WO2010125213A1 - Dispositivo energético para el accionamiento de pivots de riego - Google Patents

Dispositivo energético para el accionamiento de pivots de riego Download PDF

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines

Definitions

  • the present invention relates to an energy device for actuating irrigation pivots, the obvious purpose of which is to constitute a means of electrical power for both the control and command system and the transfer system of an irrigation pivot.
  • the object of the invention is to provide a device that takes advantage of the pressure differential of a classic irrigation system compared to a "low consumption pivot" irrigation system, to produce the electrical energy necessary for the operation of the pivot itself, allowing to achieve an energy saving in said pivot irrigation systems and at the same time the possibility of eliminating conventional electrical installations and / or diesel generating groups instead of those.
  • pivot irrigation is a technology developed from the mid-twentieth century, its use being widespread worldwide, mainly for irrigation of horticultural crops, forage and extensive crops.
  • the basic units that make up the pivot irrigation system are: a pumping group, a power supply group, PVC or aluminum conduction pipes with their hydrants and an irrigation branch with their emitters and pressure regulators, of so that the power supply groups currently used are of two types: one for connection to the existing power grid, plus the connections with electric cable to the center of the pivot and the other with diesel generator set, although in this case, it has the inconvenience of maintenance, diesel supply and the risk of theft.
  • central, lateral and racecourse pivots all of them constituted by structures and powered by electric motors, equipped with emitters for sprinkler irrigation and control elements that allow large areas to be irrigated with low installation and maintenance costs.
  • the structures are formed by some sections of arc-shaped pipe, connected to an outlet, raised to about 4 m high and suspended in towers that are 30 to 60 m apart, supporting those towers on two wheels that are moved by an electric motor located on the axis of the tower.
  • the water supply to the pipeline is carried out at a fixed point, turning the structure around it, while in lateral irrigation systems the water supply to the pipeline is carried out by a hose or a channel, along which the side is moving.
  • Pivot irrigation involves applying a controlled rain on the plot, both in intensity and uniformity, with the objective that the water infiltrate the same point where it falls, being a continuous displacement system while the water is applied, get a uniformity with the pivot of 98%.
  • the plot is free of obstacles to perform the different tasks.
  • the source of energy necessary for the operation of the irrigation pivot can be solved in two different ways, one by means of electric power supplied by the proximity to an electric line, and the other by a diesel generator located in the
  • a pressure reducing valve is placed before parcel delivery, establishing an energy dissipated in the energy jump of the pressure reducing valve for its performance.
  • the device that has been recommended has been designed to solve the above-mentioned problem, that is, to achieve an energy alternative to drive the pivot, using as an energy source the excess pressure that dissipates in the pressure reducing valves located in the different irrigation sockets along the network, taking advantage of two of the pivot's operating characteristics that are: low pressure operation and low energy consumption for its translation.
  • the device of the invention which takes advantage of part of the pressure that it is lost in the pressure reducing valve of the hydrant or of the pressure regulators of the pivot emitters, and is constituted from a turbine with flow regulator and energy produced at the inlet thereof and logically connected to the outlet corresponding irrigation, so that both pressure gauges, or analog pressure detectors are provided at both the outlet and the inlet of said turbine.
  • the flow regulation at the turbine inlet is carried out by means of an actuator mechanism, while the mechanical energy provided by the turbine is supplied to an alternator through the corresponding mechanism, an alternator that generates direct current to power storage batteries. With load capacity.
  • the device also comprises a single-phase inverter to transform the direct current stored in the batteries into alternating current, the device being complemented with a frequency converter with the double function of transforming single-phase current to three-phase current and with the damping function of the peaks of intensity in the starting of the tower motors by means of ramp starting, complementing with some power connections of the tower transfer system, with a power transformer and with the power connections to the control and command panel.
  • the energy device of the invention it takes advantage of the excess energy found in the irrigation sockets on the plot, since the energy sizing of the network has been carried out for the use of different irrigation systems that require a pressure between 40 and 50 meters.
  • the energy device of the invention the energy is created at "pivot foot" consuming between 10 and 20 meters of gauge height, allowing the proper functioning of the pivot that requires 20 or 25 meters of pressure.
  • the device of the invention allows the realization of all the energy demands of the pivot system (power of the electric motors of translation and control panel power and control), with absolute reliability, since its operation is conditioned to the passage of water through the system, which is the same as that used in the application of irrigation and taking advantage of the pressure that would be lost with the pressure reducing valve or pressure regulators of the emitters. This loss of pressure is transformed into electrical energy and also reduces the pressure of the network to the optimum working point of the pivot (2.5 atm).
  • the device increases the versatility of the irrigation pivots, adding a new differentiating feature and increasing their competitiveness, allowing the elimination of the diesel generator set and / or electrical installations and achieving:
  • the device contributes to the improvement of the environment, avoiding emissions of CO 2 into the atmosphere and avoiding pollution that involves the manipulation of generator sets and construction of electrical infrastructures.
  • the The device itself is capable of being used in installations with similar characteristics.
  • the new field of action identified is the drinking water supply networks, which share similar characteristics to the pressure irrigation networks, so that these facilities have flow-pressure conditions superior in some cases to those of the networks of irrigation, so they are highly susceptible to the use of the system.
  • Figure L- Shows the scheme corresponding to the energy device object of the invention.
  • Figure 2. It shows a practical and physical embodiment of the device of the invention, in which a house with the means that are part of the system itself, as well as the water connection, the central tower and the irrigation center are shown. Properly said.
  • Figure 3. Shows a detail in perspective of what the turbine is as a fundamental element of the device of the invention, related to the alternator, the turbine being embedded in the water supply pipe or pipe.
  • Figure 4.- shows a perspective view of the turbine assembly with the alternator and the energy storage batteries, connected to the corresponding inverter.
  • the device of the invention is applicable to the corresponding irrigation connection (1) for driving a pivot, taking advantage of the energy that dissipates in the pressure reducing valve (19) or in the regulators of pressure of the emitters of the pivot, comprising a turbine (2) with flow regulator established at the inlet, with a mechanism (3) actuator of that flow regulator, controlled by two pressure gauges or analogue detectors to control the passage of water through the turbine and the minimum inlet pressure to the pivot (4 and 5), the first one located at the inlet and the second located at the outlet, so that the turbine has a minimum outlet pressure of 20-22 mea for the feeding (6) of "a modified pivot of low pressure and low consumption in the translation of the same", pivot that is rotatable by means of support on the wheels (7) around the tower or "head” (8) anchored to the ground .
  • the mechanical action produced by the water in its incidence on the turbine (2) is transmitted, through a transmission system, such as a set of pulleys and belts (9), to a direct current alternator (10), at 24 V and single phase, whose alternator supplies that current to batteries (11) for accumulation of energy, which are connected to an inverter group (12) whereby the energy continues at 24 V is transformed into alternating energy at 230 V , being associated to the inverter group (12) a transformer (13) from which the corresponding control and command box (14) of the pivot (6) is fed, while from the group inverter (12) and by means of a frequency inverter (15) power is supplied to the motors (16) of the pivot towers, with support of the wheels (7) for the displacement of these and therefore of the pivot itself.
  • a transmission system such as a set of pulleys and belts (9)
  • a filtering device (17) is provided to reduce the noise in the electrical signal.

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Abstract

Dispositivo energético para el accionamiento de pívots de riego, que permite el aprovechamiento del exceso de presión con el que cuenta una red de suministro de agua en las diferentes tomas de distribución en las parcelas, estando constituido a partir de una turbina (2) con regulador de caudal (3) intercalada en la acometida de alimentación de riego (1), habiéndose asociado a dicha turbina (2) un mecanismo transmisor (9) para suministrar la energía mecánica originada en aquella a un alternador de corriente continua con regulador de producción de energía (10), asociado a un grupo de baterías (11) de acumulación de la energía, estando éstas a su vez conectadas a un grupo inversor (12) desde el cual se establece el suministro de alimentación eléctrica tanto al cuadro de control y mando (14) como a los correspondientes motores (16) de las torres del pívot de riego.

Description

DISPOSITIVO ENERGÉTICO PARA EL ACCIONAMIENTO DE
PIVOTS DE RIEGO
D E S C R I P C I O N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un dispositivo energético para el accionamiento de pívots de riego, cuya evidente finalidad es la de constituir un medio de alimentación eléctrica tanto del sistema de control y mando como del sistema de traslación de un pívot de riego.
El objeto de la invención es proporcionar un dispositivo que aproveche el diferencial de presión de un sistema de riego clásico frente a un sistema de riego por "Pívot de bajo consumo", para producir la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del propio pívot, permitiendo conseguir un ahorro energético en dichos sistemas de riego por pívots y a la vez la posibilidad de eliminar las instalaciones eléctricas convencionales y/o los grupos generadores de gasoil en sustitución de aquéllas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Como es sabido, el riego por pívots es una tecnología desarrollada a partir de mediados del siglo XX, estando su uso muy difundido a nivel mundial, fundamentalmente para riego de cultivos hortícolas, forrajeros y cultivos extensivos. Las unidades básicas que componen el sistema de riego por pívots son: un grupo de bombeo, un grupo de suministro de energía, unas tuberías de conducción en PVC o aluminio con sus hidrantes y un ramal de riego con sus emisores y reguladores de presión, de manera que los grupos de suministro de energía empleados actualmente son de dos tipos: uno de conexión a la red eléctrica existente, más las acometidas con cable eléctrico hasta el centro del pivot y otro con grupo electrógeno Diesel, si bien en este caso, tiene el inconveniente del mantenimiento, suministro de gasóleo y el riesgo de robos.
Cabe destacar el hecho de que existen pivots centrales, laterales e hipódromos, todos ellos constituidos por estructuras y propulsados con motores eléctricos, dotados de emisores para riego por aspersión y elementos de control que permiten regar grandes superficies con bajos costes de instalación y mantenimiento. Las estructuras están formadas por unos tramos de tubería en forma de arco, conectados a una toma, elevados a unos 4 m de altura y suspendidos en torres que distan entre si de 30 a 60 m, apoyadas esas torres en dos ruedas que son movidas por un motor eléctrico situado en el eje de la torre.
En los sistemas de riego con pívot central, la toma de agua a la tubería se realiza en un punto fijo, girando la estructura en torno a él, mientras que en los sistemas de riego con lateral el suministro de agua a la tubería se realiza por una manguera o un canal, a lo largo del cual se va trasladando el lateral.
Combinando las dos tecnologías referidas, es decir la de los sistemas de riego con pívot y con lateral, se obtienen los sistemas de riego con hipódromo, en los que la estructura gira y se desplaza alternativamente. El riego por pívot implica aplicar sobre la parcela una lluvia controlada, tanto en intensidad como en uniformidad, con el objetivo de que el agua infiltre en el mismo punto donde cae, siendo un sistema de desplazamiento continuo mientras se realiza la aplicación del agua, se consigue una uniformidad con el pivot del 98%.
El sistema, por estar muy ligado a la parcela, es adecuado para la aplicación del agua necesaria durante la estación de desarrollo del cultivo, de manera que entre las ventajas que presentan los sistemas de riego pívot frente a los sistemas tradicionales son numerosas, pudiendo citar las siguientes:
Requerimientos de presión menores a los necesarios en los sistemas tradicionales. - Control preciso de la dosis necesaria en cada aplicación.
Adaptación a las diferentes morfologías de las parcelas.
Reducción de coste de inversión respecto a otros sistemas de cobertura total automática.
Gracias a su movimiento, la parcela se encuentra libre de obstáculos para realizar las distintas labores.
Gran fiabilidad de funcionamiento.
Bajos costes de mantenimiento y conservación.
Como anteriormente se ha dicho, la fuente de energía necesaria para el funcionamiento del pívot de riego, puede resolverse de dos maneras diferentes, una mediante energía eléctrica suministrada por la proximidad a una línea eléctrica, y la otra mediante un generador de gasoil situado en la
"cabeza" del pívot. En cualquier caso, en el plan nacional de regadíos de nuestro país, en lo que a riego por aspersión se refiere, establece la garantía a los usuarios o regantes de que en cada parcela exista una altura manométrica mínima, que se establece lógicamente en función de las necesidades de disponer de una presión mínima para que los diferentes sistemas de riego puedan funcionar. Esta circunstancia motiva que la red general de distribución se encuentre sometida a mayores presiones, con objeto de permitir entregar la altura manométrica requerida a las parcelas en situación topográfica más desfavorable, originando un exceso de presión en todas las tomas que se encuentran en una situación topográfica más favorable y también por garantizar la presión de 40 m.c.a. para regar con los sistemas clásicos de aspersión.
Para resolver el exceso de presión en las parcelas se coloca, antes de la entrega en parcela, una válvula reductora de presión, estableciéndose una energía disipada en el salto energético de la válvula reductora de presión para su actuación.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El dispositivo que se preconiza ha sido concebido para resolver la problemática anteriormente expuesta, es decir para conseguir una alternativa energética para el accionamiento del pívot, utilizando como fuente de energía el exceso de presión que se disipa en las válvulas reductoras de presión situadas en las diferentes tomas de riego a lo largo de la red, aprovechando dos de las características de funcionamiento del pívot que son: un funcionamiento con baja presión y un bajo consumo energético para su traslación.
Las necesidades energéticas para el funcionamiento del pívot, según el dispositivo de la invención, requiere una alimentación de dos sistemas, una para el sistema de control y mando y otra para el sistema de traslación de las torres.
Pues bien, para conseguir una energía de alimentación de esos dos sistemas, es decir del de control y mando y del de traslación de las torres, es para lo que se ha previsto el dispositivo de la invención, el cual aprovecha parte de la presión que se pierde en la válvula reductora de presión del hidrante o de los reguladores de presión de los emisores del pívot, y se constituye a partir de una turbina con regulador de caudal y de energía producida a la entrada de la misma y conectada lógicamente a la toma de riego correspondiente, de manera que tanto a la salida como a la entrada de dicha turbina se han previsto manómetros de control, o detectores analógicos de presión. Además, la regulación de caudal a la entrada de la turbina se realiza mediante un mecanismo actuador, mientras que la energía mecánica proporcionada por la turbina es suministrada a un alternador a través del correspondiente mecanismo, alternador que genera corriente continua para alimentar unas baterías de almacenamiento con capacidad de carga.
El dispositivo comprende además un inversor monofásico para transformar la corriente continua almacenada en las baterías en corriente alterna, complementándose el dispositivo con un variador de frecuencia con la doble función de transformación de corriente monofásica a corriente trifásica y con la función de amortiguación de los picos de intensidad en el arranque de los motores de las torres mediante arranque en rampa, complementándose con unas conexiones de alimentación del sistema de traslación de las torres, con un transformador de potencia y con las conexiones de alimentación al cuadro de control y mando.
Por consiguiente, el dispositivo energético de la invención aprovecha la energía en exceso que se encuentra en las tomas de riego en parcela, al estar realizado el dimensionamiento energético de la red para la utilización de distintos sistemas de riego que precisan una presión entre 40 y 50 metros. Con el dispositivo energético de la invención se crea la energía a "pié de pivot" consumiendo entre 10 y 20 metros de altura manométrica, permitiendo el buen funcionamiento del pivot que precisa 20 ó 25 metros de presión.
