Los Invernaderos en México

7/30/2019 Los Invernaderos en Mxico

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Resumen ..........................................................................................................................................11

1 Introduccin a los Invernaderos .................................................................................................12

1.1 Desarrollo de la Produccin bajo Invernaderos ..................................................................121.2 Los Invernaderos en Mxico .............................................................................................13

1.3 Diseo de un Invernadero .................................................................................................14

1.3.1 Consideraciones Climticas ..........................................................................................15

1.3.2 Estructuras...................................................................................................................15

1.3.3 Materiales de la Cubierta ..............................................................................................16

2 Microclima del Invernadero........................................................................................................18

2.1 Radiacin .........................................................................................................................18

2.1.1 Espectro Electromagntico ...........................................................................................18

2.1.2 Terminologa: radiacin, luminosidad y PAR.................................................................20

2.1.3 Intensidad de luz ..........................................................................................................21

2.2 Composicin del Aire.. ......................................................................................................21

2.2.1 Vapor de Agua .............................................................................................................21

2.2.1.1 Terminologa: humedad relativa, absoluta y presin de vapor ..... ....... ....... ....... ......22

2.2.1.2 Comportamiento del agua en el aire......................................................................22

2.2.2 Humedad y Transpiracin .............................................................................................23

2.2.3 Bixido de Carbono......................................................................................................23

2.2.3.1 Unidades y Concentracin....................................................................................24

2.2.3.2 Factores que influyen en la Concentracin de CO2................................................24

2.2.4 Movimiento del aire.......................................................................................................25

2.2.4.1 Velocidad del aire y temperatura...........................................................................25

2.3 Temperatura.....................................................................................................................26

2.3.1 Balance de Energa ......................................................................................................26

2.3.2 Efectos de la Temperatura............................................................................................28

2.3.3 Temperaturas ptimas .................................................................................................28

2.4 Medio Radicular................................................................................................................293 Automatizacin de Invernaderos................................................................................................31

3.1 Clasificacin de los Invernaderos por Nivel de Automatizacin.. ....... ....... ....... ....... ....... ......32

3.1.1 Ventajas y Desventajas de un Invernadero Automatizado...... ...... ....... ....... ....... ....... ......33

3.1.2 Costos de Automatizacin de un Invernadero................................................................34

3.2 Instrumentacin en el Invernadero.....................................................................................35

3.2.1 Temperatura.................................................................................................................36


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3.2.2 Radiacin.....................................................................................................................41

3.2.3 Movimiento del Aire ......................................................................................................42

3.2.4 Humedad .....................................................................................................................43

3.2.5 Riego y Nutrientes ........................................................................................................44

3.2.6 Sistemas de Adquisicin de Datos ................................................................................45

3.2.6.1 Programas Computacionales para la Adquisicin de Datos .... ....... ....... ........ ....... ..463.2.6.2 Protocolos de Comunicacin Usados en la Adquisicin de Datos ...... ....... ....... ......47

3.3 Sistemas de Control de Microclima en el Invernadero ........................................................48

3.3.1 Evolucin de los Sistemas de Control de Equipos en Invernadero..... ....... ..... ....... ........ ..48

3.3.2 Ventajas de un Buen Control de Microclima....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ....... ........ ..49

3.3.3 Parmetros Climticos a Controlar en un Invernadero ...................................................50

3.3.3.1 Temperatura ........................................................................................................51

3.3.3.2 Humedad.............................................................................................................53

3.3.3.3 Ventilacin...........................................................................................................543.3.3.4 Riego y Nutrientes................................................................................................55

3.3.3.5 CO2 .....................................................................................................................56

3.3.4 Modelacin del Control de Clima...................................................................................56

3.3.5 Sistemas de Control .....................................................................................................58

3.3.5.1 Teora de control moderna y clsica......................................................................59

3.3.6 Tipos de Controladores.................................................................................................59

3.3.6.1 On/Off..................................................................................................................59

3.3.6.2 Proporcional.........................................................................................................60

3.3.6.3 PID......................................................................................................................60

3.3.7 Restricciones en el control ambiental ............................................................................60

3.3.8 Sistemas de Soporte de Decisiones ..............................................................................61

4 Automatizacin del Invernadero del CAETEC ............................................................................63

4.1 Descripcin General .........................................................................................................64

4.2 Objetivos..........................................................................................................................65

4.3 Estructura del Proyecto.....................................................................................................66

5 Control Local de Microclima y Control de Posicin de las Ventanas.. ........ ....... ....... ....... ....... ......67

5.1 Control de Temperatura y Monitoreo de Humedad.............................................................67

5.1.1 Objetivos......................................................................................................................67

5.1.2 Diseo del Sistema de Control de Temperatura y Monitoreo de Humedad...... ....... ....... ..68

5.1.3 Seleccin de Partes......................................................................................................68

5.1.4 Desarrollo.....................................................................................................................72

5.1.4.1 Programacin del PLC..........................................................................................72

5.1.4.2 Instalacin e Integracin del Sistema....................................................................73


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5.2 Requerimientos Calorficos del Invernadero.......................................................................75

5.2.1 Determinacin de las Caractersticas Ambientales.........................................................75

5.2.2 Determinacin de las Dimensiones del Invernadero.......................................................76

5.2.3 Obtencin de las Prdidas de Calor ..............................................................................77

5.3 Control de Riego...............................................................................................................78

5.3.1 Objetivos......................................................................................................................795.3.2 Diseo del Sistema de Control de Riego .......................................................................79


5.3.4 Desarrollo del Sistema de Control de Riego...................................................................80

5.4 Control de Posicin de las Ventanas .................................................................................82

5.4.1 Antecedentes ...............................................................................................................83

5.4.2 Objetivos......................................................................................................................84

5.4.3 Diseo Mecnico ..........................................................................................................84

5.4.4 Diseo Electrnico........................................................................................................885.4.4.1 Seleccin de Partes .............................................................................................89

5.4.4.2 Estructura de la Tarjeta de Adquisicin y Control.... ...... ....... ....... ....... ....... ....... ......91

5.4.4.3 Diseo de la Tarjeta de Adquisicin y Control....... ....... ........ ....... ....... ....... ....... ......92

6 Control Remoto de Microclima...................................................................................................96

6.1 Telemonitoreo de Estacin Meteorolgica .........................................................................96

6.1.1 Objetivos......................................................................................................................96

6.1.2 Estructura del Sistema..................................................................................................97


6.1.3.1 Estacin Meteorolgica ........................................................................................97

6.1.4 Diseo de la Base de Datos........................................................................................103

6.2 Telemonitoreo del Invernadero........................................................................................105

6.2.1 Objetivos....................................................................................................................105

6.2.2 Estructura del Sistema................................................................................................105

6.2.3 Seleccin de Partes....................................................................................................106

6.2.4 Diseo de la Base de Datos........................................................................................108

6.3 Software de integracin y control.....................................................................................109

6.3.1 Estructura del Software Greenlife................................................................................109

6.4 Sitio Web para las consultas de la Base de Datos de la Estacin y del Invernadero.......... 116

6.4.1 Estructura del Sitio......................................................................................................117

7 Recomendaciones y Conclusiones ..........................................................................................120

Referencias 150


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Graficas de Precisin y Resolucin de Estacin Climtica Vantage PRO2 ........................................121

Dibujo Isomtrico del Invernadero ....................................................................................................123Diagramas de conexiones del control de riego, temperatura y monitoreo de humedad ......................124

Lista Desglosada de Costos del Proyecto.........................................................................................126

Vistas Isomtricas y Diagrama de Conexiones de las Ventanas del Invernadero...............................130

Diseo de Tarjetas Impresas y Esquemtico para el Control de Ventanas del Invernadero................132

Cdigo del CI GAL22v10 para Determinar la Direccin del Motorreductor ..... ....... ....... ........ ....... ....... 135

Posicin de los Sensores del Temepratura y Humedad en el Invernadero.........................................138

Cdigo del PLC para el Control de Temperatura y Monitoreo de Humedad ..... ....... ....... ....... ....... .... 139

Diseo de Tarjeta Impresa y Esquemtico para la Comunicacin entre el PLC y Otros Dispositivos .. 147

Fotografas del CAETEC .................................................................................................................148

Clculo del Torque Requerido para el Motorreductor de la Ventana del Invernadero .........................149

Lista de Acrnimos..........................................................................................................................155


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Figura 1.1. Formas de los invernaderos a) techo de dos aguas, b) techo diente de sierra, c) tnel tipo

semiarco, d) arco redondo con pared vertical (quonset), e) arco con punta con paredes inclinadas y f)arco con punta con paredes verticales ...............................................................................................16

Figura 1.2. Porcentaje de transmisin de luz para diferentes invernaderos [11]...................................16

Figura 2.1. Espectro de radiacin solar sobre la atmsfera y en la superficie de la Tierra. [11].............19

Figura 2.2. Respuesta Espectral de los procesos de la planta con la sensitividad del ojo humano [12].21

Figura 2.3. Relacin entre la presin de vapor saturada y la temperatura [21] ...... ....... ....... ........ ....... ..22

Figura 2.4. Concentracin tpica de CO2 en un invernadero [12] .........................................................24

Figura 2.5. Efecto de la velocidad del aire a distintas intensidades de radiacin solar sobre la diferenciade temperatura entre la planta y el aire [1]..........................................................................................26

