Las limitaciones de agua y tierra están provocando una mayor demanda de invernaderos hidropónicos. Estos lugares utilizan energía solar para el desarrollo de cultivos en un entorno cerrado, pero también presentan diferentes aspectos. El estudio que se presenta hoy destacará los aspectos ambientales y energéticos del uso de energía fotovoltaica en invernaderos hidropónicos en la provincia de Alborz.
Invernaderos Son populares en todo el mundo debido a su rendimiento y su potencial de adaptación a diferentes entornos. Por ello, debido a las condiciones geográficas y al clima árido y semiárido, el sector agrícola iraní se centra en el desarrollo de invernaderos.
En cuanto al uso de agua y fertilizantes, los invernaderos hidropónicos son más eficientes que los tradicionales. Además, producen mayores rendimientos, pero tienen un consumo y costos energéticos relativamente mayores. Esto plantea un problema importante para el cultivo durante las estaciones frías.
En las últimas décadas, varios invernaderos han utilizado fuentes de energía no renovables Al igual que el gas natural y el petróleo, que provocan contaminación ambiental con GEI, el calentamiento globaly el cambio climático.
Estudio de la energía fotovoltaica para invernaderos hidropónicos
Los investigadores recopilaron datos de un invernadero de 3000 m². El consumo total de energía en este invernadero fue de aproximadamente 2 GJ ha−8652.20, siendo el gas natural y la electricidad las principales fuentes. La productividad energética calculada fue de 1 kg GJ−0.20 y el ratio energético fue de 1.
El Evaluación del ciclo de vida Los resultados del análisis de ciclo de vida (ACV) muestran que El mayor impacto fue del gas naturalLas células solares mejoran los indicadores ambientales y la energía en el invernadero. Para el invernadero analizado en la investigación, aproximadamente Se requieren 120 m2 de células solares que cubren sólo el 4% del tejado.
Objetivos del estudio Fotovoltaica para invernaderos hidropónicos
La presente investigación que aquí se discute tiene los siguientes objetivos:
- Investigar – Efectos ambientales y patrones de uso energético de la producción de fresa en invernadero durante el período de cultivo.
- Simulación de sistema fotovoltaico Calcular con precisión la superficie que requieren los paneles para suministrar electricidad al invernadero hidropónico. También se considera la pendiente adecuada de los paneles.
- Análisis comparativo – Analizar las cargas ambientales en un invernadero hidropónico con y sin sistema solar.
- El agua Productividad Home También se investigó en el estudio.
- Radiación total sobre una superficie inclinadaSe calculó la radiación diaria promedio mensual recibida en las superficies inclinadas de los paneles. Esto se realizó considerando la radiación recibida en una superficie horizontal.
Detalles de la Región Estudiada
El estudio se realizó en un invernadero hidropónico comercial de fresas de 3000 m², ubicado en la provincia de Alborz, Irán. Allí, la precipitación media anual es de unos 2 mm y la temperatura media registrada es de 252 °C. Además, este sitio se encuentra a 14.1 m sobre el nivel del mar, lo que facilita la comprensión de las perspectivas internas del invernadero para el estudio.
Parámetros de uso de energía considerados
Mediante visitas directas y mediciones de los insumos consumidos, fue posible recopilar datos del período de producción 2021-2022. Utilizando los coeficientes de energía de los insumos, se calcularon los insumos energéticos totales. A continuación, se presentan los insumos físicos y sus equivalentes energéticos del sitio de estudio.
- Labor humana:Su consumo de energía se calculó a partir de sus horas de trabajo durante el período de producción junto con los coeficientes correspondientes.
- Equipo estacionarioSu valor energético se calculó considerando el peso del equipo. Los investigadores utilizaron el valor medio por kilogramo y el año para el equipo estacionario (8-10 MJ kg−1 año−1).
- Electricidad y Gas NaturalEl medidor de fase y el medidor de gas ayudaron a registrar el consumo total de ambas fuentes para equipos fijos, iluminación y otros fines durante el período de producción. Posteriormente, mediante coeficientes energéticos, los investigadores calcularon el equivalente energético.
- Fertilizantes químicos y biocidasDebido a su capacidad para controlar enfermedades, la demanda de estos materiales ha aumentado. Se calculó el total de fertilizantes químicos (nutrientes primarios y secundarios) y biocidas (fungicidas e insecticidas) utilizados durante el período de producción, con su equivalente energético.
