En este artículo se demuestra que el uso de energía solar activa con paneles solares planos y con concentradores cilíndrico-parabólicos para tratamientos térmicos de patógenos en suelos de invernadero disminuye los inconvenientes de otros sistemas físicos (por ejemplo solarización) porque al aumentar la temperatura del suelo rebaja el tiempo invertido en el tratamiento. De este modo se evita dejar la parcela improductiva el año en que se realiza el tratamiento y se permite la elección de la fecha del mismo por parte del agricultor, pudiendo aplicar estas técnicas en meses no hábiles para la solarización, como Septiembre. Estos sistemas además ahorran energías convencionales y minimizan el impacto medioambiental producido por su utilización.
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
El cultivo intensivo realizado en invernaderos, genera problemas de aparición repetitiva de patógenos en el suelo que pueden hacer peligrar la viabilidad de la producción. Frente a este problema agronómico, los métodos químicos han sido, hasta ahora, los más usados para la desinfestación parcial o total del suelo (BELLO, 1988; JIMÉNEZ y LAMO, 1998). Los productos químicos tienen un alto espectro de actividad pero generan efectos secundarios agronómicos y medioambientales, como la emisión de contaminantes al medio.
Los métodos de control físico se han manifestado como una alternativa eficaz a los problemas producidos por el uso de tratamientos químicos. Los sistemas físicos se basan principalmente en el poder esterilizante del calor, y los más desarrollados son la solarización y el calentamiento solar activo.
La solarización consiste en extender sobre un terreno húmedo y sin cultivo una lámina de plástico transparente que, expuesta a la radiación solar, modifica el balance energético original del suelo y permite un aumento de la temperatura del mismo. En un suelo solarizado se puede llegar a obtener una temperatura entre 7 y 14oC por encima de la que se alcanzaría en un suelo no solarizado y hasta 16oC en el caso de realizarse en el interior de un invernadero (KATAN, 1981; CENIS, 1991; LAZAROVITS y col., 1991; FRÁPOLLI y col., 1994; STRECK y col., 1996; RAJ y BHARDWAJ, 2000). Manteniendo este régimen de radiación y de temperaturas durante un tiempo de 1 ó 2 meses se somete a los patógenos del suelo a temperaturas subletales y los resultados frente al control de los mismos son claramente satisfactorios en países con una climatología adecuada como los mediterráneos (MARTÍNEZ y col., 1986; GÓMEZ DE BARREDA y col., 1991; SORIANO y col., 1998). A pesar de sus ventajas, este método presenta algunos inconvenientes que se resumen en que el suelo debe estar libre de cultivo durante el tratamiento y que sólo se puede aplicar a zonas de elevada irradiación y durante una época del año.
El calentamiento solar activo es otro método físico que aprovecha la energía solar con sistemas de captación o concentración de la radiación.
En 1990, Armond y col. estudiaron la utilización de colectores solares planos en la desinfestación de suelos para semilleros y viveros en Brasil. Construyeron un colector y en su interior dispusieron el suelo a tratar. El colector (y por tanto el suelo) alcanzaba temperaturas de entre 60 y 70oC en días de plena radiación, por lo que al testarlo sobre tres patógenos (Sclerotium rolfsii, Cyperus rotundus y Verticillium sp.) bastaban dos días para que la viabilidad de los mismos se redujera al 0%. Posteriormente, los mismos autores (GHINI y col., 1992; GHINI, 1993), mejoraron el prototipo de colector y volvieron a testarlo sobre diversos patógenos, confirmando los resultados anteriores. El principal inconveniente se derivaba del escaso volumen de suelo que se podía tratar con este método.
Con estos antecedentes se planteó la aplicación de energía solar térmica activa de baja y media temperatura como sistema de tratamiento térmico de suelos de invernaderos a través de intercambiadores de calor situados en el terreno, con el objetivo de contribuir al desarrollo tecnológico de nuevos sistemas solares de control de patógenos que superaran las desventajas de los anteriores. Para ello se diseñaron y construyeron 4 paneles solares planos (baja temperatura) y 6 concentradores cilíndrico-parabólicos (media temperatura) sobre estructuras desplazables y se situaron anexos a un invernadero. Así mismo se desarrolló un método que permitiera conocer la duración del tratamiento según las temperaturas obtenidas y el comportamiento térmico del patógeno. Con estos datos se comprobó la posibilidad de realizar tratamientos térmicos en meses de menor irradiación, como septiembre.
Materiales y métodos
Este trabajo se realizó en un invernadero situado en la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Agrícola de Ciudad Real (España), perteneciente a la Universidad de Castilla-La Mancha.
