Progettazione di sistemi di illuminazione efficienti per l'agricoltura indoor

Con la continua crescita della popolazione mondiale, aumenta la domanda di cibo e si presentano problemi come la diminuzione dei terreni agricoli, l'inquinamento, il riscaldamento globale e le migrazioni. L'agricoltura indoor su scala industriale con illuminazione artificiale in ambienti chiusi e completamente controllati ha il potenziale per diventare il principale fattore di prevenzione delle carestie e dei conflitti correlati. Per coltivare le piante in modo affidabile, prevedibile ed efficiente, è fondamentale comprendere e applicare correttamente i concetti di illuminazione per la crescita e lo sviluppo delle piante. In questo articolo approfondiremo l'illuminazione per l'orticoltura, i concetti ad essa correlati e come progettare sistemi di illuminazione LED efficienti per l'agricoltura indoor.

Concetti di illuminazione per l'orticoltura

Il successo di un ambiente di crescita delle piante indoor dipende dall'efficienza del sistema di illuminazione rispetto alla luce solare durante il processo di crescita delle piante. La fotosintesi, il processo con cui le piante convertono la luce in energia chimica necessaria per la crescita e lo sviluppo, richiede radiazione fotosinteticamente attiva (PAR), anidride carbonica (CO²), sostanze nutritive e acqua.

Fotosintesi e radiazione PAR

La radiazione elettromagnetica necessaria per la fotosintesi è definita radiazione fotosinteticamente attiva (PAR), con un intervallo spettrale compreso tra 400 e 700 nanometri. Solo la radiazione in questo intervallo può essere utilizzata dagli organismi fotosintetici nel processo di fotosintesi, per fissare il carbonio della CO² in carboidrati.

La radiazione elettromagnetica chiamata luce visibile o semplicemente luce, per un occhio umano tipico ha un intervallo spettrale che va da circa 380 a 740 nanometri.

Un'unità di misura comune per la radiazione fotosinteticamente attiva PAR è il flusso di fotoni fotosintetici (PPF in breve), misurato in unità di moli al secondo. Per molte applicazioni pratiche questa unità viene estesa a PPFD, unità di moli al secondo per metro quadro.

La teoria alla base del PPF è che per ogni fotone assorbito, indipendentemente dalla lunghezza d'onda e dall'energia, viene fornito un contributo uguale al processo fotosintetico. Secondo la legge di Stark-Einstein, ogni fotone (o quanto) assorbito ecciterà un elettrone, indipendentemente dall'energia del fotone, tra 400 e 700 nm.

Tuttavia, solo una parte dei fotoni viene assorbita da una foglia di pianta, in base alle sue proprietà ottiche e alla concentrazione di pigmenti vegetali. I pigmenti sono la clorofilla A, la clorofilla B e i carotenoidi (a/carotene, licopene, xantofilla).

Le clorofille A e B conferiscono alle foglie delle piante il caratteristico colore verde perché riflettono la maggior parte delle radiazioni tra i 500 e i 600 nanometri. Le piante con più carotenoidi che clorofille nelle foglie riflettono le lunghezze d'onda oltre i 540 nm e hanno colori gialli, arancioni e rossi. Questo include le foglie autunnali quando le clorofille si sono seccate.

Il grafico seguente mostra gli spettri di assorbanza tipici della Clorofilla A, della Clorofilla B e della Clorofilla (beta-carotene). Ciascuna di esse viene spiegata brevemente in seguito:

Clorofilla-A (Picchi di assorbimento a 430nm e 662nm)

La clorofilla-a è il pigmento primario per la fotosintesi nelle piante e presenta un colore visivo verde erba. Si trova in tutti gli organismi fotosintetici, tranne che nei batteri fotosintetici.

Clorofilla-B (Picchi di assorbimento a 453 nm e 642 nm)

La clorofilla-B presenta un colore visivo blu-verde ed è presente in tutte le piante, nelle alghe verdi e in alcuni procarioti. Di solito la quantità di colorfilla-B è circa la metà di quella della colorfilla-A nelle piante.

Carotenoidi (a/carotene, licopene, xantofilla) (L'assorbimento è forte tra 420nm e 485nm)

I caroteni sono pigmenti rosso-arancio fortemente colorati, abbondanti nelle piante, nella frutta, nella verdura e nei cereali integrali.

Conversione del flusso luminoso in radiazione PAR (PPF e PPFD)

Conoscendo i picchi di assorbimento dei pigmenti di clorofilla e carotene per la fotosintesi, è possibile calcolare la radiazione fotosinteticamente attiva PAR (PPF e PPFD) di una sorgente luminosa.

Il flusso luminoso, in lumen, viene convertito in PPF (flusso di fotoni fotosintetici o flusso quantico) con una formula matematica basata sulla distribuzione spettrale di potenza (SPD) della sorgente luminosa. Il risultato sarà un valore in μmol/sec che è rilevante solo per l'SPD utilizzato nel calcolo.

