La rivista di settore PCB Magazine ha dedicato a Universal Science, attraverso le parole del giornalista Dario Gozzi, un approfondimento nel numero di gennaio/febbraio 2022. Per l’occasione il focus della rivista è su una delle aree applicative maggiormente in ascesa negli ultimi anni: i LED per orticoltura, uno dei tanti campi di specializzazione di Universal Science, sono infatti uno dei trend topic del settore dell’illuminazione.

IL LED ENTRA IN SERRA

di Dario Gozzi

Le caratteristiche dello spettro di emissione dei LED,  e il risparmio energetico che consentono, sono al centro dell’attenzione nel settore agricolo e in particolare dell’orticoltura. È  singolare il vantaggio di poter controllare lo spettro luminoso che rende straordinariamente interessante l’impiego dell’illuminazione a LED.

Introduzione ai LED per orticoltura

In orticoltura non è importante solo migliorare la crescita delle piante e la loro resa, ma anche controllare la velocità di crescita, controllare la produzione dei frutti e la loro qualità.
L’horticulture lighting è notoriamente un mercato in forte espansione. L’avvento dei sistemi LED ha permesso di elevare esponenzialmente il livello di controllo degli ambienti di crescita, con precisione e stabilità elevate in termini di spettro ed intensità, e di ridurre al contempo i costi energetici.
Per affrontare in maniera vincente questa nicchia di mercato è necessario dotarsi di strumenti e strategie diverse da quelle applicate in altri settori del lighting, perché diversi sono i fattori critici che determinano il successo. 

Intensità luminosa, struttura dello spettro e fotoperiodo influenzano le diverse caratteristiche delle piante, dalla biomassa alla struttura, dalla  fioritura alla fruttificazione.

Per dare un esempio nella biomassa rientrano variabili quali lo spessore dello stelo principale e delle ramificazioni secondarie, la crescita dell’apparato radicale e dei germogli. Alla struttura fa riferimento  la forma fisica della pianta: altezza e  numero delle ramificazioni.

Per ogni varietà orticola esistono esigenze diverse  per ognuna delle grandezze che caratterizzano la sorgente di luce.

sistemi LED orticoltura

Moduli LED per orticoltura

L’approccio all’argomento adottato da Universal Science consiste nel definire e ottimizzare le configurazioni e le prestazioni della lampada al fine di ottenere innumerevoli vantaggi per  le varie colture, che spaziano dall’aumento della massa e della resa alla riduzione del tempo di crescita e dell’apporto di additivi chimici (fertilizzanti o prodotti fitosanitari), alla riduzione dell’utilizzo della quantità di acqua e di energia elettrica.

Nello specifico le attività che portano alla realizzazione di sorgenti luminose specifiche per il settore ortofrutticolo sono: 

  • Progettazione e montaggio di moduli LED multi-wavelenght ingegnerizzati ad hoc per l’horticulture lighting
  • Progettazione corpi illuminanti speciali e dei relativi sistemi di controllo e di alimentazione
  • Progettazione di ottiche dedicate
  • Sviluppo e ottimizzazione lighting recipes in collaborazione con i principali produttori di LED 

La scheda Photosynth è una soluzione a marchio RED, progettata e assemblata internamente da Universal Science, per applicazioni in mini serre domestiche o in serre dedicate alla ricerca e sviluppo.

Photosynth è una scheda LED per orticoltura 232x110mm (metal core) a quattro canali con lunghezze d’onda di 450-460nm, 650-670nm e 720-740nm nella luce visibile,  390-415nm nell’ultravioletto. È alimentata a 24V DC e ha una potenza massima di 50W. Monta ottiche  a 25°,55° e 90°.

Il team di esperti dell’azienda si propone quindi ai produttori di corpi illuminanti e ai centri di ricerca con la progettazione di soluzioni che garantiscano flessibilità (sorgenti luminose a più lunghezze d’onda, multicanali e dimmerabili), che consentano un efficiente controllo PPF e PFD, che siano modulari e abbiano una gestione smart  tramite interfacciamento IoT, DALI, DMX o RS485, per coprire qualsiasi tipologia di installazione.

Per lighting recipes si intendono tutti quei protocolli applicativi, specifici di ciascuna pianta, che definiscono spettro PPF e PPFD.

Oltre alla capacità  nel determinare la corretta configurazione, Universal Science interviene per definire e ottimizzare le prestazioni della sorgente luminosa caso per caso,  al fine di ottenere la riduzione del tempo di crescita, dei pesticidi e della quantità  di acqua utilizzata, oltre che per favorire l’aumento della massa e della resa. Per garantire questi risultati è necessario integrare competenze tecnologiche e biologiche già in fase di sviluppo del prodotto e della sua applicazione, oltre che sperimentare e sviluppare sistemi LED per orticoltura direttamente in situ.

moduli led orticoltura
Modulo LED Photosynth per orticoltura

LED per orticoltura, un metro diverso per misurare la luce

Nelle applicazioni di illuminazione tradizionali, le lampade vengono valutate in base al loro flusso luminoso. Per il settore ortofrutticolo i lumen sono privi di significato.

Il lumen è un’unità di misura che esprime quanto brillante una certa luce appare all’occhio umano. Ciò che l’occhio umano percepisce è in gran parte irrilevante quando si tratta di fornire il giusto apporto luminoso alle piante.

Nel settore della coltivazione interviene il PAR (Photosynthetically Active Radiation) o radiazione fotosinteticamente attiva. PAR è la gamma di luce che le piante utilizzano per la fotosintesi. Mentre l’occhio umano è più sensibile allo spettro della luce verde, gialla e arancione, le piante utilizzano maggiormente lo spettro blu e rosso per il loro sviluppo. In altre parole non hanno bisogno di molti lumen, ma hanno bisogno di molta luce all’interno dell’intervallo PAR.

