Plantele verzi sunt forme de viață de pe Pământ, care au capacitate de fotosinteză sau de a transforma apa și bioxidul de carbon, în oxigen și energie utilizabilă în formă de zaharuri.
Acest proces necesită lumină pentru a furniza energia necesară. S-au făcut cercetări și experimente științifice legate de fotosinteză, pentru a deduce corelația între iluminarea din diverse zone ale spectrului radiației electromagnetice și dezvoltarea plantelor. Plantele răspund diferit la lumina de diferite culori. În general, lumina roșie face plantele să devină înalte, în timp ce lumina albastră, atunci când este folosită singură, poate provoca o creștere mică, îndesată. Un echilibru adecvat de energie în zonele spectrale roșu și albastru produce plante care au o creștere și formă normale. Cultivatorii de plante au utilizat aceste cunoștințe de zeci de ani de când se folosesc surse de lumină artificială (ex. Horticulture Lamps de la GE, PHILIPS, Osram, Sylvania), dar realizarea recentă a LED-urilor cu eficiență înaltă a deschis noi posibilități pentru noi aplicații de creștere intensivă și mai eficientă a plantelor pentru cultivatori și cercetătorii horticoli. Iluminarea cu LED-uri poate stimula creșterea plantelor cu până la 40%.
Absorbția luminii în Clorofilă
Clorofila este un amestec de doi compuși, clorofila a (un solid albastru-negru) și clorofila b (un solid de culoare verde închis), care oferă o culoare verde în soluții organice (Willstätter
Richard – chimist german, anul 1912). În clorofila naturală există un raport a_b= 3:1, al celor două componente. În reacția de fotosinteză clorofila absoarbe energia luminii, iar un electron din clorofilă este excitat, trecând de la o stare de energie mai mică la o stare de energie mai mare, și astfel electronul este transferat la o altă moleculă. Un lanț de etape de transfer de electroni, se termină cu un electron transferat la molecula de bioxid de carbon. Între timp, clorofila care a renunțat la un electron poate accepta un electron de la o altă moleculă. Acesta este sfârșitul unui proces care duce la eliminarea unui electron din apă. Astfel, clorofila este în centrul reacției de oxidare – reducere, numită fotosinteză dintre bioxidul de carbon și apă, rezultând oxigen.
LED-uri de iluminat în horticultură
Studiile arată că iluminarea cu LED-uri poate stimula creșterea plantelor cu până la 40%. Sistemul de iluminare trebuie proiectat individual, funcție de aplicație, pentru a obține rezultatele optime bazate pe 2 principii de bază: Eficiența Fotosintezei și Suficiența Fotomorfogenezei.
Eficiența Fotosintezei
Deoarece LED-urile disponibile emit lumină în game diferite de lungimi de undă în funcție de tehnologia de fabricație, trebuie înțeleasă complexitatea spectrală a fotosintezei și apoi dezvoltată o aplicație:
(1) Schema Z a sistemelor de fotocataliză – cum se descompune molecula de apă, (2) Spectrul de absorbție și acțiunea radiației în funcție de lungimea de undă – care arată că cele mai absorbite radiații sunt cele roșii și albastre, fiind cele contribuitoare la fotosinteză, (3) Randamentul relativ la energia absorbită. Cunoașterea mecanismului fotosintezei permite identificarea lungimilor de undă cele mai eficiente pentru o anumită specie de plante.
Suficiența Fotomorfogenezei
Pe lângă aspectele creșterii plantelor datorită fotosintezei, este important ca la proiectarea unui sistem de iluminare să se ia în considerare și cerințele spectrale ale fotomorfogenezei plantei. Fotomorfogeneza – schimbări morfologice induse de lumină într-o plantă – este reglementată în principal de tipul de fotoreceptori: phytochrome, cryptochrome și phototropin. Prin orientarea acestor fotoreceptori la anumite lungimi de undă, producătorii sunt în măsură să obțină modificări morfologice în instalațiile lor (ex. inducerea și suprimarea de flori, înălțimea coronamentului, distanțele inter nodale pentru frunze etc). Realizarea iluminării corecte ce corespunde fotomorfogenezei unei plante este numită “suficiența fotomorfogenezei”, necesară pentru a induce rezultatele vizate. Sistemele de iluminat cu LED-uri maximizează utilizarea energiei la iluminat. Detalii: http://plantphys.info/plant_physiology/light.shtml
Cerințe în alegerea și controlul LED-urilor de iluminat horticol
Spectrul luminos și tipul de plante
Trebuie impuse cerințe specifice pentru spectrul luminos raportat la tipul de plante cultivate, la etapele în care vor fi cultivate, plus toate nevoile suplimentare ale producătorului (ex. dorința pentru o înălțime mai mică a plantelor).
