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Guía de iluminación para el crecimiento de las plantas (horticultura) con LEDs
- By Lumistrips ES Professionale a LED
- 2 ago 2021
La agricultura de interior a escala industrial bajo iluminación artificial en entornos cerrados y totalmente controladospuede convertirse en el principal factor que mantenga a raya la hambruna y los conflictos relacionados.
Con el aumento de la población, la disminución de la superficie agrícola, la contaminación, el calentamiento global y las migraciones cultivar plantas de forma fiable, predecible y eficiente será aún más importante en el futuro.
Es importante entender y aplicar correctamente los conceptos de iluminación para el crecimiento y el desarrollo de las plantas.
Conceptos relacionados con la iluminación en Horticultura
Un factor clave en el éxito del crecimiento de las plantas de interior es la eficiencia del sistema de iluminación en comparación con la luz solar, en el proceso de crecimiento de las plantas.
Las plantas crecen mediante un proceso llamado fotosíntesis que convierte la radiación electromagnética (luz) en la energía química necesaria para su crecimiento y desarrollo. Los otros ingredientes necesarios son el dióxido de carbono (CO2), los nutrientes y el agua.
Fotosíntesis y radiación PAR
La radiación electromagnética necesaria para la fotosíntesis se define como radiación fotosintéticamente activa (PAR), siendo el rango 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 típico ojo humano 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 abreviatura), medido en unidades de moles por segundo. Para muchas aplicaciones prácticas esta unidad es extendida a PPFD, unidades de moles por segundo por metro cuadrado.
La teoría en la que se basa la PPF es que por cada fotón absorbido, independientemente de su longitud de onda y energía, se produce una contribución igual al proceso fotosintético. Como de acuerdo con la ley de Stark-Einstein, cada fotón (o quantum) que se absorbe excitará un electrón, independientemente de la energía del fotón, entre 400 nm y 700 nm.
Sin embargo, sólo una parte de los fotones son absorbidos por una hoja de la planta, según determinan sus propiedades ópticas y la concentración de pigmentos de la planta. Los pigmentos son la clorofila A, la clorofila B, y los carotenoides (a/caroteno, licopeno, xantofila).
Las Clorofilas A y B dan a las hojas de las plantas el característico color verde porque reflejan la mayor parte de las radiaciones 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 los 540nm y tienen colores amarillos, naranjas y rojos. Esto incluye las hojas de otoño, cuando las clorofilas se han secado.
El gráfico siguiente muestra los espectros de absorción típicos de la clorofila A, la clorofila B y la clorofila (beta-caroteno). Cada uno se explica brevemente a continuación:
Clorofila-A (Picos de absorción a 430nm y 662nm)
La clorofila-a es el principal pigmento de 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 453nm y 642nm)
La Chlorofila-B presenta un color visual azul-verde 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 las plantas, las frutas, las verduras y los 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 de potencia espectral (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 no se menciona el valor de PPF para una fuente de luz, los números anteriores pueden utilizarse para una conversión, pero con resultados aproximados solamente. Un método alternativo para evaluar la eficacia de la iluminación para la horticultura sería superponer el gráfico de distribución de la potencia espectral (SPD) que está disponible en las hojas de datos en el gráfico de absorción.
Mientras que la PPF (flujo de fotones fotosintéticos) es la energía total emitida por la fuente de luz, la energía que realmente reciben las plantas es la densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) y sus unidades S. I. son µmol/seg/m2.
La luminancia, en lux, puede convertirse en densidad de flujo de fotones fotosintéticos (PPFD) de forma similar pero con una importante diferencia.
Es un valor influenciado por la distancia y las propiedades ópticas de la fuente de luz (ángulo de visión) y se mide más a menudo en el lugar de la instalación, no se encuentra en la hoja de datos del fabricante. Este enfoque es difícil cuando la instalación de iluminación se encuentra en la brida de planeo, ya que requiere que las luminarias LED ya estén en su lugar.
Las siguientes tablas de conversión pueden ayudar a diseñar la instalación de iluminación de horticultura.
