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Guia do fazendeiro moderno para iluminação artificial

Guia do fazendeiro moderno para iluminação artificial

Não há dúvida de que a indústria da agricultura de interior está crescendo. A cada mês, novas fazendas entram no setor, novas tecnologias aumentam a eficiência da produção e a qualidade dos alimentos, e centenas de projetos de pesquisa são realizados em todo o mundo. Uma característica marcante desse crescimento da indústria são os desenvolvimentos na iluminação artificial para fazendas de interior, principalmente na iluminação LED. À medida que a tecnologia avança rapidamente, nosso conhecimento de como usá-la em seu máximo efeito está se esforçando para acompanhar. Mas vamos começar com o básico:

Noções básicas de como as plantas usam a luz

A luz é emitida como ondas e partículas. Para ser mais preciso, a luz é emitida como ondas de fótons, que são essencialmente feixes de energia. A quantidade de energia em cada fóton determina o comprimento da onda de crista em crista. Embora os comprimentos de onda possam variar de nanômetros a metros, os pigmentos das plantas podem usar apenas comprimentos de onda específicos. A maioria desses comprimentos de onda úteis que ocorrem entre 400 e 700 nm no espectro.

Os produtores devem se esforçar para atender às necessidades de sua planta o mais próximo possível da sua luz, considerando aspectos como custo e eficiência (as planilhas podem ser extremamente úteis para esse fim). Eficiência luminosa é a quantidade de luz que as usinas podem usar para cada watt ou quilowatt de eletricidade usada. PAR, ou radiação fotossinteticamente ativa, é a luz mais útil para a planta. Os pigmentos das plantas absorvem a luz em comprimentos de onda específicos e usam a energia na fotossíntese. Os três principais produtores de pigmentos tratados são:

  • Clorofila a - Picos de absorção nos comprimentos de onda em torno de 430 e 662 nm
  • Clorofila b - Picos de absorção nos comprimentos de onda em torno de 453 e 642 nm
  • Carotenóides - Picos de absorção em comprimentos de onda em torno de 450 a 454 nm

Os comprimentos de onda mais absorvidos ocorrem em torno de 450 e 660 nm.

Intensidade da luz: medições úteis da luz

A intensidade da luz é comumente medida de três maneiras: luminosidade, PAR e PPFD. A luminosidade (ou lúmens) é uma medida de quão brilhante uma luz aparece para o olho humano. Não se limita à luz útil. Como uma medida para aumentar a intensidade da luz, a luminosidade tem pouco valor. Se o comprimento de onda for conhecido, no entanto, é possível converter a luminosidade em PAR.

PAR (medida em micromoles / seg-m2) é a medida da radiação fotossinteticamente ativa, ou a energia luminosa útil para as plantas em um determinado ponto no espaço. Uma medida de PAR, por si só, é de pouca utilidade, mas saber onde a medição está sendo realizada em relação à fonte de luz dará uma idéia da intensidade. Algumas empresas de LED fazem um ótimo trabalho exibindo gráficos com medidas de PAR em vários pontos (cobertura em diferentes alturas) em suas etiquetas. Esta é a melhor informação que você pode obter.

PPFD (medido em micromoles / seg-m2) representa a densidade do fluxo de fótons fotossintético e é uma medida dos fótons realmente úteis no PAR quando a composição espectral exata é conhecida. O PPFD mede apenas as partes utilizáveis ​​do PAR, mas funciona como uma classificação de eficiência do PAR. Em outras palavras, mantém o PAR honesto.

Daily Light Integral

A luz diária integral (DLI) é a tradução real dos valores de PAR ou PPFD para o tempo de crescimento real. Ele descreve a combinação de luz e tempo e representa a quantidade de PAR necessária em um intervalo diário para efetivamente cultivar uma cultura / planta específica. Um produtor pode saber quanta luz em certos comprimentos de onda atinge um metro quadrado a cada segundo. Mas quantos segundos dessa luz a planta precisa? Essa é a pergunta que o DLI responde.