Dicho invernadero contaba con un sistema de refrigeración mediante nebulización que evitaba que la temperatura del recinto superara los 38oC ± 0,5oC. El interior del invernadero estaba dividido en 16 bancales de los cuales se utilizaron seis.
Los bancales, inicialmente llenos de suelo natural, se vaciaron y se aislaron con una capa de poliuretano expandido sobre la que, en cuatro de ellos, se situaron unos intercambiadores de calor en forma de parrilla, realizados con tubos de cobre. Finalmente se extendió el suelo original, previamente mezclado, en los seis bancales (Figura 1).
En un perfil del invernadero se instaló un conjunto de cuatro paneles solares planos y otro de seis concentradores cilíndricoparabólicos montados, cada conjunto, sobre una estructura metálica desplazable orientada al Sur e inclinada 45oC. En el primer caso, dos de los colectores, unidos en serie, tenían una única cubierta transparente y los otros dos (también conectados en serie), presentaban una doble cubierta (Figura 2).
Los seis concentradores cilíndrico-parabólicos estaban conectados en serie tres a tres. Los tres primeros tenían el tubo absorbente aislado con vidrio pirex, mientras que en los tres últimos el tubo absorbente no se aisló, como puede observarse en la Figura 3. La estructura permitía el giro conjunto de los concentradores para su orientación solar diaria gracias a un dispositivo mecánico controlado por un sistema informático programado ad hoc y basado en la señal recibida por dos fotorresistencias asociadas formando un puente de Wheastone (PORRAS y col., 1989; BAQUERIZO y col., 2003).
Había cuatro subsistemas de distribución, uno por cada instalación. Cada uno estaba constituido por una bomba centrífuga de 45 W alimentada con energía solar fotovoltaica, tuberías, el intercambiador de calor mencionado anteriormente, colocado en el suelo del invernadero a 25 cm de profundidad, y un vaso de expansión abierto, situado en la parte más alta de la instalación.
El sistema de control de la temperatura era electrónico y permitía la puesta en marcha y parada de las bombas de circulación del agua de forma automática según la temperatura de un sensor instalado en los paneles planos o en los concentradores cilídrico-parabólicos. Se desarrolló además un sistema electrónico de control del riego que aseguraba que todos los bancales mantuvieran el suelo con la misma humedad (PORRAS y col., 2007).
Las instalaciones solares activas funcionaban siguiendo el esquema de la Figura 4: cuando el sistema de control se conectaba, la bomba se ponía en funcionamiento automáticamente impulsando el agua a través del panel solar plano o el concentrador cilíndrico?parabólico, donde el líquido se calentaba y pasaba con una temperatura elevada a través del intercambiador, lugar en el que se producía la transferencia de calor, aumentando la temperatura del sustrato. Ésta se registraba cada media hora, en cada uno de los bancales, a 5, 10 y 25 cm de profundidad gracias a un sistema informático de registro de temperaturas desarrollado al efecto. El agua de salida, con menor temperatura, llegaba hasta el vaso de expansión y de allí a la bomba a iniciar un nuevo recorrido. Este proceso se repetía hasta que el circuito de control electrónico desactivaba la bomba y se detenía la circulación.
Se realizaron ensayos con las instalaciones solares durante los veranos de 2004 y de 2005 con seis tratamientos: sin tratamiento solar (Testigo); suelo solarizado con polietileno transparente de 50 ?m (Solarización); suelo tratado con agua procedente de colectores solares planos con una cubierta a través de un intercambiador de calor enterrado (CS, Colector simple); suelo tratado con agua procedente de colectores solares planos con dos cubiertas a través de un intercambiador de calor enterrado (CD, Colector doble); suelo tratado con agua procedente de concentradores cilíndrico-parabólicos con el tubo absorbente sin aislar a través de un intercambiador de calor enterrado (CCPSA, Concentrador sin aislar) y suelo tratado con agua procedente de concentradores cilíndricoparabólicos con el tubo absorbente aislado a través de un intercambiador de calor enterrado (CCPA, Concentrador aislado).
Para cada año los ensayos comenzaron el 1 de julio y finalizaron el 30 de septiembre. El suelo del invernadero se mantuvo desnudo y con una humedad entre el 15% y el 16%.
Resultados y discusión
En primer lugar, se quería determinar la duración del tratamiento y para ello no sólo se debe conocer la temperatura que se alcanza en el suelo sino durante cuánto tiempo se mantiene. Para cada día, cada 30 minutos, se realizó la media de la temperatura a 5, 10 y 25 cm de profundidad. De este modo se calculó la temperatura del suelo a lo largo de un día para los distintos tratamientos. Posteriormente se determinó, para cada mes y cada año, el número de horas con temperaturas superiores a los 38, 40, 42, 44, 46 y 48oC en el suelo del invernadero según los distintos tratamientos térmicos. La media de los años 2004 y 2005 para los meses de julio, agosto y septiembre aparece en las Tablas 1, 2 y 3.
