Luci LED per coltivazione

Principi di funzionamento

Una fonte luminosa che assorbe elettricità, produce calore e radiazione luminosa. La radiazione luminosa prodotta investe diversi oggetti, di cui solo una parte è superficie fogliare della pianta che si vuole coltivare.

Il calore prodotto è spesso, ma non sempre, indesiderato, quindi lo si vuole minimizzare. La radiazione luminosa, in particolare la parte di essa che prende parte alla fotosintesi, è invece quella che si vuole massimizzare.

È stata per decenni opinione scientifica comune che la radiazione luminosa fotosinteticamente attiva sia la porzione compresa tra le lunghezze d'onda 400 nm e 700 nm. In realtà, a seconda della specie botanica e di altre variabili, l'intervallo di lunghezze d'onda che concorrono alla fotosintesi si amplia.

Caratteristiche del sistema

Si può misurare la radiazione totale che emette una fonte luminosa eseguendo rilevazioni in maniera diretta in tutto lo spazio che la circonda. Il dato che si ottiene non è però utile per valutare un impiego all'interno di una struttura chiusa.

Bisogna quindi adottare una configurazione reale, ponendo la lampada dentro una struttura con pareti verticali riflettenti (grow-box), sospendendola ad una certa altezza sopra la superficie piana sulla quale si effettueranno i rilevamenti.

È prassi in agronomia valutare l'intensità della radiazione luminosa misurando la quantià di fotoni, tuttora considerando solo quelli con l'unghezza d'onda compresa tra 400 nm e 700 nm.

Questo è un esempio di sensore utilizzato https://www.apogeeinstruments.com/sq-500-ss-full-spectrum-quantum-sensor/.

Grandezze fisiche

A [m²]

Area della superficie in esame, sulla quale si effettuano i rilevamenti..

P [W]

Potenza elettrica assorbita dalla fonte luminosa.

PPF [µmol/s]

Photosynthetic photon flux, flusso di fotoni fotosintetici. È la quantità di fotoni impattanti sulla superficie in esame nel tempo.

Questa grandezza è correlata con la potenza elettrica assorbita.

PPFD [µmol/s/m²]

Photosynthetic photon flux density, densità del flusso di fotoni fotosintetici. È la quantità di fotoni impattanti sulla superficie nel tempo, in rapporto all'area della superficie.

È il dato che viene misurato dallo strumento.

PPE [µmol/s/W]=[µmol/J]

Photosynthetic photon efficiency, efficienza dei fotoni fotosintetici. Esprime l'efficienza della conversione di potenza elettrica in flusso di elettroni impattante la superficie in esame.

Questa grandezza esprime sia la capacità che ha la sorgente luminosa di convertire elettricità in radiazione, sia la bontà del sistema di convogliare questa radiazione sulla superficie in esame.

Considerazioni

L'efficienza è sicuramente un valore importante. Più essa è alta, meno elettricità sarà sprecata nella produzione di calore.

Altra cosa importante è la distribuzione di PPFD. È bene che sia uniforme, e che i valori non siano troppo alti né troppo bassi.

Se si provano diverse lampade, ponendo ognuna all'altezza ottimale per la distribuzione di PPFD, ovviamente utilizzando sempre lo stesso grow box, il valore di PPE è un ottimo indicatore per confrontarle tra loro.

Valutazione della lampada

Calcolo dell'efficienza

Dal momento che il valore di PPFD non è costante sulla superficie in esame, bisogna effettuare un numero finito di rilevamenti. Più questo numero sarà alto, più la misurazione sarà precisa.

  • Si divide la superficie in un numero di sottosuperfici più piccole, tutte di area uguale tra loro. Al centro di ognuna di esse si effettua la misurazione di PPFD.
  • Si effettua la media di tutte le misurazioni di PPFD. Così facendo si ottiene il valore medio di PPFD per l'intera superficie in esame.
  • Si moltiplica il valore medio di PPFD per l'area A dell'intera superficie in esame. Così facendo si ottiene il valore di PPF che impatta la superficie in esame.
  • Si divide il valore di PPF per la potenza elettrica assorbita P, ottenedo il valore di PPE del sistema.

Considerazioni sull'efficienza

Il valore di PPE così calcolato si basa sulla radiazione luminosa incidente sulla superficie in esame, che è la base di un parallepipedo, i cui lati sono rilfettenti. Riflettendo sulle pareti, la radiazione perde intensità.

In base a ciò si capisce che, a parità di fonte luminosa, se si varia la quantià di radiazione che riflette sulle pareti varierà anche il valore di efficienza ottenuto.

Per esempio, se si posiziona la stessa lampada alla stessa altezza in due grow-box di dimensioni differenti, si otterrano valori di efficienza differenti. La configurazione più efficiente si avrà nel grow-box che copre l'area maggiore, perchè una quantià minore di radiazione colpirà le pareti, quindi una quantià minore di energia andrà persa. I valori di PPFD però diminuiranno, perchè la radiazione sarà distribuita su una superficie maggiore.

Oppure, se la stessa lampada viene posizionata ad altezze differenti nello stesso grow-box, si otterrano valori di efficienza differenti. L'efficienza sarà tanto più alta tanto più bassa sarà posizionata la lampada, sempre perchè una quantià minore di radiazione colpirà le pareti.