LA E N ERGIA SOLAR EN AGRICULTURA
FERNANDO BESNIER Ingeniero Agrónomo
LA ENERGIA SOLAR EN AGRICULTURA
El desarrollo del aprovechamiento de la energía solar prome- te interesantes aplicaciones prácticas en la agricultura. Muchas de estas aplicaciones son completamente nuevas; otras, como la calefacción de invernaderos, constituyen perfeccionamientos de técnicas utilizadas ya desde hace mucho tiempo.
LA ENERGIA SOLAR
La luz solar constituye la única fuente de energía práctica- mente ilimitada de que disponemos y es el origen de muchas otras fuentes de energía, renovables o no, que se utilizan a dia- rio (combustibles renovables como la leña, combustibles fósiles como el petróleo, electricidad procedente de centrales hidroeléc- tricas, etc.).
A nivel de la estratosfera, la energía recibida del sol es de unos 1.353 watios/m2, lo que equivale a 1,94 calorías por cm2 y minuto. Este valor se denomina «constante solar».
A nivel del suelo, la energía recibida en un año depende de la latitud, la nubosidad y muchos otros factores. Varía mucho, como es bien conocido, según la época del año, hora del día, orientación y pendiente del suelo, etc.
Para España Peninsular y Baleares y sobre suelo horizontal, los valores promedios diarios de la radiación total recibida se indican en la figura 1. Las curvas de isorradiación correspon- den a langlios/día ( 1 langlio=l caloría/cmz). En las islas Cana- rias los valores oscilan entre 396 y 475 langlios/dia, con una máxima de 502 langlios/día en Izaña.
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Fig. l.-Curvas de isorradiación en langlios/día (promedio diario de ^a radiación total anual) para ^a Península y Baleares (preparadas a partir de las tablas de F.
Elías Castillo).
FORMAS DE CAPTACION DE LA ENERGIA SOLAR
Existen actualmente dos métodos para captar energía solar de los que se tienen suficientes conocimientos, encontrándose en el mercado numerosos dispositivos y aparatos para la capta- ción y utilización de energia solar basados en uno u otro método.
El primer método es el de la conversión fotovoltaica, que consiste en la conversión directa de la energía solar en electri- cidad, por medio de células solares. Estas células solares, hechas de silicio o de compuestos químicos (sulfuro de cadmio/
sulfuro de cobre, arseniuro de galio, etc.), son muy difíciles de fabricar y muy caras. Su eficacia (relación de energía obteni- da en forma de electricidad a energía recibida en forma de radiación solar) es del orden del 10-15 por 100.
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Se utilizan mucho en satélites y sondas espaciales, pero, a causa de su precio, sus aplicaciones en agricultura son actual- mente muy limitadas.
El segundo método consiste en la conversión directa de la energía solar en calor, lo cual puede hacerse por tres sistemas:
- A baja temperatura, inferior a 100° C., sin concentración de energía.
- A temperatura media, entre 200 y 600° C., con concentra- ción de energia.
- A temperatura alta, superior a 600° C., con concentración de energía (hornos solares).
El método más empleado en las aplicaciones agrícolas es el de bajas temperaturas, generalmente con colector plano.
EL COLECTOR PLANO
El colector plano consta básicamente de los siguientes ele- mentos:
1. Una caja aislada térmicamente.
2. Una superficie sobre la que incide la radiación solar y donde ésta se transforma en calor.
3. Una o más cubiertas transparentes que tienen por objeto eliminar pérdidas de calor procedente de la superficie co- lectora.
4. Un sistema de circulación de fluidos al que se transfiere la energía acumulada en forma de calor.
SUPERFICIE ABSORBENTE TUBOS CUBIERTA TRANSPARENTE
Q O
CAJA
Q
AISLANTE
Fig. 2.-Esquema de un colector plano con circulación de agua y una sola cubierta transparen[e.
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Los dos tipos más importantes de colectores planos se dife- rencian en el fluido empleado en la transferencia de la energía absorbida. El fluido puede ser un líquido, generalmente agua, o un gas, que es siempre aire.