Figura 2.6. Modos de transferencia de energa en un invernadero [20]................................................27Figura 2.7. a) Efectos de la temperatura en la respiracin y b) Efectos de la temperatura nocturna en laelongacin de algunas partes de la planta..........................................................................................28

Figura 3.1. Estructura bsica de un invernadero de alta tecnologa.....................................................33

Figura 3.2. Grficas de l comportamiento del voltaje, resistencia o corriente vs temperatura de a)termopar, b) RTD, c) termistor e) sensor integrado.............................................................................40

Figura 3.3. Anemmetro rotatorio de cazoletas. Referencia: 2002 Enciclopedia Britnica ....... ....... ......42

Figura 3.4. Principio de funcionamiento de una pared hmeda ...........................................................53

Figura 3.5. Modelo general de control para un invernadero ( John & Seginer, 1959) [40].....................57

Figura 3.6. Componentes bsicos de un sistema de control................................................................58Figura 3.7. a) Elementos de un sistema de control en lazo abierto. b) Elementos de un sistema decontrol en lazo cerrado ......................................................................................................................59

Figura 4.1. Invernadero del CAETEC .................................................................................................63

Figura 4.2. Estructura General del Sistema Propuesto para la Automatizacin de Microclima delInvernadero del CAETEC ..................................................................................................................64

Figura 4.3. Diagrama a bloques del Sistema de Control de Microclima del Invernadero.......................65

Figura 4.4. Divisin del Proyecto de Automatizacin e Microclima del Invernadero..............................66

Figura 5.1. Diagrama a bloques del sistema de control de temperatura y del monitoreo de humedad...68

Figura 5.2. PLC Koyo modelo D0-06DR a) Imagen b) Vista Frontal. [52] ...... ....... ....... ....... ........ ....... ..69

Figura 5.3. a) Sensor de humedad de OMEGA HX92A b) Dimensiones del sensor en mm[54].. ......70

Figura 5.4. Estructura bsica del transmisor con el lazo de salida de corriente. [54] ............................70

Figura 5.5. Mdulo F0-4AD2DA, con entradas y salidas de corriente de 0-20mA. [53].........................71

Figura 5.6. RTD 805 tipo Pt100 Omega.............................................................................................71

Figura 5.7. Mdulo F0-04RTD, con entradas para sensores RT. [55] ..... ....... ....... ....... ........ ....... ....... ..71

Figura 5.8. Panel OP-613. [56]...........................................................................................................72


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Figura 5.9. Mdulo de Comunicaciones D0-DCM con dos puertos. [57]........ ....... ....... ....... ........ ....... ..72

Figura 5.10. Sistema de control de temperatura y humedad a) Fotografa frontal del gabinete, b)Fotografa del cableado interno..........................................................................................................73

Figura 5.11. Circuito equivalente de las terminales de salida del PLC D0-06DR. [52]...........................74

Figura 5.12. Vista Frontal del Invernadero del CAETEC. Dimensiones en metros................................76

Figura 5.13. Crculo de referencia para la determinacin del ngulo del arco y rea del segmento querepresenta el techo del Invernadero del CAETEC.. .............................................................................77

Figura 5.14. Control de Riego Comercial marca Hunter, modelo ICC800. a) Cartula del equipo, b) Vistainterna. [59]. ......................................................................................................................................79

Figura 5.15. Diagrama a bloques del sistema de control de riego........................................................79

Figura 5.16. Pantalla C-More Micro-Graphic de 3 t. [60].....................................................................80

Figura 5.17. Diagrama de Estados del Programa en Escalera del Control de Riego ............................81

Figura 5.18. Sistema original de apertura manual ...............................................................................83

Figura 5.19 Sistema telescpico propuesto para la apertura y cierre de las ventanas del Invernadero .85

Figura 5.20. Motorreductor Baldor IDGM2506 [61]..............................................................................85Figura 5.21. Corredera propuesta para extensin del brazo telescpico..............................................86

Figura 5.22. a) Placas para fijacin de motorreductor, b) Estructura de soporte para motorreductor ygabinete............................................................................................................................................87

Figura 5.23. Diagrama a bloques del sistema de control de la posicin de una ventana del invernadero.........................................................................................................................................................88

Figura 5.24. Disco perforado adaptado al eje del motorreductor..........................................................89

Figura 5.25. Terminal del inversor para variacin de velocidad. a) Conexin con el uso depotencimetro, b) Operacin por medio de seal de tensin 0-5V. [62] ...............................................90

Figura 5.26. Terminal del inversor para seleccin de sentido de giro del motor. [62]............................90Figura 5.27. Interrupor Highly modelo AH8108. a )Imagen b)Dimensiones sin rodamientoc)Configuracin elctrica del interruptor. Fuente: Highly Interruptors < http://www.tme.cz/katalog/> .....91

Figura 5.28. Diagrama a bloques de la tarjeta de adquisicin y control de la posicin de una ventana delinvernadero.......................................................................................................................................92

Figura 5.29. Diagrama esquemtico del CI GAL22V10 con los sensores de posicin ..........................93

Figura 5.30. Diagrama esquemtico del circuito para la variacin de velocidad .... ....... ....... ........ ....... ..94

Figura 5.31.Daigrama esquemtico del circuito para seleccin del sentido de giro...............................94

Figura 5.32. Diagrama esquemtico del circuito para comunicacin serial...........................................95

Figura 5.33. Diagrama esquemtico de la fuente de alimentacin.......................................................95Figura 6.1. Diagrama a bloques del sistema de tele-monitoreo de la estacin climtica y del equipo deadquisicin y control del invernadero..................................................................................................96

Figura 6.2. Diagrama a bloques del sistema de tele-monitoreo de la estacin meteorolgica...............97

Figura 6.3. Subsistemas de la estacin meteorolgica Vantage Pro2 Plus, Modelo 6162, a) Conjuntode sensores integrado (ISS), b) Consola con interfaz para el usuario Vantage Pro2. ....... ....... ....... ......98

Figura 6.4.. Diagrama de la Estructura de Comunicacin entre el servidor y el invernadero ........ ....... 105

Figura 6.5. Dispositivo Wibox con servidor de dos puertos. [67] ...... ....... ....... ....... ....... ........ ....... ....... 106


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Figura 6.6. Estructura de conexin para integrar los sistemas en la red local del CAETEC ........ ....... 107

Figura 6.7. Ventana principal del invernadero...................................................................................113

Figura 6.8. Ventana principal del programa Greenlife .......................................................................113

Figura 6.9. Ventana de la configuracin de la estacin climtica.......................................................114

Figura 6.10. Ventana principal de las estadsticas de la estacin climtica ........ ....... ....... ....... ....... .... 115

Figura 6.11. Ventana principal de la estacin climtica .....................................................................115Figura 6.12 Diagrama del flujo de informacin entre la aplicacin WEB y la aplicacin Greenlife.......116

Figura 6.13. Pgina principal del sitio. ..............................................................................................117

Figura 6.14. Control tipo calendario que permite seleccionar la fecha para hacer una consulta de datoshistricos.........................................................................................................................................117

Figura 6.15. Primera Tabla donde se muestran los valores actuales, mximos, mnimos y promedios delda. .................................................................................................................................................118

Figura 6.16. Graficas de algunas variables.......................................................................................118

Figura 6.17. Reporte general con los registros de la base de datos para un da de consulta..............119

Figura A.1. Precisin del sensor de Temperatura de la Estacin. Fuente: Manual Conjunto de SensoresIntegrado.........................................................................................................................................121

Figura A.2. Resolucin de la Tasa de Precipitacin para valores bajos. Fuente: Manual Conjunto deSensores Integrado .........................................................................................................................121

Figura A.3. Resolucin en rango completo de la tasa de precipitacin. Fuente: Manual VantagePro2/Pro2 Plus: Sensor Suite...........................................................................................................121

Figura A.4. Rosa de los vientos, tomada como referencia por el anemmetro para definirnumricamente la direccin de la veleta. Fuente: Manual Conjunto de Sensores Integrado...............122

Figura B.1 Dibujos Isomtricos del Invernadero del CAETEC............................................................123

Figura C.1 - Diagrama de conexiones de los calentadores, ventiladores, electrovlvulas y bomba delInvernadero.....................................................................................................................................124

Figura C.2 - Diagrama de conexiones de los sensores de temperatura del Invernadero.....................125

Figura C.3 - Diagrama de conexiones de los sensores de humedad del Invernadero.........................125

Figura E.1 Vistas isomtricas del motorreductor Baldor modelo IDGM2506. Referencia:...................................................................................................................130

Figura E.2 Diagrama de conexiones del motorreductor Baldor modelo IDGM2506. Referencia:Motorreductores y Controles, S.A. de C.V ...................................................131

Figura F.1. Cara superior de tarjeta impresa para la adquisicin y control de la posicin de lasventanas. ........................................................................................................................................132

Figura F.2. Diseo de tarjeta impresa de fuente de alimentacin para tarjeta de control ....................132

Figura F.3 Diagrama esquemtico de la tarjeta de adquisicin y control de la posicin de las ventanas.......................................................................................................................................................133

Figura F.4 Fotografa de la tarjeta de adquisicin y control de la posicin de las ventanas.................133

Figura F.5 Fotografa de la fuente de alimentacin para tarjeta de control ..... ....... ....... ........ ....... ....... 134

Figura F.6 Fotografa del sistema electrnico de adquisicin y control de la posicin de las ventanas 134