Poiché questa conversione richiede dati dettagliati sulla SPD della sorgente luminosa ogni 5 nm in formato tabellare (tabella excel), il più delle volte i produttori scrivono i valori PPF direttamente nella scheda tecnica. Di seguito sono riportati alcuni esempi di conversione da Lumen a PPF:

Se il valore PPF non è indicato per una sorgente luminosa, i numeri sopra riportati possono essere utilizzati per una conversione, ma con risultati solo approssimativi. Un metodo alternativo per valutare l'efficacia dell'illuminazione per l'orticoltura consiste nel sovrapporre il grafico della distribuzione spettrale della potenza (SPD), disponibile nelle schede tecniche, al grafico dell'assorbimento.

Mentre il PPF (flusso di fotoni fotosintetici) è l'energia totale emessa dalla sorgente luminosa, l'energia effettivamente ricevuta dalle piante è la densità di flusso di fotoni fotosintetici (PPFD) e la sua unità di misura S. I. èµmol/sec/m².

L'illuminamento, in lux, può essere convertito in densità di flusso di fotoni fotosintetici (PPFD) in modo simile, ma con un'importante differenza.

Si tratta di un valore influenzato dalla distanza e dalle proprietà ottiche della sorgente luminosa (angolo di visuale) e viene più spesso misurato sul luogo di installazione, non trovandolo nella scheda tecnica del produttore. Questo approccio è difficile quando l'installazione dell'illuminazione è in fase di progettazione, poiché richiede che gli apparecchi LED siano già in posizione.

Le seguenti tabelle di conversione possono aiutare nella progettazione dell'impianto di illuminazione per orticoltura.

1) Convertire PPF in PPFD.

La tabella seguente mostra una conversione da PPF a PPFD (100 PPF a PPFD) per una sorgente luminosa a LED (striscia LED) con angolo di visione di 120 gradi. È importante notare che i PPFD per metro quadro sono validi per un metro quadro di area di crescita. Se l'area è più grande, i moduli LED, posizionati in ogni metro quadrato, illumineranno i quadrati adiacenti, quindi il valore sarà più alto.

Si consiglia una distanza di 30 cm tra le foglie della pianta e la striscia/modulo LED, in modo che il LED illumini esattamente un metro quadrato di terreno.

2) Convertire PPFD in PPF

Di solito i livelli di luce raccomandati per le piante sono espressi in PPFD. Per questo motivo, la conversione di PPFD in PPF può essere più utile.

Una volta conosciuti i valori di PPF e PPFD per una sorgente luminosa, possiamo procedere alla progettazione del sistema di illuminazione adeguato per la coltivazione di piante indoor.

PPFD consigliati per ortaggi e piante decorative comuni

Il passo successivo per progettare il sistema di illuminazione per orticoltura è quello di ricercare l'intensità luminosa adatta alla fotosintesi per le piante specifiche che si intende coltivare.

Ci sono piante che crescono naturalmente all'ombra, in quanto le loro foglie richiedono basse intensità luminose, e per questo vengono chiamate "piante da ombra". Altre piante crescono al sole con foglie che richiedono un'alta intensità luminosa. Vengono chiamate "piante del sole".

La maggior parte degli ortaggi (angurie, pomodori, cetrioli, meloni...) sono piante da sole, mentre molti fiori (alisso, baby blue eyes, begonia, calendula, fucsia...) sono piante da ombra.

In generale, le piante che crescono a bassa intensità luminosa (piante da ombra) hanno foglie grandi e sottili, mentre le piante che necessitano di un'alta intensità luminosa (piante da sole) hanno foglie spesse.

A seconda di ogni pianta, la fotosintesi inizia apparentemente a un certo livello di luce, chiamato punto di compensazione. Con l'aumentare dell'intensità luminosa aumentano anche la fotosintesi e lo sviluppo della pianta, fino a un punto particolare che viene chiamato "punto di saturazione della luce". Al di là di questo punto, la quantità di luce che colpisce la foglia non causa un aumento del tasso di fotosintesi; si dice che la quantità di luce sta "saturando" il processo fotosintetico.

Il punto di compensazione e il punto di saturazione si scoprono osservando il fenomeno dell'assorbimento e del rilascio di CO². Quando l'intensità luminosa scende al di sotto del punto di compensazione, si osserva un rilascio di^CO2, mentre quando aumenta al di sopra di esso l'assorbimento di CO²aumenta gradualmente fino al punto di saturazione, dove si appiattisce al livello massimo.

Un'intensità luminosa adeguata per un impianto di orticoltura è consigliabile che si trovi nell'intervallo di compensazione - saturazione per le piante coltivate.

