Blog

Jun 01, 2023

Iluminación: la fase de diseño

Debido a la creciente tendencia a consumir alimentos producidos localmente y a la necesidad de abordar los impactos negativos del cambio climático, la agricultura en ambiente controlado (ACE) se está volviendo cada vez más

Debido a la creciente tendencia a consumir alimentos producidos localmente y la necesidad de abordar los impactos negativos del cambio climático, la agricultura en ambiente controlado (ACE) se está volviendo cada vez más popular. Además de los invernaderos tradicionales con acristalamiento transparente, el número de instalaciones de producción de cultivos "de interior" está aumentando rápidamente. Estas instalaciones interiores dependen 100% de la luz eléctrica (única fuente) para abastecer sus cultivos, a diferencia de los invernaderos, donde normalmente más del 70% de la luz proviene del sol. En un esfuerzo por impulsar la producción, los invernaderos también pueden utilizar iluminación suplementaria para aumentar la cantidad de luz que reciben las plantas.

En cuanto a los accesorios de iluminación para horticultura, hay muchas opciones disponibles en términos de tecnología, factor de forma y salida espectral e intensidad, pero no todos los accesorios pueden ser adecuados para una aplicación particular. Al decidir sobre un diseño de iluminación para un invernadero tradicional o una granja interior, hay varias cosas a considerar.

Si bien no son las dos únicas fuentes de luz eléctrica utilizadas para la producción de plantas, las luminarias de sodio de alta presión (HPS) y de diodos emisores de luz (LED) son las más utilizadas y se analizarán en este artículo. La tecnología HPS existe desde hace más tiempo y, si bien es menos versátil o eficiente, sigue siendo la tecnología dominante para aplicaciones de iluminación complementaria. Sin embargo, las ventajas de la tecnología LED la convierten en una alternativa atractiva, especialmente teniendo en cuenta el potencial de ahorro energético sustancial. Hasta ahora, uno de los principales obstáculos para una adopción más amplia de las luminarias LED ha sido su precio de compra relativamente alto. Tenga en cuenta que estamos hablando de luminarias LED diseñadas específicamente para aplicaciones hortícolas y que vienen con garantías razonables del fabricante.

Las luminarias HPS requieren balastros reguladores de corriente diseñados para operar bombillas de alrededor de 400, 600 o 1000 vatios. Este balastro consume aproximadamente un 10 % adicional de la potencia de la bombilla, pero es necesario para evitar fallos prematuros de la bombilla. Tradicionalmente, las bombillas HPS se diseñaban con una base magnate, pero también están disponibles en una versión de doble extremo (normalmente para bombillas de mayor potencia). Estas bombillas de doble extremo requieren un diseño de luminaria diferente pero tienen una eficiencia de conversión algo mayor. La eficiencia de conversión (aproximadamente 30% para accesorios HPS cuando se compara la energía eléctrica consumida con la energía lumínica útil producida) se denomina eficacia y para aplicaciones hortícolas se expresa con unidades µmol/J (pronunciado micromol por julio).

Las luminarias LED requieren controladores que proporcionen las características eléctricas correctas a los LED. Estos dispositivos suelen tener varios LED montados en un disipador de calor que mantiene la temperatura de funcionamiento deseada. Los LED con diferentes salidas espectrales (es decir, colores) se pueden combinar para diseñar una salida espectral fija o sintonizable. Algunas luminarias también tienen capacidad de atenuación, lo que permite a los productores ajustar la intensidad de la luz según sea necesario. Además de los beneficios de poder seleccionar un espectro óptimo y eliminar fácilmente el calor de la luminaria, muchas luminarias LED diseñadas para aplicaciones hortícolas tienen eficacias (hasta 3,5 µmol/J) que superan con creces la eficacia de las luminarias HPS más eficientes. (con un máximo de alrededor de 2,0 µmol/J). Como resultado, se necesita menos electricidad para producir la misma cantidad de luz. Para valores de eficacia adicionales para otras fuentes de luz utilizadas para aplicaciones hortícolas, consulte la Tabla 1.

La luz es sólo un aspecto del entorno de cultivo que debe gestionarse en ambientes controlados, siendo el calor otro parámetro clave. En la producción en invernadero, el calor producido por el sistema de iluminación suplementario suele ser útil ya que los períodos de poca luz suelen corresponderse con períodos de baja temperatura (iluminación nocturna e invernal). Sin embargo, en una situación de iluminación de fuente única, se debe aplicar iluminación eléctrica durante todo el año y será necesario eliminar cualquier exceso de calor dependiendo de qué tan bien esté aislado el edificio y las condiciones climáticas exteriores.