Figura J. Diagrama del invernadero con la posicin de los sensores de temperatura y humedad.......138


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Figura J.1.. Diseo de tarjeta impresa para comunicacin del PLC con tarjetas de control de ventanas yWibox..............................................................................................................................................147

Figura J.2 Diagrama esquemtico de la tarjeta para comunicacin del PLC con tarjetas de control deventanas y Wibox ............................................................................................................................147

Figura K.1. Fotografa area del CAETEC a 11700 pies. Referencia: GoogleEarth . 148

Figura K. 2. Fotografa area del CAETEC a 7400 pies. Referencia: GoogleEarth .. 148


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Tabla 1.1. Hectreas de cultivo bajo invernaderos en varios estados de Mxico. AMPHI 2004 [3]........14

Tabla 1.2. Caractersticas de las cubiertas. [5]....................................................................................17

Tabla 2.1. Influencia de la velocidad del aire en la tasa fotosinttica de las hojas [12]..........................25Tabla 1.3. Temperaturas ptimas en invernadero para algunas especies............................................29

Tabla 3.1. Factores climticos considerados para la automatizacin de un invernadero, unidades,divisiones, instrumentos de medicin y actuadores. [5]. ......................................................................32

Tabla 3.2. Comparacin entre tres tcnicas de cultivo el consumo de agua y la produccin de detomate. Referencia: Universidad Autnoma de Quertaro...................................................................34

Tabla 3.3. Costos aproximados para la construccin de un invernadero cubierto de polietileno tipoquonset de aproximadamente 8.5 x 29m. [25] ...................................................................................35

Tabla 3.4. Tipos de sensores de Temperatura....................................................................................36

Tabla 3.5. Caractersticas de algunos termopares ..............................................................................37

Tabla 3.6. Comparacin de las caractersticas de los sensores de temperaturas ms comunes...........40

Tabla 3.7. Tipo de equipos de operacin para controlar el microclima en un invernadero [39]..............51

Tabla 5.1. Especificaciones del PLC Koyo modelo D0-06DR. [52]......... ....... ....... ....... ........ ....... ....... ..69

Tabla 5.2. Costos de la automatizacin del control de la temperatura y la humedad para el invernaderodel CAETEC......................................................................................................................................75

Tabla 5.3. Condiciones atmosfricas en el Invernadero del CAETEC, de Septiembre 2006 a Febrero2007. [51]..........................................................................................................................................75

Tabla 5.4. Especificaciones del calentador de aire Centinela 250, colocado en el Invernadadero delCAETEC. ..........................................................................................................................................78

Tabla 5.5. Costos de la automatizacin del control de riego para el invernadero del CAETEC ....... ....82

Tabla 5.6. Costos de la automatizacin del control de la posicin de las ventanas del invernadero delCAETEC...........................................................................................................................................83

Tabla 5.7. Especificaciones del Motorreductor IDGM2506 [61]............................................................85

Tabla 5.8. Seleccin de ngulo de operacin para uniones universales. Fuente: Gua de Seleccin paraNudos Universales, Suministros Industriales GRAINGER ...................................................................86

Tabla 5.9. Especificaciones generales de las partes ...........................................................................86

Tabla 5.10. Variables fsicas analizadas para las partes crticas del sistema telescpico ...... ...... ....... ..87

Tabla 5.11. Especificaciones del Inversor Baldor modelo ID56F50-C.[62] ...........................................89

Tabla 6.1. Especificaciones de la Estacin Climtica Vantage Pro 2 modelo 6162 [64]........................99

Tabla 6.2. Intervalos de Actualizacin de las variables adquiridas por el Conjunto de SensoresIntegrado (ISS). [64] ..........................................................................................................................99

Tabla 6.3. Resolucin, rango y precisin de las variables adquiridas por la estacin meteorolgicaVantage Pro2 Plus, modelo 6162. [63] .............................................................................................100

Tabla 6.4. Intervalos de Actualizacin de las variables adquiridas por la Consola Vantage Pro2. [65] 101

Tabla 6.5. Capacidad de comunicacin de la consola Vantage Pro2 con distintos equipos [63]..........101


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Tabla 6.6, Tiempo de almacenamiento del concentrador de datos de la consola Vantage Pro2 (tiempototal antes de que la memoria sea llenada) [66]................................................................................102

Tabla 6.7. Protocolo de comunicaciones de la Consola [66]..............................................................103

Tabla 6.8. Tablas que integran la base de datos Estacion_Climatica .............................................104

Tabla 6.9. Especificaciones del mdulo de procesamiento de red integrado WiPort [67]....................107

Tabla 6.10. Tablas que integran la base de datos Invernadero ......................................................108Tabla D.1. Costos del Proyecto Automatizacin de Microclima .........................................................129


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En este trabajo se presenta la documentacin del proyecto de tesis titulado Automatizacin deMicroclima en un Invernadero, llevado a cabo en el invernadero del Centro Agropecuario Experimentaldel ITESM Campus Quertaro en el perodo de Enero de 2006 a Octubre de 2007.

En trminos generales el proyecto presenta el diseo y la metodologa para el desarrollo de un sistema

automtico para el monitoreo y control del clima en un invernadero, en donde se consideran algunasvariables que afectan el crecimiento del cultivo.

Debido a la complejidad que demanda la automatizacin de este proceso, a lo largo del trabajo, seutilizaron conocimientos y principios de diversas reas de la ingeniera por lo que fue necesario de laparticipacin de un grupo de estudiantes y profesores de las reas de la mecnica, electrnica,agronoma y sistemas computacionales.

A pesar del uso de diversas tecnologas, el principal inters se centr en el uso de la instrumentacinvirtual mediante el diseo de un programa grfico, en el cual se realiza la adquisicin de datos, elcontrol y la presentacin de informacin al usuario. De igual forma, se disearon y desarrollarondiversos sistemas mecnicos y electrnicos con aplicaciones particulares que se integran alfuncionamiento general del sistema.

De tal forma, se ha estructurado esta documentacin en siete captulos que describen la metodologaseguida para la realizacin de este proyecto como primera fase de un proyecto que tiene comofinalidad una automatizacin ms completa de un invernadero y la implementacin de algoritmos decontrol que utilicen ms eficientemente los recursos. En conjunto, estos captulos tienen la intencin deplantear la justificacin del proyecto, presentar sus fundamentos tericos a travs de la presentacin deuna investigacin bibliogrfica, describir el trabajo de ingeniera realizado y mostrar los resultados delproyecto.

En el captulo 1 de este escrito se exponen los beneficios del uso de los invernaderos se plantea latendencia actual en su uso y el desarrollo de tecnologa a nivel mundial y nacional. En la presentacinde este panorama, se incluyen algunos datos que hacen evidente la necesidad y el inters de realizarun sistema de control climtico y que dan soporte a la realizacin de este trabajo.

Posteriormente, en el captulo 2 se detallan las caractersticas de las variables de inters para el controldel microclima en un invernadero, se describe su relacin con los procesos de crecimiento del cultivo yse justifica su importancia.

En el captulo 3 se presenta el estado del arte de los instrumentos de medicin, sistemas de control ysistemas de adquisicin de las variables climticas de inters en el invernadero. Adicionalmente, seincluye informacin relacionada a las tcnicas y consideraciones prcticas sobre la manera de manejarlas variables climticas y el r iego en el invernadero.

En el Captulo 4 se explica el proyecto de automatizacin, la estructura y los objetivos generales delmismo. En la estructura se propone la divisin del proyecto en dos secciones. La primera involucra eldesarrollo de un control local en el invernadero y la segunda el desarrollo de un control remoto que fueconstruido para el manejo del microclima bajo una interfaz de comunicacin. En consecuencia, el

Captulo 5 incluye el diseo, objetivos, seleccin de partes y el desarrollo del control local, mientras queel Captulo 6 contiene lo relacionado al control remoto.

Finalmente, en el captulo 7 se concluye el trabajo y se agregan algunas recomendaciones que seobtuvieron en el desarrollo del proyecto. En trminos generales, se exponen los resultados quepermiten establecer el proyecto como una plataforma inicial de desarrollo para la automatizacin deotras variables climticas en el invernadero y se propone una alternativa para la conclusin de unsistema de control automtico de clima y riego para invernaderos de bajo costo.


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El trmino invernadero significa sitio a propsito para pasar el invierno, debido a que en sus orgenesfue utilizado para mantener una temperatura templada en zonas fras para el cultivo de plantas y flores.Sin embargo, para los fines de este documento, un invernadero es definido como una estructuracubierta con material transparente o traslcido, donde existe un control parcial o total de las

condiciones ambientales para proveer las condiciones adecuadas para el desarrollo del cultivo que enl se produce. [1] y [2]

Cuando se utiliza un invernadero para un cultivo se tienen cambios significativos en el clima interno. Elefecto ms visible es la reduccin de la velocidad del viento en comparacin con el exterior. Asimismola cubierta tiene un efecto notable en el intercambio de energa, debido particularmente a la radiacininfluenciada por el menor movimiento de aire y al efecto invernadero, el cual se refiere a latransferencia y la retencin de calor a travs de la atmsfera (en este caso la cubierta). De estamanera, el efecto de la cubierta en la reduccin de transferencia de energa por conveccin incrementaconsiderablemente la temperatura en el da y afecta otros factores como la humedad.

