Un futuro a LED nell’illuminazione per orticoltura

L'illuminazione per orticoltura è oggigiorno uno dei settori a più rapida crescita dell'industria dell'illuminazione a LED. Il valore di questo comparto è stato stimato pari a 690 milioni di dollari (fonte LEDInside), cifra che dovrebbe aumentare a qualche miliardo di dollari nei prossimi anni.

Introduzione

La dinamica alla base di questa crescita è la possibilità offerta dall'illuminazione per orticoltura di migliorare le rese dei raccolti. L'illuminazione artificiale di ambienti interni consente di avere più stagioni vegetative o addirittura garantire la produzione agricola per tutto l'anno. Quando si utilizzano i LED, le lunghezze d'onda dei sistemi di illuminazione per orticoltura possono essere regolate con precisione con l'obiettivo di  fornire quelle più adatte per favorire la crescita della pianta o aumentarne il contenuto nutrizionale. Tutto ciò implica un aumento del guadagno del coltivatore, rendendo quindi l'illuminazione a stato solido per orticoltura la scelta più ovvia per le applicazioni agricole all'avanguardia. Senza dimenticare che questo tipo di illuminazione offre un mezzo per affrontare un problema, quello della carenza di cibo, che potrebbe presentarsi in un futuro non troppo lontano.

La necessità dell'illuminazione per orticoltura

Per migliaia di anni l'umanità ha fatto affidamento sul sole come fonte di luce per l'agricoltura ma, è risaputo, la luce naturale presenta alcuni svantaggi. Innanzitutto la stagionalità, con un numero di ore di luce minore in inverno e maggiore in estate. I raccolti all'aperto, inoltre, sono soggetti ai "capricci" del tempo, freddo e gelo in inverno e caldo anche molto intenso in estate, mentre il pericolo di tempeste e fenomeni metereologici estremi che possono rovinare i raccolti nel giro di una notte è sempre in agguato.

La mancanza di prevedibilità, un problema che affligge la tradizionale agricoltura all'aperto, ha comportato un aumento delle tecniche di coltivazione indoor (in serre o in ambienti chiusi). Le serre consentono agli agricoltori di controllare le condizioni ambientali (compresa temperatura e umidità) sfruttando nel contempo i vantaggi della luce naturale. Recentemente si sono sviluppate le coltivazioni verticali (vertical farming) che, pur non facendo ricorso all'illuminazione naturale, consentono una produzione agricola ad alta densità in ambienti urbani e il controllo preciso di tutti gli aspetti che influenzano le condizioni di crescita delle piante.

L'illuminazione per orticoltura può essere utilizzata per entrambi questi tipi di coltivazione indoor. Nel caso delle serre, essa può essere integrata con l'illuminazione naturale. Gli agricoltori possono anticipare l'avvio del ciclo vegetativo, in modo da poter fare più raccolti nel corso dell'anno. Nel caso delle coltivazioni verticali l'illuminazione artificiale è l'unica opzione disponibile. Grazie al completo controllo dell'illuminazione, i coltivatori possono monitorare l'intero ciclo vegetativo, nonché regolare con precisione o persino accelerare le varie fase della crescita di una pianta.

I cambiamenti della tecnologia di base

Nel settore delle luci per coltivazione, le lampade HPS (High Pressure Sodium - ai vapori di sodio ad alta pressione) sono state, tradizionalmente, la sorgente di illuminazione più ampiamente utilizzata grazie all'efficienza, relativamente elevata, e all'ampio intervallo di lunghezze d'onda. Lo spettro di emissione luminosa delle lampade HPS, ricco di toni gialli, rossi e rosso lontano, favorisce la fase di fioritura. Caratterizzate da un'efficienza luminosa superiore a 100 lumen/Watt, queste lampade hanno superato di gran lunga le soluzione basate su lampade a incandescenza, a fluorescenza e anche quelle a LED più datate. Negli ultimi anni, comunque, l'industria ha adottato in misura sempre maggiore le alternative a stato solido. Ciò è dovuto essenzialmente alla maggiore efficienza energetica e al miglior controllo sulla qualità e distribuzione dell'illuminazione associati all'uso dei dispositivi a LED.

A questo punto è importante sottolineare che le esigenze dell'illuminazione per orticoltura sono molto diverse da quelle dell'illuminazione di tipo tradizionale. Mentre quest'ultima è ottimizzata per l'occhio umano, l'illuminazione per orticoltura deve essere finalizzata all'ottimizzazione della crescita delle piante. La luce nelle lunghezze d'onda utilizzate nell'orticoltura è denominata PAR (Photosynthetically Active Radiation - radiazione fotosinteticamente attiva) ed è compreso tra 400 e 700 nm. La radiazione PAR è misurata in Watt/m2 e non in lumen/Watt.

Poichè la luce al di fuori della gamma PAR è sprecata in quanto non può venire utilizzata per l'orticoltura, la capacità dei LED di emettere lunghezze d'onda fotosinteticamente attive si traduce nel fatto che questi ultimi risultano più efficienti nel facilitare la crescita delle piante rispetto alle sorgenti di illuminazione HPS. Le alternative basate su LED delle lampade HPS, come le  luci per coltivazione ad alta potenza di Plessey, garantiscono un risparmio energetico pari al 40% rispetto alle lampade per coltivazione tradizionali.

L'illuminazione a LED, inoltre, assicura un maggior controllo di parametri come qualità dell'illuminazione, uscita spettrale, direzionalità e diffusione rispetto alle sorgenti di illuminazione di tipo HPS. Mentre le lampade HPS emettono la luce in tutte le direzioni, le sorgenti di illuminazione a LED possono emettere luce in modo più mirato. L'illuminazione è di solito emessa a 180° e il fascio può quindi essere focalizzato o diffuso in funzione dell'angolo e della distribuzione desiderati utilizzando ottiche LED appropriate.

Grazie al controllo della diffusione del fascio, l'illuminazione può essere concentrata solamente sulla pianta (o piante) desiderata(e) così da evitare uno spreco di luce. Oltre a ciò, un'oculata scelta dell'illuminazione a LED e delle relative ottiche  può consentire ai coltivatori di regolare nel tempo l'uscita spettrale dell'illuminazione. Poiché le differenti fasi del ciclo di crescita di una pianta possono essere stimolate da particolari lunghezze d'onda, l'uscita spettrale può essere scelta in modo da accentuare la crescita durante ciascuna fase.

I LED consentono inoltre di regolare l'intensità luminosa (dimming) in maniera accurata, garantendo così un controllo preciso dell'uscita luminosa. La luminosità può quindi essere adattata in modo tale da fornire la quantità esatta di luce necessaria per un periodo preciso della fase di crescita di una pianta. Ciò non solo consente di risparmiare energia, ma anche di ridurre il calore in eccesso che altrimenti sarebbe generato, che si traduce in una diminuzione dei consumi di acqua e in un aumento della durata operativa. A fronte di una durata pari a 24.000 ore delle lampade HPS, i LED garantiscono un funzionamento per un periodo più lungo, solitamente compreso tra 35.000 e 100.000 ore. Forse ancora più importante è il fatto che con il passare del tempo la luce emessa dalle lampade HPS  si sposterà verso la gamma cromatica verde/giallo scarsamente utilizzata dalle piante. Ciò significa che potrebbe rendersi necessaria la loro sostituzione di queste lampade anche prima della loro durata prevista al fine di mantenere una qualità adeguata dell'illuminazione. L'illuminazione a LED, per contro, garantisce una coerenza spettrale molto maggiore al trascorrere del tempo. In virtù di questa caratteristica, abbinata alla possibilità di integrare i LED in strutture robuste con grado di protezione IP67 (quindi impermeabili alle infiltrazioni d'acqua e alla polvere), i LED si propongono come una soluzione per l'illuminazione in orticoltura che richiede poca manutenzione e garantisce una lunga vita operativa.

 

Figura 1: Moduli per l'illuminazione in orticoltura della serie Hyperion di Plessey

 

Illuminazione per le serre

Le serre consentono agli agricoltori di controllare le condizioni ambientali sfruttando nel contempo i vantaggi della luce solare disponibile. Insetti nocivi o condizioni ambientali avverse non rappresentano un problema, mentre umidità e temperatura posso essere monitorate con precisione. Grazie all'aggiunta dell'illuminazione per orticoltura, il ciclo vegetativo può essere esteso per tutto l'anno. Oltre a ciò, la luce a LED emessa a lunghezze d'onda mirate può essere utilizzata per integrare la luce solare naturale e stimolare alcune fasi del ciclo di crescita di una pianta (ad esempio per favorire la crescita del fusto o far crescere le rose in maniera più compatta per ragioni estetiche).

