Diseño de sistemas de iluminación hortícola eficientes para la agricultura de interior

A medida que la población mundial sigue creciendo, aumenta la demanda de alimentos y surgen problemas como la disminución de las tierras agrícolas, la contaminación, el calentamiento global y las migraciones. La agricultura de interior a escala industrial bajo iluminación artificial en entornos cerrados y totalmente controlados tiene el potencial de convertirse en el principal factor que evite la hambruna y los conflictos relacionados con ella. Para cultivar plantas de forma fiable, predecible y eficiente, es crucial comprender y aplicar correctamente los conceptos de iluminación para el crecimiento y desarrollo de las plantas. En este artículo, profundizaremos en la iluminación hortícola, sus conceptos relacionados y cómo diseñar sistemas de iluminación LED eficientes para la agricultura de interior.

Conceptos de iluminación hortícola

El éxito de un entorno de crecimiento de plantas de interior depende de la eficacia del sistema de iluminación en comparación con la luz solar durante el proceso de crecimiento de la planta. La fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas convierten la luz en la energía química necesaria para su crecimiento y desarrollo, requiere radiación fotosintéticamente activa (PAR), dióxido de carbono (CO²), nutrientes y agua.

Fotosíntesis y radiación PAR

La radiación electromagnética necesaria para la fotosíntesis se define como radiación fotosintéticamente activa (RFA), siendo el intervalo espectral de 400 a 700 nanómetros. Sólo la radiación en este intervalo puede ser utilizada por los organismos fotosintéticos en el proceso de fotosíntesis, para fijar el carbono del CO² en carbohidratos.

La radiación electromagnética llamada luz visible o simplemente luz, para un ojo humano típico tiene un intervalo espectral de unos 380 a 740 nanómetros.

Una unidad de medida común para la radiación fotosintéticamente activa PAR es el flujo de fotones fotosintéticos (PPF en sus siglas en inglés), medido en unidades de moles por segundo. Para muchas aplicaciones prácticas, esta unidad se amplía a PPFD, unidades de moles por segundo por metro cuadrado.

La teoría en la que se basa el PPF es que por cada fotón absorbido, independientemente de su longitud de onda y energía, se produce una contribución igual al proceso fotosintético. De acuerdo con la ley de Stark-Einstein, cada fotón (o cuanto) absorbido excitará un electrón, independientemente de la energía del fotón, entre 400 nm y 700 nm.

Sin embargo, sólo una parte de los fotones es absorbida por la hoja de una planta, según determinen sus propiedades ópticas y la concentración de pigmentos vegetales. Estos pigmentos son la clorofila A, la clorofila B y los carotenoides (a/-caroteno, licopeno y xantofila).

Las Clorofilas A y B dan a las hojas de las plantas el color verde característico porque reflejan la mayor parte de la radiación entre 500 y 600 nanómetros. Las plantas con más Carotenoides que Clorofilas en las hojas de las plantas reflejan las longitudes de onda más allá de 540nm y tienen colores amarillos, naranjas y rojos. Esto incluye las hojas de otoño cuando las Clorofilas se han secado.

El siguiente gráfico muestra los espectros de absorción típicos de la clorofila A, la clorofila B y la clorofila (beta-caroteno). A continuación se explican brevemente cada uno de ellos:

Clorofila A (Picos de absorción a 430 nm y 662 nm)

La clorofila-a es el pigmento primario para la fotosíntesis en las plantas y presenta un color visual verde hierba. Se encuentra en todos los organismos fotosintéticos excepto en las bacterias fotosintéticas.

Clorofila-B (Picos de absorción a 453 nm y 642 nm)

La clorofila-B exhibe un color visual azul verdoso y se encuentra en todas las plantas, algas verdes y algunos procariotas. En las plantas suele haber aproximadamente la mitad de Cholorphyll-B que de Cholorphyll-A.

Carotenoides (a/-Caroteno, Licopeno, Xantofila) (La absorción es fuerte entre 420nm y 485nm)

Los carotenos son pigmentos rojo-anaranjados de fuerte coloración que abundan en plantas, frutas, verduras y cereales integrales.

Conversión del flujo luminoso en radiación PAR (PPF y PPFD)

Conociendo los picos de absorción de los pigmentos Clorofila y Caroteno para la fotosíntesis, se puede calcular la radiación fotosintéticamente activa PAR (PPF y PPFD) de una fuente de luz.

El flujo luminoso, en lúmenes, se convierte en PPF (flujo fotónico fotosintético o flujo cuántico) con una fórmula matemática basada en la distribución espectral de potencia (SPD) de la fuente de luz. El resultado será un valor en μmol/seg que sólo es relevante para la SPD utilizada en el cálculo.

Como esta conversión requiere datos detallados de la SPD de la fuente de luz a cada 5 nm en formato tabular (tabla excel), lo más frecuente es que los fabricantes escriban los valores de PPF directamente en la hoja de datos. A continuación se muestran algunos ejemplos de conversión de Lumen a PPF:

Si el valor PPF no se menciona para una fuente de luz, los números anteriores se pueden utilizar para una conversión, pero sólo con resultados aproximados. Un método alternativo para evaluar la eficacia de la iluminación en horticultura sería superponer el gráfico de distribución espectral de la potencia (SPD), disponible en las fichas técnicas, al gráfico de absorción.

Mientras que la PPF (flujo fotónico fotosintético) es la energía total emitida por la fuente de luz, la energía que realmente reciben las plantas es la densidad de flujo fotónico fotosintético (PPFD) y sus unidades S. I. son µmol/seg/m².

La iluminancia, en lux, puede convertirse en densidad de flujo de fotones fotosintéticos (DFFP) de forma similar, pero con una diferencia importante.

Se trata de un valor en el que influyen la distancia y las propiedades ópticas de la fuente luminosa (ángulo de visión) y que suele medirse en el lugar de la instalación, no en la ficha técnica del fabricante. Este enfoque es difícil cuando la instalación de iluminación se encuentra en la brida de cepillado, ya que requiere que las luminarias LED ya estén colocadas.

Las siguientes tablas de conversión pueden ayudar a diseñar la instalación de iluminación hortícola.

1) Convertir PPF en PPFD.

La siguiente tabla muestra una conversión de PPF a PPFD (100 PPF a PPFD) para una fuente de luz LED (tira LED) con un ángulo de visión de 120 grados. Es importante tener en cuenta que la PPFD por metro cuadrado es válida para un metro cuadrado de área de crecimiento. Si se trata de áreas más grandes, los módulos LED, colocados en cada metro cuadrado, iluminarán los cuadrados adyacentes, por lo que el valor será mayor.

Recomendamos una distancia de 30 cm entre las hojas de la planta y el tira LED/módulo para que el LED ilumine exactamente un metro cuadrado de suelo.

2) Convertir PPFD en PPF

Normalmente, los niveles de luz recomendados para las plantas se expresan en PPFD. Por este motivo, la conversión de PPFD a PPF puede resultar más útil.

Una vez que conocemos los valores de PPF y PPFD para una fuente de luz podemos proceder a diseñar el sistema de iluminación adecuado para el cultivo de plantas en interior.

PPFD recomendada para hortalizas comunes y plantas decorativas

El siguiente paso para diseñar el sistema de iluminación hortícola es investigar la intensidad de luz adecuada para la fotosíntesis de las plantas específicas que planeas cultivar.

Hay plantas que crecen de forma natural a la sombra, ya que sus hojas requieren bajas intensidades de luz, por lo que se denominan "plantas de sombra". Otras plantas crecen al sol con hojas que necesitan altas intensidades de luz. Se denominan "plantas de sol".

La mayoría de las hortalizas (sandías, tomates, pepinos, melones...) son plantas de sol, mientras que muchas flores (alyssum, baby blue eyes, begonia, caléndula, fucsia...) son plantas de sombra.

En general, las plantas que crecen con poca intensidad de luz (plantas de sombra) tienen hojas grandes y finas, mientras que las plantas que necesitan mucha intensidad de luz (plantas de sol) tienen hojas gruesas.

Según cada planta, la fotosíntesis se inicia aparentemente a un determinado nivel de luz, denominado punto de compensación. A medida que aumenta la intensidad luminosa, también lo hace la fotosíntesis y el desarrollo de la planta, hasta un punto determinado que se denomina "punto de saturación de luz". Más allá de él, la cantidad de luz que incide sobre la hoja no provoca un aumento de la tasa de fotosíntesis, se dice que la cantidad de luz está "saturando" el proceso fotosintético.

El punto de compensación y los puntos de saturación se descubren observando el fenómeno de absorción y liberación de CO². A medida que la intensidad de la luz desciende por debajo del punto de compensación, se observa una liberación de CO²; a medida que aumenta por encima, la absorción de CO² aumenta gradualmente hasta el punto de saturación, en el que se estabiliza en el nivel máximo.

Una intensidad luminosa adecuada para una instalación hortícola se recomienda que esté en el intervalo de compensación - saturación para las plantas que se cultivan.

A continuación se muestran ejemplos de compensación, saturación y valores recomendados para hortalizas y cultivos (lechuga, tomate, cannabis, pimiento rojo, pepino...)

A continuación se muestran valores de compensación, saturación y recomendados para plantas decorativas.

Diseñar el sistema de iluminación LED para horticultura más eficiente

Por ejemplo, una instalación de iluminación típica para instalaciones de cultivo utilizadas para ensalada y lechuga tendría una intensidad luminosa típica de unos 300 a 400 µmol/m2/seg. Los lugares en los que se necesita una mayor intensidad luminosa, como las fábricas de tipo híbrido, requieren una iluminación suplementaria de 100 a 150 µmol/m2/seg^.

En la actualidad, la iluminación LED es la forma más eficiente y rentable de iluminar las instalaciones de cultivo. Sin embargo, no todos los sistemas de iluminación LED son iguales.

A continuación se indican los atributos más importantes que marcan la diferencia.

1. 1. Eficacia: PPF/Vatio

El sistema LED debe tener una muy buena relación PPF por consumo de energía (PPF). Por ejemplo, nuestra tira de LED LumiBar3098+ a 5000K tiene 1,82 PPF/Vatio, una de las más altas del mercado.

2. Estabilidad del color

El sistema LED debe tener un cambio de color mínimo durante su vida útil de funcionamiento, de lo contrario su eficacia en el cultivo de plantas se verá gravemente afectada.

Por regla general, los LED de larga duración, como los fabricados por Nichia, Osram o Cree, tienen una excelente estabilidad del color.

3. Clasificación por colores

Los LED blancos, como todos los productos manufacturados, presentan variaciones de material y proceso que dan lugar a productos con la correspondiente variación en el tono de luz blanca emitida. Por ejemplo, los LED blancos cálidos Nichia recién salidos de la línea de producción pueden tener una temperatura de color entre 2580K y 4260K. Si se integraran directamente en tiras o luminarias para el crecimiento de plantas, los resultados serían incoherentes.

Para evitar el problema anterior, los LED deben clasificarse y agruparse en lotes conocidos como "Chromaticity Bins". Así es posible que todos los LED de la tira o luminaria tengan la misma temperatura de color desde el punto de vista visible. Para que esto ocurra es necesaria una clasificación en 3 pasos MacAdam Ellipse.

4. Fácil instalación o sustitución de módulos

La horticultura hace un uso intensivo del sistema de iluminación, con un tiempo de funcionamiento diario típico de 12-16 horas. Por este motivo, los módulos o tiras deben ser fácilmente sustituibles.

Con los avances tecnológicos, los LED de luz blanca especial o de espectro completo se han convertido en las fuentes de luz más eficaces y rentables para el crecimiento de las plantas. Nuestro espectro completo/Rsp0a CRI98+ tiras LED ayudará a sus plantas a crecer hasta un 50% más que las fuentes de luz convencionales, como los LED blancos estándar, una combinación de LED rojos y azules, o los tubos fluorescentes, consumiendo menos energía.

Le recomendamos:

Nuestros LED LumiBar con CRI98+ están disponibles en módulos plug & play fáciles de instalar que se adhieren a la Norma Zhaga. Los módulos LumiBar cuentan con un sistema de alimentación Plug & Play que permite la conexión de cables sin necesidad de pistola de soldar, y están disponibles en versión de corriente constante para una máxima eficiencia energética.

Para la regulación y el control de la luz a través de Casambi, los controladores y el botón de control recomendados son:

Si está buscando una opción más flexible, considere nuestro LumiFlex3098+ 24VDC Flexible tira LED, que también es fácil de instalar y controlar.

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A medida que crece la necesidad de la agricultura de interior a escala industrial, resulta cada vez más crucial comprender y aplicar sistemas de iluminación hortícola eficientes. Si se tienen en cuenta factores como los pigmentos de las plantas, la radiación PAR y los atributos del sistema LED, se puede diseñar un sistema de iluminación eficaz y eficiente desde el punto de vista energético para favorecer el crecimiento y el desarrollo de diversas plantas. Esto no sólo contribuirá a hacer frente a los retos de la creciente demanda de alimentos, sino que también promoverá prácticas agrícolas sostenibles y ayudará a prevenir la hambruna y los conflictos relacionados con ella.

Siguiendo estas directrices y utilizando los productos adecuados, estará en el buen camino para crear un sistema de iluminación altamente eficiente y rentable que promueva el crecimiento óptimo de las plantas en su entorno controlado.