Di seguito sono riportati esempi di compensazione, saturazione e valori raccomandati per ortaggi e colture (Letuce, Pomodoro, Cannabis, Peperoncino, Cetriolo...).

Di seguito sono riportati i valori di compensazione, saturazione e raccomandati per le piante ornamentali.

Progettare il sistema di illuminazione LED più efficiente per l'orticoltura

Ad esempio, un impianto di illuminazione tipico per le coltivazioni di insalata e lattuga ha un'intensità luminosa di circa 300-400 µmol/m2/sec. Nei luoghi in cui è necessaria un'intensità luminosa maggiore, come ad esempio le fabbriche di ibridi, è necessaria un'illuminazione supplementare di 100-150 µmol/m2/sec.

Attualmente l'illuminazione a LED rappresenta il modo più efficiente ed economico per illuminare le strutture di coltivazione. Tuttavia, non tutti i sistemi di illuminazione a LED sono uguali.

Di seguito sono riportati gli attributi più importanti che fanno la differenza.

1. Efficacia: PPF/Watt

Il sistema LED deve avere un ottimo rapporto PPF per consumo energetico (PPF). Ad esempio, la nostra striscia LED LumiBar3098+ a 5000K ha 1,82 PPF/Watt, uno dei valori più alti del mercato.

2. Stabilità del colore

Il sistema LED deve avere una variazione minima del colore nel corso della sua vita operativa, altrimenti la sua efficacia nella coltivazione delle piante ne risentirà pesantemente.

In generale, i LED a lunga durata, come quelli prodotti da Nichia, Osram o Cree, hanno un'eccellente stabilità del colore.

3. Selezione del colore

I LED bianchi, come tutti i prodotti fabbricati, presentano variazioni di materiale e di processo che danno origine a prodotti con una corrispondente variazione della tonalità di luce bianca emessa. Ad esempio, i LED bianchi caldi Nichia appena usciti dalla linea di produzione possono avere una temperatura di colore compresa tra 2580K e 4260K. Se venissero integrati direttamente in strisce o luminarie per la crescita delle piante, i risultati sarebbero incoerenti.

Per evitare il problema di cui sopra, i LED devono essere smistati e raggruppati in lotti noti come "Bins di cromaticità". In questo modo è possibile che tutti i LED della striscia o dell'apparecchio abbiano la stessa temperatura di colore dal punto di vista del visibile. A tal fine è necessario un ordinamento MacAdam Ellipse in 3 fasi.

4. Facilità di installazione o sostituzione dei moduli

L'orticoltura fa un uso intensivo del sistema di illuminazione, con un'autonomia giornaliera tipica di 12-16 ore. Per questo motivo i moduli o le strisce devono essere facilmente sostituibili.

Con i progressi della tecnologia, i LED a luce bianca speciale o a spettro completo si sono affermati come le sorgenti luminose più efficienti ed economiche per la crescita delle piante. Le nostre strisce LED a spettro completo/Rsp0a CRI98+ aiutano le piante a crescere fino al 50% in più rispetto alle fonti di luce convenzionali, come i LED bianchi standard, la combinazione di LED rossi e blu o i tubi fluorescenti, consumando meno energia.

Raccomandiamo:

I nostri LED LumiBar con CRI98+ sono disponibili in moduli plug & play facili da installare e conformi allo standard Zhaga. I moduli LumiBar sono dotati di un sistema di alimentazione Plug & Play che consente di collegare i fili senza l'uso di saldatori e sono disponibili in versione a corrente costante per la massima efficienza energetica.

Per la dimmerazione e il controllo della luce tramite Casambi, i driver e il pulsante di controllo consigliati sono:

Se cercate un'opzione più flessibile, prendete in considerazione la nostra striscia LED flessibile LumiFlex3098+ 24VDC, anch'essa facile da installare e controllare.

Per la dimmerazione e il controllo della luce tramite Casambi, i driver e il sistema di controllo consigliati sono:

Con la continua crescita dell'esigenza di un'agricoltura indoor su scala industriale, la comprensione e l'implementazione di sistemi di illuminazione efficienti per l'orticoltura diventano sempre più cruciali. Considerando fattori quali i pigmenti delle piante, la radiazione PAR e gli attributi del sistema LED, è possibile progettare un sistema di illuminazione efficace ed efficiente dal punto di vista energetico per supportare la crescita e lo sviluppo di varie piante. Questo non solo contribuirà ad affrontare le sfide della crescente domanda alimentare, ma promuoverà anche pratiche agricole sostenibili e aiuterà a prevenire carestie e conflitti correlati.

Seguendo queste linee guida e utilizzando i prodotti giusti, sarete sulla buona strada per creare un sistema di illuminazione altamente efficiente ed economico che promuova la crescita ottimale delle piante nel vostro ambiente controllato.