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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE ELECTROTECNIA Y COMPUTACION
TESIS MONOGRAFICA PARA OPTAR AL TITULO DE
INGENIERO ELECTRICO
“ESTUDIO DE PRE FACTIBILIDAD TECNICO-ECONOMICO PARA LA UTILIZACION DE PANELES FOTOVOLTAICOS PARA EL SECADO ARTIFICIAL DE CAFÉ EN LA HACIENDA LA ESPERANZA DE JINOTEGA”
PRESENTADO POR:
CARLOS ERNESTO MORALES ALVARADO
TUTOR:
ING. CARLOS ABRAHAM PEREZ MENDEZ
MANAGUA, MAYO 2013
DEDICATORIA
En primer lugar quiero brindar un caluroso saludo a la
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA, nuestra alma mater,
por su 30 aniversario; así también a la empresa SUNISOLAR, S.A
por abrirme sus puertas y a todos los involucrados en esta tesis
monográfica, desde su creación hasta su corrección final.
INDICE
I. INTRODUCCION…………………………………………………………. 1
II. ANTECEDENTES…………………………………………………………3
III. JUSTIFICACION ………………………………………………………...4
IV. OBJETIVOS………………………………………………………………5
V. MARCO TEORICO………………………………………………………..7
5.1 Café………………………………………………………………………..7
5.2 Estructura del fruto del café……………………………………………….7
5.3 Características del café…………………………………………………….8
5.3.1 La fragancia……………………………………………………….8
5.3.2 El aroma…………………………………………………………..8
5.3.3 El sabor……………………………………………………………8
5.3.4 El cuerpo………………………………………………………….8
5.4 Características de la producción de café en Nicaragua……………………8
5.4.1 Café pergamino…………………………………………………..9
5.4.2 Café oro…………………………………….…………………….9
5.5 El beneficio del café……………………………………………………….9
5.6 El método húmedo………………………………………………………..10
5.6.1 Pasos para el beneficiado húmedo……………………………….10
5.6.1.1 Proceso del beneficio húmedo del café……………………….10
5.6.2.1 La cosecha de café…………………………………………….11
5.6.2.2 El boyado…………………………………………………….11
5.6.2.3 El despulpado…………………………………………………11
5.6.2.4 La fermentación natural del café………………………………11
5.6.2.5 El lavado………………………………………………………..12
5.6.2.6 El secado……………………………………………………….12
5.7 Beneficio húmedo ecológico……………………………………………...13
5.8 Principales elementos del sistema del beneficio del café………………13
5.8.1 Bomba centrífuga………………………………………………..13
5.8.2 Motor eléctrico…………………………………………………13
5.8.3 Tanques de fermentación…………………………………………14
5.8.4 Pilas de lavado………………………………………….………14
5.8.5 Generador eléctrico………………………………………………14
5.8.6 Despulpador………………………………………………………..14
5.8.7 Desmucilaginador……………………………………………......16
5.8.8 El recibo del café………………………………………………16
5.8.9 El secado en patios………………………………………………16
5.8.10 El secado artificial……………………………………………17
5.9 Principales elementos del secado artificial………………………………17
5.9.1 Secador de tambor rotativo………………………………………17
5.9.2 Caldera…………………………………………………………17
5.9.3 Generador eléctrico……………………………………………17
5.9.4 Energía solar……………………………………………………17
5.9.5 Efecto fotovoltaico………………………………………………18
5.9.6 Inclinación del arreglo fotovoltaico……………………………18
5.9.7 Eficiencia de la celda……………………………………………20
5.9.8 Potencia pico…………………………………...………………20
5.9.9 Eficiencia de la conservación de la energía……………………20
5.9.10 Insolación máxima horas pico………………………………………21
5.9.11 Regulador de carga……………………………………...………….21
5.9.12 Batería…………………………………………………………22
5.9.13 Inversor…………………………………………………………22
5.9.14 Panel eléctrico…………………………………………………23
5.9.15 Protecciones electromecánicas…………………………………23
VI. HIPOTESIS…………....………………………………………………….24
VII. DISEÑO METODOLOGICO……………………………………………25
VIII. ANALISIS Y RESULTADOS…………………………………...……27
8.1 Principales variables que afectan el secado tradicional……………...27
8.2 Gráficos de temperatura y radiación solar en Jinotega……………29
8.4 Tabla incidencia promedio de radiación solar……………………30
8.5 Tabla incidencia temperatura anual en Jinotega……………………30
8.6 Diseño de módulos fotovoltaicos…………………………………31
8.6.1 Consumo de carga…………………………………………31
8.6.2 Ajustes por efecto de temperatura…………………………32
8.6.3 Cálculo de la eficiencia del sistema………………………32
8.6.4 Ajuste de potencia Wh/dia………………………………32
8.6.5 Cálculo de módulos………………………………………32
8.7 Diseño del sistema fotovoltaico……………………………………34
8.7.1 Ajuste en Wh/dia…………………………………………34
8.7.2 Cálculo del tamaño del banco de batería…………………34
8.7.3 Tamaño del banco de baterías en Ah……………………35
8.7.4 Cálculo del número de baterías en paralelo…...…………36
8.7.5 Cálculo del número de baterías en serie…………………36
8.7.6 Número de batería para el banco…………………………36
8.8 Comparativa de tiempos de secado de café pergamino………….…38
8.8.1 Secado mecanizado……………………………………….38
8.8.2 Secado en patios…………………………………………39
8.9 Comparación entre método tradicional contra método artificial…40
8.10 Costo y presupuesto del sistema fotovoltaico……………..……41
8.10 1Materiales y accesorios…………………………………41
8.10.2 Sistema fotovoltaico………...……………………………42
8.10.3 Costo de componentes sistema fotovoltaico…...……..…42
8.10.4 Costo del secador rotativo automatizado…………….….43
8.10.5 Costo de operación y producción……...…………………43
8.10.6 Costo de mantenimiento e insumo……...………………44
8.11 Ingresos del proyecto………...………..…………………………45
8.11.1 Ingresos vía secado tradicional……………….…………45
8.11.2 Ingresos vía secado tecnológico………………………….45
8.12 Análisis financiero………………..……………………………….46
8.12.1 Gráfico del perfil del VPN………………………………47
8.12.2 Recuperación de la inversión del proyecto……...………48
IX Conclusiones…………………………………………………….…49
X Recomendaciones…………………………………………………...50
XI Bibliografía…………………………………………………………51
RESUMEN DEL TEMA
Los sistemas fotovoltaicos surgen como una necesidad de suministrar energía
eléctrica en aquellas zonas donde no existe próxima una red eléctrica de
distribución comercial que permita abastecer de energía a estos usuarios. La
modalidad de este sistema es através de paneles solares fotovoltaicos para
suplir potencias, alimentando equipos eléctricos en aéreas donde las redes
eléctricas aún no tienen acceso y con el propósito de disminuir el consumo
objeto de facturación.
Como una forma de resolver tanto la afectación al medio ambiente con los
sistemas de generación a base de derivados de petróleo y el incremento del
costo económico y ambiental de los combustibles fósiles, ha venido ganando
lugar en la matriz energética de Nicaragua, el uso de energías alternativas
renovables. Para este caso propiamente, energía solar fotovoltaica, el usuario se
suple la energía a sí mismo sin tener que depender de alguna empresa de
energía. Esto ocurre por la propia naturaleza de los sistemas fotovoltaicos que
no requieren centralización, combinados con altos costos que impiden a las
compañías de energía la venta de de energía eléctrica con remuneración
comparable a las tecnologías de combustibles fósiles.
Los elementos que componen un sistema de generación fotovoltaico estándar
son: módulo o panel solar, regulador de carga (en caso de usar baterías),
convertidor DC/DC, Inversor DC/AC, banco de baterías, protecciones,
conductores y carga a alimentar.
La utilización de paneles solares fotovoltaicos, para el secado artificial de café se
realizará en la hacienda la esperanza en la ciudad de Jinotega departamento de
Jinotega, comunidad el Yanke, ubicada a 20 kilómetros sudeste de la cabecera
departamental. Esta hacienda tiene actualmente cultivada cierta área de
variedad de café arábigo, con una producción promedio por cosecha al año de
600 fanelas de café equivalentes a 1,080 quintales de café pergamino.
Se pretende dar una alternativa al secado tradicional, que es por medio de
exposición solar en patios de los granos de café pergamino húmedo, a través de
la implementación de un secador tipo guardiola (secador rotativo en forma de
tómbola, donde es colocado el café para dejar pasar un cantidad de aire caliente
lo suficiente para homogenizar eficientemente el grano de café) alimentado por
un sistema solar fotovoltaico.
Cabe mencionar que los rendimientos de los sistemas fotovoltaicos son altos,
con un rango de 40 a 45% en comparación con los de las plantas
convencionales de generación de energía eléctrica, que se encuentran entre los
rangos de 28 a 35%, de aquí la importancia de la implementación de este tipo de
sistemas.
1
I.INTRODUCCION
El presente estudio desarrolla una investigación tanto técnica como económica,
evaluando la alternativa para el secado de granos de café a partir de paneles
solares fotovoltaicos la cual se compara con el método tradicional hasta la fecha
implementada, relacionando comparativamente las variables técnico-
económicas de ambas formas de secado.
La macrolocalización del sitio objeto de este estudio, se ubica en la hacienda
Esperanza en Jinotega, de la comunidad el Yanke, dicho lugar se encuentra a
25 km de la red de distribución.
Como principal actividad agrícola, esta hacienda realiza el secado de granos de
café a través de beneficio húmedo en el cual el café luego de ser despulpado,
fermentado y lavado es llevado a al aire libre para que se seque de forma natural
en patios. Este método tradicional es bastante sencillo y económico para el
secado del café, no obstante no deshidrata el máximo porcentaje de humedad
del grano ni lo hace de forma homogénea porque tiene que ser constantemente
removido, también se somete al grano a los factores medioambientales y el
tiempo de prolongación del proceso dura mucho de hasta varias semanas por
lotes de 0.58 qq de café pergamino húmedo.
Actualmente luego del proceso extensivo del secado, la producción es enviada a
centros de acopio donde se termina de extraer la humedad del grano de forma
artesanal y en ocasiones industrial, este último muy pocas veces puesto que
resulta alto el costo de la factura eléctrica. El secado es la etapa del
procesamiento del café donde se elimina la humedad del producto con el fin de
llevarlo a condiciones adecuadas y seguras de almacenamiento sin sufrir daños
en su estructura interna por el crecimiento de microorganismos.
2
Existen otros métodos industriales actuales para el secado de la semilla de café
que utilizan grupos electrógenos, los cuales liberan gran cantidad de
contaminantes y poseen costos de operación altos.
Por lo tanto, mediante el presente estudio determinaremos la características
tanto técnicas como económicas de los sistemas fotovoltaicos para el secado de
café y así evaluar el índice de productividad, la calidad del producto y los
beneficios que conlleva el uso de esta tecnología, la cual consiste en hacer girar
un cilindro por medio de un motor eléctrico monofásico y dejando pasar una
corriente de aire, que será alimentada con la propia cascarilla del café a una
temperatura adecuada por toda la carga del café de forma homogénea; con una
fuente de energía renovable, un sistema fotovoltaico, y evaluaremos técnica y
económicamente los beneficios de utilización de tecnologías renovables y
amigables con el medio ambiente.
3
II. ANTECEDENTES
La finca “Hacienda Esperanza” está ubicada en el municipio de Jinotega,
departamento de Jinotega, en la comunidad el Yanke. El cultivo del café en ésta
hacienda se inició en la década de los años 80 junto con otros cultivos como la
piña y el frijol. Pero poco tiempo después el cultivo del café fue el único que
perduró hasta la actualidad, ya que representó y sigue representando el rubro de
mayor ingreso económico, por lo tanto el más importante para el propietario de
la finca. Esta finca actualmente tiene un área cultivada con una variedad de café
arábigo de aproximadamente 42.3 hectáreas (60 manzanas), con una
producción promedio por cosecha de 200 quintales de café oro (9,200 kg) en la
última década.
Durante cada período de post-cosecha el secado de este rubro se ha realizado
de manera tradicional sin ningún control. Además es enviado para optimizar este
secado a centros de acopio donde se termina de deshidratar el grano a un 12
porciento de humedad que es el adecuado para el grano no sea atacado por
microorganismos en el almacenamiento.
Por consiguiente se ha propuesto al propietario de la finca “Hacienda la
Esperanza” implementar como alternativa, un sistema tecnológico con el fin de
optimizar el secado del café, reduciendo el tiempo de este proceso, mejorando la
calidad y productividad, además de reducir costos al enviar el rubro a centros de
acopio.
4
III. JUSTIFICACION
Uno de los indicadores relevantes para la economía de un país, lo representa su
nivel de productividad, basado en un nivel óptimo de costos de inversión con
relación a los niveles de producción, que se justifican por el uso de nuevas
tecnologías que cuidan el medio ambiente. Bajo este marco conceptual tiene
cabida el desarrollo de la presente tesis, que realiza un estudio comparativo
entre un método tradicional de secado y el uso de fuentes renovables para
realizar el mismo proceso, que permiten además el acceso a tecnologías limpias
y renovables como lo son los paneles fotovoltaicos para la generación de
electricidad y de esta forma optimizarlos procesos de secado del café.
5
IV.OBJETIVOS:
OBJETIVO GENERAL:
Determinar la incidencia de las variables que afectan el proceso de
secado de granos de café en la hacienda Esperanza departamento de
Jinotega.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Estudiar los procesos de producción de beneficio húmedo café oro
Reflejar datos de incidencia solar en Nicaragua
Validar datos de las condiciones actuales en que se realiza el proceso de
secado de granos, determinando la tecnología que se utiliza.
Determinar las potencialidades de mercado para el producto terminado
bajo condiciones de uso de nuevas tecnologías de secado.
6
V. MARCO TEORICO
5.1 Café:
Los cafetos son arbustos de las regiones tropicales del género Coffea, de la
familia de los rubiáceos, y está formado por numerosas especies. Dos son las
especies que se utilizan para la preparación de la bebida, aunque también se
han probado otras especies del género Café con gran éxito y difusión.
Coffea arábica: siendo ésta a nivel mundial la más cultivada e importante
debido a que más del 70% de la producción proviene de ella. Produce un
café fino y aromático, y necesita un clima más fresco. Está compuesta de
numerosas variedades de las cuales algunas son mutaciones y otras
híbridos. Entre las principales variedades tenemos: typica, bourbon,
maragogype, caturra, mundo novo, catuaí, etc.
Coffeacanéphora o cafeto robusta: ofrece una bebida rica en cafeína;
fuerte y más ácido, usualmente usado para la fabricación de café soluble o
instantáneo y mezclas. El robusta se adapta a terrenos llanos, con
rendimientos más elevados. Existen especies como fuente de material
genético, entre las cuales se puede mencionar: C. dewevrei, C. ibérica, C.
eugenoides, etc.1
5.2Estructura del fruto del café
La semilla o grano oro (2. Endospermo) en su
interior contiene al germen (1), los que están
cubiertos por una fina película de color blanco
plateada denominada cutícula
(3.Espermodermo) y por una cáscara
cartilaginosa llamada pergamino (4. 1Ordoñez Henry Roderico:Manual de caficultura. Anacafe, Guatemala, segunda edición.
Figura 1: fruto de café
7
Endocarpio), formando todos el café pergamino (5); después la semilla
sigueenvuelta por una sustancia gelatinosa llamada mucílago (6. mesocarpio) y
por último por la cáscara o pulpa (exocarpio). Constituyéndose así el fruto de
café maduro llamado uva.2
5.3 Características del Café
5.3.1 La fragancia: es la característica con la que se inicia la catación,
valorando el café tostado y molido, a partir de la percepción de los olores y
frescura en seco, que ofrece indicios de lo que se hallará en la infusión.
5.3.2 El aroma: es una característica que describe la impresión olfativa
general de las sustancias volátiles de un café. Esta cualidad se relaciona con
la fragancia que desprende la bebida. Un aroma delicadamente fino, fragante
y penetrante es la manifestación de una calidad superior.
5.3.3 El sabor: es una característica que describe la combinación compleja
de los atributos gustativos y olfativos percibidos en la bebida durante la
catación.
5.3.4 El cuerpo: es una característica determinada por el contenido de
sólidos solubles en la bebida y resulta de la combinación de varias
percepciones captadas durante la catación como la sensación de plenitud y
consistencia. El café robusta se caracteriza por tener un elevado cuerpo.3
2Guerrero Juan: Estudio de Diagnostico y Diseño de Beneficios Húmedos de Café, IICA Nicaragua –
Promecafé, 95 pag. 3COFENAC (Consejo Cafetalero Nacional): Informe Técnico, Influencia de Métodos de Beneficio Sobre
la Calidad del Café, Ecuador, Septiembre 13 del 2010.
8
5.4 Características de la Producción de Café en Nicaragua
El 95% del café producido en Nicaragua es cultivado en sombra, lo que
garantiza una calidad suprema. El 100% del café nicaragüense es Arábica
lavado, y sus variedades son: Caturra, Borbón, Maragogipe, Típica y Cautilla. La
especie Arábica es la más apreciada, crece en alturas entre 900 y 2,000 metros.
Su contenido en cafeína es relativamente bajo (entre un 0.9% y un 1.5%), y su
cultivo es más delicado por lo que requiere más cuidado. Sus frutos son
redondos, suaves, levemente agrios, color achocolatado, de corteza lisa e
intenso perfume.
5.4.1 Café pergamino: es el grano de café que está cubierto por la
cascarilla denominada comúnmente pergamino. Es el grano procedente de
frutos maduros, bien despulpados, con fermentación adecuada, lavado, de
coloración blanco gris o amarillo claro, no contaminada y de color
característico. Nicaragua exporta muy poco de este producto, ya que lo que
exporta principalmente es el café oro.
5.4.2 Café Oro: este término se usa para el grano de café que se le han
separado las distintas envolturas a través del procesamiento agroindustrial.
