Sistemas de Iluminación en el cultivo Hidropónico.

Introducción

Uno de los principales insumos en cualquier tipo de cultivo, sea hidropónico o en tierra, es la Luz. Independientemente de su origen (natural u artificial) su calidad y cantidad impactan de lleno en el rendimiento. Existen infinidad de motivos por los cuales es necesario adicionar luz de manera artificial a los cultivos, en este articulo se trata la ingeniería detrás estos sistemas.

Hay gran cantidad de variables relevantes a la hora de elegir un sistema de iluminación para un cultivo. Sería falso hablar de “el mejor sistema de iluminación”, dado que para cada requerimiento particular existe una solución diferente. Las variables principales a tener en cuenta para la elección de un sistema de iluminación se enumeran a continuación:

1. Costo de adquisición
2. Costo de uso (relacionada a la eficiencia energética)
3. Vida útil.
4. Calidad de la luz (distribución espectral)
5. Calor generado
6. Disponibilidad.

Salvo el costo de adquisición, el resto de las variables suelen ser informadas de manera incompleta por el fabricante. Hay mucha información de la que no disponemos, por eso, en este articulo trataremos de indagar en tales áreas, con el fin de que el cultivador pueda evaluar las ofertas disponibles en el mercado y encontrar la mas adecuada para sus necesidades.

Tipos de iluminación

Existen infinidad de sistemas de iluminación aptos para hidroponia y demás métodos de cultivo, pero pueden resumirse en tres tipos básicos según su principio de funcionamiento. A fines comparativos, en las secciones siguientes, vamos a utilizar como unidad de medida el Lumen (para flujo luminoso) y Lumen/Watt (para eficiencia lumínica).  Salvo casos particulares, como las lamparas incandescentes, todos los sistemas de iluminación necesitan una fuente de alimentación o balasto para poder adecuar las condiciones de la red de alimentación a las que necesita el dispositivo encargado de emitir la luz.

 

Lamparas incandescentes.

Las lamparas incandescentes son el tipo de iluminación eléctrica más antiguo de todos, consiste en hacer circular corriente eléctrica por un filamento metálico con el objetivo de calentarlo los suficiente para que emita luz. Se basa en el principio de emisión de cuerpo negro. Por el principio de funcionamiento que utilizan, este tipo de lamparas emite no solo luz dentro del espectro visible, sino también longitudes de onda mayores, como el infrarrojo, generando calentamiento por radiación. Este tipo de iluminación no es eficiente y no es usada para cultivos hidropónicos.

Existe una versión mejorada de las lamparas de filamento, que consta en llenar la ampolla con un gas, con el objetivo de producir una reacción química en dicho filamento, alcanzando mayores temperaturas sin deteriorarse. Estas lamparas, llamadas halógenas, si bien son una mejora sobre las anteriormente descriptas, no presentan gran utilidad práctica en el cultivo hidropónico.

 

Lamparas de descarga gaseosa.

Las lamparas de descarga gaseosa son mucho mas eficientes que las lamparas de filamento, por lo que son de muchísima utilidad para el cultivo hidropónico. En la década de los 90 fue una tecnología muy utilizada en su versión de “tubo Fluorescente” la cual consistía de un tubo lleno con mercurio a baja presión por el cual se hacia circular una corriente eléctrica, generando una luz UV que excitaba el recubrimiento de fósforo, y emitiendo así luz visible. Estas lámparas dejan pasar una pequeña cantidad de luz UV no deseada.

Gracias a su forma, el tubo fluorescente permite una muy buena distribución de la luz, por lo que era común encontrarlos en sistemas de Forraje Verde Hidropónico. Los tubos de este tipo tenían una extensa vida útil, en el orden de 10.000 horas, y presentaban también una elevada eficiencia lumínica.

Una reversión mas moderna de estas luces son las Lamparas Fluorescentes Compactas o CFL. Dichas lamparas incluyen dentro de si mismas la fuente de alimentación, y también tienen un rendimiento lumínico muy elevado. Este tipo de lamparas tienen una vida útil mucho menor a los antiguos tubos (1000 horas o  menos),  dado que al integrar la fuente de alimentación o balasto, este recibe calor y (aunque depende de la ventilación disponible en el lugar) se deteriora a gran velocidad.

Tanto estas lamparas como los tubos fluorescentes tiene su máxima eficiencia a temperaturas de aproximadamente 25 grados centígrados. Si se las expone a extremos de temperatura, su rendimiento decrece rápidamente.

La gran  desventaja de ambos tipos de iluminación es su peligrosidad, dado que contienen mercurio, fósforo y otros materiales sumamente tóxicos. Es necesario tener esto en cuenta al momento de desecharlas o en caso de rotura de la ampolla de vidrio.

