Autores: Jing Zhao, Zengchan Zhou, Yunlong Bu, etc. Fuente: Tecnología de Ingeniería Agrícola (horticultura en invernadero)

La fábrica de plantas combina industria moderna, biotecnología, hidroponía de nutrientes y tecnología de la información para implementar un control de alta precisión de los factores ambientales en las instalaciones. Es completamente cerrada, tiene bajos requerimientos ambientales, acorta el período de cosecha de las plantas, ahorra agua y fertilizantes, y con las ventajas de no producir pesticidas ni verter residuos, la eficiencia del uso del suelo unitario es de 40 a 108 veces mayor que la de la producción a campo abierto. Entre ellas, la fuente de luz artificial inteligente y su regulación del entorno lumínico juegan un papel decisivo en su eficiencia de producción.

Como factor ambiental físico importante, la luz desempeña un papel fundamental en la regulación del crecimiento vegetal y el metabolismo de los materiales. «Una de las principales características de la fábrica de plantas es la fuente de luz artificial completa y la regulación inteligente del entorno lumínico», se ha convertido en un consenso general en la industria.

La necesidad de luz de las plantas

La luz es la única fuente de energía para la fotosíntesis vegetal. La intensidad y la calidad de la luz (espectro) y los cambios periódicos de luz tienen un profundo impacto en el crecimiento y desarrollo de los cultivos, siendo la intensidad de la luz la que más influye en la fotosíntesis vegetal.

■ Intensidad de la luz

La intensidad de la luz puede modificar la morfología de los cultivos, como la floración, la longitud de los entrenudos, el grosor del tallo y el tamaño y grosor de las hojas. Las plantas que requieren intensidad lumínica pueden clasificarse en plantas fotodependientes, fotodependientes y poco tolerantes a la luz. Las hortalizas son, en su mayoría, plantas fotodependientes, con niveles de compensación y saturación de luz relativamente altos. En las plantas de luz artificial, los requisitos de intensidad lumínica de los cultivos son fundamentales para la selección de fuentes de luz artificial. Comprender los requisitos de luz de las diferentes plantas es fundamental para el diseño de fuentes de luz artificial, ya que es fundamental para mejorar el rendimiento del sistema.

■ Calidad de la luz

La distribución espectral de la calidad de la luz también influye significativamente en la fotosíntesis y la morfogénesis de las plantas (Figura 1). La luz forma parte de la radiación, y esta es una onda electromagnética. Las ondas electromagnéticas tienen características ondulatorias y cuánticas (de partícula). En horticultura, el cuanto de luz se denomina fotón. La radiación con un rango de longitud de onda de 300 a 800 nm se denomina radiación fisiológicamente activa de las plantas; y la radiación con un rango de longitud de onda de 400 a 700 nm se denomina radiación fotosintéticamente activa (PAR) de las plantas.

La clorofila y los carotenos son los dos pigmentos más importantes en la fotosíntesis vegetal. La Figura 2 muestra el espectro de absorción espectral de cada pigmento fotosintético, donde el espectro de absorción de la clorofila se concentra en las bandas roja y azul. El sistema de iluminación se basa en las necesidades espectrales de los cultivos para complementar artificialmente la luz y así promover la fotosíntesis de las plantas.

■ fotoperiodo
La relación entre la fotosíntesis y la fotomorfogénesis de las plantas y la duración del día (o fotoperiodo) se denomina fotoperiodicidad de las plantas. La fotoperiodicidad está estrechamente relacionada con las horas luz, que se refieren al tiempo que el cultivo recibe la luz. Diferentes cultivos requieren un cierto número de horas de luz para completar el fotoperiodo para florecer y dar fruto. Según los diferentes fotoperiodos, se pueden dividir en cultivos de día largo, como el repollo, etc., que requieren más de 12-14 horas luz en una determinada etapa de su crecimiento; cultivos de día corto, como cebollas, soja, etc., requieren menos de 12-14 horas de iluminación; cultivos de sol medio, como pepinos, tomates, pimientos, etc., pueden florecer y dar fruto con luz solar más larga o más corta.
Entre los tres elementos del entorno, la intensidad de la luz es un factor importante para la selección de fuentes de luz artificial. Actualmente, existen diversas maneras de expresar la intensidad de la luz, entre las que se incluyen principalmente las tres siguientes.
（1）La iluminación se refiere a la densidad superficial del flujo luminoso (flujo luminoso por unidad de área) recibido en el plano iluminado, en lux (lx).