Una vez que se han recolectado los frutos del cafetal, han de ser procesados
por uno de los dos métodos.4
5.5El beneficio de café: Se podría definir como el proceso mediante el cual se
transforma el fruto (café en fruta) en producto comercial (café oro). Este proceso,
igual al que se utiliza en la recolección, en las prácticas agronómicas, puede
incidir en la calidad del grano, manteniéndolo intacto o deteriorándolo si se
emplean métodos inapropiados.
4COFENAC (Consejo Cafetalero Nacional): Informe Técnico, Influencia de Métodos de Beneficio Sobre
la Calidad del Café, Ecuador, Septiembre 13 del 2010.
9
El procesamiento de los frutos maduros de los cafetos para producir el “café oro”
es una importante industria rural en varios países tropicales. No obstante, el uso
de agua para el proceso es esencial si se han se obtener granos de café de alta
calidad; en último término esto crea un riesgo de contaminar los ríos y el agua
subterránea en la medida en que se generan aguas residuales ricas en sólidos
orgánicos, muy turbias y muy ácidas.5
5.6El Método Húmedo: Es el más costoso y complejo y se emplea
principalmente con los cafés Arábicas de alta calidad, para conservar todas sus
propiedades. En presencia del agua en este tipo de beneficiado se pretende
obtener, a partir del fruto, un grano libre de pulpa, y con el mucílago
debidamente lavado.
5.6.1 Pasos Para el Beneficiado Húmedo
El beneficiado húmedo es un proceso para transformar los frutos del cafeto de
su estado uva a café pergamino. Este se desarrolla en dos fases; la primera es
la húmeda o despulpe y la segunda es el secado que termina con la obtención
de café pergamino seco para su almacenamiento.
El beneficio por la vía húmeda convencional comprende las siguientes fases:
cosecha selectiva, acopio, boyado, despulpado, fermentado, lavado y secado.
5Evaluación de los sistemas tradicional y ecológico de beneficio húmedo de café, Honduras.
10
cosechas selectivas y
Acopio Interno
Boyado
Despulpado
Fermentado
Lavado
Cafe pergamino Humedo
Secado
5.6.1.1 Proceso del Beneficio Húmedo Del Café6
5.6.2.1 La cosecha de café: consiste en recolectar selectivamente solo las
cerezas maduras, evitando el quiebre de las ramas y la destrucción de las
yemas florales y las hojas La cosecha de café debe realizarse en estado de
cereza madura Se debe evitar cosechar los frutos verdes o inmaduros, porque
tienen bajo rendimiento y provocan en la bebida un gusto verdoso.
El café cereza o café uva cosechado es colocado en sacos limpios y
transportado a la planta de beneficio, donde se encuentran los equipos
necesarios para el procesamiento. El lugar donde se acopia el café, tiene que
estar limpio y libre de contaminación.
5.6.2.2 El boyado: consiste en sumergir en agua las cerezas de café
recolectadas, para que las impurezas y los granos vanos floten y sean extraídos.
Luego, se escurre toda el agua con impurezas y las cerezas limpias quedan en
el fondo del recipiente.
6COFENAC (Consejo Cafetalero Nacional): Informe Técnico, Influencia de Métodos de Beneficio Sobre la Calidad del
Café, Ecuador, Septiembre 13 del 2010.
11
5.6.2.3 El despulpado: consiste en eliminar la pulpa, usando máquinas
despulpadoras. Esta operación debe realizarse el mismo día de la cosecha.
Cuando la despulpadora no se ha ajustado adecuadamente, los granos se
quiebran, dando como resultado granos mordidos, en los cuales pueden
introducirse microorganismos y formar granos hediondos o negros que afectan
negativamente la calidad.
5.6.2.4 La fermentación natural del café: es el proceso por el cual el mucílago
adherido al café es degradado por enzimas que ocurren naturalmente en el café
cereza y elaborados por la micro-biota del producto natural. Después de la
fermentación, el mucílago es removido mediante lavado, permitiendo un secado
rápido de los granos y una mejora en la apariencia de los mismos, resultando
una relación directa en la calidad final de la bebida. El café despulpado es
colocado en tanques de cemento, plástico y/o madera para su fermentación.
Durante este proceso ocurren cambios significativos en la disminución de la
viscosidad del mucílago debido a la actividad de la pectina, después de algunas
horas de fermentación.
Cuando la fermentación de café es prolongada por mucho tiempo, se produce
una sobre fermentación y la influencia de microorganismos se acentúa y
comienza el proceso de producción de compuestos responsables de sabores
indeseables. Se considera, además que cuando hay presencia de pulpa,
cerezas inmaduras aplastadas, y cerezas sin despulpar y de menor tamaño en la
fermentación repercute negativamente en la calidad de la bebida.
5.6.2.5 El lavado: se realiza para eliminar todo el mucílago y sustancias
solubles que se forman durante la fermentación. En el caso de los cafés
fermentados naturalmente se requiere alrededor de 40 litros de agua por
kilogramo de café pergamino seco. Para lavar el café se utilizan tanques tina o
de fermentación, recipientes, canalones, de acuerdo al volumen de producción a
beneficiarse y al tipo de planta de beneficio. El agua utilizada para lavar, como
12
en todas las etapas de elaboración, debe ser limpia para asegurar la calidad del
producto final. El agua sucia o agua contaminada con sedimento fino y el agua
reciclada con un gran contenido de sólidos pueden dejar gustos terrosos y otros
gustos extraños.
5.6.2.6 El secado: es la etapa de beneficio que tiene el propósito de disminuir
la humedad del grano hasta llegar al 10-13 por ciento, porcentaje con el que se
puede almacenar el café sin sufrir ataques de hongos o adquirir olor y sabor
indeseables. En el secado del café pergamino se deben extremar las
precauciones, debido a que el grano es altamente higroscópico y sensible para
absorber los olores del medio que lo rodea, lo que se manifiesta en la calidad de
la bebida. El secado natural o al sol se realiza en tendales o patios de cemento;
y/o, en las marquesinas. El secado al sol permite lograr una mejor calidad si los
granos no se rehumedecen; por eso, es conveniente cubrir inmediatamente el
café con lonas, en caso de lluvias.El café pergamino, debe secarse lo más
uniforme posible; para lograrlo, los granos se esparcen en capas delgadas de 3-
5 centímetros de espesor, conforme aumente el secamiento, removiendo de 3 a
7 veces al día para acelerar y emparejar el grado de secado. El tiempo del
secado al sol depende de las condiciones climáticas de la región, del espesor de
la capa de café y de la frecuencia con la que se remueva el grano.
5.7 Beneficio húmedo ecológico
Se denomina beneficio ecológico de café a una planta de procesamiento
agroindustrial, en la cual, el café, se transforma del estado de fruta madura a
café pergamino seco (10% de humedad) y para ello, se minimiza el uso de agua
para el procesamiento y se utilizan los subproductos (agua miel de lavado y
pulpa), para abono orgánico en las mismas plantaciones, teniendo de
13
estamanera, una instalación eficiente y limpia, sin hacer ningún daño ecológico a
su entorno.7
5.8 Principales Elementos del Sistema del Beneficio del Café
5.8.1 Bomba Centrifuga: Una bomba centrífuga es un tipo de bomba
hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio
llamado rodete en energía cinética y potencial requeridas. El fluido entra por
el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y
por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es
recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma
lo conduce hacia las tabuladoras de salida o hacia el siguiente rodete.
5.8.2 Motor Eléctrico: Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que
transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos
magnéticos variables. Algunos de los motores eléctricos son reversibles,
pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando
como generadores.
5.8.3 Tanques de Fermentación: La fermentación del café es una de las
etapas críticas de producción, el objeto de la fermentación es eliminar
la capade mucílago que rodea a los granos, el mucílago es un gel de
0.8 mm de espesor resbaladizo, traslucido, incoloro, amargo,
totalmente insoluble en agua que está adherido fuertemente al grano.
Después de preclasificados los granos son arrastrados mediante agua
a tanques de cemento que tienen el fondo inclinado para facilitar la
descarga, el agua es desalojada y durante 3 días los granos
permanecen en este tanque, diariamente los tanques se llenan
7 Toledo Girón, CintyaLizbeth:Proyecto de beneficiado ecológico de café en aldea plan de Sánchez, rabinal, salamá,
baja verapaz, Septiembre de 2003.
14
parcialmente de agua y los granos son removidos enérgicamente. Los
tanques tienen una capacidad de 5 a 30 m3 usualmente. En estos
tanques el mucílago se digiere por la acción de enzimas existentes
naturalmente y en las etapas finales por la acción microbiana. La
velocidad de fermentación depende de las condiciones ambientales lo
que dificulta el control en la etapa de fermentación, la cual es
fundamental para el sabor y olor de la bebida.
El tanque de fermentación debe ser adecuado a la cantidad de recolección de
cereza. Esto permitirá una fermentación uniforme del café recolectado y
despulpado en un solo día. De preferencia, la fermentación se hace en ausencia
de agua, porque el agua retarda la fermentación.
5.8.4 Pila de Lavado: El lavado se realiza en tanques en forma de canales
similares a los utilizados en las fases finales de despulpado, el lavado
es simplemente un remojo en agua limpia.
5.8.5 Generador Eléctrico: Un generador eléctrico es todo dispositivo
capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de
sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando
la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por
la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos
dispuestos sobre una armadura (denominada también estator).
5.8.6 Despulpador: Las máquinas despulpadoras son de dos tipos: de
cilindro y de disco. Los primeros fueron construidos por primera vez en
Ceilán, en 1810. Los segundos en 1850.
15
En el despulpador de cilindro el componente principal es el cilindro rotatorio,
montado sobre un marco o cureña que sirve de base y soporte de toda
lamáquina. El cilindro está recubierto por una camisa de lámina de cobre, con
“resaltos o botones” de diferentes características, de acuerdo con el tipo de
café a despulpar.
Al girar el cilindro, unas 120 rpm, conduce los frutos contra una lámina
cóncava “pechero metálico”, y los somete a presión y a fricción. El pechero
tiene canales cuya sección va disminuyendo, a través de los cuales se
desplazan los granos ya desperdiciados hacia las ventanillas de salida
llamadas “palacios”, en número variable según el tipo y marca del
despulpador.
La pulpa libre es arrastrada por la camisa y separada del café por medio de
cuchillas fijas, pero regulables, colocadas frente al cilindro, con una luz de
1mm, aproximadamente, que impiden el paso al grano, pero permiten el de
la pulpa desgarrada y separada, la cual es evacuada por efecto mecánico, y
por agua y gravedad.
El despulpador de disco consiste básicamente de uno a cuatro discos de
fundición, de 18” de diámetro, montado en un eje horizontal. Los discos
tienen proyecciones redondeadas, de forma y distribución variable, según el
tipo de café a procesar. También pueden estar cubiertos de secciones de
lámina de cobre o de acero inoxidable, reemplazables. Se utiliza inclusive
láminas de la empleada en los despulpadores de cilindro.
Las proyecciones o botonaduras del disco arrastran el café hasta las barras
o crestas despulpadoras., que separan la cáscara.
16
El proceso continúa en las cuchillas fijas, ajustadas bastante cerca del disco,
paralelamente, de manera que impidan el paso de los granos, pero permitan
la salida de la cáscara o pulpa.
El ajuste y graduación son muy sencillos. La velocidad de operación es de
120 rpm hasta 150 rpm. Los discos, si son de fundición, son confiables y
másresistentes al daño por objetos duros y piedras. Sin embargo, al cabo de
cierto tiempo se desgastan y el rendimiento disminuye sensiblemente.8
5.8.7Desmucilaginador:Es el proceso por el cual se desprende la
mucosidad que se encuentra entre el grano y la cereza de café, este proceso
tradicionalmente se ha realizado de manera química y artesanal, basada en
la fermentación del grano después del despulpado, lo que ocasionaba
grandes costos, por una parte ecológico debido a la utilización de abundante
cantidad de agua en el proceso que posteriormente era vertida a los cuerpos
de agua y por otra económico, debido a que el proceso de fermentación
disminuye el peso y la calidad del grano.
5.8.8El recibo del café: Esto se hace en los tanques (sifones), para facilitar
la salida del café maduro de buena calidad en el fondo y separar el fruto de
flota. La cantidad de agua para el beneficiado depende de la maquinaria, tipo
y unidades de sistema de beneficiado. El propósito del sifón es provocar la
separación del fruto sano, más pesado, de primera calidad que se va al
fondo, del fruto afectado, más liviano que flota.
5.8.9El secado en patio: El patio es un piso de ladrillo, de hormigón o tierra
compacta que se construye en lugar plano y asoleado. Cuando es de
ladrillos, se cubre con una mezcla de arena y cemento, y en sus bordes se
constituye un pequeño muro de 10 cm de alto.
8ClévesRodrigo:Tecnología en beneficiado de café, impresora Tica, Costa Rica, 1995.
17
El piso de los patios debe tener una inclinación mínima de 1.5% para facilitar
el desplazamiento de lluvia. El secado en patio es un proceso natural, que
consiste en esparcir el producto sobre un piso, en capas no mayores a 10
centímetros de espesor. El secado se realiza por la acción del viento y la
energía solar que incide sobre los granos; por ello es frecuentemente
mezclar el producto para que el secado sea homogéneo.9 El uso de patios
para el secado de café está muy difundido, debido a su simplicidad de
construcción y operación, bajo costo de inversión inicial y versatilidad.
5.8.10El secado artificial:Los sistemas para el secado artificial de granos
están constituidos por un ventilador que mueve el aire y que lo fuerza a
pasar por la masa de granos, una cámara para contener el grano y un
quemador que permite aumentar la temperatura del aire de secado. Cuando
el grano se va a secar en flujos continuos, los secadores requieren equipos
especiales para llenarlos con granos húmedos y para vaciarlos cuando los
granos están secos.
5.9 Principales elementos del secador artificial
5.9.1 Secador de tambor rotativo:El producto se mezcla constantemente
y un producto uniforme se obtiene.
5.9.2 Caldera: Se almacena y se da la combustión de la cascarilla, para
la obtención de gases a temperaturas adecuada.
5.9.3 Motor eléctrico: Un motor eléctrico es una máquina eléctrica que
transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de campos
magnéticos variables. Algunos de los motores eléctricos son reversibles,
9FAO: Manual beneficio seco de café, Perú, Julio de 2009
18
pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando
como generadores.
5.9.4 Energía solar:Se denomina energía solar fotovoltaica a la obtención
de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. Los paneles
fotovoltaicos están formados por celdas semiconductoras tipo P- N, que al
recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando
una pequeña diferencia de potencial en sus extremos10.
5.9.5 Efecto Fotovoltaico: El efecto fotovoltaico implica la conversión
directa de luz en electricidad. Esta conversión ocurre en un material
conocido como celda fotovoltaica, estas celdas pueden estar hechas de
varios materiales, pero es el silicio en su estado de pureza electrónica el
más utilizado en escala comercial. Una celda fotovoltaica típica de silicio de
6 cm de diámetro se compone de dos partes unidas formando un
emparedado y puede producir una corriente de 0.5 amperes a 0.5 volts
equivalente a un promedio de 90 w/m2 en un rango de 50-150W/m2.11 La
parte superior de la celda es dopada de manera controlada con fosforo para
darle un efecto negativo o denominado tipo N, la parte posterior es dopada
con boro para darle un carácter positivo denominado P. (Ver anexo 4)
Esta diferencia de cargas forma un campo eléctrico estático entre ambas
capas, el cual se le llama juntura. Es entonces que la luz solar o partículas
conocidas como fotones son absorbidas en la región de la unión liberando
electrones en la celda, que a la vez superan el campo eléctrico, para pasar a
través de la celda. Finalmente estos electrones recorren un circuito
produciendo así la electricidad (Anexo 4). Estas celdas fotovoltaicas son
usualmente interconectadas eléctricamente para obtener el voltaje y la
corriente necesarios para una aplicación determinada.
10John Wiles: Technology Development Institute. USA, September 2005 11National electrical code and phofovoltaic system, Quincy, Massachusetts; USA.
19
5.9.6 Inclinación del arreglo fotovoltaico: La máxima energía se
obtiene cuando los rayos solares llegan perpendiculares a la superficie del
captador. En el caso de arreglos fotovoltaicos la perpendicularidad entre
las superficies de los módulos y los rayos solares, solo se puede
conseguir si las estructuras de montaje del arreglo se mueven siguiendo
al sol.
Existen estructuras de soporte del arreglo que ajustan automáticamente el
azimut y/o la elevación. Estas estructuras de montaje se
llaman seguidores. Generalmente el ángulo de elevación del arreglo es
fijo. En algunos casos se usan seguidores azimutales. Dependiendo de
la latitud del lugar, los seguidores azimutales pueden incrementar la
insolación promedio anual en un 15-25%.
En el caso de que no se tenga un seguidor solar, el arreglo se monta en
una estructura fija (Ver anexo 1). Este montaje tiene la ventaja de ser
muy sencillo. Debido a que el ángulo de elevación del Sol cambia durante
el año, se debe tener un criterio de selección del ángulo óptimo del
arreglo que garantice la máxima producción de energía eléctrica12. En el
hemisferio Norte el Sol se declina hacia el Sur, por lo cual se requiere que
los arreglos fijos se coloquen inclinados (respecto de la horizontal) viendo
hacia el Sur.13
La energía que se entrega en un módulo fotovoltaico depende de la
irradiación y temperatura, es posible estimar la energía eléctrica en
(Khw/dia) que se espera en el arreglo de cierta potencia nominal
utilizando las siguientes aproximaciones.(Veranexo 3)
12John Wiles: Technology Development Institute. USA, September 2005 13Solar WP guideenergía: Jeromin, chihuahua, México 2006
20
5.9.7 Eficiencia de la celda: La eficiencia de la celda va entre el 6%
hasta el 15% para celdas hechas a base de silicio amorfo, hasta 40%
para los sistemas mono y policristalinos. Esta eficiencia es determinada
por el porcentaje de energía solar que es absorbida en determinada área
colectiva de la celda fotovoltaica14.