Lamparas de Sodio alta presión y Metal Halide

Existen también lámparas que funcionan por emisión directa, sin necesidad de usar ningún material intermediario, ya que el espectro principal de emisión de sus componentes se encuentra naturalmente dentro del espectro visible. Estas lámparas son principalmente las de Sodio de alta presión y Halogenuros metálicos. Las lamparas de sodio de alta presión tienen una altísima eficiencia lumínica, son económicas y tienen un espectro muy adecuado para el cultivo hidropónico, por ese motivo encuentran un uso extensivo en cultivos que utilizan exclusivamente luz artificial, como los sistemas Indoor. Por otro lado, las lamparas de halogenuros metálicos son similares a las de sodio, pero contienen una mezcla de gases que genera mas presencia en la zona del espectro correspondiente con el color azul.

La gran desventaja de este tipo de equipamientos es, en caso de invernaderos pequeños y poco ventilados, el calor que aportan al mismo, que es necesario evacuar por métodos activos.

LEDs

Los diodos emisores de luz o LED por sus siglas en inglés, son un dispositivo electrónico de estado sólido que sufrió un desarrollo muy acelerado en los últimos años, y que permitió la fabricación de dispositivos extremadamente eficientes y aptos para el desarrollo de los cultivos hidroponicos. Los LEDs emiten un espectro de luz muy reducido, en torno a una longitud de onda definida, y existe por lo tanto una gran variedad de colores disponibles.

Gracias a este fenómeno de emisión monocromática en los LEDs, cuando se requiere luz blanca se aplica una técnica similar a las lamparas CFL o los antiguos tubos: se dispone un led UV al cual se le aplica un recubrimiento fluorescente que al ser excitado emite luz blanca. Este tipo de LEDs son muy comunmente utilizados en iluminación hogareña, pero aptos también para el cultivo hidropónico, aunque lejos de ser lo óptimo, ya que este recubrimiento fluorescente suele perder eficiencia con el tiempo, perjudicando la eficacia del conjunto[1].

Por otro lado, las lamparas LED de uso hogareño incluyen dentro de si la fuente de alimentación, dicha fuente suele tener una vida útil mucho menor a la del propio LED, dado que se encuentra en la base de la lampara expuesta al calor y con nula ventilación. La vida útil de las fuentes de alimentación, y por ende del conjunto suele situarse, para lamparas LED hogareñas, alrededor de las 2000 horas en el mejor de los casos.

Gracias a la clorofila presente en las plantas, estas suelen absorber mucha mas radiación en la zona del rojo y del azul. Es poco eficiente iluminar el cultivo con luz blanca, dado que esta luz contiene potencia en espectros intermedios dentro del verde, donde no hay absorción. Las luminarias LED especificas para cultivo tienen LEDs monocromáticos, los cuales emiten longitudes de onda cercanas al rojo y al azul pero no al verde. Estas luminarias, al usar leds monocromáticos, prescinden del material fosforescente que les resta vida útil a los leds blancos, comúnmente llamados “full-Spectrum”.

Dentro de la tecnología de leds blancos o full-spectrum existe una subcategoria llamada comúnmente COB. Se trata arreglos de leds dispuestos en un mismo substrato, y con un único recubrimiento fluorescente. Estos leds se comercializan solos, o junto con una fuente conmutada. También existen los llamados COB220V (nada recomendables, ya que incluyen dentro del mismo substrato, una antigua fuente de energía lineal, que desperdicia en forma de calor mas del 30% de la energía consumida).

El calor es un factor importante al considerar luminarias LED ya que un aumento de aproximadamente 10 grados centígrados disminuye a la mitad la vida útil del LED. Por ejemplo, si un LED declara una vida útil de 60.000 horas a 25° y se lo hace trabajar a 35°, entonces la vida útil esperada será de 30.000 horas. Y si al mismo led lo hacemos trabajar a 45°, su vida se verá reducida a 15000 horas. Estos valores son estimativos pero este comportamiento es común en cualquier tipo de LED.

Espectro y eficiencia energética.

El Lumen es una unidad de medida pensada para reflejar lo mas posible la percepción humana de la luz, por esta razón, ésta le da mayor relevancia a longitudes de onda donde nuestro ojo es mas sensible (las cercanas al verde). Estas longitudes de onda no se corresponden con el patrón optimo de absorción que en general poseen las plantas, el cual se encuentra mayormente entre el rojo y el azul.

Por este motivo una luz verde puede tener un valor muy alto en lumens y ser totalmente inútil a los fines del cultivo hidroponico. Queda claro que esta unidad de medida sirve solo como estimativo cuando se comparan luces con un espectro amplio (luz blanca), pero no cuando se requiere un análisis mas exhaustivo.

Unidades de medición.

