ES2504818B2 - Sistema de cultivo urbano. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema de cultivo urbano para terrazas de edificios que incorpora unos medios de absorción del CO{sub,2}. Incluye también una plataforma de iluminación formada por una pluralidad de O-LEDs de al menos dos tipos diferentes, cada tipo con una frecuencia de emisión diferente, preferentemente en el rojo y en el azul. También puede incorporar un panel fotovoltaico. Un regulador de iluminación se encarga de variar la intensidad luminosa de la plataforma de iluminación a través de unos medios de procesamiento acoplados con una pluralidad de sensores, de forma que permiten controlar el regulador de iluminación en función de los valores medidos por los sensores y recibidos por dichos medios de procesamiento. Los sensores pueden medir la temperatura, la humedad relativa, el pH, la radiación solar, la cantidad de CO{sub,2}, el déficit de presión de vapor o la conductividad eléctrica.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de cultivo urbano.

Objeto de la invención 5

La presente invención se refiere a un sistema de cultivo de especies hortícolas y ornamentales en azoteas, con captura de CO2 e iluminación nocturna mediante O-LEDs (Organic – Light Emitting Diodes).

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Sector de la técnica

La invención se encuadra en aquellos sectores relacionados con la agricultura en particular con sistemas sostenibles para el cultivo urbano de plantas.

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Antecedentes de la invención

Entre los antecedentes se conocen dos experiencias:

La realización de terrazas ecológicas en la Comunidad de Madrid (Escuela Técnica 20 Superior de Ingenieros Agrónomos, Terminal T4 de Barajas-Madrid, son dos ejemplos).

La experiencia con la fertilización carbónica (CO2) realizada en invernaderos, con iluminación nocturna, mediante tecnología O-LED, realizada en Andalucía y en Canarias.

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Descripción de la invención

La presente invención mejora las limitaciones y propuestas del estado de la técnica. Para ello, propone el cultivo de especies hortícolas y ornamentales en azoteas o terrazas de edificios a través de un sistema de cultivo urbano que comprende unos medios de 30 absorción del CO2 que comprenden a su vez una envolvente plástica dispuesta en una superficie situada en la terraza de un edificio para confinar CO2. El sistema incluye también una plataforma de iluminación que comprende una pluralidad de O-LEDs de al menos dos tipos diferentes, cada tipo con una frecuencia de emisión diferente. Incluye un regulador de iluminación se encarga de variar la intensidad luminosa de la plataforma de 35 iluminación. Además, incluye unos medios de procesamiento acoplados con una pluralidad de sensores, dichos medios de procesamiento controlan el regulador de iluminación en función de los valores medidos por los sensores y recibidos por dichos medios de procesamiento.

40

Opcionalmente, el sistema de cultivo urbano comprende un filtro para modificar el espectro de la luz emitida por la plataforma de iluminación.

Opcionalmente, la plataforma de iluminación es móvil.

45

Opcionalmente, la plataforma de iluminación comprende una estructura deslizable sobre unos tubos.

Opcionalmente, la plataforma de iluminación emite luz en la dirección horizontal.

50

Opcionalmente, la plataforma de iluminación comprende un primer tipo de O-LEDs con una frecuencia en el rango de 440 nm a 480 nm y un segundo tipo de O-LEDs con una

frecuencia en el rango de 640 nm a 680 nm.

Opcionalmente, los medios de procesamiento comprenden un autómata programable.

Opcionalmente, los medios de absorción de CO2 comprenden unos materiales porosos 5 que comprenden zeolitas.

Opcionalmente, el sistema de cultivo urbano comprende al menos uno de los siguientes sensores:

- sensor de temperatura; 10

- sensor de humedad relativa;

- sensor de pH;

- sensor de radiación solar;

- sensor de CO2;

- sensor del déficit de presión de vapor; 15

- sensor de conductividad eléctrica.

Opcionalmente, el sistema de cultivo urbano comprende un aljibe con aliviadero.

Opcionalmente, el aljibe comprende además una bomba para la fertirrigación y una 20 cubierta transparente para confinar el aire enriquecido con CO2.

De acuerdo con lo anterior, es posible crear una envolvente plástica y transparente, en las azoteas de los grandes edificios con el fin de confinar el aporte de CO2, procedente durante los meses de invierno de las calderas de combustión del edificio y durante el 25 resto de los meses a partir de la absorción en medios porosos (zeolitas). Con ello se mitigan los efectos no deseables de la emisión de los denominados Gases de Efecto Invernadero (GEI) a la atmósfera. Los paneles solares están preparados para transformar la energía luminosa de la radiación solar en energía eléctrica continua (12 ó 24 V). Desde el punto de vista energético, el sistema es completamente autónomo. Una parte de la 30 energía eléctrica que se genera durante el período diurno será utilizada para la iluminación nocturna, mediante tecnología O-LED (Organic - Light Emitting Diodes).