La energía que se entrega en un módulo fotovoltaico depende de la
irradiación solar (ver anexo 5) y temperatura, es posible estimar la energía
eléctrica en (Kwh/dia) que se espera en el arreglo de cierta potencia
nominal. La potencia máxima (Ver anexo 2) de una celda se puede definir
como:
Pmax=VmxIm
Donde:
P= Potencia máxima producida
V= Voltaje máximo en la celda
I= Corriente máxima en la celda
5.9.8 Potencia Pico: Es la máxima potencia que genera el panel en las
horas de máxima insolación: 1000w/m2 y a25 Coy también en relación
directa a la cantidad de celdas que tiene.
5.9.9 Eficiencia de la conversión de la energía: La eficiencia de un
panel fotovoltaico corresponde al porcentaje de energía eléctrica
generada en relación a la cantidad de energía luminosa recibida del sol
cuando el panel se encuentra conectado a un circuito eléctrico. Se
establece entonces una ecuación matemática.
14National electrical code and phofovoltaic system, Quincy, Massachusetts; USA
21
Ƞ = Pmp / E x AC
Donde:
Ƞ: Representa la eficiencia de la conversión
Pmp: Punto de potencia máxima (W)
E: Nivel de radiación solar en la superficie del panel (w/m2)
AC: Superficie del panel fotovoltaico (m2)
5.9.10Insolación máxima horas pico: La insolación varía desde los 0
watts hasta llegar a los 1000 w al mediodía para luego ir decreciendo a 0
watt. El día tiene aproximadamente 12 horas solares de las cuales la
mitad tienen máxima insolación o luminosidad15
5.9.11 Regulador de carga: Es un dispositivo que se encarga de
proteger al acumulador o batería ante las sobrecargas o ante las
sobredescargas, controla el estado de carga de la batería y regula la
intensidad de carga de estas.
5.9.12 Batería: Se denomina batería, acumulador eléctrico o
simplemente acumulador, al dispositivo que almacena energía eléctrica,
usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve
casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado
número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir,
un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado
electricidad previamente, mediante lo que se denomina proceso de carga.
El principio de funcionamiento de un acumulador está basado
esencialmente en un proceso reversible llamado reducción-oxidación
(también conocida como redox), un proceso en el cual uno de los
componentes se oxida (pierde electrones) y el otro se reduce (gana
15Revista científica de América Latina, España y Portugal, sistema información científica Redalyc
22
electrones); es decir, un proceso cuyos componentes no resulten
consumidos ni se pierdan, sino que meramente cambian su estado de
oxidación y, que a su vez pueden retornar a su estado original en las
circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de los
acumuladores, el cierre del circuito externo, durante el proceso de
descarga, y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante la
carga. Otra importante función de las baterías es la de proveer una
intensidad de corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede
entregar16.
5.9.13 Inversor:La función de un inversor es cambiar un voltaje de
entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente
alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el
diseñador.
Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde
pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones
industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se
utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles
solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc., en corriente alterna y
de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en
instalaciones eléctricas aisladas.
Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el
cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda
cuadrada.
Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma,
haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo
el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de
un inversor ideal deberían ser sinusoidales. Una buena técnica para lograr 16Sungrowpower, power electronics aplications.Usa
23
esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal
sinodal sea mucho más grande que las armónicas superiores17.
Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más
avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores,
los triac's o los IGBT's18.
5.9.14Panel eléctrico: El panel eléctrico es una caja de servicio eléctrico
de metal que recibe la energía principal a la casa y distribuye la corriente
eléctrica a los diversos circuitos de la casa. La distribución de la energía a
los diversos circuitos está protegida de la sobrecorriente por medio del
uso de protecciones.
5.9.15 Protecciones electromecánicas: Los Sistemas de Protección se
utilizan en los sistemas eléctricos de potencia para evitar la destrucción
de equipos o instalaciones por causa de una falla que podría iniciarse de
manera simple y después extenderse sin control en forma encadenada.
Los sistemas de protección deben aislar la parte donde se ha producido la
falla buscando perturbar lo menos posible la red, limitar el daño al equipo
fallado, minimizar la posibilidad de un incendio, minimizar el peligro para
las personas, minimizar el riesgo de daños de equipos eléctricos
adyacentes.
17ational electrical code and phofovoltaic system, Quincy, Massachusetts; USA 18Sungrowpower, power electronics aplications.Usa
24
VI. HIPOTESIS
La falta de tecnologías limpias y renovables (Uso de paneles fotovoltaicos),
apropiadas para el secado industrial de granos de café, incrementa los costos,
tiempo, disminuye la calidad del producto y la competitividad de las industrias
cafetaleras.
25
VII. DISEÑO METODOLOGICO
Metodología
El estudio propuesto es comparativo ya que pretendo analizar las condiciones
para de secado tradicional para luego ser comparado con las condiciones de
secado tecnificado y analizar se es factible tanto técnica como económicamente.
Los medios requeridos son cámaras digitales, computadora.
Tipo de Estudio
Que el objetivo es el de valorar y analizar la implementación de un secador
industrial que usa energía eléctrica atreves de fuentes renovables en este caso
de celdas fotovoltaicas.
Tipo de Diseño
El tipo de diseño de la investigación a realizar será desarrollo y ejecución, este
último en caso se comprueba factibilidad del secado industrializado.
Técnicas de Recopilación de Información
Investigación documental
La investigación documental es la presentación de un escrito formal que sigue
una metodología reconocida. Consiste primordialmente en la presentación
selectiva de lo que expertos ya han dicho o escrito sobre un tema determinado.
La investigación documental se caracteriza por el empleo predominante de
registros gráficos y ecuaciones matemáticas como fuentes de información.
Generalmente se le identifica con el manejo de mensajes registrados en la forma
de manuscritos e impresos, por lo que se le asocia normalmente con la
investigación archivística y bibliográfica. Se procederá a recopilar información
26
proveniente de investigaciones de expertos relevantes al tema de Análisis y
Diseños de Sistemas y aplicaciones de cualquier índole.
Observación
La observación es el método fundamental de obtención de datos de la realidad,
toda vez que consiste en obtener información mediante la percepción
intencionada y selectiva, ilustrada e interpretativa de un objeto o de un fenómeno
determinado. Existen diversos tipos y clases de observación, éstos dependen de
la naturaleza del objeto o fenómeno a observar, y de las condiciones en que ésta
se ha de llevar a cabo, modalidad, estilo e instrumentos. La observación es un
acto en el que entran en una estrecha y simultánea relación el observador
(sujeto) y el objeto; dependiendo del tipo de investigación el objeto tomaría el
lugar del sujeto(s) observable(s).
Esta técnica será utilizada para evaluar las técnicas aplicadas en el desarrollo y
aplicación de sistemas con las metodologías adecuadas para tal fin y así
observar los procedimientos que se deben de llevar a cabo para la
implementación de este Sistema y su operatividad.
El estudio propuesto es explicativo ya que se intenta encontrar la relación entre
tamaño y estilo de un carácter y la certeza de su identificación por medio de la
captura de imágenes. El proceso que se ha escogido es experimental puesto
que se someterán a pruebas caracteres a los que se les variarán los atributos de
tamaño y estilo con el fin de examinar –a través de un análisis comparativo- el
porcentaje de aciertos en la identificación de los mismos a través de la captura
de imágenes.
Los medios requeridos son cámaras digitales, computadora, scanner y software
de reconocimiento de patrones.
27
VIII. ANALISIS Y RESULTADOS
8.1Principales variables que afectan el secado tradicional
Dentro de las incidencias que afectan el secado tradicional del café en la
finca la esperanza tenemos:
Factores ambientales:
Esto es un problema para este tipo de secado, ya que el clima presenta
cambios climáticos marcados, en ocasiones el grano entra en contacto con la
humedad y se pierde puesto que no existe método adecuadopara proteger
contra este factor climático, solo cuentan con lonas plásticas para cubrir al
café de la lluvia y de la absorción de humedad debido al exceso del roció
nocturno.
Factores Técnicos:
Baja capacidad de secado o incluso exceso de secado por unidad de área,
baja homogeneidad del secado, la necesidad de utilizar mano de obra para
la operación, grandes superficies y espacios, falta de instrumentos y de
capacitación del personal para determinar porcentajes de humedad en grano.
Aproximadamente se pierde entre el 15 y 18% de la producción en el proceso
de secado en patios (FAO, 2010)
Factor Tiempo:
La producción media esperada, toma un período de tiempo de 8 a 11 días
según el factor climático para estar listo de un 13% a 12% de humedad en el
producto.
28
El café se seca en patios en lotes de 0.58 qq, es decir 58 libras esparcidos
en capas de 3 a 4 cm de grosor.
Factor espacio
El productor de café de hacienda la Esperanza sólo realiza el proceso de pre-
secado del café, ya que no tiene el espacio suficiente en su finca para secar
el producto, por lo que se ve obligado a sacar y llevar la producción a centros
de acopios donde el café llega con un 48 o 45% de humedad; lo que conlleva
a un costo por secar el producto.
Factor Temperatura
Se ha demostrado que la temperatura es una función de la energía cinética, y
como tal es índice de velocidad molecular promedio (Santana, 2002).
Aproximadamente el café tolera temperaturas de 40oC para un día o dos,
50oC durante pocas horas y 60oC para menos de una sin sufrir daños. Si
estos límites de tiempo y temperatura se exceden, puede esperarse el daño
en la calidad del café, porque un sobrecalentamiento en la operación del café
producirá un sabor y aroma rancio (amargo) en el café ya preparado
(Desousa e Silva). Podemos definir que el buen control de calidad del café
está relacionado con el tiempo que se ha expuesto a altas temperaturas
durante la operación de secado.
29
8.2 Gráficos de temperatura y radiación solar en Jinotega.
Tabla n° 1 Temperatura promedio mensual en Jinotega
A como se puede observar en el grafico la temperatura en el departamento
de Jinotega es adecuada para el aprovechamiento solar fotovoltaico, puesto
que la temperatura promedio oscila entre los 22 y 28oC.
La Potencia de generación de las celdas fotovoltaicas es inversamente
proporcional a la temperatura, es decir a mayor temperatura menor potencia
y a menor temperatura mayor potencia.
Regiones con buena irradiación solar son apropiadas para el
aprovechamiento energético solar, sin embargo a medida que la
temperatura empieza a sobrepasarlos 28 gradosCelsius se reduce el 0.5%
de potencia por cada grado sobrepasado, la potencia por celda tiende a ir
mermando debido al aumento de temperatura y reflexión en la superficie del
vidrio de las celdas fotovoltaicas.
30
Tabla n° 2. Radiación solar en Nicaragua
La radiación solar en el municipiode Jinotega es de 5.0 a 5.5Kwh/m2, tiene
gran potencial en el aprovechamiento de energía solar fotovoltaica
aproximadamente una producción máxima de 1,000wh/m2 en días de
verano y cielos despejados.
Países como México, son de los que poseen mayor radiación solar en la
región mesoamericana con radiación solar entre 5 y 7 Kwh/m2. Otro país
líder en la utilización y desarrollo de sistemas fotovoltaicos para generación
de energía eléctrica es Alemania que pese a no poseer un alto recurso
energético solar, el cual oscila entre1.0 a 1.4 Kwh/m2, cuanta con la mayor
producción de este tipo de energía a nivel mundial al tener una potencia
instalada de 75 MWp para el año 2006. (Ver anexo 6)
31
8.4 Tabla de incidencia promedio de radiación solar KWH/m2/día en
municipio de Jinotega
Lat
13.014
Lon -
85.89 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Promedio
anual
SSE HRZ 4.28 4.93 5.73 5.91 5.27 4.84 4.55 4.78 4.92 4.67 4.26 4.09 4.85
K 0.5 0.53 0.56 0.55 0.49 0.45 0.43 0.45 0.48 0.49 0.49 0.5 0.49
Difusse 1.67 1.84 1.99 2.18 2.31 2.31 2.32 2.35 2.2 1.97 1.73 1.6 2.04
Direct 4.41 4.83 5.48 5.29 4.23 3.66 3.2 3.45 3.91 4.11 4.18 4.3 4.25
Tilt 0 4.24 4.88 5.66 5.82 5.16 4.73 4.45 4.69 4.85 4.62 4.23 4.06 4.78
Tilt 13 4.65 5.19 5.8 5.71 5.19 4.79 4.48 4.66 4.87 4.83 4.59 4.49 4.94
Tilt 28 4.91 5.31 5.68 5.34 4.99 4.66 4.33 4.42 4.69 4.85 4.79 4.78 4.89
Tilt 90 3.42 3.18 2.63 1.78 2.16 2.22 2.04 1.82 2.05 2.72 3.21 3.46 2.56
OPT 4.95 5.31 5.8 5.82 5.2 4.79 4.49 4.7 4.89 4.87 4.8 4.84 5.03
OPT
ANG 36 27 15 0 8 11 9 4 8 22 33 38 17.5
Tabla n° 3. Incidencia promedio radiación solar en Jinotega
*Ver anexo 7
8.5Tabla de registros de temperatura anual (oC) municipio Jinotega
Lat
13.014
Lon -
85.89 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC
Promed.
anual
22 años
promedio 22.7 23.8 25.1 26.4 25.7 24.7 24.4 24.5 24.4 23.9 23.3 22.8 24.3
Mínimo 19.2 19.6 20.6 22 22.4 22 21.4 21.4 21.5 21.1 20.4 19.7 20.9
Máximo 27 28.5 29.9 30.9 29.3 28 28 28.2 28 27.4 27.1 26.8 28.2
Tabla n°4. Temperatura anual municipio de Jinotega.
32
8.6 Diseño de módulos fotovoltaicos
8.6.1 Consumo de carga
Se seleccionó como carga un secador rotativo tipo Guardiola automatizado
(ver anexo 13) cuyos parámetros básicos para un óptimo control del secado
de los granos del café son: Temperatura, humedad y velocidad del aire;
también la permanencia del producto dentro del secador así como el número
de giros de la tómbola.
Tabla n° 5. Consumo de carga
Datos Iniciales:
Área Cantidad Descripción Días de uso
Tipo Potencia Watts
Horas Uso
Kwh/d Kw
Secado 1 Secador 30 m3
7 AC 4,710 10 100% 47.1 4.71
Total 47.1 4.71
WH/día 47,000 Eficiencia de batería 85% Eficiencia de cableado 97% Eficiencia del inversor 95% Temperatura de diseño 28.26 Horas promedio de sol 4.48
33
8.6.2 Ajustes por efectos de temperatura.
Temp. Operación modulo solar = Temp. Diseño + 5oC
28.26 + 5 = 33.26oC
Caída de eficiencia de temperatura = (temp.oper.modulo solar-25oC) (0.5%)
(33.26 – 25) x 0.5% = 4%
Factor de Temperatura = 1 – caída de eficiencia de temperatura
1 – 4% = 96%
8.6.3 Cálculo de la eficiencia del sistema.
Eficiencia del sistema = Eficiencia de la batería x eficiencia del cableado x
eficiencia del inversor x factor de temperatura
85% x 97% x 95% x 96% = 75%
8.6.4 Ajuste de Wh/día.
Ajuste Wh/día = (Wh/día)/ (Horas solares x eficiencia del sistema)
(47,100)/ (4.48 x 75%) =14,000.45
8.6.5 Calculo de módulos
Módulos en paralelo = (wh/dia ajustados/voltaje del sistema)/(Potencia de
operación del modulo)
(14,000.45) / (250) = 60
34
PV model Peak Power
Vmpp
Impp
Modules
Temp ri
Battery rI
InvrI
Wireri
Net ri
95%
85%
95%
97%
74%
250 W 30.00 V
8.33A
60
Promedio diario de radiación sobre superficie horizontal (kWh/m2/day) Lat 11.3
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug Sep
Oct
Nov
Dec
Av Value 10-year Average
4.65
5.1
5.8
5.71
5.1
4.7
4.48
4.6
4.87
4.8
4.5
4.4
4.9375
Temperatura Promedio
Lat 11.3 Lon 85.8
Jan
Feb
Mar
Apr May
Jun
Jul
Aug Sep
Oct
Nov
Dec Max Value
10-yearAverage
27
28.5
29.9 30.9
29.3
28
28
28.2 28
27.4
27.1
26.8
30.9
Month days
kWh/d
kWh/m Jan
31
51.64
1600.6 Feb
28
57.6
1613.6 Mar
31
64.41
1996.5 Apr
30
63.41
1902.1 May
31
57.6
1786.5 Jun
30
53.1
1595.70 Jul
31
49.75
1542.17 Aug
31
51.75
1604.14 Sep
30
54.0
1622.35 Oct
31
53.6
1662.65 Nov
30
50.97
1529.07 Dec
31
49.8
1545.62
35
8.7 Diseño del sistema fotovoltaico
Datos Iniciales
KWH/día 47.10 Eficiencia de batería 85% Eficiencia de cableado 97% Eficiencia del inversor 95% Profundidad de descarga 80% Voltaje del sistema 48 Días de autonomía 3
8.7.1 Ajuste de Wh/día
Ajuste de Wh/día = Wh/día / (eficiencia de batería)x(eficiencia
cableado)x(eficiencia de inversor)
47.10 /(85% x 97% x 95%) = 60.13
8.7.2 Cálculo del tamaño del banco de baterías (Profundidad de
descarga y días de autonomía)
Ajuste en días de autonomía = Días de autonomía/profundidad de
descarga
3/80% = 3.73
Tamaño del banco de baterías = Wh/dia ajustados x ajuste en días de
autonomía
60.13 x 3.75 = 225.50
36
8.7.3 Calculo del tamaño del banco de baterías requerido en AH
Banco de baterías en AH = Banco de baterías en WH/dia/ voltaje del
sistemas
225.50 / 48 = 4.70
8.7.4 Cálculo del número de baterías en paralelo
Numero de batería en paralelo = Banco de baterías en AH/Capacidad de
batería en AH
4697.82 / 435 = 10
8.7.5 Número de baterías en serie
Baterías en serie = Voltaje del sistema/Voltaje de batería
48 / 6 = 8
8.7.6 Número de baterías para el banco
Numero de batería par el banco= Baterías en paralelo x Baterías en serie
= 10 x 8 = 80
37
Month
PV kWh/d
kWh/d actual Excedente
Jan
51.64
47.10
4.54
Feb
57.63
47.10
10.53
Mar
64.41
47.10
17.31
Apr
63.41
47.10
16.31
May
57.63
47.10
10.53
Jun
53.19
47.10
6.09
Jul
49.75
47.10
2.65
Aug
51.75
47.10
4.65
Sep
54.08
47.10
6.98
Oct
53.63
47.10
6.53
Nov
50.97
47.10
3.87
Dec
49.86
47.10
2.76
38
8.8Comparativa de tiempos de secado de café pergamino
8.8.1 Secado Mecanizado
Tabla N° 7. Curva de secado, obtenida a diferentes temperaturas de
secado. Contenido de humedad (%b.s) contra tiempo de secado.
