EDINGINERIA – PREZENT ŞI VIITOR

Buletinul AGIR nr. 3/2015 ● iulie-septembrie 3

SISTEM AUTOMAT DE IRIGARE PRIN PICURARE ALIMENTAT DE LA PANOURI

FOTOVOLTAICE

Şef. lucr. dr. ing. Laurenţiu ALBOTEANU1, Prof. dr. ing. Gheorghe MANOLEA1, Ing. Constantin DOBOŞERIU2

1Universitatea din Craiova, 2SC Hidroelectrica Serv SA, Secţia Reparaţii Lotru

REZUMAT. Protejarea resurselor naturale prin utilizarea raţională şi eficientă a acestora este una dintre problemele la nivel mondial cu care se confruntă specialiştii. Apa ca de altfel şi combustibilii clasici fac parte din resursele naturale importante ale Terrei. Lucrarea prezintă o soluţie cu privire la utilizarea eficientă a apei pentru irigaţii. Soluţia constă în utilizarea unui sistem automat de irigare prin picurare ce utilizează energia solară.

Cuvinte cheie: irigaţii prin picurare, energie solară, sistem fotovoltaic, automatizare, monitorizare.

ABSTRACT. Protecting natural resources through rational and efficient use of them is one of the global issues facing experts. Water as well as classic fuels are part of the important natural resources of the Earth. This paper presents a solution regarding the efficient use of water for irrigation. The solution is to use an automatic drip irrigation system using solar energy.

Keywords: drip irrigation, solar energy, photovoltaic system, automation, monitoring.

1. INTRODUCERE

La nivel global, managementul apei devine un subiect din ce în ce mai delicat. Conform statisticilor ONU (Organizația Națiunilor Unite), populația Globului crește anual cu 80 de milioane de persoane. Acest lucru implică o creștere de 64 de miliarde de metri cubi a necesarului de apă pentru consum anual.

Previziunea legată de competiția pentru apă este cuprinsă în raportul pe anul 2012 al World Water Development Report (WWDR), raportul ONU legat de evoluția apei planetare. Acest raport complex este emis de către ONU o dată la 3 ani [10].

În general 70% din consumul global de apă merge în agricultura, pentru irigarea culturilor (fig. 1.). Agricultura irigată reprezintă 20% din totalul pământului cultivat (media globală), dar aduce 40% din hrană [10].

Fig. 1. Distribuția consumului global de apă [10].

În prezent, irigarea prin picurare s-a răspândit exponențial și în continuare se află într-o continuă dezvoltare. Dacă până nu demult, irigarea prin picurare era privită ca o soluție pentru culturile anuale (legume sau chiar cereale), astăzi nu se mai concep livezi intesive sau super intesive de pomi fructiferi care să nu fie dotate cu instalații de irigare prin picurare. De asemenea, în viticultura se pune tot mai mult pro-blema irigării prin picurare a viței de vie. În unele zone viticole (de exemplu Africa de Sud), acest lucru deja este practicat la scară largă.

În agricultura modernă (fie că este vorba de legume în solar, în câmp, pomi fructiferi, viță de vie sau cereale), controlul apei este crucial, în condițiile în care se doresc recolte demne de a susține o populație ce se află într-un ritm alert de creștere.

De asemenea, noile provocări, ce apar din cauza resurselor limitate de apă, nu ne permit să mai irosim cu darnicie acest element vital, care devine din ce în ce mai valoros. Dacă nu se vor aplica în continuare măsuri inovatoare de management al apei, este posibil ca apa sa devină noul petrol.

În acest context lucrarea îşi propune să aducă contribuţii cu privire la utilizarea raţională şi eficientă a resurselor de apă cu un consum minim de energie prin realizarea unui sistem automat de irigare bazat pe tehnologia picurării.

De asemenea, pentru a proteja resursele epuizabile clasice de energie se utilizează energia solară gratuită, inepuizabilă.

INGINERIA – PREZENT ŞI VIITOR

Buletinul AGIR nr. 3/2015 ● iulie-septembrie 4

Energia solară este converită în energie electrică de c.c., stocată în acumulatori şi apoi convertită în energie de c.a. necesară alimentării elementelor de pompare a apei.

2. STRUCTURA INSTALAŢIEI AUTOMATE DE IRIGARE PRIN PICURARE

În componenţa amenajărilor de irigaţie prin picu-rare (fig. 2.1.) ca şi în cazul altor metode localizate se include atât materiale comune tuturor reţelelor de conducte cât şi materiale dispozitive, echipamente specifice metodei de udare. Poziţionarea acestora în cadrul schemelor hidrotehnice se face ţinându-se seama de considerente funcţionale, rezultând astfel variante de amplasare în funcţie de calitatea apei de irigaţie, panta terenului, caracteristicile solului, tipul de picurător folosit, dimensiunea amenajării, presiunea disponibilă etc.

Pentru a fi rentabilă, instalaţia de udare prin picurare trebuie să aibă în componenţa sa dispozitive de protecţie şi control al calităţii apei, aparatură de măsură şi control al presiunii şi volumelor de apă distribuite în reţea, echipamente care să permită aplicarea unor tratamente chimice şi a fertilizărilor prin apa de irigare şi echipament de udare care să se adapteze la condiţiile de cultură şi relief cu asigu-rarea udărilor de calitate.

În figura 2 sunt prezentate elementele compo-nente ale unui sistem de irigare prin picurare pentru suprafeţe mici ce face obiectul de studiu al prezentei lucrări.

Acest sistem pe timpul zilei va capta energia solară cu ajutorul celulelor fotovoltaice și prin inter-mediul regulatorului de încarcare se va stoca energia electrică produsă in acumulatorii aferenți. Invertorul cc-ca v-a alimenta pompa sumersibilă pentru adu-cerea apei din puț în rezervor atât timp cât senzorul de nivel maxim nu va fi activat, totodată pompa va funcționa atât timp cât nivelul apei din puț nu va scădea sub nivelul minim (flotorul pompei este un contact normal închis cât timp apa îneacă pompa, contactul se deschide la scăderea nivelului apei din puț). Electovana va fi comandată la deschidere atunci când sunt îndeplinite condițiile de timp, de temperatură (cronotermostatul fiind elementul de comandă) și nu în ultimul rând de nivel minim rezervor (în lipsa apei din rezervor electrovana nu va fi comandată).

Pentru implementarea automatizării sistemului de irigare s-a ţinut seama de următoarele condiţii:

– udarea se va face numai noaptea, condiţionat de temperature mediului ambient;

– asigurarea protecția rezervorului la supraplin; – asigurarea protecției pompei sumersibile la

funcționarea fară apă; – asigurarea protecția electrovanei la lipsa apei în

rezervor.

Fig. 2. Schema de principiu a instalaţiei automate de irigare prin picurare.

SISTEM AUTOMAT DE IRIGARE PRIN PICURARE ALIMENTAT DE LA PANOURI FOTOVOLTAICE

Buletinul AGIR nr. 3/2015 ● iulie-septembrie 5

Având în vedere condiţiile impuse pentru irigare s-a optat pentru o automatizare a instalaţiei în funcţie de timp şi în funcţie de automatizare utilizând ca element de comandă un cronotermostat.

Pentru realizarea practică a nivelului maxim și minim rezervor s-a folosit același tip de flotor (identic cu flotorul pompei care suportă curentul și tensiunea de lucru).

Pentru cronotermostat s-a folosit un termostat electronic digital pentru centralele termice de aparta-ment programabil, pe ore, zile, luni, elementul de execuție fiind un contact care suportă curentul și tensiunea electrovanei.

Modulul de automatizare (fig. 2) utilizează ele-mente clasice de comandă cu contacte şi relee a cărei schemă electrică este prezentată în figura 3.

Fig. 3. Schema electrică simplificată de automatizarea clasică: K – bobină releu; k1 – cnd cronotermostat; f1 – cnî flotor nivel minim puț; f2 – cnd flotor nivel maxim rezervor; f3 – cnd flotor

nivel minim rezervor.

În momentul în care invertorul furnizează energie pompei sumersibile, dacă contactele f1 (flotor nivel minim puț) și k (contact bobină inversare stare flotor nivel maxim rezervor) nu sunt închise pompa nu va funcționa. În situația în care nivelul apei în puț va

scădea, contactul f1 se deschide și pompa nu mai funcționează, identic cu situația în care rezervorul se umple, contactul f2 (flotor nivel maxim rezervor ) se inchide alimentând bobina K, care deschide con-tactul k.

Electrovana se deschide atunci când contactul f3 (flotor nivel minim rezervor) este închis, adică este apă în rezervor și cronotermostatul închide contactul k1, adică sunt îndeplinite condițiile de timp și de temperatură.

3. EXPERIMENTAREA SISTEMULUI AUTOMAT DE IRIGARE

Pentru verificarea funcţionalităţii sistemului auto-mat de irigare prezentat mai sus s-a realizat un model experimental la scară mai mică (fig. 4).

Faţă de structura sistemului automat de irigare prezentat mai sus, modelul experimental conţine un al doilea rezervor care simulează puţul, iar instalaţia de picurare lipseşte deoarece nu este necesar pentru experimentare.

De asemenea în plus modelul experimental conţine un sistem de monitorizare cu microcontroler pentru monitorizarea parametrilor de interes din cadrul sistemului.

Afişarea parametrilor se poate face local pe ecranul sistemului de dezvoltare cu microcontroler sau la distanţă, pe ecranul unui calculator (PC).

În cazul monitorizării la distanţă parametrii pot fi afişaţi atât sub formă numerică cât şi sub formă grafică cu ajutorul software-uli specializat Visual Basic şi utilitarul IOCOMP.

După cum se poate observa în figura 5, software-ul respectiv permite achiziția simultană a patru semnale provenite din proces.

Fig. 4. Modelul experimental al sistemului automat de irigare.

INGINERIA – PREZENT ŞI VIITOR

Buletinul AGIR nr. 3/2015 ● iulie-septembrie 6

Fig. 5. Achiziția online a datelor de la modelul experimental.

Fereastra grafică din figura 3.2 surprinde evoluția mărimilor în timpul funcționării instalației. Astfel se observă că pe canalul 1, curentul de încărcare al bateriei furnizat de panoul fotovoltaic (I2) are o evoluție constantă de aproximativ 0,5 A la o valoare a iradiației solare constante dar de intensitate mică.

Canalul 2 oferă informații despre funcționarea pompei. În momentul inițial pompa este în funcțiune și această funcționare durează aproximativ 7 minute până când flotorul f1 a detectat nivelul minim în rezervorul de aspirație și pompa a fost deconectată.

Momentul deconectării pompei este evidențiat și de canalul 4 (Consum AC), care indică starea consumatorilor conectați la invertor.

4. CONCLUZII

Având în vedere că în zona de sud a României sistemul de irigații s-a dezintegrat imediat dupa 1990 și unde posibilitatea de racordare la sistemul de distribuție a energiei electrice nu este la îndemâna oricui, sistemul prezentat în această lucrare poate fi

o soluţie pentru asigurarea umidității în sol pentru culturile înființate.

De asemenea numeroase suprafețe agricole culti-vabile, odată cu retrocedarea au fost parcelate în suprafețe mici. Pentru aceste suprafețe alte soluții de irigare au eficiență foarte mică. Pentru suprafețe mici eficiența energetică a unui sistem de irigare prin picurare este maximă, prin consumurile reduse de apă și energie electrică pentru irigarea culturilor.

Utilizarea tehnici de irigare prin picurare conduce la o dezvoltare mai sănătoasă a plantelor, evitându-se în acest fel folosirea pesticidelor, a fungicidelor, în consecință la obținerea unor culturi bio.

Utilizarea unui sistem fotovoltaic pentru alimen-tarea consumatorilor electrici ai instalației de irigare prin picurare aduce un aport la protecția mediului prin protejarea resurselor de combustibili clasici poluanți și folosirea energiei solare inepuizabilă, gratuită și nepoluantă.

Rezultatele experimentale obținute evidențiază corectitudinea funcționării sistemului de irigare auto-mat realizat si poate fi aplicat cu succes pentru aplicații domestice.

SISTEM AUTOMAT DE IRIGARE PRIN PICURARE ALIMENTAT DE LA PANOURI FOTOVOLTAICE

Buletinul AGIR nr. 3/2015 ● iulie-septembrie 7

Mulţumiri

Această lucrare a fost parţial susţinută financiar din grantul nr. 29/2014, acordat in competiţia internă de granturi a Universităţii din Craiova.

BIBLIOGRAFIE

[1] Alboteanu L., Manolea Gh., Monitoring and Management of Energy in a Stand Alone Photovoltaic System, Advances in Environment Technologies, Agriculture, Food and Ani-mal Science, 2013.

[2] Alboteanu L., ManoleaGh., and Al. Novac, Automtion of a pumping staion for low power applictions, „Hidraulica”-Magazine of Hydraulics, Pneumatics, Tribology, Ecology,

Sensorics, Mechatronics no. 1/2014, ISSN 1453 – 7303, pp.58-64.

[3] Berger B., Hidraulic side of electrically controlled auto-matic Systems, En II Int. Conference on Irrigation, Tel Aviv, Israel, 1981.

[4] Cazacu E., Nicolaescu I., Soluţii pentru reducerea consumului de apă şi energie în amenajările de irigaţie, Hidrotehnică, nr.8, 1989.

[5] Grumeza N., Dăscălescu O., Irigaţii prin picurare, Ed. Ceres, Bucureşti, 1983.

[6] Larionescu, S., Automatizarea instalaţiilor, vol. 1, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, 2010.

[7] Petrescu, S., Mocanu, C., Visual Basic 5.0.- Manualul programatorului, Ed. Teora, Bucureşti, 1998.

[8] Pop, E., Leba, M., Microcontrolere şi automate progra-mabile, EDP Bucureşti, 2003.

[9] *** Microsoft, MSDN Visual Studio 6.0. [10] *** Raport FAO, 2012

Despre autori

Şef. lucr. dr. ing. Laurenţiu ALBOTEANU Universitatea din Craiova

Absolvent al Universităţii din Craiova, Facultatea de Electromecanică – 2004; doctor inginer din anul 2009; în prezent cadru didactic la Universitatea din Craiova, Facultatea de Inginerie Electrică. Domenii de competenţă: sisteme fotovoltaice, hidraulică şi climatizare, sisteme automate de acţionare.

Prof. dr. ing. Gheorghe MANOLEA Universitatea din Craiova

Absolvent al Universităţii din Petroşani – 1970, doctor inginer din anul 1981, profesor la Universitatea din Craiova, (Inginerie electrică). Conducător de doctorat în domeniul „Inginerie electrică". Director al Centrului de Inovare şi Transfer Tehnologic. Domenii de competenţă: sisteme automate de acţionare electromecanică, transfer tehnologic, proprietate industrială.

Ing. Constantin DOBOŞERIU SC Hidroelectrica Serv SA, Secţia Reparaţii Lotru

Absolvent al Universităţii din Craiova, Facultatea de Electromecanică – 1995; doctorand din anul 2012. În prezent, inginer şef secţie în cadrul Secţiei Reparaţii Lotru la SC Hidroelectrica Serv Sucursala Ramnicu Vâlcea