ES1298797U - Sistema constructivo para producción agrícola en vertical - Google Patents

Abstract

Sistema constructivo para producción agrícola en vertical, caracterizado por que comprende: - una estructura (4) de protección que comprende un primera cara (1) orientada al norte formada por una lámina de material opaco y reflectante, una segunda cara (2) orientada al sur, al menos dos laterales (3) de menor dimensión intercalados con dichas primera y segunda cara (1, 2) y, una cubierta (5) con una vertiente que presenta un primer ángulo (6) de inclinación respecto al plano horizontal, donde la segunda cara (2) y los laterales (3) están formados por un material transparente y el suelo (7) presenta un material con propiedades reflectantes, y; - una pluralidad de dispositivos (8) de cultivo en vertical multinivel dispuestos en paralelo en el interior de la estructura (4) de protección, separados por pasillos (9) longitudinales, donde cada dispositivo (8) comprende un bastidor (10) formado por dos laterales inclinados y simétricos unidos en su extremo superior con un segundo ángulo (11) de inclinación respecto de la vertical, una pluralidad de estantes (12) de soporte de los cultivos sujetos a cada lateral en distintos niveles del mismo, y un mecanismo de desplazamiento de al menos el estante (12) inferior, tal que presenta una posición extendida hacia el pasillo (9) y una posición retraída más próxima al lateral del bastidor (10); donde el valor del primer y el segundo ángulo (6, 11) de inclinación son obtenidos mediante la aplicación de un software de diseño arquitectónico con unos criterios de radiación solar óptima y homogeneidad de la misma en el estante (12) inferior, siendo éste el más desfavorable.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema constructivo para producción agrícola en vertical

Campo técnico de la invención

La presente invención corresponde al campo técnico de la agricultura y los sistemas de producción agrícola, en concreto a un sistema constructivo de producción agrícola en vertical.

Antecedentes de la Invención

En la actualidad las personas están cada vez más concienciadas con la necesidad de actuar de un modo respetuoso con el medio ambiente y tienden a buscar modelos de consumo o producción sostenibles que conlleven una reducción en la huella de carbono.

En este sentido, los modelos de producción agrícola actuales no se adecúan del todo a esta tendencia, pues siguen presentando inconvenientes que los hacen distanciarse de estos objetivos.

Así pues, para asumir la creciente demanda de productos agrícolas ha sido necesaria la implantación de nuevos sistemas de producción intensiva, como son los invernaderos, en los que es posible una producción mayor y continuada a lo largo del año, minimizando el daño que puedan sufrir los cultivos debido a los fenómenos ambientales y realizando un control climáti

Para realizar este control, cuando la temperatura en el exterior es muy baja, los invernaderos suelen contar con dispositivos de calefacción para mantener la temperatura del interior dentro de unos rangos adecuados para el cultivo. Así mismo, cuentan con dispositivos de refrigeración con el mismo fin para aquellas épocas en las que la temperatura exterior es muy elevada. Todo ello genera unos elevados consumos de electricidad.

Además, para conseguir mayores cuotas de producción, se precisan grandes extensiones de terreno y ello obliga a ubicar los invernaderos en zonas de cultivo alejadas de las ciudades, por lo que se requiere de medios de transporte para el envío y la distribución del producto a los centros urbanos de consumo, produciéndose un encarecimiento del producto y un aumento de la huella de carbono.

Una solución a estos problemas es el cultivo en vertical, mediante dispositivos que permiten la disposición de los cultivos en distintos niveles a diferente cota, de manera que se precisa menos espacio para producir grandes cantidades de producto, permitiendo de este modo un mayor acercamiento a las ciudades.

No obstante, estos medios de producción en vertical presentan un inconveniente, pues la luz del sol no llega a todos los niveles con la misma intensidad de radiación, ya que en el interior del invernadero se disponen múltiples dispositivos y unos a otros se van obstaculizando el paso de la luz solar, siendo los niveles inferiores aquellos en los que la cantidad de radiación es mínima.

Para solucionar esto se opta por utilizar iluminación artificial que conlleva un elevado gasto energético y que por tanto, disminuye la sostenibilidad del producto así obtenido.

Es necesario por tanto, encontrar una solución que permita reducir la distancia de la producción a los puntos de consumo y al mismo tiempo que no se incrementen los niveles de dependencia energética para el desarrollo de dichos productos, de manera que se logre una eficaz reducción de la huella de carbono y una producción realmente respetuosa con el medio ambiente.

