Universidad Tecnológica de Panamá

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Licenciatura en Sistemas Eléctricos y 

Automatización

Proyecto eléctrico y Automatización

Diseño De Un Prototipo De Riego Hidropónico

 Automatizado  Implementando Energía Renovable y

 Tecnología De Bajo Costo.

Integrantes:

   

                     Gabriel Pérez       2-739-1283 gabrielsp507@gmail.com

                     Juan Fernández    2-723-1334 juanfra507@gmail.com

                     Luis Gonzáles      2-739-415 kuis.08@gmail.com

                     Jesús Peñaloza     2-738-405

Grupo:

6SE231

Resumen:

Este proyecto tiene como finalidad llevar un método diferente de cultivo a pequeña escala usando tecnología de bajo costo y utilizando como fuente principal la energía solar, un tipo de fuente renovable.

Se trata de un sistema de cultivo llamado hidroponía que se basa en el cultivo de plantas sin utilizar la tierra sino un concentrado de nutrientes, utilizando una técnica llamada NFT en el que todos los nutrientes van en una delgada capa de líquido que corre lentamente en un canal o tubo con cierta inclinación para llevar el nutriente a las plantas.

la idea de construirlo con materiales de bajo coste es que sea accesible a quien desee realizar este tipo de proyecto con fines de cultivo en casas o en escuelas u otro tipo de proyecto a mediana escala.

Palabras clave:

hidroponía, energía renovable, efecto fotoeléctrico, técnica NFT, sistema dc.

Abstract:

This project aims to bring a different method of small-scale cultivation using low-cost technology and using solar energy as a main source, a type of renewable source.

It is a cultivation system called hydroponics that is based on the cultivation of plants without using the soil but a concentrate of nutrients, using a technique called NFT in which all the nutrients go in a thin layer of liquid that runs slowly in a canal or tube with a certain inclination to bring the nutrient to the plants.

The idea of building it with low-cost materials is to make it accessible to those who wish to carry out this type of project for the purpose of cultivation in homes or schools or another type of medium-scale project.

Keywords:
hydroponics, renewable energy, photoelectric effect, NFT technique, dc system.

Objetivo General 
La utilización de un método diferente de siembra automatizado que utilice la energía solar como fuente renovable y la implementación de una tecnología de bajo costo, el cual busca validar con datos recolectados su utilización


Objetivos específicos:

1. Diseñar un sistema hidropónico NFT.
2. dimensionar un sistema fotovoltáico.
3. Automatizar el sistema de riego con implementación de tecnología de bajo costo.

Introducción:

Las tecnologías modernas se abren paso en el mundo en todos los aspectos de la vida del hombre. El sector agrícola no es la excepción, nuevas formas de cultivo mucho más eficientes han nacido como lo son los sistemas NFT (Nutrient Film Technique que, traducido al español significa "la técnica de la película de nutriente", es el sistema hidropónico recirculante más popular para la producción de cultivos en el mundo). Dichos sistemas son muy útiles y eficientes para la producción de ciertos rubros en hogares. 

   Un sistema NFT utilizado en lugares de difícil acceso representa una ventaja para las personas que allí viven, más sin embargo en las áreas más alejadas dichas tecnologías de producción agrícola no se pueden utilizar ya que necesitan energía eléctrica. 

Problemática:

Uno de los problemas sociales en nuestro país es la falta de energía en áreas de difícil acceso, pues según unas 100 mil familias en Panamá no cuentan con este servicio básico. En la actualidad existen diversas formas de producción de energía renovable, tal es el caso de la energía solar fotovoltaica. La energía solar es convertida a energía eléctrica, mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica. Gracias a este tipo de tecnología, se puede obtener energía eléctrica en áreas geográficas remotas, con el fin de implementar diversos proyectos.

Componentes para su funcionamiento:

1. Componentes eléctricos:

Placa arduino uno

Sensor Ultrasónico HC-SR04

Transistores BJT 2N2222 y TIP122 y MOSFET NEC K703 (IRF 520).

