V článku se budeme věnovat příklady LED osvětlovacích systémů a přidružených komponentů, které se používají pro pěstování rostlin ve vnitřním prostředí. Mezi výrobce osvětlovacích systémů patří OSRAM, Luminous Devices, Würth Elektronik, ams, RayVio, Microchip Technology.
LED osvětlení pro pěstování
V dnešní době přechod z HPS (Vysokotlaké sodíkové výbojky) na LED osvětlovací systém je daleko jednodušší než před několika lety. Je to dáno velkou nabídkou LED lamp, u kterých dramaticky klesla cena, zvedl se výkon a prodloužila se životnost. Například červené LED diody GH CS8PM1.24-4T2U-1 od společnosti OSRAM nabízí spektrum od 646 do 666 nm a má výkon 425 mW s účinností 59%. Vyzařovací úhel je 80°.
Modré LED diody SST-10-B od Luminous Devices s vlnovou délkou 450 nm poskytují výkon 510 mW s účinností 57%. Vyzařovací úhel si lze zvolit mezi 90° a 130°. Würth Elektronik nabízí zelené LED diody 150353GS74500 se spektrem 525 nm a vyzařovacím úhlem 125°. Tito výrobci nabízejí LED diody i v jiných vlnových délkách, které pokrývají celé spektrum potřebné pro růst rostlin(obrázek 1).
Obrázek 1: Absorpční spektrum pigmentů rostlin, které hrají hlavní roli ve fotosyntéze, se pohybuje ve vlnových délkách od 400 do 700 nm. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)
Pěstování rostlin ve vnitřním prostředí skýtá řadu vědeckých disciplín, od botaniky po vědu o rostlinách a půdě až po elektronické monitorovací a kontrolní systémy. Světelný zdroj hraje v pěstování rostlin významnou roli. Za optimálních světelných podmínek dosažených pomocí LED osvětlení lze dosáhnout skutečně úžasných výsledků.
Často uváděným příkladem vnitřního pěstování je vertikální salátová farma Mirai v japonském městě Tagajo (obrázek 2). Tato farma o rozloze 7600 m2 se nachází v prostorách bývalé budovy společnosti Sony a spolehlivě funguje od roku 2015. Denně se zde sklízí tisíce hlávkového salátu a dalších rostlin. Jako světelný zdroj se používají LED diody v celkovém počtu 17 500 kusů. Pěstování je bez použití pesticidů, jelikož ve vnitřním prostředí je minimum škůdců. Oproti běžnému venkovního pěstování se používá jen 1/50 vody a vzniká o 40% méně odpadu.
Obrázek 2: Vertikální farma Mirai je druhá největší na světě a jedna z prvních, která začala fungovat. (Zdroj obrázku: National Geographic)
S univerzálností přichází problémy
Univerzálnost LED je jedna z jejích jedinečných a primárních výhod pro pěstování v interiérech, ale také jedna z vlastností, které komplikují použití. Jelikož jsou stmívatelné, musí jejich ovladače tuto schopnost podporovat. Dosažení správných vlnových délek pro danou růstovou fázi vyžaduje podrobnější znalost specifikace LED. LED si vyžaduje na rozdíl od žárovky spolehlivou a rychlou ochranu proti přetížení. Navíc u žárovky nebylo nutné řešit problémy s přizpůsobením k řídícímu obvodu.
Rychlý růst vertikálního zemědělství poskytl výrobcům osvětlovacích komponentů podnět k vývoji celých ekosystémů věnovaných této problematice. K dispozici je mnoho referenčních návrhů, vývojových desek a technické literatury.
Běžně je rozšířen mýtus, že LED diody produkují méně tepla než svítidla HPS. To platí pouze v případě, že LED svítidlo má nižší výkon. To znamená, že 600 W LED svítidlo a 600 W HPS světelný zdroj budou produkovat přibližně stejné množství tepla. Rozdíl mezi nimi je, kolik světelné energie je produkováno a jak je teplo vyzařováno ze svítidla.
Teplo z HPS světelných zdrojů může dosáhnout až 420°C a vyzařuje směrem k plodině, zatímco teplo při použití LED vzniká v zadní části. Tím teplo nevyzařuje směrem k plodině a ta není ohrožena zvýšenou teplotou. Toto je primární důvod, proč jsou LED diody pro vertikální zemědělství mnohem lepší než HPS. Led diody mohou být umístěny velmi blízko rostlin a nehrozí poškození rostlin.
Logicky z toho vyplývá, že by bylo vhodné zvolit LED diody s nízkým výkonem. To platí pro vícevrstvé pěstování, kde je osvětlení namontováno blízko rostlin. Většina LED s nízkým výkonem má pevný úhel vyzařování. Zatímco LED s vysokým výkonem jsou k dispozici s úhlem od 80 do 150 stupňů. Vysoce výkonné LED diody vhodné pro aplikace s vysokým stropem, kde jejich větší výkon může zajistit pokrytí větší plochy.
LED svítidlo sice negeneruje teplo v takové míře jako HPS, ale musí být rychle odstraněno pomocí systému řízení teploty, jinak se životnost LED výrazně sníží a hrozí úplné selhání osvětlovacího systému. Primárními metodami chlazení jsou pasivní chladiče. Druhou možností jsou aktivní chladící zařízení jako jsou ventilátory nebo vodou chlazené systémy. Toto aktivní chlazení má nevýhodu v tom, že jako každé jiné mechanické zařízení může selhat. To pak může vést k přehřátí LED a tím i k jejímu zničení.
Optimalizace životnosti
Životnost LED specifikovaná výrobcem se pohybuje od 20 000 do 50 000 hodin. Životnost je definována jako doba, kdy dojde ke snížení jasu o 70% oproti původní hodnotě. Cílem je zajistit, aby LED dosáhly jejich jmenovité životnosti a zároveň si zachovaly největší výkon. Toho se dosáhne stabilizací vstupního napětí a proudu. To je úkol pro drivery LED, které průběžně získávají data ze snímačů teploty a provádí korekci napájení k udržení optimálního výkonu. Pro dosažení optimálního výkonu je nutné měřit jas světelného zdroje v reálném čase. Tyto informace jsou opět předány driveru. Spektrální senzory jsou nákladově nejefektivnějším a nejméně složitým prostředkem k měření jasu.
Například ams poskytuje rodinu spektrálních senzorů, které měří skutečný spektrální profil LED v reálném čase a přímo řídí LED driver pro úpravu výstupního napětí. Tuto úpravu provádí dokud chromatičnost a intenzita osvětlení neodpovídá požadovaným hodnotám. Model AS7263-BLGT má šest nezávislých optických filtrů, které pokrývají spektrum od 600 do 870 nm (obrázek 3), zatímco AS7262-BLGT pokrývá spektrum 450 až 650 nm. Umožňují monitoring jednotlivé LED diody v rámci svítidla nebo celkového spektra, které dopadá přímo na rostlinu. Komunikace je zajištěna pomocí textových zpráv přes UART nebo přes I²C. Kromě optimalizaci životnosti LED mohou tyto senzory sloužit pro hlubší analýzu a výzkumu při pěstovaní rostlin ve vnitřním prostředí.
Obrázek 3: Světelný senzor AS7263-BLGT je citlivý na vlnové délky mezi 450 a 650 nm. Je to jeden z rodiny spektrálních senzorů, který měří spektrální profil LED v reálném čase a přímo řídí ovladač LED. (Zdroj obrázku: ams)
Ochrana obvodů
Většina aplikací vyžaduje, aby LED pásky byly napájeny zdrojem konstantního proudu. Návrh takového zdroje pro dlouhý LED pásek může být náročný. Ochrana obvodu závisí na více komponentách v řídicím systému, protože celý řídicí obvod musí být chráněn před přechodovými proudy. K ochraně proti přepětí se používá varistor (oxid kovu - MOV) umístěný na vstupu střídavého zdroje. Varistor poskytuje vysokou úroveň potlačení přechodného napětí a rovněž snižuje napětí způsobené účinky tzv. ring-wave efektu. Hlavním úkolem varistoru je absorbování potenciálně destruktivní energie a rozptyluje ji jako teplo. To chrání ostatní komponenty od přetížení.
Driver LED pásku obvykle obsahuje rezistor s kladným teplotním koeficientem (PTC), který chrání LED před nadproudem a přehřátím. Dále obsahuje TVS diodu pro ochranu před přepětím. Obvod usměrňovače by měl na výstupu obsahovat vysokonapěťovou DC pojistku pro sekundární ochranu. Doporučuje se také přidat vratnou pojistku v sérii s LED, aby se zabránilo tepelnému úniku.
Ve vertikálním pěstování se vyskytuje relativně vysoká teplota okolí a vysoká vlhkost, která je nutná pro správný růst rostlin. Je nutné zajistit, aby osvětlovací systém byl schopen pracovat v tomto náročném prostředí. V jiných aplikacích je osvětlení obvykle fixní a zůstává na jednom místě po celou dobu jejich provozu. Ve vertikálních farmách musí být svítidla navržena tak, aby se výška instalace světelného systému mohl měnit nebo dokonce mohl být přemístěn úplně. To ovlivňuje jejich požadavky na kabeláž, které jsou podrobně uvedeny ve standardu UL 8000.
Možnosti zapojení LED
Existují dva hlavní typy driverů (Low Voltage DC a High Voltage AC). Například technologie CL88030-E / MF od Microchipu je navržena pro napájení dlouhého řetězce nízkoproudých LED přímo ze 120, 230 nebo 277 VAC. Typická aplikace obsahuje driver v podobě integrovaného obvodu, čtyři výkonové FET tranzistory, čtyři odpory, dva kondenzátory a můstkový usměrňovač. Dodatečnou ochranu před přehřátím lze realizovat pomocí termistoru NTC (obrázek 4).
Obrázek 4: Aplikační obvod pro lineární driver CL88030-E / MF od Microchip Technology spolu s ochranným obvodem MOV. (Zdroj obrázku: Microchip Technology)
Počet LED diod, které lze umístit do série, závisí na driveru, vstupním napětí a bezpečnostních standardech. Umístění LED diod do jednoho řetězce má výhody v použití pouze jednoho driveru. To znamená, že každou LED diodou protéká stejný proud. Výsledkem je však vysoké výstupní napětí, a tím i použití větších součástek a potřeba řešit další bezpečnostní standardy.
Sériově paralelní zapojení má nižší vstupní napětí a snižuje riziko úrazu elektrickým proudem. Pokud jedna větev LED selže, další větve budou pokračovat v činnosti. Driver je však zdrojem konstantního proudu. Tím se do LED "tlačí" větší proud a hrozí přehřátí.
Nejlepší řešení je použití driveru pro každý LED řetězec. Toto řešení nabízí nejvyšší spolehlivost, ale zvyšuje náklady a zvyšuje velikost celého systému.
Problematika UV záření
V akademické a průmyslové sféře stále probíhá značná diskuse o možnosti využití LED v ultrafialové „B“ (UV-B) neviditelné části spektra mezi 280 až 385 nm. UV světlo bylo obecně považováno za méně zajímavé pro vnitřní zemědělství, protože je mimo fotosynteticky aktivní vlnové délky. Během posledních 15 let byl výzkum na toto téma minimální.
Reakce rostlin na UV-B světlo je pozoruhodná. UV-B světlo způsobí, že rostlina aktivuje své obranné mechanismy, aby ji chránila před těmito vlnovými délkami. Studie ukazují, že některé rostliny mohou při vystavení UV-B produkovat 15 různých obranných proteinů. Některé z těchto bílkovin ovlivňují vůni, barvu, chuť a odolnost rostliny vůči chorobám.
Na počátku roku 2000 byl objeven fotoreceptor specifický pro UV-B (UVR8) a charakterizován v roce 2011. Mechanismy, kterými UVR8 reguluje geny v rostlinách nejsou jasně pochopeny.
Nicméně v literatuře byly zaznamenány možné přínosy UV-B světla, od zvýšené tloušťky listů a voskovitosti, většího zbarvení listů v salátu červených listů a některých dalších rostlinách, vysoká odolnost vůči patogenům a hmyzu, zdvojnásobení doby skladování, zvýšená produkce prospěšných antioxidantů a flavonoidů a zlepšená nutriční hodnota ovoce a zeleniny.
Stále, ale není dostatek důkazů, zda použití UV-B osvětlení pro vnitřní pěstování stojí za značné investice do času, vybavení a školení. Nicméně jsou k dispozici UV LED zaměřené na jiné aplikace, jako je uV LED RVXR-280-SB-073105 od RayVio se spektrální vlnovou délkou 280 nm.
Závěr
Flexibilní LED diody nabízí mnoho výhod oproti HPS(Vysokotlaké sodíkové výbojky). Hlavní výhodou je možnost digitálního řízení výkonu a tím i eliminaci přehřívání. Celý osvětlovací systém se díky LED zmenší, a tak získáme prostor pro pěstování více rostlin. Vnitřní pěstování má výhodu v tom, že není potřeba použít chemikálie pro hubení škůdců, sníží se spotřeba vody oproti běžnému pěstování. Navíc dochází ke zvýšení nutriční hodnot a výnosnosti.
Článek vyšel v originále " How to Optimize LED Lighting Designs for Indoor Growing " na webu DigiKey.com, autorem je Barry Manz