Consecuentemente, se han obtenido diversos beneficios en el manejo de las condiciones que rodean alos cultivos con el uso de los invernaderos, lo que ha provocado el crecimiento sostenido en su

utilizacin alrededor del mundo. En paralelo a este crecimiento, ha existido un desarrollo de tecnologasagrcolas que han mejorado el rendimiento de produccin en el invernadero y que en gran parte hansido orientadas al control de clima y riego. [3]

A partir de esta breve introduccin, en este captulo se da una explicacin del desarrollo de laproduccin bajo invernaderos a nivel mundial y en Mxico posteriormente, se describen los factoresque deben considerarse en el diseo de un invernadero y se mencionan algunas caractersticasgenerales de los factores climticos que se manejaran a lo largo de todo el documento.

El uso de las mejores tecnologas y las mejores prcticas agrcolas juega un papel preponderante paralos agricultores de diversas partes del mundo, quienes se han desplazado hacia la produccin bajoinvernaderos, ya que los rendimientos alcanzados superan por mucho los niveles a cielo abierto.

Adems del incremento en la produccin, existen otras ventajas que los invernaderos imprimen a loscultivos de hortalizas, flores y ornamentales, entre las cuales se encuentran: [4]

Cultivo fuera de poca y obtencin de mayor precocidad.Realizacin de cultivos en zonas climticas adversas.Disminucin de los ciclos vegetativos.Mejoramiento de calidad.Mayor control de plagas y enfermedades.Ahorro en agua de riego.Disminucin de riesgos ambientales catastrficos.

Asimismo, el crecimiento en el uso de invernaderos ha sido impulsado por los cambios climticos queen los ltimos aos con mayor frecuencia han puesto en riesgo la agricultura, debido principalmente alincremento de la temperatura por la concentracin de gases en la atmsfera, que a su vez ha alteradola cantidad y temporada de lluvias.

El hecho de que existan cada vez niveles de temperatura ms altos, an cuando estos perodos seancortos (varias horas), pueden afectar severamente a los cultivos puesto que retardan su desarrollomorfolgico, inducen esterilidad en los plantos, reducen el desarrollo de los frutos o provocan su cadaprematuramente. Tambin temperaturas elevadas pueden afectar la incidencia y el tipo de poblacionesde pesticidas en una regin determinada.


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En algunos estados como California, los agricultores han disminuido los efectos de estos cambiosclimticos mejorando la diversidad y fortaleza gentica de las especies, as como el monitoreo, controly la recoleccin de las variables climticas. [5] y [6]

Por otro lado, el desarrollo tecnolgico de la agricultura en invernaderos se ha dirigido haciatecnologas de punta de mayor capital. Esto es altamente productivo y apropiado para laautomatizacin. Por ejemplo, la continua investigacin y desarrollo ha dirigido los sistemas deproduccin agrcolas hacia sistemas que utilicen eficazmente la energa que permitan la produccin de

nuevos cultivos a travs de ambientes controlados y sistemas mecanizados donde adems se generaun ambiente ms apropiado para el control de enfermedades y plagas.

Estos resultados podran incluir la conservacin del agua y energa o a la produccin de alimentos enambientes adversos. Por estas razones que en el Medio Este el gobierno ha apoyado extensamenteproyectos tecnolgicos que impulsan el mejoramiento de la produccin y reduzcan el consumo derecursos en invernaderos. Otro efecto social deseable es la provisin de empleos para segmentos de lapoblacin en pobreza. [7]

Aunque el uso de invernaderos en Mxico se remonta varias dcadas, podra establecerse su origen en

la dcada de los ochentas, cuando se dio un crecimiento importante en la floricultura del pas,promoviendo el crecimiento de invernaderos de diferentes tipos y tecnologas. La tecnologa estababasada principalmente en el control de riegos y no el ambiental.

A partir de 1985, se llevaron a cabo los primeros proyectos comerciales de produccin de vegetales enSinaloa donde se usaron estructuras simples de malla sombra y plstico para la produccin de pepinoeuropeo, tomate y pimiento. Sin embargo, fue hasta principios de los aos noventa cuando se llevarona cabo varios proyectos de produccin bajo condiciones ms controladas en diferentes partes de laRepblica Mexicana.

Para 1999, existan 640 hectreas de sembrados bajo invernaderos en los 15 estados con mayorproduccin, sin embargo, con un ritmo de crecimiento anual de alrededor del 40%, para el ao 2005 seregistr un rea total aproximada de 3000 hectreas (has). Tal informacin se muestra en la Tabla 1.1.

[3] y [8]Actualmente, en Mxico se espera que en los prximos aos los invernaderos tengan un ritmo decrecimiento muy acelerado, de entre 20 y 25 por ciento anual, por lo que se pronostica que pasarn delas 4,000 has estimadas en 2007 a unas 6,500 has para 2010. [9]

Este desarrollo en el sector hortcola se ha basado en su carcter intensivo1, en el aumento de losrendimientos y en la tecnologa aplicada. As, se ha desarrollado una gran diversidad de los sistemasde produccin de las diferentes hortalizas, que van desde sistemas de poca inversin bajo temporalhasta sistemas de explotacin en invernaderos con los ltimos adelantos en tecnologa.

Como consecuencia, en las ltimas dcadas se han creado decenas de empresas productoras dehortalizas bajo invernaderos. Muchas de estas empresas estn afiliadas a la Asociacin Mexicana de

Productores de Hortalizas bajo Invernadero (AMPHI) y varias de ellas han hecho grandes inversionespara contar con alta tecnologa, lo que las ha ayudado a crecer a una tasa elevada. Lgicamente, estecrecimiento ha requerido de nuevas tecnologas, de tcnicos y especialistas capacitados.

No obstante, existen pocas empresas mexicanas dedicadas al diseo e instalacin de invernaderossegn los datos de la Asociacin Mexicana de Constructores de Invernaderos (AMCI) slo existen 15empresas enfocadas a la venta de invernaderos.

1 La agricultura intensiva consiste en obtener la mayor cantidad de productos en el menor espacio posible, mediante el tratamiento del suelo y prcticasespeciales de cultivo.


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para contar con una alta fuerza estructural y una buena conservacin de energa, el diseo debera serbajo, sin embargo para un control de clima adecuado el volumen debe de ser alto. [11] y [12]

El diseo del invernadero debe de resolver estas contradicciones de diseo y para ello es importanteconsiderar que no existe una solucin nica. ste depende de las condiciones climticas, tcnicas,culturales, legales y econmicas de la localizacin. Sin embargo, es recomendable poner mayoratencin a las necesidades del cultivo y a las condiciones climticas, por lo que se recomienda tomarmediciones climticas antes de hacer un diseo. [10]

La mayora de las plantas que se siembran en invernaderos son especies clidas, para las que, engeneral, pueden establecerse los siguientes requisitos: [11]

La temperatura mnima a la que debe estar un invernadero es 0 C. Los riesgos de tenertemperaturas por debajo de este valor pueden evitarse si la temperatura en el da estsobre los 7 C.Las plantas en cultivos protegidos se adaptan a temperaturas de entre 17 y 27 C.Considerando el calentamiento por la radiacin solar, se debe definir un rango en latemperatura externa entre 12 y 22 C si el invernadero no ser enfriado o calentado.

La temperatura mxima para las plantas no debe ser mayor a 40 CSe recomienda un mnimo de 500 horas de sol durante los tres meses de invierno. Lo quecorresponde a una insolacin diaria de 2,300 Wm-2d-1, el lmite mnimo para unaproduccin efectiva es 1,000 Wm-2d-1.La temperatura mnima del suelo es 15 C.La temperatura nocturna para plantas clidas como el tomate, pimiento, calabaza y melndebe de estar en promedio entre 15 y 18.5 C.La humedad relativa debe de estar entre 70 y 90%.La variacin media de la temperatura, la precipitacin y radiacin deben de considerarsepara el diseo del invernadero.

En general, a lo largo de la historia los tipos de invernaderos se han desarrollado para 4 climas: climastemplados, climas subtropicales y tierras altas, climas tropicales y climas secos y ridos. De tal forma,para saber si un invernadero es factible para una regin deben de compararse las condicionesclimticas con los requisitos del cultivo. [1]

En el caso del Estado de Quertaro, gran parte del territorio tiene un clima semirido, donde lasprincipales caractersticas del clima son: las temperaturas durante el da son muy altas, existen fuertesvientos, la humedad externa es baja y las noches son fras frecuentemente. Por esto, los invernaderosen estas zona deben de contar con una ventilacin efectiva, un diseo a prueba del viento, sistema deenfriamiento y buena hermeticidad para evitar fugas de calor en las noches. [13]

Como se ha explicado, la forma de la estructura del invernadero influye en la temperatura, humedad,transmisin de luz y movimiento de aire dentro de l. De acuerdo a las condiciones climticas mscomunes, comercialmente se pueden encontrar diversos diseos de estructuras pre-armadas para lafabricacin de invernaderos. Las formas ms frecuentemente utilizadas se encuentran en la Figura 1.1.