Describiremos estos elementos tal como se presentan en el caso de un colector plano con agua, del tipo más sencillo, fácil de construir y luego indicaremos diversos perfeccionamien- tos introducidos en los distintos modelos comerciales patentados.
Caja
La caja es simplemente un recipiente, de las medidas ade- cuadas, donde se colocan y sostienen los distintos elementos.
El fondo de la caja se rellena de material aislante del calor y sobre este material aislante se coloca la placa colectora y el sis- tema de tuberías de agua.
Placa colectora
Es una chapa de metal, plana o con ranuras para la mejor adaptación de los tubos. Para que la absorción de energía sea máxima, la chapa debe ser de color negro.
Cubiertas
Las cubiertas transparentes tienen por objeto producir el lla- mado «efecto de invernadero» dentro de la cámara existente en- tre ellas y la placa colectora.
El «efecto de invernadero» tiene el siguiente fundamento.
El vidrio común es transparente a la casi totalidad de las dis- tintas longitudes de onda que componen la radiación solar que llega al nivel del suelo, es decir, a las longitudes comprendi- das entre 0,3 y 3 micras. Colocando tras el cristal un cuerpo absorbente, éste se calienta y emite radiación infrarroja de alta longitud de onda (mayor de 3 micras) a la que el vidrio es opaco, por lo que esta radiación no se pierde, como suce- dería si no existiese el cristal. Por otra parte, el aire que está en contacto con la placa se calienta y este calor se perdería
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Fig. 3.-Batería de colectores pla- nos con agua, situados en la zona
norte de Tenerife (Valle Guerra).
por convención (movimiento del aire caliente) si no existiera el cristal.
Sistema de círculación
El sistema de circulación más sencillo es el formado por una parrilla de tubos. El agua fría penetra por el extremo infe- rior y el agua caliente sale por el tubo superior. Los tubos son de metal y deben tener la superficie negra si se colocan sobre la placa colectora, que es la disposición más fácil de construir.
PERFECCIONAMIENTOS DEL COLECTOR PLANO CON AGUA Caja
Los perfeccionamientos en su construcción se refieren prin- cipalmente a su ligereza de peso para facilitar la instalación;
su mejor capacidad aislante, especialmente en los laterales y en- tradas y salidas de las tuberías; resistencia a la corrosión por agentes atmosféricos; disminución del sombreo de la placa, etc.
Placa colectora
Se aumenta la eficacia colectora recubriendo la chapa de una capa finísima de sustancias opacas a las longitudes de onda emitidas por la chapa caliente (superficies selectivas).
Cubiertas
La eficacia aumenta colocando dos cubiertas transparentes en vez de una, lo que es muy conveniente en regiones frías.
También aumenta si se emplea vidrio templado, con bajo contenido en óxidos de hierro, de 3-4 mm de espesor, en vez de cristal común de ventanas. Se mejora el rendimiento tratando su superficie con productos antirreflectantes fluoruro de magnesio, por ejemplo).
Se emplean también cubiertas de plástico transparente, gene- ralmente para la cubierta interior.
Sistema de circulación
Se mejora el rendimiento colocando los tubos en ranuras sobre y bajo la placa plana y soldándolos a ésta.
En muchas placas comerciales actuales no existen tubos co- mo tales sino que los circuitos de circulación se forman en espacios huecos que quedan entre dos placas, cada una de las
Fig. 4.-Colectores planos de energía solar para calentar aire para secado de granos y calefacción. (Foto USDA.)
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cuales está moldeada para formar la mitad del circuito (cir- cuitos impresos). En algunos modelos estos circuitos tienen formas distintas de la de una sección circular, con lo que la superficie de la placa deja de ser plana.
Se están ensayando placas con estructuras celulares en forma de panel de abeja o semejantes.
Por último indicaremos que existen colectores de tipo indus- trial que constan de una serie de tubos de vidrio al vacío, que llevan en su interior los tubos de circulación; cada tubo hace el triple papel de cubierta transparente, superficie absor- bente y sistema de circulación.
Orientación del colector plano
En el Hemisferio Norte, los colectores planos se montan con su eje apuntando al polo norte sideral (Estrella Polar). La superficie receptora está, por tanto, orientada al Sur, con la inclinación necesaria para que los rayos del sol sean perpendicu- lares a ella a las doce horas solares, cuando aquél está en el cenit.
