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Come ottimizzare l'illuminoteca a LED per la coltivazione al chiuso

Di Barry Manz

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Il settore della coltivazione al chiuso sfrutta sempre più i numerosi vantaggi dell'illuminazione a LED, e per una buona ragione. I LED sono molto piccoli e leggeri, durano almeno 10 volte più a lungo di qualsiasi altra sorgente luminosa, assorbono pochissima corrente, sono molto efficienti, possono produrre lunghezze d'onda spettrali diverse e sono compatibili con i sistemi di controllo digitali. Progettare un sistema di illuminazione a LED e ottimizzarne le prestazioni è però un'impresa complessa perché richiede che si presti attenzione a molte più metriche rispetto ai più semplici sistemi precedenti, come le lampade al sodio ad alta pressione (HPS).

Questo articolo descrive il ruolo dei LED per la coltivazione al chiuso, ne illustra le sfide e dà consigli sul loro impiego. Fornisce inoltre esempi di LED e dei relativi componenti per applicazioni destinate alla coltivazione al chiuso tratti da società come OSRAM, Luminous Devices, Würth Elektronik, ams, RayVio e Microchip Technology. Infine, presenta i recenti sviluppi che interessano l'utilizzo dello spettro UV e altri requisiti per ottimizzare i sistemi di illuminazione a LED.

La crescita dell'ecosistema della coltivazione con illuminazione a LED

L'enorme portata del mercato dell'illuminazione consumer ha fornito l'incentivo per accelerarne lo sviluppo e poter così passare da sorgenti luminose HPS e di altro tipo ai LED per la coltivazione al chiuso. Tutto questo ha portato a una grande varietà di LED dalle prestazioni affidabili e dal costo decisamente più basso. Ad esempio, il modello GH CS8PM1.24-4T2U-1 di OSRAM è centrato sullo spettro da 646 a 666 nm (rosso), ha una potenza radiante di 425 mW con un'efficienza del 59% e un angolo di irraggiamento di 80°.

Il modello SST-10-B di Luminous Devices è centrato su una lunghezza d'onda di 450 nm (blu) e ha una potenza radiante di 510 mW con un'efficienza del 57%. L'angolo radiante può essere di 90° o di 130°. I LED per orticoltura di Würth Elektronik includono il modello 150353GS74500 a 525 nm (verde) che ha un angolo radiante di 125°. Questi e altri produttori offrono LED anche ad altre lunghezze d'onda per le aziende agricole indoor che coprono l'intero spettro richiesto per la coltivazione (Figura 1).

Grafico degli spettri di assorbimento dei pigmenti utilizzati per la fotosintesiFigura 1: Gli spettri di assorbimento dei pigmenti utilizzati per la fotosintesi vanno da circa 400 a 700 nm. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

La coltivazione delle piante al chiuso interessa molteplici discipline scientifiche, dalla botanica alla scienza delle piante e del suolo, alla gestione delle colture, e ora anche ai sistemi di monitoraggio e controllo elettronici. Introdurre una nuova sorgente luminosa in questo ambiente è impegnativo e gratificante allo stesso tempo, perché le nuove scoperte procedono a un ritmo sostenuto. In condizioni di illuminazione a LED per interni ottimali, si possono ottenere risultati davvero sorprendenti.

Un esempio che viene ricordato spesso è la coltivazione verticale di lattuga dell'azienda Mirai nella città giapponese di Tagajo (Figura 2). In questo impianto di 2320 m2, realizzato nelle camere bianche di un ex fabbrica Sony, dal 2015 Mirai raccoglie ogni giorno migliaia di cespi di lattuga e di altre piante. Questa produzione, che non fa uso di pesticidi, consuma 1/50 di acqua e ha il 40% in meno di scarti, avviene in un ambiente privo di batteri con l'ausilio di 17.500 LED.

Immagine della vertical farm MiraiFigura 2: Mirai è la seconda più grande vertical farm al mondo e una delle prime a divenire operativa. (Immagine per gentile concessione di National Geographic)

Con la versatilità arrivano le sfide

Forse per un'ironia della sorte, la versatilità dei LED - che è uno dei loro peculiari e grandi vantaggi per la coltivazione al chiuso - complica però la realizzazione di un'azienda agricola indoor basata su questo tipo di illuminazione. Ad esempio, sono dimmerabili, per cui i loro driver devono includere questa capacità. Inoltre, per raggiungere le lunghezze d'onda idonee per le varie piante occorre conoscere le specifiche più complesse dei LED.

