación por parte de la respectiva autoridad ambiental, de no ser así se generan conflictos entre las comunidades. En todo caso lo mejor será siempre la política del buen vecino y la concertación.
¿Qué tareas iniciales se deben realizar? En el plano del proyecto se encontraran los componentes y elementos de la finca. El plano debe tener curvas de nivel lo más exactas posibles en escala 1:5000 preferiblemente, allí se encontraran localizadas e identificadas las fuentes de agua. La primera tarea al considerar el agua como fuente de energía aprovechando ríos o quebradas cercanos a la finca es conocer su potencial, para eso se hace medición de caudal o aforos, estas mediciones son expresadas en unidades de volumen por unidad de tiempo. El volumen se expresa en litros (lt) ó metros cúbicos (m3) y el tiempo en segundos (seg). La segunda tarea es conocer la calidad del agua de las fuentes, por medio de entidades de salud o con la asesoría de un profesional, aquí se aplicarán las recomendaciones dadas, en especial si el destino del recurso incluye el consumo humano.
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La tercer tarea consiste en conseguir toda la información posible de las fuentes de agua y del proyecto. Esta información debe incluir: • • • • • • •
Caudales medios mensuales: (litros por segundo). Caudales mínimos: (litros por segundo). Caudales máximos: (litros por segundo). Electrosondeos de aguas freáticas y subterráneas. Distancia de la fuente al tanque de almacenamiento (metros). Perfil de la línea de conducción. Caudal diario máximo necesario en la finca metros cúbicos por día (m3/día).
La información de caudales se localiza en las entidades gubernamentales o privadas de servicios de hidrología y meteorología, de no ser así se usaran los aforos sugeridos en la tarea 1. La información restante es parte de la información del proyecto.
¿QUÉ OPCIONES SE CONSIDERAN? En el proyecto de una finca se consideraran opciones cuya factibilidad técnica y económica permitan la ejecución del proyecto. Se aplican los criterios de: • •
Uso eficiente del recurso Costo mínimo de operación y mantenimiento.
♣ OPCION 1. Energía hidráulica y bomba de ariete. ¿Que es la bomba de ariete? Es una maquina que aprovecha la energía cinética de una caída de agua para crear un aumento instantáneo de presión (golpe de ariete) en el tubo de entrada. ¿Cómo funciona la bomba? El bombeo se produce en ciclos de cierre y apertura de la válvula de impulso y la válvula de entrega.
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Al comienzo del ciclo, el agua de la fuente baja rápidamente por el tubo de entrada, ganando velocidad y potencia y escapa finalmente por la válvula de impulso Figura 8A. En la medida que el flujo en la válvula es mayor, aumenta la presión hidráulica sobre ella, hasta que sobrepasa su peso y se le obliga a cerrar. La columna de agua se detiene y se genera un aumento súbito de presión en el tubo de descarga lo que hace que la válvula de entrega se abra y el agua fluya a la cámara de aire (Figura 8B). El flujo del agua continua hasta que la presión del flujo sea menor al peso de la válvula de entrega, y menor al peso de la válvula de impulso, la cual se abre nuevamente y el agua de la fuente vuelve a fluir comenzando un nuevo ciclo de bombeo (Figura 8C).
Figura 8a , 8b, 8c . Ciclos Bomba ariete
La cámara de aire amortigua la presión del agua que entra y asegura un flujo relativamente continuo en la tubería de entrega. En cada ciclo el aire que sale con el agua se aspira nuevamente por una pequeña válvula. La bomba debe arrancarse operando la válvula de impulso manualmente (abrir) hasta que la bomba trabaje por la acción del impulso del agua ¿Cuales son los requerimientos para el funcionamiento? En la Figura 9. muestra un esquema de instalación. H es la cabeza de suministro, Q caudal de la fuente, q caudal a entregar y h cabeza de entrega.
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Debe cumplir con los siguientes requerimientos: El suministro de agua de la fuente debe ser uniforme y continuo Caudal mensual promedio de la fuente Q de 3 a 5 litros por segundo. Cabeza de suministro H entre 1 y 8 metros. Cabeza de entrega h menor de 100 metros
FIGURA 9 Sistema captación, Bomba ariete y conducción
¿Cómo diseñar un sistema? Con la información anterior, consultamos fabricantes de este tipo de bombas. Existen básicamente dos ofertas: En la primera el diseño de la bomba es fijo, las variables se encuentran en una tabla precalculada indicando el caudal esperado en el tanque de almacenamiento en litros día, para parejas de cabeza de caída H y cabeza de suministro h. Si este es el caso se
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buscara la ubicación y la fuente que ofrezca el mayor caudal en lt/día. En la Tabla 4 se presentan los datos del Manual técnico de la bomba del Centro Gaviotas. En otros casos el fabricante ofrece bombas con rangos de capacidades, modelos de bombas para proporciones diferentes de H con relación a h, es decir a cuantos metros sube el agua por cada metro de cabeza de caída con un rango de caudal de entrada a la bomba. La respuesta de la tabla para unas necesidades dadas es el caudal de entrada a la bomba. En la Tabla 5 se presenta la información de las bombas de la firma KENYA Ltda.
TABLA 4. Selección ariete Gaviotas
CAUDAL DE SUMINISTRO MODELO CENTRO GAVIOTAS q (lt/día)
h (m)
ALTURA DE BOMBEO
Ho (metros)
Ho(m)
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
10
2,419
4,060
5,357
6,566
8,467
9,676
12,096
15
1,987
2,678
3,802
4,925
6,134
7,776
9,245
20
1,642
2,085
3,024
3,686
5,184
5,875
7,258
25
1,123
1,729
2,335
3,283
4,147
5,141
5,875
30
734
1,210
1,987
2,808
3,456
4,060
4,838
40
475
950
1,541
2,160
2,592
3,370
3,715
50
648
1,282
1,814
2,074
2,506
2,851
60
518
907
1,296
1,728
2,074
2,506
70
778
1,037
1,296
1,642
1,814
80
634
864
1,123
1,334
1,555
691
994
1,209
1,392
800
1,037
1,296
90 100
NOTA
CAIDA DE AGUA DISPONIBLE
Las pérdidas por cada 100 metros de conducción, aproximadamente pueden ser del 15 % del caudal de sumistro.
25
TABLA 5. Selección ariete Kenia
ARIETE KENYA Modelos Necesarios para accionamiento (lt/min) Proporción 1:3 1:4 1:5 1:6 1:7 1:8 1:9 1:10 1:11 1:12 1:13 1:14 1:15 1:16 1:17 1:18 1:19 1:20 Tubería entrada Tubería bombeo Peso (kg)
3
4
5
12 a 20
20 a 30
40 a 65
Bombeo en lt/h
180300 120210 100170 80140 70120 60105 55100 4585 4080 4070 3565 3060 3055 2550 2045 2040 1840 1535 1" 1/2" 14
300420 220320 180270 150220 115190 105170 90150 85135 75120 70110 65100 6095 5585 5080 5075 4570 4060 4055 1 1/4" 1/2" 20
640950 440700 350570 300480 245420 210360 180320 150290 140255 125255 110195 100175 85155 80140 70125 60110 55105 45100 2" 3/4" 34
¿Cuál es la disponibilidad de la fuente en lt/min ? ¿Cuántos lt/h necesita bombear? ¿Cuál es la cabeza de carga en m ? ¿Cuál es la cabeza de bombeo en m? ¿Cuál es la proporción entre la cabeza de carga y la de bombeo?
32 150 4 32 1:8
Q q H h
26
OPCION 2. Energía hidráulica e hidrobomba.
Es una bomba que trabaja con la energía cinética del agua. Puede considerarse como un aprovechamiento de la antigua rueda hidráulica y la bomba de ariete. En esta bomba la energía cinética del agua se transforma en energía mecánica para accionar unos pistones e impulsar el agua. Una de las más conocidas es la bomba Rochfer marca Brasilera. En la Figura 10 se ilustra un sistema de esta bomba.
Figura 10. Modelo hidrobomba
Principio de funcionamiento. El agua se alimenta por un canal ó tubo con una pendie nte suave, haciendo girar la rueda y esta a su vez acciona el pistón de succión, el agua entra a una cámara que cuenta con válvulas de entrada y salida que por diferencias de presión alimenta al pistón impulsor.
27
¿Cómo dimensionar una bomba?
Para el dimensionamiento de una bomba, se suministra al fabricante los siguientes datos:
1. 2. 3. 4. 5.
Caudal de la fuente lt/seg Cabeza de entrega en metros Altura del piso al nivel de la fuente de suministro en metros Distancia de conducción en metros Caudal necesario en el tanque de almacenamiento lt/día.
Con esta información el fabricante y asesor recomendará el modelo más conveniente. En las siguientes tablas se presenta la información para una bomba Rochfer: En la Tabla 6 Características de bombeo, en la Tabla 7 Caudales de bombeo y en la Tabla 8 Modelos de bombas. Tabla 6. Características de la bomba Rotchfer
Características
Modelo MS-42 MS-6 MS-4 1,10 x 0,17 1,37 x 1,90 x Rueda (diámetro x ancho) m 0,17 m 0,25 m Diámetro entrada 3/4" 1" 1.1/4" Diámetro salida 3/4" 1" 1.1/4" Capacidad tanque aceite ( SAE 30 o 40) 1 litro 1,7 litros 2 litros Peso: (Bomba + Rueda + caballete) 72 Kg 105 Kg 218 Kg sentido de los pistones 66 cm 86 cm 114 cm Dimensiones sentido del eje de la 73 cm 65 cm 86 cm rueda
MS-89 2,20 x 0,36 m 1.1/2" 1.1/2" 5 litros 493 Kg 160 cm 106 cm
28
Tabla 7. Caudales de bombeo bomba Rotchfer
Serie
Modelo
Rueda
M
MS-42
1,10 x 0,17 m
MS-6
1,37 x 0,17 m
B
MS-4
1,90 x 0,25 m
C
MS-89
2,20 x 0,36 m
A
Curso pistones (cm) 30 60 38 54 80 80 95 110 120 85 110 135 160
Rotación por minuto de la rueda 20 30 40 50 Caudal de bombeo (litros por día) 2.200 3.400 4.500 5.650 4.500 6.800 9.100 11.350 4.250 6.400 8.550 10.700 6.050 9.100 12.150 15.200 8.950 13.500 18.000 22.550 17.150 25.800 34.400 20.400 30.600 40.950 23.650 35.450 47.300 25.800 38.700 51.600 29.700 44.600 38.450 57.750 42.250 70.900 56.000 84.000 -
29
Tabla. 8. Modelos de bombas MODELO BOMBA Altura MS-42 MS-6 MS-4 MS-89 de CURSO DE LOS PISTONES bombeo 6 4 6 8 9 10 11 12 9 11 13 16 (metros) 3 Caudal mínimo necesario (litros por segundo) 10 1,0 1,5 1,0 1,5 2 4,5 5,0 5,5 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 20 1,3 2,0 1,5 2,2 3,0 5,5 6,0 6,5 7,0 8,0 10,0 12,0 14,0 30 1,7 2,5 2,0 3,0 4,0 6,5 7,0 8,0 9,0 10,0 12,0 15,0 18,0 40 2,0 3,0 2,5 4,0 5,5 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 15,0 18,0 22,0 50 2,5 4,0 3,0 5,0 7,0 10,0 11,0 12,0 13,0 15,0 18,0 21,0 26,0 60 3,0 5,0 4,0 6,0 8,0 12,0 13,0 14,0 15,0 17,0 21,0 25,0 30,0 70 3,5 5,5 5,0 7,0 * 13,0 14,0 17,0 18,0 21,0 25,0 30,0 * 80 4,0 6,0 6,0 8,0 * 15,0 17,0 20,0 * 24,0 30,0 * * 90 4,5 * 7,0 * * 17,0 20,0 * * 27,0 * * * 100 5,0 * 8,0 * * 20,0 * * * 30,0 * * * > 100 * * * * * * * * * * * * *
30
OPCION 3. Energía hidráulica y Rueda
La rueda hidráulica es la más antigua forma de aprovechamiento, fue usada con muchos propósitos, para partir minerales, acuñar monedas, moler granos y muchos más. En la Figura 11 se muestra un tipo de rueda La rueda básicamente cuenta con paletas que reciben el agua de diferentes formas, unas por encima de la rueda, otras a la altura del eje y otras al nivel inferior. El diámetro de la rueda esta en función del caudal de la fuente y de la cabeza disponible, el diámetro será mayor a menor caudal. Sus aplicaciones en una finca son variados, pueden emplearse para mover máquinas picadores de pastos, forrajes o yuca.