Como la altura del sol sobre el horizonte varía según las estaciones, los colectores planos pueden estar montados de modo que basculen para ajustar la inclinación en cada mes. Sin embargo, generalmente la inclinación es fija y para que el aprovechamiento de la energía solar sea máximo en invierno, el ángulo de inclinación con la horizontal suele ser de 10 grados más que la latitud del lugar en que están colocados.
La inclinación se da al colector para conseguir el máximo aprovechamiento de la energía solar. Si las circunstancias eco- nómicas lo aconsejan, el colector puede tener inclinaciones distintas, por ejemplo, estar colocado en vertical, adosado a una pared que da al Sur o directamente colocado sobre un tejado que también dé al Sur.
Incluso es factible cambiar la orientación si la disminución de rendimiento, la falta de espacio o la estética compensan esta disminución de alguna manera; por ejemplo, en edificios con fachada al Sur y tejados orientados al Este y al Oeste pueden colocarse las placas directamente sobre los dos tejados.
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Cubierta interior reflectante de
infrarrojos
Fig. 5.-Tubo colector de vidrio al vacío (tipo Philips).
Tubos de cobre neqros
Espejo interior
Otros tipos de colectores
Los principales son los siguientes:
Tubos de plástico inflados que se utilizan para calentar aire para secado de cereales y, a veces, para invernaderos.
Bolsas o sacos de plástico o de caucho de butilo interconec- tados entre sí y conectados a un depósito acumulador de agua caliente. Se colocan en las entrelíneas de los invernaderos para su calefacción, pero también se pueden utilizar, colocados ho- rizontalmente sobre cualquier superficie, para proporcionar agua caliente para usos diversos.
ACUMULACION DE CALOR
El empleo de la energía solar en agricultura, tanto por el
«efecto de invernadero» en los cultivos protegidos como en la desecación de cosechas al sol (uvas pasas, por ejemplo) es muy antiguo. Las novedades en este campo consisten en una mejora de la tecnología utilizada que permite una mayor eficacia en el aprovechamiento de la energía solar y una utilización más am- plia y variada. Entre estas mejoras tecnológicas se encuentra la acumulación de calor durante el día para ser utilizado duran- te la noche o en períodos nublados.
Depósitos de agua caliente
Fig. 6.-Bolsas de plástico negro, colocadas en las entre- líneas de los cultivos de un invernadero e interconecta- das entre sí, que actúan co- mo colectores de calor em- pleando agua que se almace- na en un depósito aislado
térmicamente.
En el caso de que se empleen colectores con agua la acumu- lación de calor se realiza fácilmente en un depósito de agua caliente, ya que el agua almacena bien el calor. Cuando se trata de aprovechamiento de energía solar para producir agua caliente para usos domésticos o agrícolas (agua caliente para la lechería, por ejemplo), el depósito de agua caliente forma parte indispensable del sistema.
Fig. 7.-Calentador solar de agua con colectores planos, depósito de agua caliente con aislamiento térmico y circulación por termosifón. La eficacia aumenta al aumentar la distancia (d) entre la parte superior del colector y la inferior del depósito. (De Szokolay).
Fig. 8.-Colector solar de tubo de plástico infla- do para calentar aire para secado de granos. Cada tubo tiene 30 metros de longitud y entre los dos suministran un caudal de aire caliente de 70 m3/mi- nuto, impulsados por un ventilador de 1 CV. (Foto
USDA. )
Cuando el objetivo es la calefacción, el calor acumulado en el depósito puede utilizarse por la noche, generalmente, haciendo circular el agua por tuberías o radiadores me- diante una bomba.
Si de los cálculos previos a la instalación se deduce que el calor acumulado durante el dia en el depósito no es suficiente para proporcionar una adecuada temperatura durante la noche, puede instalarse un calentador en el depósito, el cual se pone en marcha mediante un termostato al descender la temperatura por debajo del límite admitido. De esta forma no se consigue un ahorro total de energía, pero sí un ahorro importante. El depósito de agua caliente debe estar siempre aislado térmi- camente.
