Sistemas de abastecimiento de agua para ganado alimentados con energía solar

Por Mike Morris, especialista agrícola del NCAT, y Vicki Lynne, especialista en energía del NCAT; actualizado por Chris Lent, especialista agrícola del NCAT

Resumen

Debido a la caída de los precios, su larga vida útil y los bajos requisitos de mantenimiento, la energía solar se está convirtiendo rápidamente en la primera opción para bombear agua en lugares remotos. Esta publicación ofrece una introducción a los sistemas de abrevadero para ganado que funcionan con energía solar, incluyendo análisis sobre el costo, los componentes y la terminología, así como algunas sugerencias para diseñar e instalar estos sistemas.  Se comparan las ventajas y desventajas del bombeo solar con las principales opciones de bombeo en zonas remotas: molinos de viento mecánicos, turbinas eólicas y generadores portátiles que funcionan con gas, propano o diésel. También se analizan aspectos de diseño para la protección contra la congelación en los sistemas de bombeo de agua. Se incluyen descripciones de cuatro proyectos exitosos y una breve lista de recursos.

Los sistemas de abrevaderos para ganado que funcionan con energía solar, como este, se están volviendo cada vez más populares, especialmente en zonas remotas. Foto: NCAT

Introducción

Las fuentes de energía remotas o independientes de la red eléctrica —como los paneles solares, los molinos de viento mecánicos, las turbinas eólicas y los generadores portátiles— pueden bombear agua para el ganado en lugares donde no hay electricidad de la red. Al hacer que los animales se alejen de los estanques y arroyos, estos sistemas les brindan un mayor acceso al forraje. Además, reducen la presión que ejerce el ganado sobre las riberas de los arroyos, lo que evita la carga de nutrientes, el daño a la vegetación ribereña, la erosión y la contaminación.

El bombeo solar sustituyó a un generador a gas en el rancho Tomlinson, cerca de Gold Creek, Montana. Foto: NCAT

El bombeo solar funciona en cualquier lugar donde brille el sol, y la mayor parte de Estados Unidos cuenta con suficiente luz solar para operar estos sistemas. El bombeo solar es la solución ideal para el pastoreo de verano, ya que produce los mayores volúmenes de agua en días soleados y durante las largas jornadas de verano, precisamente cuando los animales más necesitan agua. Con las precauciones adecuadas, los sistemas de bombeo solar también pueden utilizarse durante los meses de invierno, aunque las horas de luz más cortas provocarán una reducción en el suministro de agua.

¿Por qué deberías considerar instalar un sistema de abrevadero para ganado que funcione con energía solar en tu granja o rancho? Estos factores podrían influir en tu decisión:

• Distancia a las líneas eléctricas y el costo de la extensión de una línea
• Costos de operación y mantenimiento de un sistema solar en comparación con las alternativas, como un molino de viento mecánico o un generador que funciona con gasolina, propano o diésel
• La incertidumbre sobre los precios futuros de la electricidad, el propano, la gasolina y el diésel
• Beneficios ambientales como la protección de las riberas, la independencia energética y la demostración de alternativas energéticas no fósiles

Costo

En 2012, el costo típico de un sistema de bombeo solar de tamaño pequeño a mediano, adecuado para el abrevado de ganado, oscilaba entre los 2,000 y los 6,000 dólares. Esto no incluye los costos de instalación ni la perforación del pozo. Los precios de venta al público de los paneles solares han bajado drásticamente, reduciéndose en aproximadamente dos tercios entre 2008 y 2012.

Otra buena noticia para los consumidores es que los sistemas de bombeo solar son elegibles para un crédito fiscal federal por inversión en energía empresarial del 30 %. No hay un monto máximo para el crédito, y los propietarios de viviendas también pueden acceder a un crédito fiscal similar del 30 %. Estos incentivos están vigentes desde 2005 y está previsto que se mantengan hasta el 31 de diciembre de 2016. Los productores agrícolas también pueden solicitar subvenciones o préstamos a través del competitivo Programa de Energía Rural para Estados Unidos (REAP), administrado por el Departamento de Desarrollo Rural del USDA. Las subvenciones alcanzan hasta el 25 % de los costos elegibles del proyecto. Para obtener más información, visita www.rurdev.usda.gov o comunícate con la oficina estatal del Departamento de Desarrollo Rural del USDA.

Tenga en cuenta que se aplican condiciones y exclusiones tanto al Crédito Fiscal por Inversión en Energía para Empresas como al programa REAP. La información anterior es precisa a partir de 2012, pero las normas pueden cambiar para ambos programas. Para conocer los incentivos actuales, consulte con su distribuidor de sistemas solares o visite la Base de Datos de Incentivos Estatales para la Energía Renovable (DSIRE).

A pesar de las importantes reducciones de precio y de los incentivos financieros fácilmente accesibles, los paneles solares no son, de ninguna manera, una forma económica de generar electricidad. Después de todo, hay que tener en cuenta que un panel solar de 100 vatios, que cuesta cientos de dólares, genera solo la energía suficiente para encender una bombilla de 100 vatios. Los sistemas de bombeo solar están diseñados para funcionar con baja potencia, por lo general solo una fracción de un caballo de fuerza. Los cuatro sistemas de bombeo solar descritos al final de esta publicación tienen una potencia que oscila entre los 128 y los 420 vatios, o entre 0,2 y 0,6 caballos de fuerza. Si estás acostumbrado a bombas de riego que van desde varios caballos de fuerza hasta 100 o más, tendrás que rebajar tus expectativas.