Figura 11. Rueda hidráulica, para triturar mineral
31
Implementación de la bomba Para su implementación se requiere realizar las siguientes actividades básicas: •
Programa de trabajo. Actividad a realizar, responsable y tiempo de ejecución.
•
Información de caudales. Ver requerimientos de información.
•
Seleccionar el lugar para anclar la bomba. Área plana de 2 x 2 metros nivelada, con pernos empotrados para fijar la bomba.
•
La diferencia de altura entre la fuente y el punto de anclaje debe ser de 1 a 8 metros. La tubería de cargue de la bomba debe ser un tubo galvanizado en línea recta entre 10 y 50 metros de la fuente a la bomba.
• •
El tubo deberá instalarse a unos 20 centímetros del fondo de la fuente para evitar entrada de sólidos.
•
El tubo se instala siempre inclinado de 30 a 45 °.
•
El excedente de la bomba debe regresarse a la fuente en tubería o a un cauce natural.
•
La tubería de descarga debe ser también galvanizada los tres primeros metros. Toda curva o codo en una conducción genera pérdidas, se buscará en lo posible que sea en línea recta.
•
La tubería de entrada y la de salida de la bomba se fija con abrazaderas para evitar la vibración generada por el agua en la bomba.
Puesta en marcha: Para la puesta en marcha de la bomba de ariete se requiere: • • • •
Ajustar todos los accesorios: tornillos, abrazaderas y registros. Abrir el registro de entrada a la bomba Abrir la válvula impulsora para que inicie el ciclo. Calibrar la válvula impulsora por medio del tornillo y de acuerdo con el mayor o menor caudal que llegue al tanque de almacenamiento.
32
Mantenimiento. El mantenimiento de una bomba de ariete se reduce a:
•
Ajustar la válvula de impulso. Según el numero de ciclos por minuto y el caudal obtenido en el tanque de almacenamiento
•
Revisar el funcionamiento de la válvula de suministro. Debe estar abierta completamente.
•
Reemplazar los sellos de la válvula. Por desgaste después del tiempo recomendado por el fabricante o por rotura manifiesta en escapes de agua.
•
Limpiar la bocatoma y los filtros de reducción de lodos
•
Ajustar los tornillos de anclaje. Se tienden a aflojar por la vibración.
El mantenimiento de una hidrobomba consiste en: •
Limpiar la bocatoma y los desarenadores ó filtros de reducción de lodos
• Ajustar los tornillos de anclaje. Se tienden a aflojar por la vibración •
Suministrar un cuarto de aceite mensualmente al tanque de lubricación.
•
Cambiar empaquetaduras anualmente.
33
LA ENERGIA A TRAVÉS DEL VIENTO Generalidades En la implementación de un sistema de energía eólica se deben tener en cuenta las siguientes tareas: Información del régimen de vientos locales lo más próximos al área de la finca, análisis de la dirección de los vientos (Rosa de los vientos) y la ubicación del molino de viento.
Selección del lugar de anclaje del molino. La rosa de los vientos es como una fotografía en las 24 horas del día. En la Figura 12 se muestra una rosa de los vientos.
Figura 12. Rosa de los vientos
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En ella se representa la frecuencia con que el viento permanece en cada dirección y su velocidad media de m/seg. Se requiere que el molino funcione el mayor tiempo posible, entonces se selecciona la dirección de mayor frecuencia. El siguiente paso tiene que ver con los obstáculos que pueda encontrar el viento en esa dirección, debiendo ubicar la que tenga menor o preferiblemente un terreno liso.
A falta de información, buena es la observación. Los árboles y arbustos del área son una gran guía para conocer cual es la dirección predominante del viento. Otra huella es la erosión marcada a su paso por los suelos desprotegidos de ve getación. En la Figura 13 se puede observar el estado de un árbol con el paso de los años soportando la acción del viento.
Figura 13. Manifestación de la acción del viento
A mayor numero de obstáculos la rugosidad es mayor y el potencial energético del viento disminuye.
35
No todos los obstáculos son negativos, existen condiciones favorables que se pueden aprovechar, entre ellas están: El efecto túnel: Algunas montañas conforman una especie de túnel, el aire a su paso, se comprime al chocar con las dos montañas, y hace aumentar la velocidad a la salida. En la Figura 14 podemos observar una ilustración. Las paredes de las montañas deben ser lisas para evitar turbulencia.
Figura 14. Aprovechamiento del efecto túnel.
36
Efecto de la colina. En la Figura 15 se muestra la localización del molino al otro lado de una colina. El viento se comprime al chocar con la colina, pero al sobrapasarla y descender la presión disminuye y la velocidad va aumentando.
Figura 15. Localización del molino aprovechando una colina
37
Implementación
En la implementación del molino hay que tener en cuenta aspectos importantes a saber:
♣ La localización del molino. Debe tenerse en cuenta antes de excavar el pozo, ya que la energía del viento es mayor en áreas totalmente despejadas de árboles o montañas. No se quiere decir que se deban talar los árboles existentes cercanos a la vivienda, en estos casos el pozo y el molino pueden localizarse a unos 200 o 300 metros y construir un tanque de almacenamiento. ♣ La dirección y velocidad del viento son variables durante el día y el año, por tanto el suministro de agua debe asegurarse con un tanque de almacenamiento. ♣ Existen en el comercio molinos de torre metálica y otros de estructura más sencilla, estos son más económicos. Para cualquiera de ellos en su implementación se requiere: •
La profundidad del pozo recomendada no debe ser mayor de 20 metros, ya que a mayores profundidades las paredes pueden ser muy inestables, y el bombeo requiere equipos de mayor costo.