Nivelul de lumină
Nivelul de lumină necesar pentru orice plantă poate fi cunoscut din literatura de specialitate publicată sau poate fi determinată de cerințele de lumină cunoscute ale plantelor cultivate (ex. plin soare, parțial soare, umbră, etc). Dacă iluminarea de bază folosește lumina solară, nivelul de iluminare suplimentară trebuie să fie doar o fracțiune din nivelul complet de lumină, în timp ce nivelurile de lumină fotoperiodice (noapte lungă, zi lungă, zi neutră) pot fi chiar mai mici.
Geometria de lucru
Pentru a calcula cantitatea de lumină furnizată la coronamentul de plante, trebuie să se cunoască geometria zonei de iluminat. Aceasta este compusă din lungimea și lățimea suprafeței de creștere, înălțimea disponibilă, lungimea și lățimea pentru elemente de fixare deasupra coronamentului plantelor și numărul total de niveluri de iluminat / rafturi. Aceste măsurători și obiectivele de nivel de lumină cerut la coronament, vor furniza informațiile necesare pentru a selecta numărul necesar de corpuri de iluminat cu LED-uri pentru oricare personalizare de spectre.
Sursele de lumină sunt standardizate de o autoritate internațională CIE, www.cie.co.at
Aplicații ale LED-urilor de iluminat horticol
• Cultivarea plantelor pe rafturi sau suporturi verticale
• Sere și camere de creștere rapidă a răsadurilor
• Creșterea în corturi
• Iluminare suplimentară în camere cu plante
• Dezvoltări farmaceutice
• Cercetare științifică și aplicativă
• Hobby-uri horticole
Avantajele LED-urilor de iluminat horticol
• Controlul spectrului și al intensității iluminării
• Controlul climatului din seră prin managementul mai eficient al căldurii degajate de LED-uri
• Eficiența mare a iluminatului prin poziționarea apropiată de plante fiindcă se degajă căldură puțină
• Scăderea costurilor cu energia consumată la iluminat și cu eliminarea căldurii degajate de iluminat
• Creșterea duratei de utilizare și a fiabilității ansamblului
• Robustețe, nu există riscul spargerii la contact cu picături de apă, iar praful se poate curăța ușor
• Libertatea proiectării, LED-ul fiind un micro-cip care se poate poziționa ușor geometric pentru asigurarea uniformității iluminării
• LED-uri fiabile și cu lungă durată de utilizare de la OSRAM Opto Semiconductors sunt alternativa eco la iluminarea standard, în sere. Ele pot stimula în mod semnificativ creșterea plantelor, reducând considerabil consumul de energie prin utilizarea iluminării intensive în zonele de radiație vizibilă orientate la 450 și 660 nanometri.
Caracteristicile LED-urilor, cum ar fi: factor de formă mic, înaltă eficiență și durată lungă de viață, oferă flexibilitate pentru iluminatul plantelor care să stimuleze creșterea rapidă. Folosind un automat programabil sau PC și surse de alimentare adecvate, reglarea intensității și controlul culorilor luminii LED-urilor se face rapid, în funcție de necesități și pot fi ușor de stabilit iluminări în cicluri care promovează dezvoltarea rapidă și sănătoasă a plantelor.
Dispozitivele LED OSLON SSL FAMILY, Golden DRAGON Plus, OSLON Square de la OSRAM Opto Semiconductors sunt special concepute pentru aplicații de iluminat horticol:
• dispozitive ultra compacte, cu putere 1W la unghiuri de vizualizare 80°, 150° și 170°
• spectre direcționate pentru a crește absorbția de către clorofilă și a stimula fotosinteza în plante
• randament ridicat, în întreaga gamă de culori (albastru la hiper roșu).
Detalii: http://ledlight.osram-os.com/applications/ horticultural-led-lighting/
• LED-urile de iluminat horticol de la Illumitex Inc. (www.illumitex.com) sunt proiectate special pentru utilizarea în sere verticale în care sunt necesare controlul perioadei de inflorescență, perioade de iluminat și iluminat unic cu un fascicul într-un unghi conic. Illumitex Eclipse Surexi™ Horticulture LED Light Bars sunt bare de LED-uri ce emit lumină pentru creșterea plantelor, concepute pentru a produce radiații active pentru fotosinteză ridicată.
Aceste bare cu LED-uri folosesc tehnologia Digital Distribution™ şi asigură un iluminat având un conținut de lumină colorată adaptat la nevoile optime specifice la specii de plante, prin combinații de lungimi de undă personalizate, modificând răspunsul de fotosinteză și/sau fotomofogeneză al plantei țintă, care să permită o creștere mai robustă în timp mai scurt.
Alimentarea LED-urilor de iluminat horticol
LED-urile și modulele cu LED-uri de iluminat horticol necesită o alimentare fiabilă și eficientă, capabilă să lucreze în mediul umed și cald din sere.
MEAN WELL oferă familii de surse de alimentare dedicate alimentării LED-urilor în orice mediu.
Criterii de alegere a surselor pentru alimentarea LED-urilor
• Se decide nivelul de putere adecvat, inclusiv marja de siguranță.