Con estos datos se puede calcular la duración del tratamiento siempre que se conozca el comportamiento térmico del patógeno, es decir, el número de horas en que debe exponerse a una determinada temperatura para eliminar el 90% de sus propágulos. Pullman y col. (1981) realizaron este estudio para cuatro patógenos y concluyeron que existía una relación lineal entre el logaritmo del tiempo requerido para eliminar el 90% de los propágulos y las temperaturas a que son sometidos. De dicha relación se ha obtenido la Tabla 4.
Si se cruzan los datos de la Tabla 4 con los de las Tablas 1, 2 y 3 se puede conocer el tiempo necesario para tratar el suelo y eliminar estos patógenos según las temperaturas alcanzadas y el tratamiento térmico que se realizó en el sustrato en esos meses. Los resultados para Julio y Agosto se observan en las Tablas 5 y 6.
A la vista de los resultados de estas tablas se puede deducir que, para un verano de características meteorológicas normales en el que se alcancen en el suelo temperaturas medias superiores a 42oC, cualquier tratamiento solar activo realizado en Julio durante 7 días, o en Agosto durante 9 días, asegura la muerte del 90% de los propágulos de los patógenos considerados. Este tiempo disminuiría si se utilizaran tratamientos de concentración o cuando se conociera específicamente el patógeno a eliminar. Esto permitiría realizar más de cuatro tratamientos a lo largo de un mes de Julio con sistemas de baja temperatura (paneles solares planos) y llegar hasta los 7 u 8 tratamientos si se utilizan sistemas solares de media temperatura (concentradores cilíndrico-parabólicos). A lo largo de Agosto se podrían realizar un mínimo de tres tratamientos con paneles solares planos y hasta seis tratamientos a lo largo del mes con concentradores.
La ventaja agronómica es que el agricultor puede decidir el momento de realización del tratamiento según su calendario de cultivos. Si el agricultor tuviera un volumen de tierra a tratar superior al del ensayo, puede realizar el tratamiento elegido durante todo el verano trasladando los colectores de un lugar a otro.
La influencia del aislamiento en los paneles o en los concentradores disminuye al aumentar la temperatura del suelo, de forma que, a partir de 42oC en el sustrato la diferencia media entre un tratamiento solar sin aislamiento y otro con aislamiento supone, tanto en el caso de los paneles solares planos como en el de los concentradores cilíndrico-parabólicos, un día de duración.
Se quería además comprobar la posibilidad de realizar tratamientos en Septiembre como ya habían indicado algunos autores (PÉREZ y col., 1998). Para ello se realizaron los mismos cálculos que en julio y agosto. Los datos están recogidos en la Tabla 7.
Como se observa en la misma, para el mes de Septiembre no se puede realizar una recomendación general sobre la duración del tratamiento del suelo con sistemas solares activos. Se debe conocer el patógeno o patógenos que se desean eliminar, su comportamiento térmico, la temperatura media que se alcanza en el suelo y el sistema solar del que se dispone.
En este mes sí es destacable la influencia del aislamiento del sistema solar ya que para una temperatura del sustrato de 42oC la diferencia media entre un tratamiento con panel solar plano de una cubierta o de dos cubiertas es de 9,5 días. Los tratamientos con concentradores sin aislar duran una media de 4 días más que si se hacen con concentradores aislados para esa temperatura.
Conclusiones
La utilización de sistemas solares activos en julio y agosto disminuye sustancialmente la duración del tratamiento térmico en el suelo posibilitando la repetición del proceso en distintas parcelas y la elección de la fecha de tratamiento por parte del agricultor. Para temperaturas medias en el suelo de 42oC cualquier tratamiento solar activo realizado en julio durante 7 días, o en agosto durante 9 días, asegura la muerte del 90% de los propágulos de los patógenos considerados. El doble acristalamiento, en el caso de los paneles planos, y el aislamiento del tubo absorbente en los concentradores cilíndrico-parabólicos, sólo suponen una rebaja en los tiempos de tratamiento de un día cuando se alcanzan 42oC en el suelo.
El mes de Septiembre es utilizable para la realización de tratamientos térmicos con energía solar activa. En el caso de paneles solares planos, un mayor aislamiento del panel reduce sustancialmente el tiempo de exposición al mismo en esta época (9,5 días de media). Los sistemas de concentración solar aseguran una disminución de la duración del proceso frente a los de captación y el aislamiento del tubo absorbente en el concentrador se revela como el sistema que más acorta la duración del tratamiento solar en este mes.
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