• Refine Query
  • Source
  • Publication year
  • to
  • Language
  • 1
  • Tagged with
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • 1
  • About
  • The Global ETD Search service is a free service for researchers to find electronic theses and dissertations. This service is provided by the Networked Digital Library of Theses and Dissertations.
    Our metadata is collected from universities around the world. If you manage a university/consortium/country archive and want to be added, details can be found on the NDLTD website.
1

Designing a Methodology for Optimized Small-scale Solar-drip Irrigation Systems in the Dominican Republic

Scholten, Mirabelle January 2024 (has links)
As climate change continues to increase global temperatures and change precipitation patterns, water systems have come under increased pressure, especially from the agricultural sector. These climate effects on agricultural systems have been found to be much greater for small-scale producers and small-island developing nations. As such, the Dominican Republic, a Caribbean island nation with a deep agricultural culture dominated by small-scale farms is especially vulnerable. As a result, there has been a global call to promote more precise and efficient irrigation practices, such as drip irrigation systems, however, these systems most often require an external energy source. With one of the largest contributors to greenhouse gas being energy production, renewable energy should be used to truly have a sustainable irrigation system. Solar-powered drip irrigation systems (SDIS) have been heavily researched and been found to be technically feasible and economically viable, however, the techno-economically optimal configuration is highly dependent on the context in which they are applied. Therefore, this thesis aims to research and present a techno-economically optimal design methodology for SDISs for small-scale Dominican farms. To do so, firstly an in-depth literature review and market analysis were conducted where it was found that a fixed PV array coupled with an AC-powered, variable speed pump should be used. Additionally, the exact pump should be chosen from those locally available that best match the drip irrigation system head and flow rate characteristics. However, the literature pointed to no clear conclusion regarding if and what type of energy storage is best for SDIS. Thus, using the case study of a 1, 2, and 3 ha plot of plantains at Centro de Biotecnología Vegetal (CEBIVE) located on the outskirts of Santo Domingo, the minimum-sized feasible configuration options for a direct-driven SDIS (no storage) along with a battery bank and an elevated water tank were found. These configurations were sized using developed algorithms in Python that used hourly historical weather data from 2010 through 2023 and compared according to their respective net present costs (NPC) over 25 years and initial investment costs. Overall, it was found that for a 2 and 3-ha farm plot size, a direct-driven system was techno-economically optimal. Meanwhile, for a 1 ha farm plot, although the direct-driven system minimizes the SDIS systems NPC, the initial investment cost was found to be minimal for one of the feasible battery configurations (2 350W PV panels plus 1 kWh of lithium-ion battery capacity). In this case, the NPC of the battery configuration was 36.8% more than the direct-drive system, however the initial investment cost was 15.7% less. Ultimately, the use of direct drive versus a lithium-ion battery bank in an SDIS system for Dominican farms under 1 ha depends on the available capital resources of the farmer and whether they are able to put up sufficient initial capital or would rather pay less upfront and more over time. Noting that the sizing of the feasible SDIS configuration was conducted using historical weather data and climate change is expected to increase temperatures and change precipitation patterns in the future, a sensitivity analysis was conducted to gauge the impact of using historical data on the drawn conclusions. The analysis found that the decision as to what type of energy storage to use in an SDIS is not affected by accounting for climate change. However, using historical data to size an SDIS affected by climate change would likely result in an undersized system, given the predicted lifespan of 25 years of such a system. As such, additional research is needed to properly account for climate change effects in proper sizing techniques for SDIS systems for the Dominican Republic. Furthermore, future research should be focused on determining for larger Dominican farms whether multiple small-scale SDIS systems studied in this research or a large SDIS system should be implemented and whether such a system has a different techno-economical design. / När klimatförändringarna fortsätter att öka de globala temperaturerna och förändra nederbördsmönstren, har vattensystemen hamnat under ökat tryck, särskilt från jordbrukssektorn. Dessa klimateffekter på jordbrukssystem har visat sig vara mycket större för småskaliga producenter och små ö-nationer i utveckling. Som sådan är Dominikanska republiken, en karibisk ö-nation med en djup jordbrukskultur dominerad av småskaliga gårdar, särskilt sårbar. Som ett resultat har det funnits en global uppmaning att främja mer precisa och effektiva bevattningsmetoder, såsom droppbevattningssystem. Dock kräver dessa system oftast en extern energikälla. Eftersom energiproduktionen är en av de största bidragsgivarna till växthusgaser, bör förnybar energi användas för att verkligen ha ett hållbart bevattningssystem. Solkraftdrivna droppbevattningssystem (SDIS) har undersökts grundligt och visat sig vara tekniskt genomförbara och ekonomiskt lönsamma, men den tecno-ekonomiskt optimala konfigurationen är starkt beroende av sammanhanget där de tillämpas. Därför syftar denna avhandling till att undersöka och presentera en tecno-ekonomiskt optimal designmetod för SDIS för småskaliga dominikanska gårdar. För att göra detta genomfördes först en djupgående litteraturöversikt och marknadsanalys där det konstaterades att en fast PV-matris kopplad till en AC-driven variabel hastighetspump bör användas. Dessutom bör den exakta pumpen väljas från de lokalt tillgängliga som bäst matchar droppbevattningssystemets huvud- och flödesegenskaper. Dock pekade litteraturen inte på någon tydlig slutsats om ifall och vilken typ av energilagring som är bäst för SDIS. Därför, med hjälp av en fallstudie av en 1, 2 och 3 hektar stor platanodling vid Centro de Biotecnología Vegetal (CEBIVE) beläget i utkanten av Santo Domingo, fann man de minimistorlekar för möjliga konfigurationsalternativ för ett direktdrivet SDIS (utan lagring) tillsammans med ett batteripaket och en upphöjd vattentank. Dessa konfigurationer dimensionerades med hjälp av utvecklade algoritmer i Python som använde timvisa historiska väderdata från 2010 till 2023 och jämfördes enligt deras respektive nuvärdeskostnader (NPC) över 25 år och initiala investeringskostnader. Totalt sett fann man att för en gårdsplott på 2 och 3 hektar var ett direktdrivet system tecno-ekonomiskt optimalt. Samtidigt, för en gårdsplott på 1 hektar, även om det direktdrivna systemet minimerar SDIS-systemets NPC, fann man att den initiala investeringskostnaden var minimal för en av de möjliga batterikonfigurationerna (2 350W PV-paneler plus 1 kWh litiumjonbatterikapacitet). I detta fall var NPC för batterikonfigurationen 36,8% mer än det direktdrivna systemet, men den initiala investeringskostnaden var 15,7% mindre. I slutändan beror användningen av direktdrift jämfört med ett litiumjonbatteripaket i ett SDIS-system för dominikanska gårdar under 1 hektar på de tillgängliga kapitalresurserna hos jordbrukaren och om de kan ställa upp tillräckligt initialt kapital eller föredrar att betala mindre i början och mer över tid. Med tanke på att dimensioneringen av den genomförbara SDIS-konfigurationen genomfördes med hjälp av historiska väderdata och att klimatförändringar förväntas öka temperaturerna och förändra nederbördsmönstren i framtiden, genomfördes en känslighetsanalys för att bedöma effekten av att använda historiska data på de dragna slutsatserna. Denna analys visade att beslutet om ifall och vilken typ av energilagring som ska användas i ett SDIS inte påverkades, men att använda historiska data för att  dimensionera ett SDIS skulle troligen resultera i ett underdimensionerat system med tanke på livslängden på 25 år. Därför behövs ytterligare forskning för att korrekt ta hänsyn till klimatförändringseffekter i lämpliga dimensioneringstekniker för SDIS-system för Dominikanska republiken. Dessutom bör framtida forskning fokusera på att avgöra om för större dominikanska gårdar flera småskaliga SDIS-system som studerats i denna forskning eller ett stort SDIS-system bör implementeras och om ett sådant system har en annan tecno-ekonomisk design. / A medida que el cambio climático continúa aumentando las temperaturas globales y alterando los patrones de precipitación, los sistemas hídricos han estado bajo una mayor presión, especialmente desde el sector agrícola. Se ha encontrado que estos efectos climáticos en los sistemas agrícolas son mucho mayores para los pequeños productores y las naciones insulares en desarrollo. Por lo tanto, la República Dominicana, una nación insular del Caribe con una profunda cultura agrícola dominada por pequeñas fincas, es especialmente vulnerable. Como resultado, ha habido un llamado global para promover prácticas de riego más precisas y eficientes, como los sistemas de riego por goteo, sin embargo, estos sistemas a menudo requieren una fuente de energía externa. Siendo la producción de energía una de las mayores contribuyentes a los gases de efecto invernadero, se debe utilizar energía renovable para tener un sistema de riego verdaderamente sostenible. Los sistemas de riego por goteo alimentados por energía solar (SDIS) han sido ampliamente investigados y se ha encontrado que son técnicamente factibles y económicamente viables, sin embargo, la configuración óptima desde el punto de vista tecno-económico depende en gran medida del contexto en el que se aplican. Por lo tanto, esta tesis tiene como objetivo investigar y presentar una metodología de diseño tecno-económicamente óptima para SDIS en pequeñas fincas dominicanas. Para hacerlo, primero se realizó una revisión exhaustiva de la literatura y un análisis de mercado donde se encontró que se debería utilizar una matriz fotovoltaica fija acoplada con una bomba de velocidad variable alimentada por corriente alterna. Además, la bomba exacta debe ser elegida entre las disponibles localmente que mejor se adapten a las características de la cabeza y el caudal del sistema de riego por goteo. Sin embargo, la literatura no señaló una conclusión clara sobre sí y qué tipo de almacenamiento de energía es mejor para SDIS. Por lo tanto, utilizando el estudio de caso de una parcela de 1, 2 y 3 hectáreas de plátanos en el Centro de Biotecnología Vegetal (CEBIVE) ubicado en las afueras de Santo Domingo, se encontraron las opciones de configuración mínima viable para un SDIS de accionamiento directo (sin almacenamiento) junto con un banco de baterías y un tanque de agua elevado. Estas configuraciones fueron dimensionadas utilizando algoritmos desarrollados en Python que utilizaron datos meteorológicos históricos por hora desde 2010 hasta 2023 y se compararon según sus respectivos costos netos presentes (CNP) durante 25 años y los costos de inversión inicial. En general, se encontró que para una parcela de 2 y 3 hectáreas, un sistema de accionamiento directo era tecno-económicamente óptimo. Mientras tanto, para una parcela de 1 hectárea, aunque el sistema de accionamiento directo minimiza el CNP de los sistemas SDIS, se encontró que el costo de inversión inicial era mínimo para una de las configuraciones de batería viables (2 paneles fotovoltaicos de 350W más 1 kWh de capacidad de batería de iones de litio). En este caso, el CNP de la configuración de la batería era 36.8% más que el sistema de accionamiento directo, sin embargo, el costo de inversión inicial era 15.7% menos. En última instancia, el uso de un sistema de accionamiento directo frente a un banco de baterías de iones de litio en un sistema SDIS para fincas dominicanas de menos de 1 hectárea depende de los recursos de capital disponibles del agricultor y si pueden aportar suficiente capital inicial o prefieren pagar menos al principio y más con el tiempo. Teniendo en cuenta que el dimensionamiento de la configuración viable de SDIS se realizó utilizando datos meteorológicos históricos, y pronosticando que el cambio climático aumente las temperaturas y cambie los patrones de precipitación en el futuro, se realizó un análisis de sensibilidad para evaluar el impacto de utilizar datos históricos en las conclusiones obtenidas. Este análisis concluyó que la decisión sobre qué tipo de almacenamiento de energía utilizar en un SDIS no se ve afectada por el cambio climático. Sin embargo, el uso de datos históricos para dimensionar un SDIS afectado por el cambio climático probablemente daría lugar a un sistema subdimensionado, dada la vida útil prevista de 25 años de dicho sistema. Por lo tanto, es necesario seguir investigando para tener en cuenta los efectos del cambio climático en las técnicas de dimensionamiento de los sistemas SDIS en la República Dominicana. Además, la investigación futura debería centrarse en determinar, para las fincas dominicanas de mayor tamaño, si deberían implantarse múltiples sistemas SDIS a pequeña escala estudiados en esta investigación o un gran sistema SDIS, y si dicho sistema tiene un diseño tecno-económico diferente.

Page generated in 0.0811 seconds