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Figura 1.1. Formas de los invernaderos a) techo de dos aguas, b) techo diente de sierra, c) tnel tipo semiarco, d) arcoredondo con pared vertical (quonset), e) arco con punta con paredes inclinadas y f) arco con punta con paredes verticales

Las cargas ejercidas por el viento, la fuerza de los componentes estructurales y la eficiencia de laventilacin natural dependen de la altura del invernadero. Para esta ltima variable, si existen ventanasen el techo y en las paredes, entre ms alto sea y mayor sea la distancia entre un punto con lasparedes y/o el techo, mayor ser la diferencia de presiones. De acuerdo a las investigaciones de Bot[14] en 1983, entre mayor sea la diferencia e presiones, mayor ser la eficiencia de ventilacin. [11]

Por otra parte, la transmisin de luz es otro factor importante para definir el diseo del invernadero. Laradiacin solar que incide en el invernadero es reducida y slo un porcentaje entra en l debido a la

absorcin y reflexin del material de la cubierta, a la sombra provista por los componentes de laestructura, al polvo que se acumula en la cubierta y a la condensacin que ocurre en las paredes ytecho.

Adicionalmente la transmisin de luz es afectada por la posicin del invernadero. Esto fue estudiadopor Nisen en 1969, quien realiz varios estudios con invernaderos orientados al este-oeste y al norte-sur para determinar el porcentaje de transmisin. En este estudio, y en otros que se realizaronposteriormente, se concluy que los invernaderos orientados al este tienen una transmisin de luz msalta durante el invierno y ms baja en el verano, comparados con los invernaderos orientados al norte.Este resultado se muestra en la Figura 1.2 donde se presenta el porcentaje de transmisin de luz parainvernaderos con 4 ngulos de inclinacin distintos y un invernadero tipo Quonset divididos segn suorientacin (al este y al norte) y la estacin del ao (invierno y verano). [11]

Figura 1.2. Porcentaje de transmisin de luz para diferentes invernaderos [11]

Las cubiertas de los invernaderos deben proveer una transmisin de luz adecuada, ser econmicas,resistentes, ligeras y durables. As, se han desarrollado varios materiales que satisfacen estas


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necesidades. A continuacin se presentan las principales ventajas y desventajas de los materialescomnmente utilizados para las cubiertas en invernaderos. [5], [15] y [16]

El vidrio ofrece la mejor transmisin de luz, una buena resistencia a las condicionesclimticas. Sin embargo los componentes estructurales que se requieren para sostenerloson costosos.El acrlico tiene alta transmisin y es altamente resistente a la radiacin UV, es resistente alas condiciones climticas y su fabricacin es sencilla. No obstante se raya fcilmente, se

expande mucho por la temperatura, es costoso e inflamable.El policarbonato es resistente al alto impacto y puede soportar un amplio rango detemperatura. Pero es poco resistente a las condiciones climticas y a la radiacin UV,adems de que se expande y se raya fcilmenteEl fluoruro de ponivinil tiene las ventajas de contar una alta transmisin, resistencia a laradiacin UV y al alto impacto. Sin embargo, su costo es alto y se rompe fcilmente si tienealgn orificio.El polietileno es el material ms barato, es fcil de fabricar e instalar, resistente al altoimpacto y dispersa la radiacin. Pese a ello, su vida es corta y tiene una baja resistencia ala transferencia de calor.La fibra de plstico reforzada tiene un bajo costo, es fabricada e instalada fcilmente, tienebuena resistencia al impacto y dispersa la radiacin. Sin embargo, se degrada con laradiacin UV, se torna amarilla y es inflamable.El polister tiene una alta transmisin, alta resistencia a las condiciones climticas y a laradiacin UV. No obstante, tiene poca resistencia al alto impacto, sus hojas son muyangostas y se degrada con la radiacin UV.La fibra de vidrio es rgida, extremadamente durable y no requiere un soporte tan fuertecomo el vidrio porque es ms ligero. Pero es muy susceptible a quebrarse por la radiacinultravioleta.

En la Tabla 1.2, se resumen las caractersticas ms relevantes de los materiales usados en lascubiertas.

templado 3, 4 90-92


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El microclima del invernadero (ambiente que rodea a la planta) influye fuertemente en su desarrollo yaque afecta directamente su estructura y su respuesta a varios aspectos a su alrededor. Para susupervivencia, la planta puede soportar un amplio margen de condiciones ambientales, sin embargo, en

el ecosistema de un invernadero se maneja un margen ambiental ms reducido con el propsito deproveer a la planta de las condiciones ms apropiadas para su crecimiento. [11]

Anteriormente, slo la temperatura del aire y del suelo eran considerados para estudiar la interaccinentre la planta y el ambiente. Sin embargo, en aos recientes se ha considerado la temperatura de lashojas y de la raz. Adems, se ha comprobado extensivamente que la radiacin influye directamente enel desarrollo de la planta. En consecuencia, deben de analizarse las fuentes de radiacin, el contenidode energa, la calidad espectral, la radiacin activa fotosintticamente (PAR) y las caractersticas de losalrededores.

En adicin, el aire que rodea a la planta proporciona a la planta los componentes para realizar mltiplesprocesos qumicos ligados a su crecimiento como es el bixido de carbono, oxgeno, nitrgeno, vaporde agua y otros gases que afectan el metabolismo de la planta mientras que la composicin fsica,

qumica y microbacterial del suelo definen la naturaleza del medio que proveer los nutrientes a laplanta. [12]

En conclusin, para fines prcticos, el microclima en un invernadero puede explicarse en trminos decuatro factores: radiacin, composicin del aire, temperatura y el medio de la raz o medio radicular.Estos factores sern analizados a lo largo de este captulo.

La radiacin electromagntica es una forma de energa integrada por campos elctricos oscilatorios ycampos magnticos que se propagan a altas velocidades. Toda la materia puede emitir y absorberradiacin electromagntica y estos cambios estn asociados con los cambios en el estado de energa

de sus molculas y tomos. En general, entre ms caliente es un cuerpo emite mayor radiacin y lafrecuencia de las ondas de emisin son ms altas mientras que la cantidad absoluta de energaemitida depende de la absorbancia y emisividad del cuerpo. Tericamente, todas las superficies emitenradiacin proporcional a la temperatura elevada a la cuarta potencia. [5], tal expresin est dada por:

[ ]4273+= TR es , (2.1)donde R es la emisividad radiante de la fuente en Wm -2e es la constante de emisividad en el rango de0 a 1 s es la constante de Stefan-Boltzmann y es igual a 5.673x10 -8 Wm-2K-1 y T es la temperaturade la superficie en C.

Esta expresin puede ser utilizada como punto de partida para calcular la radiacin recibida por elinvernadero, sin embargo se requieren hacer algunas consideraciones que involucran la posicin del

invernadero con respecto al meridiano, el ngulo del techo, material de la cubierta y otros factores.

La radiacin electromagntica se puede analizar de dos formas: como una onda o como un flujo departculas. Como una onda, se deben entender un par de conceptos como son la longitud de onda y lafrecuencia, ya que estos tienen relacin directa con la cantidad de energa.

La frecuencia (n) se define como el nmero de ondas que pueden pasar por un punto en el espacio porun intervalo de tiempo determinado, su medicin est dado en ciclos por segundo o Hertz. En cuanto


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que la longitud de onda (l) es la distancia que existe entre las dos crestas de una onda y en el caso dela luz se mide en nanmetros. De tal forma, la relacin entre estos trminos est dada por:

lvc= , (2.2)

donde c es la velocidad de la luz en el vaco 2.998x10 8 ms-1, n es la frecuencia o el nmero de ondaspor segundo (Hz) y l es la longitud de onda en m.

Relacionando los conceptos anteriores a las plantas, se ha encontrado que el rango de longitudes deonda que es de utilidad para la fotosntesis est entre los 400 y 750 nm y coincidentemente es casi elmismo rango de longitud de onda que el humano puede ver.

En el caso del sol, de gran importancia para las plantas, ste se comporta como un cuerpo negro2 auna temperatura aproximada de 6,000C. Su espectro de radiacin se muestra en la Figura 2.1 tieneun pico de energa a 500nm (en el centro del espectro de luz visible para el ser humano). Como seobserva, este espectro es modificado a travs del paso de la radiacin en la atmsfera de tal formaque la cantidad de radiacin ultravioleta por debajo de longitudes de onda de 300nm es reducida aniveles insignificantes y se forman varios huecos en el espectro infrarrojo debido a la absorcin demolculas de agua. [11] y [17]

Figura 2.1. Espectro de radiacin solar sobre la atmsfera y en la superficie de la Tierra. [11]

Continuando con la descripcin de la radiacin solar, sta es dividida en tres componentes principales:1) la luz visible, con longitudes de onda entre los 400 y 800 nanmetros 2) la luz ultravioleta, conlongitudes de onda menores a 400 nanmetros y 3) la radiacin infrarroja, con longitudes de ondamayores a los 800 nanmetros. Nuevamente, haciendo referencia a la Figura 2.1, puede apreciarseque la porcin visible comprende casi la mitad de la radiacin total recibida por la superficie de la

Tierra.En el caso de la luz ultravioleta, aunque constituye slo una parte muy pequea de la radiacin total, esde gran importancia ya que es responsable de la produccin de vitamina D y, en un cierto rango, esnecesaria para la formacin de pigmentos en algunas flores. Finalmente, la radiacin infrarrojarepresenta poco menos de la mitad de la radiacin recibida en la superficie terrestre y es el mayorcomponente en la generacin de calor. [18]

2 Un cuerpo negro es un cuerpo que absorbe completamente la radiacin que incide en l y puede emitir de forma ideal la radiacin a una temperaturadefinida


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En un invernadero, esta divisin del espectro de la radiacin solar es primordial para la seleccin demateriales de cubierta de acuerdo a las caractersticas del cultivo y a las condiciones ambientales. Porejemplo, si el clima donde se colocar el invernadero es fro se buscar una cubierta que provea deuna buena transmisin en el rango de la radiacin infrarroja.

Por otra parte, es importante distinguir entre algunos trminos y mediciones relacionadas con laradiacin. La energa radiante (E) es medida en Joules, mientras que el paso de energa o flujo, esmedido en Js-1 o Watts ambos trminos son aplicables en todo el espectro electromagntico. Encambio, el trmino luz o i luminacin slo es aplicable en el rango visible. [5]

La medida estndar que cuantifica la energa disponible para la fotosntesis es la Radiacin ActivaFotosinttica o PAR, por sus siglas en ingls. A diferencia de los lmenes que toman en cuenta larespuesta del ojo humano, PAR es una medida sin ponderacin que toma en cuenta de la misma formatoda la energa de una fuente de luz que se emite en el rango de 400 a 700 nm. Adems, PAR esexpresada en fotones por segundo, y su relacin con la energa por segundo (potencia) es encontradacon la curva espectral de la fuente de luz. Sus unidades son manejadas en micromoles por metro

cuadrado por segundo (mmol m-2 s-1) o en microeinsteins.La razn de expresar PAR en nmero de fotones en vez de unidades de energa es que la fotosntesisse efecta cuando un fotn es absorbido por la planta y no importa la longitud de onda del fotnmientras est en el rango de 400 a 700nm. Por ejemplo, si una cantidad de fotones amarillos esabsorbida por la planta, la cantidad de reacciones fotosintticas que se realizan en la planta es lamisma que se efectuara si se absorbe la misma cantidad de fotones rojos. [19]

Por otra parte, la sensitividad del ojo humano es medida en lmenes 3 (lm) y vara con la longitud deonda (Figura V). Por ejemplo un flujo radiante de 1 Watt a una longitud de onda de 555nm correspondea una luminosidad de 680lm. Sin embargo, a 600nm 1 Watt genera una luminosidad de 422lm y a400nm es casi 0. Por lo que los lmenes representan un nmero especfico de Watts solamente en unalongitud de onda especfica

Otros conceptos importantes relacionados con la radiacin son los de intensidad radiante e irradiacin.Dichos conceptos pueden ser explicados a partir del planteamiento de una fuente puntual que emiteenerga, la energa se expande en el espacio y su intensidad radiante en cualquier punto es expresadaen quantos por metro cuadrado, Watts por stradianes (W sr-1) o lmenes por stradin (lm sr-1) donde elrea de un stradian es determinada a partir de la distancia de la fuente. Si se asume que la fuente esten el centro de una esfera, cualquier esfera que la rode contiene 4p stradianes, y como el rea de lasuperficie es igual a 4p x r2, la energa por stradian se expandir en ms rea entre ms alejado seest del centro. Por ejemplo, si se tiene una fuente uniforme de 100W a una distancia de 1cm, laintensidad radiante ser de 100W/4p sr = 7.96 W sr-1 = 7.96 W cm-2 mientras que a una distancia de10cm, la intensidad seguir siendo 7.96 W sr-1, pero su irradiacin por cm 2 ser de 0.0796W porqueexisten 100cm2 en cada stradian.

Finalmente, la emisividad radiante desde una fuente (R) est expresada en Watts por metro cuadrado(Wm-2). Similarmente, la densidad de irradiacin para una superficie que recibe esta energa (Q) estdada en Wm-2. Mientras que la emisividad luminosa o iluminancia, las unidades son lmenes por metrocuadrado (lm m-2), o luxes (lx). Para manejar la irradiacin, muchas de las fuentes artificiales estncatalogadas por su eficiencia luminosa evaluada en los lmenes que produce por Watt consumido (lmW-1). [5] y [17]

3 Los lmenes son las unidades del Sistema Internacional para medir el flujo luminoso o luminosidad, la cantidad de luz que emite una fuente porsegundo


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En las plantas, la energa solar til comprende una pequea parte de su espectro y se encuentra muycercano al rango de la luz visible por el ser humano tal como se muestra en la Figura V. Con estaenerga, el bixido de carbono y el agua entran en el proceso de la fotosntesis para la formacin decarbohidratos y oxgeno. Este proceso es ejemplificado por la siguiente ecuacin:

CO2+ agua + energa luminosacarbohidratos + oxgeno (2.3)

En este proceso, una cantidad de energa considerable se requiere para reducir el carbono que seencuentra en el CO2 y formar los carbohidratos. Adems, se requiere energa para desplazar loscarbohidratos desde los tallos verdes y las hojas donde ocurre la fotosntesis a otras partes de la plantapara ser convertidos en otros compuestos que necesita la planta para su crecimiento. Gran parte deesta energa es provista por el sol.

Posteriormente la energa es liberada para ser usada en otros procesos de la planta como la absorcinde nutrientes, formacin de protenas, divisin de clulas, mantenimiento de membranas, etc. Engeneral, esta energa es liberada en la respiracin o proceso inverso a la fotosntesis.

carbohidratos + oxgenoCO2 + agua + energa (2.4)

De acuerdo a estas reacciones, se puede entender porqu la duracin del da (fotoperiodo) y lacantidad de energa PAR que recibe la planta influyen directamente en la formacin de bulbos,crecimiento de flores y frutos, tamao de las hojas, etc. [20]

Nuevamente, haciendo referencia a la Figura 2.2, la longitud de onda predominante en el fotoperiodose encuentra dentro del rango de la luz visible y de la radiacin infrarroja.

Figura 2.2. Respuesta Espectral de los procesos de la planta con la sensitividad del ojo humano [12]

Como puede suponerse, la intensidad de la radiacin solar es un buen parmetro para determinar laactividad fotosinttica de la planta. Generalmente vara entre 0 al amanecer y 100,000 150,000 luxes(lumen/m2) al medio da. Para los procesos fotosintticos de una planta, la intensidad de luz debe deestar entre los 3,200 y 129,000 luxes- idealmente debe ser igual a 32,000 luxes. [1]

En un invernadero, la mayor contribucin de vapor de agua es hecha por la transpiracin de las hojas,aunque tambin contribuye la evaporacin del suelo y la condensacin que se produce en lassuperficies ms fras como las paredes y el techo del invernadero. Como resultado, la prdida neta deagua en el invernadero depende de la razn de intercambio de aire entre el exterior y el interior por lo


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que no siempre en el invernadero hay ms evaporacin que en el exterior. Para entender por qu sedeben de definir los conceptos de humedad relativa, humedad absoluta y presin de vapor.

El primer trmino que debe entenderse es el de contenido de vapor de agua, el cual puede expresarse

como una relacin entre la masa y el volumen o como una presin de vapor (e) dado que el agua secomporta como un gas ideal. Estos trminos son equivalentes a la humedad absoluta del aire. Mientrasque la presin de vapor de saturacin (es) es la presin de vapor a la que el aire se saturara bajo latemperatura actual.

En cuanto que la humedad relativa es la razn que hay entre la presin de vapor actual y la presin devapor de saturacin a la temperatura actual. Por lo tanto, la humedad relativa es expresada como unporcentaje y se encuentra en funcin de la temperatura:

100*s

e

eHR= (2.5)

Otro concepto primordial es el de temperatura o punto de roci que se refiere a la temperatura sobre

los 0C, a la cual el vapor de agua se condensa. Mientras que el punto de escarcha es la temperaturapor debajo de 0C, a la cual el vapor se cristaliza en hielo. Ambos puntos (de roco y escarcha) sonrelevantes en un invernadero debido a que debe evitarse la condensacin del vapor de agua a bajastemperaturas.

Asimismo, se define el concepto de dficit de presin de vapor o dficit de saturacin como ladiferencia entre la presin de vapor actual y la presin de vapor de saturacin. Esta diferencia indica lafuerza de difusin del vapor de agua desde una fuente que est en equilibrio con agua lquida a latemperatura del aire.

Por otra parte, el cambio de fase de lquido a gas depende del calor latente de evaporacin por lo quese requiere mucha energa para hacer esta transferencia. Cuando el calor es absorbido, el cambio totaldel contenido de energa en el aire, o entalpa, puede expresarse como un aumento sensible en el calor

latente. [11]

La presin de vapor de saturacin aumenta rpidamente con el aumento de la temperatura debido aque la energa trmica de las molculas de agua en la fase lquida se aproxima a la energa requeridapara romper las uniones con molculas adyacentes y escapar del agua. Dicha relacin se observa en laFigura 2.3. As, una humedad relativa representa una mayor presin de vapor de saturacin a mayorestemperaturas e involucra mayor potencial para tasas de evaporacin mayores. Lo que explica porquelas tasas de evaporacin en un invernadero pueden parecerse a tasas de evaporacin al aire libre. Sinembargo, tambin hay mayores temperaturas.

Figura 2.3. Relacin entre la presin de vapor saturada y la temperatura [21]


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En lo que respecta a las plantas, cuando el agua se encuentra libre en las hojas sus espacios internosestn saturados (100% Humedad Relativa). En ese caso la presin de vapor puede determinarse con laecuacin 2.6, mientras que la variacin de presin con la temperatura puede encontrarse con otrasecuaciones incluidas ampliamente en la literatura.