Por lo tanto, en base al dispositivo de la invención es posible salvar la necesidad de aporte de energía eléctrica mediante generadores de gasoil o infraestructura eléctrica próxima a la localización del pivot, permitiendo contrarrestar la histórica ventaja con la que contaban los sistemas de riego basados en cobertura total.
Además, el dispositivo de la invención posibilita la realización de todas las demandas energéticas del sistema pivot (alimentación de los motores eléctricos de translación y alimentación del cuadro de control y mando), con absoluta fíabilidad, ya que su funcionamiento se encuentra condicionado al paso de agua por el sistema, que es el mismo que se utiliza en la aplicación del riego y aprovechando la presión que se perdería con la válvula reductora de presión o reguladores de presión de los emisores. Esta pérdida de presión se transforma en energía eléctrica y además disminuye la presión de la red hasta el punto óptimo de trabajo del pivot (2.5 atm).
En definitiva, el dispositivo aumenta la versatilidad de los pivots de riego, agregándoles una nueva característica diferenciadora y aumentando su competitividad, permitiendo eliminar el grupo generador de gasoil y/o las instalaciones eléctricas y consiguiendo:
- Un ahorro energético en la explotación del pivot. Un ahorro en costes de adquisición y mantenimiento de grupos electrógenos.
Un considerable ahorro en gasoil para el funcionamiento del pivot accionado mediante grupo electrógeno. - Un ahorro en costes de adquisición y mantenimiento de instalaciones eléctricas (permisos y licencias, línea eléctrica, transformador, instalaciones auxiliares, etc.). Un considerable ahorro de inversión por no ser necesaria la acometida eléctrica enterrada hasta el centro del pivot pues con el dispositivo de la invención se produce energía a "pié de pivot".
Se elimina la posibilidad de robo de los sistemas tradicionales al verse excluida la necesidad de los mismos.
Finalmente decir que el dispositivo contribuye a la mejora del medio ambiente, evitando emisiones de CO2 a la atmósfera y evitando la contaminación que supone la manipulación de grupos electrógenos y construcción de infraestructuras eléctricas.
También tiene la posibilidad de implantarse en todos los sistemas de riego mediante pivot, realizando las modificaciones oportunas en cada caso.
Finalmente decir que dada la gran versatilidad del dispositivo descrito, basándose en el aprovechamiento del exceso de energía con el que cuentan las redes hidráulicas, utilizando la energía disipada en el salto energético de las válvulas reductoras de presión o reductores de presión de los emisores, el dispositivo propiamente dicho es susceptible de ser utilizado en instalaciones de características análogas. Concretamente el nuevo campo de actuación identificado son las redes de abastecimiento de agua potable, las cuales comparten características similares a las redes de riego a presión, de manera que esas instalaciones presentan unos condicionantes de caudal-presión superiores en algunos casos a los de las redes de riego, por lo que son sumamente susceptibles a la utilización del sistema.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura L- Muestra el esquema correspondiente al dispositivo energético objeto de la invención.
La figura 2.- Muestra una realización práctica y física del dispositivo de la invención, en la que se deja ver una caseta con los medios que forman parte del propio sistema, así como la acometida de agua, la torre central y el pívot de riego propiamente dicho.
La figura 3.- Muestra un detalle en perspectiva de lo que es la turbina como elemento fundamental del dispositivo de la invención, relacionada con el alternador, estando la turbina intercalada en la acometida o tubería de alimentación de agua. La figura 4.- Muestra, finalmente, una vista en perspectiva del conjunto de la turbina con el alternador y las baterías de almacenamiento de energía, conectadas al correspondiente inversor.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Como se puede ver en las figuras referidas, el dispositivo de la invención es aplicable a la correspondiente acometida de riego (1) de accionamiento de un pívot, aprovechando la energía que se disipa en la válvula reductora de presión (19) o en los reguladores de presión de los emisores del pivot, comprendiendo una turbina (2) con regulador de caudal establecido a la entrada, con un mecanismo (3) actuador de ese regulador de caudal, controlado por dos manómetros de presión o detectores analógicos para controlar el paso de agua por la turbina y la presión mínima de entrada al pivot (4 y 5), el primero de ellos situado a la entrada y el segundo situado a la salida, de manera que la turbina tiene una presión mínima de salida de 20-22 mea para la alimentación (6) de "un pívot modificado de baja presión y bajo consumo en la traslación del mismo", pívot que es giratorio mediante apoyo sobre las ruedas (7) alrededor de la torre o "cabezal" (8) anclado al suelo.
