1. Principio tecnico: le luci degli impianti a LED hanno un problema con il "freddo" e il "caldo".
I principali vantaggi delle luci per impianti a LED sono che sono molto precisi in termini di colore e consumano meno energia. Le piante utilizzano principalmente la luce rossa (620–680 nm) e la luce blu (430–460 nm) per la fotosintesi. Le luci a LED, invece, concentrano l'energia sulla regione del picco di assorbimento delle piante utilizzando un chip a luce rossa (660 nm) e un chip a luce blu (460 nm). I LED sono molto più efficienti nel convertire la luce in elettricità rispetto alle lampade HPS, che svolgono solo il 30% del lavoro. Per questo motivo viene chiamata "sorgente di luce fredda". La sua temperatura superficiale è normalmente inferiore a 50 gradi e quando è vicino alle lame (20–50 cm) non le brucia. Il tasso di utilizzo dell'energia luminosa raggiunge il 95%, sebbene le lampade HPS ne utilizzino solo il 35%.
Il termine "sorgente di luce fredda", d'altra parte, può far sembrare che la gestione del suo calore sia più complicata di quanto non sia. Anche se i LED non emettono direttamente molto calore, emettono comunque circa il 20% del calore disperso quando trasformano l'energia elettrica in luce. Ad esempio, una luce LED da 12 watt ha una potenza di circa 10 watt e circa 8 watt verrebbero trasformati in calore. Se il design della dissipazione del calore non è sufficientemente buono (ad esempio, se non viene utilizzato abbastanza alluminio o la conduttività termica è debole), la temperatura superficiale della lampada potrebbe superare i 65 gradi, causando un accumulo di calore in alcune aree e accorciando la durata e la stabilità della sorgente luminosa. Inoltre, le proprietà "fredde" dei LED possono peggiorare la perdita di calore delle serre in inverno, quando le temperature sono basse al nord. Ciò significa che è necessario un maggiore riscaldamento per mantenere in crescita la temperatura dei raccolti.
2. Utilizzo pratico: un piano per far sì che LED e HPS lavorino insieme per fornire luce extra
In risposta alla difficoltà “fredda” dei LED, l’industria ha cercato un modo per far lavorare insieme le lampade LED e HPS per fornire luce extra, il che ha portato a miglioramenti sia nell’illuminazione che nella temperatura. Nelle serre del nord, il calore prodotto dalle lampade HPS rappresenta un "impulso fondamentale". Il calore che emettono mentre sono accese può aumentare la temperatura all'interno della serra e allo stesso tempo emettere più luce, riducendo la quantità di energia necessaria per il riscaldamento. Le luci a LED consumano complessivamente meno energia, il che riduce i costi. Ad esempio, in una serra a Shouguang, nello Shandong, che coltiva pomodori, l’utilizzo sia di luci LED che HPS per una luce extra ha ridotto il ciclo di crescita di 5-7 giorni, aumentato la produzione del 15-20%, aumentato il contenuto di zucchero del frutto di 1-2 punti percentuali e reso il colore più brillante. Quando si coltivano fragole, il calore dell'HPS e la luce rossa e blu del LED possono aumentare il tasso di allegagione di oltre il 20%, il peso medio del frutto del 10% e il tempo necessario affinché il frutto maturi, rendendone più facile la raccolta e la vendita.
La validità scientifica di questo metodo collaborativo è radicata nel suo accurato allineamento con i requisiti delle colture. Le luci a LED possono modificare lo spettro: le verdure a foglia necessitano del 30% di luce blu per produrre clorofilla, fiori e frutti necessitano del 70% di luce rossa per accelerare l’accumulo di carboidrati e le piante medicinali necessitano del 10% di luce ultravioletta per aumentare il contenuto di metaboliti secondari. Il supplemento di calore nelle lampade HPS è pensato per funzionare nel freddo inverno settentrionale, dove le luci a LED da sole potrebbero non essere abbastanza calde. Ad esempio, la fabbrica di impianti di stoccaggio della luce integrati nel deserto di Ulan Buh, nella Mongolia Interna, utilizza una combinazione di LED e pompa di calore geotermica per immagazzinare 42 chilogrammi di anidride carbonica per metro quadrato ogni anno e risparmiare sulle spese energetiche del 40%.
3. Controllare la temperatura: un modo separato per migliorare l'illuminazione degli impianti a LED
Anche quando l'aiuto della luce HPS non è necessario, le luci a LED per impianti possono comunque ottenere un perfetto controllo della temperatura attraverso miglioramenti tecnologici. Le parti principali della sua strategia sono:
Miglioramento del design per la dissipazione del calore: la temperatura superficiale della lampada viene mantenuta al di sotto dei 50 gradi utilizzando materiali con eccellente conduttività termica (come substrati di rame) e strutture ad alette di dissipazione del calore. Ad esempio, il sistema Philips GrowWise utilizza la tecnologia di raffreddamento a liquido per far durare i chip LED 50.000 ore in più e ridurre gli effetti delle radiazioni termiche sulle colture.
Un modo intelligente per controllare le luci: utilizzando sensori e tecnologia IoT, cambia automaticamente l'intensità e il rapporto spettrale della luce in base allo stadio di crescita del raccolto e alla temperatura dell'ambiente circostante. La "lampada per coltura di tessuti a LED a spettro regolabile" realizzata dall'Università di Agraria di Nanchino, ad esempio, tiene d'occhio la temperatura all'interno della serra in tempo reale attraverso una piattaforma cloud. Riduce automaticamente la quantità di luce blu quando la temperatura scende sotto i 15 gradi (il tasso di assorbimento della luce blu diminuisce quando la temperatura diminuisce) e aumenta la quantità di luce rossa e rossa lontana (730 nm) per aiutare le colture a esprimere i geni resistenti al freddo-.
Disposizione dell'illuminazione a strati: in una fattoria verticale, le strisce luminose a LED vengono posizionate sopra ogni rack di coltivazione e lo spazio tra gli strati è di soli 0,8 metri. Il controllo della temperatura a più livelli sfrutta al meglio l'area. Ad esempio, lo strato superiore della camera di coltivazione intelligente per Phalaenopsis presso la fattoria Yuntai a Lianyungang utilizza luce rossa ad alta-intensità (800 μ mol/m ²/s) per favorire la fioritura, mentre lo strato inferiore utilizza luce blu a bassa-intensità (300 μ mol/m ²/s) per far crescere le piantine. Un sistema di climatizzazione mantiene la temperatura di ogni strato rispettivamente a 25 gradi e 20 gradi. Ciò accorcia il ciclo di fioritura di 15 giorni.