Essendo dispositivi a stato solido, diversamente da una "lampadina" i LED richiedono attenzione a fattori come una protezione contro i sovraccarichi affidabile e a intervento rapido, l'abbinamento preciso del diodo al circuito di controllo, e altro ancora. Fortunatamente, la rapida crescita dell'orticoltura, in particolare del vertical farming, ha incentivato i produttori di componenti per l'illuminazione a sviluppare interi ecosistemi dedicati a questa applicazione, inclusi progetti di riferimento, schede di valutazione e letteratura tecnica dai principi di base a quelli più avanzati, che semplificano enormemente il lavoro del progettista.

Alcuni agricoltori credono, a torto, che i LED producano meno calore dei sistemi HPS, ma questo è vero solo se usano una potenza inferiore. Ovvero, una lampada LED da 600 watt e una sorgente luminosa HPS da 600 watt producono circa la stessa quantità di calore. La differenza tra le due sta nella quantità di energia luminosa prodotta e nel modo in cui il calore viene irradiato dal dispositivo.

Il calore delle sorgenti luminose HPS può raggiungere i 426 °C e si irradia verso la pianta, mentre quello dei LED rimane nel punto della scheda in cui sono montati il diodo e la sua elettronica e non è concentrato sulla pianta. Questo è uno dei motivi principali per cui, per il vertical farming, i LED sono di gran lunga superiori alle lampade HPS, potendo essere posizionati molto vicino alle piante senza causare danni.

Alla luce di quanto sopra, sarebbe logico scegliere dei LED a bassa potenza e, per le applicazioni a più livelli ravvicinati, di solito è ciò che accade. Tuttavia, la maggior parte dei LED a bassa potenza hanno un angolo di irraggiamento fisso, mentre i LED ad alta potenza sono disponibili con angoli da 80 a 150 gradi. Inoltre, per raggiungere le prestazioni di un LED ad alta potenza serviranno molti più LED a bassa potenza. I LED ad alta potenza sono spesso più idonei per applicazioni coperte in cui la loro maggiore potenza può fornire un'ampia copertura a distanza.

Rimane però il problema del calore che generano, che deve essere rimosso rapidamente dalla scheda attraverso un sistema di gestione termica. In caso contrario, la loro durata si ridurrà significativamente e non è raro che si verifichi un guasto completo. I principali metodi di raffreddamento sono costituiti da apparecchi passivi con dissipatori di calore e da apparecchi raffreddati attivamente tramite ventole o acqua. Questi ultimi consumano energia ed essendo dei dispositivi meccanici possono guastarsi, il che porterebbe al surriscaldamento dei LED.

Ottimizzare la vita utile

La vita utile dei LED specificata dal produttore è di almeno 20.000 ore e spesso può arrivare fino a 50.000 ore. La sua fine inoltre è definita come una riduzione del 70% della luminosità rispetto al valore originale. L'obiettivo del progettista di un sistema di illuminazione a LED è quello di garantire che i LED raggiungano la loro vita nominale, mantenendo al contempo la massima potenza di uscita nel tempo, stabilizzandone la tensione e la corrente di ingresso. Questo è il compito dell'alimentatore, in particolare del driver LED che acquisisce continuamente i dati dai sensori di temperatura ed esegue regolazioni per mantenere prestazioni ottimali. Oltre a queste capacità, è auspicabile misurare in tempo reale la luminosità delle sorgenti luminose, trasmettendo anche in questo caso le informazioni al driver. I sensori spettrali sono il mezzo più economico e meno complesso per raggiungere questo obiettivo.

Ad esempio, ams fornisce una famiglia di sensori spettrali che misurano l'effettivo profilo spettrale dei LED in tempo reale e controllano direttamente un driver LED per regolare l'uscita finché non corrisponde ai valori target specificati per cromaticità e intensità. Il modello AS7263-BLGT ha sei filtri ottici indipendenti la cui risposta spettrale è commisurata per un intervallo compreso tra 600 e 870 nm (Figura 3), mentre AS7262-BLGT copre quello tra 450 e 650 nm. Assieme, offrono la possibilità di monitorare con precisione i singoli LED all'interno di un apparecchio o direttamente a livello di impianto. Le comunicazioni vengono fornite con messaggi di testo tramite UART o tramite I²C. Collettivamente questi sensori, oltre ad altre funzionalità, consentono di ottimizzare la vita utile dei LED, di analizzare l'andamento e di effettuare altre analisi.