Descripción de la invención

El sistema constructivo para producción agrícola en vertical que aquí se presenta comprende una estructura de protección y una pluralidad de dispositivos de cultivo en vertical multinivel.

La estructura de protección comprende una primera cara orientada al norte formada por una lámina de material opaco y reflectante, una segunda cara orientada al sur, al menos dos laterales de menor dimensión intercalados con dichas primera y segunda cara y, una cubierta con una vertiente que presenta un primer ángulo de inclinación respecto al plano horizontal, donde la segunda cara y los laterales están formados por un material transparente y el suelo presenta un material con propiedades reflectantes.

Por otra parte, dichos dispositivos de cultivo en vertical multinivel están dispuestos en paralelo en el interior de la estructura de protección, separados por pasillos longitudinales.

Cada uno de los dispositivos comprende un bastidor formado por dos laterales inclinados y simétricos unidos en su extremo superior formando un segundo ángulo de inclinación respecto de la vertical. Además, cada dispositivo presenta una pluralidad de estantes de soporte de los cultivos sujetos a cada lateral en distintos niveles del mismo, así como un mecanismo de desplazamiento de al menos el estante inferior, tal que presenta una posición extendida hacia el pasillo y una posición retraída más próxima al lateral del bastidor.

Por su parte, el valor del primer y el segundo ángulo de inclinación son obtenidos mediante la aplicación de un software de diseño arquitectónico con unos criterios de radiación solar óptima y homogeneidad de la misma en el estante (12) inferior, siendo éste el más desfavorable.

Con el sistema constructivo para producción agrícola en vertical que aquí se propone se obtiene una mejora significativa del estado de la técnica.

Esto es así pues se consigue un sistema constructivo que permite la producción agrícola en vertical de todo tipo de cultivos con la gran ventaja de que no necesita ni depende de la instalación de iluminación artificial pues está diseñado, gracias a la aplicación de un software de análisis y control previo, que permite obtener el diseño adecuado siguiendo unos criterios de radiación solar óptima para que sea capaz de captar y distribuir la radiación solar hacia el interior de la estructura llegando lo más equitativamente posible a todos los niveles en altura de la producción vertical.

Con este sistema se prioriza el acceso y distribución de la radiación solar al interior, una climatización de bajo coste energético y el uso de la luz solar como base.

Para ello se utiliza un modelo de producción agrícola en altura, modular y ligero que optimiza la entrada de radiación solar y el volumen disponible, permitiendo el desarrollo del mismo sin la utilización de iluminación artificial. De este modo, este sistema maximiza la sostenibilidad en la agricultura urbana a través de un diseño solar pasivo.

La estructura de protección está diseñada de manera que optimiza la captación y distribución de la radiación solar a las plantas, permitiendo que la luz alcance zonas específicas del interior. Para ello, como ya se ha indicado, se utiliza un software de análisis y control previo como herramienta para guiar el diseño y la forma de la construcción. Este software permite obtener los criterios para obtener un diseño de la estructura de protección y de los dispositivos de cultivo que permita una radiación óptima para aquellos cultivos dispuestos en el nivel más desfavorable, que se corresponde con el estante situado a menor cota en los dispositivos de cultivo.

Se utilizan materiales con distintas propiedades ópticas en determinadas posiciones, según interese la reflexión de la luz, su difusión, o sus propiedades especulares. Así pues, la estructura de protección, los materiales de la envolvente que forma las caras y laterales de la misma, así como la caracterización de factores clave como la orientación y la ubicación están diseñados de la manera más conveniente para permitir la captación de la radiación fotosintéticamente activa (PAR).

Por otra parte, los dispositivos de cultivo en vertical, también diseñados mediante el software de análisis y control, son de gran altura, modulares y ligeros. Estos dispositivos son el soporte de los estantes o racks de cultivo y forman un sistema autoportante.

Otra ventaja de este sistema es la distribución realizada para los estantes de estos dispositivos de cultivo en vertical, que son capaces de albergar altas densidades de plantación y realizar una eficaz captación de la luz solar.

Además, estos estantes tienen la posibilidad de desplazarse para lograr el máximo de captación de la radiación solar y aprovechar el máximo de la superficie interior de la estructura de protección. Este desplazamiento puede realizarse únicamente en aquellos estantes ubicados a cotas más bajas, que son los que reciben menos radiación, o en todos los estantes del dispositivo.

