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 la stessa 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 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 nella 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 nella stessa 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.

Esempio pratico

https://www.youtube.com/watch?v=XnIzB_8knLU&t=865s Qui si può vedere un esempio dei calcoli effettuati. La lampada è posta in una struttura di 0,36 m^2 a 11 cm di altezza, e assorbe 81,2 W. La media delle misurazionei di PPFD è 403 µmol/s/m², e moltiplicata per l'area si ottiene un PPF di 145 µmol/s. Dividendolo per la potenza assorbita si ottiene una PPE di 1,78 µmol/J.

Scelta della lampada

Considerazioni sullo spazio occupato

Solitamente, scelta una grow-box, se ne vuole sfruttare appieno lo spazio interno disponibile, occupando interamente l'area orizzontale con le foglie di una singola pianta o con quelle di diverse piante più piccole. Eventuale area orizzontale non occupata da foglie verrà investita da radiazione luminosa, che impatterà sul pavimento della grow-box rappresentando energia sprecata.

Consigli

Come detto più sopra, due parametri importanti da valutare sono la PPE e la distribuzione di PPFD. Un'alta efficienza consentirà di sprecare poca energia elettrica, e una radiazione omogenea consentirà a tutte le parti della pianta (o alle diverse piantine) di crescere uniformemente.

2 µmol/J è un buon valore di PPE per gli standard attuali.

È sconsigliato superare localmente un PPFD di 1000 µmol/s/m², se privi di un sistema di apporto di CO2 addizionale. È sconsigliato anche avere valori di PPFD locali sotto 500 µmol/s/m², per evitare l'elongazione e il conseguente indebolimento di steli della pianta.

Prove indipendenti dalle aziende costruttrici aiutano a valutare i prodotti in questione. Il canale YouTube MIGRO è fonte di numerose prove di lampade LED, che è bene guardare per farsi un'idea delle caratteristiche della lampada da acquistare. Caratteristiche come la PPE raggiunta ad una certa altezza in una determinata grow-box, e la distribuzione del PPFD sull'area coperta.

Per esempio qui https://www.youtube.com/watch?v=BH6HIPzK5Mo&t=300s possiamo vedere una MARS HYDRO TS 1000 appesa a 30 cm di altezza in una 75 cm * 75 cm. Assorbe 145 W con una efficienza di 1,96 µmol/J. La distribuzione della radiazione luminosa non è ottimale, perchè è debole verso i lati. È quindi più appropiato impiegarla in una 60 cm * 60 cm, con un conseguente leggero calo di efficienza ma aumento di uniformità di radiazione.

Ad oggi i LED per orticoltura più efficienti sono i Samsung LM301, con nessuna differenza tra LM301H e LM301B. Questi producono luce bianca. Una temperatura di colore di 3500 K è un buon compromesso per tutto il ciclo vitale della pianta. Solitamente, lampade che usano questi chip raggiungono e superano una PPE di 2 µmol/J.

Sono da evitare lampade con LED di soli colori blu e rosso, perchè solitamente poco efficienti.

Per una grow-box di 60 cm * 60 cm è consigliata una lampada con potenza assorbita da 100 W a 150 W.

Grow Light Calculator - Coco For Cannabis - Calcolatrice con dati di PPFD misurati di diverse lampade, permette anche di inserire i propri e confrontare

https://www.youtube.com/channel/UCSZwj4zGhH1yklVFxS54qdA Canale YouTube MIGRO