Muchos paneles solares que se encuentran actualmente en el mercado (en 2012) cuestan menos de $2.00 por vatio, y un conjunto de paneles para un sistema de tamaño pequeño a mediano debería costar bastante menos de $1,000. Sin embargo, hay que tener en cuenta que los precios de las bombas, los soportes, el cableado, los controladores y otros componentes no han bajado. En el caso de las bombas (que se analizan en detalle más adelante), podría decirse que la calidad ha mejorado, pero también lo han hecho los precios.

El bombeo solar es ideal para situaciones de baja altura de elevación y bajo volumen. Cuando se trata de grandes volúmenes y pozos profundos, el bombeo solar se vuelve prohibitivamente costoso, ya que requiere bombas especializadas y costosas, así como paneles solares de gran tamaño. Del mismo modo, la mayoría de los sistemas de riego a presión requieren demasiada energía como para funcionar de manera económica con paneles solares, aunque el bombeo solar puede ser una excelente opción para pequeños sistemas de riego por goteo.

Aunque la electricidad solar no es barata, hay muchas situaciones en las que los sistemas de bombeo alimentados con energía solar pueden justificarse únicamente por razones económicas. Al tomar en cuenta los costos de instalación, combustible y mantenimiento a lo largo de la vida útil del proyecto, es posible que la energía solar resulte ser la opción más atractiva.

Si hay líneas eléctricas disponibles, estas suelen ser la fuente de electricidad más económica. Para muchas personas que deciden instalar un sistema de bombeo solar, una consideración importante es el costo de las extensiones de la red eléctrica. Las extensiones de línea suelen costar entre 10,000 y 50,000 dólares o más por milla. Una regla general muy aproximada es que vale la pena considerar el bombeo remoto (ya sea con energía solar, eólica o de un generador) siempre que la distancia a la red eléctrica supere aproximadamente media milla.

¿Cómo se decide entre la energía solar, un molino de viento mecánico, un sistema eólico-eléctrico y un generador a gas, propano o diesel? No hay dos situaciones de bombeo iguales, pero aquí te ofrecemos algunas pautas:

Los sistemas que funcionan con energía solar tienen un costo inicial relativamente alto en comparación con los sistemas de baja calidad que funcionan con generadores, pero son duraderos y requieren poco mantenimiento. Los sistemas de riego solares tienen pocas piezas móviles, y los componentes de estos sistemas han demostrado ser muy confiables cuando se instalan correctamente. Las garantías de los paneles solares suelen ser de 20 años o más.

Los generadores que funcionan con gasolina o propano a veces tienen un costo inicial menor que la energía solar, aunque también hay que incluir el costo del combustible. Los generadores de gasolina de gama baja requieren mantenimiento frecuente y tienen una vida útil de solo unas 1,500 horas, lo que los convierte en una opción costosa y que requiere mucho trabajo a largo plazo. Por otro lado, los generadores de mejor calidad tienen muchas ventajas. Un generador de propano de alta calidad con arranque automático funciona sin supervisión, opera día y noche, es fácil de instalar, debería durar muchos años y es especialmente adecuado para situaciones que involucran pozos profundos y grandes volúmenes de agua. Las garantías suelen ser de dos a tres años.

Aunque cuestan aproximadamente el doble que los generadores a gasolina comparables, los generadores a diésel suelen tener un costo inicial menor que los sistemas eólicos o solares. En situaciones de baja caída y bajo volumen, un sistema solar suele producir agua a un costo menor a lo largo de su vida útil que un generador a diésel. Por otro lado, cuando se requieren grandes volúmenes de agua, un sistema a diésel puede ser la mejor opción disponible. Las garantías de los generadores diésel varían entre uno y tres años.

Los molinos de viento mecánicos o bombas eólicas —una imagen muy familiar en las zonas rurales de Estados Unidos— cuentan con una caja de engranajes que convierte el movimiento circular de las aspas en movimientos ascendentes y descendentes del cilindro de una bomba. En una buena ubicación —una donde las velocidades promedio del viento superen las siete millas por hora—, una bomba eólica puede producir agua a un costo menor que una bomba solar. Sin embargo, los molinos de viento suelen tener un costo inicial más elevado que los sistemas de bombeo comparables que funcionan con energía solar o con generadores. Un nuevo molino de viento de Aermotor, una empresa reconocida, costará entre 2,000 y 13,000 dólares, sin incluir los costos de la torre ni de la instalación. En general, con los molinos de viento, debe esperar requisitos de mantenimiento mucho mayores que los que tendría con un sistema alimentado por energía solar. Las garantías suelen ser de cinco a siete años.

Las turbinas eólicas cuentan con un generador que convierte el movimiento circular de las palas en corriente eléctrica. Estos sistemas pueden utilizarse solos o en combinación con paneles fotovoltaicos para alimentar una bomba. Se puede comprar una turbina eólica pequeña de 500 vatios por tan solo 650 dólares, la cual alimentará un sistema de bombeo de tamaño pequeño a mediano en un lugar con excelentes velocidades de viento. Sin embargo, necesitarás una torre alta (más de 80 pies en la mayoría de los lugares) para aprovechar al máximo el viento, lo que aumenta considerablemente el costo del sistema. Del mismo modo, es posible que te sientas tentado a agregar una pequeña turbina eólica a un sistema solar ya existente, creando así un sistema híbrido más potente. Pero, a menos que cuentes con velocidades de viento excepcionales (con un promedio de al menos siete millas por hora), probablemente te convenga más simplemente agregar paneles solares al sistema y aumentar la capacidad de almacenamiento de agua para satisfacer tus necesidades.