Se desplazan hacia la zona del pasillo, para aprovechar estos espacios cuando no se estén realizando labores de cultivo por parte de los operarios, por lo que todo el espacio interior de la estructura es aprovechado.

Además, para la climatización es posible utilizar el agua como filtro óptico de la luz solar mediante la disposición de una lámina de agua sobre la cubierta. Con ello se logra minimizar el consumo energético de los distintos actuadores climáticos necesarios para un sistema semicerrado de refrigeración.

Esto es así pues el agua tiene la capacidad de filtrar espectrales de la radiación solar, absorbiendo la radiación infrarroja cercana (NIR), reduciendo el calentamiento de la envolvente y la difusión de calor al interior y, al mismo tiempo, permitir la entrada de la radiación PAR, que es la que es capaz de producir la actividad fotosintética de las plantas.

Resulta por tanto un sistema muy eficaz que logra una producción de alimentos mediante un cultivo vertical sin iluminación artificial, utilizando el diseño y disposición de las estructuras para priorizar el acceso y distribución de la luz solar al interior y mediante un sistema de climatización de bajo consumo energético que utiliza el agua y la luz solar como base.

Con esto es posible acercar la producción agrícola a las zonas de consumo, aumentando la producción y reduciendo la huella de carbono de los cultivos así generados.

Breve descripción de los dibujos

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se aporta como parte integrante de dicha descripción, una serie de dibujos donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de una estructura de soporte de un sistema constructivo para producción agrícola en vertical, para una primera realización preferida de la invención.

La Figura 2.- Muestra una vista en perfil de una estructura de soporte de un sistema constructivo para producción agrícola en vertical, para una primera realización preferida de la invención.

Las Figuras 3.1 y 3.2.- Muestran sendas vistas en alzado de una estructura de soporte con los dispositivos de cultivo en su interior, para una posición extendida y retraída de los estantes respectivamente, de un sistema constructivo para producción agrícola en vertical, para una primera realización preferida de la invención.

La Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de un sistema constructivo para producción agrícola en vertical, para una primera realización preferida de la invención.

Descripción detallada de un modo de realización preferente de la invención

A la vista de las figuras aportadas, puede observarse cómo en un primer modo de realización preferente de la invención, el sistema constructivo para producción agrícola en vertical que aquí se propone comprende una estructura (4) de protección que presenta un primera cara (1) orientada al norte formada por una lámina de material opaco y reflectante, una segunda cara (2) orientada al sur, al menos dos laterales (3) de menor dimensión intercalados con dichas primera y segunda cara (1, 2) y, una cubierta (5) con una vertiente que presenta un primer ángulo (6) de inclinación respecto al plano horizontal.

Por su parte, la segunda cara (2) y los laterales (3) están formados por un material transparente y el suelo (7) presenta un material con propiedades reflectantes.

Como se muestra en las Figuras 1 y 2, esta estructura presenta dos laterales (3) y la segunda cara (2) presenta una inclinación de 70° respecto de la horizontal.

El sistema comprende a su vez una pluralidad de dispositivos (8) de cultivo en vertical multinivel dispuestos en paralelo en el interior de la estructura (4) de protección, tal y como se muestra en la Figura 3. Estos dispositivos (8) están separados por pasillos (9) longitudinales.

Como puede observarse en las Figuras 3.1, 3.2 y 4, cada uno de dichos dispositivos (8) comprende un bastidor (10) formado por dos laterales inclinados y simétricos unidos en su extremo superior con un segundo ángulo (11) de inclinación respecto de la vertical, una pluralidad de estantes (12) de soporte de los cultivos sujetos a cada lateral en distintos niveles del mismo, y un mecanismo de desplazamiento de al menos el estante (12) inferior, tal que presenta una posición extendida hacia el pasillo (9), representada en la Figura 3.1 y una posición retraída más próxima al lateral del bastidor (10), que se muestra en la Figura 3.2.

El valor del primer y el segundo ángulo (6, 11) de inclinación son obtenidos mediante la aplicación de un software de diseño arquitectónico con unos criterios de radiación solar óptima y homogeneidad de la misma en el estante (12) inferior, siendo éste el más desfavorable.

Dicho software presenta un algoritmo de síntesis de imágenes que calcula la trayectoria de la luz como píxeles en un plano, simulando su efecto sobre las superficies virtuales sobre las que incide. Este software realiza el cálculo para modelos mensuales y anuales en la localización concreta en la que interesa ubicar el sistema y en este cálculo se definen la trayectoria y cantidad de iluminación natural que alcanza el interior de la estructura (4), para poder definir de este modo la situación más adecuada y eficaz de los elementos con propiedades ópticas.