•
Para facilidades de anclaje de la bomba y tuberías se debe construir un brocal, en concreto o instalar un tubo de concreto reforzado.
•
El pozo debe tener una tapa segura para evitar accidentes de personas o animales, y toda la instalación debe contar con un cerramiento en alambre de púa o preferiblemente en malla.
•
El extremo de la bomba debe quedar a un metro del fondo del pozo, para evitar que succione sedimentos.
•
Los fabricantes generalmente prestan asesoría y asistencia tanto en la instalación como en el mantenimiento que se debe aprovechar.
38
•
La duración de los equipos depende del mantenimiento, el que se debe realizar con la frecuencia recomendada.
•
El pozo acumula sedimentos en el fondo, estos se deben evacuar por lo menos una vez al año.
Mantenimiento del molino El mantenimiento de un molino consiste en: •
Limpiar los filtros de reducción de lodos del tubo de succión.
•
Ajustar los tornillos de anclaje. Se tienden a aflojar por la vibración.
•
Lubricar las partes móviles con grasa.
•
Cambiar empaquetaduras a la bomba, anualmente.
•
Aplicar pintura anticorrosiva a la estructura.
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ELEMENTOS CONCEPTÚALES DE APOYO Conversión Cuando hablemos de conversión tendremos que recordar el gran principio que los físicos descubrieron:
La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Hemos visto diferentes fuentes de energía: agua, sol, viento, biomasa, que identificamos como fuentes de energía renovables y que son fuentes alternativas a las NO RENOVABLES como el carbón o el petróleo. Los físicos nucleares han descubierto y describen el sol como un horno termonuclear gigantesco, donde ocurren reacciones en cadena a altísimas temperaturas y donde la masa de estas partículas se convierte en energía. Albert Einstein desarrolló una fórmula para calcular esa energía obteniendo valores muy grandes, es así que una libra del elemento uranio equivale a 2,207,000 libras de carbón. Los físicos también descubrieron que el combustible del sol es el elemento hidrógeno, y que el hombre intenta desarrollar tecnologías con esta fuente. Lo anterior nos muestra que existen diversos tipos de energía y que ésta se transforma de un tipo a otro, ¿Cómo medir la conversión de un tipo al otro? Analicemos lo que ocurre en un molino de viento que impulsa una bomba como se representa en la Figura 16. 1. La energía cinética de la masa de viento depende de la velocidad. 2. La energía del viento se transforma en energía rotatoria al chocar con las aspas del molino. 3. Las aspas están unidas a un rotor que trasmite la energía al eje, y éste a la biela, la energía se transforma en mecánica. 4. La biela trasmite la energía al brazo que acciona el pistón de la bomba. 5. La bomba de pistón transforma la energía mecánica en trabajo y potencia para extraer el agua del pozo y elevarla al tanque de almacenamiento. 6. Una vez en el tanque transforma en energía potencial. 7. Al abrir la salida del tanque, la energía potencial se transforma en energía cinética y trabajo para accionar los aspersores de riego.
40
Figura 16. Transformación de le energía en un molino y unidades de conversión
Una fracción que NO se incluyó en los seis puntos anteriores y cuya magnitud es importante son las pérdidas por fricción donde una parte se transforma en calor y la otra en trabajo. Los físicos han determinado el equivalente mecánico para los diferentes tipos de energía, de esta manera cualquier forma de energía se puede expresar en Joules.
41
Potencia La potencia es transferencia de energía por unidad de tiempo, suele medirse en vatios (W), kilovatios (KW), megavatios (MW).Un MW es igual a 1,000,000 W, un KW es igual a 1,000W. La potencia puede ser medida en cualquier instante de tiempo, mientras que la energía debe ser medida durante un cierto periodo, por ejemplo. Un segundo, una hora o un año. Que un aerogenerador tenga una potencia nominal (la que figura en la placa de características) de 600 KW, le indica que producirá 600 kilovatios-hora (kWh) de energía por hora de funcionamiento, cuando trabaje a rendimiento máximo (es decir, con vientos, digamos, de más de 15 metros por segundo).
Eficiencia La eficiencia es el comportamiento de una máquina o un sistema, en unas condiciones de operación y se mide en porcentaje %. De acuerdo con la física la eficiencia es la capacidad que tiene una bomba para convertir la potencia mecánica que recibe a potencia hidráulica En la práctica una máquina o un sistema no se diseña para satisfacer unas condiciones únicas, sino que deben permitir su operación dentro de un rango; éstas se presentan en la llamada Curva de Rendimiento en una gráfica ó en forma de Tabla. La curva de rendimiento indica por ejemplo el caudal en lt/seg representado en el eje X (horizontal) esperado para una cabeza de bombeo en metros representado en el eje Y (vertical). Figura 17. Curva de rendimiento
42
Figura 17. Curva de rendimiento. (bombas Barnes línea caracol)
El concepto de eficiencia no es solo para la bomba, debe aplicarse a todos los componentes del sistema captación, conducción y distribución. Esta consideración es importante para minimizar las perdidas de potencia. En una bomba de ariete la eficiencia puede estimarse en función de los caudales y las cabezas. E = (qxh)/(QxH) En sistemas hidráulicos En un molino de viento la eficiencia es tan variable como la velocidad del viento y puede estar entre el 10 y el 40 %
43
EQUIPOS, MATERIALES E INSUMOS En las siguientes Tablas, se presentará información correspondiente a: ariete (Tabla 9) , hidrobomba (Tabla 10) y molino (Tabla11)