Existe una diferencia abismal entre los requisitos de mantenimiento de los sistemas de energía solar y los de energía eólica. Los sistemas de energía solar suelen funcionar durante años prácticamente sin necesidad de mantenimiento. Por otro lado, las turbinas eólicas y los molinos de viento tienen requisitos de instalación y mantenimiento bastante exigentes, y no es raro que se produzcan fallas catastróficas. Consulte la publicación de ATTRA titulada «Energía eólica a pequeña escala en la granja» para obtener más información.

En resumen, la energía solar se destaca por encima de las alternativas disponibles si lo que buscas es bombear agua en un lugar remoto. Si vas a reemplazar un molino de viento, no hay duda de que deberías considerar seriamente la energía solar. De hecho, los sistemas que funcionan con energía solar parecen estar reemplazando progresivamente a los molinos de viento mecánicos y van por buen camino para convertirse en la primera opción para bombear agua en lugares remotos.

Todas estas generalizaciones deben tomarse con cautela. Constantemente salen al mercado nuevos equipos, cada opción tiene sus ventajas y vale la pena reiterar que cada situación de bombeo y abastecimiento de agua para el ganado depende de las características específicas del lugar.

La tecnología de bombeo solar y lo que necesitas saber

Antes de hablar con un vendedor, es buena idea conocer algunos términos básicos:

Figura 1. Un sistema típico de riego para ganado alimentado con energía solar incluye un conjunto de paneles solares, una bomba, un tanque de almacenamiento y un controlador. Gráfico: NCAT

Módulos solares. Los sistemas eléctricos solares a veces se denominan sistemas fotovoltaicos, o PV. La palabra «fotovoltaico» suele abreviarse como «PV». Los paneles solares, o módulos, generan electricidad de corriente continua (CC). Un grupo de módulos se denomina matriz. Los paneles solares modernos están diseñados para resistir granizo del tamaño de una pelota de golf y, por lo general, cuentan con garantías de 20 años (o más).  La mayoría de los sistemas de bombeo de agua necesitarán de dos a seis paneles. El tamaño y la cantidad de paneles dependen de los requisitos de voltaje de la bomba. A su vez, el tamaño y el tipo de bomba dependen de la cantidad de agua necesaria, así como de la altura y la distancia a la que se debe bombear el agua.

Estructuras de montaje. Existen dos formas de montar los módulos solares: en una estructura fija o en una estructura de seguimiento. Los montajes fijos son más económicos que los sistemas de seguimiento y resisten mejor los vientos fuertes. Lo ideal es que estén orientados hacia el sur verdadero (no el sur magnético), y también es necesario ajustar el ángulo de inclinación. La recomendación habitual es ajustar el ángulo de inclinación a la latitud menos 15 grados para uso en verano, a la latitud más 15 grados para uso en invierno, y a la latitud misma para funcionamiento durante todo el año. Por ejemplo, si te encontraras a 40 grados de latitud, ajustarías el ángulo de inclinación a 25 grados en verano y a 55 grados en invierno, o bien mantendrías el ángulo de inclinación en 40 grados durante todo el año.

Un conjunto de paneles con seguimiento sigue al sol a lo largo del cielo. Un seguidor aumentará el costo de un sistema en al menos entre $600 y $1,200, pero en algunos casos es una buena inversión, ya que los seguidores pueden aumentar el volumen de agua en un 25 por ciento o más durante el verano, en comparación con un conjunto fijo. Los seguidores pueden ser pasivos, lo que significa que no consumen electricidad, o activos, lo que significa que requieren un motor para moverse. Los sistemas activos son más caros y ese costo adicional por lo general solo se justifica en el caso de un sistema de mayor tamaño. Para los sistemas de menor tamaño, como los que se utilizan en la mayoría de los sistemas de bombeo solar, un seguidor pasivo es la opción más rentable. El líquido almacenado en un seguidor pasivo se calienta con la luz solar y fluye a través de tuberías hacia el lado opuesto del seguidor. El peso del fluido hace que el seguidor incline los paneles hacia el sol.

La eficacia de un sistema de seguimiento depende en cierta medida de la ubicación específica. En general, cuantas más horas de sol haya en un lugar, más te beneficiarás de un sistema de seguimiento. En una ubicación desfavorable, con un promedio de menos de cuatro horas de sol al día, es posible que un sistema de seguimiento no tenga un gran impacto en el volumen de agua bombeada. También ten en cuenta que los sistemas de seguimiento añaden complejidad al sistema y lo hacen más susceptible a sufrir daños por el viento que una configuración fija.  Por último, también cabe señalar que los seguidores solares han perdido popularidad a medida que los paneles solares han bajado de precio. Es posible que te resulte más fácil y rentable simplemente agregar uno o dos paneles más, en lugar de instalar un seguidor solar. Un distribuidor o instalador con experiencia puede ayudarte a decidir si un seguidor solar sería adecuado para tu ubicación.