El software realiza un análisis de la irradiación en función al ángulo de incidencia para determinada latitud, y con ello se obtiene la radiación acumulada en un rango angular de la estructura (4). El resultado son unos ángulos determinados que presentan el mejor aporte de la radiación solar. Este dato se utiliza para definir la geometría de la estructura (4) y de los dispositivos (8) de cultivo con los estantes (12), determinando cuál es el óptimo valor para el primer ángulo (6) de inclinación de la cubierta (5), así como el del segundo ángulo (11) de inclinación de cada lateral de los dispositivos (8) tomando como referencia el estante (12) inferior de los dispositivos, que es el más desfavorable

En este primer modo de realización preferente de la invención, el valor de dicho primer ángulo (6) está comprendido entre 3 y 10°, siendo un valor balance de las propiedades ópticas y una altura razonable para la primera cara (1) de la estructura (4).

El cultivo en dichos dispositivos (8) se realiza por hidroponía, pero en otros modos de realización puede realizarse mediante aeroponía o similar.

Por otra parte, en este primer modo de realización, como se muestra en las Figuras 3.1 y 3.2, los pasillos longitudinales están dispuestos según una perpendicular a la primera y segunda cara. Además, en este modo de realización, siendo la distancia entre los extremos inferiores de los laterales del bastidor (10) de un valor de 4 metros, el pasillo longitudinal entre dispositivos presenta un ancho de 1 metro.

En este primer modo de realización el material de formación de los laterales (3) y de la segunda cara (2) de la estructura (4) es policarbonato celular de al menos una capa. En este caso en concreto es un policarbonato de doble capa.

El material del suelo (7) presenta una pintura o un geotextil con propiedades reflectantes.

Las propiedades de transparencia de la segunda cara (2) y de los laterales (3), la propiedad reflectante del suelo (7) y la opacidad de la primera cara (1) que permite la salida de más radiación de la que recibe, favorecen una mayor iluminación de las plantas con la luz solar que entra en la estructura (1). En concreto, la reflectancia del suelo (7) permite aumentar la iluminación que reciben los estantes (12) situados en las cotas más bajas.

Según otro aspecto, en este primer modo de realización, el mecanismo de desplazamiento de cada dispositivo (8) de cultivo en vertical está conectado a los tres estantes (12) del dispositivo (8) situados a menor cota. En otros modos de realización puede estar conectado a un número diferente de estantes (12), incluso a todos los estantes (12) del dispositivo (8).

Dicho mecanismo de desplazamiento comprende un motor para cada dispositivo (8) y este motor está conectado a un conjunto transmisor de cada uno de los estantes (12) que se desea que tengan capacidad de desplazamiento.

El conjunto transmisor comprende un eje (14) motriz de conexión al motor (no representado en las figuras), unos piñones de conexión entre el eje (14) motriz y una cremallera (16) dispuesta en horizontal, y un perfil de arrastre (15) conectado al estante (12) y a dicha cremallera (16) tal que es susceptible de desplazamiento a lo largo de la misma.

Este primer modo de realización preferente presenta una climatización semicerrada por lo que se cuenta con mecanismos de ventilación (13) mecánica forzada, que facilitan regular la velocidad del aire sobre las plantas. Se trabaja con presión positiva evitando la inclusión de plagas y el mínimo o ningún uso de pesticidas.

Se instalan unos ventiladores en la primera cara (1), que es opaca, para no generar sombras indeseadas sobre los cultivos. En los laterales (3) del invernadero y la segunda cara (2) se sitúan exclusas para la salida del aire presurizado.

Según las necesidades interiores de humedad y refrigeración pueden plantearse equipos de refrigeración evaporativa, que puedan aportar aire humectado.

En un segundo modo de realización de este sistema, comprende además un mecanismo de climatización pasiva mediante agua formado por una recirculación de una lámina de agua sobre la cubierta (5) de la estructura (4) y comprende unos depósitos de agua, un equipo de bombeo desde los mismos, una red de conducción de agua y una conexión eléctrica al mecanismo.

Esta lámina de agua permite minimizar el consumo energético de refrigeración, pues se aprovecha la capacidad de filtro óptico del agua para absorber la radiación infrarroja y permitir el acceso de la PAR, reduciendo el calentamiento de las caras y laterales de la estructura (1) y la difusión del calor al interior.

