Sistemas de iluminación en el cultivo de interior: HPS Vs LED

A lo largo de la historia podemos encontrar vestigios del interés del hombre por cultivar plantas no autóctonas para su propio beneficio, lo que le llevó a modular los entornos naturales con artificios para poder llegar a tal fin. Los jardines colgantes de Semiramis (Babilonia, 814-810 a.c.)  y la siembra de macetas en patios interiores de palacio (Egipto, siglo III a.c.) son ejemplos del interés por dominar la horticultura.

El uso de sistemas de iluminación para el cultivo en lugares donde no llega la luz es otro ejemplo de evolución de la horticultura técnica. Son diversos los tipos de fuentes de luz empleadas para el cultivo, desde bombillas incandescentes (las menos eficientes), hasta los diodos mas innovadores (LED), pasando por una variedad de fluorescentes y lámparas de Alta Intensidad de Descarga (AID), como son las de Alta Presión de Sodio (High Pressure Sodium, HPS) o de Halogenuros Metálicos (MH).

Perspectiva actual

En la actualidad, el sistema más utilizado para la iluminación de los cultivos es el de Alta Presión de Sodio (HPS), sistema de luz monocromática con espectro de emisión rojo, y con una relación flujo de fotones por cada watio gastado muy alta.

El debate sobre qué sistema de iluminación es el que más nos conviene se presentó hace unos años con el surgimiento de la tecnología LED, ya que dicha tecnología presentaba unas altas expectativas de evolución y desarrollo con un alto grado de eficiencia.

El gasto en la electricidad empleada para la iluminación del cultivo puede llegar a suponer entre un 80-90% del coste total, por lo que surge la necesidad de desarrollar tecnologías más eficientes.

Los sistemas LED disponibles actualmente tienen un coste de instalación muy elevado, lo que hace que el retorno de la inversión tarde más en llegar. Posiblemente sea esta la razón del poco uso de estos equipos de iluminación.

Cabe destacar que esta tecnología está en pleno desarrollo y que en el plazo de tres a cinco años puede desplazar a los sistemas convencionales de iluminación HPS, pero actualmente no han alcanzado las expectativas previstas.

Ventajas y desventajas de cada dispositivo

LED

Ventajas

• Mayor eficiencia, menores pérdidas de electricidad en calor, sistema mas frío.
• Espectro de emisión más apropiado, mayor gama de frecuencias de radiación PAR.
• Mayor intensidad en la radiación del espectro PAR.
• Bajo coste de mantenimiento, alta durabilidad (hasta 50.000 horas).

Desventajas

• Elevada inversión de la instalación.
• Bajo índice de alcance desde el punto focal.
• La baja producción de calor puede ser un inconveniente en países fríos.
• Escasa producción de radiación UV.
• Escasa producción de radiación del espectro infrarrojo cercano (Near Infrared Radiation, NIR). La luz no eleva la temperatura del mesodermo de la hoja siendo menores las actividades metabólicas .

HPS

Ventajas

• Menor coste de instalación.
• Alto índice de alcance desde el punto focal, radiación mas penetrante.
• La producción de calor puede se ventajosa en países fríos.
• Mayor producción de radiación ultravioleta.
• Emisión de radiación NIR, radiación capaz de calentar el mesodermo de las hojas.

Desventajas

• Menor eficiencia, pérdidas de electricidad en forma de calor, mayor gasto eléctrico.
• Menor vida útil de los componentes del sistema, mayor gasto de mantenimiento.
• Exceso de producción de calor perjudicial para las plantas.

 Metodología de la comparativa

Para la determinación de la efectividad del sistema de iluminación nos vamos a referir a experimentos en los que se mide la variación de temperatura local del interior de la hoja en función de los parámetros, flujo de fotones fotosintéticamente activos y anchura de hoja, ya que la variación de dicha temperatura nos indica el grado de actividad metabólica que está ocurriendo en el momento de la medida. Para la comparación se emplearon cuatro fuentes de radiación: luz solar, luz solar bajo cristal de invernadero, luz HPS y luz LED. Para el objetivo de nuestro estudio nos centraremos solo en las fuentes HPS y LED.

Para finalizar la comparativa se usa el parámetro fracción de radiación absorbida en las diferentes longitudes de onda del espectro UV y visible.

Fuentes de radiación

Se emplearon para la experiencia un sistema de iluminación HPS con bombilla de doble terminal Phillips Master GreenPower 1000W, el dispositivo LED disponible con mas eficiencia, VividGro de Lighting Science Group 400W espectro rojo-azul enfriado pasivamente por convección. Ambos sistemas son los más eficientes en su clase con un flujo de fotones de 1,7µmol/j.

Absorción de la radiación

La medición de este parámetro se realizó con un espectroradiómetro en un ángulo de 90º respecto de la superficie de la hoja.

Para más detalles de la metodología se pueden consultar las fuentes bibliográficas.

Resultados y conclusión

En los gráficos se puede apreciar en rojo los máximos de absorción en la hoja y en negro la emisión de las distintas lámparas. Se puede apreciar que los LED producen una radiación PAR más intensa.

Los siguientes gráficos muestran la variación de temperatura de la hoja en función del flujo de fotones fotosintéticos y de la anchura de la hoja.

Se puede apreciar que HPS consigue una mayor variación de la temperatura en ambos casos.

En la siguiente tabla se observan los índices de absorción de la radiación de los distintos espectros, los cuales también están implicados en el crecimiento vegetal.

Con todos estos datos podemos concluir que la suma de los factores para ambos sistemas los hace en esencia igualmente eficientes en la conversión de electricidad en materia vegetal, ya que la importancia de otras longitudes de onda, como las de UV o NIR, compensan en los HPS las pérdidas de emisión en radiación PAR respecto a los LED.

Fuentes bibliográficas

• Analysis of environmental effects on leaf temperature under sunlight, High Pressure Sodium and LightEmitting Diodes. Jacob A Nelson 1 , Bruce Bugbee . Crop Physiology Laboratory, Department of Plant Soils and Climate, Utah State University, Logan, Utah, United States of America.
• La luz ultravioleta, una nueva herramienta para la horticultura. Nigel Paul (Lancaster University, Reino Unido), Alberto Fereres, Instituto de Ciencias Agrarias del CSIC, (ICA-CSIC, Madrid), Javier Martínez-Abaigar (Universidad de La Rioja, Logroño)