Una vez que los paneles se fijan a una estructura de montaje, toda la estructura se puede instalar en un remolque para que sea portátil. Remolcar el remolque de un pastizal a otro permite seguir a los animales a lo largo de una rotación y bombear agua del pozo, arroyo o estanque más cercano.  En algunos sistemas, la bomba se desplaza junto con el remolque de un pastizal al siguiente. En otros casos, se instala una bomba fija en cada pastizal y solo se trasladan los paneles y los componentes electrónicos (es decir, la fuente de alimentación).

Unas palabras de precaución sobre los sistemas portátiles: si la bomba es móvil, será susceptible de congelarse en climas fríos. Por lo tanto, durante los períodos de clima frío, deberás asegurarte de drenar el agua de la bomba y las tuberías cada vez que la utilices. Revisa también tu garantía. Transportar los componentes en un remolque puede causar daños que no estarían cubiertos por la garantía.  Aunque los sistemas solares-eléctricos son razonablemente resistentes y robustos, los marcos pueden doblarse, los cables pueden desprenderse y el vidrio puede agrietarse o romperse. Algunas granjas con unidades móviles retiran el conjunto modular —el componente más frágil— y lo envuelven en material de embalaje blando cuando lo trasladan de un sitio de bombeo a otro. Se pueden utilizar seguidores solares en los sistemas móviles, pero complican el desmontaje de los paneles para su transporte debido a las conexiones adicionales que implica la instalación de los seguidores.

Bombas. Los paneles solares producen energía de corriente continua (CC), y las bombas de CC suelen consumir entre un tercio y la mitad de la energía que las bombas de corriente alterna (CA). Por esta razón, las bombas de CC se utilizan con mucha más frecuencia que las de CA en los sistemas alimentados con energía solar. Sin embargo, las empresas alemanas Grundfos y Lorentz han desarrollado bombas que pueden funcionar tanto con CA como con CC. Esto permite utilizar un generador de CA de respaldo, sin necesidad de un convertidor de CA a CC, cuando hay períodos de poca luz solar.

Todas las bombas pueden clasificarse como sumergibles o de superficie, y como de desplazamiento o centrífugas.

Las bombas sumergibles, instaladas en un pozo o sumidero, se utilizan muy comúnmente en aplicaciones de abastecimiento de agua para ganado a pequeña escala. Entre otras ventajas, no están expuestas a temperaturas bajo cero, no necesitan protección especial contra las inclemencias del tiempo y no requieren cebado. Las bombas de superficie, ubicadas en la superficie del agua o cerca de ella, se utilizan principalmente para transportar agua a través de una tubería. Algunas bombas de superficie pueden alcanzar alturas manométricas elevadas y son adecuadas para transportar agua a largas distancias o a grandes alturas.

Las bombas de desplazamiento utilizan diafragmas, paletas o pistones para sellar el agua dentro de una cámara y empujarla a través de una salida de descarga, de manera similar a como el corazón bombea la sangre. Por otro lado, las bombas centrífugas se basan en la fuerza centrífuga. Un impulsor giratorio le da energía al agua y la empuja hacia la salida de descarga, de manera similar a como el agua sale salpicando de una llanta de bicicleta que gira.

Las bombas de desplazamiento funcionan a velocidades más bajas que las bombas centrífugas. Por lo general, mueven menos agua, pero son más potentes —como conducir un auto en marcha baja— y suelen utilizarse en pozos profundos y en situaciones de gran altura de elevación. Por otro lado, si hay que mover mucha agua (alto caudal) sin un gran aumento de elevación (baja altura de elevación), normalmente se elige una bomba centrífuga para el trabajo.  Las bombas centrífugas son, por lo general, bombas de alta velocidad que necesitan hacer girar un impulsor muy rápido para generar siquiera un poco de presión. A media sombra, a medida que el impulsor se desacelera, una bomba centrífuga suele perder su capacidad para mover agua, mientras que una bomba de desplazamiento seguirá bombeando, aunque a un ritmo más lento.

Un tipo de bomba sumergible de desplazamiento, la bomba rotativa helicoidal, se ha vuelto popular recientemente en el ámbito del bombeo de agua con energía solar. La bomba rotativa helicoidal utiliza rotores en forma de tornillo para presurizar y bombear agua. Las bombas de rotor helicoidal son una buena opción para aplicaciones en pozos profundos y son ideales para bombear bajos volúmenes de agua a una altura de elevación elevada. Estas bombas también pueden manejar algunas partículas en el agua sin sufrir daños. Por esta razón, algunos instaladores prefieren las bombas de rotor helicoidal para el bombeo de agua superficial de arroyos y estanques, donde la claridad del agua puede ser un problema.

Elegir la bomba adecuada para tu sistema puede resultar complicado. Para una comparación detallada del rendimiento de las bombas solares de agua, consulta la sección «Recursos adicionales» al final de esta publicación, bajo el título «Cómo determinar el sistema óptimo de bombeo solar de agua para uso doméstico, abrevadero de ganado o riego». Actualmente, muchos instaladores profesionales confían en gran medida en las bombas Grundfos SQFlex (serie SQF) tanto para aplicaciones en pozos profundos como para el bombeo de agua superficial, debido a la reputación de estas bombas en cuanto a confiabilidad, bajo mantenimiento, capacidad para funcionar con corriente alterna (CA) o continua (CC), y las ventajas de su diseño rotativo helicoidal.  Estas bombas cuestan entre 2,000 y 3,000 dólares, y Lorentz cuenta con una serie de bombas solares sumergibles de rotación helicoidal en el mismo rango de precios. SunRotor vende una bomba de rotación helicoidal a partir de unos 1,300 dólares.