Tabla 9. Equipos, materiales e insumos para un ariete. EQUIPOS Anclaje de pistones Bomba inyección Bomba y soporte Caja de retorno Camara difusora Cargador bomba Carter Cartucho para válvula Cilindro Cubo de rodamiento Eje de la rueda Empaques (juego completo) Esfera para válvula Filtro de succión Grasera tipo sthaufer Protetor da retorno aceite Protetor rodamientos Quadrante completo Retenedor carcasa Retenedor pistones (juego) Retenedor cilindro (par) Rodamiento de esferas Soporte cilindro Tee de entrada Tee de salída Tubo galvanizado Tubos bomba de aceite Tuercas y arandelas Válvula inferior (completa) Válvula simples (completa) Válvula superior (completa)
MATERIALES Arena (m3) Cemento (bto) Gravilla (m3) Tubo 6" (m)
3 20 3 18
INSUMOS Aceite (gl)
0.5
44
Tabla 10. Equipos, materiales e insumos para una hidrobomba
EQUIPOS Anclaje de pistones Bomba inyección Bomba y soporte Caja de retorno Camara difusora Cargador bomba Carter Cartucho para válvula Cilindro Cubo de rodamiento Eje de la rueda Empaques (juego completo) Esfera para válvula Filtro de succión Grasera tipo sthaufer Protetor da retorno aceite Protetor rodamientos Quadrante completo Retenedor carcasa Retenedor pistones (juego) Retenedor cilindro (par) Rodamiento de esferas Soporte cilindro Tee de entrada Tee de salída Tubo galvanizado Tubos bomba de aceite Tuercas y arandelas Válvula inferior (completa) Válvula simples (completa) Válvula superior (completa)
MATERIALES Arena (m3) Cemento (bto) Gravilla (m3) Tubo 6" (m)
3 20 3 18
INSUMOS Aceite (gl)
0.5
45
Tabla 11. Equipos, materiales e insumos para un molino
EQUIPOS Bomba Accesorios bomba Acoples bomba Torre aspas y anclaje Templetes Aspas Tuberia o manguera
MATERIALES Arena (m3) Cemento (bto) Gravilla (m3) Tubo ferrocemento 30 "
1 1 1 1
INSUMOS Grasa (lb)
1
46
BIBLIOGRAFÍA
INEA. Atlas de radiación solar de Colombia. MONTEALEGRE. F. Curso básico de meteorología y climatología. ENERGÍA EÓLICA PRÁCTICA (ISBN 84-86505-88-7), 191 páginas, noviembre 2000. CENSAT. Energía para sociedades sustentables. Agua viva. Proyecto de energía. CINARA. Fuentes renovables de energía para sistemas de abastecimiento de agua. Documento técnico 23. INEA. Manual de aplicación de la energía eólica. Ministerio de minas y energía. P.N.U.D. Molino de viento tropical Gaviotas. Centro las Gaviotas.
47
ANEXO 1. GLOSARIO
Acidez
Concentración selectiva de sólidos disueltos en el interior de un material y concentración de ácidos con relación a compuestos básicos.
Aguas freáticas
Aguas que se infiltran en el suelo y se depositan en capas de suelo impermeables o en rocas.
Biogás
Mezcla de gases, producto del proceso de descomposición anaeróbica de la materia orgánica o biodegradable de las basuras, cuyo componente principal es el metano.
Biomasa
Cantidad de materia proveniente del material vegetal de la cobertura del suelo o ramas de los árboles aprovechable para la generación de gas.
Calefacción
Elevación de la temperatura del aire.
Calefacción
Elevación de la temperatura del aire.
Caudal
Volumen de liquido por unidad de tiempo. Usualmente se expresa en lt/seg o m3/seg.
Celda Fotovoltaica
Partículas de silicio puro dispuestas en un módulo que se activan eléctricamente al estar expuestas a la luz solar.
Conversión Bioquímica
Proceso de transformación del carbono e hidrógeno de la biomasa en un gas similar al metano, en un tanque llamado digestor.
Conversión Térmica
Proceso de transformación del carbono e hidrógeno de la biomasa en un gas similar al metano, en un tanque llamado gasificador, por combustión incompleta de la biomasa.
Desarenadores
Cámara destinada a la remoción de las arenas y sólidos que están en suspensión en el agua, mediante un proceso de sedimentación.
48
Deshidratación
Proceso de remoción del agua en materiales orgánicos hasta formar una pasta.
Electrosondeo
Método para evaluar los acuíferos con base en la resistencia eléctrica.
Electrosondeos
Procedimiento que mide la corriente eléctrica en el subsuelo, la cual está relacionada con la estructura hidrogeológica cuya interpretación posterior permite conocer el horizonte de los acuíferos.
Energía cinética
La energía contenida en una masa debida a su movimiento.
Energía cinética
Energía que un objeto posee debido a su movimiento. La magnitud depende de la masa y la velocidad a la que se desplace.
Energía difusa
Es la radiación que se difunde en la atmósfera en varias direcciones al chocar los rayos con pequeñas partículas
Energía potencial
Es la energía que posee un cuerpo en razón de su posición, una caída de agua es la mejor utilización de esta forma de energía que el hombre ha aprovechado.
Energía solar directa Es la radiación que llega a la superficie de la tierra sin cambios de dirección. Evapotranspiración
Cantidad de agua que retorna a la atmósfera por la evaporación del agua en el suelo y la transpiración de las plantas.
Fotosíntesis
Proceso por el cual las plantas forman hidratos de carbono a partir de dióxido de carbono, agua y luz solar.
Máquinas
Son aparatos que permiten la transformación de la energía.
Pirolisis
Combustión incompleta en ausencia de oxigeno.
Potencia
Es la rapidez con que se realiza un trabajo, cuanto más corto sea el tiempo de ejecutar el trabajo mayor es la potencia.
49
Radiación
Proceso por el cual la energía procedente del sol se propaga a través del vacio espacial en forma de ondas leelectromagnéticas; es un modo de transportar el calor, como la conducción y la convección.
Radiación Solar
Proceso por el cual la energía procedente del sol se propaga a través del vacio espacial en forma de ondas electromagnéticas; es un modo de transportar el calor, como la conducción y la convección.
Rosa de los vientos
Forma de mostrar las direcciones predominantes y la velocidad media del viento en un área determinada.
Sondeos Eléctricos
Procedimiento que mide la corriente eléctrica en el subsuelo, la cual está relacionada con la estructura hidrogeológica cuya interpretación posterior permite conocer el horizonte de los acuíferos.
Trabajo
Es la fuerza aplicada a un cuerpo multiplicada por la distancia si nos referimos a las formas de energía mecánica, pero otra cosa es el trabajo realizado por las partículas y sus reacciones en la masa solar.