Schema del sensore di luce AS7263-BLGT di amsFigura 3: Il sensore di luce AS7263-BLGT è sensibile a lunghezze d'onda tra 450 e 650 nm. Appartiene alla famiglia di sensori spettrali che misurano il profilo spettrale dei LED in tempo reale e controllano direttamente un driver LED per regolarne l'uscita finché non corrisponde ai valori target specificati per cromaticità e intensità. (Immagine per gentile concessione di ams)

Protezione del circuito

La maggior parte delle applicazioni richiede che le stringhe di LED siano alimentate a corrente costante. Se le stringhe sono lunghe questa progettazione può essere impegnativa. La protezione dei circuiti si basa su più componenti all'interno del sistema di controllo perché l'intero circuito di controllo deve essere protetto dai transitori, a partire dai LED fino ai componenti passivi e attivi. Il dispositivo principale di protezione dalle sovratensioni è un varistore in ossido di metallo (MOV) posto sull'ingresso c.a. che assicura un livello elevato di soppressione della tensione transitoria, oltre a ridurre le sollecitazioni causate dagli effetti di onde oscillatorie "ring wave". Assorbirà l'energia potenzialmente distruttiva e la dissiperà sotto forma di calore, contribuendo a proteggere i componenti. Un circuito di pilotaggio di stringhe di LED comprende in genere anche un resistore con coefficiente di temperatura positivo (PTC) che protegge i LED da sovracorrente e sovratemperatura e un diodo parallelo di soppressione di tensioni transitorie (TVS) per la protezione da sovratensione. Il circuito raddrizzatore di linea deve includere un fusibile c.c. ad alta tensione sull'uscita per la protezione secondaria. Per evitare un runaway termico, è inoltre consigliabile aggiungere un fusibile ripristinabile in serie con il LED.

Occorre poi considerare che, per favorire la crescita delle piante, l'agricoltura indoor richiede in genere temperature ambientali relativamente alte e un'elevata umidità, quindi il sistema di illuminazione deve essere in grado di funzionare in queste condizioni ambientali. Inoltre, a differenza dei dispositivi utilizzati in altre applicazioni che rimangono sempre nello stesso posto per tutta la loro vita utile, nelle aziende agricole verticali sono progettati per essere alzati, abbassati o riposizionati per ottimizzare la crescita delle piante. Questo incide sui requisiti di cablaggio che sono dettagliati in UL 8000.

Considerazioni sui driver

Esistono due tipi principali di driver: quelli che utilizzano potenza in ingresso c.c. a bassa tensione e quelli che utilizzano alimentazione c.a. ad alta tensione. Ad esempio, CL88030-E/MF di Microchip Technology è studiato per pilotare una lunga stringa di LED a bassa corrente direttamente da 120, 230 o 277 Vc.a.. Una tipica applicazione include il CI di pilotaggio, quattro FET di potenza, quattro resistori, due condensatori e un raddrizzatore a ponte. La protezione da sovratemperatura viene fornita per ridurre gradualmente l'emissione luminosa con l'aumentare della temperatura, oltre che per la regolazione della linea. Un'ulteriore protezione da sovratemperatura può essere assicurata con un termistore NTC (Figura 4).

Schema del driver lineare sequenziale del modello CL88030-E/MF di Microchip TechnologyFigura 4: Il circuito di un'applicazione per il driver lineare sequenziale modello CL88030-E/MF di Microchip Technology mostra il dispositivo e un circuito di protezione che utilizza un MOV. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Il numero di LED che possono essere disposti in serie dipende dal driver, dalla tensione di ingresso, dai codici elettrici e dagli standard di sicurezza. I vantaggi del posizionamento dei LED in un'unica catena in serie sono un flusso di corrente uguale attraverso ognuno di essi e la necessità di un solo driver. Tuttavia, questo comporta un'alta tensione di uscita e quindi componenti circuitali più grandi, nonché il rispetto eventuale di ulteriori standard di sicurezza.

Un array in serie-parallelo ha una tensione di ingresso inferiore e riduce la possibilità di scosse elettriche. Se una diramazione di LED si guasta, le altre continueranno a funzionare e il guasto di un LED non disabiliterà l'intero array. Ciò detto, il driver è una sorgente di corrente costante, per cui spingerà più corrente nei dispositivi operativi, con possibilità di surriscaldamento. Inoltre, l'array in serie-parallelo non consente ai LED di condividere in modo uguale la corrente di comando, a meno che le loro tensioni dirette non siano molto simili.

