{"id":5100,"date":"2015-12-14T14:20:39","date_gmt":"2015-12-14T20:20:39","guid":{"rendered":"http:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=5100"},"modified":"2015-12-14T14:26:45","modified_gmt":"2015-12-14T20:26:45","slug":"radiacion-solar-en-proyectos-urbanos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=5100","title":{"rendered":"Radiaci\u00f3n solar en proyectos urbanos"},"content":{"rendered":"
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\"radiacion_solar_1876\"<\/a><\/p>\n

CARLOS LEAL IGA*, JAVIER LEAL IGA*<\/p>\n

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CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 18, No. 76, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2015<\/p>\n

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El Sol es la fuente de todas las formas y expresiones de energi\u0301a en el mundo. La existencia de los seres vivos no seri\u0301a posible en ausencia de los organismos fotosinte\u0301ticos, y e\u0301stos no existiri\u0301an si nuestro planeta no tuviese un aporte continuo y efectivo de radiacio\u0301n solar. Los climas del mundo obedecen a esta relacio\u0301n Sol-Tierra, asi\u0301 como muchos feno\u0301menos geolo\u0301gicos y ocea\u0301nicos. (1) La energi\u0301a solar resulta del proceso de fusio\u0301n nuclear que tiene lugar en el Sol. De esta energi\u0301a, el motor que mueve nuestro medio ambiente, so\u0301lo 0.1% se utiliza en el proceso de la fotosi\u0301ntesis, pero incluso esta cantidad es diez veces\u00a0mayor que el consumo de energi\u0301a del mundo actual. (2) El poder solar sigue siendo la ma\u0301s abundante fuente renovable de energi\u0301a en la Tierra, el aprovechamiento de esta fuente de energi\u0301a se encuentra como el reto de este siglo. (3)<\/p>\n

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El total de la energi\u0301a radiante del Sol es notablemente constante. De hecho, la emisio\u0301n de radiacio\u0301n solar<\/em> comu\u0301nmente se ha denominado la constante solar, pero el te\u0301rmino aceptado actualmente es la irradiacio\u0301n solar\u00a0total (TSI)<\/em>, para tener en cuenta la variabilidad real con el tiempo. Hay ciclos en el nu\u0301mero de manchas solares (a\u0301reas ma\u0301s frescas, oscuras en el Sol) y la actividad solar de aproximadamente 11 an\u0303os.<\/p>\n

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La variacio\u0301n en las mediciones de TSI es de \u00b1 0.2%, las cuales se deben al ciclo de manchas solares. Estas variaciones se supondri\u0301an como mi\u0301nimas, si se considera que la medicio\u0301n de la radiacio\u0301n en el espacio por los radio\u0301metros ma\u0301s precisos es de \u00b1 0,5%. (3)<\/p>\n

\"radiacion_sol_tierra_1876\"<\/a><\/p>\n

La cantidad de radiacio\u0301n que se intercambian entre dos objetos depende de su distancia de separacio\u0301n. La o\u0301rbita eli\u0301ptica de la Tierra (excentricidad 0.0167) nos acerca ma\u0301s al Sol en enero y lo aleja ma\u0301s en julio. Esta variacio\u0301n anual se traduce en una variacio\u0301n de la irradiacio\u0301n solar de la Tierra de \u00b1 3%. La distancia media del Sol a la Tierra es de 149, 598,106 km (92;955,953 millas), o 1 AU.<\/p>\n

La irradiacio\u0301n solar que llega a las capas superiores de la atmo\u0301sfera se le llama radiacio\u0301n solar extraterrestre (Extraterrestrial Radiation ETR). Segu\u0301n lo medido por mu\u0301ltiples sate\u0301lites en los u\u0301ltimos 30 an\u0303os, la ETR es 1,366 \u00b1 7 W\/m<\/span>2\u00a0<\/sup><\/span>en 1 AU. Segu\u0301n co\u0301mputos astrono\u0301micos, como el software de posicio\u0301n solar del National Renewable Energy Laboratory (NREL), la variacio\u0301n de la distancia Tierra-Sol causa una variacio\u0301n ti\u0301pica en la ETR de unos 1,415 W\/m2, alrededor del 3 de enero; a unos 1,321 W\/m2, alrededor del 4 de julio. (3)<\/p>\n

