instituto politÉcnico nacional · 2017. 6. 8. · instituto politÉcnico nacional escuela superior...
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
PROYECTO FOTOVOLTAICO SUSTENTABLE PARA INVERNADERO DE
PRODUCCIÓN DE JITOMATE
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTA
HUGO MANUEL OROZCO ARANA
ASESORES:
ING. JOSÉ ANTONIO MARTÍNEZ HERNÁNDEZ
ING: ISRAEL CAMACHO RODRÍGUEZ
LIC. BLANCA MARINA FEREGRINO LEYVA
MÉXICO, D. F. 2015
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Agradecimientos
Este trabajo ha sido posible gracias a las personas que han creído en mí, y que gracias
a sus enseñanzas me han guiado por el camino correcto para alcanzar mis metas.
A mis padres:
Martina Arana Aceves y Amadeo Orozco Arce
Por brindarme todo su apoyo y por ser un excelente ejemplo de valores, sacrificio y
esfuerzo, para dar todo a sus hijos, ustedes me inspiran a ser mejor, estoy agradecido
con dios por haberme dado a los mejores padres del mundo. Los amo.
A mis hermanos:
Griselda Orozco Arana y Diego Yael Orozco Arana
Por tener siempre su apoyo incondicional y por permanecer siempre unidos.
A: Karen Paola Reséndiz Huerta
Por su apoyo en todo momento, por el cariño y los excelentes consejos.
Al: Ing. José Antonio Martínez Hernández
Por asesorarme con su gran experiencia en la ingeniería como en la agricultura y por su
excelente dirección en el desarrollo de esta tesis, gracias por su paciencia y apoyo.
Al: Ing. Israel Camacho Rodríguez
Por su apoyo y enseñanzas a lo largo de mi carrera, pero sobre todo por brindarme su
amistad.
A la Lic. Blanca Marina Feregrino Leyva
Por sus valiosas aportaciones a la realización de este trabajo y toda su experiencia
compartida.
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ÍNDICE Introducción ................................ ................................ ....................... i
Objetivo General ................................ ................................ ............... iv
Planteamiento Del Problema ................................ .............................. v
Hipótesis ................................ ................................ ......................... vii
Justificación ................................ ................................ ................... viii
CAPÍTULO I
EL INVERNADERO Y SUS CARACTERISTICAS ................................ .... 1
1.1 Agricultura Protegida ................................ ................................ . 2
1.1.1 El Efecto Invernadero ............................................................................... 2
1.1.2 El Invernadero ............................................................................................. 4
1.1.3 Historia Del Invernadero .......................................................................... 6
1.2 Invernaderos En México ................................ ............................... 8
1.3 Cult ivo De Jitomate En Invernadero ................................ .............. 9
1.4 Características Del Invernadero ................................ ................. 13
1.4.1 Ubicación Del Invernadero .................................................................... 14
1.4.2 Producción Actual .................................................................................... 16
CAPÍTULO II
FUNDAMENTOS DE AUTOMATIZACION Y GENERACION
FOTOVOLTAICA ................................ ................................ ............... 20
2.1 Automatización ................................ ................................ ......... 21
2.1.1 Controladores ............................................................................................ 22
2.1.1.1 Relevadores De Control .................................................................. 22
2.1.1.2 Controladores Logicos Proglamables (Plc) ................................ 23
2.1.1.3 Microprocesador (Pic) ...................................................................... 24
2.1.2 Sensores .................................................................................................... 24
2.1.3 Sistemas De Calefacción ....................................................................... 27
2.1.4 Sistemas De Ventilación ................................................................................. 29
2.1.4.1 Ventiladores Y Extractores ....................................................................... 31
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2.1.5 Sistemas De Iluminación Para Invernaderos ........................ 32
2.2 Energía Solar Fotovoltaica ................................ ......................... 35
2.2.1 Tecnología Fotovoltaica ......................................................................... 36
2.2.2 Sistemas Fotovoltaicos ........................................................................... 38
2.2.2.1 Sistemas De Generación Fotovoltaica Autónomos ................... 39
2.2.2.2 Sistemas Fotovoltaicos Conectados A La Red .......................... 41
2.2.3 Ubicación Del Sistema Fotovoltaico .................................................... 42
2.2.4 Elementos Del Sistema Fotovoltaico Interconectado A La Red ... 45
2.2.4.1 Inversor ................................................................................................ 46
2.2.4.2 Medidor ................................................................................................ 47
2.2.4.3 Estructura ............................................................................................ 48
2.2.4.4 Protecciones E Interruptores ......................................................... 49
2.2.5 Elementos Del Sistema Fotovoltaico Autónomo O Aislado ........... 49
2.2.5.1 Batería ................................................................................................. 50
2.2.5.2 Controlador De Carga ...................................................................... 52
CAPÍTULO II I
DISEÑO DEL PROYECTO DEL INVERNADERO AUTOMATIZADO Y
SUSTENTABLE ................................ ................................ ................. 54
3.1 Diseño De Sistema De Control Y Automatización ......................... 55
3.1.1 Necesidades Técnicas ............................................................................ 55
3.1.2 Equipo Para Sistema De Control Y Automatización ........................ 57
3.1.2.1 Controlador ......................................................................................... 58
3.1.2.2 Sensor De Temperatura ................................................................... 59
3.1.2.3 Sistema De Calefacción .................................................................. 61
3.1.2.4 Sensor De Humedad ......................................................................... 63
3.1.2.5 Ventilación .......................................................................................... 64
3.1.2.6 Control De Ventanas Y Cenitales ................................................. 65
3.1.2.7 Riego .................................................................................................... 67
3.1.3 Programa Para Controlador Lógico Programable ............................ 68
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3.2 Diseño De Sistema De Generación Fotovoltaica . ......................... 78
3.1.1 Dimensionamiento Y Selección De Equipo ........................................ 79
3.3.1.1 Estimación De Carga ........................................................................ 79
3.3.1.2 Paneles Solares ................................................................................. 81
3.3.1.3 Número De Paneles Solares .......................................................... 83
3.3.1.4 Inversor ................................................................................................ 85
3.3.1.5 Conexión De Paneles Solares ....................................................... 89
3.3.1.6 Medidor Bidireccional ....................................................................... 90
3.3.1.7 Conductores Y Protecciones .......................................................... 91
3.3.1.8 Puesta A Tierra .................................................................................. 95
3.3.1.9 Baterías ............................................................................................... 95
3.3.1.10 Alimentador Y Circuitos Derivados ............................................. 99
3.3.2 Ubicación E Instalación De Sistema Fotovoltaico ......................... 101
3.3.2.1 Incl inación De Paneles .................................................................. 102
3.3.2.2 Instalación De Arreglo Fotovoltaico ........................................... 103
3.3.2.3 Soporte Para Paneles Solares ..................................................... 103
3.3.3 Programa De Instalación ...................................................................... 105
3.3.4 Mantenimiento ......................................................................................... 106
3.3.5 Diagrama Unif i lar ................................................................................... 109
3.3.6 Diagrama Físico ..................................................................................... 110
3.4 Resultados ................................ ................................ ............. 111
CAPITULO IV ................................ ................................ ................... 112
4.1 Análisis De Costo Beneficio ................................ ...................... 113
4.1.1 Inversión Total ........................................................................................ 117
4.1.2 Tiempo De Recuperación De La Inversión Total ........................... 119
CONCLUSIONES ................................ ................................ .............. 124
Bibl iografía ................................ ................................ ...................... 126
Anexos ................................ ................................ ............................ 128
Glosario. ................................ ................................ .......................... 148
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Cantidad de luz necesaria para planta de ji tomate .................. 12
Tabla 2. Tipos de celdas solares. ................................ ....................... 38
Tabla 3. Tipos de baterías de plomo. ................................ .................. 52
Tabla 4. Características del sensor de temperatura. Fuente www.t i.com 60
Tabla 5. Características de la resistencia calefactora. .......................... 62
Tabla 6. Características de sensor de humedad.. ................................ . 63
Tabla 7. Características del ventilador. Fuente www.soler-palau.mx/ ..... 64
Tabla 8. Etiquetas de entradas y sal idas. ................................ ............ 74
Tabla 9. Horas contando como 0 las 12pm.. ................................ ........ 75
Tabla 10. Carga total, potencia y t iempo de uso ................................ ... 80
Tabla 11. Comparación de paneles solares. ................................ ......... 81
Tabla 12. Características del panel . Fuente guía de usuario. Conext
xw*5548 ................................ ................................ ...................... 86
Tabla 13. Características del inversor para cargar baterías. ................. 96
Tabla 14. Características de batería. ................................ .................. 97
Tabla 15. Comparativa anual de precio de jitomate. ............................ 116
Tabla 16. Gastos de material y equipo del proyecto. ........................... 117
Tabla 17. Gastos de recursos humanos. ................................ ............. 118
Tabla 18. Inversión total del proyecto. ................................ ............... 119
Tabla 19. Datos de graf ica de Costo-Beneficio. ................................ ... 123
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Tipos de ondas. Fuente
http://www.cl imantica.org/cl imanticaFront. ................................ ........ 3
Figura 2. Invernadero de estructura metálica con cub ierta plást ica. Fuente
http://www.hidroponiagdl.com/ ................................ ......................... 4
Figura 3. Efecto invernadero. Fuente. http://www.plast icoduratec.com/ .... 5
Figura 4. Planta y frutos de jitomates de diferentes clases. Fuente.