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Acumulacibn en grava
Cuando se utilizan colectores solares con aire debe preverse otro sistema, porque el aire almacena mal el calor.
El sistema corrientemente utilizado consiste en hacer pasar el aire caliente a través de una masa de grava que va calentán- dose lentamente durante el día y que desprende calor por la no- che, haciendo circular de nuevo, a través de la masa de grava, el aire de la instalación.
El procedimiento resulta engorroso, pues exige la construc- ción de un sótano, aislado térmicamente, donde se acumula grava. Los gastos de construcción pueden ser tan grandes que, al final, resulte más conveniente emplear colectores con agua, aunque sea más caros.
Hay, sin embargo, la posibilidad de usar un sistema mixto que consiste en utilizar colectores planos con aire para la cale- facción por aire caliente durante el dia, junto con una serie de colectores con agua que se utilizan para acumular el calor en un depósito de agua caliente que suministra calefacción durante la noche o en períodos nublados.
CONCENTRADORES DE ENERGIA SOLAR
La temperatura alcanzada por el agua en un colector plano no suele pasar de los 80° C. Cuando se desea obtener mayores temperaturas en el fluido transportador de calor, es preciso acu- dir a los concentradores .de energía solar.
RAYOS DE SOL
Fig. 9.-Concentra- dor con lentes de Fres-
nel cilíndricas.
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Fig. ]0.-Concentrador de dos es- pejos, con colector plano. (De Szo-
kolay.)
^spejo Colector plano
Espejo
^ 0,5 L 1,0 ^ 0,5 ^
i^
Para temperaturas medias, hasta 300° C., los concentradores utilizados en aplicaciones que pueden ser de interés en la agricul- tura son los cilindros parabólicos, en cuyo foco lineal se coloca un tubo por donde circula el líquido que se va a calentar.
El cilindro parabólico suele recubrirse de una hoja de alu- minio que hace de espejo concentrador, tratada con algunos productos (óxido de aluminio, floruro de magnesio, etc.), que aumentan su reflectividad y su duración.
El inconveniente de estos concentradores es que exigen un movimiento diario automatizado de seguimiento del sol, lo que es caro. Existen diseños de tipo fijo o semifijo que sólo nece- sitan un ajuste de la inclinación respecto a la horizontal según las estaciones; en estos casos el tubo situado en el foco lineal suele tener dimensiones mayores de las normales.
El espejo cilíndrico parabólico puede sustituirse por una len- te de Fresnel cilíndrica.
Una de las ventajas de este sistema es que permite aumentar de forma relativamente fácil la superficie de captación de ener- gía solar; como además existe circulación forzada por el tubo situado en el foco lineal, la temperatura del fluido puede ajustarse variando su velocidad de circulación. Se puede asi utilizar agua hasta los 100° C. sin precauciones especiales en el tubo colector y resto de las tuberías.
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Otros concentradores de tipo más sencillo utilizan simple mente dos o cuatro espejos planos colocados alrededor de un colector solar plano; esto aumenta la superficie de captaciórt de energía solar.
Los concentradores son poco utilizados actualmente en cap- tación de energía solar para usos agrícolas, pero ofrecen intere- santes posibilidades.
UTILIZACION DE LA ENERGIA SOLAR
Los colectores descritos anteriormente absorben y acumulan energía solar en forma de aire, agua o grava calientes.
La utilización más simple e inmediata de esta energía solar consiste en la calefacción de casas e instalaciones, secado de productos agricolas y obtención de agua caliente para diver- sos usos.
Calefacción y agua caliente para el hogar
Esta aplicación es la más corriente y la que más se está desarrollando en la actualidad, pero no afecta solamente a la agricultura. Existen ya numerosas «casas solares» de diseño es- pecial para el máximo aprovechamiento de la energía solar.
Por otra parte, las casas ya construidas, especialmente si son viviendas unifamiliares, pueden dotarse fácilmente de colectores solares planos y de las instalaciones adecuadas para suministrar calefacción y agua caliente.