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25
Contenido de
Humedad (
%b.s)
Tiempo (horas)
Comparacion de curvas de secado Tratamiento 1, 2 y 3
460C
490C
420C
39
8.8.2 Secado en patios
Tabla N° 8. Curva de secado en forma artesanal a máxima
temperatura promedio. Contenido de humedad (% b.s ) contra tiempo
de secado.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 2 4 6 8 10 12
Contenido de
humedad (
% b.s)
Tiempo (días)
Extracción de humedad en secado en patio
28.20C
40
8.9.Com paración m étodo trad icional con tra m étodo artificial
M étodo Exposic ión
clim ática
Exposic ión a
contam in antes y
anim a les
Perdid a de
la
producc ión
Espacio
para seca do
Hom og ene ida d
del seca do
Facilid ad de
condic ion es
productiv as
M ano
de
obra
T iem po de
secado a l
12% de
hum ed ad
T radic io nal A lta A lta 15-18 % Extenso 88% Baja A lta 8-11 días
A rtific ial Baja Baja 3-5% Reduc ido 98% A lta Baja 20-26 h oras
Tab la N° 6. Com parativa en tre secado trad icional vs artificial.
Se puede determ inar lo sigu ien te:
Q ue pese a que el secado a través de un sistem a artific ial o m ecaniza do sea de m ayor costo que uno tradic iona l, los
tiem pos de s ecad o son m ás red ucid os lo gran do increm entar la pro ducción inm e diata y com erc ializ ada a E urop a, que no
es neces ario tener m ucha m ano de o bra para realizar e l rem ov ido de los granos que en m uch as ocasiones dic ho grano
no que da secad o de form a hom og én ea y en otras ocasion es se pasa de seca do, en defin itiva existe un m ej or contro l
sobre el d icho proceso d e form a artific ia l que logrará una m ayor com petitiv ida d.
41
8.10Costo y presupuesto del sistema fotovoltaico.
8.10.1 Materiales y accesorios
Tabla N°9. Costo de materiales y accesorios
Modelo Cantidad Costo Costo Total
Cable Solar 2/0 22 8.78 193.16
Cable solar 4/0 18 14.44 259.92
Terminal 2/0 140 1.8 252
Terminal 4/0 44 3.5 154
Breaker 2 polos 50 A 4 20.64 82.56
Cable THHN6 40 1.5 60
Tubo flex forrado 1 1/2" 20 2.33 46.6
Conector recto 1 1/2" tubo
flex 6 2.75 16.5
Tubo EMT UL Conduit 3x10' 2 44.9 89.8
Conector EMT compresión 3'' 4 8.06 32.24
Codo EMT 3" 2 22.65 45.3
Coopling EMT 3''X90 4 8.29 33.16
Centro de carga PRL3 250A
40F 1 537 537
Sub total $ 1,802.24
Iva (15%) $ 2,072.58
Trasporte $ 180.22
Total $ 2,252.80
42
8.10.2 Sistema fotovoltaico
Elemento Cantidad P.U.V Total
Módulos solares 250W Jingli 60 368 22080
Batería ciclo profundo 435 Ah 80 365 29200
Controlador de carga 96ª 150
VDC 4 1000 4000
Inversor 4.4KW 48VDC
120/240 2 2700 5400
Gabinete albergue equipos 1 2000 2000
Sub-Total 62680
Descuento 6268
Sub-Total 56412
Impuesto 2234.82
Total $58,646.82
Tabla N°10. Costo del sistema fotovoltaico
8.10.3 Costos de los componentes del sistema solar fotovoltaico.
Elemento Cantidad P.U.V Total Módulos solares 250W Jingli 60 368 22080 Batería ciclo profundo 435 Ah 80 365 29200 Controlador de carga 96A 150 VDC 4 1000 4000 Inversor 4.4KW 48VDC 120/240 2 2700 5400 Gabinete albergue equipos 1 2000 2000 Accesorios 1 2252.8 2252.8 Estructura de la instalación paneles FV 1 2000 2000 Instalación 1 2500 2500 Sub-Total 69432.8 Descuento 6943.28 Sub-Total 62489.52 Impuesto 2450.63 Total $64,940.15
Tabla N°11. Costo de componentes y accesorios sistema fotovoltaico.
43
8.10.4 Costo del secador rotativo automatizado.
Tabla N°12. Costo del secador rotativo.
8.10.5 Costos de producción y operación
Costo de producción qq
Producción de café 1080
Tabla N° 13. Costos de producción del quintal de café
Actividad $ Total
Recolección de quintal de
café 0.94 1015.2
Beneficiado de café 3 3240
Transporte de café 0.14 151.2
Prestaciones Laboratorio 0.17 183.6
Mano de obra 7000
Secado 15 16200
Acopio 2 2160
Total $29,950.00
Tabla N°14. Costos Operativos
Descripción Cantidad Capacidad P.V.U Total
Secadora cilíndrica
rotativa 2Hp motor
reductor, 4 Hp
ventilador; Control de
temperatura y tiempo,
alimentación 220 volts
1 60 QQ 36000 36000
Accesorios 4500 4500
Sub-Total 40,500
IVA 6,075
Total $46,575.00
44
Despulpado de 1080 qq
22 Días
88 Horas
Tabla N°15. Despulpado 22 días
Gasolina PlantaEléctrica
2.3 lts/h
202.4 lts definir 16 KVA
Tabla N° 16. Potencia planta eléctrica.
Tabla N° 17. Costos de combustibles
8.10.6 Costo de mantenimiento e insumos
Equipo % precio Total
Bomba 1 252 5.04
Despulpador 1.5 4400 88
Generador 1.5 1100 22
Trillador 1 2500 37.5
secador 1 46575 931.50
$1,084.04
Tabla N°18. Costo de mantenimiento
Tabla N°19. Tabla de costos en insumos
Costo de Gasolina
1.379 $/lts
279.1096 $
Insumos
$ 8150
45
8.11 Ingresos del proyecto
8.11.1 Ingresos vía secado tradicional
En el secado tradicional se pierde aproximadamente entre el 15 y 18% de la
producción total. (FAO, 2009)
Producción
promedio Cantidad P.V.U $ Precio Total
918 qq 160 $146,880.00
Tabla N°20. Producción promedio secado tradicional
8.11.2 Ingresos vía secado tecnológico
En secado mecanizado se pierde aproximadamente entre el 2 y 4% de la
producción total. (FAO, 2009)
Tabla N°21. Producción promedio secado artificial
Producción
promedio Cantidad P.V.U $ Precio Total
1059.06 qq 160 $169,449.60
46
8.12 Análisis Financiero del proyecto
2012 2013 2014 2015 2016 2017
Ingresos 146,880.00 173,135.13 180,675.64 185,102.51 188,692.72
Costos de producción 30,630 31,325.00 32,036.00 32,763.00 33,506.43
Utilidad Bruta 116,250.00 141,810.13 148,639.64 152,339.51 155,186.29
Gastos
Gastos de ventas 4,000.00 4,448.00 4,947.42 5,502.06 6,119.00
Gastos de
Operación 1,084.04 1,148.97 1,217.79 1,290.73 1,368.04
Gastos Totales 5,084.04 5,596.97 6,165.21 6,792.79 7,487.04
UTIAI 111,165.96 136,213.16 142,474.43 145,546.72 147,699.25
IR 30% 33,349.79 40,863.95 42,742.33 43,664.02 44,309.78
UTIDI 77,816.17 95,349.21 99,732.10 101,882.70 103,389.48
Inversión Inicial -111515.15
FNE -111515.15 $77,816.17 $95,349.21 $99,732.10 $101,882.70 $103,389.48
Nota:
Los valores de la tabla de flujo de efectivo, es información relevante del
productor cafetalero, evidenciando sus ingresos, costos y gastos promedios.
Factores de crecimiento pronosticados Ver anexos 9, 10, 11, 12,14, 15, 16, 17
Con inversión
VPN TMAR $ 285,771.32 5% TIR 95%
VPN TMAR $ 176,938.15 15%
VPN TMAR $ 139,954.07 20%
VPN TMAR $ 110,747.15 25%
47
8.12.1 Gráfico de Perfil del VPN a diferentes tasas de rendimiento
Una vez elaborado el flujo efectivo incremental se realizo el análisis de rentabilidad
del plan propuesto utilizando los métodos del Valor Presenta Neto (VPN) y la Tasa
Interna de Rendimiento (TIR).