Sin embargo, dependiendo de tu situación, una bomba más económica podría ser suficiente. Por ejemplo, tanto Shurflo como Sunpump ofrecen bombas sumergibles de alta elevación que cuestan entre 700 y 2,000 dólares.  Algunas de estas son bombas de diafragma y otras son bombas centrífugas multietapa. Cuando las bombas de diafragma se utilizan de manera intensiva, los fabricantes recomiendan reemplazar las piezas internas cada dos años. Sin embargo, hay informes anecdóticos de que algunas de estas bombas funcionan sin problemas durante cinco o seis años. Los kits completos de reacondicionamiento para las bombas solares sumergibles de Sunpump cuestan alrededor de 400 dólares.

Almacenamiento. Por lo general, no se recomienda el uso de baterías en los sistemas de abrevaderos para ganado alimentados con energía solar, ya que reducen la eficiencia general del sistema y aumentan el mantenimiento y el costo. En lugar de almacenar electricidad en baterías, suele ser más sencillo y económico instalar tanques de almacenamiento de agua con capacidad para entre tres y diez días. Almacenar agua casi siempre es más barato y sencillo que almacenar electricidad. Sin embargo, agregar baterías a un sistema puede tener sentido en cualquiera de estas tres situaciones: 1) el tanque de almacenamiento no está lo suficientemente elevado como para aprovechar el flujo por gravedad; 2) la capacidad del tanque de almacenamiento no es suficiente y es necesario bombear agua por la noche o cuando está nublado; y 3) se requiere un flujo continuo de agua como parte de un sistema protegido contra las heladas.

Controlador de bomba. El controlador de bomba varía el voltaje para optimizar la cantidad de agua bombeada en condiciones de luz que no son ideales. Además, protege a la bomba contra voltajes altos o bajos que podrían dañarla. Algunos controladores te permiten conectar una fuente de energía distinta a los paneles solares, como una turbina eólica o un generador.

Inversor. Una bomba de corriente alterna requiere un inversor, es decir,un componente electrónico que convierte la corriente continua proveniente de los paneles solares o de un banco de baterías en corriente alterna para hacer funcionar la bomba. Los inversores tienen, en el mejor de los casos, una eficiencia de aproximadamente el 93 %, por lo que el sistema fotovoltaico debe dimensionarse teniendo en cuenta esta pérdida de potencia.

Otros equipos. Un interruptor de flotador enciende y apaga la bomba al llenar el tanque de almacenamiento. Es similar al flotador de la cisterna de un inodoro, pero está conectado al controlador de la bomba. Los electrodos de corte por bajo nivel de agua protegen a la bomba en caso de que haya poco agua en el pozo.

Diseño e instalación de sistemas

Es probable que al consumidor promedio le resulte abrumadora la idea de calcular las dimensiones y diseñar un sistema de bombeo solar, y la mayoría de las personas necesitan la ayuda de un distribuidor especializado en energía solar. En general, los distribuidores están dispuestos a ayudar. Muchos te ofrecerán una cotización sin costo alguno basada en unas cuantas preguntas sencillas que puedes responder por teléfono. Si el precio te parece demasiado alto, puedes solicitar cotizaciones de otros distribuidores sin problema.

Para dimensionar y diseñar un sistema correctamente, el distribuidor querrá saber:

• Cuánta agua necesitas
• Cuando necesites agua
• Ya sea que tu fuente de agua sea un arroyo, un estanque, un manantial o un pozo
• Agua disponible en galones por minuto (gpm)
• Profundidad del pozo
• La distancia desde la parte superior de la fuente de agua hasta el nivel del suelo y el tanque de almacenamiento
• El tamaño y el tipo de tubería que planeas usar (un distribuidor puede darte recomendaciones)
• A qué distancia hay que bombear el agua
• Problemas relacionados con la calidad del agua (por ejemplo, sedimentos o un alto contenido de minerales) que podrían dañar la bomba
• ¿Qué capacidad tienen los tanques de almacenamiento y cómo están dispuestos?

Un distribuidor puede ayudarte a elegir el tamaño y el diseño de un sistema que se adapte a tus necesidades específicas. Foto: NCAT

Con base en estos factores, el distribuidor recomendará un sistema y armará una lista de componentes adecuados. Este es un aspecto en el que la experiencia y el conocimiento del distribuidor sobre los sistemas son esenciales. Un distribuidor también puede ahorrarte tiempo y molestias al proporcionarte los accesorios adecuados: clips, tornillos, tuercas, pernos, arandelas, cable (cortado a la longitud correcta) y una variedad de cables y conectores. El cliente suele proporcionar los elementos periféricos, tales como tuberías y accesorios de agua, tanques, postes de soporte para la estructura de montaje, concreto y materiales de puesta a tierra.