(2) Radiación fotosintéticamente activa, PAR, Unidad: W/m².

(3) La densidad de flujo de fotones fotosintéticamente efectiva (PPFD o PPF) es la cantidad de radiación fotosintéticamente efectiva que llega o atraviesa una unidad de tiempo y área (unidad: μmol/(m²·s). Se refiere principalmente a la intensidad de la luz de 400 a 700 nm, directamente relacionada con la fotosíntesis. También es el indicador de intensidad de la luz más utilizado en la producción vegetal.

Análisis de la fuente de luz de un sistema de iluminación suplementaria típico
La suplementación de luz artificial consiste en aumentar la intensidad de la luz en el área objetivo o prolongar el tiempo de iluminación mediante la instalación de un sistema de iluminación suplementaria para satisfacer la demanda de luz de las plantas. En general, un sistema de iluminación suplementaria incluye equipos, circuitos y su sistema de control. Las fuentes de luz suplementaria incluyen principalmente varios tipos comunes, como lámparas incandescentes, lámparas fluorescentes, lámparas de halogenuros metálicos, lámparas de sodio de alta presión y LED. Debido a la baja eficiencia eléctrica y óptica de las lámparas incandescentes, su baja eficiencia energética fotosintética y otras deficiencias, su uso ha sido descartado del mercado, por lo que este artículo no realiza un análisis detallado.

■ Lámpara fluorescente
Las lámparas fluorescentes pertenecen al tipo de lámparas de descarga de gas a baja presión. El tubo de vidrio está lleno de vapor de mercurio o gas inerte, y su pared interior está recubierta de polvo fluorescente. El color de la luz varía según el material fluorescente que recubre el tubo. Las lámparas fluorescentes tienen un buen rendimiento espectral, alta eficiencia luminosa, bajo consumo, mayor vida útil (12 000 h) en comparación con las lámparas incandescentes y un coste relativamente bajo. Dado que la lámpara fluorescente emite menos calor, puede iluminar cerca de las plantas y es adecuada para cultivos tridimensionales. Sin embargo, la disposición espectral de la lámpara fluorescente no es adecuada. El método más común en el mundo es añadir reflectores para maximizar la eficacia de los componentes de la fuente de luz de los cultivos en el área de cultivo. La empresa japonesa adv-agri también ha desarrollado un nuevo tipo de fuente de luz suplementaria HEFL. La HEFL pertenece a la categoría de lámparas fluorescentes. Es el término general para las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) y las lámparas fluorescentes de electrodo externo (EEFL), y es una lámpara fluorescente de electrodo mixto. El tubo HEFL es extremadamente delgado, con un diámetro de tan solo 4 mm, y su longitud se puede ajustar de 450 mm a 1200 mm según las necesidades del cultivo. Es una versión mejorada de la lámpara fluorescente convencional.

■ Lámpara de halogenuros metálicos
La lámpara de halogenuros metálicos es una lámpara de descarga de alta intensidad que puede excitar diferentes elementos para producir distintas longitudes de onda mediante la adición de diversos haluros metálicos (bromuro de estaño, yoduro de sodio, etc.) en el tubo de descarga, utilizando una lámpara de mercurio de alta presión. Las lámparas halógenas ofrecen alta eficiencia luminosa, alta potencia, excelente color de luz, larga vida útil y amplio espectro. Sin embargo, debido a que su eficiencia luminosa es menor que la de las lámparas de sodio de alta presión y su vida útil es menor, actualmente solo se utilizan en unas pocas plantas de fabricación.

■ Lámpara de sodio de alta presión
Las lámparas de sodio de alta presión pertenecen al tipo de lámparas de descarga de gas de alta presión. La lámpara de sodio de alta presión es una lámpara de alta eficiencia en la que se llena el tubo de descarga con vapor de sodio a alta presión y se añade una pequeña cantidad de xenón (Xe) y haluro metálico de mercurio. Debido a que las lámparas de sodio de alta presión tienen una alta eficiencia de conversión electroóptica con menores costos de fabricación, las lámparas de sodio de alta presión son actualmente las más utilizadas en la aplicación de luz suplementaria en instalaciones agrícolas. Sin embargo, debido a las deficiencias de baja eficiencia fotosintética en su espectro, tienen las deficiencias de baja eficiencia energética. Por otro lado, los componentes espectrales emitidos por las lámparas de sodio de alta presión se concentran principalmente en la banda de luz amarillo-naranja, que carece de los espectros rojo y azul necesarios para el crecimiento de las plantas.

■ Diodo emisor de luz
Como una nueva generación de fuentes de luz, los diodos emisores de luz (LED) ofrecen numerosas ventajas, como una mayor eficiencia de conversión electroóptica, espectro ajustable y alta eficiencia fotosintética. Los LED pueden emitir la luz monocromática necesaria para el crecimiento de las plantas. En comparación con las lámparas fluorescentes convencionales y otras fuentes de luz complementarias, los LED ofrecen ventajas como el ahorro energético, la protección del medio ambiente, una larga vida útil, luz monocromática y una fuente de luz fría, entre otras. Gracias a la mejora continua de la eficiencia electroóptica de los LED y la reducción de costes derivada del efecto de escala, los sistemas de iluminación LED para cultivo se convertirán en el equipo principal para complementar la iluminación en las instalaciones agrícolas. Como resultado, las luces LED para cultivo se han aplicado en más del 99,9% de las fábricas de plantas.

Mediante la comparación, se pueden comprender claramente las características de diferentes fuentes de luz suplementarias, como se muestra en la Tabla 1.

Dispositivo de iluminación móvil
La intensidad de la luz está estrechamente relacionada con el crecimiento de los cultivos. El cultivo tridimensional se utiliza a menudo en las fábricas de plantas. Sin embargo, debido a las limitaciones de la estructura de los soportes de cultivo, la distribución desigual de la luz y la temperatura entre ellos afecta el rendimiento de los cultivos y la sincronización del período de cosecha. Una empresa de Pekín desarrolló con éxito en 2010 un dispositivo de elevación manual de luz suplementaria (lámpara HPS y lámpara LED para cultivo). El principio consiste en girar el eje de transmisión y el enrollador fijado a él mediante la rotación de la manija para girar el pequeño carrete de película y así retraer y desenrollar el cable metálico. El cable metálico de la lámpara de cultivo se conecta a la rueda de enrollado del elevador mediante múltiples juegos de ruedas de inversión, lo que permite ajustar la altura de la lámpara. En 2017, la empresa mencionada diseñó y desarrolló un nuevo dispositivo móvil de iluminación suplementaria, que puede ajustar automáticamente la altura de la luz suplementaria en tiempo real según las necesidades de crecimiento del cultivo. El dispositivo de ajuste ya está instalado en el soporte de cultivo tridimensional de elevación con fuente de luz de 3 capas. La capa superior del dispositivo es la que ofrece las mejores condiciones de luz, por lo que está equipada con lámparas de sodio de alta presión. Las capas intermedia y inferior están equipadas con luces LED de cultivo y un sistema de ajuste de elevación. La altura de la luz de cultivo se ajusta automáticamente para proporcionar un entorno de iluminación adecuado para los cultivos.

En comparación con el dispositivo de iluminación móvil para cultivo tridimensional, los Países Bajos han desarrollado un dispositivo de iluminación LED para cultivo con movimiento horizontal. Para evitar la influencia de la sombra de la luz en el crecimiento de las plantas bajo el sol, el sistema se puede desplazar horizontalmente a ambos lados del soporte mediante la corredera telescópica, de modo que la luz solar incida plenamente en las plantas. En días nublados o lluviosos sin luz solar, se puede desplazar el sistema hasta el centro del soporte para que la luz ilumine uniformemente las plantas. El desplazamiento horizontal del sistema mediante la corredera del soporte evita el desmontaje y la extracción frecuentes, reduce la intensidad de trabajo de los empleados y mejora la eficiencia laboral.

Ideas de diseño de un sistema de iluminación de cultivo típico
No es difícil ver a partir del diseño del dispositivo suplementario de iluminación móvil que el diseño del sistema de iluminación suplementaria de la fábrica de plantas generalmente toma la intensidad de la luz, la calidad de la luz y los parámetros del fotoperíodo de diferentes períodos de crecimiento del cultivo como el contenido central del diseño, confiando en el sistema de control inteligente para implementar, logrando el objetivo final de ahorro de energía y alto rendimiento.

En la actualidad, el diseño y la construcción de sistemas de luz suplementaria para hortalizas de hoja han avanzado gradualmente. Por ejemplo, las hortalizas de hoja se dividen en cuatro etapas: plántula, crecimiento medio, crecimiento tardío y etapa final; las hortalizas frutales se dividen en plántula, crecimiento vegetativo, floración y cosecha. En cuanto a la intensidad de la luz suplementaria, la intensidad en la plántula debe ser ligeramente inferior, de 60 a 200 μmol/(m²·s), y luego aumentar gradualmente. Las hortalizas de hoja pueden alcanzar hasta 100 a 200 μmol/(m²·s), y las hortalizas frutales, de 300 a 500 μmol/(m²·s), para garantizar la intensidad lumínica necesaria para la fotosíntesis de las plantas en cada período de crecimiento y satisfacer las necesidades de un alto rendimiento. En cuanto a la calidad de la luz, la proporción de rojo y azul es fundamental. Para aumentar la calidad de las plántulas y evitar un crecimiento excesivo en la etapa de plántula, la proporción de rojo a azul generalmente se establece en un nivel bajo [(1~2):1], y luego se reduce gradualmente para satisfacer las necesidades de la morfología de la luz de la planta. La proporción de rojo a azul para las verduras de hoja se puede establecer en (3~6):1. Para el fotoperiodo, similar a la intensidad de la luz, debe mostrar una tendencia al aumento con la extensión del período de crecimiento, de modo que las verduras de hoja tengan más tiempo fotosintético para la fotosíntesis. El diseño de suplementos de luz para frutas y verduras será más complejo. Además de las leyes básicas mencionadas anteriormente, debemos centrarnos en el ajuste del fotoperiodo durante el período de floración, y se debe promover la floración y la fructificación de las verduras, para evitar contraproducentes.

Cabe mencionar que la fórmula de luz debe incluir el tratamiento final para las condiciones ambientales de luz. Por ejemplo, la suplementación continua de luz puede mejorar considerablemente el rendimiento y la calidad de las plántulas de hortalizas de hoja hidropónicas, o el uso de tratamiento UV para mejorar significativamente la calidad nutricional de los brotes y las hortalizas de hoja (especialmente las de hoja morada y la lechuga roja).

Además de optimizar la suplementación de luz para cultivos seleccionados, el sistema de control de la fuente de luz de algunas plantas de luz artificial también se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Este sistema de control se basa generalmente en la estructura B/S. El control remoto y automático de factores ambientales como la temperatura, la humedad, la luz y la concentración de CO2 durante el crecimiento de los cultivos se realiza mediante wifi, lo que permite un método de producción sin restricciones externas. Este sistema de iluminación suplementaria inteligente utiliza una lámpara LED de cultivo como fuente de luz suplementaria, combinada con un sistema de control remoto inteligente, para satisfacer las necesidades de iluminación de longitud de onda de las plantas, siendo especialmente adecuado para entornos de cultivo con control de luz y satisfaciendo la demanda del mercado.

Observaciones finales
Las fábricas de plantas se consideran una vía importante para resolver los problemas mundiales de recursos, población y medio ambiente en el siglo XXI, así como para lograr la autosuficiencia alimentaria en futuros proyectos de alta tecnología. Como nuevo método de producción agrícola, las fábricas de plantas aún se encuentran en fase de desarrollo y desarrollo, por lo que se requiere mayor atención e investigación. Este artículo describe las características y ventajas de los métodos comunes de iluminación complementaria en fábricas de plantas e introduce ideas de diseño para sistemas típicos de iluminación complementaria para cultivos. Mediante la comparación, es fácil descubrir que, para afrontar la baja luminosidad causada por condiciones climáticas adversas, como la nubosidad y la neblina continuas, y para garantizar una producción alta y estable de los cultivos, los equipos con fuente de luz LED Grow son los más acordes con las tendencias de desarrollo actuales.

El desarrollo futuro de las fábricas de plantas debe centrarse en nuevos sensores de alta precisión y bajo coste, sistemas de iluminación de espectro ajustable y controlable a distancia, y sistemas de control expertos. Al mismo tiempo, las futuras fábricas de plantas continuarán evolucionando hacia sistemas de bajo coste, inteligentes y autoadaptativos. El uso y la popularización de las fuentes de luz LED para cultivo garantizan un control ambiental de alta precisión en las fábricas de plantas. La regulación del entorno de luz LED es un proceso complejo que implica la regulación integral de la calidad, la intensidad y el fotoperiodo de la luz. Expertos y académicos relevantes deben realizar investigaciones exhaustivas para promover la iluminación suplementaria LED en las fábricas de plantas de luz artificial.