En términos de diferentes tecnologías de iluminación y producción de calor, existen claras diferencias entre las luminarias HPS y LED que deben tenerse en cuenta. La salida de luz de la mayoría de las luminarias depende de la temperatura, por lo que gestionar sus entornos térmicos es vital para garantizar una salida uniforme y que las luminarias funcionen durante la vida útil esperada.

Además de producir luz con un espectro único y fijo, las luminarias HPS producen una cantidad sustancial de calor radiante. Este calor radiante aumenta la temperatura del cultivo siempre que el tejido vegetal tenga una línea de visión directa con el dispositivo. Sin embargo, el calor radiante puede provocar un calentamiento desigual (especialmente en cultivos más altos con un dosel con múltiples capas de hojas) y calentar con electricidad es costoso.

Si bien las luminarias HPS de mayor potencia son las más eficientes, su salida de brillo hace que sea más difícil distribuir la luz de manera uniforme sobre el dosel del cultivo. Debido a esto, y a su producción de energía radiante, las luminarias HPS a menudo se instalan a cierta distancia de la parte superior del dosel, y esto puede resultar en una pérdida de luz cuando parte de la luz producida no se dirige al dosel del cultivo.

Los disipadores de calor de las luminarias LED se enfrían de forma activa (con un ventilador) o pasivamente y convierten el calor generado en calor mayoritariamente convectivo (la eficiencia de conversión es de aproximadamente 30-40%). A diferencia del calor radiante, el calor convectivo es más fácil de manejar: simplemente podemos mover aire caliente cuando está causando estrés a las plantas. Esto también significa que las luminarias LED a menudo se pueden instalar más cerca del dosel del cultivo, lo que resulta en una menor pérdida de luz.

La producción de cultivos en interiores en estantes apilados verticalmente se beneficiará especialmente de esta característica de las luminarias LED. También se pueden comprar luminarias LED que utilizan refrigeración por agua para eliminar el exceso de calor. El enfriamiento con agua hace que sea mucho más fácil eliminar el exceso de calor y también puede crear una oportunidad para aprovechar este "desperdicio".

Los accesorios de iluminación para horticultura vienen en una variedad de factores y formas que pueden incluir un reflector para ayudar a enfocar o distribuir la salida de luz. Las luminarias HPS y de halogenuros metálicos dependen de balastros para producir los altos voltajes necesarios para su arranque y dichos dispositivos pueden o no estar conectados a la bombilla/reflector. Las luminarias LED tienen controladores que proporcionan el voltaje y las corrientes correctos a los LED individuales que componen una luminaria. En lugar de una sola bombilla, normalmente se colocan varios LED en una placa de circuito que también puede funcionar como disipador de calor. Los LED también se pueden organizar en una “mazorca de maíz” para imitar el diseño de bombilla tradicional.

En un invernadero el objetivo es maximizar la cantidad de radiación solar y, por lo tanto, lo ideal es minimizar las obstrucciones superiores. Por esta razón, las luminarias tienden a ser menos, con más potencia, montadas más arriba del cultivo y dependen de reflectores para proporcionar un nivel de luz uniforme en todo el dosel del cultivo.

La producción en interiores no tiene el desafío de maximizar el uso de la radiación solar y, por lo tanto, la uniformidad de la luz se puede maximizar mediante el uso de muchas más luminarias de menor rendimiento. Cuando se utiliza iluminación LED, las luminarias se pueden colocar mucho más cerca del cultivo, lo que permite colocar estantes/estantes de sistemas de cultivo uno encima del otro.

En la iluminación monofuente, todas las necesidades lumínicas del cultivo son cubiertas por el sistema de iluminación eléctrica. El sistema de iluminación debe ser capaz de cumplir con el objetivo integral de iluminación diaria. En un invernadero, la luz solar natural puede proporcionar la mayor parte o incluso más luz de la que necesita un cultivo; sin embargo, satisfacer las necesidades de un cultivo depende en gran medida de la ubicación, el cultivo, el clima y la estación. En un invernadero, puede ser necesario instalar un sistema de sombra para proteger el cultivo de recibir demasiada luz solar. Durante las épocas más oscuras del año (o del día), es posible que sea necesario utilizar el sistema de iluminación suplementario para satisfacer las necesidades de iluminación del cultivo. Incluso en los días más oscuros, normalmente habrá cierta cantidad de luz natural disponible (¡siempre que el invernadero esté situado debajo del Círculo Polar Ártico!). El diseño de un sistema de iluminación para satisfacer las necesidades del cultivo requerirá información sobre datos históricos de radiación solar para la ubicación del invernadero, una estimación de la transmisividad de la estructura del invernadero, así como conocimiento de las necesidades de iluminación del cultivo objetivo y la intensidad de la luz. patrón de distribución producido por los accesorios utilizados. Se necesita una cuidadosa consideración y planificación al decidir la intensidad instalada de iluminación suplementaria en un invernadero. Estos cálculos son algo más sencillos en una aplicación de iluminación con una única fuente.