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 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 la tira/módulo LED para que el LED ilumine exactamente un metro cuadrado de suelo.
2) Convertir PPFD en PPF
Los niveles de luz recomendados para las plantas se expresan normalmente en PPFD. Por esta razón, la conversión de PPFD a PPF puede ser más útil.
Una vez que conozcamos 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 verduras comunes y plantas decorativas
El siguiente paso para diseñar el sistema de iluminación de horticultura es investigar la intensidad de luz adecuada para la fotosíntesis de las plantas específicas que se planean cultivar.
Hay plantas que crecen de forma natural a la sombra, ya que sus hojas requieren bajas intensidades de luz y son las denominadas "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..
Generalmente, 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.
Dependiendo de cada planta, la fotosíntesis se inicia aparentemente a un determinado nivel de luz, denominado punto de compensación. A medida que la intensidad de la luz aumenta también lo hace la fotosíntesis y el desarrollo de la planta, hasta un punto concreto que se denomina punto de saturación de luz. Más allá de él, la cantidad de luz que incide en la hoja no provoca un aumento en 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 se incrementa por encima de él la absorción de CO2 aumenta gradualmente hasta el punto de saturación donde se aplana en el nivel máximo.
Se recomienda que la intensidad lumínica adecuada para una instalación de horticultura esté en el intervalo de compensación - saturación para las plantas que se cultivan.
Abajo hay ejemplos de compensación, saturación y valores recomendados para hortalizas y cultivos (Lechuga, Tomate, Cannabis, Pimiento rojo, Pepino...)
A continuación se muestran los valores de compensación, saturación y recomendación para las plantas decorativas.
Diseño del sistema de iluminación LED de Horticultura más eficiente
Por ejemplo, una instalación de iluminación típica para instalaciones de cultivo utilizadas para ensalada y lechuga tendría una intensidad de luz típica de unos 300 a 400 µmol/m2/seg. Los lugares en los que se necesita una mayor intensidad de luz, como son las fábricas de tipo híbrido, se requiere una iluminación suplementaria de 100 a 150 µmol/m2/seg.
Actualmente la iluminación LED proporciona 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 detallan los atributos más importantes que marcan la diferencia.
1. Eficacia: PPF/Vatios
El sistema LED debe tener una muy buena relación PPF por consumo de energía (PPF). Por ejemplo, nuestra tira Linearz Nichia Horticulture Rsp0a LED a 5000K tiene 1,82 PPF/Watt, 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 de color.
3. Clasificación del color
Los LEDs blancos, como todos los productos manufacturados, tienen variaciones de material y de proceso que dan lugar a productos con la correspondiente variación en el tono de la luz blanca emitida.
Por ejemplo, los LEDs blancos cálidos de Nichia que acaban de salir 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 las platas, los resultados serían inconsistentes.
Para evitar el problema anterior los LEDs deben ser clasificados y agrupados en lotes conocidos como "Chromaticity Bins". Así es posible que todos los LEDs de la tira o luminaria tengan la misma temperatura de color desde el punto de vista visible. Para que esto ocurra se necesita una clasificación de Elipse MacAdam de 3 pasos.
4. Fácil instalación o sustitución de módulos
La horticultura hace un uso intensivo del sistema de iluminación, con un tiempo de funcionamiento típico de 12-16 horas diarias. Por esta razón, los módulos o tiras deben ser fácilmente reemplazables.
Se recomienda la forma y el estándar de conexión de Zhaga, ya que significa que una luminaria puede ser mantenida o actualizada con tiras LED fácilmente. Nuestro LinearZ 52 módulo LED cumple con Zhaga Book 7 L56W2 y LinearZ 26 con Book 7 L28W2.
Las plantas bajo la iluminación de nuestros módulos LinearZ con 757 Rsp0a LEDs blancos para horticultura crecerán hasta un 50% más que con una luz convencional, incluyendo LEDs blancos estándar, una combinación de LEDs rojos y azules o un tubo fluorescente. Además, el consumo de energía es menor. Puede adquirirlos directamente desde abajo:
