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Introducción
La agricultura es una de las principales actividades productivas de Costa Rica y es uno de los sectores de mayor impacto económico, social y ambiental (1),(17). En el 2018 dicha actividad representó un 71,5 % del valor agregado agropecuario (VAA) (2). Este porcentaje muestra el impacto que tiene a nivel nacional, por lo que es necesario impulsarlo, sobre todo si se toma en cuenta que de este sector el 79 % son pequeños productores (3), (18).
Una de las claves para impulsar la agricultura es la transferencia de tecnología al campo que se traduzca en mejoras económicas, en tiempo y mano de obra para lograr que su productividad sea mayor.
Ante dicho panorama, el área académica del Programa de Doctorado en Ciencias Naturales para el Desarrollo (DOCINADE) del Instituto Tecnológico de Costa Rica, Campus Local San Carlos (CLSC-ITCR) aplica la investigación y extensión de proyectos en energía solar para el desarrollo de la Región Huetar Norte del país. El DOCINADE se ha propuesto aplicar proyectos basados en tecnologías de secado solar, considerando el potencial solar de Costa Rica (9), como una opción viable de energía limpia y adaptando diferentes elementos a los equipos dependiendo de las necesidades del productor y del lugar.
El secado
La energía solar es utilizada, efectivamente, para el secado controlado de productos agrícolas y evitar las pérdidas entre cosechas y consumo. La alta humedad hace que los cultivos sean propensos a infección por hongos, ataque de insectos y plagas. Los secadores solares remueven la humedad sin el ingreso de polvo, y el producto puede ser preservado por un periodo más largo de tiempo (10),(12).
Por lo anteriormente expuesto, el objetivo de este trabajo es mostrar los resultados obtenidos de la implementación de sistemas térmicos solares activos y pasivos en actividades productivas agropecuarias para el secado del cacao (Theobroma cacao L), instalados en las localidades de: Katira de Guatuso, el Tanque de la Fortuna y el Campus Local San Carlos del Instituto Tecnológico de Costa Rica (CLSC-ITCR).
Metodología
A raíz de los resultados favorables obtenidos de los proyectos en lecherías por los sistemas solares térmicos (19), surge la idea de diseñar un sistema de secado solar para productos agrícolas de la región, partiendo de la capacitación que se dio a un grupo de productores de cacao (5). Es así como, desde el año 2016 el DOCINADE comienza el diseño y construcción de prototipos, siendo financiados por el Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG), el Instituto Nacional de Desarrollo Rural (INDER), la Fundación para el Fomento y Promoción de la Investigación y Transferencia de Tecnología Agropecuaria de Costa Rica (FITTACORI) y el Programa Universitario de Regionalización del Instituto Tecnológico de Costa Rica (PUR-ITCR). De esta forma, se logró la integración del sector académico, gubernamental y productivo para implementar sistemas de tecnología solar, enfocados especialmente en el secado y deshidratación de frutas y semillas.
Se inició la búsqueda exhaustiva de información relacionada con el tema para la cual se tomó en cuenta las condiciones agrícolas y climáticas de Costa Rica. El sitio de investigación es la Región Huetar Norte, una de las principales regiones agropecuarias que presenta una irradiación solar de 1500 - 1900 kWh/m2 lo cual la hace idónea para la aplicación de estas tecnologías (4).
Se han desarrollado cuatro sistemas, que actualmente sirven para producción, desarrollo y mejoramiento en la investigación. Todos ellos diseñados con base en el principio básico del secado.
Equipos instalados
2016 - Sistema térmico solar pasivo - híbrido en el Campus Tecnológico Local San Carlos.
El sistema solar pasivo (figura 1) consta de tres partes principales: un colector por el que ingresa aire, el cual, va ascendiendo y calentándose conforme lo recorre. Una cámara de secado donde se dispone el producto a secar, esta tiene capacidad para 8 bandejas y un colector superior que sirve para aumentar y mantener la temperatura dentro de la cámara. Cada una de las partes de este equipo se complementan con un termómetro con el fin de observar el comportamiento del sistema y poder llevar un monitoreo (4).
El propósito de este sistema es que funcione con energía solar en su totalidad, es por ello que, en el año 2019 se le implementan tres paneles fotovoltaicos que alimentan una resistencia para que genere calor durante la noche, con la finalidad de hacerlo autónomo (7).