• Se decide schema circuitului de alimentare a LED-urilor, respectiv sursa de alimentare (se alege alimentarea la curent constant (CC) sau la sursa de tensiune constantă (CV) se adăuga suplimentar circuite integrate drivere (LDD sau LDD-H) pentru a obține un nivel de curent constant mai precis).
• Se verifică dacă aplicația cere funcția de compensare a factorului de putere (PFC).
• Se verifică locația de montare a sursei de alimentare a LED-urilor: tip incintă, loc uscat / umed / cu stropi de apă, praf, gama de temperatură în care trebuie să lucreze la putere maximă, interior sau exterior de clădiri, descărcări electrice etc, pentru a alege sursa fără/cu carcasă (respectiv gradul de protecție IP).
• Se verifică dacă fiabilitatea și durată de viață se încadrează în ce declară fabricantul.
• Se verifică certificatele de siguranță în utilizare (TUV EN60950-1, UL8750), standarde de perturbații EMC (EN55015, EN61000-3-2 class A, EN61000-3-3, EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11, EN61547) și de garanție acordată (2, 3, 5 ani).
• Se verifică dacă se cere reglarea de tensiune și / sau curent la ieșire
• Se verifică dacă e nevoie de funcția de reglare a intensității luminoase și modalitatea de realizare (prin potențiometru, tensiune DC sau pulsuri PWM).
NOTĂ.
Termeni și definiții pentru LED-uri de iluminat horticol
Deși multe principii de proiectare se aplică la ambele forme de iluminat: general și horticol, unitățile utilizate în iluminat general (lumen, lux, footcandles și lumeni pe watt) sunt extrem de legate față de răspunsul ochiului uman la radiația luminoasă. În schimb, sistemele de iluminat horticole sunt mai bine evaluate prin utilizarea de unități de măsură care arată nivelul de utilizare a capacității sistemului de iluminat a stimula fotosinteza. Aceste valori sunt, prin urmare, asociate cu numărul absolut de fotoni.
1. PAR (Photosynthetically Active Radiation)
PAR – Radiația Activă de Fotosinteză este definit de CIE (International Commission on Illumination) ca expunerea totală la fotoni în banda de frecvențe de radiații 400 la 700 nm, care este absorbită de pigmenți fotosintetici. Aceeași gamă de lungimi de undă care este asociată și cu viziunea umană (380-780 nm). Cu toate acestea, ochiul uman este cel mai sensibil la gama de lungimi de undă verde (sensibilitate maximă este la 555 nm).
2. PPF (Photosynthetic Photon Flux)
PPF – Flux de Fotoni de Fotosinteză, măsurat în micromoli pe secundă. (Un mol este un număr egal cu numărul de atomi în 0,012 kg de carbon-12 și un micromol este o milionime dintr-un mol). PPF reprezintă numărul total de fotoni în intervalul de lungime de undă activă fotosintezei, emiși de o sursă de lumină fiecare secundă. Acesta este folosit în loc de flux luminos (măsurat în lumeni) în aplicații de iluminat.
3. PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density)
PPFD – Densitate Flux de Fotoni de Fotosinteză, măsurată în micromoli per metru pătrat pe secundă. Această valoare reprezintă numărul total de fotoni în intervalul de lungime de undă activă fotosintezei, care se încadrează pe un metru pătrat de suprafață dată (cum ar fi un raft de plante) în fiecare secundă. Aceasta este utilizată în loc de iluminare (măsurat în lux sau footcandles) în aplicații de iluminat agricole.
4. PPF/Watt
O măsură a eficacității de cuplare, exprimată în micromoli per Joule. Această măsură metrică reprezintă numărul total de fotoni în intervalul de lungime de undă activă fotosintezei, generați de un Joule de energie electrică. Aceasta este o măsură metrică a eficienței electrice care se referă, în loc de lumeni per watt, pentru iluminare agricole. 1W = 1 J/s.
5. PPF/Watt livrată
O măsură a eficacității sistemului de iluminat, exprimată în micromoli care ajung la bolta de plante per Joule. Această valoare reprezintă numărul total de fotoni în intervalul de lungime de undă activă fotosintezei, care ajunge la bolta de plante generate de un Joule de energie electrică. În general, aceasta este cea mai bună măsură pentru evaluarea a randamentului electric a diverselor sisteme de iluminat horticole. Indiferent de eficiență electrică a cuplării LED-urilor, fluxul de fotoni trebuie să ajungă la coronamentului plantelor, în scopul de a fi absorbit și induce o fotosinteză, și/sau răspuns de fotomorfogeneză.
ECAS
ELECTRO asigură aprovizionarea și asistența tehnică pentru orice tip de dispozitive optoelectronice, inclusiv LED-uri pentru iluminat horticol.
ECAS
ELECTRO este distribuitor autorizat al produselor
MEAN WELL
.
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro