Descargar presentación - Congreso Internacional del Tomate

Descargar presentación - Congreso Internacional del Tomate

Optimización de la Irradiación
en el Invernadero
Ricardo Hernández
Congreso Internacional del Tomate 2016
https://hortenergy.cals.ncsu.edu/
Unidades de luz y terminología
Radiación
fotones
Luz visible
Energía (J)
fotones (mol)
Intensidad
luminosa (cd)
Flujo [cantidad recibida por Flujo de radiación
tiempo]
(J s-1) o (W)
Flujo de fotones
(µmol s-1)
Flujo luminoso
(lm)
Densidad de flujo [cantidad (W m-2)
recibida por tiempo y por
área]
(µmol m-2 s-1)
(lux) o (lm m-2)
(fc) o (lm ft-2)
Densidad de flujo
PAR
fotosintético [Cantidad total (W m-2)
(400 – 700 nm)
con la capacidad de
aumentar la fotosíntesis]
PPF (Densidad de
flujo fotosintético en
numero de fotones)
(µmol m-2 s-1)
(400 – 700 nm)
No aplicable
Unidad “Base”
UV
Azul
Verde
Rojo
Rojo lejano
El espectro solar es de 300 a 3000 nm!, la irradiaición entre 800 – 3000 nm es calor
UV
Azul
Verde
Rojo
Rojo lejano
Acortamiento de
tallo
Antocianinas
Reducción de área
foliar (320-380 nm)
Radiación fotosintéticamente activa
PAR (400-700 nm)
Fotosíntesis y crecimiento
Alargamiento de tallo
Percepción de longitud de día
Aumento de área foliar
(700-770 nm)
El espectro solar es de 300 a 3000 nm!, la irradiaición entre 800 – 3000 nm es calor
Taiz & Zeiger, 1st edition, Plant Physiology and Development
Longitud de onda (nm)
Taiz & Zeiger, 6th edition, Plant Physiology and Development
UV
Blue
Green
Red
Far red
Radiación biológicamente activa (300-800 nm)
Fotosíntesis de la planta
Fotosíntesis de la hoja
Radiación fotosintéticamente activa
(PAR, 400-700 nm)
UV
Blue
Green
Red
Radiación biológicamente activa (300-800 nm)
Far red
Integral de Luz Diaria (DLI o PPF diario)
(transmisividad media diaria)
Cantidad total de fotones
(PAR: 400-700) recibida por
metro cuadrado por día.
Unidad: mole por metro
cuadrado por día (mol m-2 d-1)
“1% DLI = 1 % rendimiento ”
Irradiación Solar Mundial
Irradiación anual en México
kWh m-2 d-1
Irradiación anual en México
kWh m-2 d-1
X 3.6
MJ m-2 d-1
X 2.107
mol m-2 d-1
45
38
30
38
Fuente: elirmex
Irradiación anual en México
kWh m-2 d-1
X 3.6
MJ m-2 d-1
X 2.107
mol m-2 d-1
X 0.6
[-40%] Filme y estructura
del invernadero
45
27
38
23
18
30
23
38
Fuente: elirmex
kWh m-2 d-1
X 3.6
MJ m-2 d-1
X 2.107
mol m-2 d-1
X 0.6
[-40%] Filme y estructura
del invernadero
kWh m-2 d-1
X 3.6
MJ m-2 d-1
X 2.107
mol m-2 d-1
X 0.6
[-25-40%] Filme y
estructura del invernadero
Integral de Luz Diaria (DLI o PPF diario)
• 30-35 mol·m-2·d-1 es optimo para la
producción de Tomate y Pepino en el
invernadero.
• 13-17 mol·m-2·d-1 es aceptable para la
producción de trasplantes y lechugas.
Bayer Crop Science
• El promedio estimado en México es
de 26 mol·m-2·d-1 dentro del
invernadero .
• En Holanda el promedio durante el
invierno es de 2-4 mol m-2 d-1
Eficiencia del tomate a la irradiación
• Calculo empírico de la
eficiencia del cultivo a la
irradiación.
• Datos necesarios:
– Producción acumulada en
kilogramos de tomate por
metro cuadrado de
invernadero (kg m-2)
– Cantidad de luz acumulada
por metro cuadrado de
invernadero (PAR mol m-2)
www.soltau-lieferservice.de
(Runkle 2006)
Sensor para medir fotones de luz
Sensor Cuántico
Apogee
LI-COR
Radiación fotosintéticamente activa
PAR (400-700 nm)
Fotosíntesis y crecimiento
Estimación: Integral de Luz Diaria (DLI)
por mes o temporada
En al ausencia de un sensor cuántico
Irradiación solar
acumulada
Conversión
Atenuación por
estructura y cubierta
DLI
Eficiencia del tomate a la irradiación
Datos obtenidos en
Invernadero en AZ
Rendimiento acumulado
Tomate: Durinta
PAR acumulado
Eficiencia del tomate a la irradiación
Datos obtenidos en
Invernadero en AZ
Rendimiento acumulado
Tomate: Durinta
PAR acumulado
Eficiencia del tomate a la irradiación
Datos obtenidos en
Invernadero en AZ
0.014 kg
de tomate por cada
mol de radiacion
Datos obtenidos en:
Kubota C., Kroggel M.,
Both A.J., Whalen M.
(2016) Does
supplemental lighting
make sense for my crop?Empirical evaluations.
Acta Hort 1134.
Rendimiento acumulado
Tomate: Durinta
PAR acumulado
Eficiencia del tomate a la irradiación
Cultivo
Eficiencia a la
radiacionA
Tomate (racimo)
7.6 – 14 g mol-1
$ 2.00 dlls kg-1
65.6 %
$0.010-$0.018
dlls mol-1 m-2
Tomate (cherry)
4.6 – 6.5 g mol-1
$ 4.00 dlls kg-1
65.6 %
$0.012-$0.017
dlls mol-1m-2
A
B
Precio al
mayoreo
Margen brutoB
Ganancia bruta
por mol de luz
Estimacion basada en datos de la Universidad de Arizona
Margen reportado por (Bizminer, 2015)
Datos obtenidos en: Kubota C., Kroggel M., Both A.J., Whalen M. (2016) Does supplemental lighting make sense for
my crop?-Empirical evaluations. Acta Hort 1134.
¿Qué pasa si aumentamos la irradiación por solo 3 mol m-2 d-1?
Una temporada de 9 meses = 810 mol m-2 x (0.010 a 0.018) $ mol-1 m-2 =
Ganancia bruta por m2 = $8.1 a 14.6 dlls
Una hectarea de invernadero = $ 81,000 a $ 146,000 dlls
Irradiación directa y difusa
Parte the la irradiación solar choca con moleculas/particulas
pequeñas que causan la dispersión de la luz en differentes
direcciones (luz difusa)
Disminución de la irradiación solar
en un 5.4% en las ultimas dos
decadas
Irradiación directa y difusa en el
invernadero
Solarsoft-data-sheet
Irradiación directa y difusa en el invernadero
Luz directa
Luz difusa
• Puede causa foto-inhibición
• Temperaturas no-optimas en el
follaje superior
• Alto niveles de traspiración
• Disminución de el uso-eficientedel agua (water-use-efficiency)
• Disminución de la capacidad
fotosintética
• Reducción del rendimiento
• Direcciones múltiples
• Alta reflectividad en el
follaje
• Puede penetrar con mas
profundidad en el follaje
• Mejor distribución de la luz
• Incremento del
rendimiento
Irradiación directa y difusa en el invernadero
Irradiación directa y difusa en el
invernadero
http://www.prinsgroup.com/
Investigación en Agricultura Protegida
Cultivo
diffusión %
%τ*
(transmisión)
Aumento en el
rendimiento %
Dueck et al. (2012)
Tomato
0, 45, 62, 71,
50
83
9 – 11 %
rendimiento (%) relativo a el control
Autor/Año
Porcentaje de irradiación directa
Holanda (Bilt): 30 %
Semanas en produccion
Dueck et al. (2012) Diffuse light in tomato: report
Irradiación DIRECTA en
Mexico
Irradiación DIFUSA en
Mexico
Datos: Solartronic (2003) Irradiaciones global, directa y diffusa, en superficies horizonatales e inclinadas de la Republica Mexicana
Investigación en Agricultura Protejida
Cultivo
Hemming et al.
(2008)
Cucumber,
Chrysantemum
Dueck et al. (2012)
Tomato
difusión %
%τ*
(transmisión)
Aumento en el
rendimiento %
50
4% higher on
8 – 12 %
0, 45, 62, 71,
50
83
9 – 11 %
rendimiento (%) relativo a el control
Autor/Año
τdir
Porcentaje de irradiaicon directa
Holanda (Bilt): 30%
Baja California (Mexicali): 82%
SLP (SLP): 68%
Sinaloa (Culiacan): 76%
Dueck et al. (2012) Diffuse light in tomato: report
Semanas en produccion
Propiedades de Coberturas
Tipo
material
Factor de
difusión
Transmisión
(hemispherical vs
perpendicular)
Compañia
Diff45
Vidrio
45 %
83 % h, 90 % p
Guardian and Glass
import
Diff71
Vidrio
71 %
83 % h, 90 % p
Guardian and Glass
import
Dynaglass®
clear
Vidrio
1%
92 % p
PALRAM
SolarSoft® 85
Vidrio
100 %
85 % p
PALRAM
Sun Master®
Polietileno
70 %
70 % p
FarmTek
Luminance®
Polietileno
93 %
89 % p
AT films
F-clean®-diffuse
ETFE
70 %
83 % p
AGC
F-clean®-clear
ETFE
9%
86% p
AGC
ETE: Tetrafluoretileno de etileno, plástico a base de Flúor con alto porcentaje de anticorrosión, resistencia y fuerza a altas y bajas temperaturas.
Cómo se mide la difusión de los
materiales
S. Hemming, V. Mohammadkhani, T. Dueck 2008. Diffuse Greenhouse Covering Materials- Material Technology, Measurements and
Evaluation of Optical Properties. Acta Hort 797, 469-476
Cómo se mide la difusión dentro del
invernadero
http://www.nrel.gov/
http://www.kippzonen.com/
Distribución de la irradiación en
el follaje
Ley de Lambert-Beer: El follaje absorbe la luz de una
manera homogénea. La irradiación promedio
disminuye exponencialmente con el incremento de la
profundidad en el follaje.
I = Io
-kx
e
I = disminución de la irradiación
Io = Intensidad en al superficie del follaje
x = distancia vertical por donde penetra la luz
k = Coeficiente de extinción
Coeficiente de Extinción
Distancia
vertical
Luz suplementaria:
Aumento de la irradiación con luz eléctrica
38
Lámparas de Luz Suplementaria
Lámparas de descarga de alta
intensidad: Lámparas de sodio a
alta presión (HPS)
Nelson J. and Bugbee B. 2013.
Lámparas de Luz Suplementaria
Martine Dorais
Ag and Agri-Food Canada, Laval University
Lámparas de Luz Suplementaria
Diodos Emisores de luz (LEDs)
• LEDs (40-47°C)
• HPS (max. 450°C)
hortamericas.blogspot.com
www.seedquest.com
Eficiencia Eléctrica
Lamps
Photon flux /W
(µmol s-1 W-1) or (µmol J-1)
fluorescent
0.8-1.5*
LED (roja)
LED (azul)
HPS
1.0-2.7**
1.5-1.9***
* Estimated from lumens converted to photons by factors reported by Thimijan and Heins (1983)
**Philips catalogue and Nelson and Bugbee (2013)
***Philips catalogue data for HPS lamp (600 W GreenPower)
LPE: Efficiencia de la lampara (lamp photon
efficiency)
Flujo total de fotones (520 μmol s-1)
Consumo de energia(190 W)
2.7 μmol s-1 W-1
μmol J-1
La información puede ser presentada directamente como
eficiencia de la lampara en μmol s-1 W-1 or μmol J-1 .
Precaución: varias lamparas en el mercado tienen una efficiciencia
muy baja. Es importnte obtener esta información.
1.75 – 2.7 μmol s-1 W-1
Morfología y crecimiento del trasplante de tomate
bajo LEDs y HPS
55 μmol m-2 s-1 de luz electrica, DLI alto = 16-23 y DLI bajo = 5-9 mol m-2 d-1
Crecimiento del transplante (en los dos DLIs)
=
Hernández and Kubota (2014)
=
Morfología y crecimiento del trasplante de tomate
bajo LEDs y HPS
Luz suplementaria (PPF): 55-60 μmol m-2 s-1 por 18 horas (2am to
8pm). Luz suplementaria (PPF): 3.5-3.9 mol m-2 d-1
Transplante de tomate, ‘Komeett’.
Rojo-LED
Azul-LED
600W HPS
5%
100%
Rojo = 632 nm peak
Azul = 443 nm peak
53%
42%
Luz solar (DLI)
• DLI: 3.9-5.2 mol m-2 d-1
Morfología y crecimiento del trasplante de tomate
bajo LEDs y HPS
Tratamiento
Rojo-LED
=
Red = 632 nm peak
Tratamiento
600W HPS
Tratamiento
Azul-LED
<
100%
5%
53%
42%
Blue = 443 nm peak
No. de hojas ✔
Masa fresca ✔
Concentración de clorofila
Diámetro de estema ✔
✔
Altura de planta ✔
Longitud epicotilo ✔
Longitud del hipocotilo
✔
Temperatura del aire de dosel midió 1 °C más alto bajo el tratamiento HPS
Morfología y crecimiento del trasplante de tomate
bajo LEDs y HPS
Trasplante de tomate ‘Komeett’ and ‘Beaufort’ en
cámaras de crecimiento
Tomato dry mass
Leaf area (m2)
Masa
Shoot
dry seca
mass (g)
Tomato leaf area
Porcentaje de Azul
Luz eléctrica suplementaria
Diseño de la estructura luminaria
Información requerida (required information)
N=
PPF x A
LPE x E x UF x MF
PPF [μmol m-2 s-1]: intensidad de luz electrica (supplemental light intensity)
A [m2]: Area de producción (production area):
LPE [μmol J-1 – μmol W-1 s-1]: Efficiencia de la lampara (fixture efficiency):
E [Watts]: Consumo de energia de la lampara (power draw):
UF: Factor de utilización (utilization factor):
MF: Factor de mantenimiento (maintenance factor):
N: numero de lamparas requeridas (number of fixtures)
Luz eléctrica suplementaria
• UF: Factor de utilización (utilization factor):
0.9
• MF: Factor de mantenimiento (maintenance
factor): 0.9
Luz eléctrica suplementaria
Diseño de la estructura luminaria
Información requerida (required information)
PPF [μmol m-2 s-1]: 100
LPE [μmol J-1 – μmol W-1 s-1]: 2.7
A [m2]: 1000
E [Watts]: 190
UF: 0.9
MF: 0.9
N: numero de lámparas requeridas (number of fixtures)
N=
100 x 1000
2.7 x 190 x 0.9 x 0.9
N = 241 lamparas por 1000 m2 de invernadero
N = 0.24 lamparas por 1 m2 de invernadero
Densidad de energía consumida /
costo de luz eléctrica
Usando LEDs de alta eficiencia (2.7μmol J-1 )
Manteniendo 100 μmol m-2 s-1
N = 0.24 lámparas por 1 m2 de invernadero
Densidad de energía consumida (W m-2)= 45.7 Watts/m2
45.7 Watts
1
m2
x
2.8 h
1 mol
x
1 kW
1000 Watts
= 0.13 kWh/m2/mol
Costo/ganancia irradiación suplementaria
Cultivo
Efficiencia a la
radiaciónA
Precio al
mayoreo
Margen brutoB
Ganancia bruta
por mol de luz
Tomate (racimo)
7.6 – 14 g mol-1
$ 2.00 dlls kg-1
65.6 %
$0.010-$0.018
dlls mol-1
Tomate (cherry)
4.6 – 6.5 g mol-1
$ 4.00 dlls kg-1
65.6 %
$0.012-$0.017
dlls mol-1
$0.16 dlls ó $2.71 pesos por kWh
$0.11 dlls ó $2.07 pesos por kWh
Ganancia bruta por mol de luz
$ 0.018 mol-1 m-2
$ 0.014
mol-1
m-2
$ 0.004
PPF [μmol m-2 s-1]: Intensidad de luz eléctrica
(supplemental light intensity)
•
•
•
•
•
100 μmol m-2 s-1
DLI suplementario:
PPF x 0.0036 x horas prendidas
DLI suplementario:
100 μmol m-2 s-1 x 0.0036 x 18 horas = 6.48 mol m-2 d-1
 Una temporada de 9 meses = 1750 mol m-2 x 0.004 $ mol-1 m-2
=
 Ganancia bruta por m2 = $7 dlls
 Una hectarea de invernadero = $70,000 dlls
Agradecimientos
University of Arizona
Dr. Chieri Kubota
Tomomi Eguchi
Dr. Murat Kacira
Dr. Gene Giacomelli
Mark Kroggel
Neal Barto
Universidad Autónoma de San Luis
Potosí
Dr. Pablo Delgado Sánchez
USDA/NIFA/SCRI – Grant