Nel caso di una serra, l'illuminazione è composta da strutture a LED sospese in alto (high bay) utilizzate in sostituzione della luce diurna (in questo caso riproducono lo spettro completo) oppure in grado di emettere solo lunghezze d'onda mirate (per migliorare qualità e resa dei raccolti). In una dimostrazione che si è tenuta nei Paesi Bassi, l'utilizzo dei moduli Hyperion di Plessey operanti nella banda PAR ha consentito di ottenere rese superiori al 35% rispetto a quelle fatte registrare dai sistemi di illuminazione per orticoltura tradizionali basati su lampade HPS.

 

Figura 2: Le soluzioni di illuminazione per orticoltura LUXEON SunPlus di Lumileds

Illuminazione per le coltivazioni verticali

Con le tecniche di "vertical farming" è possibile ottenere un'elevata densità di raccolti in luoghi vicini, se non addirittura all'interno, dei centri urbani, a tutto vantaggio dei costi di trasporto e della freschezza dei prodotti. In questo caso, schiere di piante sono impilate una sopra l'altra in modo da ottimizzare lo sfruttamento dello spazio disponibile. Le coltivazioni verticali, ovviamente, non possono sfruttare la luce solare per cui l'illuminazione è completamente a carico delle luci artificiali. Le strutture di illuminazione per questo tipo di illuminazione sono di solito più piccole, consentendo in tal modo un controllo ancora più accurato della luce ricevuta da ciascuna pianta. Poichè questo tipo di luce non integra, ma sostituisce "in toto" la luce solare, l'intensità luminosa deve essere di gran lunga superiore rispetto a quella dell'illuminazione utilizzata per le serre. L'efficienza energetica è un fattore critico, così come le prestazioni di natura termica: poichè l'illuminazione è più intensa, il calore prodotto è maggiore, con effetti potenzialmente negativi sulla crescita delle piante.

Nelle coltivazioni verticali le lunghezze d'onde mirate sono persino più efficienti rispetto a quelle dell'illuminazione per serre, perchè in questo caso c'è un completo controllo delle condizioni di illuminazione. I LED per orticoltura come ad esempio quelli della serie LUXEON HYPERLINK "https://eu.mouser.com/new/lumileds/lumileds-luxeon-sunplus-led/"SunPlus di Lumileds sono disponibili in versioni con spettri specifici in grado di ottimizzare la fotosintesi o risolvere il problema del fotoperiodismo (la risposta delle piante alle variazioni stagionali della luce). Uno  studio HYPERLINK "https://eu.mouser.com/pdfdocs/Lumileds_LUXEON_SunPlus_Whitepaper.pdf"condotto con questiHYPERLINK "https://eu.mouser.com/pdfdocs/Lumileds_LUXEON_SunPlus_Whitepaper.pdf"HYPERLINK "https://eu.mouser.com/pdfdocs/Lumileds_LUXEON_SunPlus_Whitepaper.pdf"HYPERLINK "https://eu.mouser.com/pdfdocs/Lumileds_LUXEON_SunPlus_Whitepaper.pdf" LED ha evidenziato che lunghezze d'onda mirate possono portare a un aumento della resa dei raccolti e a un contemporanea miglioramento del profilo nutrizionale. Rispetto all'illuminazione RGB, i LED SunPlus verde lime+viola e verde+viola sono stati in grado di migliorare le rese e aumentare le concentrazioni di antociani e carotenoidi.

Illuminare il cibo del futuro

L'illuminazione per orticoltura sta contribuendo a modernizzare sia l'agricoltura tradizionale sia l'orticoltura stessa. Grazie a essa è possibile aumentare la resa dei raccolti, migliorare la qualità dei prodotti e consentire una produzione continua. Si tratta anche di un elemento chiave per favorire l'uso di nuovi metodi di coltivazione. Mentre l'illuminazione basata su lampade HPS è stata la tecnologia dominante in passato, lo scenario è ora mutato e i LED, grazie a caratteristiche quali maggior efficienza energetica, migliori prestazioni termiche e possibilità di fornire uscite spettrali mirate capaci di garantire un controllo preciso e stimolare la crescita delle piante, si stanno imponendo come la soluzione di riferimento per il futuro.

 

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics - Distributore Autorizzato

 

 

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