Una diferencia importante entre el cultivo de cultivos en invernaderos y en interiores es que los cultivos cultivados en invernaderos recibirán una cantidad sustancial de luz solar. El espectro solar es bastante diferente del espectro producido por las luminarias HPS o LED. Por ejemplo, la luz solar contiene radiación ultravioleta (UV) y roja lejana que puede beneficiar a algunas especies de plantas. Y si esas bandas de ondas no están presentes en la luz eléctrica utilizada como iluminación suplementaria, los cultivos cultivados en invernaderos aún pueden recibir esas longitudes de onda del sol. Pero ese no es el caso de los cultivos que se cultivan en un entorno completamente cerrado. En ese caso, es posible que sea necesario agregar cierta longitud de onda al espectro de luz para que las plantas se desarrollen como se espera.

Las luminarias LED permiten a los productores experimentar con diferentes recetas de iluminación para hacer crecer sus cultivos y realizar ajustes a lo largo del ciclo de crecimiento. Dada la multitud de cultivos y la producción variable de las luminarias LED más sofisticadas, se necesitará tiempo y mucha experimentación para descubrir la estrategia de iluminación suplementaria óptima para una ubicación, estructura de cultivo, condiciones climáticas, cultivos, estrategia de cultivo y productor determinados. preferencias antes de poder identificar una receta ligera óptima.

Una parte fundamental de un sistema de iluminación es cómo se controla, y esto es válido tanto para aplicaciones de fuente única como para invernaderos. El control de la iluminación puede ser tan simple como encender y apagar las luces a determinadas horas del día y, en una situación de fuente única, esta puede ser una buena estrategia para proporcionar la misma cantidad de luz todos los días. Sin embargo, los productores que utilizan sistemas de iluminación de fuente única pueden querer "aumentar" la potencia de sus luces de manera que no se aplique toda la intensidad al cultivo de una sola vez, y pueden hacerlo mediante el uso de LED regulables. Del mismo modo, la salida espectral se puede ajustar según la hora del día o las necesidades del cultivo.

El control de tiempo se usa comúnmente en la producción en invernadero; sin embargo, este tipo de control no toma en cuenta la luz natural que recibe el cultivo y la cantidad de luz que recibe un cultivo en un día puede variar mucho. Por esta razón, se pueden utilizar controles más sofisticados y estos controles dependen de sensores de luz para monitorear cuánta luz está recibiendo el cultivo. Según la intensidad registrada de la luz, los sistemas de control pueden determinar cuándo abrir o cerrar los sistemas de cortinas y encender o apagar las luces. Algoritmos de control aún más sofisticados utilizarán el historial de luz para predecir cuánta luz natural es probable que reciba el cultivo y luego proporcionarán luz suplementaria para compensar cualquier déficit, sin iluminar más de lo necesario.

Los sensores de luz requieren mantenimiento para garantizar que lean con precisión; sin embargo, también son útiles para monitorear la degradación de la salida de luz a lo largo del tiempo. Si los sensores de luz no forman parte de un sistema de control, se pueden utilizar fotómetros portátiles periódicamente para comprobar que la salida de un sistema de iluminación no se ha degradado demasiado y, de ser así, sería necesario reemplazarla.

Tim Shelford es investigador asociado con un nombramiento conjunto en la Facultad de Ciencias Vegetales Integrativas de la Universidad de Cornell y el Departamento de Ciencias Ambientales de la Universidad de Rutgers; [email protected]

AJ Both es profesor y especialista en extensión del Departamento de Ciencias Ambientales de la Universidad de Rutgers; [email protected]

Nota del autor: este artículo es parte de una serie sobre iluminación hortícola realizada por miembros del Proyecto LAMP (Lighting Approaches to Maximize Profit). El trabajo de LAMP está financiado por el premio USDA-NIFA-SCRI número 2018-51181-28365. Más información está disponible en www.hortlamp.org

Vea más de este número y encuentre la próxima historia para leer.