La acción mecánica producida por el agua en su incidencia sobre la turbina (2) es transmitida, a través de un sistema de transmisión, como puede ser un juego de poleas y correas (9), a un alternador (10) de corriente continua, a 24 V y monofásico, cuyo alternador suministra esa corriente a unas baterías (11) de acumulación de energía, las cuales están conectadas a un grupo inversor (12) mediante el que la energía continúa a 24 V se transforma en energía alterna a 230 V, estando asociado al grupo inversor (12) un transformador (13) desde el cual es alimentado el correspondiente cuadro de control y mando (14) del pívot (6), mientras que a partir del grupo inversor (12) y mediante un variador de frecuencia (15) se suministra alimentación a los motores (16) de las torres del pívot, con apoyo de las ruedas (7) para el desplazamiento de éstas y por tanto del propio pívot.
A continuación del variador de frecuencia (15) se ha previsto un dispositivo de filtrado (17) para reducir el ruido en la señal eléctrica.
Finalmente decir que entre el grupo inversor (12) y el variador de frecuencia (15) se ha previsto una batería de condensadores (18) para la optimización del sistema.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
Ia.- Dispositivo energético para el accionamiento de pivots de riego, que estando previsto para permitir el aprovechamiento del exceso de presión con el que cuenta una red de suministro de agua en las diferentes tomas de distribución en las parcelas, y estando especialmente previsto para aprovechar la energía que disiparía en la válvula reductora de presión colocada antes de la entrega del agua en cada parcela, o los reguladores de presión de los emisores del pívot, se caracteriza porque se constituye a partir de una turbina (2) con regulador de caudal (3) intercalada en la acometida de alimentación de riego (1), a cuya turbina (2) está asociado un mecanismo transmisor (9) para suministrar la energía mecánica originada en aquella a un alternador de corriente continua con regulador de producción de energía (10), asociado a un grupo de baterías (11) de acumulación de la energía, estando éstas a su vez conectadas a un grupo inversor (12) desde el cual se establece el suministro de alimentación eléctrica tanto al cuadro de control y mando (14) como a los correspondientes motores (16) de las torres del pívot de riego.
2a.- Dispositivo energético para el accionamiento de pivots de riego, según reivindicación 1, caracterizado porque tanto a la entrada como a la salida de la turbina con regulación de caudal (2) están previstos sendos manómetros o un detector analógico de presión para controlar la energía producida y la perdida de carga en el mecanismo de presión (4 y 5).
3a.- Dispositivo energético para el accionamiento de pivots de riego, según reivindicación 1, caracterizado porque incluye un mecanismo actuador (3) de accionamiento del regulador de caudal previsto a la entrada de la turbina (2).
4a.- Dispositivo energético para el accionamiento de pivots de riego, según reivindicación 1, caracterizado porque entre el grupo inversor (12) de transformación de la corriente continua en corriente alterna y la alimentación al cuadro de control y mando (14), se ha previsto un transformador monofásico (13) y un variador de frecuencia (15).
5a.- Dispositivo energético para el accionamiento de pivots de riego, según reivindicación 1, caracterizado por que entre el grupo inversor
(12) y el variador de frecuencia (15) se establece una batería de condensadores (18) para la optimización del sistema, así como un dispositivo de filtro ( 17) a continuación del variador de frecuencia (15).
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