Aplicaciones de la energía solar al tratamiento térmico de suelos de invernadero

388 Pages·2007·13 MB·Spanish

TESIS DOCTORAL
TÍTULO:
“Aplicaciones de la energía solar al tratamiento
térmico de suelos de invernadero”
DOCTORANDA:
Mª Caridad Pérez de los Reyes
DIRECTORES:
Dr. D. Andrés Porras Piedra
Dra. Dña. Mª Luisa Soriano Martín
Dr. D. Francisco Montes Tubío
DEPARTAMENTO:
Ingeniería Gráfica e Ingeniería y Sistemas de Información Cartográfica
Universidad de Córdoba
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA GRÁFICA E INGENIERÍA Y
SISTEMAS DE INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA

“APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR AL TRATAMIENTO TÉRMICO
DE SUELOS DE INVERNADERO”

Tesis doctoral presentada por Mª Caridad Pérez de los Reyes para optar al
grado de Doctor por la Universidad de Córdoba, dirigida por los doctores D.
Andrés Porras Piedra, Dña. Mª Luisa Soriano Martín y D. Francisco Montes
Tubío.

La doctoranda:

Fdo. Mª Caridad Pérez de los Reyes
Córdoba, Junio de 2007
I
AGRADECIMIENTOS

A mis padres (q.e.p.d.), porque ellos me enseñaron a distinguir lo
esencial de lo importante.
A mi marido, Javi y a mis hijos, Nacho, Javier y Antonio, porque su
paciencia y generosidad han permitido que este trabajo esté finalizado y
gracias a su mágica presencia han aligerado el camino.
Al matrimonio formado por D. Andrés Porras Piedra y Dña. Mª Luisa
Soriano Martín, porque desde que los conocí me han orientado, aconsejado,
ayudado y apoyado con esmerada dedicación, haciéndome sentir no sólo como
una amiga sino como un miembro más de su familia.
A los amigos y compañeros de la Escuela Universitaria de Ingeniería
Técnica Agrícola de Ciudad Real que durante años han compartido conmigo
sus conocimientos y habilidades, sus recursos profesionales, su tiempo, su
atención y su fe en mí.
A los alumnos que me empujaron a mejorar, a saber más y a hacer las
cosas mejor.
A la Universidad de Castilla-La Mancha que me ha ofrecido el soporte
físico e institucional necesario para desarrollar esta tesis.
A la Universidad de Córdoba y al Departamento de Ingeniería Gráfica e
Ingeniería y Sistemas de Información Cartográfica de los que he recibido una
amable acogida y, en especial a D. Francisco Montes Tubío, al que he tenido la
fortuna de conocer y que ha sido para mí ejemplo de generosidad, humildad y
humanidad.
A todos ellos, y a aquellos que de alguna forma han colaborado en la
realización de esta tesis doctoral, les dedico este trabajo con mi más sincero
agradecimiento.
II
RESUMEN DE LA TESIS/ABSTRACT
RESUMEN DE LA TESIS

El cultivo bajo invernadero ofrece problemas de aparición repetitiva de
patógenos en el suelo que pueden hacer peligrar la viabilidad de la
producción. Los métodos de control físico de patógenos, como la solarización
y los tratamientos con vapor de agua, se han manifestado en ensayos
realizados por diversos patólogos como una eficaz solución a los problemas
agronómicos y medioambientales producidos por el uso de tratamientos
químicos. La solarización consiste en mantener durante 6 a 8 semanas el
suelo a temperaturas próximas a los 45 ºC en la época estival de máxima
insolación, usando para ello láminas de plástico transparente. De esta forma
se eliminan la mayor parte de los patógenos del suelo sin afectar a la
microflora y microfauna auxiliares del mismo. La desinfestación con vapor de
agua elimina todos los patógenos del suelo. Sin embargo, temperaturas por
encima de 82 ºC pueden causar problemas agronómicos y patológicos en el
mismo, aunque el principal inconveniente de este método es su alto coste
económico y energético.
En esta tesis doctoral se demuestra que el uso de energía solar activa
disminuye las limitaciones de los sistemas de tratamiento del suelo por
solarización y vapor de agua por las siguientes razones:

- Los paneles solares planos y los concentradores cilíndrico-
parabólicos disminuyen el tiempo invertido en el tratamiento por
solarización, evitan dejar la parcela improductiva el año en que
se realiza el tratamiento y permiten la elección de la fecha de
tratamiento por parte del agricultor y el uso de estas técnicas
en meses no hábiles para el tratamiento solar pasivo.
- El uso de energía solar térmica activa, mediante paneles
solares planos y concentradores cilíndrico parabólicos, supone
III
RESUMEN DE LA TESIS/ABSTRACT
un ahorro de energías convencionales y minimiza el impacto
medioambiental producido por su utilización.
El desarrollo tecnológico de nuevos sistemas de control de patógenos
compatibles con la conservación del medio ambiente es un tema de gran
actualidad agronómica teniendo en cuenta los importantes problemas
toxicológicos y medioambientales que generan el uso de tratamientos
convencionales. La principal novedad de esta tesis doctoral es el uso de
energía solar activa para superar las limitaciones de los actuales sistemas
físicos de tratamiento del suelo, a la vez que se impulsa el aprovechamiento
de esta energía alternativa y se contribuye a la protección de las condiciones
medioambientales globales.

IV
RESUMEN DE LA TESIS/ABSTRACT
ABSTRACT

The raising of crops in greenhouses is associated with the repeated
appearance of soil pathogens that threaten the viability of this form of
cultivation. Several authors have shown solarization and steam disinfestation
to be efficient alternatives to the use of chemical treatments in the control of
these pathogens. Solarization requires that the soil be maintained for 6-8
weeks at a temperature close to 45 ºC during the summer (when sunlight is at
its strongest), using transparent plastic sheeting to trap the available thermal
energy. This eliminates the majority of pathogens in the soil without negatively
affecting its remaining microflora or microfauna. Steam disinfestation also
removes soil pathogens, although temperatures above 82 ºC can cause
agronomic and indeed other pathological problems. Further, this method is
expensive and requires high energy inputs.
This doctoral thesis shows that the active use of solar energy can
overcome the drawbacks associated with solarization and steam treatment:

• The use of flat-plate solar collectors and solar parabolic trough
collectors reduces the time required for solarization, avoids leaving the
plot unproductive during the year in which treatment is performed, and
allows growers to choose the treatment dates (including dates when the
passive use of sunlight would normally be impossible).
• The use of solar thermal energy, employing flat-plate solar collectors
and solar parabolic-trough collectors, reduces the need for conventional
energy resources, and therefore lessens the environmental impact
associated with their use.

The technological development of new pathogen control systems
compatible with the protection of the environment is currently an area of much
V
RESUMEN DE LA TESIS/ABSTRACT
interest given the toxicological and other problems associated with
conventional treatments. The main novelty described in this thesis is the active
use of solar energy as a means of overcoming the drawbacks associated with
physical soil treatments. The findings reported may encourage the use of this
alternative energy resource and thus contribute to the protection of the
environment.