Invernaderos
El invernadero, sobre todo el de cristal, es un colector efi- caz de energía solar durante el día. Sin embargo, durante la noche ha de acudirse, en general, a la utilización de combus- tible para mantener una adecuada temperatura. Con el fin de evitar una vigilancia permanente o el riesgo de que la tempera- tura descienda o sobrepase la óptima, la calefacción debe estar automatizada y regida por termostatos lo que lleva, inevitable- mente, al uso de combustibles líquidos o gaseosos (gasóleo 0 propano), cuyo precio sube continuamente y cuya escasez es un peligro a considerar.
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Fig. I1.-Colectores planos ins- talados en la Escuela de Capa- citación Agraria de Torrepache- co (Murcia). Apréciese el sistema basculante para ajustar la incli- nación de los colectores solares.
La acumulación de calor en depósitos de de agua, con absorción de energía solar median- te colectores planos o
bolSas de plástico o de caucho de butilo permite mantener duran- te la noche o en periodos nublados, la adecuada temperatura.
Esto es especialmente importante en invernaderos de plásti- co situados en regiones de inviernos suaves y que normalmente no están dotados de calefacción.
Evidentemente en los invernaderos se puede utilizar el siste- ma mixto de colectores con agua y aire, ya mencionado. Ya sea con aire, ya sea con agua, el calor obtenido por los colec- tores puede usarse también para calefacción de túneles, calen- tamiento de la tierra en semilleros, cultivos forzados, etc.
Secaderos
El aire caliente de los colectores planos con aire o de los ubos inflables de plástico puede utilizarse directamente para el
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secado de toda clase de productos vegetales. En la actualidad las aplicaciones que más se están estudiando son las de secado de granos, especialmente cereales y, dentro de éstos, del maíz.
En el caso de utilizar colectores con agua, se hace pasar el aire de secado a través de un radiador por el que circula el agua caliente.
Instalaciones ganaderas
La energía solar puede suministrar calefacción para criaderos de pollos, departamentos de parto y celdas de cría en cochique- ras, e incluso en alojamientos completos en climas de inviernos fríos, pero con abundantes horas de sol. Igualmente puede obtenerse agua caliente para la lechería y otros usos.
Obvio es decir que para conseguir el máximo aprovecha- miento de esta energía solar, los edificios deben aislarse térmica- mente y el nivel de ventilación, tanto en invierno como en vera- no, debe ajustarse adecuadamente para conseguir la temperatura óptima y evitar la humedad excesiva.
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Techo de la cámara^j//^
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Aislamiento térmico
Cochiquera
Fig. 12.-Pared solar para calentamiento del aire de ventilación de una cochiquera de cría. Delan^e de la pared actual se ha colocado un muro de bloques de cemenro de color negro, con intersticios entre los bloques. Delante del nuevo muro se colocan colectores verticales formados por dos placas de plástico transparente entre las que
circula el aire aspirado por los ventiladores.
Otras instalaciones agrarias
Los ejemplos anteriores detallan algunos casos particulares pero debe tenerse en cuenta que, en general, la energía solar puede utilizarse en todo tipo de instalaciones o industrias agra- rias donde exista actualmente o se proyecte instalar en el futuro un sistema de calefacción o un depósito para obtener agua ca- liente.
Más complicada y menos resuelta en la actualidad resulta la utilización de la energia solar para obtener electricidad en potencias suficientes para satisfacer, aunque sea en parte, las necesidades de las explotaciones agrarias. En algunos casos es más fácil en estos momentos obtener electricidad por medio de aerogeneradores, ya que la energía proporcionada por el viento debe ser, en el futuro, un buen complemento de la energía solar.
LA BOMBA SOLAR
La tecnología de la refrigeración permite utilizar la energía solar para su conversión en energía mecánica en las llamadas
«bombas de calor» o«bombas solares», para elevación de agua.
La bomba de calor funciona de manera inversa a como funciona un frigorífico con motor de compresión. En el frigo- rifico, la energía entrante, que es eléctrica, hace mover el motor que, actuando sobre el fluido refrigerante, produce un «salto térmico» entre el circuito de refrigeración, situado en el conge- lador y el circuito de radiación, que es la parrilla situada en el exterior del frigorífico. Si se dispone de una fuente de calor (en este caso un colector solar) y una fuente fría (en este caso parte del agua de pozo que se eleva) se puede invertir el ciclo y este «salto térmico» sirve para mover un motor que impulsa una bomba aspirante.