- NylonSe utiliza para cubrir el invernadero tanto por fuera como por dentro. Su peso y vida útil se utilizaron para calcular la cantidad de nailon registrada (peso) durante el período de producción. El coeficiente energético utilizado para el cálculo fue de 60 MJ kg-1.
- SalidaSe consideró la cantidad de fresa producida, cuyo peso, junto con el coeficiente energético, ayudó a calcular la energía de salida.
- Índice de Productividad del Agua:Cantidad de agua utilizada por metro cúbico para producir 5 kg de fresa hidropónica.
Aspectos destacados: Patrón de uso de energía en invernaderos hidropónicos en Irak
- Labor humana: 19,200 h ha−1
- Gas Natural: 119,693 m3 ha−1
- Fertilizantes nitrogenados:423 kg ha−1
- Energía total requerida (para diferentes procesos dentro del invernadero): 8652 GJ ha−1 (para todo el período de producción)
- Rendimiento promedio de fresas:120 toneladas ha−1
- Energía de salida total: 228 GJ ha−1
- Electricidad total consumida:159,300 MJ (44,250 kWh)
- Consumo de energía de entrada (Gas Natural): 5925 GJ ha−1 (68% de la energía total aportada).
- Electricidad:Cada 10 unidades generadas por paneles requieren 1 unidad de energía, 1 MJ (PV) = 0.1 MJ
Los índices energéticos (producción de fresas) en las nuevas condiciones se muestran en la última columna de la tabla a continuación. Es evidente que la energía fotovoltaica mejora todos los índices energéticos en el invernadero. El ratio energético en la nueva situación fue de 0.033, el cual aumenta gracias al uso de paneles solares.
| Índices de energía | Monitoreadas | Sin sistema solar | Con sistema solar |
| ER | – | 0.026 | 0.033 |
| NE | GJ ha-1 | -8424.2 | -6717.6 |
| EP | kg GJ-1 | 13.87 | 17.28 |
| WP | kg·m-3 | 5.13 | 5.13 |
Causas del uso de energía no renovable en invernaderos
En Irán, los precios del combustible son bajos, lo que provoca su uso ineficiente en diversas industrias. Esta es la principal causa del alto consumo de gas natural. Los sistemas de calefacción del invernadero investigado son de baja eficiencia. No se basan en un sistema de calefacción inteligente y, por lo tanto, desperdician grandes cantidades de gas. En general, la calefacción de los invernaderos supone un gran consumo energético.
Soluciones propuestas
- Para reducir el consumo de gas naturalSe deben utilizar sistemas de calefacción de alta eficiencia. Además, generan menos contaminación.
- Para reducir el consumo de energíaSe recomienda usar una pantalla térmica. Con estas pantallas, se reduce el espacio alrededor de las plantas dentro del invernadero. Por lo tanto, se necesita menos espacio para calentar por la noche. Además, se optimiza el consumo de combustible.
- Para evitar la pérdida de calor y mejorar el aislamiento.:Durante la construcción de paredes y techos de invernaderos se deben utilizar materiales con baja transferencia de calor.
- Para proporcionar la calefacción necesariaSe recomiendan los colectores solares térmicos por su tecnología de bajo costo. Además, un colector de aire terrestre es la mejor y más rentable manera de calentar el invernadero.
- Para almacenar calor:Con materiales de cambio de fase es fácil almacenar calor durante la noche.
Simulación del sistema solar en el techo de un invernadero
Como se mencionó anteriormente, es posible sustituir la electricidad total utilizada en la producción de fresa con recursos renovables. Según el valor del consumo eléctrico (44,250 kWh), se puede calcular la superficie del panel necesaria. Esto se realiza utilizando la radiación extraterrestre (HXNUMXO) y la radiación total (H) sobre una superficie horizontal, junto con las ecuaciones mencionadas.
Los resultados:
- Radiación total diaria promedio (superficie horizontal): 10.9 MJ m−2
- Radiación (H) observada en junio: alrededor de 29 MJ m−2 (el más alto)
- Radiación (H) observada en diciembre: alrededor de 9 MJ m−2 (el más bajo)
- Índice de claridad promedio anual: 63%
- Agotamiento de la radiación solar: 27%
Pendiente necesaria
La última columna muestra la radiación solar promedio mensual incidente por m² de la celda solar instalada en el invernadero estudiado. Este se encontraba en una pendiente de 2°35ˊ hacia el sur. Según esto, se pueden recibir 48 MJ de energía solar anualmente por metro cuadrado de superficie del panel. Con esta pendiente, existe la posibilidad de... aumentando la radiación solar recibida en un 12%.