Quando misuriamo la luce, parliamo del numero di fotoni emessi in un dato periodo di tempo su una superficie specifica. Quando parliamo della quantità di luce giornaliera proveniente dal sole, parliamo di moli. Quando si parla della quantità di luce proveniente da una  lampada si parla di micromoli (un milionesimo di mole, 1 μmol = 6,022140857 x 1017 fotoni).

La misurazione di quanta luce PAR totale può produrre un corpo illuminante è chiamata PPF (Photosynthetic Photon Flux), cioè la misura di quanti fotoni totali di luce PAR emette al secondo una lampada ed è misurato in micromoli per secondo (μmol/s). Questi fotoni sono emessi in ogni direzione, non costituisce  il numero di fotoni che possono raggiungere le piante, questa misura è data da PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density).

Misurando il PAR a 20 cm dalla fonte di luce e poi a 50 cm, si otterranno due valori di PPFD molto diversi. Allontanando la fonte di luce dalla superficie della pianta, l’intensità della luce diminuirà all’aumentare dell’area illuminata con il quadrato della distanza; in pratica se si allontana la sorgente di luce da una superficie di un fattore due, la luce diminuisce di un fattore quattro. Di conseguenza, non è sufficiente sapere quanta luce PAR può produrre una sorgente luminosa.

PPFD si riferisce al numero di fotoni PAR che irradiano una data superficie ogni secondo. Questo valore è misurato in micromoli per metro quadrato al secondo, µmol/m²s.

Ogni specie di pianta ha requisiti PPFD specifici per ottenere la migliore resa. Ad esempio, le piante da fiore come la cannabis hanno bisogno di circa 300 – 600 µmol durante la fase vegetativa e 800 – 1000 µmol durante la fioritura. Queste sono misurazioni PPFD, facendo attenzione che troppa luce può essere altrettanto dannosa di una luce insufficiente.

Un’ulteriore parametro di misura è l’efficienza,  se avere molta luce richiede enormi quantità di elettricità il rischio è di perdere più di quanto si guadagni.

L’efficienza nell’illuminazione è una misura di quanta luce viene generata con una data quantità di energia, nell’illuminazione tradizionale  è espressa in Lumen per Watt. In orticultura l’efficienza di una sorgente luminosa o PPE (photosynthetic photon efficacy) è il rapporto tra il PPF e la potenza elettrica di ingresso, misurato in micromole per joule (μmol/J).

Alimentatori LED di potenza per orticoltura

In un sistema LED per orticoltura la buona efficienza è data anche da un’alimentazione adeguata allo scopo.

Universal Science è partner di uPowerTek nella distribuzione di alimentatori per LED,  di recente hanno lanciato sul mercato una linea di alimentatori slim per LED con potenze fino a 810W,  particolarmente richiesti nel settore orticoltura.                                 

Di soli 90mm di larghezza, la serie slim si può personalizzare nei terminali di ingresso e di uscita (ad esempio C14, M19 e quello di regolazione RJ12).

Col suo nuovo design copre la corrente di uscita da 3,6A fino a 18A. È possibile programmare la corrente di uscita e altre funzionalità utilizzando un programmatore NFC (near field communication), o un programmatore via cavo o uno smartphone.

Questi alimentatori slim godono di una durata di 100.000 ore a Tc=75℃ e di una protezione contro le sovratensioni da 6kV. Garantisce prestazioni prive di sfarfallio e con un’ondulazione della corrente di uscita inferiore al 5% permettono un’emissione luminosa costante.

Per quanto riguarda i requisiti UL recentemente sviluppati , in questo prodotto è incluso anche il dimming isolato;  come già in uso l’alimentatore supporta molteplici protocolli di dimming e di dim to off. Sono disponibili su richiesta le opzioni per il flusso luminoso costante, la bassa corrente di spunto e il thermal feedback NTC.

Universal Science ha un portfolio di prodotti completo che già da molti anni comprende driver LED con potenze da 50 a 800 W, diverse tipologie di dimming isolato e un gamma di tensioni di ingresso AC che spazia da 108 a 528V, nelle due versioni108-305V e 180-528V, con una vasta scelta di output DC tra cui  12, 24, 48 Volt.

Tra le varie soluzioni c’è anche la serie SVR, alimentatori slim ad elevate prestazioni termiche con un innovativo sistema di controllo thermal foldback.

L’elevata efficienza, che arriva al 95%, si traduce in una maggiore efficienza del sistema di illuminazione, che consente un risparmio di costi non indifferente.

La corrente di spunto è estremamente bassa, la versione standard degli alimentatori da 400-800W ha meno di 20A. Ottime sono le prestazioni di dimming, avendo una dimmerabiltà fino al 1% in modo uniforme e senza sfarfallio.  

Vasta è anche la gamma di opzioni per le connessioni e il controllo in campo, in particolare per le applicazioni dell’illuminazione per orticoltura. In ambito di soluzioni cablate gli alimentatori uPowerTek supportano i protocolli 0-10V, DALI, RS485 e DMX. In ambito wireless sono disponibili i protocolli Zigbee e Bluetooth.

Il controller è alimentato a 5V da USB o a 12V aux dell’alimentatore LED. L’uscita multicanale 0-10V dimmerabile rende possibile il controllo preciso dell’emissione luminosa. La manopola posta sul pannello agevola la selezione della modalità di regolazione tra controllo manuale, cablato o wireless rendendo lo schema di controllo della luce molto più flessibile.

La serie RSH-001 (a bassa corrente di spunto) limitata a correnti fino a 10A@277Vac, semplifica l’inserimento su linee da 16A in modo che lo switch non intervenga durante il momento di accensione.

Alimentatori LED slim orticoltura

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