+

-=273

5144317.25exp)(

T

TP (2.6)

A partir de esta informacin es posible entender porqu cuando la presin de vapor afuera de la hojapermanece constante, una disminucin en la temperatura de la hoja disminuir la presin de vaporinterna y la prdida del agua se reducir por este principio, es que una hoja puede seguir perdiendoagua a pesar de que exista una humedad relativa del 100%. Si el aire y la hoja tienen una HR del 100%y la temperatura de la hoja es mayor a la temperatura del aire, la presin de vapor se incrementar enla hoja y el agua saldr de la misma.

El nivel de humedad en el ambiente que rodea la planta es primordial porque influye en su crecimiento,

composicin y estructura. Es influenciado por diversos parmetros externos, por lo que, a diferencia dela temperatura, mantener un nivel de humedad relativa ptimo (entre 70% y 80%) en un invernadero esms complicado. Afortunadamente, existen algunos principios que pueden utilizarse para sumanipulacin:

En un invernadero, de acuerdo con Seemann (1957) la humedad absoluta est ligada a latemperatura del suelo y se incrementa cuando el suelo se calienta y como resultadoaumenta la evaporacin. Cuando esto sucede su nivel puede ser disminuido con laventilacin y en consecuencia se logra un equilibrio entre el vapor de agua en elinvernadero y la humedad absoluta en la atmsfera.En climas secos, como en una amplia zona del estado de Quertaro, la humedad relativageneralmente es baja fuera y dentro del invernadero, mientras que las temperaturas son

altas. Bajo estas condiciones es posible humedecer el ambiente para disminuir latemperatura, obteniendo as el doble beneficio de disminuir la temperatura y aumentar lahumedad para alcanzar valores ptimos.

Por otro lado, la humedad es afectada ampliamente por el proceso de transpiracin que efectan lasplantas, donde pierden vapor de agua a travs de los numerosos poros (estomas) que poseen lashojas. A su vez, la transpiracin es influenciada en su mayora por la radiacin solar y por el dficit depresin de vapor. Esta perdida es mayor cuando la temperatura aumenta ya que el aire caliente y secoacumula ms humedad que el aire fro, evaporando el agua de las superficies vegetales. [12]

Las plantas producidas en un invernadero estn formadas principalmente de agua, aproximadamentepor el 90% del 10% restante, entre el 40 y 50% es carbono, obtenido en su mayora del CO 2 delambiente a travs del proceso de fotosntesis. Una forma reducida de esta reaccin es la ecuacin 2.7,donde se observa que las molculas de CO2 y el agua se combinan en presencia de luz para formarcarbohidratos y oxgeno. [1]

2612622 666 OOHCOHCOluz ++ (2.7)

Con estos datos es posible entender por qu la tasa a la cual una planta toma el CO2 del ambiente esun buen indicador de la tasa a la que se efecta la fotosntesis.


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En lo que respecta a la cantidad de bixido de carbono que necesita una planta para su crecimiento,en general, una concentracin de 300ppm es suficiente. Sin embargo, en un invernadero laconcentracin de CO2 puede alcanzar niveles de hasta 1000ppm, porque el CO2 generado por lasplantas es atrapado durante la noche llegando a su mxima concentracin poco antes del amanecer.Despus se tiene una disminucin hasta el medio da, cuando se llega a niveles por debajo de las300ppm. Como resultado, si el invernadero no recibe CO2 adicional, se tiene un dficit, lo cual es

llamado tambin punto de compensacin. Este comportamiento tpico se muestra en la Figura 2.4. [5] y[12]

Figura 2.4. Concentracin tpica de CO2en un invernadero [12]

El CO2 es un gas sin color, ni olor y no es inflamable a temperatura ambiente. Adems de lafotosntesis en las plantas, el CO2 se produce por diversos procesos: por combustin u oxidacin demateriales que contienen carbono, como el carbn, la madera, el aceite o algunos alimentos, por lafermentacin de azcares, y por la descomposicin de los carbonatos bajo la accin del calor o loscidos. En el ambiente, se encuentra en muy bajas concentraciones y puede expresarse de diversasformas:

Concentracin en masa (wc): masa del CO2 entre la masa del aire ms la masa del CO2Concentracin en volumen (Yc): volumen del CO2 entre el volumen del aire ms el volumendel CO2.Concentracin en volumen en ppm (Yppm): Numeros de partes de CO2 en el aireConcentracin en masa-volumen(rc): masa del CO2 entre el volumen del aire ms elvolumen del CO2. [1]

La concentracin de CO2 en un invernadero depende del intercambio de aire con el exterior, laconcentracin de CO2 en el exterior, la respiracin de las plantas y la tasa en la que se efecta lafotosntesis. [20]

Mientras que la concentracin de CO2 que requiere una planta depende de los siguientes factores:

tipo de planta,estado de desarrollo de la planta,temperatura,disponibilidad de luz,rea de la hoja,

velocidad del aire,humedad,disponibilidad de agua,resistencia de la difusin del CO2 atravs de los estomas.


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La concentracin de CO2 tiene fuertes efectos en el crecimiento de la planta. Sin embargo, es difcildeterminar la cantidad ptima de CO2 que requiere. Afortunadamente, algunos investigadores hanhecho algunos intentos por determinar la concentracin de CO2 que debe de proporcionarse a laplanta. Por ejemplo, en 1956 Wassink encontr una relacin entre la intensidad de luz y el consumo deCO2. De la misma forma, en 1975 Aikin y Hanan encontraron una relacin entre la intensidad deradiacin, la presin matricial de agua y el consumo de CO2. [11]

Estos ltimos investigadores junto con Thompson, descubrieron que a niveles normales de CO 2 (aprox.350ppm), la tasa fotosinttica ms alta de muchas especies se lleva a cabo a intensidades de luz dealrededor de 21,530 luxes. Mientras que conforme la concentracin de CO2 aumenta, la tasafotosinttica tambin aumenta sin embargo, tambin debe de incrementarse la intensidad de luz.

De manera similar, la velocidad del viento influye en la resistencia a la difusin del CO 2. En 1959,Gastra hizo varias investigaciones con distintas especies y descubri que las plantas aumentan suconsumo de agua conforme aumenta la velocidad del aire (Tabla 2.1). [12]

Velocidad del aire (cm/s) 10 16 42 100 1000

Fotosntesis (mm3/cm2/h) 79 88 101 109 118

Tabla 2.1. Influencia de la velocidad del aire en la tasa fotosinttica de las hojas [12]

Finalmente, con la informacin presentada hasta ahora se puede concluir que es posible incrementar lafotosntesis en las plantas si se aumenta la concentracin de CO2, junto con la intensidad de luz y laprovisin de agua. Sin embargo, hay lmites. Un estudio realizado en mayo del 2007 por Shoerdersugiere que concentraciones muy altas de CO2 (alrededor de 2000ppm) son destructivas para lasplantas debido a que provocan el cierre parcial de los estomas y muestran una disminucin en elconsumo de calcio.[22]

La reduccin de la influencia del viento en un invernadero es una de las principales diferencias que sepresenta con respecto a las condiciones externas. En una zona a cielo abierto la velocidad del vientopueden alcanzar en valores promedio de 4ms-1, mientras que en un invernadero el promediogeneralmente es menor a 1ms-1. El que se tenga esta proteccin en el invernadero es importanteporque la razn de crecimiento de las hojas es reducida si son expuestas a velocidades mayores a0.5ms-1.

No obstante, el movimiento del aire es necesario para facilitar el intercambio de energa, vapor de aguay bixido de carbono entre las plantas y el ambiente. En un invernadero, para que se desarrolle esteintercambio eficientemente generalmente es necesario ventilar sin embargo, siempre hay unintercambio porque un invernadero no se encuentra estacionario debido a que existen diferencias en latemperatura, el cual crea movimiento de aire por conveccin. Adems un invernadero aunque estcompletamente hermtico siempre contiene fugas por donde existe el i ntercambio de aire. [11]

Como se muestra en la Figura 2.5, la velocidad del aire afecta la temperatura de la planta. La mayoradel calor es transferido entre la planta y la atmsfera dependiendo de qu elemento tenga la mayortemperatura. En el caso de que se mantenga una intensidad de radiacin solar constante, conformeaumenta la velocidad del aire la diferencia entre la temperatura del aire y de la planta ser disminuida.[1]


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Figura 2.5. Efecto de la velocidad del aire a distintas intensidades de radiacin solar sobre la diferencia de temperaturaentre la planta y el aire [1]

La temperatura es definida como una propiedad que determina de forma relativa qu tan caliente o froest un cuerpo as como la direccin y la razn de intercambio de calor entre los cuerpos. Mientras queel calor es un tipo de energa que indica el estado de agitacin de un cuerpo y es transferido/absorbidopor otro cuerpo a travs de sus fronteras como consecuencia y en proporcin a la diferencia detemperatura. Con estas definiciones, se puede entender la razn por la que se requiere distintacantidad de calor (energa) para elevar en 1C 1 cm3 de agua que para elevar en 1C 1 cm3 de aire. Alfinal, no se tendr la misma cantidad de calor en ambos componentes a pesar de que encuentren a lamisma temperatura. [11]

La temperatura se expresa generalmente en una escala arbitraria como son los grados Centgrados,grados Fahrenheit (F) o Kelvin (K). Mientras que el calor se expresa en Caloras (Cal), UnidadesTrmicas Britnicas (BTU) o en Joules (J).

