Mosharafian S., Afzali S., WeaverG.M., van Iersel M., Velni J.M.

Optimal lighting control in greenhouse by incorporating sunlight prediction

Computers and Electronics in Agriculture 2021, 188, 106300; doi: 10.1016/j.compag.2021.106300

Negli ultimi anni numerosi studi hanno dimostrato come l’impiego della tecnica di illuminazione supplementare (IS) permette di incrementare le rese e la produttività delle colture. Attualmente la tecnologia di IS che si sta sviluppando più velocemente è quella light-emitting diodes (LEDs), che permette di adattare la quantità e qualità di radiazione emessa in funzione dell’ambiente di coltivazione e delle esigenze della pianta. Nell’utilizzo dell’IS, la principale voce di costo è rappresentata dal consumo dell’energia elettrica che risulta essere più efficiente per i moduli LEDs rispetto alle tecnologie precedenti, come ad esempio le lampade a vapore di sodio (HPS). Tuttavia, i LEDs possono essere completamente dimmerabili, ossia possono aumentare o diminuire la quantità di radiazione emessa in funzione dello stadio vegetativo della coltura e/o dell’intensità di radiazione solare. Attualmente il fabbisogno di radiazione fotosinteticamente attiva da apportare alle colture è espresso come daily light integral (DLI) ossia come le moli di fotoni fotosinteticamente attivi emesse su un metro quadrato di superficie coltivata, in 24 ore. Questo parametro non tiene conto della distribuzione della radiazione nell’arco della giornata, ossia dell’intensità luminosa o PPFD, che condiziona l’efficienza dell’attività fotosintetica. Infatti, è stato dimostrato che con bassi livelli di PPFD l’efficienza fotosintetica è più alta rispetto a quando l’intensità luminosa cresce. Quindi per ottimizzare l’utilizzo della tecnologia LEDs è necessario regolare l’intensità di emissione dei LEDs in funzione della quantità di radiazione solare emessa, ma per fare questo è necessario prevedere l’andamento della radiazione solare nell’arco della giornata. L’obiettivo di questo studio è quello di costruire un algoritmo che permetta di prevedere le intensità di radiazione solare durante il giorno, attraverso l’utilizzo del modello di Markov e considerando il costo dell’energia elettrica, e di simulare un piano di funzionamento dell’impianto LEDs che ne massimizzi il profitto.

Considerando l’andamento giornaliero dell’intensità solare (PPFD) come un processo markoviano, è stata costruita una matrice di transizione per prevedere il PPFD solare giornaliero, partendo dalle serie storiche presenti sui database. Siccome i livelli di radiazione e il fotoperiodo variano da un mese all’altro, è stata calcolata una matrice di transizione per ogni mese. Inoltre, al fine di ottenere un maggior grado di precisione del modello, il fotoperiodo giornaliero è stato diviso in quattro periodi. Questo permette di correggere la previsione del PPFD giornaliero riducendo gli errori dovuti alla variabilità delle condizioni climatiche. Al fine di massimizzare il profitto dell’impianto LEDs, il modello di previsione ha tenuto conto del costo variabile dell’energia elettrica nell’arco delle 24 ore. Per verificare l’efficacia del metodo sperimentale, quest’ultimo è stato comparato al metodo euristico, ossia il metodo di gestione dell’IS più comunemente utilizzato nelle serre commerciali, che prevede l’utilizzo di valori fissi di PPFD dell’impianto di IS ed un metodo base (proposto da un precedente lavoro effettuato dagli stessi autori) che suppone una completa conoscenza dei valori di PPFD della radiazione solare.

Dallo sviluppo dei modelli è emerso che il metodo proposto durante questo lavoro riduce il costo dell’energia elettrica derivante dall’utilizzo della tecnologia LEDs di circa il 46% rispetto al metodo euristico. Inoltre, specialmente nelle regioni mediterranee, bisogna considerare che l’impianto di IS viene utilizzato per circa sei mesi l’anno (da ottobre a marzo), per cui bisogna considerare la differenza di costi, in base al metodo utilizzato, in questi sei mesi. Infatti, durante questo periodo il metodo basato sulla previsione del PPFD permette una riduzione dei costi di circa il 36% rispetto alla metodologia tradizionale.

In generale, l’applicazione del metodo base permetterebbe di ridurre il costo di funzionamento dell’impianto LEDs, ma si basa su un assunto irreale che prevede la conoscenza dell’andamento del PPFD solare giornaliero a priori, mentre il metodo di gestione dell’impianto LEDs, proposto durante questo lavoro, prevede il PPFD solare giornaliero e permette di raggiungere valori di DLI ottimali per la coltura, riducendo i costi di assorbimento dell’energia elettrica. Tuttavia, questo modello in giorni completamente nuvolosi tende a sovrastimare il PPFD solare, andando quindi a fornire meno radiazione artificiale del necessario, mentre nelle giornate estive particolarmente soleggiate il PPFD solare può essere sottostimato e ciò può causare un eccesso di radiazione fornita attraverso i moduli LEDs. Invece, il modello euristico è di facile gestione, ma quasi sempre tende a fornire alle piante più radiazione del necessario e questo implica un maggior consumo di energia elettrica.

HTML: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168169921003173