VI
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE GENERAL

1. INTRODUCCIÓN 1
2. ANTECEDENTES 6
2.1. Fundamentos sobre energía solar 6
2.1.1. Origen y características de la energía solar 6
2.1.2. Energía solar disponible en la superficie terrestre 9
2.1.3. Sistemas de aprovechamiento de la energía solar 17
2.1.3.1. Energía solar térmica de baja temperatura 18
2.1.3.1.1. Colector solar plano 19
2.1.3.1.2. Rendimiento del colector solar 27
2.1.3.1.3. Instalación solar baja temperatura 34
2.1.3.1.3.1. Subsistema de distribución 35
2.1.3.1.3.2. Subsistema de control 40
2.1.3.2. Energía solar térmica de media temperatura 43
2.1.3.2.1. Concentrador solar 44
2.1.3.2.2. Características ópticas 52
2.1.3.2.3. Rendimiento del concentrador 55
2.1.3.2.4. Instalación solar media temperatura 57
2.1.3.3. Energía solar fotovoltaica 58
2.1.3.3.1. Módulo fotovoltaico 60
2.1.3.3.2. Características eléctricas del panel 65
2.1.3.3.3. Instalación solar fotovoltaica 70
2.1.3.3.3.1. Subsistema acumulación 70
2.1.3.3.3.2. Subsistema regulación 74
2.1.3.3.3.3. Subsistema adaptación 75
2.1.3.3.3.4. Subsistema auxiliar 77
2.1.4. Aplicaciones agrícolas de la energía solar 78
2.2. Temperatura del suelo 82
2.2.1. Concepto e importancia 82
2.2.2. Transmisión de calor en el suelo. Balance energético 83
2.2.3. Medida de la temperatura del suelo 86
2.2.4. Variaciones de la temperatura del suelo 88
2.2.5. Propiedades térmicas de los suelos 90
2.2.5.1. Capacidad calorífica 91
2.2.5.2. Conductividad térmica 95
2.2.5.3. Difusividad térmica 98
VII
ÍNDICE GENERAL
2.2.6. Factores que afectan a la temperatura del suelo 100
2.2.6.1. Color del suelo 100
2.2.6.2. Presencia de una cubierta 102
2.2.6.3. Contenido de humedad 105
2.2.6.4. Presencia de vegetación 107
2.3. Control de patógenos del suelo 110
2.3.1. Organismos del suelo 110
2.3.2. Patógenos del suelo 112
2.3.2.1. Virus 112
2.3.2.2. Bacterias 112
2.3.2.3. Actinomicetos 113
2.3.2.4. Hongos 114
2.3.2.5. Nematodos 116
2.3.3. Control de patógenos del suelo 117
2.3.3.1. Métodos químicos 118
2.3.3.1.1. Cloropicrina 120
2.3.3.1.2. Dicloropropeno y sus mezclas 120
2.3.3.1.3. Metam-sodio y Metam-potasio 120
2.3.3.1.4. Dazomet 121
2.3.3.2. Métodos biológicos 121
2.3.3.2.1. Antibiosis 121
2.3.3.2.2. Parasitismo 122
2.3.3.2.3. Competencia 123
2.3.3.2.4. Resistencia inducida 123
2.3.3.3. Métodos culturales 123
2.3.3.3.1. Rotación de cultivos 124
2.3.3.3.2. Laboreo 124
2.3.3.3.3. Quema de rastrojos y restos 125
2.3.3.3.4. Abonado equilibrado 125
2.3.3.3.5. Modificación fecha de siembra 125
2.3.3.3.6. Generación ambiente desfavorable 126
2.3.3.4. Métodos físicos 126
2.3.3.4.1. Tratamiento con vapor de agua 126
2.3.3.4.2. Solarización 132
2.3.3.4.3. Calentamiento solar activo 137
3. OBJETIVOS 142
4. MATERIALES Y MÉTODOS 145
4.1. Contenido y desarrollo 145
4.2. Descripción y acondicionamiento de las instalaciones existentes 147
4.3. Diseño, construcción y montaje paneles solares planos 151
VIII
ÍNDICE GENERAL
4.3.1. Subsistema colector 151
4.3.2. Subsistema de distribución de agua 155
4.3.3. Subsistema de control de conexión de la bomba 159
4.4. Diseño, construcción y montaje de concentradores 171
4.4.1. Subsistema colector-concentrador 171
4.4.2. Subsistema de distribución de agua 177
4.4.3. Subsistemas de control y orientación 178
4.5. Diseño y montaje de una instalación de energía solar fotovoltaica 204
4.5.1. Subsistema de captación energética 204
4.5.2. Subsistema de acumulación 205
4.5.3. Subsistema de adaptación de corriente 205
4.5.4. Subsistema auxiliar 206
4.6. Diseño y montaje de dos sistemas de registro de temperatura 210
4.7. Determinación de las propiedades físicas y térmicas del suelo 221
4.7.1. Determinación de la materia orgánica 224
4.7.2. Determinación de la textura 226
4.7.3. Determinación del calor específico del suelo 230
4.7.4. Determinación de la densidad aparente 232
4.8. Diseño y montaje de sistemas de control de la humedad del suelo 234
4.8.1. Determinación de la curva característica humedad 242
4.9. Metodología para la realización y control de ensayos de validación 244
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 248
5.1. Resultados 248
5.1.1. Curva característica de humedad 248
5.1.2. Resultados de propiedades del suelo 252
5.1.2.1. Materia orgánica 252
5.1.2.2. Textura 253
5.1.2.3. Densidad aparente 255
5.1.2.4. Calor específico del suelo 256
5.1.3. Resultados de calibración de sondas de temperatura 257
5.1.4. Resultados de los ensayos de validación 262
5.1.4.1. Energía acumulada en el suelo 262
5.1.4.2. Rendimiento de los tratamientos térmicos 273
5.1.4.3. Temperaturas según tratamientos 282
5.2. Discusión 319
5.2.1. Objetivo 1 320
5.2.2. Objetivo 2 322
5.2.3. Objetivo 3 327
5.2.4. Objetivo 4 334
6. CONCLUSIONES 338
IX