http://www.agrohuerto.com/ ................................ ........................... 10
Figura 5. Vista 3D del invernadero. ................................ ..................... 13
Figura 6. Fotografía del invernadero. ................................ .................. 14
Figura 7. Ubicación del Municipio Isidro Fabela dentro del Estado de
México. ................................ ................................ ........................ 15
Figura 8. Vista aérea del invernadero ubicado en Cañada de Onofres,
Municipio de Isidro Fabela. Fuente google maps. ............................ 15
Figura 9. Foto de Planta de j itomate con frutos verdes. ........................ 16
Figura 10. Foto de Cult ivo de jitomate en año 2014, realizando Tutoreo. 17
Figura 11. Producción correspondiente al año 2013. ............................ 18
Figura 12. Producción correspondiente al año 2014. ............................ 19
Figura 13. Calefacción con tubos al nivel de la planta. Fuente
http://www.infoagro.com/ ................................ ............................... 28
Figura 14. Calentador de gas y calentador con mangas de plást ico. Fuente
http://www.azrom.com/es/heating/ ................................ ................. 28
Figura 15. Calefacción de suelo radiante con cable calefactor y con
tubería de agua. ................................ ................................ ........... 29
Figura 16. Venti lador extractor y aplicación en un invernadero. Fuente
http://www.alarcontrol.com/ ................................ ........................... 31
Figura 17. Venti lador para recirculación y venti lador uti l izado para
nebulización. Fuente http://www.interempresas.net/. ...................... 32
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Figura 18 Sistema i luminación en un invernadero. Fuente.
http://www.hydroenv.com.mx/ ................................ ........................ 33
Figura 19. Luminaria led de color, especial para plantas. Fuente.
http://es.al iexpress.com/ ................................ ............................... 34
Figura 20. Planta solar. Fuente http://www.sit iosolar.com/ .................... 35
Figura 21. Generación fotovoltaica y principio de operación. ................. 37
Figura 22. Sistema fotovoltaico autónomo. Fuente
http://sl ideplayer.es/sl ide/133123/ ................................ ................. 39
Figura 23. Sistema fotovoltaico autónomo con inversor. Fuente www.sfe -
solar.com ................................ ................................ ..................... 40
Figura 24. Sistema interconectado a la red. Fuente
http://www.funcosa.com.mx/productos/sistemas -fotovoltaicos/sistema-
interconectado.html ................................ ................................ ...... 41
Figura 25. Instalación tipo piso. Fuente http://www.esco-
tel.com/plantas_de_luz_solares.html ................................ .............. 43
Figura 26. Instalación tipo poste. Fuente
http://emax.com.mx/Productos_fotovoltaica.html ............................. 43
Figura 27. Instalación tipo pared. Fuente http://es.dreamstime.com/i ..... 44
Figura 28. Instalación tipo azotea. Fuente
http://www.revistamercado.do/app2/baten-el-record-convirt iendo-la-
energia-solar-en-electricidad/ ................................ ........................ 44
Figura 29. Elementos de un sistema interconectado a la red. Fuente.
www.sonnenlicht.mx ................................ ................................ ..... 45
Figura 30. Inversor. Fuente https:/ / l jandrade.wordpress.com/ ............... 46
Figura 31. Medidor Bidireccional. ................................ ........................ 47
Figura 32. Tipos de estructuras. Fuente
http://sites.amaril lasinternet.com/transformetalbierzo/estructur_metalic
as.html y
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http://www.energizar.org.ar/energizar_desarrollo_tecnologico_seguidor
_solar_como_funciona.html ................................ ........................... 48
Figura 33. Diagrama básico de interconexión. Fuente
http://www.cfe.gob.mx/ ................................ ................................ .. 49
Figura 34. Elementos de un sistema aislado. Fuente
http://www.enerhelia.es/energia -solar-fotovoltaica-aislada/ .............. 50
Figura 35. La vida o ciclos de la batería dependen del porcentaje de
descarga. ................................ ................................ .................... 51
Figura 36. Proceso de diseño del sistema de control y automatización .. 55
Figura 37. Invernadero de cultivo de j itomate. ................................ ..... 57
Figura 38. Controlador Lógico Programable. Fuente www.ei3.com. ........ 58
Figura 39. Sensor de temperatura . Fuente www.t i.com ......................... 60
Figura 40. Calefactor (Resistencia -Ventilador) ................................ ..... 61
Figura 41. Resistencia eléctrica. ................................ ......................... 62
Figura 42. Sensor de humedad. Fuente. www.tme.eu .......................... 63
Figura 43. Venti lador de 1/2HP. ................................ .......................... 64
Figura 44. Mecanismo manual de apertura (actual) .............................. 65
Figura 45. Motorreductor de ½ HP. Fuente
http://www.varicraft.com.mx/productos/nord ................................ .... 66
Figura 46. Plano de vista superior del invernadero, con ubicación de
motoreductores. ................................ ................................ ........... 66
Figura 47. Vista superior de Motorreductor 1. ................................ ...... 67
Figura 48. Bomba de sistema de riego. ................................ ............... 68
Figura 49. Temporizador y contador, base de tiempo. ........................... 69
Figura 50. Comparador igual para ventilación. ................................ ..... 70
Figura 51. Tiempo de riego controlado por T4:3. ................................ .. 70
Figura 52. Control de temperatura. ................................ ..................... 71
Figura 53. Control de humedad. ................................ .......................... 72
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Figura 54. Programa completo del control y automatización del
invernadero (también en anexo 16 amplif icado). ............................. 74
Figura 55. Programa para PLC en software RS logix 500 Pro. ............... 76
Figura 56. Monitoreo en Factory talk view. ................................ .......... 76
Figura 57. Diagrama de conexiones del controlador lógico programable.
(También se muestra en anexo 15). ................................ ............... 77
Figura 58. Secuencia de diseño para sistemas de generación fotovoltaica
................................ ................................ ................................ ... 78
Figura 59. Panel solar seleccionado. Fuente.
http://webosolar.com/store/es/panel -solar-interconexion/1364-panel-
solar-policristalino-solartec-s60pc-250w.html ................................ . 82
Figura 60. Vista aérea de la ubicación del invernadero. Fuente google
maps. ................................ ................................ .......................... 83
Figura 61. Radiación anual y mensual en coordenadas exactas de
ubicación del invernadero. ................................ ............................ 84
Figura 62. Imagen del inversor seleccionado. Fuente.
http://solar.schneider-electric.com/product/conext -xw-na-solar-inverter/
................................ ................................ ................................ ... 87
Figura 63. Etiqueta en inversor. Fuente NOM-001-SEDE-2012, articulo
690. ................................ ................................ ............................ 87
Figura 64. Diferentes configuraciones y aplicaciones del inversor.Fuente
http://solar.schneider-electric.com/product/conext -xw-na-solar-inverter/
................................ ................................ ................................ ... 88
Figura 65. Diagrama de bloques. Fuente guía de usuario conext wt. ...... 88
Figura 66. Diagrama de conexión de paneles solares. .......................... 89
Figura 67. Medidor bidireccional. Fuente.
http://www.webosolar.com/foro/wp-content/uploads/2014/01/medidor-
bidireccional-CFE.jpg ................................ ................................ ... 90
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Figura 68. Identif icación de los componententes de un sistema solar
fotovoltaico. Fuente NOM-002-SEDE-2012, f igura 690-1(b). ............. 91
Figura 69. Múlt iples circuitos del sistema de generación fotovoltaica. .... 92
Figura 70. Conexión de baterías. ................................ ........................ 98
Figura 71. Área destinada a instalación de paneles marcada con recuadro.
................................ ................................ ................................ .. 102
Figura 72.Trayectoria del solar para el hemisferio norte. Fuente
http://www.construmatica.com/construpedia/Dise%C3%B1o_de_Edif icio
s_Sostenible. ................................ ................................ .............. 102
Figura 73. Arreglo de paneles para su instalación. .............................. 103
Figura 74. Soporte para panel solar. Fuente
http://el iseosebastian.com/instalar -paneles-fotovoltaicos-en-techos-y-
azoteas/ ................................ ................................ ..................... 104
Figura 75. Ejemplo de instalación de paneles solares. Fuente
http://www.alromar-energia.es/blog/autoconsumo-solar-con-todas-las-
comodidades/ ................................ ................................ .............. 104
Figura 76. Diagrama unif i lar ................................ .............................. 109
Figura 77. Diagrama de bloques. ................................ ....................... 110
Figura 78. Comparativa producción esperada contra la producción de
2014. ................................ ................................ .......................... 114
Figura 79. Volumen de producción esperado. ................................ ..... 115
Figura 80. Grafica Costo-Beneficio. ................................ ................... 122
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Introducción
Desde hace tres años en la localidad de la Cañada en el municipio de Isidro
Fabela se instalaron dos invernaderos, en los cuales se cultiva j itomate
produciendo en promedio 10 toneladas por invernadero cada temporada.
En este tiempo se identif icaron algunos problemas que afectan
signif icat ivamente la producción, uno de ellos es las condiciones
climatológicas, que perjudican en el desarrol lo de la planta y en la calidad
del producto, otro de ellos es la identif icación de tareas que se realizan
periódicamente por personal que ahí labora y se podrían hacer
sistemáticamente, por ejemplo la apertura del invernadero y otras labores
como la polinización.
En promedio la polinización de un invernadero tarda 25 minutos haciéndolo
de forma manual (Golpeando suavemente el alambre que sostiene las
plantas), esto se hace dos veces al día sumando 50 minutos al día y serian
casi 6 horas-hombre a la semana las que se invierten en esta tarea.
La calefacción es necesaria si se quiere producir en temporada de invierno ,
ya que las heladas provocan la muerte de las plantas por bajas
temperaturas descendiendo hasta los 3 grados Celsius siendo este el punto
crít ico de la planta de jitomate.
Con la automatización de otros sistemas como el riego, apertura , cierre
de ventanas y cenitales, se espera mantener el cult ivo en las condiciones
óptimas de temperatura, humedad y ventilación necesarias, así como
reducción de enfermedades, reducción horas-hombre, entre muchos otros
beneficios que se detallaran más adelante.
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Además se pretende que toda la energía eléctrica que consuma el sistema,
sea abastecida por un sistema de generación fotovoltaico que cumpla con
las necesidades de la carga, este sistema se diseñará una vez que se
conozca la potencia necesaria, sin omitir las normas que soportan cada
cálculo y elección que se tenga que tomar para su diseño.
Si se pretende que la producción se alargue hasta la temporada invernal es
necesario que el sistema sea altamente confiable pues la calefacción será
de vital importancia, por lo tanto la continuidad del servicio no se debe
perder.
En el capítulo I se desarrol ló una investigación que describe el cult ivo en
invernaderos, iniciando con el principio de operación, ademá s se dan a
conocer los diferentes tipos y sus características, y lo más importante es la
descripción de las necesidades que requiere el cult ivo de jitomate dentro
de estas estructuras.
El capítulo I I se puede dividir en dos partes, por un lado se muestra el
marco teórico de los equipos que sirven para controlar y automatizar el
invernadero, y también contiene la información necesaria para poder
desarrol lar y dimensionar el sistema de generación fotovoltaica.
El desarrollo y propuesta de los sistemas se muestra en el ca pítulo III, como
primera parte se puntualizan las necesidades técnicas y se desarrol la una
secuencia de trabajo para diseñar adecuadamente el proyecto, seguido de
esto se selecciona equipo y se lleva acabo el diseño del sistema de control
para el invernadero, una vez que se ha definido el equipo se plantea un uso
estimado de este y se dimensiona la demanda que se tendrá, es entonces
cuando se inicia el dimensionamiento del sistema de gene ración, este se
plantea cubriendo las necesidades, seleccionando equipo adecuado,
-
además un diseño y desarrollo conforme a la normativa vigente del sector
eléctrico.
Por ult imo en el capítulo IV se hace una comparativa económica, teniendo
la inversión tota l del proyecto y comparándola con los beneficios que se
cuantif ican en esta parte tomando datos esperados creados con un criterio
con base en datos de campo de diferentes dependencias dedicadas al
estudio de la agricultura. En este contexto se obtiene el punto de equilib rio
y se obtiene el t iempo de recuperación, además se plantea una solución
para la disminución de la inversión total por medio de incentivos
gubernamentales.
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Objetivo General
Diseñar un sistema fotovoltaico sustentable interconectado a la red
eléctrica con automatización y control del medio ambiente dentro del
invernadero para aumentar la producción de j itomate.
Objetivos Específicos
Describir la producción agrícola principalmente la plantación de jitomate en
invernaderos.
Realizar una investigación bibl iográf ica que sustente la automatización, es
decir, PLC, sensores y actuadores, de la misma forma realizar la
investigación de la generación fotovoltaica de sistemas interconectados.
Diseñar el sistema fotovoltaico interconectado que cubra las necesidades
técnicas para el abastecimiento del sistema de control de clima del
invernadero.
Diseñar el sistema de control que cubra las necesidades técnicas y
climatológicas para el óptimo desarrol lo del cult ivo, aumentando la cal idad
del producto y optimizando labores dentro del invernadero.
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Planteamiento del Problema
La calidad de los ji tomates del invernadero donde se desarrolla el proyecto
tienen una calidad media, por lo que en su venta no se obtienen los precios
más altos, ésta mala calidad puede ser originada por las condiciones
inapropiadas para el buen desarrol lo dentro del invernadero, aunque en
esta estructura se protegen las plantas hay factores en tecnif icación baja
no se pueden controlar. Por lo que la temporada de cultivo se encuentra
limitada en invierno y con afectaciones en época de l luvia por plagas y
enfermedades.
Las actividades dentro del invernadero son muchas y algunas de el las de
vital importancia que a veces no se realizan con la exactitud que deberían
por la acumulación de trabajo, esto aunado a los factores cl imáticos y las
actividades no planeadas son las que conllevan a una mala atención al
cult ivo.
Actualmente las instalaciones donde se basa este proyecto cuentan con un
sistema de riego por goteo que es activado por el agricultor, también él
realiza la apertura, cierre de ventanas y cenitales de forma manual.
La época de producción se ve interrumpida por el cambio cl imático que
enfrenta el invernadero a principios del mes de diciembre, donde los fuertes
fríos alcanzan temperaturas crít icas para la planta que son capaces de
destrozar sus membranas y así es como se detiene la producción.
El exceso de humedad en época de l luvias trae consigo enfermedades y las
temperaturas altas en verano l levan a deshidratar algunas plantas, lo que
nos l leva a pensar que se pueden emplear equipos que ayuden a resolver
estos problemas.
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En este contexto se propone implementar un sistema que nos ayude a
mantener el invernadero dentro de los parámetros de temperatura que la
planta soporta para así obtener mayor tiempo de vida de la planta .
Con la ayuda de equipo eléctrico se pretende diseñar el sistema
adecuándolo a las necesidades mencionadas, realizando el sistema bajo
las normas vigentes del sector eléctrico y con un criterio de sustentabilidad .
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Hipótesis
Mencionados los factores ambientales y cl imatológicos que afectan el
volumen y calidad de producción, se proyecta un sistema de generación
fotovoltaica interconectado a la red, confiable y con la capacidad
energética requerida para controlar y automatizar las variables de
temperatura, humedad y vent ilación para optimizar el ambiente donde las
plantas se desarrol lan.
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Justificación
La implementación del sistema de automatización y control para el
invernadero se propone para mejorar las condiciones cl imatológicas donde
las plantas se desarrollan, aumentando la cal idad del cult ivo, además tener
la posibi l idad de cult ivar en temporada invernal o en cualquier otra,
ubicando así la temporada de cosecha en el mejor periodo de p recio de
venta. Otro beneficio que puede obtenerse es alargar la vida de las plantas,
lo que implica aumento del volumen de producción. Estas mejoras generan
mayor uti l idad neta para los productores, desarrol lando el campo y la
agricultura, impulsando el campo mexicano a producir más con menos
gastos y dif icultades.
Los sistemas que se plantean sirven para optimizar el clima y controlar
algunas actividades periódicas que se pueden sustituir por maquinas que
realicen las actividades cumpliendo con las necesidades requeridas y el
sistema de generación es necesario, de no ser así el gasto en energía
eléctrica seria considerablemente elevado, lo que se pretende con la
instalación del sistema de generación fotovoltaica es que genere energía
de una forma que no impacte en el medio ambiente, un sistema amigable
con los ecosistemas que rodean el campo es importante para impulsar las
fuentes de energía renovable, e ir dejando de consumir combustibles
fósiles. Existen generadores de calor por medio de quema de hidrocarburos,
pero estos t ienen una baja ef iciencia y afectan el medio ambiente con un
alto impacto, sin olvidar que el costo del combustible es alto, es por eso
que la instalación de un sistema de generación es lo más apropiado cuando
lo que se está impulsando es el campo y el cuidado del medio ambiente.
Por lo que para cumplir lo antes mencionado será necesario un sistema que
controle actividades de rutina dando más tiempo al productor de realizar
-
acciones que no se pueden realizar con máquinas, teniendo así un mayor
cuidado para su cultivo y obteniendo mejores resultados, además abastecer
este consumo con energía solar , sin olvidar que el sistema deberá ser
altamente confiable ya que la producción está expuesta a cambios
climáticos no esperados.
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CAPÍTULO I
EL INVERNADERO Y SUS
CARACTERÍSTICAS
En este capítulo se da una explicación de qué es un invernadero, de su
origen y sus característ icas además una breve reseña del panorama de los
invernaderos en México, así como una descripción del invernadero que se
pretende automatizar, describiendo el nivel de tecnif icación que tiene, esto
con la f inalidad de conocer la situación actual en la que se trabaja e
identif icar puntualmente los problemas que puede solucionar el sistema
propuesto.
-
2
1.1 AGRICULTURA PROTEGIDA
En la agricultura además de poder producir a campo abierto actualmente
existen diversas formas de producción en las cuales se util izan algunos
materiales para representar ambientes modif icados, uno de estos es el
invernadero siendo un claro ejemplo de un ambiente modif icado para una
intensa producción agrícola, también existen otras herramientas como la
malla-sombra y los túneles, entre otras variantes, esto se conoce como
agricultura protegida.
La agricultura protegida se desarrol la bajo estructuras construidas de
materiales delgados pero resistentes, cubiertas con plást ico traslucido que
impiden que las condiciones cl imáticas externas se impongan dentro de
dicha estructura. En estos últ imos años se han desarrol lado diversos tipos
de invernaderos acondicionados de dist intas formas con el f in de crear
ambientes óptimos para cada cult ivo en específ ico y también tomando en
cuenta las condiciones climáticas de la zona en donde d e se ubica el
invernadero.
1.1.1 EL EFECTO INVERNADERO
Provenientes del sol se propagan ondas electromagnéticas las cuales
tienen una longitud de onda corta, esta energía luminosa se convierte en
calor cuando es absorbida por todos los objetos dentro de nuestro planeta,
la radiación, ref lexión, conducción y convección son fenómenos físicos que
ayudan a propagar esta energía caloríf ica pero con una longitud de onda
larga.
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3
Figura 1 T ipos de ondas . Fuente h t tp : / /www.c l imant i ca .org / c l imant icaF ront .
Gracias a la composición química de la atmosfera las ondas de longitud
corta que emite el sol capaces de traspasar la atmosfera y las ondas de
longitud larga que emite la t ierra son atrapadas dentro de ella , siendo este
el caso se puede decir que la t ierra es un invernadero natural gigante.
La época estacional y las condiciones cl imáticas son dos factores
importantes para saber cuánta radiación solar recibe un invernadero, la
cantidad de radiación solar que incide en determinada región de pende de
en qué estación cl imática se encuentre.
Son cuatro las estaciones cl imáticas y estas duran aproximadamente tres
meses cada una y son originadas por la incl inación de la t ierra al girar
dentro de su órbita, es por eso que en invierno los rayos tien en menor
incidencia en la t ierra siendo así la época más fría y con los días de menor
duración de horas luz.
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4
1.1.2 EL INVERNADERO
Un invernadero es una instalación formada generalmente por una estructura
de metal, madera o cemento cubierta de materiales traslucidos o
semitransparentes, las estructuras empleadas deben ser lo más delgadas
posibles, esto para generar la menor sombra y así captar la mayor
radiación solar. Algunos de los materiales para cubrir los invernaderos son
poliet i leno, policloruro de vini lo, poliéster y cristal entre otros.
Figura 2. Invernadero de est ructura metá l ica con cubier ta p lást ica. Fuente
ht tp : / /www.hidroponiagdl .com/
El objet ivo principal de estos invernaderos es de crear un ambiente
controlado y proteger los cult ivos de las inclemencias del cl ima como son
lluvias, granizo, fuertes vientos, bajas temperaturas, sequía, heladas,
etcétera.
El principio de funcionamiento es el efecto invernadero ocasionado por las
ondas que emite el sol y logran penetra r el material del que está cubierto
el invernadero, inciden en los objetos dentro del invernadero y producen
ondas tipo infrarrojas que son el calor y quedan atrapadas dentro del
invernadero.
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5
Figura 3. Efecto invernadero . Fuente. h t tp : / /www.plast icoduratec.com/
Con el f in de desarrol lar cult ivos con un entorno óptimo para todo su ciclo
de vida, con el uso de esta “herramienta” se pueden tener cult ivos fuera de
época, control de enfermedades y plaga, agil izar el ciclo de vida y
maximizar número de cosechas anuales, cult ivar en zonas cl imáticas
diferentes a las que el cult ivo acepta a cielo abierto, aumento de
producción, ahorro de agua y mejora de la cal idad del producto , entre
muchos otros más, esto dependerá también de las técnicas que se ut il icen.
Los invernaderos se pueden clasif icar de diferentes formas tomando en
cuenta dist intas característ icas, por ejemplo, la forma de su construcción,
por el material de cubierta o el material de la estructura, por su perf i l o
forma de construcción tenemos:
Plano: Poco convenientes para construirse en zonas l luviosas por el
riesgo de encharcamiento en la cubierta plana, además de tienen una
mala venti lación y renovación de aire.
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6
Capilla: Este invernadero puede tener una o dos tapas incl inadas y
es de fácil construcción y mantenimiento , con una circulación de aire
regular.
Semi- cil índricos: Estos t ienen una mayor captación de radiación
solar ya que t ienen menos estructura.
Diente de sierra: Este tiene una ventaja respecto a los demás y es
que entre los espacios de los diente de coloca una ventana cenital la
cual mejora la circulación de aire.
Por el material de cubierta los podemos clasif icarlos en tres grupos:
f lexibles, semif lexibles y rígidos, el rígido seria el cristal y los otros do s
dist intos t ipos de plást icos usados para este f in.
Respecto al material de construcción de la estructura, este puede ser
madera, metálico y hormigón.
1.1.3 HISTORIA DEL INVERNADERO
Las primeras prácticas para cult ivar fuera de temporada f lores u hortal i zas
las realizaron civi l izaciones como Atenas y Roma, ellos movían las plantas
hacia lugares cubiertos durante la noche, además ya ut il izaban estiércol en
sus cult ivos. En Egipto, Israel, China, Grecia y roma cult ivaban plantas
dentro de macetas para facil itar el traslado para protegerlas del frio.
En Alemania e Italia durante el siglo XV protegieron sus cult ivos en época
invernal con cabañas. En Inglaterra en el siglo XVI se construyó el primer
orangeries, dentro de esta estructura formada por estructura y vidrio, se
sembraron naranjos. Estos primeros invernaderos de naranjos eran vistos
como palacios de cristal y se hicieron famosos por todo Europa, uno de los
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7
más famosos de Francia es el que se encuentra en el palacio de Versalles
el cual tenía 45 metros de alto , se construyeron otros en Alemania, Polonia
entre otras ciudades importantes de Europa.
Este fue el inicio de la agricultura dentro de invernaderos, con el paso del
t iempo se empezaron a equipar con cortinas, ventanas y otr os elementos.
El botánico Charles Lucien de origen francés menciona que la construcción
de los invernaderos modernos se debe a los holandeses durante 1800. En
Japón el primer invernadero se construyó en 1880 por un comerciante
británico.
El siglo XX trajo consigo el plástico, material que revoluciono la
construcción de invernaderos en la década de los 60´s se construyeron los
invernaderos como ahora los conocemos, con perf i les de aluminio, tubos
de acero y cubiertos de poliet i leno. Con el paso del t iempo s e han agregado
propiedades al plástico que protegen a las plantas de los rayos UV y se ha
extendido la vida útil de los platicos, hoy en día duran más de 5 años.
Los países con los mejores desarrol los de invernaderos son Holanda con
una mayoría de invernaderos de cristal y el más desarrollado en tecnología ,
en Francia han desarrol lado invernaderos y macro túneles, y en la región
de Almería y Granada en España cuentan con más de 30 mil hectáreas la
mayoría concentrada en esta región. Hoy en día China ocupa el primer lugar
con mayor superf icie de invernaderos, sumando más de 700 mil hectáreas.
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8
1.2 INVERNADEROS EN MÉXICO
En la década de los 70´s se inicia con la producción de f lores en el estado
de México, y en 1992 en Querétaro las hortal izas, en el estado de Sinaloa
se construyeron invernaderos para proteger el j i tomate.
En la últ ima década del siglo XX creció el número de 50 a 1100 hectáreas,
y el mayor desarrol lo se registró en 2010 donde La Secretaría de
Agricultura Ganadería, Pesca y Alimentación (SAGARPA), reportó 11 760ha
mientras que para el mismo año la Asociación Mexicana de Agricultura
Protegida, Asociación Civi l (AMHPAC) en el mismo año censó 15 300 ha.
A diferencia de otros países, México ha desarrol lado el cult ivo bajo
invernadero en las últ imas dos décadas, dejando claro el gran potencial de
la zona donde se encuentra ubicado nuestro país, ya que no es necesario
tener invernaderos altamente tecnif icados para obtener cult ivos de alto
rendimiento.
Los estados con mayor superf icie de invernaderos son Sinaloa, Jal isco,
Baja California y Sonora, que juntos suman más del 50% de cultivos
protegidos. Las principales especies que se cult ivan bajo este sistema son
hortal izas como j itomate o tomate rojo (Lycopersicon esculentum Mil l.),
pepino (Cucumis sativus L.), pimiento morrón (Capsicum annuum L.), melón
(Cucumismelo L.), lechuga (Lactuca sativa L.); plantas ornamentales y
rosas (Rosa hybrida L.), crisantemo (Chrysanthemum spp) y gerbera
(Gerbera spp.).
En México la construcción de invernaderos se rige por la Norma Mexicana
para el diseño de estructuras para invernaderos (NMX-E-255-CNCP-2008),
en ella se mencionan los criterios para la selección de materiales y toda las
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9
normas para su construcción. En México la mayoría de los invernaderos
están catalogados de media y baja tecnif icación.
1.3 CULTIVO DE JITOMATE EN INVERNADERO
El j i tomate o tomate rojo (Solanum lycopersicon L) es una de las especies
que se cultivan más en cielo abierto, en invernaderos y otras varia ntes de
agricultura protegida, su potencial de rendimiento va desde los 4 hasta los
120 ki logramos sobre metro cuadrado, esto está en función del nivel de
tecnif icación del invernadero y de los conocimientos de los productores.
La planta crece tipo arbusto con tallos que van desde los 2 hasta los 4 cm
de grosor, en el crecen hojas con una oril la dentada, por debajo presenta
cierta vellosidad, su raíz es pequeña y débil aunque t iene algunas en menor
cantidad más largas y potentes, la planta puede ser rastrera, por eso es
que invernadero se uti l iza una técnica llamada Tutoreo para mantenerla de
forma horizontal sosteniéndola con un anil lo y un hi lo que va enrol lado para
sostenerla. La f lor consta de 5 sépalos y 5 pétalos color amaril lo, el fruto
presenta un pericarpio, tej ido placentario y semillas.
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10
Figura 4 . Planta y f ru tos de j i tomates de d i fe rentes c lases. Fuente.
h t tp : / /www.agrohuerto.com/
Además de ser un cult ivo con un alto potencial productivo también es un
producto con alto consumo en México y en países vecinos. Dada esta
ubicación del producto en el mercado México ha incrementado el número
de hectáreas destinadas a la siembra de este producto.
Las condiciones de cl ima son específ icas y necesarias para la producción
de j itomate en un invernadero, principalmente son la temperatura, la
humedad, la luz y la ventilación , además de seleccionar el t ipo de suelo
donde se sembrara la planta.
La temperatura
El rango de temperatura donde mejor se desarrol la es entre 20 y 30°C
durante el día y entre 7 y 17 °C por las noches, por encima de los 30°C
también tiene afectación en la fructif icación , fecundación y desarrol lo en
general, además temperaturas por debajo de los 14°C impactan en un lento
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11
desarrol lo de la planta y mala fecundación o nula. Durante la maduración y
la toma de coloración la temperatura también es un factor importante ya
que si sale del rango de los 10 y 13°C se tornara a un color amari l lo.
Humedad
La humedad relativa (HR) donde mejor se encuentra la planta es entre el
60% y el 80%.
Cuando existe un alto porcentaje de humedad dentro del invernadero, las
enfermedades foliares t ienden a aparecer, también esta humedad excesiva
es responsable de una mala fecundación y polinización, ya que el pole n no
se esparce, es así que muchas de las f lores que posteriormente ahí se
desarrol laría el fruto, se secan, el agrietamiento de los jitomates también
se puede atribuir a este factor.
Además la humedad necesita estar en un porcentaje no muy bajo para que
pueda ser f i jado en el estigma de la f lor, la importancia de tener porcentajes
de HR dentro del porcentaje antes mencionado, es vital para no perder
f lores, tener frutos de excelente calidad y evitar enfermedades,
puntualizando que la humedad alta es el mejor escenario para la
propagación y la dif ícil detención de enfermedades como botrit is, t izón
temprano y tardío, entre otras.
Ventilación
Una buena ventilación mantiene los niveles de CO2 óptimos para el cult ivo
(más de 300ppm o hasta 1000ppm), sobre todo cuando se tienen
invernaderos de bajo costo que no cuentan con ventanas lo suficientemente
grandes o bien posicionadas para l levar por lo menos una pequeña br isa
que es bastante beneficiosa.
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Los beneficios que trae consigo una buena ventilación son:
Reducción de exceso de humedad.
Renovaciones de aire óptimas. (45-55 x hora)
Enriquecer de bióxido de carbono.
Brinda movimiento a las plantas contribuyendo con una mejor
polinización.
I luminación
La luz es un factor muy importante en la vida de la planta de jitomate
aunque es insensible al fotoperiodo, en 8 a 16 horas. A continuación se
muestra una tabla que nos muestra los niveles de luz adecuados.
Tabla 1. Cant idad de luz necesar ia para p lan ta de j i tomate
Plántula 6 000 candelas
Trasplante a primer racimo 9 600 candelas
Floración a maduración 12 000 candelas
Siendo una planta que t iene un amplio rango de i luminación donde se puede
desarrol lar, en este proyecto no se tomara en consideración iluminar
artif icialmente el invernadero.
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1.4 CARACTERÍSTICAS DEL INVERNADERO
Figura 5. Vis ta 3D del invernadero.
El invernadero en el cual se basa el proyecto es de t ipo semici l índrico, de
estructura de metal con cubierta de plástico, t iene ventanas enrollables en
los cuatro lados, su apertura y cierre se hace de forma manual con un
mecanismo de malacate, el techo está dividido en tres túneles y cada uno
cuenta con un cenital para venti lación , las ventanas y cenitales tienen
además una malla para no dejar pasar insectos al estar abiertas .
Este invernadero cuenta con un sistema de riego ya instalado y
funcionando, dicho sistema es de t ipo goteo con capacidad de riego para
2400 plantas y 2400lts totales por descarga, el agua es impulsada por una
bomba de agua de 1hp.
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Figura 6. Fo tograf ía de l invernadero .
1.4.1 UBICACIÓN DEL INVERNADERO
El invernadero donde se ha planeado la instalación del sistema
automatizado, se encuentra ubicado en la ranchería de Cañada de Onofres
que pertenece al Municipio de Isidro Fabela, este municipio está ubicado
en la región noroeste del Estado de México, en la sierra de Monte Alto. La
f igura 7 muestra la ubicación del municipio de Isidro Fabela, sobre el mapa
del Estado de México.
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Figura 7. Ubicac ión del Munic ip io Is idro Fabela dentro de l Estado de México .
Fuente h t tp : / /es .wik ipedia.org/wik i / Is idro_Fabela_(munic ip io )
La localidad de Cañada de Onofre está situado en el Municipio de Isidro
Fabela (en el Estado de México). Tiene 594 habitantes. Cañada de
Onofre está a 2500 metros de alt itud . En la imagen siguiente se muestra la
fotografía satelital donde se muestra el invernadero sobre el que se basa
el proyecto éste ubicado en la localidad de Cañada de Onofres.
Figura 8. Vis ta aérea de l invernadero ubicado en Cañada de Onof res, Munic ip io de Is idro
Fabela. Fuente google maps.
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1.4.2 PRODUCCIÓN ACTUAL
El invernadero sobre el cual se desarrol la el sistema automatizado cuenta
con una capacidad de hasta 2360 plantas de j itomate, en este últ imo año
se sembró un total de 2356 plantas de j itomate clase o variedad cid. Todas
las temporadas se manda germinar la planta en invernaderos
especializados en esta tarea, a f inales del mes de enero se hace el pedido
de las plantas necesarias, a principios del mes de abri l recibimos la plántula
arrancando así el día 2 de abri l con el trasplante de la planta.
Figura 9. Fo to de Plan ta de j i tomate con f ru tos verdes.
Durante cuatro meses las act ividades que se realizan son las siguientes.
Desbrotes de la planta.
Tutoreo (ver f igura 10)
Aplicación de fert i l izantes y minerales.
Polinización
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En los primeros días de julio se inicia con la cosecha, recolectando el
j itomate de color rojo pero aun duro para que no se maltrate al seleccionarlo
y transportarlo. Al comenzar la cosecha se siguen haciendo las actividades
anteriores a excepción del Tutoreo, además a las actividades se le suman
poda de hoja y químicos necesarios para detener enfermedades que surgen
por la humedad esto en época de l luvias.
Figura 10. Fo to de Cul t i vo de j i tomate en año 2014, rea l i zando Tuto reo.
Se espera que con la implementación de venti ladores que ayudarán en el
proceso de polinización también servirá para homogenizar el aire y con ello
la temperatura, además con la corriente de aire dentro del invernadero se
espera aumentar el número de renovaciones de aire y así se controlen y se
reduzcan los brotes de enfermedades.
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Todo esto va l igado a obtener productos de mejor calidad y si fuese este el
escenario, con menos químicos aplicados para el control de enfermedades,
obtendríamos un producto cada vez más orgánico.
A continuación se muestran representadas en graf icas las producciones del
invernadero en las dos temporadas pasadas.
Figura 11. Producc ión correspondiente a l año 2013 .
En la f igura anterior se observa el registro por mes de la producción del
año 2013, en es que se ve en decremento de la producción entre más se
acerca a diciembre, esto puede ser interpretado como el frio afecta
considerablemente en volumen de producción.
0.9875
2.552.375
1.6 1.55
1.2
Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
ton
ela
das
de
jit
om
ate
Total de producción= 10.2625 TONELADAS
VOLUMEN DE PRODUCCIÓN MENSUAL (2013)2013
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19
Figura 12. Producc ión correspondiente a l año 2014 .
La f igura 12 muestra el comportamiento de la producción del invernadero
en 2014, se aprecia que t iene un comportamiento parecido al de 2013.
En las gráf icas anteriores se puede interpretar la relación que t iene la caída
de la producción en los meses de octubre noviembre y diciembre, con la
alta humedad generada por las lluvias y por la caída de temperatura en
noviembre y diciembre. Siendo diciembre el mes más frio, la planta no
soporta estar tanto tiempo en esas condiciones y muere el cult ivo.
1.178
2.8263.03
1.486
1.077
0.7
Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
ton
ela
das
de
jit
om
ate
Total de producción= 10.297 TONELADAS
VOLUMEN DE PRODUCCIÓN MENSUAL (2014)
2014
-
CAPÍTULO II
FUNDAMENTOS DE
AUTOMATIZACIÓN Y GENERACIÓN
FOTOVOLTAICA
A continuación se describen los t ipos de controladores que se pueden
util izar para controlar los diferentes parámetros dentro del invernadero,
esto con el f in de seleccionar el adecuado, además también se explica el
funcionamiento de los sensores y actuadores que serán necesarios para
llevar a cabo el proyecto. En lo que corresponde a la generación
fotovoltaica se expondrá el principio de operación de las celdas solares y
también de todos los elementos que conforman es sistema de generación
por medio de esta tecnología .
-
21
2.1 AUTOMATIZACIÓN
Desde siglos atrás los hombres con ayuda de su ingenio han creado
herramientas para facil itar sus trabajos y act ividades, un ejemplo de ello es
la rueda que la empleamos para transportar, palancas y otros mecanismos
que nos ayudan a realizar trabajos y reducir el esfuerzo de l hombre.
Con la ayuda de esta herramienta se l legó a tener trabajos simples y
repetit ivos y ahí es donde surgen los autómatas, son mecanismos que
realizan una acción de forma automática de acuerdo a parámetros
establecidos, por ejemplo los juguetes mecánicos en Grecia.
Uti l izar la energía que nos regala la naturaleza fue con lo primero que
sustituimos la fuerza del hombre, el claro ejemplo son los molinos de
viento. En 1765 el ruso Polzunov creo una válvula que detecta el nivel del
agua y regula la entrada de la misma. La revolución industrial dio inicio
años después con la invención de la máquina de vapor y su disposit ivo de
control.
Otro de los avances más grandes a nivel industrial fue la mecanización del
ensamblaje de automóviles introducido en 1913 por Henry Ford, empleando
trenes para una producción en cadena, reduciendo t iempo y costo de
fabricación de un automóvil.
La industria de los alimentos también ha adoptado hoy en día la ayuda de
esta tecnología para reducir costos, t iempo de producción y mano de obra,
y en los invernaderos donde se cult iva una extensa gama de hortalizas y
f lores.
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22
Este proyecto se ha desarrollado con la idea de optimizar el cult ivo de
jitomate basándonos en el control y automatización de diferentes
parámetros y sistemas con los que el invernadero trabaja para controlar el
ambiente donde el cult ivo se desarrol la.
2.1.1 CONTROLADORES
Un controlador es el que se encarga de comparar el valor real de la variable
a medir con la del valor deseado, determina la desviación y genera una
señal de control con el objetivo de reducir dicha señal, a esto se le conoce
acción de control.
2.1.1.1 RELEVADORES DE CONTROL
Los relevadores fueron los primeros en uti l izarse en maquinas automaticas,
el proceso de control con el que trabajan los relevadores son dos: de control
y de potencia. Cuando nos referimos al control hablamos de relevadores de
baja corriente y voltaje, y por relevadores de potencia se hace mencion de
relevadores de mayor capacidad de voltaje y corriente.
Los relevadores se han desplazado por nuevos dispositivos para
automatizar debido a que los relevadores en comparaacion con estos
nuevos elementos ocupan mayor tamaño, para hacer modif icaciones se
deben tambien hacer en su estructura f isica y cableado, en caso de alguna
falla la localizacion del problema es mas tedioso.
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23
Los nuevos controladores han superado a los relevadores por su fa ci l
programacion reduccion del panel de control, memoria para recordar y
graf icar algunos procesos.
En general un sistema de control basado en relevadores en su etapa de
control puede ademas estar acompañado de temporizadores y otros
elementos que ayudan a formar secuencias. En la etapa de control
contactores como tambien se denominan a los relevadores de potencia
ayudan a accionar elementos f inales que ayudarán a controlar un proceso
o a regular alguna magnitud que se quiera manipular, pueden ser motores,
bobinas o algun elemento.
2.1.1.2 CONTROLADORES LOGICOS PROGLAMABLES (PLC)
Es una maquina electrónica con memoria programable con capacidad de
controlar en t iempo real secuencias de control con ayuda de funciones
lógicas, de temporización, secuenciales y de conteo. Interactúa con
módulos de entrada y salida, de forma digital o analógica.
Todas las funciones antes mencionadas las realiza en su interior y estas
operaran cuando existan señales de entrada originadas por una fotocelda,
algún f inal de carrera o cualquier t ipo de sensor, de acuerdo al programa
previamente guardado en su memoria, este mandará señales de salida a
actuadores como electroválvulas o alguna lámpara.
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2.1.1.3 MICROPROCESADOR (PIC)
Son circuitos integrados con componentes similares a los de una
computadora que pueden realizar instrucciones para soportar sensores y
actuadores al igual que todos los controladores su operación está
relacionada con las entradas y sal idas.
Son de tamaño pequeño en general pero existen diferentes gamas de pic´s,
la gama más alta t iene instrucciones en 16 bits y puede operar hasta 70
instrucciones, cuentan con un número más grande de entradas y salidas.
2.1.2 SENSORES
Son disposit ivos que tienen la capacidad de medir magnitudes física s o
químicas y convert ir las en señales eléctricas para que otros dispositivos
puedan interpretar estas señales para poder compararlas con valores
preestablecidos o para usos determinados. Las magnitudes que puede
medir un sensor son: humedad, temperatura, pH movimiento, fuerza,
presión, densidad, entre muchas otras variables, esto con ayuda de algunas
propiedades de los materiales. Por ejemplo la humedad que se puede
cuantif icar por medio de la capacitancia.
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A la hora de seleccionar un sensor se deben de tomar en cuenta las
siguientes características
Calibración.
Debe tener una mínima desviación, es decir que no necesite recalibrarse
en periodos de tiempo cortos, además su calibración debe ser relativamente
fácil.
Fiabil idad.
Debe tener un índice de fallas nulo o aproximado dependiendo de qué
parámetro a medir se le esté confiando.
Exactitud.
Exactitud signif ica el valor más real posible, así que su exactitud debe ser
lo más alta posible.
Precisión.
No debe haber desviaciones en la medición , debe tener f idelidad y
concisión.
Rango de funcionamiento.
Es el alcance que t iene, desde el valor mínimo hasta el máximo que puede
medir manteniendo una exactitud buena.
Velocidad de respuesta.
El t iempo de respuesta al cambio de valor de la variable a medir debe ser
lo más rápido posible.
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2.1.2.1 SENSORES DE HUMEDAD
Higrómetro de cabello .
Está basado en la propiedad de algunos materiales que presentan un
cambio de elasticidad al cambiar la humedad del ambiente donde se
encuentra, un extremo controla un potenciómetro y de esta forma se mide
la resistencia variable por el potenciómetro y así se determina la humedad.
La desventaja de este sensor es su l imitado rango de operación.
Sensor capacit ivo
Con dos electrodos cubiertos por un polímero es capaz d e absorber el agua
del aire, a mayor humedad, mayor capacidad, de esta forma se mide la HR,
su inconveniente es que se satura a humedad alta.
2.1.2.2 SENSORES DE TEMPERATURA
Las Resistencias Detectores de Temperatura (RTD).
Son sensores que se basan en la variación de resistencia que sufren los
conductores al cambio de temperatura, si aumenta la temperatura también
aumenta la resistencia.
Está constituido de un alambre f ino pueden ser de platino, c obre, níquel u
otros materiales, su rango de operación va desde los -250 hasta los 850 oC.
Son más lineales que termopares y tienen buena sensibil idad y estabil idad.
Una ventaja es que la distancia entre el PLC y el sensor no afecta en la
medición, esta es una ventaja para la aplicación en invernaderos.
-
27
Termistores
Son basados en algunos semiconductores que su resistencia también se ve
afectada al cambio de temperatura, existen dos tipos, en uno la resistencia
aumenta al incrementar la temperatura y en el otro tipo de sensor termistor
es al contrario de este. Los termistores se han diseñado para trabajar en
un rango de -50oC y 150oC.
Termopares
Uti l iza una señal eléctrica que depende de la temperatura. En la uni ón de
los dos metales se genera un voltaje mínimo que es producto de la
temperatura, existen diferentes tipos para múltiples aplicaciones en la
industria.
2.1.3 SISTEMAS DE CALEFACCIÓN
a) Distribución por tubos.
Son muy ut il izados para sacar la humedad y aumentar la temperatura su
uso es en zonas donde las heladas no preocupan, existen variantes de
este tipo de calefacción dependiendo de la forma de cultivo . Generalmente
se hace circular por el tubo agua caliente, esta agua se calienta con
calderas, es efectiva ya que es calor está al nivel de las plantas.
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28
Figura 13. Calefacc ión c on tubos a l n ive l de la p lanta. Fuente h t tp : / /www. in foagro.com/
b) Calefacción por aire.
Esta calefacción es ubicada por encima de los cult ivos el ideal para
proteger las plantas del frio de la noche, sobre todo donde en invierno la
temperatura es crít ica. El calor se genera de diferentes formas puede ser
aire cal iente generado con calentadores de gas propano, diésel o gas
natural, la desventaja es que su instalación es más costosa y generan
sombra.
Figura 14. Calentador de gas y ca lentador con mangas de p lást ico. Fuente
ht tp : / /www.azrom.com/es/heat ing/
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29
c) Calefacción de suelo radiante .
En este t ipo de calefacción el elemento que distr ibuye el calor es enterrado
en la superf icie del invernadero en forma de serpentín, su aplicación está
limitada a plantas de poca altura, y donde el invierno no es tan frio.
Normalmente lo que circu la por debajo del invernadero es agua caliente,
pero también recientemente se util iza cable calefactor.
Figura 15. Calefacc ión de suelo rad iante con cab le ca lefactor y con tuber ía de agua.
Fuente ht tp : / /sarabasta l l .com/s is tema/ inver .h tm
2.1.4 SISTEMAS DE VENTILACIÓN
La venti lación dentro de los invernaderos es un factor en el que se debe
tener un especial cuidado, las plantas que están dentro del invernadero
respiran y realizan todas sus funciones f isiológicas es por eso que tener
una buena ventilación y renovación de aire es importante.
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30
La renovación del aire inf luye sobre la temperatura, la humedad, los niveles
de CO2 y oxígeno. Además una excesiva venti lación l leva a la planta sufrir
deshidratación.
Cuando se el ige el t ipo de invernadero a uti l izar se d ebe analizar las
necesidades de la planta a cult ivar esto en cuanto a renovaciones de aire
por minuto, existen diferentes tipos de invernaderos y todos tienen
ventilaciones diferentes.
En los invernaderos que cuentan con ventanas laterales se tiene una
ventilación buena, hay invernaderos que además de estas ventanas
cuentan con cenitales y estas ayudan a que haya una mejor venti lación, ya
que el aire cal iente tiende a subir dando lugar a aire nuevo para la parte
baja. Algunos invernaderos como los de tipo túnel que no cuentan con
ventanas ni cenitales, no tienen venti lación. De esta forma podemos dividir
en dos el t ipo de ventilación, forzada y natural.
Ventilación natural o pasiva.
Esta ventilación es originada con ventanas laterales y ventanas cenitales
en la parte de arriba, cuando se instalan ventanas cenitales se aumentan
las corrientes de aire ya que es mucho más ef iciente que las ventanas
laterales. Cuando se diseña un invernadero se calcula que las ventanas
laterales ocupen un 10% de la área de siembra del invernadero y hasta un
6% en cenitales.
Ventilación forzada.
Cuando las corrientes de aire son nulas es necesario ut i l izar venti ladores
extractores para llevar el aire cal iente hacia afuera del invernadero, de esta
forma de sustituye el aire caliente por aire del exterior .
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31
2.1.4.1 VENTILADORES Y EXTRACTORES
Los venti ladores extractores se ut i l izan para sacar el aire caliente
reduciendo así la temperatura y también la HR. Dependiendo del t ipo de
invernadero es la necesidad de aplicación de estos. Cuando se emplea este
tipo de venti ladores es necesario tener abiertas las ventanas o cenitales
para no generar un vacío.
Para conocer el caudal necesario se emplea la siguiente formula:
Q (m³/h) = volumen del local x N
Nota. El volumen del local en m 3 y N el número de renovaciones de aire por
hora necesarios.
Una vez obtenido este dato se puede conocer el número de venti ladores
extractores que se necesitan para renovar el aire el número de veces ya
establecido, sin antes conocer el modelo del venti lado r a usar, ya que el
fabricante en su hoja de datos característ icos proporcionara el caudal que
una unidad nos brinda.
La imagen que enseguida se muestra es de un ventilador extractor
normalmente usado para invernaderos, esto por sus persianas que se abran
al trabajar el venti lador.
Figura 16. Vent i lador ext ractor y ap l icac ión en un invernadero . Fuente
ht tp : / /www.alarcontro l .com/
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Los venti ladores para hacer recircular el aire son necesarios
indiscutiblemente cuando se tienen invernaderos de gran tamaño, su
aplicación y correcta instalacion benefician ayudando a homogenizar los
niveles de CO2, de humedad y de temperatura, asi como tambien ayudan a
que el proceso de polinizacion sea l levado a cabo con éxito por las plantas.
Estos ventiladores tambien son uti l izados para nebulizar.
Todo lo anterior conlleva a reducir enfermedades generadas por exeso de
humedad y esto a gastar menos en productos quimicos para atacar
enfermedades lo cual reduce costos de produccion.
F igura 17. Vent i lador para rec i rcu lac ión y vent i lador u t i l i zado para nebul i zac ión . Fuente
h t tp : / /www. in terempresas.net / .
2.1.5 SISTEMAS DE ILUMINACIÓN PARA INVERNADEROS
Actualmente los cultivos con mayor necesidad de contar con un sistema de
iluminación son los de f lores, es cierto que la i luminación afecta en
considerablemente en la generación clorof ila para que las plantas realicen
la fotosíntesis, pero en el part icular caso del cult ivo de ji tomate este no es
sensible al fotoperiodo.
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Un sistema de iluminación ayuda a aumentar el proceso de fotosíntesis de
las plantas obteniendo cult ivos con tallos robustos y hojas verdes obcuras
y mayor producción y cal idad.
F igura 18 Sis tema i luminac ión en un i nvernadero . Fuente. h t tp : / /www.hydroenv.com.mx/
Desde hace algunos años se han ut il izado lámparas de alta presin de sodio
y de halogenuros metálicos por su bajo costo y buenos resultados, estas
lámparas t ienen variedades de color que cada una son util izad as en
diferentes etapas de la planta, esto radica en el color pues algunos colores
son mejor aprovechados en algunas etapas de las plantas. También son
util izadas las lámparas fouresentes para la germinación de plantas. Estos
tipos de lámparas antes mencionados tienen la desventaja que si son
mojados o se encuentran en ambientes con una humedad relat iva alta
t ienden a explotar, ademas su intensidad luminosa disminuye
considerablemente por lo cual se deben remplazar en los primeros dos
años, ademas una gran cantidad de energía que consumen es convert ida
en calor.
La tecnología LED llego a la agricultura pues esta ofrece una vida úti l en
invernaderos de hasta 19 años conservando su intensidad luminosa, el aun
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alto costo de este tipo de i luminacion es compensado con el ahorro
energetico que representa.
F igura 19. Luminar ia led de co lor , espec ia l para p lantas. Fuente. h t tp : / /es .a l iexpress.com/
La ventajade ut il izar leds esque unicamente de genera luz en el color mas
conveniente para la planta, en general el color que mas ocupan las plantas
es rojo y azul, una luminaria muy uti l en los invernaderos es como la que
se muestra en la imagen anterior.
Si bien es cierto que el incluir un sistema de i luminacion led ayudaria a
mejorar el desempeño del cult ivo, este no requiere forsosamente
implementearlo, entonces se propone util izar de la mejor forma la luz solar,
como ya se hace actualmente
Mantener l impio el invernadero de sombras que puedan ser producidas por
basura o ramas de arboles es una forma de no despediciar la luz solar .
Otro metodo de aprovechamiento de luz solar es el blanqueamiento de
pasil los y otras partes del piso pues la se genera una luminancia mayor
dentro del invernadero, estos metodos son implementados actualmente por
eso es que se ha descartado incluir en este proyecto un sistema de
iluminacion artif icial.
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2.2 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
La fuente de energía más poderosa e importante que tenemos, es la energía
solar, esta fuente de energía es de suma importancia para las reacciones
que ocurren en la t ierra, por ejemplo evapora el agua y se generan lluvias,
esta agua se va a los ríos y mares, también las mareas en parte son
provocadas por el sol.
Figura 20. Planta so lar . Fuente ht tp : / /www.s i t ioso lar .com/
El sol y su energía a ayudado a generar otras fuentes de energía como
energía geotérmica, la energía nuclear y energía eólica que el hombre ha
aprovechado, pero también se han util izado energías no renovables como
son combustibles fósiles extraídos de la t ierra y que generan daños al
planeta por la l iberación gases de efecto invernadero .
Se ha generado electricidad a part ir de estas fuentes de energía derivadas
de la energía solar, pero también esta se puede usar directamente para
generar electricidad, además de uti l izar el calor que proviene del sol , se
puede transformar directamente con ayuda de celdas solares .
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El potencial de energía solar en la t ierra se est ima que es de 1.4KW/m 2,
para satisfacer el consumo mundial se necesitaría menos de 1% de la
superf icie de la t ierra.
2.2.1 TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA
Los materiales semiconductores son los que han permitido conve rtir la
energía solar en energía eléctrica por un proceso llamado fotovoltaico, esto
es la interacción de la radiación luminosa con los electrones de los
materiales semiconductores.
Ciertos materiales semiconductores son capaces de absorber fotones y
emitir electrones, cuando ese electrón vuelve a ser capturado se genera
electricidad.
Los electrones de valencia que conforman a los materiales semiconductores
se encuentran ligeramente l igados al núcleo, más l igados que los
electrones de valencia de los conductores y menos que los de los aislantes,
estos últ imos se encuentran tan estables y unidos que se necesita mucha
energía para separarlos, mientras que los semiconductores con una
pequeña cantidad de energía son capaces de conducir electrones.
Generalmente se util iza el si l icio para construir células solares por sus
cuatro electrones de valencia.
Los electrones libres empiezan a circular al incidi r la luz solar dejando
huecos. Para crear un campo magnético y aprovechar este efecto se ha
desarrol lado una unión de dos semiconductores tratados químicamente. A
un semiconductor t ipo”p” se le sustituyen átomos por algunos de boro que
tiene tres electrones, y al t ipo “n ” se le intercambiar átomos por algunos
átomos de fosforo que cuenta con cinco electrones de valencia. De esta
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forma se tiene un semiconductor de unión “p -n”, los electrones libres del
t ipo n ocuparan los huecos del t ipo p, creando un campo eléctrico.
Figura 21. Generac ión fo tovol ta ica y pr inc ip io de operac ión.
Fuente ht tp : / /www.euro iber ias.com/serv ic ios/energ ias -renovables/so lar - fo tovol ta ica/
Las celdas solares tienen una dimensión aproximada de 10cm x 10cm esto
varía dependiendo de su fabricación. A continuación se muestran las
diferentes tecnologías fotovoltaicas.
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Tabla 2. T ipos de ce ldas so lares .
TECNOLOGÍA CARACTERÍSTICAS
Monocristal ino
Estructura ordenada.
Color azul oscuro metálico.
Rendimiento 15-18%.
Policristalino
Estructura ordenada con regiones separadas .
Color azul y gris metálico.
Rendimiento 12-14%.
Amorfo
Alto grado de desorden.
Fabricación más simple que otras .
Color marrón homogéneo.
Rendimiento máximo 10%.
Estos son los más util izados hasta ahora pero los avances tecnológicos
sobre estos materiales avanzan rápidamente.
2.2.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Los módulos fotovoltaicos son un conjunto de celdas solares selladas en
un panel de lámina y vidrio para protegerlos de los efectos ambientales .
Para crear un sistema se conectan determinado número de paneles que
satisfagan el tamaño de la carga a soportar, su tipo de conexión dependerá
de las necesidades y los niveles de voltaje y corriente necesarios.
Los demás componentes que forman parte de un sistema dependerán de
las necesidades, para eso se clasif ican en dos tipos de sistemas de
generación.
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Sistemas fotovoltaicos autónomos.
Sistemas fotovoltaicos conectados a la red .
2.2.2.1 SISTEMAS DE GENERACIÓN FOTOVOLTAICA AUTÓNOMOS
Son los que t ienen sus paneles solares conectados a un grupo de baterías,
cargándolas durante el día con ayuda de un controlador que regula la carga
y descarga de los acumuladores. En los casos en que la carga necesita
alimentación en corriente alterna, el sistema necesitara un inversor para
alimentar dicha carga, si este no es el caso se podrá conectar la carga sin
necesidad de este aparato.
Figura 22. Sis tema fotovol ta ico autónomo . Fuente ht tp : / /s l ideplayer .es/s l ide/133123/
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Este sistema de generación autónomo es ideal para zonas rurales y donde
la potencia necesitada es menor a 10KW. Además resulta peligroso tener
demasiadas baterías, ya que generan gases explosivos.
Figura 23. Sis tema fotovol ta ico autónomo con inv ersor . Fuente www.sfe-so lar .com
A continuación se describen los equipos que se ut il izan en la generación
se sistemas aislados.
Panel fotovoltaico : El conjunto de paneles dependerá de la cantidad
de energía a generar al igual que el t ipo de conexión, ya sea en
paralelo o serie.
Batería o acumulador : Como su nombre lo indica es el elemento
encargado de acumular la energía transformada por los paneles
solares, se usan del t ipo descarga profunda por su mayor tiempo de
vida, la batería provee de energía por las noches y cuando los paneles
no estén generando la energía suficiente .
http://www.sfe-solar.com/calculo-sistemas-fotovoltaicos-aislados-autonomos/
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Regulador: Este disposit ivo se encarga de cuidar la batería, es decir
cuando ya está l lena evita que siga recibiendo energía, también se
encarga de evitar que sufra una descarga total.
Inversor: Este aparato se encarga de transformar la corriente
continua que proveen los paneles solares y la convierte en corriente
alterna para ser util izada en aparatos que demandan este t ipo de
corriente, siendo así solo se implementara el inversor cuando
tengamos este tipo de carga(CA).
2.2.2.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A LA RED
Son sistemas que no requieren de baterías para almace nar la energía
generada, ya que se encuentran conectados a la red, por medio de un
medidor bidireccional se lleva el conteo de lo que se consume de la red, y
también lo que se le inyecta, así de ser necesario por las noches se
consume de la red, así es como se evitan las baterías.
Figura 24. Sis tema in terconectado a la red . Fuente
ht tp : / /www.funcosa.com.mx/productos/s is temas -fotovol ta icos/s is tema- in terconectado.html
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Los elementos que conforman a los sistemas interconectados son los
siguientes:
Panel solar fotovoltaico : Se encargará de convertir la energía solar
en energía eléctrica, el número de paneles depende de su capacidad
y de la cantidad de energía que necesitamos abastecer.
Inversor : Se encargará en convertir la corriente continua de las
baterías en corriente alterna, en específ ico este tipo de inversor es
más preciso en parámetros como frecuencia y todo lo necesario para
que la corriente sea igual a la que distribuye CFE.
Medidor bidireccional: Este medidor registra cuanta energía se
produce y cuanta se consume, a f in de bimestre se produjo más de la
que se consumió queda guardado como un banco de energía .
2.2.3 UBICACIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
Este punto es importante ya que es necesario conocer donde se ubicará
nuestro conjunto de paneles solares, para el lo se necesita saber cuál es el
número de paneles a instalar para saber la ubicación más adecuada, en
seguida se muestran diferentes modelos en que se puede instalar el
conjunto de paneles.
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Instalación t ipo piso.
Esta forma de instalar se ut i l iza cuando se cuenta con espacio suficiente
para el número de paneles que se prevé instalar, además son viables para
instalar paneles con estructuras f i jas o seguidores de línea, la selección de
esto es en base a cuál es el rendimiento que se espera obtener de cada
panel.
Figura 25. Ins ta lac ión t ipo p iso . Fuente ht tp : / /www.esco - te l .com/plantas_de_luz_solares.h tml
Instalación t ipo poste.
Se util izan principalmente cuando la demanda es pequeña para sistemas
aislados, o bien para su uti l ización para diversas aplicaciones de uso
específ ico, por ejemplo alumbrado público o señalizaciones.
Figura 26. Ins ta lac ión t ipo poste . Fuente ht tp : / /emax.com.mx/Productos_ fotovol ta ica.html
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Instalación t ipo pared.
Las ventajas de instalar de esta forma es que se reducen costos ya que no
se necesitan tantos herrajes para su instalación, las recomendaciones en
este tipo son que los paneles se instales planos o a menos de 30 o, ubicados
hacia el sur, y con ausencia de sombras.
Figura 27. Ins ta lac ión t ipo pared . Fuente ht tp : / /es .dreamst ime.com/ i
Instalación t ipo azotea.
Está instalación es normalmente usada en zonas conurbadas donde el
espacio en piso es mínimo como para destinarlo a este uso además en piso
nos encontramos con el inconveniente de la sombra.
Figura 28. Ins ta lac ión t ipo azotea . Fuente ht tp : / /www.rev is tamercado.do /app2/baten -e l - record-
conv i r t iendo- la-energ ia-so lar -en-e lect r ic idad /
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2.2.4 ELEMENTOS DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO INTERCONECTADO A
LA RED
En México la empresa encargada de abastecer de energía e léctrica ya tiene
especif icado ésta forma de generar energía en los hogares hasta 10kW o
negocios con un máximo de 30kW por contrato, de esta forma el usuario
puede estar conectado a la red inyectando la energía no util izada y con la
ventaja de uti l izar de la red si es que no es suficiente la que produce,
anteriormente CFE en las especif icaciones para poder interconect arse,
solicitaba el uso de batería lo cual aumentaba el costo de inversión
haciendo menos viable la conexión, hoy en día ya no es necesario, aun así
hay que cumplir con algunos requisitos y normas como son los requisitos
del contrato y especif icaciones como la G0100-4 de interconexión a la red,
estos son los equipos necesarios para poder conectarse a la red.
Figura 29. Elementos de un s is tema in terconectado a la red. Fuente . www.sonnenl icht .mx
http://www.sonnenlicht.mx/page8.php
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2.2.4.1 INVERSOR
Es el quipo destinado a convertir la corriente continua proveniente de los
paneles solares, a corriente alterna, en todos los sistemas de generación
se uti l iza, con excepción de los que al imentaran carga en corriente c ontinua
como es el caso de alguno sistemas de iluminación. Algunos de los criterios
que deben cumplir los inversores son los siguientes:
Tensión de entrada en CC.
Potencia KW.
Factor de potencia arriba de 0.95.
Tensión de salida.
Fi ltros para armónicos.
Aislamiento
Frecuencia 60 Hz.
El inversor que se seleccione debe de cumpl ir con las especif icaciones de
CFE que brinda al momento de solicitar el contrato. Además debe de cubrir
la potencia calculada del sistema y la tensión.
Figura 30. Inversor . Fuente ht tps: / / l jandrade.wordpress.com/
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2.2.4.2 MEDIDOR
Este elemento fundamental en los sistemas de generación fotovoltaica
interconectados a la red servirá para registrar la energía sobrante
generada por el usuario, los kW inyectados a la red se toman como un
crédito temporal en el banco energético de CFE y estos serán descontados
al f inal del bimestre y todo lo anterior vendrá ref lejado en la factura del
bimestre.
La selección del medidor se hace en base a la especif icació n del anexo de
contrato de interconexión y con