En un invernadero, la temperatura a la cual puede crecer una planta depende de varios factores como:

Tipo de especie.Concentracin de bixido de carbonoEtapa de crecimiento, edad y estructura de la planta.Historia de la plantaDisponibilidad de energa radiante (luz) que depende del acomodo de las plantas,densidad, estructura del invernadero, cubierta y condiciones ambientales del l igar.Disponibilidad de agua.Nutricin, fertilizacin y calidad del agua. [12]

La temperatura de un objeto es consecuencia de sus ganancias y prdidas de energa. Si la gananciasson mayores a las prdidas, la temperatura se elevar y viceversa. Cuando la temperatura permanececonstante existe un balance entre las prdidas y ganancias, lo que significa que el objeto est enequilibrio trmico con su medio. Esto es definido por la Primera Ley de la Termodinmica, donde seestablece que para un sistema que no efecta un trabajo cualquier aumento de energa es igual a lasuma del flujo de energa que entra y sale del sistema. Este balance de energas puede ser expresadopor la siguiente ecuacin:

JECMR ++=+ l , (2.8)


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donde R es la ganancia de energa de la radiacin M es la ganancia de transformaciones qumicas ybioqumicas C la prdida de calor al ambiente por conduccin y conveccin lE la prdida de calorlatente4 por evaporacin menos cualquier ganancia por condensacin y J es la razn de incrementodel calor almacenado.

Con la excepcin de la radiacin solar, los flujos de energa creados por procesos de transferencia de

calor individuales pueden formularse en trminos de diferencias de temperatura. De tal forma que si seconocen las temperaturas de todos los objetos que interactan con un objeto, es posible determinar latemperatura del objeto al resolver la ecuacin de balance de energa.

El flujo de energa en un invernadero se muestra en la Figura 2.6, donde se representan los modos detransferencia de energa ms relevantes. De estos modos, en el da, la radiacin solar es la forma msgrande de entrada de calor. Una gran parte es absorbida por las plantas, otra parte por el suelo y unapequea parte por la cubierta del invernadero. Asimismo, existe transferencia de energa porconveccin al ambiente y por radiacin al techo y al suelo aunque parte de la energa es removida portranspiracin. Cuando esto sucede, se pierde cierta cantidad de agua por transpiracin y porevaporacin que finalmente se condensa en el techo o puede ser eliminada por ventilacin.

Figura 2.6. Modos de transferencia de energa en un invernadero [20]

De tal forma, para calcular la temperatura de la planta, al menos es necesario calcular la temperaturadel aire, del suelo y del techo. Para tal fin, pueden utilizarse varias ecuaciones de balance de energapara los componentes del invernadero que generalmente incluyen: el aire, plantas, suelo y techo delinvernadero. [11]

En la literatura pueden encontrarse ecuaciones propuestas por diversos autores para determinar deflujo de energa en un invernadero, como la que propuso Hanan en 1997:

Rdir+ Rdif Rref Rlw Hs Hw P + M S = 0 [W m-2] Ecuacin 2.9

, donde Rdir es la radiacin solar directa Rdif la radiacin solar difusa Rref la radiacin de onda cortareflejada Rlw el intercambio de radiacin trmica de onda larga entre el cielo y la planta y de losalrededores Hs el intercambio de calor sensible entre la planta y el aire Hw el intercambio de calorlatente debido a la transpiracin P la energa usada en la fotosntesis M la energa liberada por larespiracin y S la energa almacenada en la planta.

4 El calor latente se refiere a la energa que necesita absorber 1Kg de una sustancia para pasar de un estado a otro


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Rdir y Rdif incluyen la radiacin reflejada por las nubes, el suelo y los objetos cercanos. En tanto que laradiacin reflejada por las plantas depende de la cubierta del invernadero y de la radiacin total ypuede considerarse como constante entre 20 y 30%. Mientras que con los valores de R ref y Rlw seobtiene la radiacin neta disponible en la planta, de la cual, generalmente slo el 50% es usado para lafotosntesis, adems de que su medicin tiene un margen de error amplio de al menos 5%.

La energa almacenada en la planta (S), comnmente es despreciada en mediciones a largo plazo(ms de un da) pero para anlisis de plazos cortos debe de tomarse en cuenta. El resto de lostrminos de la ecuacin puede ser obtenido a partir de otras ecuaciones donde se consideran algunasconstantes y mediciones de temperatura. [5]

La temperatura de la planta le proporciona las condiciones para sus procesos fisiolgicos como lafotosntesis, reproduccin, respiracin, transpiracin, pigmentacin, formacin y otros. Esto ha sidocomprobado desde 1937 por Stalfelt quien encontr una relacin aproximada entre la temperatura y latasa de respiracin comparada con la fotosntesis. Dicha relacin es mostrada en la Figura 2.7a, dondese observa cmo la respiracin y fotosntesis se duplicarn cada 10C, sobre un rango limitado de

temperatura. Pero, no hay que olvidar que la fotosntesis tambin depende del CO2 disponible.Asimismo, la temperatura afecta la transpiracin, ya que al aumentar la temperatura de las hojas seincrementa su presin de vapor y si se mantiene constante la presin de vapor en el exterior seaumentar la razn de la transpiracin. En cambio, si el suelo est fro, el agua, los iones y elcrecimiento de la raz sern reducidos.

Asimismo, la temperatura determina la elongacin de las plantas. En 1956 Went determin la relacinentre la temperatura a la que la planta es expuesta en las noches y la elongacin de distintas partes dela planta como se observa en la Figura 2.7b [12]

a) b)

Figura 2.7. a) Efectos de la temperatura en la respiracin y b) Efectos de la temperatura nocturna en la elongacin de

algunas partes de la planta

El rango de temperatura para la produccin en un invernadero es pequeo para la mayora de lasespecies est entre los 10 y 30C. Generalmente, estos valores se han obtenido empricamente comolos que se muestran en la tabla 1.3. Sin embargo, estos valores slo deben ser tomados comoreferencia y pueden variar al considerar los siguientes puntos:


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Las temperaturas ptimas generalmente decrecen con la edad, considerando temperaturasms altas en la germinacin y etapas iniciales de crecimiento.Las temperaturas ptimas varan dependiendo de la cantidad de radiacin solar disponible.Las temperaturas ptimas varan dependiendo de la concentracin de CO2.La estacin del ao y localizacin afectan las temperaturas ptimas.La mayora de las especies requieren fluctuaciones de temperatura en la noche mientras

que otras (algunas especies tropicales) tienen un mejor crecimiento en temperaturasconstantes en el da y la noche.Las temperaturas ptimas varan con los objetivos de crecimiento. [5] y [12]

Lechuga 16-18-21 12-10-13 En el otoo, 21C en das claros, reduciendo a18C y despus a 16C

10-16 7 Para el invierno, formacin del corazn16-21 13 Para la primavera, planta joven

Tomate 21-22 23-24 14-16 16.17 Usar los valores mximos para los das claros.Valores menores para das nublados

29 - Germinacin

- 16 Temperatura hasta el transplantadoMaz 35 35 Temperatura de germinacin

Calabaza 35 35 Cebolla 24 24 Pimiento 29 29

Tabla 1.3. Temperaturas ptimas en invernadero para algunas especies

Adems de los factores climticos descritos, el medio radicular juega un papel primordial en el cultivobajo invernaderos. Es conocido tambin como medio de cultivo y tiene varias funciones como ser undepsito de los nutrientes de la planta, sostener el agua para que est disponible para la planta al

mismo tiempo que proporciona un medio para el intercambio de gases entre las races y la atmsferaadems de que debe proveer soporte para la planta. [12]

Las caractersticas del medio de cultivo dependen de varios factores como son el tipo de materialvegetal que es sembrado en l (semillas, plantas, estacas, etc.), especie, condiciones climticas,sistemas y programas de riego y fertilizacin, aspectos econmicos, etc.

Para obtener buenos resultados durante la germinacin, el crecimiento de las races y de las plantas,se requieren las siguientes caractersticas del medio de cultivo:

Alta capacidad de retencin deagua.Suficiente suministro de aire.Baja densidad.

Elevada porosidad.Estructura estable, que impida lacontraccin o expansin.Suficiente nivel de nutrientesasimilables.Baja salinidad.

Balance en el nivel de pH.Baja velocidad de descomposicin.Libre de patgenos.Reproductividad y disponibilidad.

Bajo costo.Fcil de mezclar.Fcil de desinfectar y estabilidadfrente a la desinfeccin.Resistencia a cambios externosfsicos, qumicos y ambientales.

Finalmente, el trmino sustrato es manejado ampliamente como el medio de cultivo en losinvernaderos. ste puede definirse como todo material slido distinto del suelo (natural, de sntesis o


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residual, mineral u orgnico) que permite el anclaje del sistema radicular de la planta. El sustrato puedeintervenir o no en el complejo proceso de la nutricin mineral de la planta. De tal forma, existendiversos tipos de sustratos naturales como el agua, grava, arena, tierra volcnica, turba, fibra de coco,corteza de pino y de sustratos artificiales como la lana de roca, perlita, vermiculita, arcilla y poliestirenoexpandido. [10]


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Un sistema automtico est constituido por mquinas que son capaces de efectuar actividades con elmnimo de supervisin humana. Para lograr

Los Invernaderos en México

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