Las bombas solares para extracción de agua de pozo para riego están siendo utilizadas, sobre todo, en regiones semidesér- ticas africanas, existiendo 45 de ellas en funcionamiento en el Sahel. Su precio es, actualmente, bastante elevado; por eso tam- poco en este caso debe olvidarse la posibilidad de complemen-
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Agua caliente del colector solar
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Impulsión^ ^ Aspiración de aqua de agua
Fig. 13.-Esquema de una bomba de calor: 1. Depósito de fluido refrigerante. 2. Va- porizador. 3. Motor-compresor. 4. Motor auxiliar. 5. Bomba centrífuga. 6 y 7. Re-
frigeradores. 8 y 9. Válvulas. (De Szokolay.)
tar la energía solar con la eólica, pues para caudales pequeños, zonas apropiadas y lugares con menos irradiación solar son más apropiados los molinos de viento.
Refrigeración
El mismo principio que se utiliza en la bomba de calor para generar energía mecánica puede utilizarse para producir frío en un frigorífico o en una instalación de aire acondicionado, al menos para pequeñas instalaciones.
Es posible que en el futuro pueda utilizarse la energía solar para la refrigeración en industrias agrarias y almacenes frigorí- ficos, pero hasta el momento esta técnica, si bien es posible teóricamente, no está desarrollada para su utilización económica en estos casos.
También puede utilizarse la energía solar para producir frío utilizando frigoríficos de absorción, que son los que funcionan con butano o keroseno. Sin embargo, en los modelos fabrica- ios hasta ahora y que utilizan colectores planos de energia
solar, la temperatura más baja que se consigue es del orden de los 4° C., lo que no es suficiente para un frigorifico, pero sí lo es para producir aire frío para acondicionamiento de hogares en verano.
LA ENERGIA FOTOVOLTAICA
La obtención de electricidad mediante las células solares de silicio u otras sustancias mencionadas anteriormente está muy desarrollada. Pero estas células son caras y la potencia que se puede obtener, por ahora, es muy baja, por lo que, de modo general, no puede considerarse actualmente su utilización en agricultura, salvo en casos muy especiales.
Un ejemplo de su posible utilización consiste en el suminis- tro de electricidad para cercas eléctricas, ya que éstas precisan una baja intensidad de corriente. Existe un modelo francés que se vende comercialmente, aunque parece aún poco difundido.
Otro ejemplo es la utilización de una placa solar para pro- porcionar electricidad para el motor de un pulverizador manual de volumen ultra bajo; en este caso se trata de un prototipo y no parecen existir modelos comerciales.
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También existen modelos comerciales de bombas elevadoras de agua movidas por energía fotovoltaica.
A medida que las células solares se produzcan en masa y se abaraten es posible que encuentren fácilmente nuevos usos en agricultura.
OBSERVACIONES FINALES
La utilización de la energia solar en agricultura está en sus primeras fases de desarrollo. A medida que las diversas aplica- ciones vayan generalizándose en la industria y en la calefac- ción y refrigeración de edificios urbanos aumentará la produc- ción en masa de los colectores solares de gran rendimiento ener- gético. Esta producción a escala industrial abaratará los precios de las instalaciones y será entonces más fácil una más amplia difusión de estas técnicas para usos agrícolas.
En todo caso, cualquier instalación que se piense hacer ha de estudiarse bien, tanto desde el punto de vista técnico como del económico teniendo en cuenta la previsible subida continua del precio de los productos petrolíferos y su posible escasez a medio plazo.
PUBLICACIONES DE EXTENSION AGRARIA Bravo Murillo, 101 - Madrid-20
Se autoriza la reproducción íntegra de esta publicación mencionando su origen: «Hojas Divulgadoras del Ministerio de Agricultura».
LS.B.N.: 84-341-0226-9 - Depósito legal: M. 9.774-1980 (11.000 ejemplares) Neografis, S. L. - Santiago Estévez, 8- Madrid-19