Figura 1 Fotografía (izquierda) y esquema (derecha) del prototipo de secador solar pasivo autónomo (22).
2018 - Sistema térmico solar activo - híbrido forzado instalado en Katira de Guatuso para la Asociación de productores agro - ambientalistas de cacao (ASOPAC).
Consta de seis colectores de aire caliente y tres colectores térmicos de agua caliente, ambos circulan los fluidos a la cámara de secado de manera forzada, mediante tuberías de aire y un radiador para el agua. Cuenta con un sistema auxiliar de gas LP que homogeniza la temperatura cuando es necesario, también cuenta con un sistema de control (datalogger) que toma el registro de humedad y temperatura, (figura 2) (7).
Figura 2 Fotografía (izquierda) y esquema (derecha) del prototipo de secador solar activo híbrido forzado implementado en Guatuso (21).
2018 - Sistema térmico solar activo - híbrido forzado en el Campus Tecnológico Local San Carlos.
Está conformado por los mismos elementos del sistema anteriormente descrito, aunque son diferentes por el hecho de que este equipo (figura 3) se complementó con la automatización de sus funciones: registro de temperatura, encendido del sistema auxiliar, y actualmente, el deshumidificador y las escotillas de salida (7).
Figura 3 Fotografía (izquierda) y esquema (derecha) del prototipo de secador solar activo híbrido forzado implementado en CLSC-ITCR (20).
2020 - Sistema térmico solar activo híbrido forzado con piso radiante en el Tanque de la Fortuna, San Carlos para la PYME chocolates Fusión.
Este sistema (figura 4) mantiene el mismo principio que los secadores solares activos mencionados anteriormente. En pro de mejorar el funcionamiento de estos equipos, se colocó un piso radiante por el que circula el agua para mantener la distribución del calor adecuadamente. De igual forma, se actualizó el sistema de registro de temperaturas automático (datalogger), el cual se puede consultar de manera remota vía internet (7).
Figura 4 Fotografía (izquierda) y esquema (derecha) del prototipo de secador solar activo híbrido forzado implementado en el Tanque de la Fortuna (23).
Resultados y discusión
Sistema térmico solar pasivo - híbrido en el Campus
Tecnológico Local San Carlos (CTLSC-ITCR)
Con el propósito de evaluar el funcionamiento de este secador, se realizaron diferentes pruebas de secado en semillas como: frijol, maíz y cacao durante el segundo semestre del 2017, el cual comprende a la temporada lluviosa (4).
En el caso del maíz, se consiguió disminuir su humedad relativa de un valor inicial de 13.5 % hasta un 8.5 %.
Respecto a la prueba con frijol, se consiguió disminuir su humedad de 13 % inicial hasta un 11.3 %.
En semillas de cacao, se consiguió la disminución de humedad partiendo de un 53 % hasta llegar a un 8 %.
Los resultados (4) para maíz y frijol se obtuvieron en un periodo de 13 días dentro del secador mientras que el secado de cacao duró, aproximadamente, 6 días (160 h). De acuerdo con Arce ambas semillas lograron un porcentaje de humedad óptimo (6).
En el año 2019, durante el periodo marzo-mayo, se llevó a cabo un registro de las temperaturas alcanzadas por las partes que componen al sistema (figura 5) que oscilaron entre 27 - 63°C, a la par de este análisis, se evaluó el funcionamiento de las nuevas resistencias alimentadas por el sistema fotovoltaico, las cuales mantuvieron una temperatura de 35 °C.
Figura 5 Temperaturas medias alcanzadas por el secador solar pasivo - hibrido, en diferentes horas del día; siendo (1-4) colector, (5-6) cámara, (7-8) venturi.
Sistema térmico solar activo - híbrido forzado instalado en Katira de Guatuso para la Asociación de productores agro - ambientalistas de cacao (ASOPAC).
El análisis de los datos como temperaturas, las cantidades de cacao a secar y el tiempo requerido para este sistema se han registrado durante el 2018 y 2019.
El límite mínimo de temperatura requerida para el secado de cacao debe mantenerse por encima de los 32°C para que sea eficiente. Durante los dos años registrados se demostró que las temperaturas en la cámara de secado fueron constantes (figura 6) arrojando un promedio de 38,9 °C.