Transformación
Son las diferentes formas de aprovechamiento de la energía, ejemplo: energía mecánica en eléctrica mediante una turbina y un generador, una celda fotovoltaica que convierte la energía del sol en energía eléctrica, un biodigestor que convierte la energía de la materia orgánica en gas aprovechable.
50
ANEXO 2. UNIDADES DE MEDIDA Unidades derivadas expresadas a partir de unidades básicas y suplementarias
Unidades básicas Magnitud
Nombre
Símbolo
Magnitud
Longitud
Metro
M
Superficie
Masa
Kilogramo
Kg
Tiempo
Segundo
S
Intensidad de corriente
Amperio
A
Temperatura
Kelvin
K
Nombre
Metro cuadrado Volumen Metro cúbico Metro por Velocidad segundo Metro por Aceleración segundo cuadrado Kilogramo Masa en por metro volumen cúbico
Símbolo m2 m3 m/s m/s2 Kg/m3
Unidades derivadas con nombre y símbolos especiales Magnitud Nombre Símbolo Fuerza Newton Presión Pascal Energía, trabajo, cantidad de calor Joule Potencia Watt Cantidad de electricidad, carga eléctrica Coulomb Potencial eléctrico, fuerza electromotriz Volt Resistencia eléctrica Ohm
N Pa J W C V Ω
51
Unidad de fuerza
Un newton (N) es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleración de 1 metro por segundo cuadrado.
Unidad de presión
Un pascal (Pa) es la presión uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton.
Unidad de energía, trabajo, cantidad de calor
Un joule (J) es el trabajo producido por una fuerza de 1 newton, cuyo punto de aplicación se desplaza 1 metro en la dirección de la fuerza.
Unidad de potencia, flujo Un watt (W) es la potencia que da lugar a una producción radiante de energía igual a 1 joule por segundo. Unidad de cantidad de electricidad, carga eléctrica
Un coulomb (C) es la cantidad de electricidad transportada en 1 segundo por una corriente de intensidad 1 ampere.
Unidad de potencial eléctrico, fuerza electromotriz
Un volt (V) es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre dos puntos de un hilo conductor que transporta una corriente de intensidad constante de 1 ampere cuando la potencia disipada entre estos puntos es igual a 1 watt.
Unidad de resistencia eléctrica
Un ohm (Ω) es la resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de potencial constante de 1 volt aplicada entre estos dos puntos produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad 1 ampere, cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor.
Grados Fahrenheit a grados Centígrados: (°F) A (°C)
Grados Centígrados a grados Fahrenheit
52
MEDIDAS DE LONGITUD Sistema Métrico a Inglés Milímetros (mm) Milímetros (mm) Centímetros (cm) Centímetros (cm) Metros (m) Metros (m) Metros (m) Kilómetros (k)
x x x x x x x x
0.03937 0.00328 0.3937 0.0328 39.3701 3.2808 1.0936 0.6214
= = = = = = = =
Pulgades (pulg.) Pies (pie) Pulgadas (pulg.) Pies (pie) Pulgades (pulg.) Pies (pie) Yardas (yda) Millas (mi)
MEDIDAS DE ÁREA Sistema Métrico a Inglés Centímetros cuadrados (cm2 ) Metros cuadrados (m2 ) Metros cuadrados (m2 ) Hectáreas (ha) Kilómetros cuadrados (km2 ) Kilómetros cuadrados (km2 )
x 0.16 x 10.7639 x 1.1960 x 2.471 x 247.1054 x 0.3861
= Pulgadas cuadradas (pulg.2 ) = Pies cuadrados (pie 2 ) = Yardas cuadradas (yd 2 ) = Acres (Ac) = Acres (Ac) = Millas cuadradas (mi2 )
x x x x x x x x x x x x x x x x x x
= = = = = = = = = = = = = = = = = =
MEDIDAS DE VOLUMEN Métrico a Inglés Mililitros (ml) Mililitros (ml) Centímetros cúbicos (cm3 ) Centímetros cúbicos (cm3 ) Metros cúbicos (m3 ) Metros cúbicos (m3 ) Metros cúbicos (m3 ) Metros cúbicos (m3 ) Litros (lt) Litros (lt) Litros (lt) Litros (lt) Decalitros (DL) Decalitros (DL) Hectolitros (HL) Hectolitros (HL) Hectolitros (HL) Hectolitros (HL)
0.03 0.0610 0.061 0.002113 35.3183 1.3079 264.2 0.000811 1.0567 0.264 61.024 0.0353 2.6417 1.135 3.531 2.84 0.131 26.42
Onzas fluidas (oz) Pulgadas cúbicas (pulg.3 ) Pulgadas cúbicas (pulg.3 ) Pintas (Pt) Pies cúbicos (pie3 ) Yardas cúbicas (yd3 ) Galones (gal) Acre–Pie (Ac-Pie) Cuarto (qt) Galones (gal) Pulgadas cúbicas (pulg.3 ) Pies cúbicos (pie3 ) Galones (gal) Pecks (pk) Pies cúbicos (pie3 ) Bushels (bu) Yardas cúbicas (yd3 ) Galones (gal)
53
MEDIDAS DE PRESIÓN Métrico a Inglés Pascales (Pa) Pascales (Pa) Kilopascales (kPa) Pascales (Pa) Kilogramos/centímetro cuadrado (kg/cm2 ) Kilogramos/centímetro cuadrado (kg/cm2 ) Kilogramos/metro cuadrado (kg/m2 ) Centímetros de Hg Centímetros de Hg
x 1 x 0.000145 x 0.145 x 0.000296
= = = =
Newtons/metros cuadrados (N/m2 ) Libras/pulgada cuadrada (lb/pulg.2 ) Libras/pulgada cuadrada (lb/pulg.2 ) Pulgadas de Hg (a 60° F)
x 14.22
= Libras/pulgada cuadrada (lb/pulg.2 )
x 28.959
= Pulgadas de Hg (a 60° F)
x 0.2048
= Libras/pie cuadrado (lb/pie2 )
x 0.4461 x 0.1939
= Pies de agua = Libras/pulgada cuadrada (lb/pulg.2 )
MEDIDAS DE FLUJO Métrico a Inglés Litros/segundo (lt/seg) Litros/segundo (lt/seg) Litros/segundo (lt/seg) Litros/segundo (lt/seg) Litros/minuto (lt/min) Centímetros cúbicos/segundo (cm3 /s) Metros cúbicos/segundo (m3 /seg) Metros cúbicos/segundo (m3 /seg) Metros cúbicos/segundo (m3 /seg) Metros cúbicos/hora (m3 /h) Metros cúbicos/hora (m3 /h) Metros cúbicos/día (m3 /d) Metros cúbicos/día (m3 /d) Metros cúbicos/hectárea/día (m3 /ha/d) Metros cúbicos/metros cuadrados/hora (m3 / m2 /h) Metros cúbicos/metros cuadrados/día (m3 /m2 /d) Litros/metros cuadrados/minuto (lt/m2 /min) Litros/metros cuadrados/minuto (lt/m2 /min)
x 22,824.5 x 0.0228 x 15.8508 x 2.119 x 0.0005886
= Galones/día (gpd) = Millones de galones/día (mgd) = Galones/minuto (gpm) = Pies cúbicos/minuto (pie3 /min) = Pies cúbicos/segundo (pie3 /seg)
x 0.0021
= Pies cúbicos/minuto (pie3 /min)
x 35.3147
= Pies cúbicos/segundo (pie3 /seg)
x 22.8245
= Millones de galones/día (mgd)
x 15,850.3
= Galones/minuto (gpm)
x 0.5886 x 4.403 x 264.1720 x 0.00026417
= Pies cúbicos/minuto (pie3 /min) = Galones/minuto (gpm) = Galones/día (gpd) = Millones de galones/día (mgd)
x 106.9064
= Galones/Acre/día (gal/A/d)
x 0.408
= Galones/Pie cuadrado/minuto (gal/pie2 /min)
x 24.5424
= Galones/Pie cuadrado/día (gal/pie2 /d)
x 0.0245
= Galones/Pie cuadrado/minuto (gal/pie2 /min)
x 35.3420
= Galones/Pie cuadrado/día (gal/pie2 /d)
54
MEDIDAS DE VELOCIDAD Métrico a Inglés Centímetros/segundo (cm/seg) Metros/segundo (m/seg) Metros/minuto (m/min) Metros/minuto (m/min) Metros/hora (m/h) Metros/hora (m/h) Kilómetros/segundo (km/seg) Kilómetros/hora (km/h) Kilómetros/hora (km/h) Kilómetros/hora/segundo (km/h/seg) Metros/segundo/segundo (m/seg2) Metros/segundo/segundo (m/seg2) Newtons (N)
x 0.0224 x 3.2808 x 0.0373 x 3.28 x 0.0547 x 3.2808 x 2.2369 x 0.0103 x 54.68 x 0.911 x 3.2808 x 39.3701 x 0.2248
= Millas por hora (mph) = Pies/segundo (pie/seg) = Millas por hora (mph) = Pies/minuto (pie/min) = Pies/minuto (pie/min) = Pies/hora (pie/h) = Millas por hora (mph) = Millas por hora (mph) = Pies/minuto (pie/min) = Pies/segundo/segundo (pie/seg2) = Pies/segundo/segundo (pie/seg2) = Pulgadas/segundo/segundo (pulg/seg2) Libras Fuerza (lbF)
Equivalentes Métricos y Decimales de las Fracciones PULGADAS 1/64 1/32 3/64 1/20 1/16 1/13 5/64 1/12 1/11 3/32 1/10 7/64 1/9 1/8 9/64 1/7 5/32 1/6 11/64 3/16 1/5 13/64 7/32 15/64 1/4 17/64 9/32 19/64 5/16 21/64 1/3 11/32 23/64 3/8 25/64 13/32 27/64
DÉCIMAS PULGADA .015625 .03125 .046875 .05 .0625 .0769 .078125 .0833 .0909 .09375 .10 .109375 .111 .125 .140625 .1429 .15625 .1667 .171875 .1875 .2 .203125 .21875 .234375 .25 .265625 .28125 .296875 .3125 .328125 .333 .34375 .359375 .375 .390625 .40625 .421875
MILÍMETROS 0.396875 0.793750 1.190625 1.270003 1.597500 1.953850 1.984375 2.116671 2.309095 2.381250 2.540005 2.778125 2.822228 3.175000 3.571875 3.628579 3.968750 4.233342 4.365625 4.762500 5.080000 5.159375 5.556250 5.953125 6.350000 6.746875 7.143750 7.540625 7.937500 8.334375 8.466683 8.731250 9.128125 9.525000 9.921875 10.318750 10.715625
PULGADAS 7/16 29/64 15/32 31/64 1/2 33/64 17/32 35/64 9/16 37/64 19/32 39/64 5/8 41/64 21/32 43/64 11/16 45/64 23/32 47/64 3/4 49/64 25/32 51/64 13/16 53/64 27/32 55/64 7/8 57/64 29/32 59/64 15/16 61/64 31/32 63/64 1
DÉCIMAS PULGADA .4375 .453125 .46875 .484375 .5 .515625 .53125 .546875 .5625 .578125 .59375 .609375 .625 .640625 .65625 .671875 .6875 .703125 .71875 .734375 .75 .765625 .78125 .796875 .8125 .828125 .84375 .859375 .875 .890625 .90625 .921875 .9375 .953125 .96875 .984375 1
MILÍMETROS 11.112500 11.509375 11.906250 12.303125 12.700000 13.096875 13.493750 12.890625 14.287500 14.684375 15.081250 15.478125 15.875000 16.271875 16.668750 17.065625 17.462500 17.859375 18.256250 18.653125 19.050000 19.446875 19.843750 20.240625 20.637500 21.034375 21.431250 21.828125 22.335000 22.621875 23.018750 23.415625 23.812500 24.209375 24.606350 25.003125 25.400050
55
Equivalencia métrica del sistema inglés en tamaños de tuberías PULGADAS MINÍMETROS PULGADAS MILIMETROS ACOSTUMBRADAS ESTIMADOS ACOSTUMBRADAS ESTIMADOS 1/4 8 16 400 3/8 10 18 450 1/2 15 20 500 3/4 20 24 600 1 25 28 700 1-1/4 32 30 750 1-1/2 40 32 800 2 50 36 900 2-1/2 65 40 1000 3 80 42 1050 3-1/2 90 48 1200 4 100 54 1400 6 150 60 1500 8 200 64 1600 10 250 72 1800 12 300 78 1950 14 350 84 2100
UNIDAD
EQUIVALENCIAS DE PRESIÓN Y CARGA DE AGUA LbsPulg. de Pies de Pulg. mm de Lbs/ pie 2 Atmósferas Kg/ cm2 BARS. pulg 2 agua agua de Hg Hg 1 144.0 0.068046 0.070307 27.7276 2.3106 2.0360 51.7150 0.06895 0.006945 1 0.000473 0.000488 0.1926 0.01605 0.0141139 0.35913 0.000479
Lbs/pulg2 Lbs/pie2 14.696 2,116.22 1 1.0332 407.484 33.9570 Atmósferas 14.2233 2,048.16 0.96784 1 394.27 32.864 Kg-cm2 0.002454 0.00254 1 0.08333 Pulg. de agua 0.03607 5.184 12.0 1 Pies de agua 0.43278 62.3205 0.029449 0.03043 0.49115 70.726 0.033421 0.03453 13.617 1.1349 Pulg. de Hg. Mm de Hg. 0.019337 2.7845 0.0013158 0.0013595 0.5361 0.04468 14.5036 2,068.55 0.98692 1.0197 402.1 33.51 BARS.
29.921 28.959 0.0734
760.0 735.558 1.865
1.01325 0.9807 0.00249
0.8811 1
22.381 25.40
0.02964 0.03386
0.03937 29.53
1 750.0
0.001333 1
56
EQUIVALENCIAS DE PESO Y VOLUMEN DE AGUA GALÓN GALÓN PULGADAS PIES METROS UNIDAD (US) IMPERIAL CÚBICAS CÚBICOS CÚBICOS LITROS LIBRAS 1.0 0.833 231.0 0.1337 0.00378 3.785 8.33 GALÓN (US) 1.20 1.0 277.41 0.1605 0.00455 4.546 10.0 GALÓN IMPERIAL
PULGADAS 0.004329 0.003607 CÚBICAS 7.48 6.232 PIES CÚBICOS METROS CÚBICOS 284.17 220.05 0.26417 0.220 LITROS 0.12 0.1 LIBRAS
UNIDAD US GALONES/MIN. GALONES IMPERIALES/MIN. MILLONES DE US GALONES/DIA Pie3/seg. M3/seg. M3/min. M3/hora Litros/seg. Litros/minuto Barriles/min. Barriles/día
1.0
0.00057 0.000016
-
0.0361
1,728.0
1.0
0.0283
28.317 62.425
61.023 27.68
35.314 0.0353 0.016
1.0 0.001 -
1,000 1.0 0.454
UNIDADES DE CAUDAL DE AGUA MILLONES US GALONES DE US m3 GALONES IMPERIALES/ Pie 3 /seg. GALONES/ /hora /MIN MIN DIA
2,204.5 2.205 1.0
Litros/ Barriles Barriles seg. /min. /día
1
0.8327
0.00144
0.00223 0.02271 0.0631 0.0238 34.286
1,201
1
0.00173
0.002676 0.2727 0.0758 0.02859 41.176
694.4
578.25
1
1.547
157.7
43.8
448.83
373.7
0.646
1
101.9
28.32 10.686 15,388
15,850 264.2
13,199 220
22.83 0.3804
35.315 0.5883
4.403 15.85 0.2642
3.67 13.20 0.220
0.00634 0.00982 1 0.2778 0.1048 151 0.0228 0.0353 3.60 1 0.3773 543.3 0.000380 0.000589 0.060 0.0167 0.00629 9.055
42 0.0292
34.97 0.0243
0.0605 0.09357 9.5256 2.65 1 1,440 0.000042 0.0000650.00662 0.00184 0.00069 1
16.53 23,810
3,600 1,000 377.4 543,447 60.0 16.667 6.290 9,058
Fuente: American Cast Iron Pipe Company
57
ANEXO 3. PROVEEDORES DE EQUIPOS
PROVEEDOR
CATEGORÍA
PRODUCTO O DIRECCIÓN CIUDAD SERVICIO
BERGEY WINDPOWER
Fabricante
Aerogeneradores
BP SOLAR
Fabricante
CENTRO LAS GAVIOTAS
Fabricante
CIME Distribuidor AGRÍCOLA LTDA
PAÍS
TELÉFONO
2001 Priestley Norman Avenue
Estados Unidos
1 4053644212
Cra 9 A No.99-02
Bogotá
Colombia 571 6284100
Aerobombas, Paseo Bolívar Bogotá Arietes, Molinos No.20-90
Colombia 571 2862876
Hidrobombas, Arietes
Cra 53 A No. Bogotá 81-07
Colombia 571 3290377
ENERGÍA INTEGRAL ANDINA
Distribuidor
Sistemas fotovoltaicos
Calle 94 A No 13-54
Bogotá
Colombia, Ecuador, 571 6232239 Perú
FIASA
Fabricante
Aerobombas
Hortiguera 1882
Buenos Aires
Argentina 54 19231081
INDUSTRIAS JOBER LTDA
Fabricante
Aerobombas
Calle 20 No. Duitama Colombia 578 7603887 30-104
Hidrobombas
Avenida José Sao Paulo Brasil de silva 3765
Aerobombas
Calle 64 A No. 6-12
Aerobombas, hidrobombas
Rua Visconde de Ouro Sao Jose PRETO 865
INDUSTRIAS MECÁNICAS Fabricante ROCHFER INDUSTRIAS METÁLICAS Fabricante LTDA MÁQUINAS AGRÍCOLAS DE Fabricante AGUA
Bogotá
55 37203076
Colombia 571 2603043 Brasil
55 172322511
58