O DLI é medido com um medidor PAR em mol · m-2 · d-1. Observe que é medido em unidades semelhantes ao PAR, apenas no contexto de um dia. Por exemplo, 12-14 mol · m-2 · d-1 é o DLI recomendado para a produção de alface em estufas e valores DLI ainda mais altos (15-20 +) são necessários para as culturas frutíferas.

Diferentes tipos de luzes de cultivo

  • A iluminação de descarga de alta intensidade fornece luz de alta intensidade com um bom espectro para as culturas, mas ao custo de alta produção de calor e, finalmente, eficiência de produção com pouca luz. Dois tipos de iluminação dominam o estágio HID: luzes de iodetos metálicos (MH) e luzes de sódio de alta pressão (HPS).
  • As luzes de sódio de alta pressão produzem mais luz vermelha e laranja do que os halogenetos metálicos e produzem muito calor, o que resulta em altos custos operacionais. Seu espectro geral é excelente, o que os tornou a luz HID mais popular.
  • As luzes de iodetos metálicos produzem luz azul pesada. A maioria das luzes MH é limitada por uma vida útil curta, alto consumo de energia e desafios de manuseio (a lâmpada não pode entrar em contato com o óleo, incluindo o óleo da ponta dos dedos).
  • As luzes fluorescentes são usadas há muito tempo em operações internas, mas elas não têm intensidade para uma produção séria. As despesas de capital e os custos operacionais das lâmpadas fluorescentes são razoavelmente baixos em comparação com as lâmpadas HID. Os custos de substituição e descarte, juntamente com a fragilidade e um espectro inespecífico, limitaram o uso de lâmpadas fluorescentes em operações internas maiores.
  • A iluminação por indução, semelhante às fluorescentes, usa campos magnéticos em vez de filamentos para produzir luz. As luzes de indução têm vida útil longa e eficiência moderada. Eles ainda precisam encontrar tração significativa no setor agrícola.
  • Os LEDs pertencem a um setor em rápido crescimento, com custos continuamente decrescentes. Benefícios como robustez, eficiência, redução de custos de fabricação, baixos custos operacionais e especificidade do espectro são os principais a favor dos LEDs para os produtores de interiores.

Foco nos LEDs

Como cada vez mais produtores estão escolhendo LEDs para iluminar suas fazendas e mais fabricantes estão entrando no espaço de LEDs, um guia para entender os LEDs beneficiará os produtores.

Anatomia de um LED

Um diodo emissor de luz é um dispositivo que emite luz como um comprimento de onda específico quando a energia passa através dele. Dois tipos de materiais, cada um com um tipo diferente de semicondutor, são unidos, criando o diodo. Cada um dos semicondutores no diodo tem uma carga diferente - um semicondutor é negativo e um é positivo.

Quando a energia passa através dos semicondutores combinados, os elétrons no semicondutor negativo e os "orifícios" (portadores com carga positiva) no semicondutor positivo são ativados. Os elétrons carregados negativamente em um semicondutor batem nos “buracos” (que são carregados positivamente) no outro semicondutor. Como as cargas positivas e negativas não são perfeitamente iguais, elas não podem se cancelar perfeitamente. O excesso de energia não tem para onde ir e é emitido como fótons de luz.

O tipo de cada semicondutor determina exatamente quanto excesso de energia existe e, como sabemos, a quantidade de energia em um fóton determina o comprimento de onda. Portanto, cada diodo emissor de luz emite um comprimento de onda específico da luz. O diodo é embalado como um chip e envolto em uma tampa de plástico. Os diodos geralmente são agrupados com outros diodos que emitem o mesmo comprimento de onda da luz (ou quase o mesmo).

Escolhendo o sistema de iluminação LED certo

A escolha de luzes LED pode ser um processo lento e confuso. Existem muitas variações diferentes de produtos fundamentalmente semelhantes. Para comparar produtos, você deve entender a eficiência, os fatores de forma, a produção de calor e as garantias.

