Feasibility of Introducing Solar Energy into a Poultry Production System

INTRODUCTION

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The poultry sector continues to grow and industrialize in many parts of the world due to the powerful drive of population growth, increasing purchasing power and urbanization processes. Advances in breeding methods have resulted in birds that serve specialized purposes and are increasingly more productive. This evolution has caused the poultry industry and the concentrated feed industry to rapidly increase in size, to concentrate around input sources or end markets and to become vertically integrated (FAO, 2022FAO: Revisión del desarrollo avícola, [en línea], Inst. FAO org., USA, 2022, Disponible en: https://www.fao.org/3/i3531s/i3531s.pdf.).

The United States of America is the world's largest producer of poultry meat (17%), followed by China and Brazil. In egg production, China ranks as the largest producer (38%), followed by the United States (7%) and India (7%). In 2020, poultry meat accounted for almost 40% of global meat production, while in the last three decades, global egg production has shown a 150% increase (FAO, 2022FAO: Revisión del desarrollo avícola, [en línea], Inst. FAO org., USA, 2022, Disponible en: https://www.fao.org/3/i3531s/i3531s.pdf.).

For the development of poultry production in the current context, food represents the highest cost in poultry production and the availability of these at a low price and with high quality is essential for poultry production to remain competitive and increase to meet the demand for animal protein (FAO, 2013FAO: Revisión del desarrollo avícola, [en línea], Inst. FAO org., USA, 2013, Disponible en: https://www.fao.org/3/i3531s/i3531s.pdf.).

The Cuban government seeks to be self-sufficient in terms of the production of eggs and chicken meat, which, at present, it costs to import from abroad and does not meet the demand of the population. In Cuba, one thousand nine hundred million eggs are currently produced intensively, and two hundred million in an unconventional way, supported by the genetics developed in recent years, represented by the laying hen that is exploited industrially, and the semi-rustic and free-range chicken, used for alternative poultry farming, in turn reaching nine thousand five hundred tons of waste poultry meat.

In the specific case of the poultry system established at the “El Guayabal” University Farm, this production system is linked to the national electro-energy system, due to the impact of the same by the lack of fossil fuels, the implementation of solar energy (photovoltaic and thermal) is valued to generate heat, electric energy, so that this production system is sustainable, which is supported by the production of eggs from laying hens and free-range hens, as well as the fattening of turkeys (Cadena Avícola, 2023CADENA AVÍCOLA: Implementación de energías renovables en granjas avícolas: una solución sostenible y económica. Cadena Avícola y Porcina, [en línea], Cadena Avícola, 2023, Disponible en: https://cadenaavicola.com/implementacion-de-energias-renovables-en-granjas-avicolas-una-solucion-sostenible-y-economica/.).

At the international level, one of the main renewable energies used in poultry farms is solar energy (Smyth, 2012SMYTH, M.: “Solar photovoltaic installations in American and European winemaking facilities”, Journal of Cleaner Production, 31: 22-29, 2012.; Talavera et al., 2012TALAVERA, D.L.; NOFUENTES, G.; AGUILERA, J.: “The internal rate of return of photovoltaic grid-connected systems: A comprehensive sensitivity analysis”, Renewable Energy, 35(1): 101-111, 2012.; Rodes, 2017RODES, D.N.: Análisis técnico económico del uso de fuentes de energía solar-térmica y fotovoltaica en tipologías constructivas gran panel, Universidad de Holguín, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil, Tesis de Licenciatura, Holguín, Cuba, 2017.). Solar panels can be installed on the roof of farm facilities or on nearby land, and can provide electricity to meet the needs of the farm, another option is the use of solar heating systems to maintain the appropriate temperature in the facilities and in the birds (Cadena Avícola, 2023CADENA AVÍCOLA: Implementación de energías renovables en granjas avícolas: una solución sostenible y económica. Cadena Avícola y Porcina, [en línea], Cadena Avícola, 2023, Disponible en: https://cadenaavicola.com/implementacion-de-energias-renovables-en-granjas-avicolas-una-solucion-sostenible-y-economica/.).

Considering the aforementioned background, the objective of this research was oriented to determine the feasibility of introducing solar energy (photovoltaic and thermal) in the poultry system established at the “El Guayabal” University Farm.

MATERIALS AND METHODS

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The "El Guayabal" University Farm, belonging to the Agrarian University of Havana (UNAH), is located at 23°00'12.5" North latitude, and 82°09'57.9" West longitude in the municipality of San José de Las Lajas, Mayabeque province, Cuba. The soil existing in it is classified as Typical Red Ferralitic Hernández et al. (2015)HERNÁNDEZ, J.; PÉREZ, J.; BOSCH, I.; CASTRO, S.: Clasificación de los suelos de Cuba 2015, Ed. Ediciones INCA, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 93 p., 2015, ISBN: 978-959-7023-77-7. throughout its extension. It has a flat relief, height above sea level of 120 m and annual sunshine of 1825 kWh/m2. The meteorological variables recorded at the Tapaste Meteorological Station, San José de las Lajas, during the period January-September/2023, showed that the maximum temperatures reached in the region exceeded 32 ºC between the months of June to September and the coldest dropped on average to 21.1 ºC in January. Precipitation increased from June onwards, with the highest average values in May and August at 72 and 77 mm, respectively. Relative humidity varied between 47% (minimum in March) and 84% (maximum in September), while wind speed reached a maximum value of 3.6 km/h during the month of August. The behaviour of these climatic variables allows for the successful development of poultry production. The facilities include a poultry production system, which is made up of three production areas. One of these areas is used for egg production using White Leghorn laying hens. This area has a maximum capacity of 2,872 animals. Another is the area for turkey production, the capacity of which varies depending on the time of year: 1,500 animals (summer) and 3,000 animals (winter), and finally the area for free-range hens, also intended for egg production, with a capacity of 700 animals.

Table 1 shows the data obtained regarding the movement of animal mass in the poultry production system during the observation period.

TABLE 1. Movement of the poultry in the period of investigation in the Farm "Guayabal" system

Mov. of Flock	Initial Existence	Final Existence	Animals/day	Mass Average kg
Egg-laying hens Leghorn White	2872	2872	2872	1,40
White turkeys of wide chest	3000	1500	2250	6,50
Country hens	700	700	700	2.20

In the system of production poultry study object, for their operability, they are used a group of energy payees, those that are related in the Table 2.

TABLE 2. Means energy consumers installed in the system of poultry production

Means energy consumers (Quantity)	Power, kW	Time of Operation , h	Consumed energy / day , kWh/day
System of production of hens White Leghorn
Tubes LED 20W (10)	0.20	14	2.80
Tubes LED 40W (18)	0.72	14	10.08
System of production of turkeys of wide chest
Tubes LED 20W (79)	1.58	14	22.12
Extractor I (1)	0.01	24	0.24
Extractor II (1)	0.02	24	0.48
Heater III (1)	0.01	24	0.24
Heater IV (1)	0.03	24	0.72
	0.06	24	1.44
	0.03	24	0.72
Heater V (1)	0.15	24	3.60
System of production of country hens
Tubes LED 40W (10)	0.40	14	5.60

For the establishment of the specific methodologies for the sizing of the photovoltaic system and of the solar heater, they are considered the basics outlined for (Morejón et al., 2022MOREJÓN, M.Y.; TORRICO, A.J.C.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1-4299-2022 p., Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro, 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6.).

Methodology for the sizing and installation of photovoltaic panels

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To determine the energy that should give the photovoltaic installation, they must consider you the losses that the batteries, the investor and the drivers involve.

To calculate the half daily (Emdn) consumption of the installation one will keep in mind the consumption half real critic of the load (Emd) and not the half consumption for constant loads neither the number of inventories.

E_{m d n} = \frac{E_{m d}}{η_{b a t} \cdot η_{i n v} \cdot η_{c o n d}}, k W h

(1)

where: $E_{m d}$ : Consumption half real critic of the load, kWh; $η_{b a t}$ : Efficiency of the batteries; $η_{i n v}$ : The investor's efficiency; $η_{c o n d}$ : Efficiency of the drivers.

If it is not had meter-accountant in the investigation scenario, it is possible to determine the energy demand by means of the rising of the means and electric teams located in the area study object, being determined the power (N) of each one of them and the daily (To) time of operation, with these two parameters you can determine the energy consumed daily () in the installation, that which you can determine by means of the following expression:

E_{m d} = N \cdot T_{0}, k W h

(2)

where:

N: Power of the teams and electric means, kW;

T_o: Daily time of operation, h.

Sizing of the photovoltaic generator

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For the determination of the number of solar required panels, it is possible to use the approach based on the estimate of the consumption of Amperes-hour of the installation Hernández (2007)HERNÁNDEZ, L.: “Sistemas fotovoltaicos ¿Autónomos o conectados a la red?”, Revista Energía y tú, 38, 2007., León et al. (2021)LEÓN, M.J.A.; MOREJÓN, M.Y.; MELCHOR, O.G.C.; ROSABAL, P.L.M.; QUINTANA, A.R.; HERNÁNDEZ, C.G.: “Dimensionamiento de un parque solar fotovoltaico para el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4), 2021, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054., being the daily required half consumption of current:

Q_{A h} = \frac{E_{m d n}}{V_{b a t}}, \frac{A h}{d í a}

(3)

where: $V_{b a t}$ : Voltage of the batteries.

Likewise, according to Alonso (2011ALONSO, J.A.: Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas, [en línea], Ed. Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, SunFieldsEurope ed., España, 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com.; 2017)ALONSO, J.A.: “Cálculo de instalación. Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Era solar: Energías renovables, 197: 6-15, 2017, ISSN: 0212-4157., the current that should generate a photovoltaic reception field in the most critical month in solar (IGFV) radiation is determined as:

I_{G F V} = \frac{Q_{A h}}{T S_{c r i t}}, A

(4)

where: $T S_{c r i t}$ : Hours of sun pick of the most critical month, h.

Then, the (I_GFV) current generated by the photovoltaic (the total of solar installed badges) reception field, is divided among the unitary current of each photovoltaic (I_MOD) module, the total of necessary modules is obtained connected in parallel:

N p = \frac{I_{G F V}}{I_{M O D}}

(5)

where: $I_{M O D}$ : Unitary specific current of each photovoltaic module, A.

Sizing of the system of accumulation

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As to Mascaros (2015)MASCAROS, V.: Instalaciones generadoras fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, S.A, Madrid, España, 296 p., 2015, ISBN: 978-84-283-3724-3., for the calculation of the number of batteries required for a photovoltaic installation, they must consider you:

the time of autonomy wanted for the photovoltaic installation;
the depth of discharge seasonal maxim of the batteries;
the depth of discharge daily maxim of the batteries.

According to Alonso (2011)ALONSO, J.A.: Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas, [en línea], Ed. Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, SunFieldsEurope ed., España, 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com., the nominal capacity of the battery in function of the maximum seasonal discharge is determined according to:

C_{n e} = \frac{E_{m d n} \cdot N_{D A}}{P_{D m a x, e} \cdot F_{c t}}, k W h

(6)

C_{n e A h} = \frac{C_{n e}}{V_{b a t}}, A h

(7)

where: $N_{D A}$ : Number of days of autonomy of the installation; $P_{D m a x, e}$ : Depth of discharge seasonal maxim of the batteries; $F_{c t}$ : Factor of total load of the batteries; $C_{n e A h}$ : Nominal capacity of the battery in function of the maximum seasonal discharge, $A h$ .

Likewise, the nominal capacity of the battery in function of the maximum daily discharge is determined according to:

C_{n d} = \frac{E_{m d n}}{P_{D m a x, d} \cdot F_{c t}}, k W h

(8)

C_{n d A h} = \frac{C_{n d}}{V_{b a t}}, A h

(9)

where: $P_{D m a x, d}$ : Depth of discharge daily maxim of the batteries; $C_{n d A h}$ : Nominal capacity of the battery in function of the maximum daily discharge, $A h$ .

After certain the nominal capacity of the batteries in function of the values of discharge stationary and daily maxim, takes that of more value and it is divided by the nominal capacity of current of one of the batteries, to obtain the number of these necessary one:

N_{b a t} = \frac{C_{n A h}}{C_{n A h, b a t}}

(10)

Sizing of the regulator and the investor

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To determine the capacity of the regulator, they must determine you the current to their entrance and their exit. So:

I_{e n t} = (1 + F_{s e g}) \cdot N_{r} \cdot I_{m o d, s c}, A

(11)

where: $F_{s e g}$ : Factor of security to avoid occasional damages to the regulator; $N r$ : Number of branches in parallel; $I_{m o d, s c}$ :: Unitary current of the photovoltaic module under short circuit conditions $A$ .

I_{s a l} = \frac{(1 + F_{s e g}) \cdot E_{m d, m a x}}{η_{i n v} \cdot T_{t p c} \cdot V_{b a t}}, A

(12)

where: $E_{m d, m a x}$ : Consumption maximum of the load; $T_{t p c}$ : Time of maxim demands of the load, h.

Mascaros (2015)MASCAROS, V.: Instalaciones generadoras fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, S.A, Madrid, España, 296 p., 2015, ISBN: 978-84-283-3724-3., he/she refers that for the determination of the investor's power required for the installation you proceeds according to:

P_{i n v} = (1 + F_{s e g}) \cdot P_{A C}, W

(13)

where: $P_{A C} -$ Power of outburst, W

Alonso (2011)ALONSO, J.A.: Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas, [en línea], Ed. Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, SunFieldsEurope ed., España, 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com. it outlines that many of the appliances and teams that have motors have current picks in the outburst. It supposes it that these devices, in the moment of the outburst, will have a demand of more power that the nominal one, in occasions of until 4 or 5 times more than the one foreseen. Hence, it is convenient to consider in the investor's sizing, the effect of the picks of the outburst of the motors whenever it is necessary to guarantee a satisfactory operation of the installation.

When a solar photovoltaic park is used he/she is taking advantage in an efficient way a clean, renewable and sure energy. Being contributed directly in the reduction of causing gases of effect hothouse of the climatic change, and he/she improves in a significant way the quality of the air, since it diminishes the use of fossil fuels significantly. Product to the ones exposed it becomes necessary to know how much it is stopped to consume in fossil (avoided monthly number of kWh of electricity and yearly) energy with the implementation of this solar photovoltaic park (Canvi Climatic, 2011CANVI CLIMATIC: Guía práctica para el cálculo de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), Inst. Oficina Catalana del CanviClimatic, Comisión Interdepartamental del Cambio Climático, Barcelona, Espña, 2011.).

Starting from the use of these solar photovoltaic parks certain quantity of electric power is saved reason why in one month:

Q_{C M} = E_{m d} \cdot D_{m}, k W h

(14)

where: : Days that he/she has one month.

Being the energy saved in one year:

Q_{C A} = 12 \cdot Q_{C M} D_{m}, k W h

(15)

For the determination of the cost of the energy saved in one year, that settled down by Bolaños (2021)BOLAÑOS, M.: “Resolución 66/2021, Gaceta Oficial de la República de Cuba”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2021., was considered, where the electric rates settle down in Cuban (peso) pesos for the collection of the electric service. In the specific case of the system of rates for high tension with continuous activity, specifically the one that responds to the energy consumed during the schedule of the day. Being the cost of the energy saved in one day:

C_{d í a} = (a \cdot K + b) \cdot Q_{c d í a}, p e s o / d í a

(16)

where:

a, b: Coefficients to apply according to the rate (1,5282 and 0,7273 respectively) type, peso/kWh;

K: Factor of adjustment of variation of the price of the fuel;

Q _cdía : Energy consumption in one day, kWh / day.

In a similar way, you can determine the cost of the energy saved in one year according to:

C_{a ñ o} = (a \cdot K + b) \cdot Q_{C A}, p e s o / a ñ o

(17)

where: $Q_{C A},$ : Energy consumption in one year, kWh/year

Methodology for the determination of solar heaters

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To determine the quantity of solar heaters that you/they should settle, it becomes necessary to know the consumption of water that it demands the installation through the following expression:

C_{H_{2} O} = \frac{N_{C (H_{2} O)} \cdot C_{h d} \cdot W}{100}, L

(18)

where: $N_{C (H_{2} O)}$ : Norm of consumption of water, L / animal; $C_{h d}$ : number of animals in the flock or people in the housing; $W$ : percentage of occupation of the location,%.

In Cuba the solar half radiation per day, in the months of November to February, is 4200 kcal/m2; being this period of smaller heatstroke in the year. A heater of tubes to the hole of 200 L of capacity, it can give, I lower these conditions, around 300 daily L of hot water at 50ºC.

It is valid to point out that this technology can also favor to the family that resides in the cattle scenario, where in general, in the specific case of the Cuban families, these they have customs of carrying out alimentary several activities throughout the day, (considering breakfast, lunch and food) more the hot water to scrub the china, with a norm of 20 L for person with a temperature of 55ºC (Bérriz & Álvarez, 2014BÉRRIZ, L.; ÁLVAREZ, M.I.: Manual para el cálculo y diseño de calentadores solares, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2014, ISBN: 978-959-7113-36-2.; Aguilera, 2021AGUILERA, P.G.: “Aspectos prácticos de las instalaciones de calentadores solares”, Eco Solar, 76: 9-20., 2021.). The demand of hot water of a location you can determine according to:

C_{H_{2} O c} = \frac{N_{C (H_{2} O c)} \cdot C_{h d} \cdot W}{100}, L

(19)

where:

$N_{C (H_{2} O c)}$ : Norm of consumption of hot water, L/person or L/animal;

Knowing the quantity of water that it demands a location, you can calculate the quantity of necessary heaters to satisfy the necessities of the same one, according to the expression:

N_{c s} = \frac{C_{H_{2} O c}}{C_{a e}}

(20)

where: $N_{c s}$ : Quantity of water that he/she gives a heater with a certain heatstroke, L/day.

According to Canvi Climatic (2011)CANVI CLIMATIC: Guía práctica para el cálculo de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), Inst. Oficina Catalana del CanviClimatic, Comisión Interdepartamental del Cambio Climático, Barcelona, Espña, 2011., to determine the energy that demands to heat the water (QC) to use, it is needed to keep in mind the jump of temperature, of 15 ºC to 50 ºC, so:

Q_{c} = K_{C U} \cdot m \cdot C_{e} (T_{f} - T_{i}), k W h

(21)

where: $K_{C U}$ : 3,6 × 106 J/kWh; m: mass of water, kg; $C_{e}$ : specific heat of the water, 4187J/ºC×kg; $C_{e}$ : initial temperature, ºC; $T_{f}$ : final temperature, ºC.

With the use of these teams of heating of water certain quantity of electric power is saved reason why in one month (QCM):

Q_{C M} = Q_{c} \cdot D_{m}, k W h

(22)

where: $D_{m}$ : days that he/she has one month.

Being the energy saved (QCA) in one year:

Q_{C A} = 12 \cdot Q_{C M}

(23)

RESULTS AND DISCUSSION

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Technician-economic valuation of the introduction of the solar photovoltaic energy under the conditions of the system of poultry production

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For the realization of the proposal of a solar photovoltaic system in areas of the system of poultry production, they are considered the solar panels marketed by the Cuban company COPEXTEL. The technical corresponding data are shown in the Table 3.

TABLE 3. Technical data of the solar panels marketed by COPEXTEL

Parameter	Specification
Power pick of the module under standard conditions,	$270$
Maximum voltage of the module,	$55, 10$
Current of short circuit of the module,	$5, 30$
Current unitary maxim of the module,	$4, 9$
The investor's yield	$0, 9$
Yield of the drivers	$1$
Yield of the batteries	$0, 95$

Also, the batteries Trojan was selected whose technical data are shown in the Table 4

TABLE 4. Technical data of the batteries Trojan proposed monoblock

Parameter	Specification
Depth of Discharge Seasonal Maxim, $%$	$70$
Depth of Discharge Daily Maxim, $%$	$15$
Yield	$0, 9 - 0, 95$
Voltage,	$12$
Current capacity,	$240$

For this proposal one also kept in mind the investor that COPEXTEL markets, with a power 20 bigger% to the defendant for the team.

In this case it is not considered the employment of a regulator of pursuit of the maxim point it develops the photovoltaic systems that include it, since they constitute systems that improve the efficiency of the installation between 10 and 25%. The fundamental problem of these regulators resides in its high cost for facilities of small and medium behavior. In the case of the proposal, for the energy volume to generate would require a regulator of great capacity with capacity of pursuit of the maxim point it develops that would elevate the total cost of the installation at least in 30 and 40 more alone% for this concept.

TABLE 5. Sizing of the photovoltaic total solar system and for the three species settled down in the poultry system and economic analysis of the proposals

Parameter	Symbol	Value
Half daily consumption in the whole installation	$L_{m d n}, k W h$	50,28
Daily half consumption of current in the whole installation	$Q_{A h}, A h / d í a$	52 92
Current that should generate the photovoltaic field in the critical month of solar radiation	$I_{g f v, m p p}, A$	10 584,4
Total of solar panels	$N p$	160
Total of photovoltaic modules	$N m$	40
Required area	$A r$ , m²	124,24
Energy to take place with the photovoltaic system	$E p, k W h$	1 192,7
Investment Cost	$C_{i n v}, p e s o$	487 026.21
For systems of hens Leghorn White
Half daily consumption of the installation	$L_{m d n}, k W h$	15,06
Daily half consumption of current	$Q_{A h}, A h / d í a$	15 842
Current that should generate the photovoltaic field in the critical month of solar radiation	$I_{g f v, m p p}, A$	3 168,4
Total of solar panels	$N p$	44
Total of photovoltaic modules	$N m$	11
Required area	$A r$ , m²	33,31
Energy to take place with the photovoltaic system	$E p, k W h$	319,77
Investment Cost	$C_{i n v}, p e s o$	130 576.6
For systems of production country hens
Half daily consumption of the installation	$L_{m d n}, k W h$	0,65
Daily half consumption of current	$Q_{A h}, A h / d í a$	688
Current that should generate the photovoltaic field in the critical month of solar radiation	$I_{g f v, m p p}, A$	137,6
Total of solar panels	$N p$	20
Total of photovoltaic modules	$N m$	5
Required area	$A r$ , m²	14,48
Energy to take place with the photovoltaic system	$E p, k W h$	139,03
Investment Cost	$C_{i n v}, p e s o$	56 772.41
For systems of production of turkeys
Half daily consumption of the installation	$L_{m d n}, k W h$	34,57
Daily half consumption of current	$Q_{A h}, A h / d í a$	36 392
Current that should generate the photovoltaic field in the critical month of solar radiation	$I_{g f v, m p p}, A$	7 278,4
Total of solar panels	$N p$	96
Total of photovoltaic modules	$N m$	24
Required area	$A r$ , m²	76,45
Energy to take place with the photovoltaic system	$E p, k W h$	733,90
Investment Cost	$C_{i n v}, p e s o$	299 677.2

^* peso: he/she refers to the national (MN) currency, it is considered the rate of change 25 MN = 1 USD

TABLE 6. Results of the half environmental impact as consequence of the proposed installation

Parameter	Dear value
Left electric power of consuming, kW/day.	42,44
Saved electric power, kWh/year.	99 046,18
Mass of left CO₂ of emitting to the atm, t//year	1 591,5
Mass of fossil fuel to produce electricity, t//year	79,2

As it is evidenced in the Table 6, for concept of reduction of the fossil fuel not required for the production of the electric power and the mass of CO₂ emitted to the medioambiente the economic and environmental feasibility of the introduction of the photovoltaic system it is demonstrated in the investigated system of poultry production.

Technician-economic valuation of the introduction of the solar thermal (heaters and solar dryers) energy under the conditions of the system of poultry production

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For the determination of the technology of solar heaters under the conditions of the system of poultry production of the Farm "Guayabal", one kept in mind the quantity of heaters that you/they should be used for the correct sanitation of the workers.

Before proceeding to the mentioned determinations, one should know the quantity of hot necessary (norm of consumption of water) water for workers, data that are reflected in the Table 7.

TABLE 7. Quantity of hot necessary water in the productive scenario

Cant. of workers	It demands of water for the sanitation N_c(H₂O), L	% of occupation in the location
5	20	100

As you he/she can observe in the Table 7 in the system poultry study object it is necessary a total of 20 liters of hot water for the correct sanitation of the workers, being considered that you/they are five workers in that area, that which makes a total of 100 L/day.

For the realization of the proposal of heaters, those were used from tubes to the hole, since they are those more marketed in the country and their conditions are suitable for the productive scenario as you can appreciate in the Table 8

TABLE 8. Technical data of the heater of tubes to the hole

Capacity of the heater, (L)	Give from hot daily water to 50^oC, (L/day).
200	100

Being already known the quantity of water defendant in the area (Table 7) and the supply of hot daily water of the heater (Table 8) he/she intends the introduction from a single heater of tubes to the hole which can satisfy the demand of hot necessary water in the scenario study object.

TABLE 9. Contribute energy of the heater of tubes to the hole to obtain with the installation of the technology

Save Potential Energy
Electric power , kWh/day	5,341
Electric power kWh/year	1 949,465
Mass of left CO₂ of emitting to the atm , t/year.	200,29
Mass of fossil fuel to produce electricity t/year.	0,97

To have a dear of the cost of the constructive process and of installation of the solar heater of tubes to the hole (without considering the manpower), in the Table 10 are related the materials required for the installation of the technology.

TABLE 10. Lists of costs from the installation of solar heater of tubes to the hole

Materials	UM	Quantity	Price unitary, peso/u	Cost, peso
Module of solar heater	u	1	6 000	6 000
Tank of 55 gallons	u	1	2 500	2 500
Pipes for reception and conduction of the water	Accessories: Unions, elbows, cleaner and paste PVC, closing valves (the quantity varies in function of the distance)		550	550
Pipes for supply of water	Tubes of 13,75 mm (0,5”) (2): 5 m/cu		300	600
Total				9 650

^* peso: he/she refers to the national (MN) currency, it is considered the rate of change 25 MN = 1 USD

In the case of the technician-economic valuation of the employment of solar dryers it is not considered necessary this technology under the conditions of the poultry system, belonging to the University Farm "Guayabal", since in this productive unit it is focused in the production of eggs or meat and any type of food animal is not processed in the one that the solar drying is required.

As you he/she can observe in the Table 5 and 10, if it is considered the investment required for both technologies, which ascends at 487 026.21 peso, being reached a total value of 496 676.21 peso and this is analyzed in function of the production average of eggs that ascends to 252 units/day and the price of the egg is equivalent to 2.20 peso/unit, then it is possible to collect 554.4 peso/day (16 632 peso/month), for what is possible to collect annually an I mount of 199 584 peso, this way it is demonstrated that the total investment is possible to recover it in a 2,5 year-old period.

CONCLUSIONS

⌅

The proposed theoretical-methodological foundations made it possible to determine the feasibility of the introduction of solar energy (thermal and photovoltaic) in the conditions of the poultry production system of the “El Guayabal” University Farm.
Starting from the energy-productive diagnosis of the system of production poultry study object, it was determined that with the installation of a hybrid system conformed by a photovoltaic isolated system and a solar heater, it could cover the energy demand of the scenario.
It was determined that the installation of a solar dryer doesn't proceed; because it is not required of the drying or dehydration of agricultural productions for the feeding of the poultry species that you/they settle down in this scenario.
The total (installation and assembly of a block of photovoltaic isolated panels and a solar heater) investment recovers in a 2,5 year-old period

INTRODUCCIÓN

⌅

El sector avícola sigue creciendo e industrializándose en muchas partes del mundo debido al poderoso impulso del crecimiento demográfico, el aumento del poder adquisitivo y los procesos de urbanización. Los adelantos en los métodos de reproducción han dado lugar a aves que responden a fines especializados y son cada vez más productivas. Esta evolución ha hecho que la industria avícola y la industria de alimentos concentrados aumenten rápidamente de tamaño, que se concentren entorno a fuentes de insumos o los mercados finales y se integren verticalmente (FAO, 2022FAO: Revisión del desarrollo avícola, [en línea], Inst. FAO org., USA, 2022, Disponible en: https://www.fao.org/3/i3531s/i3531s.pdf.).

Los Estados Unidos de América es el mayor productor mundial de carne avícola (17%), seguido de China y Brasil. En la producción de huevos, China se posiciona como el mayor productor (38%), seguida por Estados Unidos (7%) y la India (7%). En el 2020, la carne de origen avícola representó casi el 40% de la producción mundial de carne, mientras que, en las últimas tres décadas, la producción mundial de huevos ha mostrado un aumento del 150% (FAO, 2022FAO: Revisión del desarrollo avícola, [en línea], Inst. FAO org., USA, 2022, Disponible en: https://www.fao.org/3/i3531s/i3531s.pdf.).

Para el desarrollo de la producción avícola en el contexto actual, los alimentos representan el costo más alto en la producción de aves de corral y la disponibilidad de estos a bajo precio y con alta calidad es fundamental para que la producción avícola pueda seguir siendo competitiva y aumentar para satisfacer la demanda de proteína animal (FAO, 2013FAO: Revisión del desarrollo avícola, [en línea], Inst. FAO org., USA, 2013, Disponible en: https://www.fao.org/3/i3531s/i3531s.pdf.).

El gobierno cubano busca auto-abastecerse respecto a la producción de huevos y carne de pollo, que, en la actualidad, le cuesta importar desde el exterior y no cubre la demanda de la población. En Cuba actualmente se producen mil novecientos millones de huevos de forma intensiva, y doscientos millones de forma no convencional, con soporte en la genética desarrollada en estos años, representada en la gallina ponedora que se explota industrialmente, y la semirústica y el pollo campero, utilizados para la avicultura alternativa, a su vez se alcanzan nueve mil quinientas toneladas de carne de aves de desecho.

En el caso específico del sistema avícola establecido en la Granja Universitaria “El Guayabal” , este sistema de producción se encuentra enlazado al sistema electro energético nacional, debido a la afectación del mismo por la carencia de combustibles fósiles, se valora la implementación de la energía solar (fotovoltaica y térmica) para generar calor, energía eléctrica, de modo que sea sustentable este sistema de producción, el cual se sostiene en la producción de huevos de gallinas ponedoras y gallinas camperas, así como la ceba de pavos (Cadena Avícola, 2023CADENA AVÍCOLA: Implementación de energías renovables en granjas avícolas: una solución sostenible y económica. Cadena Avícola y Porcina, [en línea], Cadena Avícola, 2023, Disponible en: https://cadenaavicola.com/implementacion-de-energias-renovables-en-granjas-avicolas-una-solucion-sostenible-y-economica/.).

En el ámbito internacional, una de las principales energías renovables utilizadas en las granjas avícolas es la energía solar (Smyth, 2012SMYTH, M.: “Solar photovoltaic installations in American and European winemaking facilities”, Journal of Cleaner Production, 31: 22-29, 2012.; Talavera et al., 2012TALAVERA, D.L.; NOFUENTES, G.; AGUILERA, J.: “The internal rate of return of photovoltaic grid-connected systems: A comprehensive sensitivity analysis”, Renewable Energy, 35(1): 101-111, 2012.; Rodes, 2017RODES, D.N.: Análisis técnico económico del uso de fuentes de energía solar-térmica y fotovoltaica en tipologías constructivas gran panel, Universidad de Holguín, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Civil, Tesis de Licenciatura, Holguín, Cuba, 2017.). Los paneles solares pueden ser instalados en el tejado de las instalaciones de las granjas o en terrenos cercanos, y pueden proporcionar electricidad para satisfacer las necesidades de la granja, otra opción es la utilización de sistemas de calentamiento solar para mantener la temperatura adecuada en las instalaciones y en las aves (Cadena Avícola, 2023CADENA AVÍCOLA: Implementación de energías renovables en granjas avícolas: una solución sostenible y económica. Cadena Avícola y Porcina, [en línea], Cadena Avícola, 2023, Disponible en: https://cadenaavicola.com/implementacion-de-energias-renovables-en-granjas-avicolas-una-solucion-sostenible-y-economica/.).

Considerándose los antecedentes antes mencionados, el objetivo de la presente investigación se orientó en determinar la factibilidad de la introducción de la energía solar (fotovoltaica y térmica) en el sistema avícola establecido en la Granja Universitaria “El Guayabal”.

MATERIALES Y MÉTODOS

⌅

La Granja Universitaria "El Guayabal", perteneciente a la Universidad Agraria de La Habana (UNAH), se encuentra ubicada a los 23°00'12.5" latitud Norte, y 82°09'57.9" longitud Oeste en el municipio San José de Las Lajas, provincia Mayabeque, Cuba. El suelo existente en la misma, se clasifica como Ferralítico Rojo Típico Hernández et al. (2015)HERNÁNDEZ, J.; PÉREZ, J.; BOSCH, I.; CASTRO, S.: Clasificación de los suelos de Cuba 2015, Ed. Ediciones INCA, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, 93 p., 2015, ISBN: 978-959-7023-77-7. en toda su extensión. Tiene un relieve llano, altura sobre el nivel del mar de 120 m e insolación anual de 1825 kWh/m². Las variables meteorológicas registradas en la Estación Meteorológica Tapaste, San José de las Lajas, durante el periodo enero-septiembre/2023, mostraron que las temperaturas máximas alcanzadas en la región superaron los 32 ºC entre los meses de junio a septiembre y las más frías descendieron como promedio hasta 21,1 ºC en enero. Las precipitaciones manifestaron incrementos a partir de junio, e indicaron los valores medios más elevados en mayo y agosto con 72 y 77 mm, respectivamente. La humedad relativa varió entre 47% (mínimo, en marzo) y 84% (máximo, en septiembre), mientras que la velocidad del viento alcanzó un valor máximo de 3,6 km/h durante el mes de agosto. El comportamiento de estas variables climáticas permite desarrollar satisfactoriamente producción avícola. Dentro de sus instalaciones se encuentra un sistema de producción avícola, el cual se conforma por tres áreas productivas, una de estas áreas se destina a la producción de huevos con el empleo gallinas ponedoras de la raza White Leghorn, esta área cuenta con una capacidad máxima de 2 872 animales; otra es el área destinada a la producción de pavos cuya capacidad varía en función de la época del año 1 500 animales (verano) y 3 000 animales (invierno) y finalmente el área destinada a las gallinas camperas destinadas también a la producción de huevos con una capacidad de 700 animales.

En la Tabla 1 se muestran los datos obtenidos en cuanto al movimiento de la masa animal en el sistema de producción avícola, durante el periodo de observación.

TABLA 1. Movimiento del sistema avícola en el periodo de investigación en la Granja “El Guayabal”

Mov. de Rebaño	Existencia Inicial	Existencia Final	Animales/día	Masa Promedio, kg
Gallinas ponedoras Leghorn White	2872	2872	2872	1,4
Pavos blancos de pecho ancho	3000	1500	2250	6,5
Gallinas camperas	700	700	700	2,2

En el sistema de producción avícola objeto de estudio, para su operatividad, se emplean un grupo de portadores energéticos, los que se relacionan en la Tabla 2.

TABLA 2. Portadores energéticos instalados en el sistema de producción avícola

Portadores energéticos (Cantidad)	Potencia, kW	Tiempo de Operación, h	Energía consumida/día, kWh/día
Sistema de producción de gallinas White Leghorn
Tubos LED 20W (10)	0,20	14	2,80
Tubos LED 40W (18)	0,72	14	10,08
Sistema de producción de pavos de pecho ancho
Tubos LED 20W (79)	1,58	14	22,12
Extractor I (1)	0,01	24	0,24
Extractor II (1)	0,02	24	0,48
Calentador I (1)	0,01	24	0,24
Calentador II (1)	0,03	24	0,72
Calentador III (1)	0,06	24	1,44
Calentador IV (1)	0,03	24	0,72
Calentador V (1)	0,15	24	3,60
Sistema de producción de gallinas camperas
Tubos LED 40W (10)	0,40	14	5,60

Para el establecimiento de las metodologías específicas para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico y del calentador solar, se consideran los fundamentos planteados por (Morejón et al., 2022MOREJÓN, M.Y.; TORRICO, A.J.C.; MORENO, M.V.; ABRIL, H.D.A.: Fundamentos para la introducción de las fuentes de energía renovables en sistemas agropecuarios. Caso de estudio: Introducción de biodigestores en fincas pertenecientes al departamento Cundinamarca, Colombia, Depósito Legal: 4-1-4299-2022 p., Publicado en: La Paz-Bolivia, por el Instituto Agrario Bolivia, con el sello editorial CienciAgro, 2022, ISBN: 978-9917-9928-0-6.).

Metodología para el dimensionamiento e instalación de paneles fotovoltaicos

⌅

Para determinar la energía que debe entregar la instalación fotovoltaica, se han de considerar las pérdidas que involucran las baterías, el inversor y los conductores.

Para calcular el consumo medio diario (E_mdn) de la instalación se tendrá en cuenta el consumo medio real crítico de la carga (E_md) y no el consumo medio para cargas constantes ni el número de inventarios.

E_{m d n} = \frac{E_{m d}}{η_{b a t} \cdot η_{i n v} \cdot η_{c o n d}}, k W h

(1)

donde: $E_{m d}$ : Consumo medio real crítico de la carga, $k W h$ ; $η_{b a t}$ : Eficiencia de las baterías; $η_{i n v}$ : Eficiencia del inversor; $η_{c o n d}$ : Eficiencia de los conductores.

Si no se cuenta con metro-contador en el escenario de investigación, es posible determinar la demanda energética mediante el levantamiento de los medios y equipos eléctricos situados en el área objeto de estudio, determinándose la potencia (N) de cada uno de ellos y el tiempo de operación diario (To), con estos dos parámetros se puede determinar la energía consumida diariamente ( $E_{m d}$ ) en la instalación, lo cual se puede determinar mediante la expresión siguiente:

E_{m d} = N \cdot T_{0}, k W h

(2)

donde:

$N$ : Potencia de los equipos y medios eléctricos, $kW$

$T_{o}$ : Tiempo de operación diario, $h$ .

Dimensionamiento del generador fotovoltaico

⌅

Para la determinación del número de paneles solares requeridos, es posible emplear el criterio basado en la estimación del consumo de Amperes-hora de la instalación Hernández (2007)HERNÁNDEZ, L.: “Sistemas fotovoltaicos ¿Autónomos o conectados a la red?”, Revista Energía y tú, 38, 2007., León et al. (2021)LEÓN, M.J.A.; MOREJÓN, M.Y.; MELCHOR, O.G.C.; ROSABAL, P.L.M.; QUINTANA, A.R.; HERNÁNDEZ, C.G.: “Dimensionamiento de un parque solar fotovoltaico para el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA)”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 30(4), 2021, ISSN: 1010-2760, e-ISSN: 2071-0054., siendo el consumo medio de corriente diario requerido:

Q_{A h} = \frac{E_{m d n}}{V_{b a t}}, \frac{A h}{d í a}

(3)

donde: $V_{b a t}$ : Voltaje de las baterías, $V$ .

Así mismo, según Alonso (2011ALONSO, J.A.: Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas, [en línea], Ed. Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, SunFieldsEurope ed., España, 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com.; 2017)ALONSO, J.A.: “Cálculo de instalación. Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”, Era solar: Energías renovables, 197: 6-15, 2017, ISSN: 0212-4157., la corriente que debe generar un campo de captación fotovoltaico en el mes más crítico de radiación solar (I_GFV) se determina como:

I_{G F V} = \frac{Q_{A h}}{T S_{c r i t}}, A

(4)

donde: $T S_{c r i t}$ : Horas de sol pico del mes más crítico, $h$ .

Luego, (I_GFV) la corriente generada por el campo de captación fotovoltaico (el total de placas solares instaladas), se divide entre la corriente unitaria de cada módulo fotovoltaico (I_MOD), se obtiene el total de módulos necesarios conectados en paralelo:

N p = \frac{I_{G F V}}{I_{M O D}}

(5)

donde: $I_{M O D}$ : Corriente unitaria específica de cada módulo fotovoltaico, $A$ .

Dimensionamiento del sistema de acumulación

⌅

Según Mascaros (2015)MASCAROS, V.: Instalaciones generadoras fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, S.A, Madrid, España, 296 p., 2015, ISBN: 978-84-283-3724-3., para el cálculo del número de baterías requeridas para una instalación fotovoltaica, se han de considerar:

el tiempo de autonomía deseado para la instalación fotovoltaica;
la profundidad de descarga máxima estacional de las baterías;
la profundidad de descarga máxima diaria de las baterías.

Según Alonso (2011)ALONSO, J.A.: Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas, [en línea], Ed. Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, SunFieldsEurope ed., España, 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com., la capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima estacional se determina según:

C_{n e} = \frac{E_{m d n} \cdot N_{D A}}{P_{D m a x, e} \cdot F_{c t}}, k W h

(6)

C_{n e A h} = \frac{C_{n e}}{V_{b a t}}, A h

(7)

donde: $N_{D A}$ : Número de días de autonomía de la instalación; $P_{D m a x, e}$ : Profundidad de descarga máxima estacional de las baterías; $F_{c t}$ : Factor de carga total de las baterías; $C_{n e A h}$ : Capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima estacional, $A h$ .

Así mismo, la capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima diaria se determina según:

C_{n d} = \frac{E_{m d n}}{P_{D m a x, d} \cdot F_{c t}}, k W h

(8)

C_{n d A h} = \frac{C_{n d}}{V_{b a t}}, A h

(9)

donde: $P_{D m a x, d}$ : Profundidad de descarga máxima diaria de las baterías; $C_{n d A h}$ : Capacidad nominal de la batería en función de la descarga máxima diaria, $A h$ .

Luego de determinada la capacidad nominal de las baterías en función de los valores de descarga máxima estacionaria y diaria, se toma la de mayor valor y se divide por la capacidad nominal de corriente de una de las baterías, para obtener el número de estas necesario:

N_{b a t} = \frac{C_{n A h}}{C_{n A h, b a t}}

(10)

Dimensionamiento del regulador y el inversor

⌅

Para determinar la capacidad del regulador, se han de determinar la corriente a su entrada y a su salida. De modo que:

I_{e n t} = (1 + F_{s e g}) \cdot N_{r} \cdot I_{m o d, s c}, A

(11)

donde: $F_{s e g}$ : Factor de seguridad para evitar daños ocasionales al regulador; $N r$ : Número de ramas en paralelo; $I_{m o d, s c}$ : Corriente unitaria del módulo fotovoltaico en condiciones de cortocircuito, $A$ .

I_{s a l} = \frac{(1 + F_{s e g}) \cdot E_{m d, m a x}}{η_{i n v} \cdot T_{t p c} \cdot V_{b a t}}, A

(12)

donde: $E_{m d, m a x}$ : Consumo máximo de la carga, $k W h$ ; $T_{t p c}$ : Tiempo de máxima demanda de la carga, $h$ .

Mascaros (2015)MASCAROS, V.: Instalaciones generadoras fotovoltaicas, Ed. Ediciones Paraninfo, S.A, Madrid, España, 296 p., 2015, ISBN: 978-84-283-3724-3., refiere que para la determinación de la potencia del inversor requerida para la instalación se procede según:

P_{i n v} = (1 + F_{s e g}) \cdot P_{A C}, W

(13)

donde: $P_{A C} -$ Potencia de arranque, W

Alonso (2011)ALONSO, J.A.: Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas, [en línea], Ed. Boletín Solar Fotovoltaica Autónoma, SunFieldsEurope ed., España, 2011, Disponible en: www.sfe-solar.com. plantea que muchos de los electrodomésticos y equipos que tienen motores tienen picos de corriente en el arranque. Ello supone que estos dispositivos, en el momento del arranque, tendrán una demanda de potencia mayor que la nominal, en ocasiones de hasta 4 o 5 veces más que la prevista. Por ello, resulta conveniente considerar en el dimensionamiento del inversor, el efecto de los picos del arranque de los motores siempre que sea necesario para garantizar un funcionamiento satisfactorio de la instalación.

Cuando se utiliza un parque solar fotovoltaico se está aprovechando de manera eficiente una energía limpia, renovable y segura. Contribuyéndose directamente en la reducción de gases de efecto invernadero causantes del cambio climático, y se mejora de forma significativa la calidad del aire, ya que disminuye significativamente el uso de combustibles fósiles. Producto a lo antes expuesto se hace necesario conocer cuánto se deja de consumir en energía fósil (número de kWh de electricidad evitados mensual y anual) con la implementación de este parque solar fotovoltaico (Canvi Climatic, 2011CANVI CLIMATIC: Guía práctica para el cálculo de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), Inst. Oficina Catalana del CanviClimatic, Comisión Interdepartamental del Cambio Climático, Barcelona, Espña, 2011.).

A partir de la utilización de estos parques solares fotovoltaicos se ahorra cierta cantidad de energía eléctrica en un mes por lo cual:

Q_{C M} = E_{m d} \cdot D_{m}, k W h

(14)

donde: $D_{m}$ : Días que tiene un mes.

Siendo la energía ahorrada en un año:

Q_{C A} = 12 \cdot Q_{C M} D_{m}, k W h

(15)

Para la determinación del costo de la energía ahorrada en un año, fue considerado lo establecido por Bolaños (2021)BOLAÑOS, M.: “Resolución 66/2021, Gaceta Oficial de la República de Cuba”, Gaceta Oficial de la República de Cuba, 2021., donde se establecen las tarifas eléctricas en pesos cubanos (peso) para el cobro del servicio eléctrico. En el caso específico del sistema de tarifas para alta tensión con actividad continua, específicamente la que responde a la energía consumida durante el horario del día. Siendo el costo de la energía ahorrada en un día:

C_{d í a} = (a \cdot K + b) \cdot Q_{c d í a}, p e s o / d í a

(16)

donde:

a, b: Coeficientes a aplicar según el tipo de tarifa (1,5282 y 0,7273 respectivamente), peso/kWh;

K: Factor de ajuste de variación del precio del combustible;

Q _cdía : Consumo de energía en un día, kWh/día.

De manera análoga, se puede determinar el costo de la energía ahorrada en un año según:

C_{a ñ o} = (a \cdot K + b) \cdot Q_{C A}, p e s o / a ñ o

(17)

donde: Q _CA : Consumo de energía en un año, kWh/año

Metodología para la determinación de calentadores solares

⌅

Para determinar la cantidad de calentadores solares que se deben instalar, se hace necesario conocer el consumo de agua que demanda la instalación a través de la expresión siguiente:

C_{H_{2} O} = \frac{N_{C (H_{2} O)} \cdot C_{h d} \cdot W}{100}, L

(18)

donde: $N_{C (H_{2} O)}$ : norma de consumo de agua, L/animal; $C_{h d}$ : número de animales en el rebaño o personas en la vivienda; $W$ : porcentaje de ocupación del emplazamiento, %.

En Cuba la radiación solar media por día, en los meses de noviembre a febrero, es 4200 kcal/m ² ; siendo este período de menor insolación en el año. Un calentador de tubos al vacío de 200 L de capacidad, puede suministrar, bajo estas condiciones, alrededor de 300 L diarios de agua caliente a 50ºC.

Es válido señalar que esta tecnología también puede favorecer a la familia que resida en el escenario ganadero, donde por lo general, en el caso específico de las familias cubanas, estas tienen costumbres de realizar varias actividades alimentarias a lo largo del día, (considerando desayuno, almuerzo y comida), más el agua caliente para fregar la vajilla, con una norma de 20 L por persona con una temperatura de 55ºC (Bérriz y Álvarez, 2014BÉRRIZ, L.; ÁLVAREZ, M.I.: Manual para el cálculo y diseño de calentadores solares, Ed. Editorial Cubasolar, La Habana, Cuba, 2014, ISBN: 978-959-7113-36-2.; Aguilera, 2021AGUILERA, P.G.: “Aspectos prácticos de las instalaciones de calentadores solares”, Eco Solar, 76: 9-20., 2021.).

La demanda de agua caliente de un emplazamiento se puede determinar según:

C_{H_{2} O c} = \frac{N_{C (H_{2} O c)} \cdot C_{h d} \cdot W}{100}, L

(19)

donde:

$N_{C (H_{2} O c)}$ : norma de consumo de agua caliente, L/persona o L/animal;

Conociendo la cantidad de agua que demanda un emplazamiento, se puede calcular la cantidad de calentadores necesarios para satisfacer las necesidades del mismo, según la expresión:

N_{c s} = \frac{C_{H_{2} O c}}{C_{a e}}

(20)

donde: $C_{a e}$ : cantidad de agua que entrega un calentador con una insolación determinada, L/día.

Según Canvi Climatic (2011)CANVI CLIMATIC: Guía práctica para el cálculo de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), Inst. Oficina Catalana del CanviClimatic, Comisión Interdepartamental del Cambio Climático, Barcelona, Espña, 2011., para determinar la energía que demanda calentar el agua (Q_C) a utilizar, se necesita tener en cuenta el salto de temperatura, de 15 ºC a 50 ºC, de modo que:

Q_{c} = K_{C U} \cdot m \cdot C_{e} (T_{f} - T_{i}), k W h

(21)

donde: $K_{C U}$ : 3,6.10⁶ J /kWh ; $m$ : masa de agua, kg; $C_{e}$ : calor específico del agua, 4187J/ºC⋅kg; $T_{i}$ : temperatura inicial, ºC; $T_{f}$ : temperatura final, ºC.

Con la utilizacion de estos equipos de calentamiento de agua se ahorra cierta cantidad de energía electrica en un mes (Q_CM) por lo cual:

Q_{C M} = Q_{c} \cdot D_{m}, k W h

(22)

donde: $D_{m}$ : días que tiene un mes.

Siendo la energía ahorrada (Q_CA)en un año:

Q_{C A} = 12 \cdot Q_{C M}

(23)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

⌅

Valoración técnico-económica de la introducción de la energía solar fotovoltaica en las condiciones del sistema de producción avícola

⌅

Para la realización de la propuesta de un sistema solar fotovoltaico en áreas del sistema de producción avícola, se consideran los paneles solares comercializados por la empresa cubana COPEXTEL. Los datos técnicos correspondientes se muestran en la Tabla 3.

TABLA 3. Datos técnicos de los paneles solares comercializados por COPEXTEL

Parámetro	Especificación
Potencia pico del módulo en condiciones estándar, $W$	$270$
Voltaje máximo del módulo, $V$	$55, 10$
Corriente de cortocircuito del módulo, $A$	$5, 30$
Corriente unitaria máxima del módulo, $A$	$4, 9$
Rendimiento del inversor	$0, 9$
Rendimiento de los conductores	$1$
Rendimiento de las baterías	$0, 95$

Además, se seleccionaron las baterías Trojan, cuyos datos técnicos se muestran en la Tabla 4.

TABLA 4. Datos técnicos de las baterías Trojan monoblock propuestas

Parámetro	Especificación
Profundidad de Descarga Máxima Estacional, $%$	$70$
Profundidad de Descarga Máxima Diaria, $%$	$15$
Rendimiento	$0, 9 - 0, 95$
Voltaje, $V$	$12$
Capacidad de corriente, $A$	$240$

Para dicha propuesta también se tuvo en cuenta el inversor que comercializa COPEXTEL, con una potencia 20% mayor a la demandada por el equipo.

En este caso no se considera el empleo de un regulador de seguimiento del punto de máxima potencia ya que los sistemas fotovoltaicos que lo incluyen, constituyen sistemas que mejoran la eficiencia de la instalación entre 10 y 25%. El problema fundamental de estos reguladores radica en su elevado costo para instalaciones de pequeño y mediano porte. En el caso de la propuesta, por el volumen de energía a generar requeriría un regulador de gran capacidad con capacidad de seguimiento del punto de máxima potencia, que elevaría el costo total de la instalación al menos en 30 y 40% más solo por este concepto.

TABLA 5. Dimensionamiento del sistema solar fotovoltaico total y para las tres especies establecidas en el sistema avícola y análisis económico de las propuestas

Parámetro	Símbolo	Valor
Consumo medio diario en toda la instalación	$L_{m d n}, k W h$	50,28
Consumo medio de corriente diario en toda la instalación	$Q_{A h}, A h / d í a$	52 92
Corriente que debe generar el campo fotovoltaico en el mes crítico de radiación solar	$I_{g f v, m p p}, A$	10 584,4
Total de paneles solares	$N p$	160
Total de módulos fotovoltaicos	$N m$	40
Área requerida	$A r$ , m²	124,24
Energía a producir con el sistema fotovoltaico	$E p, k W h$	1 192,7
Costo de Inversión	$C_{i n v}, p e s o$	487 026.21
Para sistemas de gallinas Leghorn White
Consumo medio diario de la instalación	$L_{m d n}, k W h$	15,06
Consumo medio de corriente diario	$Q_{A h}, A h / d í a$	15 842
Corriente que debe generar el campo fotovoltaico en el mes crítico de radiación solar	$I_{g f v, m p p}, A$	3 168,4
Total de paneles solares	$N p$	44
Total de módulos fotovoltaicos	$N m$	11
Área requerida	$A r$ , m²	33,31
Energía a producir con el sistema fotovoltaico	$E p, k W h$	319,77
Costo de Inversión	$C_{i n v}, p e s o$	130 576.6
Para sistemas de producción gallinas camperas
Consumo medio diario de la instalación	$L_{m d n}, k W h$	0,65
Consumo medio de corriente diario	$Q_{A h}, A h / d í a$	688
Corriente que debe generar el campo fotovoltaico en el mes crítico de radiación solar	$I_{g f v, m p p}, A$	137,6
Total de paneles solares	$N p$	20
Total de módulos fotovoltaicos	$N m$	5
Área requerida	$A r$ , m²	14,48
Energía a producir con el sistema fotovoltaico	$E p, k W h$	139,03
Costo de Inversión	$C_{i n v}, p e s o$	56 772.41
Para sistemas de producción de pavos
Consumo medio diario de la instalación	$L_{m d n}, k W h$	34,57
Consumo medio de corriente diario	$Q_{A h}, A h / d í a$	36 392
Corriente que debe generar el campo fotovoltaico en el mes crítico de radiación solar	$I_{g f v, m p p}, A$	7 278,4
Total de paneles solares	$N p$	96
Total de módulos fotovoltaicos	$N m$	24
Área requerida	$A r$ , m²	76,45
Energía a producir con el sistema fotovoltaico	$E p, k W h$	733,90
Costo de Inversión	$C_{i n v}, p e s o$	299 677.2

^*peso: se refiere a la moneda nacional (MN), se considera la tasa de cambio 25 MN = 1 USD

TABLA 6. Resultados del impacto medio ambiental como consecuencia de la instalación propuesta

Parámetro	Valor estimado
Energía eléctrica dejada de consumir, kW/día.	42,44
Energía eléctrica ahorrada, kWh/año.	99 046,18
Masa de CO₂ dejada de emitir a la atm, t/año.	1 591,5
Masa de combustible fósil para producir electricidad, t/año.	79,2

Como se evidencia en la Tabla 6, por concepto de reducción del combustible fósil requerido para la producción de la energía eléctrica y la masa de CO₂ no emitida al medioambiente se demuestra la factibilidad económica y ambiental de la introducción del sistema fotovoltaico en el sistema de producción avícola investigado.

Valoración técnico-económica de la introducción de la energía solar térmica (calentadores y secadores solares) en las condiciones del sistema de producción avícola

⌅

Para la determinación de la tecnología de calentadores solares en las condiciones del sistema de producción avícola de la Granja “El Guayabal”, se tuvo en cuenta la cantidad de calentadores que se deben utilizar para la correcta higienización de los trabajadores.

Antes de proceder a las determinaciones antes mencionadas, se debe conocer la cantidad de agua caliente necesaria (norma de consumo de agua) por trabajadores, datos que se reflejan en la Tabla 7.

TABLA 7. Cantidad de agua caliente necesaria en el escenario productivo

Cant. de trabajadores	Demanda de agua para la higienización N_c(H₂O), L	% de ocupación en el emplazamiento
5	20	100

Como se puede observar en la Tabla 7 en el sistema avícola objeto de estudio es necesario un total de 100 litros de agua caliente para la correcta higienización de los trabajadores, considerándose que son cinco trabajadores en esa área, lo cual hace un total de 100 L/día.

Para la realización de la propuesta de calentadores, se utilizaron los de tubos al vacío, ya que resultan los más comercializados en el país y sus condiciones son idóneas para el escenario productivo como se puede apreciar en la Tabla 8.

TABLA 8. Datos técnicos del calentador de tubos al vacío

Capacidad del calentador, (L)	Suministro de agua caliente diaria a 50^oC, (L/día).
200	100

Conociéndose ya la cantidad de agua demandada en el área (Tabla 7) y el suministro de agua caliente diaria del calentador (Tabla 8) se propone la introducción de un solo calentador de tubos al vacío el cual puede satisfacer la demanda de agua caliente necesaria en el escenario objeto de estudio.

TABLA 9. Aporte energético del calentador de tubos al vacío a obtener con la instalación de la tecnología

Ahorro Energético Potencial
Energía eléctrica, kWh/día	5,341
Energía eléctrica, kWh/año	1 949,465
Masa de CO₂ dejada de emitir a la atm, t/año.	200,29
Masa de combustible fósil para producir electricidad, t/año.	0,97

Para tener un estimado del costo del proceso constructivo y de instalación del calentador solar de tubos al vacío (sin considerar la mano de obra), en la Tabla 10 se relacionan los materiales requeridos para la instalación de la tecnología.

TABLA 10. Lista de costos de la instalación de calentador solar de tubos al vacío

Materiales	UM	Cantidad	Precio unitario, peso/u	Costo, peso
Módulo de calentador solar	u	1	6 000	6 000
Tanque de 55 galones	u	1	2 500	2 500
Tuberías para captación y conducción del agua	Accesorios: Uniones, codos, limpiador y pegamento PVC, válvulas de cierre (la cantidad varía en función de la distancia)		550	550
Tuberías para suministro de agua	Tubos de 13,75 mm (0,5”) (2): 5 m/cu		300	600
Total				9 650

^*peso: se refiere a la moneda nacional (MN), se considera la tasa de cambio 25 MN = 1 USD

En el caso de la valoración técnico-económica del empleo de secadores solares no se considera necesario esta tecnología en las condiciones del sistema avícola, perteneciente a la Granja Universitaria “El Guayabal”, ya que en esta unidad productiva se enfoca en la producción de huevos o carne y no se procesa ningún tipo de alimento animal en el que se requiera el secado solar.

Como se puede observar en las Tablas 5 y 10, si se considera la inversión requerida para ambas tecnologías, la cual asciende a 487 026.21 peso para el caso del sistema fotovoltaico aislado y a 9 650 peso para el caso del calentador solar, alcanzándose un valor total de 496 676.21 peso y se analiza este en función de la producción promedio de huevos que asciende a 252 unidades/día y el precio del huevo es equivalente a 2.20 peso/unidad, entonces es posible recaudar 554.4 peso/día (16 632 peso/mes), por lo que es posible recaudar anualmente un monto de 199 584 peso, de esta forma se demuestra que la inversión total es posible recuperarla en un periodo de 2,5 años.

CONCLUSIONES

⌅

Los fundamentos teórico-metodológicos planteados posibilitaron determinar la factibilidad de la introducción de la energía solar (térmica y fotovoltaica) en las condiciones del sistema de producción avícola de la Granja Universitaria “El Guayabal”.
A partir del diagnóstico energético-productivo del sistema de producción avícola objeto de estudio, se determinó que la instalación de un sistema híbrido conformado por un sistema fotovoltaico aislado y un calentador solar, podría cubrirse en gran medida la demanda energética del escenario.
Se determinó que la instalación de un secador solar no procede; debido a que no se requiere del secado o deshidratación de producciones agrícolas para la alimentación de las especies avícolas que se establecen en dicho escenario.
La inversión total (instalación y montaje de un bloque de paneles fotovoltaicos aislados y un calentador solar) se recupera en un periodo de 2,5 años.

Feasibility of Introducing Solar Energy into a Poultry Production System

INTRODUCTION

MATERIALS AND METHODS

Methodology for the sizing and installation of photovoltaic panels

Sizing of the photovoltaic generator

Sizing of the system of accumulation

Sizing of the regulator and the investor

Methodology for the determination of solar heaters

RESULTS AND DISCUSSION

Technician-economic valuation of the introduction of the solar photovoltaic energy under the conditions of the system of poultry production

Technician-economic valuation of the introduction of the solar thermal (heaters and solar dryers) energy under the conditions of the system of poultry production

CONCLUSIONS

REFERENCES

Factibilidad de la introducción de la energía solar en un sistema de producción avícola

INTRODUCCIÓN

MATERIALES Y MÉTODOS

Metodología para el dimensionamiento e instalación de paneles fotovoltaicos

Dimensionamiento del generador fotovoltaico

Dimensionamiento del sistema de acumulación

Dimensionamiento del regulador y el inversor

Metodología para la determinación de calentadores solares

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Valoración técnico-económica de la introducción de la energía solar fotovoltaica en las condiciones del sistema de producción avícola

Valoración técnico-económica de la introducción de la energía solar térmica (calentadores y secadores solares) en las condiciones del sistema de producción avícola

CONCLUSIONES