Calendario RTC DS3231

Protoboard

Resistencias

diodos rectificadores

diodos led

sensor de temperatura y humedad DHT22

controlador de carga de 10 amperios

batería de gel de 75 Ah

panel solar de 100 W

cables de conexión

electroválvula

bombillo 12V 10W

bomba de agua 12V 60W

2. Componentes estructurales:

tubos PVC de 4"

tapones de tubos pvc de 4" 

conectores PVC de 1/2"

tubos eléctricos de 1/2"

dos tanques de almacenamiento de líquido de 10 galones c/u

uniones T de de PVC 1/2"

codos PVC de 90" de 1/2"

bases de madera de 3*4"

barras huecas de metal cuadrada de 1/4"

tubo métalico acero inoxidable de 2"

manguera plástica transparente de 3/8"

maya de saran

3. Herramientas

segueta

sierra

radial o cortadora flexible

taladro

goma de PVC

varillas de soldadura E6011

silicona

maquina de soldadura eléctrica

Conceptos del proyecto:

La hidroponía es un conjunto de técnicas que sustituye al suelo también es denominada agricultura sin suelo. La hidroponía te permite diseñar estructuras simples y/o complejas favoreciendo las condiciones ambientales idóneas para producir cualquier planta de tipo herbáceo aprovechando en su totalidad cualquier área (azoteas jardines, suelos infértiles, terrenos escabrosos, etc) sin importar las dimensiones como el estado físico de estas.

Un sistema solar funciona a partir del efecto fotoeléctrico que no es mas que  la expulsión o emisión de electrones de los átomos de un metal cuando sobre el metal incide una luz, liberándolos de la atracción de su átomo, se utiliza en los paneles solares.

El sistema de NFT (Nutrient Film Technique) que, traducido al español significa "la técnica de la película de nutriente", es el sistema hidropónico recirculante más popular para la producción de cultivos en el mundo.

Arduino es una plataforma electrónica de código abierto basada en hardware y software fáciles de usar. Las placas Arduino pueden leer entradas (luz en un sensor, un dedo en un botón o un mensaje de Twitter) y convertirla en una salida: activar un motor, encender un LED y publicar algo en línea. Puede decirle a su tarjeta qué debe hacer enviando un conjunto de instrucciones al microcontrolador en la tarjeta. Para hacerlo, utiliza el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring ) y el software Arduino (IDE) , basado en el procesamiento.

metodología:

Para realizar el diseño del sistema fotovoltaico se usó como referencia las siguientes fórmulas:

Estas fórmulas permiten conocer la cantidad y capacidad de los dispositivos atendiendo al consumo de cada componente y su duración en el día.

En base al consumo diario se realizó la siguiente tabla en donde se muestra el consumo de la carga y el tiempo estimado de uso:

Equipo	Cantidad	Potencia	Sub-total	Uso/día	Wh/Día
Bomba	1	60 W	60 W	3 h	180
Lámpara	1	10 W	10 W	3 h	30

La potencia se calculó en base al consumo de la carga por día. Máxima demanda de carga instalada 200Wh. Sub-total (Wh Día)                Wh Día

15%  de perdida  85.5 Wh

Consumo Diario  655.5 Wh

Luego de obtenida la carga total, se procede a calcular la capacidad de los componentes eléctricos fundamentales. los cálculos dieron como resultado los siguientes componentes:

•       Una celda fotovoltaica: están formados por un conjunto de células fotovoltaicas que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos mediante el efecto fotoeléctrico.

 Especificaciones utilizadas:

Modelo CNCC100W, Potencia máxima de 100 W, Voltaje máximo de 18 v y Corriente Máxima de 5.95 A 

• Batería de Gel: Dispositivo formado por varias celdas capaces de almacenar energía eléctrica para su uso posterior.

Especificaciones: 12 V DC, Modelo YUMAZA, 75 Ah

• Bomba de agua DC: es aquella que se implementara para el llenado del tanque. 

Especificaciones: 12V DC, 60 watts.

• Controlador de Carga: limita la velocidad a la que la corriente eléctrica se suma o se extrae de las baterías eléctricas.

Especificaciones: 12 V DC, 10 A

• Bombillo florecente: es de descarga de vapor de mercurio a baja presión y se utiliza normalmente para la iluminación doméstica o industrial. Al ser eficiente ayuda a evitar desgaste de energía en el sistema.

 Especificaciones: 12 V DC, tipo eficiente. 

la capacidad de recolección de energía se tomó del mes con menos radiación solar.

Funcionamiento:

Diseño hidropónico:

El diseño Hidropónico funciona de la siguiente manera: una fuente de agua que se impulsa por fuerza de gravedad, capaz de recorrer a través de los canales y llegar al tanque de reserva, donde la bomba será la encargada de mandarlo nuevamente al punto de inicio.

En este recorrido se notara la inclinación leve que debe darse al sistema para mantener un buen flujo constante para que las plantas sean capaces de absorber los nutrientes necesarios para su crecimiento. La inclinación dada es  aproximadamente de 5°. 

Para implementar este proyecto, se decidió crear un sistema donde este fuera capaz de adaptarse rápidamente a cualquiera modificación que se daban en transcurso de la instalación. Teniendo en cuenta esto se usó lo siguiente:

         La base hidropónica: fue hecha de madera por la razón de su dureza y capacidad de soportar el peso. También se usó un estilo de refuerzo entres las tablas, buscando una buena firmeza se usaron tornillos para mayor agarre entre ellas. Las medidas son: alto 105 cm, acho 82 cm y largo 105 cm.

         Base del panel solar: tiene una altura aproximándote de 3.40 m, esta es para poder absorber bien la radiación. Se usó un tubo de metal galvanizado de 2”, donde se le coloco la estructura que fija el panel con el poste, la cual posee una inclinación de 10°.

         Canales de PVC: es donde fluirá los nutrientes para las plantas. Para ello se usaron un tubo de 4” de PVC a los cuales se le abrieron agujeros de aproximadamente  de 1³/₄” donde se colocaran las plantas. Estos estarán conectados al tanque que distribuye el líquido como al de reserva.

         Tanques de reserva: Se utilizaron dos tanques, de suministro y de recolección, ambos de 50 litro. El de suministro, ubicado a una altura de 1.6 metros, se utiliza para abastecerá los canales de la solución de nutrientes. El tanque de recolección, ubicado a nivel de suelo, es utilizado para recoger la solución de nutrientes que proviene de los canales, para nuevamente ser utilizada en el riego.

         Tuberías: se usaron para conectar los tanques y canales donde pasara el flujo de la sustancia. El tamaño usado es de ½".

         Bomba de agua DC: Esta consta con entrada y salida más pequeña por lo tanto se tuvo que utilizar una manguera del tamaño adecuado.

Diseño Eléctrico de automatización:

El diseño de automatización se basa en el funcionamiento programado con el microcontrolador Arduino utilizando como apoyo el calendario RTC, el sensor ultrasónico HC-SR04, sensor de temperatura DHT22.

El calendario RTC se programa para que cuente el día, la hora, los minutos y segundos con muchísima precisión lo que permite ajustar encendidos y apagados en  lapsos de tiempo exactos.

Todo el sistema funciona de la siguiente manera: cuando el calendario llega a la hora indicada en el programa manda una señal en forma de pulso a encender la electroválvula para que permita el paso del fluido que se encuentra en el tanque de reserva. El tiempo de encendido de la electroválvula dependerá del tiempo en que las plantas necesiten del liquido, en este caso será un riego de 2 horas en la mañana y  de  2 horas en la tarde.

Debido a que durante el día, en especial en las horas con más radiación solar las plantas pueden sufrir debido a que el liquido donde están tiende a calentarse, la función del DHT22 es de mantener el riego constante para refrescar las raíces de las plantas.

La función del sensor ultrasónico es la de monitorear el nivel del tanque superior para evitar que se vacíe, el al detectar un  nivel bajo de agua manda una señal alta (Vcc) en ese caso un número con el que la bomba se encenderá, al detectar que el nivel de agua es el correcto manda al microcontrolador una señal baja (Ground) la cual apagará la bomba.

Código de funcionamiento:

El funcionamiento se basó en el siguiente código:

Pruebas y Resultados: 

Después de la construcción del prototipo se observó lo siguiente:

El calendario a la hora a la que se le había asignado para realizar el encendido de la electroválvula la ejecutó en el momento programado.

La electroválvula permitía libremente el paso de líquido.

Los circuitos de potencia realizados con transistores BJT y MOSFET cumplieron las espectativas.

El sensor ultrasónico no permitió que el tanque de la parte superior se vaciara.

La bomba de agua encendía en el momento que el microcontrolador le mandaba el pulso.

figura 1: la bomba instalada en su sitio para elevar el líquido.

Figura 2: se observa el centro de control donde está la fuente de poder (batería), el controlador de carga, el microcontrolador Arduino y el circuito de fuerza activador.

figura 3: se puede observar el panel solar de 100W al lado del tanque se reserva.

figura 4: en la parte superior está colocado el sensor ultrasónico que monitorea el nivel del agua. 

figura 5: monitor serial en una pc donde se pueden observar las variables medidas, en ese caso temperarura, humedad y distancia vacía del tanque.

Conclusiones:

el sistema Hidropónico NFT respaldado por un sistema solar que utiliza la energia solar puede ser utilizado como alternativa de cultivo sin suelo y sin suministro electrico de la red.

Suele tomarse como una alternativa ya que se utiliza energá limpia y renovable, contribuyente a la conservación del medio ambiente.

El diseño propuesto por su construcción puede ser apto para modificaciones y fururas ampliaciones ya que su diseño en V soporta más plantas.

Debido a la utilización de arduino como software y hardware de control, abarata los costos en cuanto a la automatización y adquisición de sensores y componentes.

El tiempo de construcción del proyecto es de aproximadamente unas 4 semanas y la creación del software de 3 semanas,  todas ellas en tiempo acumulable.

La radiación en Coclé fue en su gran mayoría constante, que permitía recargar la batería del sistema al 100%.

 Video youtube: 
enlace:  https://youtu.be/htT9vW1U8RI

Referencias:

Título: Sensor de nivel de agua con Arduino

Autor: Luis del Valle Hernández

https://programarfacil.com/blog/arduino-blog/sensor-de-nivel-de-agua-con-arduino/

Título: RELOJ Y CALENDARIO EN ARDUINO CON LOS RTC DS1307 Y DS3231

Autor: Luis Llamas

https://www.luisllamas.es/reloj-y-calendario-en-arduino-con-los-rtc-ds1307-y-ds3231/

MEDIR TEMPERATURA Y HUMEDAD CON ARDUINO Y SENSOR DHT11-DHT22

Autor: Luis Llamas

https://www.luisllamas.es/arduino-dht11-dht22/

Guía ¿Qué es un sistema nft?

hidro environment Derechos Reservados © 2018 HYDROENVIRONMENT

email: ventas@h-e.mx

https://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=page&id=101

Guía: ¿Qué es la hidroponía?

hidro environment Derechos Reservados © 2018 HYDROENVIRONMENT

email: ventas@h-e.mx

https://www.hydroenv.com.mx/catalogo/index.php?main_page=page&id=27&chapter

Arduino.cc

Guía introducción al aruino ¿Qué es Arduino?

https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction

URRUTIA, C. V. (2017). Plan Energético Nacional 2015-2050. Secretaría Nacional de Energía. Disponible en http://www.energia.gob.pa/plan-energetico-nacional/

MOGOLLÓN, L. (Presentación en clase del tema: Dimensionamiento de un sistema fotovoltaico, noviembre 2014). Maestría en Energía Renovable, Universidad Tecnológica de Panamá.