Dado que el Lumen no resultó ser una unidad de medida completamente adecuada para el tema que aquí nos ocupa, la industria se ocupó de buscar durante años un sistema mas efectivo para tal fin, llegando a cierto consenso en cuanto a las unidades que se explican a continuación:

PAR: Radiación fotosintéticamente activa, es la radiación que se emite dentro del rango visible (400-700nm), su unidad es el W/m^2.

La fotosíntesis es un fenómeno cuántico, el cual depende de la cantidad de fotones (moles) y no de la potencia total (Watt), es por ello que esta última unidad no tiene demasiada aplicación.

Photosynthetic Photon Flux (PPF): es el flujo de fotones total que emite una fuente de luz cada segundo. Su unidad típica es el umol/s.

Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD): Es el flujo de fotones total dividido por el área en la cual se distribuye este flujo. Este parámetro se mide sobre la superficie de cultivo, y es muy dependiente de la altura, características de la luminaria (patrón de radiación) y orientación. Su unidad es el umol/(m^2 s).

Yield Photon Flux (YPF): Es una unidad de medida parecida al PPF, pero que abarca el rango desde 360 hasta 760nm, y que aplica una curva de respuesta acorde a la sensibilidad de la planta, de la misma manera que el Lumen lo hace para la sensibilidad del ojo humano. Su unidad típica también es el umol/s.

Yield Photon Flux Density (YPFD):  Se trata de la unidad anterior dividida por el área donde se distribuye, al igual que el PPFD es al PPF. La unidad es el umol/(m^2 s).

Photosynthetic Photon Efficacy (PPE): Es la cantidad de flujo por unidad de watt que genera el equipo de iluminación en su conjunto, este factor es sumamente importante para evaluar la viabilidad económica del invernadero hidropónico, dado que relaciona directamente el consumo eléctrico (y por ende el costo) con la luz que efectivamente llega al cultivo. Es un dato muy representativo de la calidad del dispositivo.

Distribución de la iluminación en la superficie de cultivo.

Cada sistema de iluminación tiene una dirección hacia la que emite con mayor intensidad, y luego, a medida que uno de desplaza angularmente, la luz va disminuyendo su intensidad.  La relación entre la intensidad de radiación de la luminaria y el ángulo desde el cual se la mide se llama patrón de radiación.

 

Este patrón de radiación impacta plenamente en la cantidad de luz que alcanza a las plantas que no se encuentran exactamente debajo de la luminaria. En el gráfico siguiente se puede apreciar como se distribuye la intensidad de luz del led anterior si se ilumina una superficie de cultivo plana desde 2 metros de altura (valores normalizados).

Para evitar la distribución despareja de la luz, la mejor estrategia a implementar es disponer de un arreglo de luces manejando la altura y la distancia de las luminarias, para obtener al mismo tiempo una intensidad pareja sobre la superficie de cultivo y una variación lo mas pequeña posible de iluminación a medida que nos desplazamos por la superficie.

El análisis de la cantidad, altura y distribución de la luminaria es muy importante para optimizar este recurso, con un gran impacto dentro de la inversión económica del emprendimiento.

Costo

El costo del sistema de iluminación se puede dividir en dos categorías principales: Costo de adquisición y Costo de uso. Para considerar la inversión económica en iluminación es necesario tener una variable representativa del costo total. El costo total, a los fines de la inversión económica, es el costo de adquisición sumado al costo de uso multiplicado por la vida útil del equipo.

El costo de uso total se pude calcular multiplicando las horas de iluminación durante toda la vida útil del equipo, por el consumo del equipo (en kW), por el costo por kW/hora de el proveedor de electricidad. Este valor es muy importante, dado que los equipos de iluminación poco eficientes pueden tener un costo de adquisición muy bajo pero, a largo plazo, el costo de funcionamiento llega a sobrepasar con creces el de adquisición, por lo que hubiese convenido comprar un equipo mas caro al inicio, pero mas eficiente.

Tabla comparativa

Tipo de lampara	Costo de adquisición	Costo de funcionamiento	Calor generado	Rendimiento luminoso	Vida Util
Halógena	Bajo	Altisimo	Alto	Bajo	1000h
CFL/tubo fluorescente	Bajo	Bajo	Medio	Alto	2000h
Sodio alta presion	Medio	Bajo	Alto	Alto	15000
LED full spectrum (lampara común)	Bajo	Bajo	Medio	Medio	4000
LED para cultivo (rojo/azul)	Altisimo	Muy Bajo	Bajo	Altisimo	10000
LED COB 220V directo	Medio	Medio	Medio	Medio	1000

 

Referencias:

[1] https://www.researchgate.net/publication/330588468_Development_of_optical-thermal_coupled_model_for_phosphor-converted_LEDs

[2] https://dammedia.osram.info/media/resource/hires/osram-dam-9119322/GF%20CS8PM2.24_EN.pdf