Si la ubicación permite que los tanques de almacenamiento estén más altos que los tanques de abrevadero, se puede aprovechar la gravedad para suministrar agua a estos últimos. Ten en cuenta que, al alimentar un tanque de abrevadero por gravedad, algunas válvulas de flotador necesitan una cierta presión para funcionar correctamente. Asegúrate de que la elevación del tanque de almacenamiento sea suficiente para generar esa presión. Si no es posible utilizar un sistema por gravedad, se puede emplear una bomba de refuerzo con un banco de baterías para bombear agua desde el tanque de almacenamiento hasta donde se necesite. Otra opción es un tanque de almacenamiento grande y presurizado que funciona igual que el tanque de presión en la mayoría de los sistemas domésticos de agua de pozo. La presión se acumula en el tanque a medida que se llena y luego se utiliza para impulsar el agua hacia los tanques de almacenamiento.

La queja más común sobre los sistemas de bombeo solar es que los caudales son decepcionantes. A menudo hay un período de ajuste y optimización cuando se instalan los sistemas por primera vez. Al dimensionar el sistema, no quieres desperdiciar dinero en un sistema excesivamente grande, pero necesitas que sea lo suficientemente grande como para manejar las situaciones de mayor consumo de agua a lo largo del año, tomando en cuenta los períodos de clima nublado en los que tu sistema bombeará poca o ninguna agua. Esto puede ser un equilibrio delicado, pero sobredimensionar el sistema solo un poco (tal vez un 20 %) te ayudará a asegurarte de que no tengas que invertir en un sistema de respaldo para esos momentos de mayor consumo de agua.

Por lo general, el propietario puede instalar un sistema de bombeo solar por su cuenta. Sin embargo, es necesario tomar algunas precauciones. La instalación de uno de estos sistemas es una tarea compleja, que combina elementos de electricidad, plomería y construcción pesada (que a menudo incluye movimiento de tierra, vertido de concreto y soldadura). Las instrucciones escritas no siempre son tan completas como deberían. Una retroexcavadora o un tractor con cargador frontal es casi imprescindible para algunos proyectos más grandes.

Diseño del sistema antiescarcha

El uso de un sistema de riego solar en invierno presenta algunos retos. Los problemas relacionados con la menor intensidad de luz y los días más cortos suelen resolverse agregando más paneles solares. Sin embargo, el mayor reto es evitar que se congelen las tuberías, las válvulas, los tanques de agua y los abrevaderos.  No tendrás forma de alimentar los calentadores de resistencia eléctrica de CA de alta potencia (a menudo de más de 1,500) que se usan comúnmente para evitar que el agua se congele. Y durante la noche —cuando las temperaturas están en su punto más bajo— los paneles solares no generan energía alguna.

Tienes varias opciones para evitar la congelación, como aprovechar el calor de la tierra o del sol, aislar los componentes y hacer circular el agua de manera continua. Al seguir algunos principios básicos de diseño desde el inicio, puedes construir un sistema que, muy probablemente, funcionará en climas fríos durante muchos años sin ningún problema.  Al instalar el sistema, deberá reducir el riesgo de congelación de los componentes que puedan estar en contacto con el agua. Deberá enterrar las tuberías por debajo de la línea de congelación. Si el sistema incluye un pozo, instale un adaptador sin foso. Cualquier sección de tubería que quede sobre el suelo debe estar aislada y dispuesta de manera que se drene por la noche, así como cuando esté nublado y no se esté bombeando agua. Es posible que las llaves de agua a prueba de heladas no funcionen en esta situación. Si se deja la manija levantada y el agua bombeada por energía solar deja de correr —ya sea porque es de noche o porque está nublado—, la llave se congelará.

Sugerencias para mantener el acceso al agua

Existen varias formas de mantener abiertos los tanques de riego y evitar que los tanques de almacenamiento se congelen. Para empezar, puedes aprovechar el calor geotérmico enterrando la parte inferior del tanque. Además, hay muchos tanques de riego para climas fríos disponibles en el mercado (consulta la sección «Recursos adicionales» al final de esta publicación). Cada situación de riego para el ganado es única, por lo que deberás adaptar una solución a tu sitio, el clima y el terreno. A continuación se presentan algunas ideas, y puedes encontrar más información sobre el diseño en la sección de Recursos adicionales, en el apartado «Sistemas remotos de abrevado invernal para ganado de carne».

1) Bombea agua a un tanque de almacenamiento grande y cerrado ubicado a mayor altura. Debes aislar el tanque de alguna manera, enterrarlo o amontonar tierra a su alrededor. Si alguna parte del tanque queda expuesta, píntala de negro para que absorba el calor del sol durante el día. Desde el tanque de almacenamiento, instala una tubería enterrada para abastecer los tanques de riego por gravedad. Puedes dirigir el flujo de agua alrededor del perímetro interior del tanque de riego, donde el hielo tiende a formarse primero. Puedes dejar que el agua gotee continuamente, desbordando el tanque hacia un campo de drenaje. O tal vez prefieras usar una válvula de flotador controlada por termostato que se abra cuando las temperaturas bajen por debajo de cierto punto. (Ten en cuenta que estas válvulas pueden requerir una presión mínima para funcionar correctamente.)

2) Si no es posible utilizar un tanque de almacenamiento, puedes llenar el tanque de riego directamente durante el día y hacer un pequeño agujero en el tanque para que se vacíe lentamente durante la noche, manteniendo el agua en movimiento.  Recuerda que cada vez que se pierde agua, estás disminuyendo la eficiencia del sistema. Además, no hay garantías de que el sol salga al día siguiente para volver a llenar el tanque. Por lo tanto, si tu sistema está configurado para drenarse todas las noches, tal vez valga la pena considerar una fuente de energía de respaldo.

