4º Foro Estatal de Resultados FOMIX 2012

Transcripción

1 4º Foro Estatal de Resultados FOMIX 2012 Marzo 30 de 2012 DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA EL DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN TERMO ECONÓMICA DE INVERNADEROS AGRÍCOLAS, INCORPORANDO EL USO DE ENERGÍA SOLAR COMO FUENTE DE ENERGÍA Dr. Ignacio R. Martín Domínguez, Dra. María Teresa Alarcón Herrera Plinio E. Castro-López, José A. Burciaga-Santos Centro de Investigación en Materiales Avanzados S. C. Energía Renovable y Protección del Medio Ambiente. Chihuahua, Chih. México. ignacio.martin@cimav.edu.mx

2 Introducción Objetivo Metodología Resultados Conclusiones

3 Alimentación Mundial Crecimiento de la población Deterioro Ambiental Aumento en la demanda Agotamiento de suelos Crecimiento de la población Población Mundial

4 ton/ha Uso Eficiente del Suelo Producción por sistema productivo Invernadero de alta tecnologia x 250 Invernadero de tecnologia media + mejora de sustrato Invernadero de tecnologia media + fertirrigación x 200 5x 120 3x 40 cielo abierto + fertirrigación cielo abierto 1x 0 (Sagarpa, 2009)

5 Qué prové un invernadero? Microclima artificial Condiciones óptimas Mayor calidad

6 Funcionamiento de un invernadero Clima artificial Cultivo fuera de temporada Condiciones Optimas Ambiente exterior ξ= emisividad Radiación Solar (alta frecuencia) Te= 38 ºC Ventilación δ=reflectividad Radiación infrarroja (baja frecuencia) τ= transmitancia α=absortancia Flujo neto de calor Ti= optima de cultivo Convección Calor convectivo Calefacción Cubierta del invernadero

7 Temperatura Ambiente ( C) Energía e invernaderos Posibilidad para el uso de energía SOLAR Necesidades de Climatización Requerimiento de energía Enfriamiento 70-85% Rango de confort Calefacción Climatización Riego Iluminación Temperatura Ambiente Tiempo (horas)

8 Introducción Objetivo Metodología Resultados Conclusiones

9 Hipótesis Es posible diseñar y optimizar invernaderos agrícolas, que utilicen energía solar para su calefacción y que funcionen en cualquier condición climática del país en forma rentable. Mediante la utilización de simulación computacional es posible predecir el comportamiento físico del invernadero y el costo energético de su operación para periodos de tiempo extendidos.

10 Objetivo del Proyecto Crear un simulador computacional que permita diseñar invernaderos agrícolas funcionales. Determinar la rentabilidad de cada diseño, evaluado durante 10 años de operación. Optimizar el diseño mediante un análisis paramétrico que muestre la rentabilidad económica de cada diseño funcional considerado.

11 Introducción Objetivo Metodología Resultados Conclusiones

12 Mezclador 2 Caldera Ventilador Invernadero 4m 10 m C control Mezclador 1 Enfriamiento evaporativo Ventilador Ventilador Base

13 Plataforma de Simulación

14 Generador de Clima Procesador de Radiación Mañana Medio día Tarde Componentes Área de trabajo invernadero

15 Modelo Calefacción Solar en TRNSYS

16 Modelo Enfriamiento Evaporativo en TRNSYS

17 Análisis Paramétrico Combustible Poder Calorifico (MJ/kg) Costo (MX $/kg) Gas LP Propiedades Cubierta Solar nm Visible nm Infrarojo nm Absortividad α Transmisividad τ Reflectividad δ Variables Valores Unidades Colectores Solares 100 Vol. Tanque 1 3, 6, 12, 18,24 m 3 Temp. Tanque 2 90 ºC Estrategia de Control Estricto Flexible

18 Análisis paramétrico Parámetro Valores Combinaciones Localidad Chihuahua, Cd. Juárez, Nvo. Casas Grandes, 4 Temósachic Cultivo Tomate, Pepino, Pimiento 3 Material Policarbonato, Polipropileno, Vidrio 3 Hortícola Tipo de pared Simple y doble 2 Control Justo y Flojo 2 Presión 1 y 2 pulgadas columna de agua 2 Orientación N, S, E, O, NO, NE, SE, SO 8 Total 2304

19 Análisis Financiero Colectores Solares 4,146 MX $/unidad Tanque Almacenamiento 5,360 MX $/m 3 Análisis Financiero Caldera Auxiliar 51,086 MX $ Incrementos Anuales Costo Gas 9% Costo Electricidad 5% Inflación 5%

20 Introducción Objetivo Metodología Resultados Conclusiones

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24 Consumo total de energía (MJ/m2) Efecto de la Orientación del Invernadero 2,500 2,000 Orientación Incremento NE Referencia E 0.49 % N 0.87% SE 1.94% S 3.09% NO 3.48% SO 4.75% O 4.86% 1,500 1,000 NE E N SE S NO SO O Chihuahua Cd. Juárez Nvo. Casas Grandes Temósachic

25 Energía de caldera (MJ / m2) Efecto del Tipo de Control sobre la Calefacción Energía de caldera (MJ / m2) Polipropileno y tomate Ciudad Ahorro % Chihuahua 27 Cd. Juárez 20 Nvo. Casas Grandes 16 4,500 Narrow band control Temósachic 12 4,500 Broad band control 4,000 3,500 Estricto 4,000 3,500 Flojo 3,000 3,000 2,500 2,000 Pepino Pimiento Tomate 2,500 2,000 Pepino Pimiento Tomate 1,500 1,500 1,000 1, Chihuahua Cd. Juárez Nvo. Casas Grandes Temósachic - Chihuahua Cd. Juárez Nvo. Casas Grandes Temósachic

26 Consumo eléctrico total (MJ/m2) Efecto del Material (pared sencilla) sobre el Consumo Eléctrico Pepino y Ciudad Juárez Material Incremento % Policarbonato Referencia Polipropileno 7 Vidrio hortícola Polipropileno Vidrio Hortícola Policarbonato Pepino Pimiento Tomate

27 Costo energético vs. Costo Material de la Envolvente Pepino y Polipropileno en Pared Doble 96% Energía Material 4%

28 Consumo de Energía Sin Colectores Solares

29 Consumo de Energía 10 Colectores Solares

30 Consumo de Energía 30 Colectores Solares

31 Ahorro de Combustible

32 Costo Total

33 Ahorros Económicos Totales

34 Introducción Objetivo Metodología Resultados Conclusiones

35 Conclusiones La simulación numérica permite el correcto dimensionamiento de sistemas térmicos complejos El uso de energia solar reduce efectivamente el costo de operación de un invernadero, si se dimensiona adecuadamente La rentabilidad económica de un invernadero agrícola depende fuertemente de la eficiencia energética del diseño El costo energético supera enormemente al costo de los materiales de construcción del invernadero, en las condiciones climáticas de Chihuahua

36 Por su atención Muchas Gracias!!

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