Alcuni di questi problemi possono essere contrastati utilizzando driver per ogni stringa di LED. Questa soluzione offre la massima affidabilità, ma fa salire i costi e aumenta le dimensioni. Consente però di ottenere una certa emissione luminosa anche se si dovessero guastare più stringhe di LED.

Il problema dell'illuminazione UV

In ambito accademico e industriale si continua a discutere molto delle possibilità di utilizzare i LED nella parte non visibile degli ultravioletti "B" (UV-B) dello spettro tra 280 e 385 nm per la coltivazione delle piante. La luce UV è stata ritenuta, in genere, meno interessante per l'agricoltura indoor perché è al di fuori delle lunghezze d'onda fotosinteticamente attive. Di conseguenza, fino a una quindicina di anni fa, si facevano pochissime ricerche sull'argomento.

Un altro fattore che ha limitato l'interesse per questa regione spettrale è la sicurezza: è noto che i fotoni UV-B provocano danni alle cellule sia dell'uomo che delle piante. Infatti, i produttori di apparecchi di illuminazione adottano diverse misure per ridurre drasticamente la luce UV emessa dai loro dispositivi. Quindi, l'impiego dei raggi UV nell'agricoltura indoor richiederebbe ampie misure di protezione per tutti coloro che vi lavorano.

Ciò che ha attirato l'interesse del settore dell'agricoltura verticale e dell'agricoltura in generale è la reazione delle piante alla luce UV-B, ovvero l'attivazione di meccanismi di difesa per proteggersi da queste lunghezze d'onda. Studi dimostrano che alcune piante possono produrre 15 diverse proteine di difesa, se esposte ai raggi UV-B. A differenza dell'uso di altre lunghezze d'onda, alcune di queste proteine influenzano il profumo, il colore, il gusto e la resistenza alle malattie di una pianta.

Su questo tema controverso è nato un vivo interesse quando nei primi anni 2000 venne scoperto il fotorecettore specifico per gli UV-B (UVR8), successivamente caratterizzato nel 2011. I meccanismi attraverso i quali l'UVR8 regola l'espressione genica sono ancora un po' nebulosi, né si sa come funziona il percorso dell'UVR8 e come interagisce con altri percorsi sotto il controllo di altri fotorecettori.

Tuttavia, alla letteratura non sono sfuggiti i potenziali benefici della luce UV-B: ridotta crescita dell'estensione, maggiore spessore e cerosità delle foglie, maggiore colorazione delle foglie nella lattuga rossa e in altre piante, elevata resistenza agli agenti patogeni e agli insetti, raddoppio della durata di conservazione, maggiore produzione di antiossidanti e flavonoidi benefici e miglioramento del valore nutrizionale di frutta e verdura.

Restano però da condurre molte altre ricerche per stabilire se tutti questi presunti benefici siano reali o meno e se l'uso dell'illuminazione UV-B per la coltivazione al chiuso valga l'ingente investimento in tempo, attrezzature e formazione per garantire la sicurezza. Nel frattempo, sono disponibili LED UV destinati ad altre applicazioni, come la starboard a LED UV modello RVXR-280-SB-073105 di RayVio con una lunghezza d'onda spettrale di 280 nm.

Conclusione

La flessibilità offerta dai LED comporta sfide che vanno ben oltre quelle delle strutture che utilizzano sorgenti luminose relativamente semplici come l'HPS. Cionondimeno, la capacità di coltivare più piante in meno spazio, senza bisogno di prodotti chimici, utilizzando molto meno terreno (o facendone completamente a meno), aumentando però il valore nutrizionale degli ortaggi e migliorando la fioritura delle piante è estremamente allettante. Di conseguenza, l'industria dei componenti per l'illuminazione e dei semiconduttori sta semplificando l'applicazione dell'illuminazione a LED con soluzioni ben supportate, migliorando allo stesso tempo la tecnologia pertinente.

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Informazioni su questo autore

Barry Manz

Fondatore di Manz Communications, Barry Manz parla e scrive di elettronica da oltre 27 anni. Redige articoli e ogni altro tipo di contenuto editoriale per generare visibilità alle aziende che desiderino trasmettere un messaggio altamente tecnico. I servizi includono opinioni tecniche relative ai prodotti e articoli di tipo applicativo, schede tecniche, brochure e altri materiali, nonché cataloghi.

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