En este caso, el cálculo del primer ángulo (6) de inclinación de la cubierta (5) debe tener en cuenta la existencia de dicha lámina de agua y el valor de dicho primer ángulo (6) debe ser una solución de compromiso entre los aspectos ópticos, y los aspectos constructivos y técnicos.

En este segundo modo de realización preferida, el mecanismo de climatización comprende una serie de represas de contención de la lámina de agua. Estas represas logran disminuir el caudal de agua, reduciendo la potencia de bombeo necesaria.

Se han realizado simulaciones para distintos espesores (5-10-20-40-80mm) de la lámina de agua en cuatro ubicaciones diferentes y se ha obtenido como resultado que un espesor de lámina de agua de 80mm proporciona un ahorro energético considerable y el consumo en refrigeración disminuye. No obstante, la reducción del consumo no es lineal con el espesor, pues los primeros milímetros logran más ahorro que los siguientes.

El valor óptimo se obtiene a partir de los datos obtenidos para cada espesor de la lámina de agua y los estudios posteriores con potencias de bombeo, así como la utilización de represas. En este segundo modo de realización preferida, la lámina de agua presenta como valor óptimo un espesor comprendido entre 15 y 25mm y el caudal de circulación está comprendido entre 3 y 10l/s.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1- Sistema constructivo para producción agrícola en vertical, caracterizado por que comprende

   - una estructura (4) de protección que comprende un primera cara (1) orientada al norte formada por una lámina de material opaco y reflectante, una segunda cara (2) orientada al sur, al menos dos laterales (3) de menor dimensión intercalados con dichas primera y segunda cara (1, 2) y, una cubierta (5) con una vertiente que presenta un primer ángulo (6) de inclinación respecto al plano horizontal, donde la segunda cara (2) y los laterales (3) están formados por un material transparente y el suelo (7) presenta un material con propiedades reflectantes, y;

   - una pluralidad de dispositivos (8) de cultivo en vertical multinivel dispuestos en paralelo en el interior de la estructura (4) de protección, separados por pasillos (9) longitudinales, donde cada dispositivo (8) comprende un bastidor (10) formado por dos laterales inclinados y simétricos unidos en su extremo superior con un segundo ángulo (11) de inclinación respecto de la vertical, una pluralidad de estantes (12) de soporte de los cultivos sujetos a cada lateral en distintos niveles del mismo, y un mecanismo de desplazamiento de al menos el estante (12) inferior, tal que presenta una posición extendida hacia el pasillo (9) y una posición retraída más próxima al lateral del bastidor (10);

   donde el valor del primer y el segundo ángulo (6, 11) de inclinación son obtenidos mediante la aplicación de un software de diseño arquitectónico con unos criterios de radiación solar óptima y homogeneidad de la misma en el estante (12) inferior, siendo éste el más desfavorable.

   2- Sistema según la reivindicación 1, donde los pasillos (9) longitudinales están dispuestos según una perpendicular a la primera y segunda cara (1, 2).

   3- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material de formación de los laterales (3) es policarbonato celular de al menos una capa.

   4- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material del suelo (7) presenta una pintura o un geotextil con propiedades reflectantes.

   5- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer ángulo (6) está comprendido entre 3 y 10°.

   6- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el mecanismo de desplazamiento está conectado a los tres estantes (12) del dispositivo (8) situados a menor cota.

   7- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el mecanismo de desplazamiento está conectado a todos los estantes (12) del dispositivo (8).

   8- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el mecanismo de desplazamiento de al menos un estante (12) de un dispositivo comprende un motor conectado a un conjunto transmisor de cada estante, donde dicho conjunto transmisor comprende un eje (14) motriz de conexión al motor, unos piñones de conexión entre el eje (14) motriz y una cremallera (16) dispuesta en horizontal, y un perfil de arrastre (15) conectado al estante (12) y a dicha cremallera (16) tal que es susceptible de desplazamiento a lo largo de la misma.

   9- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un mecanismo de climatización pasiva mediante agua formado por una recirculación de una lámina de agua sobre la cubierta (5) de la estructura (4) y comprende unos depósitos de agua, un equipo de bombeo desde los mismos, una red de conducción de agua y una conexión eléctrica al mecanismo.

   10- Sistema según la reivindicación 9, donde la lámina de agua presenta un espesor comprendido entre 15 y 25mm y el caudal de circulación está comprendido entre 3 y 10l/s.

   11- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 9 o 10, donde el mecanismo de climatización comprende una serie de represas de contención de la lámina de agua.