Para el cálculo del VPN se utilizo una TMAR del 5%. A esta tasa requerida de
rendimiento el VPN de la propuesta es de $285,771.32 y la TIR es de 95%.
Puesto que el VPN es positivo, la propuesta generara un rendimiento mayorque lo
que se necesita para rembolsar los fondos proporcionados por el propietario de la
empresa. Por consiguiente el plan de la posición del propietario mejorara debido a
que el valor de la empresa será mayor.
0.00
50,000.00
100,000.00
150,000.00
200,000.00
250,000.00
300,000.00
350,000.00
0 5 10 15 20 25 30
VALOR VPN
TMAR (%)
PERFIL DEL VPN
Proyecto
48
8.12.2 Recuperación de la inversión del proyecto.
Se FNE correspondiente para el proyecto se pronostico para un período de cinco
años, el tiempo de recuperación de la inversión es de 1.3 años (Ver anexo 13)
49
IX. Conclusiones.
Las variables que determinan la incidencia del secado de café en la hacienda la
Esperanza son temperatura, fenómenos climáticos, tiempos excesivos para el
secado, manipulación constante del grano, falta de control en el proceso.
Dentro de los procesos de producción del café pergamino a café pergamino oro
están:
Recolección y acopio, boyado, despulpado, lavado, fermentado, secado,
trillado, almacenado y exportado.
El municipio de Jinotega recibe una incidencia solar de 5 a 5.5 Kwh/m2
Produciendo un factor energético de 1,500Wh/m2 en días de verano.
Al implementar el sistema fotovoltaico y el secador artificial, se logrará una
reducción significativa del tiempo del proceso de secado, el cual es de mucha
importancia por que determina la competitividad del café, se logrará reducir las
pérdidas por quintal del producto, ya que de forma tradicional se pierde el 15%
de la cosecha y de forma mecanizada solo el 2%.
Con la utilización de la tecnología para el secador industrial de café, se logrará
aumentar la productividad e ingresos del productor.
El principal mercado de exportación del café oro es Estados Unidos y Canadá.
Se realizó un análisis de rentabilidad en el cual se determinó que es viable
implementar el uso de sistemas fotovoltaicos en una maquina secadora de café,
obteniéndose según el estudio un VPN de $285,771.32, con una TIR de 95%,
mayor que la TMAR de 5%.
50
X. Recomendaciones.
Se recomienda al productor implementar este sistema de secado con el fin
de mejorar la calidad, productividad y tiempo del secado del café.
Una vez recuperada la inversión, adquirir un sistemas fotovoltaico y de
secado con las mismas características.
Se recomienda al productor utilización del equipo por períodos de 10 horas.
Utilizar, aprovechar e incentivar el uso de esta tecnología solar fotovoltaica
amigable al medio ambiente para futuras aplicaciones dentro de la hacienda
esperanza.
51
XI. Bibliografía
ANACAFE (Asociación Nacional del café): Guía técnica de
caficultora, Edición 2006. Guatemala.
Cléves Rodrigo: Tecnología en beneficiado de café, impresora
Tica, Costa Rica, 1995.
COFENAC (Consejo Cafetalero Nacional): Informe Técnico,
Influencia de Métodos de Beneficio Sobre la Calidad del Café,
Ecuador, Septiembre 13 del 2010.
El Café en Nicaragua, Análisis y Descripción del Comportamiento
del Rubro, Nicaragua 2008
FAO (Food and Agriculture Organization) Latin America and the
caribbe, 2009, 2010.
National electrical code and phofovoltaic system
Sungrowpower, power electronics
John Wiles, Technology Development Institute. USA
Solar WP, Jeromin, chihuahua, México 2006
Sistema información científica Redalyc. de América Latina, España y
Portugal
Manuales Sunisolar, Nicaragua
52
ANEXO
53
Anexo 1:
Orientación de una estructura fija para maximizar la captación de radiación solar a lo largo del año
Anexo 2:
Grafica curva corriente y voltaje en relación temperatura y energía solar
54
Anexo 3:
1. Los módulos fotovoltaicos instalados en una estructura anclada al suelo
trabajan aproximadamente 55°C durante el día, 30°C por encima de las
condiciones estándares de prueba (25°C). Esto significa que la capacidad
real del arreglo es aproximadamente 15% menor que su potencia
nominal. Es decir, su capacidad real es 85% de la capacidad nominal.
2. La energía eléctrica (kWh) esperada es el producto de la capacidad real
del arreglo (en kW) por la insolación (en horas solares pico) al ángulo de
elevación del arreglo. La energía fotovoltaica generada varía con la época
del año, de acuerdo a los cambios en los niveles de insolación.
3. Si se usa un seguidor azimutal, la energía disponible se aumenta entre un
15 y 25%.
Anexo 4:
55
Anexo 5:
Irradiación solar promedio Nicaragua y el mundo
56
ANEXO 6.
Anexo 7.
La cantidad de energía que el módulo es capaz de entregar durante el día está representada por el área comprendida bajo la curva de la grafica anterior y se mide en Watts hora/día.
57
Anexo 8
Gráfico interacción modulo fotovoltaico con batería.
Anexo 9.
Anos Valor Tasa F.C
2009 28000
Calculo de media geométrica
2010 27095 -
0.03232143 0.96767857
Producto f.c 1.06964286
2011 30,345 0.11994833 1.11994833
Media geométrica 1.02269531
2012 29,950 -
0.01301697 0.98698303 2013 30,630 2014 31,325 2015 32,036 2016 32,763 2017 33,506.43
58
*Factor de crecimiento costo de producción de café
Anexo 10.
Anos Valor Tasa F.C
2009 150
Calculo de media geométrica
2010 300 1 2
Producto f.c 1.06666667
2011 200 -
0.33333333 0.66666667
Media Geométrica 1.02174591
2012 160 -0.2 0.8 2013 163.48 2014 167.03 2015 170.67 2016 174.38 2017 178.17
*Factor de crecimiento precio de quintal de café
Anexo 11.
Anos Valor Tasa F.C
2009 2780
Calculo de media geométrica
2010 2908 0.04604317 1.04604317
Producto f.c 1.37551582
2011 3240 0.11416781 1.11416781
Media Geométrico 1.11212908
2012 3450 0.06481481 1.06481481 2013 4000 0.15942029 1.15942029 2014 4448.52 2015 4947.32 2016 5502.06 2017 6119.00
*Factor de crecimiento gastos de venta
59
Anexo 12.
Anos Valor Tasa F.C
2009 859
Calculo de media geométrica
2010 878 0.02211874 1.02211874 Producto f.c 1.26197905
2011 921 0.04897494 1.04897494
M. Geométrica 1.05989547
2012 983 0.06731813 1.06731813 2013 1084.04 0.10278739 1.10278739 2014 1148.97 2015 1217.79 2016 1290.73 2017 1368.04
*Factor de crecimiento gastos de operación
.Anexo 13.
Recuperación de la inversión
0 1 2 3 4 5
FNE (C$
111,515.15) 77,816.17 95,349.21 99,732.10 101,882.70 103,389.48
Acumulativo (C$
111,515.15) (C$ 33,698.98) 1.35 Años
60
Anexo 14
INGRESOS PRONOSTICADOS
Año 2013 2014 2015 2016 2017 P.V.U (QQ) 160.00 167.03 170.67 174.38 178.17 CAP.(QQ) 918.00 1080.00 1,080.00 1,080.00 1,080.00 TOTAL 146,888.00 180,392.40 184,323.60 188,330.40 192,423.60
Nota:
En el año 2012 aún no se implementaba el sistema de secado tecnificado, por consiguiente las pérdidas promedio de la producción eran del 15%, la producción de la hacienda es fija, es decir de los 1080 QQ de capacidad productiva de la hacienda realmente queda según datos de la FAO 918 QQ de café oro de exportación.
Este mismo año 2012 el precio promedio del QQ del café ascendió a 160 dólares norteamericanos, por lo cual se utilizó un método de pronóstico en el tiempo a través de factor de crecimiento y media geométrica.
Anexo 15
Productividad real de hacienda la esperanza método tradicional
Producción promedio
Cantidad P.V.U Precio Total
918 QQ $160.00 $146,880.00
61
Anexo 16
INGRESOS GASTOS DE PRODUCCION
Año 2013 2014 2015 2016 2017 Gastos de ventas
4,000 4,448.82 4947.32 5502.06 6119.00
Gastos operativos
1,084.04 1,148.97 1,217.70 1,290.73 1,368.04
Total 5,084.04 5,597.79 6,165.02 6,792.79 7,487.04
Nota.
Todos los pronósticos se realizaron a través del método de factores de crecimientos y de media geométrica. Productor brindó datos históricos los cuales sirvieron para realizar las proyecciones para cinco años.
Anexo 17.
Productividad real de la hacienda la Esperanza utilizando tecnología renovable.
Producción promedio
Cantidad P.V.U Precio total
1059.06 QQ $160.00 $169,449.60
62
Anexo 18
Anexo 19