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La atmo\u0301sfera terrestre es un filtro constantemente variable para la TSI que alcanza a llegar al suelo. La cantidad de atmo\u0301sfera que deben atravesar los fotones solares, tambie\u0301n denominada la longitud del camino atmosfe\u0301rica o masa de aire (AM), depende de la posicio\u0301n solar relativa del observador. En esta masa de aire se genera la absorcio\u0301n de la radiacio\u0301n solar por el ozono, oxi\u0301geno, vapor de agua y dio\u0301xido de carbono.<\/p>\n

El ambiente despejado tambie\u0301n contiene mole\u0301culas gaseosas, polvo, aerosoles, parti\u0301culas, entre otros, que reduce la ETR cuando atraviesa la atmo\u0301sfera. Esta reduccio\u0301n se debe a absorcio\u0301n (captacio\u0301n de la radiacio\u0301n) y dispersio\u0301n (esencialmente un tipo complejo de reflexio\u0301n) de los elementos que componen la atmo\u0301sfera. (3)<\/p>\n

Los rayos de luz del Sol se consideran paralelos para la mayori\u0301a de las aplicaciones y se les denomina irradiacio\u0301n normal directa (DNI), por lo general se estiman como la cantidad de radiacio\u0301n recibida anualmente por una superficie mantenida normal a la radiacio\u0301n entrante y se miden en kWh\/m2\/an\u0303o. Esta cantidad es de particular intere\u0301s para la construccio\u0301n de instalaciones solares te\u0301rmicas de concentracio\u0301n, las cuales se basan en seguir la posicio\u0301n del Sol. (4)<\/p>\n

Se sigue investigando acerca de las propiedades de constituyentes atmosfe\u0301ricos para estimar su influencia sobre la magnitud de la radiacio\u0301n solar que se encuentra en varios niveles de la atmo\u0301sfera y a nivel del suelo por\u00a0medio de mediciones con sate\u0301lites, modelos matema\u0301ticos, (5) y que efectu\u0301an mediciones de los flujos solares a nivel del suelo. Las mediciones a nivel del suelo permiten obtener un patro\u0301n estadi\u0301stico del comportamiento de la atmo\u0301sfera ma\u0301s preciso.<\/p>\n

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Con el objetivo de evaluar el uso de la radiacio\u0301n solar en proyectos urbanos, se presenta el ana\u0301lisis de la potencialidad de aprovechamiento fotovoltaico en un caso de estudio ubicado en la zona de Escobedo, en el a\u0301rea metropolitana de Monterrey, Nuevo Leo\u0301n. Determinando la cantidad de irradiacio\u0301n solar mensual medida a nivel de suelo, y con ella calcular los\u00a0m<\/span>2\u00a0<\/sup><\/span>de paneles fotovoltaicos que se requeriri\u0301an para sustituir el uso de electricidad generada con recursos no renovables, en una casa promedio de un fraccionamiento disen\u0303ado con criterios bioclima\u0301ticos.<\/span><\/p>\n

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Descripcio\u0301n del clima<\/strong><\/p>\n

Monterrey esta\u0301 geogra\u0301ficamente situado a 25o 40\u2018 latitud Norte y a 100o 18\u2019 longitud Oeste, a una altitud de 540 msnm, el clima se clasifica como extremoso, principalmente caluroso y seco, pero con temperaturas templadas en las a\u0301reas ma\u0301s altas con heladas en invierno. Monterrey tiene una temperatura promedio de 23\u00b0C, aunque suele llegar a los 43\u00b0C en verano y a menos de 5\u00b0C en invierno. La humedad promedio es de 62%, y con lluvias fuertes durante los meses de julio, agosto, septiembre y octubre. Los vientos dominantes provienen del oeste y del sureste; estos u\u0301ltimos del can\u0303o\u0301n del Huajuco. En el invierno predominan los del norte, que en febrero y marzo soplan con mayor fuerza. (6) En la figura 1 se muestra la estadi\u0301stica de los promedios de temperaturas medias, ma\u0301ximas y mi\u0301nimas medidas en la estacio\u0301n \u201cObservatorio Monterrey\u201d de la CNA (Comisio\u0301n Nacional del Agua) en el periodo de 1991 a 2002. (7)<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 1. Temperaturas m\u00e1ximas, medias y m\u00ednimas en la Estaci\u00f3n Observatorio de la CNA: latitud 25\u00b0 44′ 01″, longitud 100\u00b0 18′ 17″, altitud 515 msnm. Fuente: Elaboraci\u00f3n propia.<\/p><\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Caso de estudio<\/strong><\/p>\n

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En la figura 2 se aprecia el caso de estudio (figura de rombo), ubicado en el Fraccionamiento Vida (Vivienda de Disen\u0303o Ambiental) en el municipio de General Escobedo, en el a\u0301rea metropolitana de Monterrey, Nuevo Leo\u0301n. Este fraccionamiento gano\u0301 el Premio Nacional de Vivienda 2007, en la categori\u0301a desarrollo habitacional sustentable. (8) En e\u0301ste se aplicaron principalmente criterios de bioclimatismo y sistemas de energi\u0301a solar pasiva en su disen\u0303o.<\/p>\n

Se plantea evaluar la potencialidad de aprovechamiento de sistemas de energi\u0301a solar activa, al sustituir el total de consumo ele\u0301ctrico de las viviendas con la energi\u0301a generada por un sistema de paneles solares, considerando el promedio mensual de los consumos de electricidad de dos casas en la zona de estudio.<\/p>\n

Radiacio\u0301n solar en la zona<\/strong><\/p>\n

Las mediciones de radiacio\u0301n solar se tomaron de las dos estaciones del Sistema Integral de Monitoreo Ambiental del Estado de Nuevo Leo\u0301n9 ma\u0301s cercanas a la zona en estudio.<\/p>\n

La posicio\u0301n de las dos estaciones se observa en la figura 2 (ci\u0301rculos). La estacio\u0301n Norte en Escobedo se ubica en el fraccionamiento Santa Luz, y la estacio\u0301n Noroeste en la colonia San Bernabe\u0301.<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 2. Localizaci\u00f3n de las dos estaciones meteorol\u00f3gicas y el caso de estudio en el \u00e1rea metropolitana de Monterrey, N.L. Fuente: Elaboraci\u00f3n propia con base en datos de SIMA e IVN). (9,10)<\/p><\/div>\n

Las mediciones se muestran en la figura 3. Como se observa, el comportamiento de la radiaci\u00f3n en las dos estaciones es muy similar, sin embargo, la estaci\u00f3n Noroeste capta m\u00e1s radiaci\u00f3n en verano que la Norte.<\/p>\n

En la tabla I se muestran los valores de la radiaci\u00f3n solar mensual medida para las dos estaciones consideradas, as\u00ed como el promedio de las mismas.<\/p>\n

Consumo el\u00e9ctrico en la casa promedio <\/strong><\/p>\n

Para determinar los consumos de la casa promedio del fraccionamiento se realiz\u00f3 una encuesta que arrojara los promedios mensuales de los gastos de energ\u00eda el\u00e9ctrica en dos casas. Con base en los consumos reportados en los recibos de la compa\u00f1\u00eda de electricidad, los promedios de consumo por mes en 2012 se presentan en la tabla II.<\/p>\n

C\u00e1lculo de paneles fotovoltaicos <\/strong><\/p>\n

En el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos de baja potencia, como las casas habitacionales, un concepto \u00fatil al trabajar con celdas solares es la unidad denominada potencia pico o watt pico (Wp). (11) La potencia de todos los paneles fotovoltaicos se especifican en Wp, bajo lo que denominan condiciones est\u00e1ndar de prueba (STC, por sus siglas en ingl\u00e9s, Standard Test Conditions). El STC es un est\u00e1ndar de medici\u00f3n que permite la comparaci\u00f3n de paneles de distintos fabricantes bajo las mismas condiciones de prueba. (12) Un Wp representa la potencia el\u00e9ctrica que entrega el panel cuando la irradiaci\u00f3n sobre \u00e9ste es de 1000 W\/m2 (est\u00e1ndar o norma de certificaci\u00f3n), con un espectro o composici\u00f3n similar a la radiaci\u00f3n solar, y con una temperatura de 25\u00ba. (13)<\/p>\n

\"Fig.<\/a>

Fig. 3. Mediciones de radiaci\u00f3n solar en kW-h\/m2\/mes 2012 para cada una de
las dos estaciones SIMA. Fuente: Sistema Integral de Monitoreo Ambiental
(SIMA).<\/p><\/div>\n

El \u00e1rea en m<\/span>2<\/sup><\/span> de paneles fotovoltaicos se determinar\u00e1 en funci\u00f3n del n\u00famero de paneles necesarios, para satisfacer el consumo de energ\u00eda el\u00e9ctrica para la casa en estudio y la disponibilidad de radiaci\u00f3n solar medida en las dos estaciones.<\/p>\n

As\u00ed, mediante la ecuaci\u00f3n (1) se calcular\u00e1 la energ\u00eda requerida en Wp, al considerar lo mencionado en el p\u00e1rrafo anterior, adem\u00e1s de la eficiencia del panel y las p\u00e9rdidas correspondientes. (11-13)<\/p>\n

\"ecuacion_er_1876\"<\/a><\/p>\n

\"tabla_I_radiacion_solar\"<\/a><\/p>\n

\"tabla_II_consumo_promedio_energia\"<\/a><\/p>\n

Donde Er es la energ\u00eda requerida, en Wp; CoE el consumo de energ\u00eda el\u00e9ctrica promedio en kW-h\/mes para la casa en estudio (tabla II); ProR la radiaci\u00f3n solar promedio de las dos estaciones en kW-h\/m<\/span>2<\/sup><\/span> \/mes (tabla I); \u03d5 el factor de p\u00e9rdidas, Adim y \u03b1 la eficiencia del panel. Las p\u00e9rdidas en el sistema fotovoltaico se calcular\u00e1n mediante la ecuaci\u00f3n (2).<\/p>\n

\"ecuacion_w_0_radia\"<\/a><\/p>\n

Donde \u03c9 son las p\u00e9rdidas por sombras, polvo y suciedad = 8%; (14,15) \u03b8 las p\u00e9rdidas por envejecimiento de los cables = 3%; (14,15) \u00b5 las p\u00e9rdidas por bater\u00edas = 15%; (14) \u03b2 las p\u00e9rdidas por el inversor = 15%. (14,15)<\/p>\n

El panel fotovoltaico propuesto en el presente estudio es policristalino con 0.99 m de ancho, 1.74 m de largo, 1.719 m<\/span>2<\/sup><\/span> de superficie de captaci\u00f3n y con capacidad de entregar 176 Wp en condiciones est\u00e1ndar SCT. Para este panel se determin\u00f3 una eficiencia energ\u00e9tica \u03b1 de 0.12, basado en las caracter\u00edsticas dadas por el fabricante.<\/p>\n

El n\u00famero de paneles requeridos Np se calcular\u00e1 con la ecuaci\u00f3n (3).<\/p>\n

\"ecuacion_np_er_rad3\"<\/a><\/p>\n

Donde Ep es la energ\u00eda aportada por el panel, en Wp = 176Wp. As\u00ed, los m2 de panel que se requieren para satisfacer el consumo en la casa en estudio se calcular\u00e1n mediante la ecuaci\u00f3n (4).<\/p>\n

\"ecuacion_atrp_radia\"<\/a><\/p>\n

Donde ATPR es el \u00e1rea total de paneles requeridos en m<\/span>2<\/sup><\/span> , y Ap el \u00e1rea de un panel, en m<\/span>2<\/sup><\/span> = 1.719 m2 .<\/p>\n

RESULTADOS <\/strong><\/p>\n

Los resultados de calcular el \u00e1rea de paneles necesarios para satisfacer el consumo en la casa en estudio ATPR, se muestran en la tabla III.<\/p>\n

Suponiendo que la regulaci\u00f3n energ\u00e9tica gubernamental permitiera sustituir la energ\u00eda el\u00e9ctrica completa\u00a0de una casa habitaci\u00f3n por energ\u00eda solar, se realiza este ejercicio de sustituci\u00f3n.<\/p>\n

En la tabla III se observa que el mes que requiere m\u00e1s cantidad de metros cuadrados de paneles es noviembre, con 43.45 m<\/span>2<\/sup><\/span> ; debido a que en ese mes se presenta una menor captaci\u00f3n de insolaci\u00f3n en el a\u00f1o con un alto nivel de consumo.<\/p>\n

La mayor\u00eda de los lotes son rectangulares de 6 m de frente por 15 m de largo, con construcci\u00f3n en dos niveles de 42 m2 por planta, aproximadamente. Con esto se muestra que para instalar el sistema de paneles solares se necesitar\u00eda el total de \u00e1rea de losa disponible debiendo agregar aparte 1.45 m<\/span>2<\/sup><\/span> , y significar\u00eda la instalaci\u00f3n de 25 paneles de los citados en el apartado anterior para cumplir con la mayor demanda mensual.<\/p>\n

Adem\u00e1s, con base en los resultados del estudio, se establece que al considerar las condiciones del mes cr\u00edtico, noviembre, para la zona de estudio, la proporci\u00f3n de \u00e1rea de panel necesaria por cada Watt-hora de consumo es de 0.226 m<\/span>2<\/sup><\/span> \/W-h, siendo \u00fatil para evaluar la instalaci\u00f3n de paneles fotovoltaicos para otra casa habitaci\u00f3n o bien pensando en satisfacer una parte del consumo con paneles y el resto satisfacerlo con fuentes no renovables.<\/p>\n

CONCLUSIONES <\/strong><\/p>\n

En el presente trabajo de investigaci\u00f3n, el objetivo de evaluar el uso de la radiaci\u00f3n solar en proyectos urbanos se realiz\u00f3 con un an\u00e1lisis de la potencialidad de aprovechamiento fotovoltaico, en un caso espec\u00edfico de estudio\u00a0ubicado en la zona de Escobedo dentro del \u00e1rea metropolitana de Monterrey, Nuevo Le\u00f3n.<\/p>\n

Esto debido a que la cantidad de irradiaci\u00f3n solar que llega al suelo depende de factores propios de cada zona geogr\u00e1fica como la latitud, nubosidad, humedad, polvo y smog entre otros. Adem\u00e1s, el aprovechamiento del recurso solar para satisfacer los requerimientos el\u00e9ctricos de una casa habitaci\u00f3n a su vez depende de las condiciones del clima y costumbres de consumo propias del lugar geogr\u00e1fico espec\u00edfico.<\/p>\n

Por lo tanto, la cantidad tan grande de factores involucrados y variabilidad de los mismos, estrechamente relacionados con las condiciones clim\u00e1ticas, espaciales y sociales de cada zona geogr\u00e1fica, se determin\u00f3 evaluar todos estos factores al calcular los m2 que se requerir\u00edan para sustituir el uso de electricidad generada con recursos no renovables en una casa para una zona espec\u00edfica.<\/p>\n

Del estudio se estableci\u00f3 que se requerir\u00edan 43.45 m<\/span>2<\/sup><\/span> de paneles solares para satisfacer totalmente el consumo el\u00e9ctrico de una casa t\u00edpica en esa zona de Escobedo, N.L., que representan 0. 226 m<\/span>2<\/sup><\/span> \/W-h.<\/p>\n

Con estos resultados ahora es factible evaluar el uso de paneles fotovoltaicos que aprovechen el recurso solar en proyectos urbanos en esa zona, y que permitan una comparaci\u00f3n econ\u00f3mica y ambiental, al sustituir parte o el total del consumo generado.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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* Universidad Auto\u0301noma de Nuevo Leo\u0301n.
\nContacto: clealiga@hotmail.com, jlealiga@yahoo.com.mx<\/p>\n

\"panel_solar_techo_ama_rad\"<\/a><\/p>\n

Referencias <\/strong><\/p>\n

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15. Igual, Enrique (2008). Instalaci\u00f3n fotovoltaica de 100KW conectada a red sobre cubierta de nave en C\u00e1ceres. Proyecto de fin de carrera en ingeniero industrial. Escuela T\u00e9cnica Superior de Ingenier\u00eda. Universidad Pontificia Comillas. Madrid, Espa\u00f1a.<\/p>\n

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CARLOS LEAL IGA*, JAVIER LEAL IGA* CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 18, No. 76, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2015 El Sol es la fuente de todas las formas y expresiones de energi\u0301a en el mundo. La existencia de los seres vivos no seri\u0301a posible en ausencia de los organismos fotosinte\u0301ticos, y e\u0301stos no existiri\u0301an si nuestro planeta no tuviese un aporte continuo y efectivo […]<\/p>\n","protected":false},"author":2,"featured_media":5103,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_monsterinsights_skip_tracking":false,"_monsterinsights_sitenote_active":false,"_monsterinsights_sitenote_note":"","_monsterinsights_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[8],"tags":[],"class_list":["post-5100","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-opinion"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/5100","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=5100"}],"version-history":[{"count":5,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/5100\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":5118,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/5100\/revisions\/5118"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/5103"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=5100"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=5100"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=5100"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}