Paulina Alvarez Márquez[2o Cozumel], Danna Paula Sotelo Mendoza[2o Cozumel], Daniel Emilio Rodriguez Najera[2o Cozumel]
Actualmente, un gran problema en la agricultura es desarrollar métodos de cultivo que produzcan alimentos sin contribuir al impacto ambiental. Los cultivos de suelo suelen usar grandes extensiones de tierra y un aproximado de 70% de consumo de agua. Además, este tipo de agricultura implica un uso considerable de recursos naturales. Ante esto, los cultivos hidropónicos surgen como una alternativa, porque permiten cultivar plantas sin necesidad de suelo. Este método optimiza el espacio y reduce el consumo de agua comparándolo con la agricultura convencional.
Sin embargo, muchos sistemas hidropónicos presentan una gran desventaja, ya que dependen de energía eléctrica para mantener la circulación del agua. Esto genera un consumo constante de electricidad. Por ende proponemos el uso de paneles solares, los cuales representan una fuente de energía renovable y limpia. Los paneles solares captan la energía proveniente del sol y la transforman en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Esta electricidad puede utilizarse para alimentar pequeños dispositivos eléctricos.
Por lo tanto, se armó un sistema de circulación de agua para cultivos hidropónicos alimentado por un panel solar y una mini bomba sumergible mediante un circuito con pilas recargables. El sistema se construyó utilizando materiales como botellas PET para almacenar el agua y mangueras para su circulación. Durante las pruebas realizadas se observó que, al exponer el panel solar al sol, la bomba se activó correctamente, permitiendo la circulación del agua dentro del sistema. Estos resultados indican que la energía solar puede utilizarse como una alternativa para alimentar sistemas hidropónicos de pequeña escala.
Nowadays one of the main challenges in agriculture is developing cultivation methods that produce food without increasing environmental impact. Traditional soil farming often requires large areas of land and uses a high percentage of available freshwater, sometimes close to seventy percent. In addition, this type of agriculture demands significant natural resources and can contribute to soil degradation over time. Because of these limitations, hydroponic cultivation has emerged as an alternative approach. Hydroponic systems allow plants to grow without soil by using water enriched with dissolved nutrients. This method can optimize space, improve control of plant growth conditions, and significantly reduce water consumption compared with conventional agriculture.
However many hydroponic systems depend on electric pumps to keep water and nutrients circulating through the system. This dependence creates continuous electricity consumption and may reduce the environmental benefits that hydroponics promises. One possible solution is the use of solar panels as an energy source. Solar panels capture energy from sunlight and convert it into electricity through the photovoltaic effect. This renewable energy can power small electrical devices and can also be stored in rechargeable batteries for later use allowing systems to operate even when sunlight is not constant.
Based on this idea a small water circulation prototype for hydroponic plants was constructed using a solar panel connected to a mini submersible pump and a simple circuit with rechargeable batteries. Tests showed that sunlight activated the pump moving water through tubes and back to the reservoir demonstrating a sustainable small scale solution for agriculture.
Aman, nopa tlatokili kiixnamiki nopa kuesoli tlen kichijchiua tlakuali uan amo kiueyichiua nopa tlaijiyouilistli tlen onka ipan tlaltipaktli. Nopa hidroponía ki chiua ma moskaltikaj xiuitl tlen amo kipia tlali ika tlapaleuilistli tlen tlapaleuia uan amo miak atl kej nopa tlatoktli tlen uejkajkia. Maske, miakej sistemas motemachiaj ipan electricidad para ma nejnemi atl. Yeka, ipan ni tekitl kichijchijkej se sistema hidropónico ika se panel solar, se mini bomba sumergible uan se circuito ika pilas tlen ueli mokuepaj tlen kikaua ma pano atl ika energía solar.
En la actualidad, uno de los principales retos es producir alimentos de forma eficiente sin dañar el medio ambiente. La agricultura tradicional requiere grandes extensiones de tierra, mucha agua y un alto consumo de energía, lo que puede afectar los recursos naturales. Ante esto, los cultivos hidropónicos se presentan como una alternativa innovadora, ya que permiten cultivar plantas sin suelo, utilizando agua con nutrientes, lo que ayuda a optimizar el espacio y el uso del agua.
Sin embargo, muchos sistemas hidropónicos necesitan bombas eléctricas para mantener la circulación del agua y los nutrientes, lo que implica un consumo de energía eléctrica y puede dificultar su uso en lugares donde no hay fácil acceso a la electricidad.
Por ello, surge la idea de utilizar energías renovables, como la energía solar, para alimentar estos sistemas. En este proyecto se propone el diseño y construcción de un dispositivo de circulación de agua para cultivos hidropónicos que funcione con paneles solares y pilas recargables, con el fin de crear un sistema práctico, sustentable y útil para pequeños cultivos.
La implementación de este proyecto se fundamenta en la importancia de proponer nuevas formas de poder utilizar la energía solar, por lo que nuestro proyecto consiste en elaborar un dispositivo el cual al no usar energía eléctrica pueda eliminar la dependencia de infraestructuras eléctricas complejas permitiendo que este sistema sea fácil de instalar. Esta independencia energética es la clave para reducir el espacio de instalación, ya que permite estructuras compactas y modulares que no requieren estar cerca de tomas de corriente optimizando cada metro cuadrado disponible. Asimismo, el sistema de riego programado garantiza una gestión eficiente, donde el mantenimiento manual constante no siempre es factible en algunos casos.
Actualmente, el uso de la energía eléctrica contribuye al agotamiento de recursos naturales al emitir gases de efecto invernadero contaminando el aire, además de depender de recursos no renovables ayudando así al cambio climático, también otro problema actual es que aunque los cultivos hidropónicos son una alternativa más eficiente, necesitan aparatos sofisticados y gastan demasiada electricidad, lo que quita valor o su promesa ecológica. Por lo tanto, proponemos buscar resolver estas necesidades diseñando y programando un sistema de paneles solares que ayude a una promesa ecológica probándolo en un cultivo hidropónico.
Si logramos hacer un dispositivo que funcione con energía solar y se almacene en pilas recargables entonces tendremos un circuito de circulación de agua que en un futuro se puede aplicar a sistemas hidropónicos
Elaborar un dispositivo para cultivos hidropónicos con un sistema de circulación de agua a base de paneles solares y pilas recargables
Investigar sobre cultivos hidroṕonicos y paneles solares
Armar un sistema de circulación
Comprobar que el dispositivo funcione
Industria, innovación e infraestructura: Construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización sostenible y la innovación
¿Qué es un panel solar?
Los paneles solares son módulos fotovoltaicos individuales que captan la energía que proporciona el sol convirtiéndola en electricidad. Están formados por celdas solares que a su vez contienen células solares individuales hechas de materiales semiconductores como el silicio (cristalino y amorfo) que transforman la luz (fotones) en energía eléctrica (electrones).
En los paneles solares, cuando hay luz solar, una célula solar se comporta casi como una batería. La luz solar recibida separa los electrones de modo que forman una capa de carga positiva y una de carga negativa en la célula solar; esta diferencia de potencial genera una corriente eléctrica.
¿Qué es la hidroponía?
La hidroponía es un sistema de cultivo que hace crecer las plantas en una solución de agua con nutrientes, es decir, prescinde de la tierra. Además, el agua utilizada puede ser recuperada y reciclada, y los nutrientes pueden obtenerse de diversas procedencias, incluso de excrementos de peces —técnica conocida como acuaponía—.
El cultivo de plantas en agua sin necesidad de tierra no es nuevo. Las primeras menciones aparecen en la obra de Francis Bacon publicada póstumamente (1627), Sylva Sylvarium. A finales del siglo XIX, dos botánicos alemanes (Julius von Sachs y Wilhelm Knop) describieron la lista de elementos que debía contener la solución para nutrir a las plantas. Desde entonces, es una forma habitual de cultivo en laboratorios, pero en los últimos años la hidroponía ha ganado relevancia como forma de producir alimentos con un mayor rendimiento y un menor uso de terreno, agua y energía.
El cultivo de plantas en agua sin necesidad de tierra no es nuevo. Las primeras menciones aparecen en la obra de Francis Bacon publicada póstumamente (1627), Sylva Sylvarium. A finales del siglo XIX, dos botánicos alemanes (Julius von Sachs y Wilhelm Knop) describieron la lista de elementos que debía contener la solución para nutrir a las plantas. Desde entonces, es una forma habitual de cultivo en laboratorios, pero en los últimos años la hidroponía ha ganado relevancia como forma de producir alimentos con un mayor rendimiento y un menor uso de terreno, agua y energía.
¿Qué es un cultivo hidropónico?
Los cultivos hidropónicos se basan en una práctica que prescinde de la tierra para sustituirla por una solución de agua enriquecida con nutrientes, entre otras alternativas. Gracias a su escaso uso de recursos, se revela como una opción más sostenible frente a la agricultura tradicional.
Cubre diseños ( NFT, DWC) preparación de soluciones nutritivos, y manejo del ph y la conductividad eléctrica enseñando práctica a cómo manejarlo: de diferente manera y diferentes diseños haciéndolo de la manera más fácil posible y de los diseños más comunes y explica que este tipo de fuente es indispensable, ya que te da el “cómo se hace” de la hidroponía, sentando los boses técnicos para integrar luego los paneles solares,
Analiza la viabilidad económica y ambiental de proyectos integrados. Discute la autonomía energética y la eficiencia de recursos como base para la sostenibilidad agrícola. Y se ve desde la perspectiva económica y ecológica en el contexto de la agricultura moderna y sostenible. Y se estaría usando energía limpia haciendo “cero emisiones” en términos de consumo energético
Historia de la hidroponía
La hidroponía, se ha desarrollado con una mayor velocidad a partir de experimentos para determinar los elementos que intervienen en el crecimiento de las plantas. Los primeros trabajos formales sobre este sistema de producción
comenzaron en fechas cercanas al año 1600. No obstante, el crecimiento de las plantas sin suelo es conocido desde la antigua babilonia, en los famosos jardines colgantes, los cuales se alimentaban del agua que corría por medio de canales. Asimismo, hace más de 1000 años ya se practicaba la hidroponía en China, India y Egipto (orillas del río Nilo), misma que se realizaba mediante esquemas rústicos. Figura 1. Cultivo de fresa en un sistema hidropónico recirculante. En México, los orígenes de la hidroponía son los jardines flotantes de los aztecas, llamados chinampas. Las chinampas eran construidas con cañas y bejucos que flotaban en el lago Tenochtitlán (México), además de ser rellenadas con lodo extraído del mismo. Posteriormente en 1860 los alemanes Sachs y Knop fueron los primeros en hacer crecer las plantas en una solución nutritiva, llamándolo al proceso nutricultura. En 1938 W.F. Gericke, profesor de la Universidad de California, logró establecer con éxito unidades de cultivo sin tierra de manera comercial, bautizando a este sistema productivo como hidroponía y es considerado el padre de esta moderna técnica de cultivo. Posteriormente la hidroponía comercial se extiende a través del mundo en la década de los 50´s. Perspectivas y futuro de la hidroponía La hidroponía, ha sido muy usada para la investigación en el campo de la nutrición mineral de las plantas, además de ser hoy en día el método de producción hortícola más intensivo. Generalmente este sistema de producción es de alta tecnología, con una fuerte inversión de capital, por lo cual es aplicada exitosamente en países desarrollados. Entre los sistemas existentes que destacan en la hidroponía están los sistemas de recirculación NFT (Técnica de la Película de Nutriente) y NGS (Nuevo Sistema de Crecimiento) y los sistemas donde el medio de cultivo es un sustrato. Los cultivos hidropónicos más rentables bajo estos sistemas hidropónicos son tomate, pepino, pimiento, lechuga, fresa y flores de corte.
Métodos hidropónicos
El cultivo en agua por definición es el auténtico cultivo hidropónico, aunque bajo el concepto descrito para hidroponía se contemplan otros sistemas. De acuerdo a lo anterior, dependiendo del medio utilizado para el desarrollo de las raíces, los sistemas de cultivo sin suelo se pueden clasificar en tres grupos: 1) cultivos en agua (con solución nutritiva); 2) cultivos en aire (aeropónicos) y 3) cultivos en sustrato con solución nutritiva
Sistemas de producción en solución nutritiva
En este sistema se sumerge el sistema radical de las plantas en una solución nutritiva, la cual contiene los elementos nutritivos necesarios para su crecimiento.
-Sistema NFT. Esta técnica consiste en crear una película re-circulante de solución nutritiva dentro de tubos de PVC, lo cuales en sus extremos tienen tapas con pequeñas conexiones al final y al inicio para hacer recorrer el agua en todo el conjunto de tuberías que componen al sistema mediante una bomba, que se encuentra en el deposito donde se almacena la solución nutritiva. Los tubos de PVC tienen orificios en la parte superior, donde se colocan las plantas en cilindros de foami agrícola para NFT de tal manera que las raíces están en contacto con la película re-circulante de la solución nutritiva. -Raíz flotante. Este método utiliza un medio líquido para el crecimiento de los cultivos. En este sistema las raíces flotan dentro una solución nutritiva, pero las plantas están sostenidas sobre una lámina ligera (la cual generalmente es de unicel), que se sostiene sobre la superficie del medio líquido.
-Sistema NGS. En este sistema las raíces se desarrollan en una solución nutritiva recirculante, distribuyendo agua, nutrientes y oxígeno de manera eficiente. Dicho sistema cuenta con distintas capas de polietileno en su interior, dispuestas de manera tal que la solución se va distribuyendo en ellas en forma de cascada. Dentro de estas mismas capas, las raíces van explorando sin restricción alguna hasta un agujero que les permite descender a las capas inferiores de la bolsa de polietileno, esto permite que el sistema se adapte a distintos cultivos.Sistemas de producción expuestos al aire
-Cultivos aeropónicos. Este sistema consiste en colocar un cilindro de PVC u otros materiales en posición vertical, con perforaciones en las paredes laterales por donde se introducen las plantas al momento de realizar el transplante. Las raíces crecen en la oscuridad y pasan la mayor parte del tiempo expuestas al aire. Por el interior del cilindro, una tubería distribuye de manera periódica la solución nutritiva a las raíces mediante pulverización a mediana o baja presión. Las plantas crecen bien en aeroponía debido a la excelente aireación de las raíces, dado que la concentración de oxígeno en el aire es 20 veces más elevada en relación a la concentración que existe disuelto en el agua. Sistemas de producción en sustrato El sustrato es un material sólido (natural o de síntesis) distinto del suelo que, colocado en un contenedor o bolsa, en forma pura o mezcla, permite el desarrollo del sistema radical, el crecimiento del cultivo y pueden intervenir o no en la nutrición de la planta. El sustrato brinda sostén y anclaje a la planta, además de mantener la humedad, drenaje, aireación y facilidad en la absorción de nutrientes para que la planta no tenga ningún problema en su desarrollo. -Sustratos más comunes en horticultura y sus características. Los sustratos que más comúnmente se utilizan en los sistemas de cultivo sin suelo son los siguientes: arena, perlita, lana de roca, turbas, fibra de coco y tezontle.
¿Qué es una batería recargable?
Una batería es un tipo de generador electroquímico compuesto por un grupo de celdas electroquímicas capaces de producir energía eléctrica a partir de reacciones químicas. Una batería recargable, también conocida como acumulador recargable, además, es capaz de revertir el proceso químico a partir de energía eléctrica.
¿Cómo funciona una batería recargable?
El funcionamiento de las baterías recargables se divide en dos procesos diferenciados: carga y descarga. Como otros tipos de baterías, las recargables funcionan gracias a un proceso de oxidación-reducción. Lo que diferencia las baterías recargables de las desechables es su capacidad de reacción inversa.
Durante el proceso de descarga, uno de los metales de la batería (ánodo) se oxida y cede electrones, mientras que otro metal (cátodo) se reduce y gana electrones. Por su parte, el gel seco (electrolito) capta y organiza los electrones gracias a sus iones. El gel seco es sólido,y actualmente sustituye la tela o cartón bañado con solución salina de las primeras baterías.
En la descarga, la reacción química entre los componentes contenidos en la batería genera energía eléctrica. La descarga se completa cuando el metal alcanza su límite de oxidación.
Durante el proceso de carga, la oxidación se revierte, regresando los electrones al metal.
1 Panel solar 6v
1 Base de panel solar
1 Mini bomba de agua 6v
1 Botella de PET (1.5 o 2L)
2 Mangueras delgadas transparentes
Agua
1 Cutter
Silicón caliente
Semillas con raíz pequeña (lechuga, albahaca, etc.)
1 Interruptor
1 Base de madera
1 Acrílico
1 Lámpara de alcohol
1 Encendedor
Servitoallas
Asfalto
Preparar el tanque
Colocar la bomba
Prepara el acrílico
Armar el circuito solar
Coloca el panel
Prueba el sistema
Prueba #1 Se creó el primer prototipo a partir de un boceto,pero se observó que no se contaba con los materiales adecuados para desarrollar el dispositivo de circulación de agua.
Prueba #2 Después de traer los materiales correctos, se añadieron otros para mejorar el funcionamiento, como el interruptor. Sin embargo, se observó que la bomba sumergible disponible no tenía la potencia suficiente para llevar el agua hasta las semillas de lechuga.
Los resultados durante la realización del proyecto principalmente fue un procedimiento exitoso ya que nos dimos cuenta que mediante un panel solar podemos hacer funcionar un sistema de riego hidropónico con una bomba sumergible de 6v junto a un interruptor que trabaja con un pila recargable y usando la energía del panel solar.
Durante el desarrollo del proyecto se logró construir un prototipo funcional de un sistema de circulación de agua para cultivos hidropónicos alimentado por un panel solar de 6 voltios conectado a una mini bomba de agua.
El sistema fue diseñado utilizando materiales accesibles como una botella PET que funciona como depósito de agua, mangueras para la circulación del líquido y una pequeña bomba sumergible encargada de impulsar el agua hacia las plantas.
El panel solar capta la energía del sol y la convierte en electricidad, la cual se utiliza para alimentar la bomba de agua. Además, el sistema incluye un interruptor y pilas recargables que permiten almacenar la energía generada.
Durante las pruebas realizadas se observó que, al exponer el panel solar a la luz directa del sol, la bomba de agua se activó correctamente, permitiendo que el agua circulará desde el depósito hacia las plantas y posteriormente regresará al recipiente, formando un sistema de recirculación.
Los resultados obtenidos demostraron que es posible utilizar energía solar para alimentar un sistema hidropónico básico de circulación de agua.
A partir del desarrollo de este proyecto se puede concluir que fue posible diseñar y construir un dispositivo de circulación de agua para cultivos hidropónicos utilizando energía solar como fuente de alimentación.
El sistema desarrollado permitió demostrar que un panel solar puede generar la energía necesaria para activar una bomba de agua y mantener la circulación de la solución nutritiva en un sistema hidropónico básico.
Además, el uso de materiales accesibles y reciclables facilita la construcción de este tipo de dispositivos, lo que permite su aplicación en proyectos educativos o en sistemas de cultivo en casa.
Finalmente, este proyecto demuestra que la combinación de tecnologías como la hidroponía y la energía solar puede contribuir al desarrollo de sistemas agrícolas más sostenibles, eficientes y amigables con el medio ambiente.
Mártinez, R. (2018). Cultivo sin suelo: Manual práctica de sistemas hidropónicos. AgroTécnica.
Voraz, L. (2023). Sistema de producción alimentaria autosostenibles y cero emisiones. Ecosfera.
Castro, S., Diaz, A. (2021). Energía Fotovoltaica aplicada: instalaciones aisladas y conectadas. Innovación eléctrica.
