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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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.

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.

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.

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 .

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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

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.

12

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.

13

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.

14

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.

15

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.

16

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

17

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.

18

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

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.

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.

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.

24

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.

25

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.

26

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.

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/

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.

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 .

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/

32

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.

33

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

34

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.

35

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 .

36

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

37

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/

40

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/

41

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

42

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.

43

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

44

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 /

45

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/

47

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