Caracterización y modelización de las componentes directa y difusa de la radiación solar en invernaderos

Resumen

La radiación difusa representa una parte significativa de la radiación solar, y tiene especial relevancia en la eficiencia de utilización de la radiación por los cultivos (Spitters, 1986). La radiación difusa en el invernadero depende de su estructura y de la capacidad del material de cubierta para cambiar la proporción de difuso que, a su vez, depende de su naturaleza y de la composición química del material (aditivos). También depende del estado de limpieza de la cubierta (depósito de polvo, gotas de agua) y de la condensación. Además, el envejecimiento del material puede inducir, con el tiempo, una variación en las propiedades de difusión. En la mayoría de los estudios de transmisión de radiación de invernaderos, se ha estudiado principalmente la radiación global (= directa + difusa) dentro y fuera del invernadero, o la radiación directa en invernadero. El coeficiente de transmisión de la radiación global (¿G) que se deriva de estas medidas no permite apreciar el poder de difusión de un material. Se conoce que los materiales de cubierta de invernadero aumentan la cantidad de radiación difusa, de manera más o menos significativa según las propiedades de difusión del material (Bonhomme, 1968; Basiaux et al., 1973; Hanan, 1989, 1998. Tchamitchian, 1990). El proceso de difusión de la radiación, que inducen estas discontinuidades, provoca un cambio en la dirección de propagación de los rayos, dando como resultado una transformación de parte de la radiación directa en difusa (¿enriquecimiento¿ en radiación difusa dentro del invernadero). La estimación de la radiación difusa también es clave en invernaderos con sombreo y con blanqueo de las paredes de cubierta, práctica común en la zona del Mediterráneo. Los objetivos planteados en este estudio engloban tres partes: (1) Una parte experimental centrada en: La caracterización de las componentes de la radiación solar (global, fotosintética activa, directa y difusa) en condiciones al aire libre y bajo invernaderos con cubierta de plástico; y en el estudio de la influencia de un material de cubierta difusor sobre las componentes de la radiación solar directa y difusa. (2) Una parte destinada al desarrollo y validación del modelo a partir de los datos experimentales. Y (3) Una parte destinada a la modelización de la radiación bajo invernadero. Se han desarrollado ecuaciones multifactoriales para estimar la cantidad de radiación directa convertida en difusa, Di*, en función de su valor potencial, de transmisión (¿ ) directa-difusa¿I-D y de la radiación directa exterior. Se han obtenido buenas correlaciones entre la transmisión directa-directa ¿I-I, directa-difusa ¿I-D y directa, ¿I frente a la altura angular solar h, y los ángulos de incidencia en las paredes de cubierta ¿Sur y ¿Norte. Siendo ¿I-I dos veces más sensible al ángulo de incidencia que ¿I y ¿I-D, y que un aumento del ángulo de incidencia induce un aumento de ¿I-D y una disminución de ¿I-I y ¿I. Se ha demostrado que el coeficiente difuso total, ¿ (¿D-D + fracción difusa que proviene de la radiación directa, ¿I-D) puede predecirse a partir de dos variables de radiación exterior (global solar y difusa). Se propone un método sencillo para estimar ¿ en función de la fracción difuso/global exterior (ke=De/Ge), mediante una ecuación del tipo ¿ = a ke ¿n. Para llevar a cabo la modelización, se parte de un modelo existente (González-Real et al., 2001; González-Real et al., 2003) que permite estimar la distribución espacial de la radiación solar al interior del invernadero. Este modelo se ha modificado con el objeto de: (i) Integrar la influencia que ejerce un material de cubierta difusor en el reparto de la radiación solar directa y difusa en invernadero; y (ii) estimar la variabilidad espacial de las componentes directa y difusa. Asimismo se ha validado de forma óptima el modelo para estructuras típicas de invernaderos mediterráneos con los datos obtenidos en la parte experimental. Los materiales con mayor difusividad aumentan la radiación difusa en invernadero con lo que pueden ser de gran utilidad, sobre todo en zonas con mayor cantidad de radiación directa exterior, siempre y cuando no se vea afectada la transmisión total a la radiación global. El modelo MODERA desarrollado en este trabajo de tesis permite estimar todas las componentes de la radiación en invernadero, y su distribución espacial en función del poder difusor del material de cubierta. La metodología y las hipótesis utilizadas para calcular los componentes de la radiación solar en invernadero, y en particular la componente difusa, han sido validadas, lo que avala su utilización para aplicaciones al diseño óptimo de estructuras de invernadero, tanto monomodulares como multimodulares. En particular, MODERA puede aplicarse para caracterizar la homogeneidad espacial que inducen diferentes diseños de invernadero, y para evaluar las ventajas de un plástico difusor en una determinada zona de producción.