Eficiência

Eficiência na iluminação refere-se à razão entre energia luminosa e energia térmica produzida a partir de uma entrada de energia específica. Toda a energia que entra na fonte de luz produz energia de luz ou energia de calor. A eficiência de uma luz depende da porcentagem de energia que sai como luz, bem como da porcentagem de calor.

A principal razão pela qual os LEDs são tão populares é devido à sua alta eficiência. Muitas luzes LED possuem 50% menos uso de energia por mole de fótons produzidos em comparação com o HID tradicional. Os LEDs também podem fornecer luz em um comprimento de onda específico. Isso torna utilizável a maioria da luz produzida, onde outros tipos de iluminação produzem comprimentos de onda inúteis, além dos comprimentos de onda úteis. A produção de comprimentos de onda inúteis consome energia, mas não resulta em fotossíntese. Luzes menos eficientes produzem mais calor e altas temperaturas reduzem a eficiência da luz e sua vida útil.

Fatores de forma

As luzes LED vêm em três principais fatores de forma: luminárias, barras e painéis. As luminárias têm o formato de uma caixa e geralmente oferecem luz de alta intensidade. As luminárias consomem quantidades moderadas a altas de energia, ocupam espaço e exigem maior investimento inicial. As barras têm vários comprimentos e perfis diferentes, consomem quantidades baixas e médias de energia, de baixa a média intensidade, e usam o espaço com eficiência. Os painéis (em forma de caixa delgada) oferecem baixa a média intensidade e usam quantidades baixas ou médias de energia, como barras. Esse tipo de iluminação tende a ser mais caro que as barras, mas oferece uma melhor cobertura.

Saídas de calor

Apesar da eficiência dos LEDs, eles ainda produzem calor significativo. Em ambientes de cultivo confinado com muita luz, isso significa muitos custos de HVAC. Um equívoco comum é que os LEDS eliminam essa despesa. Embora os LEDs reduzam o custo da remoção de calor, o custo ainda existe e aumenta à medida que os produtores aumentam a densidade crescente.

Os LEDs mais frios são mantidos, mais eficientes e mais duradouros. A remoção de calor afeta o design de acessórios, painéis e barras. Os designers e engenheiros de LED têm várias opções para resfriar os LEDs:

  • Use LEDs de baixa potência para reduzir ao mínimo o calor produzido. Essa abordagem é comum no design de barras e painéis e normalmente limita essas técnicas para reduzir a demanda de colheitas leves, como alface.
  • Use extrusões ou aletas complicadas para aumentar a área da superfície e a capacidade de dissipar o calor da luz para o ar. Essa abordagem é comum no design de barras e acessórios, mas aumenta o custo total.
  • Use ventiladores e convecção forçada para circular o ar. Essa abordagem é mais comum em luminárias, que têm a granel para acomodar ventiladores, e é a opção mais eficaz de remoção de calor das três.

Garantias e classificações de eficiência de LEDs

Ao escolher um sistema de iluminação LED, é importante prestar atenção nos anos e horas listados nas garantias de luz. A expectativa de vida útil pode ser listada em anos, mas esse número algumas vezes é baseado em um cálculo usando um tempo de operação de horas baixas por dia. Muitas vezes, também existem classificações de eficiência percentual diferentes nas garantias, o que significa que um fabricante pode garantir uma eficiência de 70% em 70.000 horas, enquanto outros garantem uma eficiência de 90% em 50.000 horas.

Os produtores se beneficiam da leitura de letras pequenas neste caso. Os produtores também podem se beneficiar da leitura dos contratos de substituição de componentes do produto. Como as matrizes de LED geralmente são fabricadas em unidades grandes, em vez de peças removíveis e separadas, uma peça com defeito pode exigir a substituição de toda a matriz de iluminação.

Ao escolher o melhor sistema de iluminação LED, é necessário considerar todos os fatores contribuintes descritos aqui. Iniciar ou escalar uma fazenda lucrativa pode ser como correr sua primeira maratona. Toda a dor e preparação necessárias para ter sucesso podem parecer esmagadoras às vezes, mas a sensação de realização e força aumentada quando você cruza a linha de chegada faz com que tudo valha a pena.

Bons cultivos ;)

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