3) Puedes usar llantas grandes de maquinaria pesada como tanques de agua. Estas ayudan a mantener el agua en estado líquido, ya que son negras y absorben el calor del sol durante el día. Además, son lo suficientemente flexibles como para no agrietarse en caso de heladas. Estas llantas suelen estar disponibles de forma gratuita, son muy resistentes y pueden soportar el maltrato de los animales. Aquí puedes encontrar los planos y diseños de instalación del NRCS para un tanque de agua hecho con llantas de maquinaria pesada.

4) Gran parte de la pérdida de calor de un tanque de agua ocurre en la superficie del agua. Puedes reducir considerablemente esta pérdida de calor colocando una cubierta aislante sobre gran parte de la superficie del tanque. Deja aberturas alrededor del borde para que los animales puedan beber. También puedes aislar los costados de los tanques de agua con material aislante, aserrín o virutas de madera. Enterrar parcialmente un tanque de agua o rodearlo con un montículo de tierra permite aprovechar el calor del suelo para evitar que se congele.

5) Otra forma de aprovechar el calor de la tierra es instalar una alcantarilla debajo del tanque con un fondo sellado. Puedes hacer circular el agua desde la alcantarilla hacia el tanque con una bomba solar independiente de baja potencia. Este sistema requiere un banco de baterías para permitir su uso nocturno. Deberás colocar las baterías en un área protegida contra el hielo, como en una plataforma por encima del nivel del agua en la alcantarilla. Varias empresas ofrecen sistemas de este tipo y se enumeran en la sección «Recursos adicionales» al final de esta publicación. Para ahorrar energía de las baterías, se puede agregar un sensor de movimiento a este tipo de sistema, lo que hará que el agua circule solo cuando una vaca sedienta se acerque al tanque.

6) Puedes usar un calentador especial de propano con tanque incorporado para evitar que el agua se congele. Trojan Specialty Products, con sede en Dodge City, Kansas, es una de las empresas que comercializa dos tipos de estos calentadores de agua. www.trojanlivestock.com

7) Algunos productores innovadores han experimentado con la construcción de colectores de aire o de agua calentados por energía solar en sus tanques. Para ver algunos ejemplos e inspirarte, visita Build It Solar. Otra posibilidad es instalar una pequeña bomba de aire (como las que se usan en los acuarios) para hacer circular el agua dentro del tanque de almacenamiento. Ten en cuenta que este método requeriría un banco de baterías para su uso nocturno.

Descripciones de los proyectos

John Hopkins, de Forks Farm, instaló un sistema de bombeo solar para ampliar la superficie destinada al pastoreo en su granja cerca de Bloomsburg, Pensilvania. Foto: Chris Lent, NCAT

Granja Forks, Forks, Pensilvania

John Hopkins y su esposa Todd crían aves de corral, ganado vacuno, ovino y porcino en pastoreo en su granja, ubicada a orillas del arroyo Huntington. Instalaron un sistema solar de calentamiento de agua de dos paneles y 300 vatios para habilitar 25 acres para el pastoreo estacional, un área que antes carecía de suministro de agua.  Para el proyecto, excavaron un pozo poco profundo de ocho pies alimentado por un manantial y utilizaron una bomba Grundfos 6-SQF-2. El sistema es capaz de bombear 1,100 galones al día durante la temporada de verano. El costo total de instalación del sistema fue de 6,850 dólares, sin incluir la excavación de una zanja para enterrar la tubería de agua.

Rancho Ballard, Lavina, Montana

Un sistema fotovoltaico con seguimiento sustituyó a un molino de viento viejo y poco confiable en el rancho Ballard, cerca de Lavina, Montana. Foto: NCAT

Cuando su viejo molino de viento para bombear agua finalmente dejó de funcionar, Jim y Adele Ballard instalaron un sistema de bombeo solar para reemplazarlo. El nuevo sistema bombea agua de un pozo de 65 pies de profundidad a un par de tanques para ganado con una capacidad de aproximadamente 4,000 galones. Cuatro módulos fotovoltaicos de 80 vatios, montados en un soporte de seguimiento, alimentan una bomba sumergible de pistón que proporciona un caudal máximo de 5.5 gpm, suficiente para abastecer de agua a 100 pares de vacas y terneros. El sistema produce caudales promedio de 2,000 a 3,000 galones por día durante los meses de verano. El costo de los componentes solares en 2001 fue de $5,500.

Este sistema de bombeo solar, ubicado en el rancho Hirsch, cerca de Deer Lodge, Montana, protege las riberas del arroyo Racetrack Creek, un importante curso de agua para el desove de la trucha. Foto: NCAT

Rancho Hirsch, Racetrack, Montana

Rick y Pam Hirsch instalaron un sistema de bombeo solar en un pozo de 10 pies de profundidad, excavado con retroexcavadora, en su propiedad para dar de beber a 36 parejas de vacas y terneros. El sistema de bombeo utiliza dos módulos fotovoltaicos de 64 vatios, un soporte de seguimiento pasivo y una bomba sumergible de diafragma equipada con una cubierta contra la arena y electrodos de corte por bajo nivel de agua para proteger la bomba. El sistema está diseñado para producir caudales de 2,600 a 2,800 galones por día durante los meses de verano. El costo de los componentes solares en 2001 fue de $2,400.