Generación eléctrica
Como afirma el estudio, El consumo anual de electricidad es de 159,300 MJPara producir esta cantidad, se necesitan aproximadamente 120 m² de superficie de paneles, lo que representa el 2 % del techo. Esto sin comprometer la iluminación ni la calefacción del invernadero.
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Varios estudios previos
Los investigadores han probado diferentes métodos y formas de investigar el rendimiento energético de los invernaderos equipados con células fotovoltaicas. Sus conclusiones se comparten a continuación:
Estudio # 1
En Japón, los investigadores observaron Cómo el sombreado de los paneles fotovoltaicos afecta el crecimiento de las cebollas galesas. Se probaron dos tipos de paneles solares. Se observó que la disposición en tablero de ajedrez no tuvo un impacto significativo en el crecimiento del cultivo. En cambio, la disposición en línea recta tuvo un impacto positivo y satisfizo las necesidades energéticas del invernadero mediante fuentes renovables.
Estudio # 2
Aquí el Los investigadores intentaron encontrar El impacto de los paneles solares integrados en invernaderos en la producción agrícola. Los resultados fueron positivos, demostrando que los paneles fotovoltaicos no solo suministran la cantidad de electricidad necesaria, sino que también reducen la necesidad de riego para los cultivos.
Estudio # 3
Este Investigación centrada en el crecimiento de las plantas y la eficiencia de la producción energética De paneles de techo. Se investigaron dos tipos de instalación: fija y con seguimiento solar. Los resultados mostraron que el modo con seguimiento solar generaba más electricidad que el fijo. Por lo tanto, puede suministrar una buena cantidad de energía al invernadero.
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Estudio # 4
Otra estudio de Canadá Se estudió el efecto de los paneles fotovoltaicos semitransparentes instalados en los tejados de los invernaderos. Los resultados mostraron que los paneles solares causaban sombreado interno, pero también suministraban el 43.7 % de la electricidad que el invernadero necesitaba para su iluminación.
Estudio # 5
En una investigación, Los investigadores utilizaron colectores solares de aire Utilizaron material de cambio de fase (PCM) para calentar el invernadero. Concluyeron que la temperatura interior de los invernaderos se mantuvo más alta, especialmente durante la noche. Esto superó a un sistema de calefacción solar convencional.
Estudio # 6
En Shiraz, Irán, condiciones termoambientales Se estudió el rendimiento de un invernadero equipado con paneles solares. Se examinaron alrededor de 14 configuraciones diferentes de paneles. Se concluyó que no hubo un efecto significativo en la iluminación del invernadero, incluso con el 19.2 % del techo cubierto con paneles. De hecho, se redujo considerablemente el consumo de gas natural y las emisiones de CO2.
Así pues, varias investigaciones sobre tecnologías solares se centraron en un aspecto: su rendimiento y su impacto en los invernaderos. En general, no se prestó mucha atención a los impactos ambientales de estas tecnologías.
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Conclusión
El objetivo de esta investigación fue evaluar el patrón de consumo energético y realizar un análisis ambiental del lugar estudiado. El invernadero hidropónico de la provincia de Alborz demostró la viabilidad de utilizar células fotovoltaicas para generar electricidad, en lugar de recursos no renovables. Por lo tanto, a partir de los resultados del presente estudio, los investigadores han llegado a las siguientes conclusiones.
La mayor parte de la energía consumida provino del gas natural y de la electricidad.
- Los índices energéticos muestran que la producción de fresas en invernadero hidropónico es intensiva en energía.
- Los resultados del ACV muestran que los daños al ecosistema y a la salud humana se deben a los equipos estacionarios y a la electricidad. Además, el gas natural es el principal contribuyente en la categoría de daños a los recursos.
- Los resultados de viabilidad del uso de energía solar en el invernadero demostraron que aproximadamente 120 m² de células solares pueden suministrar la cantidad de electricidad necesaria. Además, su instalación en el techo no afectará la iluminación del interior del invernadero.
- Con sistemas fotovoltaicos en invernaderos, el consumo de energía y los efectos ambientales adversos se pueden reducir por completo.
Así pues, con las tecnologías fotovoltaicas y las técnicas de optimización energética, los invernaderos hidropónicos pueden ser más eficientes energéticamente. Por ello, esta investigación, que busca demostrar la eficacia de la energía fotovoltaica en invernaderos hidropónicos, resulta de gran impacto.
Fuente: Uso de células fotovoltaicas para un invernadero hidropónico comercial