Figura 6 Temperaturas medias alcanzadas por el secador solar activo híbrido forzado en los años 2018 y 2019.
El productor Juan Carlos Sibaja, afiliado a ASOPAC, menciona que los resultados obtenidos con la instalación del secador térmico solar han sido significativos ya que el secado de cacao ha sido eficiente; logrando reducir el tiempo de secado a 5 días en comparación a un secado tradicional que podía llevarle hasta 15 días, se redujeron las pérdidas (cuadro 1) y mejoró la calidad del producto seco.
Analizando los resultados del sistema térmico solar activo híbrido forzado se obtuvo una eficiencia del 86.5 %.
Cuadro 1 Cantidad de cacao seco y pérdidas obtenidas en el sistema tradicional en comparación con el secador solar térmico híbrido forzado.
Sistema térmico solar activo - híbrido forzado en el Campus Tecnológico Local San Carlos.
El registro de datos y los resultados obtenidos por este equipo son, únicamente, pruebas preliminares de investigación e innovación para futuros prototipos.
Las pruebas realizadas se han basado en el secado de productos agrícolas de la región, en el cuadro 2 se muestran algunos de los resultados (8),(6),(13),(15),(16)
Cuadro 2 Resultados de pruebas de secado en productos agrícolas utilizando el secador solar activo híbrido forzado en el periodo de mayo - diciembre 2018
Respecto a los datos de temperaturas recabados, desde su instalación, por el sistema automático (datalogger), se muestra que la temperatura promedio desde el año 2017 hasta el primer semestre del año 2020, es de 35 °C.
Sistema térmico solar activo híbrido forzado con piso radiante en el Tanque de la Fortuna, San Carlos para la PYME chocolates Fusión.
Se llevó a cabo el registro de temperaturas (figura 7) para este sistema en el periodo febrero a junio 2020, Se recabaron los siguientes datos medidos por cada sección del secador y en un horario diurno y nocturno para el análisis de temperaturas diarias.
A continuación (figura 8) se muestra el comportamiento de las temperaturas a diferentes horas del día, se concluyó tomar temperaturas nocturnas para verificar su funcionamiento automatizado cuando la ausencia de luz solar es nula.
Figura 8 Temperaturas a diferentes horas del día, en las diferentes partes del secador siendo: (1) Ambiente, (2) Colector Agua, (3) Termotanque (4) Termotanque frio (5) Colector aire (6) Entrada a Cámara (7) Cámara.
En lo que va del año, este sistema ha logrado un rendimiento del 80 % para llegar a las temperaturas optimas de secado de cacao. Referente al piso radiante; este tiene la capacidad de emitir el calor desde el piso ubicado dentro de la cámara, aunado al calor que llega desde el sistema térmico de aire y de los radiadores ubicados en las paredes, haciendo que el aire caliente sea emitido desde tres frentes distintos y que ascienda por densidad para ser recirculado, por lo que logra distribuirse uniformemente. Este es un nuevo elemento que no tienen los sistemas anteriores.
Conclusiones
La innovación en el diseño y construcción de los equipos descritos evidencian que las adaptaciones que se han hecho son efectivas en la evolución de los prototipos de secado. Por lo que se muestra que:
El secador solar pasivo obtuvo autonomía mediante el uso de paneles fotovoltaicos que mantiene su funcionalidad continua.
El sistema computarizado para el registro de datos facilita su recolección e interpretación.
La automatización del funcionamiento auxiliar del equipo favorece que la temperatura se mantenga constante.
Un piso radiante influye para que el secado dentro de la cámara sea más homogéneo, gracias a la óptima distribución del calor.
El acceso y monitoreo de los datos puede hacerse mediante una plataforma vía internet.
De acuerdo con (11) las ventajas del uso de secadores solares conducen a una productividad más eficiente, reflejando un ahorro económico, en mano de obra y de tiempo invertido. Según los resultados logrados, se muestra que el alcance del secado con la aplicación de estas tecnologías es óptimo y de calidad. De igual forma, se hizo evidente que la cantidad de pérdidas de producto seco fue nula. Gracias a estas cualidades se benefició la incorporación del valor agregado a los productos comerciales; otorgándoles una ventaja mayor en el mercado. En rasgos ambientales se demostró un aprovechamiento máximo de la energía solar, minimizando el uso de combustibles fósiles.