Un sistema fotovoltaico instalado en un remolque está mejorando la gestión de las cuencas y la calidad del agua a lo largo del arroyo Painted Robe, cerca de Lavina, Montana. Foto: NCAT

Grupo de la cuenca del río Painted Robe, Lavina, Montana

El Grupo de la Cuenca del Painted Robe ha estado desarrollando fuentes de agua potable fuera del cauce para el ganado a lo largo del arroyo Painted Robe, un afluente del río Musselshell que presenta problemas de calidad del agua. El grupo recibió un sistema de bombeo solar montado en un remolque del Departamento de Calidad Ambiental de Montana. Se instaló por primera vez en el rancho Leo Schraudner para abastecer de agua a 150 cabezas de ganado en el sitio de un pozo de 60 pies de profundidad. Siete paneles de 60 vatios, montados en un bastidor fijo sobre un remolque, utilizan un inversor para convertir la corriente continua (CC) generada por la energía solar en la corriente alterna (CA) que necesita la bomba centrífuga sumergible. El agua se bombea a dos tanques de 1,100 galones. El sistema está diseñado para producir caudales promedio de 2,880 a 4,000 galones por día durante los meses de verano. Los costos de los componentes solares en 2001 fueron de 10 650 dólares.

Recursos adicionales

Los distribuidores y fabricantes de equipos solares son una buena fuente de información. Para encontrar distribuidores e instaladores de equipos solares con experiencia en sistemas de bombeo solar, visita el Directorio de Energías Alternativas del NCAT. Encontrarás un mapa interactivo que te permitirá localizar distribuidores e instaladores en tu zona.

Para obtener información sobre los incentivos:

Visita la Base de datos de incentivos estatales para la energía renovable. Haz clic en tu estado.

Fabricantes de sistemas de abastecimiento de agua para ganado en climas fríos:

CAP Solar

Bomba nasal sin congelación

Bebederos para ganado JUG

Miraco

Publicaciones

Sistemas de riego para ganaderos profesionales. 2006. Por el Servicio de Conservación de Recursos Naturales del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA).
Esta guía de 40 páginas aborda temas como las necesidades de agua del ganado, las fuentes de agua, los sistemas de distribución, los tanques, la protección de las áreas de abrevadero, la ubicación de los tanques, la instalación de tuberías y el aprovechamiento de manantiales.

Bombas y sistemas de riego para el pastoreo controlado de ganado vacuno, segunda edición. 2007. Por Donald Pfost, James Gerrish, Maurice Davis y Mark Kennedy. Extensión de la Universidad de Missouri, Columbia, MO.
Esta guía de ocho páginas aborda los requisitos de cantidad de agua para diferentes animales de pastoreo, los sistemas de distribución, el dimensionamiento de tuberías y tanques de almacenamiento, y la elección de bombas.

Determinación del sistema óptimo de bombeo de agua con energía solar para uso doméstico, abrevadero de ganado o riego. 2009. Por Brian D. Vick y R. Nolan Clark. Servicio de Investigación Agrícola del USDA, Bushland, TX.
Este informe de nueve páginas presenta los resultados de pruebas realizadas con bombas solares en diversas condiciones. Analiza las opciones para el bombeo de agua en zonas remotas, los tipos y el rendimiento de los módulos fotovoltaicos, así como los tipos y el rendimiento de diversas bombas solares.

Sistemas de riego remoto en invierno para ganado de carne. 2006. Por el Departamento de Agricultura, Alimentación e Iniciativas Rurales de Manitoba, el Ministerio de Agricultura y Agroalimentación de Canadá y el Consejo de Forrajes de Manitoba.
Esta breve guía analiza cuatro diseños de baja tecnología para sistemas de riego en climas fríos.

Conceptos básicos sobre el bombeo de agua con energía solar. 2012. Por Chris Callahan y Ben Waterman. 2012. Proyecto para nuevos agricultores de la Extensión de la Universidad de Vermont.
Este artículo aborda los principios del bombeo de agua, incluyendo cómo determinar los requisitos de caudal y presión. Ofrece un proceso de cuatro pasos para diseñar un sistema de bombeo de agua con energía solar. Es un buen artículo para quienes estén interesados en obtener más información sobre cómo diseñar su propio sistema para riego o para el abrevado de ganado.

Diseño de pequeños sistemas fotovoltaicos (PV) de bombeo de agua con energía solar. 2010. Teresa D. Morales y John Busch. Servicio de Conservación de Recursos Naturales del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA), Portland, OR. Nota técnica n.º 28 del NRCS.
Esta nota técnica de 71 páginas aborda el diseño de sistemas solares, incluidos los componentes de los sistemas de bombeo solar. Se tratan los paneles fotovoltaicos, los controladores y las bombas, así como las consideraciones de montaje. A continuación, se presenta un proceso de diseño detallado de 12 pasos para quienes estén interesados en diseñar su propio sistema.

Sistemas de abastecimiento de agua para ganado alimentados con energía solar
Por Mike Morris y Vicki Lynne
Especialistas en energía del NCAT
© NCAT
IP217
Espacio 220

Esta publicación ha sido elaborada por el Centro Nacional de Tecnología Apropiada (NCAT) a través del programa de Agricultura Sostenible de ATTRA, en el marco de un acuerdo de cooperación con el Departamento de Desarrollo Rural del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA). ATTRA.NCAT.ORG.