Es ventajoso tener en cuenta la frecuencia de la radiación en la que absorben mayor energía las plantas y para ello, se utiliza un espectrorradiómetro. Una vez conocidas las 35 longitudes de onda de las dos radiaciones que absorben los pigmentos fotosintéticos: Una en el azul (440 – 480 nm) y otra en el rojo (640 – 680 nm), es posible desarrollar O-LEDs (Organic - Light Emitting Diodes) que sean capaces de generar las radiaciones y el espectro específico para cada cultivo.

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Otro aspecto a considerar es que el espectro cambia con el desarrollo del cultivo. Por lo tanto debe ser ajustado mediante cambios espectrales en los O-LEDs. Dichos cambios se generan mediante la aplicación de filtros.

La cantidad de la luz se aporta de acuerdo con unas tablas previamente elaboradas para 45 cada cultivo. La emisión de luz que emiten los O-LEDs se regula mediante unos dispositivos electrónicos denominados “dimmers”. La intensidad luminosa que requiere un cultivo depende de varios factores, tales como la temperatura, la humedad relativa del ambiente, la humedad del sustrato o de la radiación solar. Por ello es muy importante poder controlar estas variables y calcular a partir de ellas otras como el “Déficit de 50 Presión de Vapor” que se expresa en términos de unidades de presión (MPa). Mediante una serie de algoritmos, se pretende controlar la temperatura del ambiente donde crecen

las plantas por medio de sondas de temperatura (Pt-100) y la humedad relativa del aire mediante sistemas higrométricos (sistemas capacitivos). La radiación solar se mide mediante unas sondas de energía PAR (400 – 700 nm). En función de unos modelos que hemos desarrollado para cada cultivo, un autómata (PLC), controla mediante una serie de algoritmos las variables que dependen de la temperatura (T), de la humedad relativa 5 (HR), del déficit de presión de vapor (DPV) o de la radiación solar (RS). Por lo tanto, la cantidad de CO2 que se aporta al invernadero dependerá del estado de las variables anteriormente indicado.

Se propone una plataforma de O-LEDs para iluminar las plantas cuando llegue el período 10 nocturno. Ésta consiste en un panel rectangular, con una proporción variable de O-LEDs de color azul y rojo, en función de los diferentes cultivos. Las barras de O-LEDs son intercambiables y su composición puede ajustarse a las distintas necesidades de las especies cultivadas.

15

La plataforma de O-LEDs puede ser móvil y preferentemente deslizable sobre unos tubos de metal de diámetro variable, alrededor de 5-10 cm de diámetro. Estos tubos pueden ser los empleados para la calefacción del invernadero. La velocidad de desplazamiento depende de la especie cultivada y es regulable mediante un variador de frecuencia (0 – 50 Hz). 20

La otra ventaja que ofrece la pantalla de O-LEDs es que no tiene porqué ir colgada del techo de la estructura donde crecen las plantas. Las hojas superiores de una planta son las que menos pigmentos fotosintéticos presentan; por lo tanto, son las que están en peores condiciones para captar la radiación solar y además proyectan sombra sobre las 25 hojas que ocupan los pisos inferiores que, si están preparadas para capturar la energía procedente del sol o de las lámparas que se utilizan para iluminar. Por lo tanto, la plataforma propuesta tiene la posibilidad de emitir luz en el sentido horizontal, resultando mucho más eficiente que cualquier lámpara / luminaria que se cuelgue del techo de una instalación. 30

Un metro cuadrado (1 m2) de cubierta vegetal presenta las siguientes ventajas medioambientales:

- Reduce el gradiente térmico, tanto en invierno como en verano en 5 ºC;

- Captura del orden de 50 g de CO2 por día; 35

- Produce la cantidad de oxígeno (O2) que necesita una persona para respirar a lo largo de todo el año;

- Reduce la contaminación atmosférica en 130 g de partículas y

- Reduce la contaminación acústica en 10 dB.

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Con independencia de las ventajas medioambientales, también tiene otras ventajas económicas y sociales, como son: la producción de alimentos sanos / ecológicos y el empleo de personas que proceden del agro y que se encuentran despegadas de la actividad que siempre han realizado, cuando acuden a la ciudad.

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Los productos generados se pueden consumir por los habitantes del edificio o si se trata de grandes edificios (Hoteles, Centros Comerciales u Oficinas) pueden ser vendidos a mercados locales o ser comercializados por personal especializado ya sea sirviéndolo a domicilio, por correo o mediante otros procedimientos informáticos, tales como la venta por Internet. 50

Breve descripción de los dibujos

Para complementar la descripción y ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompañan unas figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente.

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Fig. 1. Alzado de una azotea con estructura de invernadero.

Fig. 2. Sección transversal del “Huerto Urbano”.

Fig. 3. Estructura del panel solar fotovoltaico de tipo plástico generador de corriente 10 continua.

Fig. 4. Esquema del equipo de control para ambiente.

Fig. 5. Esquema del autobús utilizado para la difusión del modelo de “Huerto Urbano”. 15

Fig. 6. Esquema de la plataforma de O-LEDs.

Fig. 7. Plataforma O-LEDs montada sobre un carro móvil.

20

Descripción detallada de la invención

Se describe con referencia a las figuras un modo de realización de la invención que no debe considerarse con carácter limitativo.

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En la Fig. 1 se muestran ventanas cenitales 11 para desalojar el aire caliente en verano; Paneles solares fotovoltaicos 12 (por ejemplo: 12 – 24 V) semitransparentes de policarbonato; canalón 13 para recogida de agua de lluvia; paramentos verticales 14 de policarbonato; azotea / terraza 15; ventanas 16 del edificio principal y planta superior 17 del edificio. 30

En la Fig. 2 se muestran especies cultivadas 21; polietileno flexible 22 de color negro para evitar el crecimiento de flora arvense (malas hierbas); sustrato 23 (material compostado); canto rodado 24 para soporte de la lámina de plástico; lámina impermeable deformable 25; forjado 26 y tubería enterrada 27 de fertirrigación. 35

El uso del CO2 necesario para la fertilización carbónica, procederá de las emisiones que liberan las calderas de calefacción doméstica, durante los meses de invierno y de la captura mediante materiales porosos (zeolitas) durante el resto del año.

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La energía necesaria para mover las pequeñas bombas de impulsión (0.5 CV) así como la necesaria para la iluminación nocturna de los cultivos se realizará a partir de la energía eléctrica generada mediante paneles solares fotovoltaicos 12 de tipo plástico, ubicados en la cubierta del invernadero. Desde el punto de vista energético, el sistema es completamente sostenible; incluso cabe la posibilidad de exportar una parte de la energía 45 generada a la red eléctrica.

El sistema se abastecerá mayoritariamente del agua de lluvia. Para ello, el piso de la azotea 15 se aislará con un material impermeable 25 de tipo plástico. Para recoger el agua de lluvia se dispondrá de un aljibe 18 a razón de 10 L por cada m2 de cubierta. El 50 aljibe 18 dispondrá de un aliviadero con el fin de eliminar el agua sobrante, en el caso de que se llene como consecuencia de lluvias torrenciales.

Para lograr una alta producción de especies hortícolas u ornamentales es necesario controlar los siguientes factores limitantes:

• Iluminación adecuada para las especies hortícolas u ornamentales, con el fin de que puedan realizar la fotosíntesis y que la energía de la radiación luminosa se transforme 5 en energía química para obtener electrones activados, entre otros productos.

• Suministro continuo de CO2 durante la fase de iluminación de las microalgas, necesario para aceptar los electrones activados y producir las moléculas iniciales del metabolismo fotosintético (azúcares).

• Eliminación del oxígeno formado en la fotosíntesis para no afectar por fotorrespiración 10 la capacidad fotosintética de las especies cultivadas.

• Temperatura adecuada para el tipo de especies que se quiera cultivar. Las especies se elegirán en función de la época del año, de acuerdo con un calendario de cultivo.

• Nutrientes en proporción y cantidad adecuada. Para ello se puede utilizar un compost procedente de los restos de poda y hojarasca. 15

• Características físico-químicas del medio de cultivo; principalmente: pH (6.5 – 7.0) y conductividad eléctrica (CE25, mS•cm-1) del medio de cultivo. La conductividad eléctrica del medio de cultivo se adaptará a las diferentes especies cultivadas 21. Para ello, se dispondrá de una Tabla con los valores habituales o más frecuentes para cada tipo de especie cultivada 21. 20

• Tratamientos fitosanitarios. Partiendo de la base de que se introduce un material sano, en un ambiente confinado, el uso de productos fitosanitarios quedará reducido al mínimo.

• Conducción del cultivo. Cada especie cultivada 21 tiene una forma natural de cultivarse. 25

Por lo tanto, el cultivo se adecuará a las características propias de cada especie. Para ello, el equipo encargado del mantenimiento de los cultivos dispondrá de un “Manual de Buenas Prácticas de Cultivo” en el que se indicarán las formas de conducir cada especie, ya sea hortícola u ornamental. A modo de ejemplo se describe seguidamente algunas operaciones que figurarían en el citado Manual: 30

- Preparación del lecho de siembra o plantación.

- Siembra o plantación.

- Aclareo y/o reposición de marra.

- Conducción del cultivo (tutores).

- Labores (binas). 35

- Control de la flora arvense (malas hierbas).

- Riegos.

- Programas de fertilización.

- Podas.

- Recolección. 40

• Finalmente, se indicarán las buenas prácticas que deben seguirse para una cosecha bien organizada y para la conservación de cada una de las especies cultivadas. Para cada una de ellas se indicará el período de recolección más conveniente y la forma de realizarla. Al mismo tiempo se indicará la temperatura y la humedad relativa más conveniente para prolongar al máximo el tiempo o la vida útil del cada producto. 5

Con referencia a la Fig. 2, se muestra una sección transversal de un ejemplo de sistema urbano.

• Una lámina impermeable 25, que aísla la cubierta y la protege de las filtraciones.

• Un sustrato 23, que en esta realización se propone que sea un material compostado, 10 procedente de los restos de podas y hojarasca recogida en las grandes urbes por los sistemas de recogida de residuos sólidos urbanos (RSU).

• Una tubería 27 o cinta de riego embutida en el sustrato 23, susceptible de trabajar a muy baja presión (0.5 kg•cm-2), con goteros incorporados.

• Una capa de plástico biodegradable, susceptible de permanecer sin descomponerse 15 durante todo el ciclo de cultivo de las especies cultivadas.

• Una especie cultivada 21, dispuesta sobre caballones, a razón de las densidades de plantas que sean más habituales para el cultivo de cada especie.

• En función de las especies se requerirá tutores o no. Por ejemplo, si tratamos de cultivar tomare de crecimiento indeterminado o judía de enrame, se tendrá que utilizar 20 tutores verticales. Este tipo de tutores pueden ser simples cuerdas que cuelgan de la estructura que soporta el invernadero.

• El invernadero, formado en los paramentos verticales 14 por placas de polietileno o policarbonato rígido y en la cubierta por láminas curvas de paneles solares fotovoltaicos 12 como se ilustran en la Fig. 3. Estos paneles 12 generan corriente 25 eléctrica continua a 12 ó 24 V.

• Para mover la disolución nutritiva recirculante se requieren bombas de muy poca potencia (0.5 CV), debido a la baja presión (0.5 kg•cm-2) que requiere el sistema de fertirrigación para poder trabajar correctamente.

• La altura del invernadero no debe ser inferior al paso de una persona completamente 30 erguida. Por lo tanto, de 2.5 m a 4 m de altura. Cuanto más alto sea el invernadero, tanto mayor será el volumen de aire que aloja.

• La cubierta del invernadero estará dotada de ventanas cenitales 11 con el fin de desalojar de forma eficaz el aire caliente que se puede acumular. Teniendo en cuenta que el aire caliente tiene menor densidad que el aire frío y húmedo, las ventanas 35 cenitales 11 son las que mejores condiciones ofrecen para ventilar el invernadero. Cuando estén las ventanas abiertas, las aportaciones de CO2 deberán estar cerradas.

• Los paneles de Light Emitting Diodes (LEDs) son pantallas que incorporan lámparas de luces de color azul (440 - 480 nm) y de color rojo (440 - 480 nm), en una proporción que puede llegar a ser variable según los cultivos. En términos generales 40 se recomienda para cultivos hortícolas y ornamentales una relación de 3 lámparas de luz roja por 1 lámpara de luz azul.

• La energía producida durante el período diurno es necesario acumularla en baterías para poderla utilizar durante el período nocturno. Si bien una parte de la energía

producida puede ser exportada a la red eléctrica del propio edificio o a la red eléctrica local.

• El control del número de horas de iluminación nocturna se realiza mediante una célula solar, tarada para que arranque el sistema cuando la radiación solar está por debajo de 80 W•m-2. Esta regulación se lleva a cabo mediante un pequeño autómata (PLC) 5 de la empresa SIEMENS (modelo Logo) o similar. Por la mañana, el mismo equipo para la iluminación, cuando la radiación solar supera los 100 W•m-2.

• El control del pH y de la conductividad eléctrica de la disolución nutritiva se realiza mediante un pH-metro y un conductivímetro instalados on line en el cabezal de fertirrigación, a la salida de la mezcla de los fertilizantes. 10

• El control de las aportaciones de CO2 están controladas por el autómata (Fig. 4), en el sentido de que únicamente se aporta CO2 si hay iluminación suficiente para realizar la fotosíntesis. La irradiancia media para un cultivo suele estar comprendida entre 100 y 600 moles•m-2•s-1 que para un determinado tipo de lámpara (400 W) equivale a 22 y 135 W•m-2, respectivamente. 15

Fig. 3. Estructura del panel solar fotovoltaico 12 de tipo plástico generador de corriente continua (12 – 24 V). Se adaptarán las dimensiones a y b en función de la estructura de cada cubierta.

En la Fig. 4 se puede ver un cuadro de control en un armario 41 con protección (IP) para 20 intemperie, donde se aloja un autómata 42 (PLC) y una serie de módulos. Se distinguen un módulo para control de Radiación Solar 43, un módulo para control de CO2 44, un módulo para control de pH 45, un módulo para control de fertirrigación conductividad eléctrica 46 y control para otros módulos adicionales 47.

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En la Fig. 5 se muestra un ejemplo de autobús con la planta superior acondicionada para la difusión del modelo de “Huerto Urbano” con paneles solares 12, un aljibe 18 y especies cultivadas 21.

En la Fig. 6 se ve un esquema de la plataforma 20 de O-LEDs formado por una pluralidad 30 de O-LEDs de diferentes frecuencias. La proporción de O-LEDs puede ser variable pero se recomienda preferentemente por cada tres barras O-LEDs de color rojo instalar un O-LED de color azul. Las necesidades de iluminación se pueden ajustar con un espectrorradiómetro.

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En la Fig. 7 se ilustra la plataforma 20 de O-LEDs montada sobre un carro móvil 19. La velocidad de avance del carro se regula con un variador de frecuencia. Las necesidades de iluminación se ajustan con un autómata 42 (PLC) y se regulan mediante “dimmers”.

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Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

   1. Sistema de cultivo urbano caracterizado por que comprende:

   - unos medios de absorción del CO2 que comprenden una envolvente plástica dispuesta en una superficie situada en la terraza (15) de un edificio para confinar CO2, 5

   - una plataforma (20) de iluminación que comprende una pluralidad de O-LEDs de al menos dos tipos diferentes, cada tipo con una frecuencia de emisión diferente,

   - un regulador de iluminación configurado para variar la intensidad luminosa de la plataforma (20) de iluminación,

   - unos medios de procesamiento acoplados con una pluralidad de sensores, dichos 10 medios de procesamiento configurados para controlar el regulador de iluminación en función de los valores medidos por los sensores y recibidos por dichos medios de procesamiento.
2. 2. Sistema de cultivo urbano según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un filtro para modificar el espectro de la luz emitida por la plataforma (20) de iluminación. 15
3. 3. Sistema de cultivo urbano según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la plataforma (20) de iluminación es móvil.
4. 4. Sistema de cultivo urbano según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 20 caracterizado por que la plataforma de iluminación comprende una estructura deslizable sobre unos tubos.
5. 5. Sistema de cultivo urbano según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la plataforma (20) de iluminación emite luz en la dirección 25 horizontal.
6. 6. Sistema de cultivo urbano según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la plataforma (20) de iluminación comprende un primer tipo de O-LEDs con una frecuencia en el rango de 440 nm a 480 nm y un segundo tipo de O-LEDs 30 con una frecuencia en el rango de 640 nm a 680 nm.
7. 7. Sistema de cultivo urbano según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de procesamiento comprenden un autómata programable (42). 35
8. 8. Sistema de cultivo urbano según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios de absorción de CO2 comprenden unos materiales porosos que comprenden zeolitas.

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9. 9. Sistema de cultivo urbano según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende al menos uno de los siguientes sensores:

   - sensor de temperatura;

   - sensor de humedad relativa;

   - sensor de pH; 45

   - sensor de radiación solar;

   - sensor de CO2;

   - sensor del déficit de presión de vapor;

   - sensor de conductividad eléctrica.
10. 10. Sistema de cultivo urbano según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un aljibe (18) con aliviadero. 5
11. 11. Sistema de cultivo urbano según la reivindicación 10, caracterizado por que el aljibe (18) comprende además una bomba para la fertirrigación y una cubierta transparente para confinar el aire enriquecido con CO2.

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