Actual potencial de la eficiencia de los LEDs // Paul Kusuma, P. Morgan Pattison and Bruce Bugbee

Este fin de semana estuvimos revisando un artículo que ha salido en www.nature.com sobre la eficiencia y potencial de los actuales LEDs que hay en el mercado hortícola.

De este artículo que, es bastante extenso, hemos seleccionado y traducido varios trozos del mismo para que en resumen, sepáis las diferencias que hay entre colores y, la elección de los fabricantes de luminarias LED para fabricar su portfolio. Muchos de vosotros nos habéis preguntando en varias ocasiones el objetivo de tener o no tener diferentes colores, luminarias de luz blanca (espectro completo) o luminarias rojo-azul (luz púrpura).

La decisión de elección de luminarias (no a nivel técnico) será por varios factores que entre ellos son:

  1. Tipo de cultivo
  2. Objetivo del cultivo
  3. Especie a cultivar
  4. Instalaciones
  5. Presupuesto

Os dejamos varios fragmentos del artículo que lo podéis encontrar originalmente en Nature: https://www.nature.com/articles/s41438-020-0283-7.pdf

Los diodos emisores de luz (LED) han permitido un histórico aumento en la conversión de energía eléctrica a fotones, pero esto se acerca a un límite físico. La máxima eficiencia teórica ocurre cuando toda la energía de entrada se convierte en energía en fotones fotosintéticos. Los LED azules pueden ser 93% eficientes, los “blancos” convertidos con fósforo 76% eficientes, y los LED rojos 81% eficientes. Estas mejoras abren nuevas oportunidades para la iluminación hortícola. Aquí revisamos la física fundamental y la eficiencia de los LED, la eficacia actual de los LED, el efecto de la calidad espectral en el rendimiento del cultivo, y la eficacia potencial de las luminarias LED hortícolas. Avances en la conversión de fotones en rendimiento puede lograrse mediante la optimización de los efectos espectrales sobre la morfología de las plantas, que varían entre especies. Por el contrario, los efectos espectrales sobre la fotosíntesis son notablemente similares en todas las especies, pero la definición convencional de fotones fotosintéticos (400–700 nm) puede necesitar ser modificada. El límite superior de la eficacia del dispositivo LED está determinado por la eficacia del paquete LED multiplicada por cuatro factores inherentes a todos los dispositivos: 

  1. Caída de corriente
  2. Caída térmica 
  3. Ineficiencias del controlador (fuente de alimentación)
  4. Pérdidas ópticas. 

Con la tecnología LED actual, los cálculos indican límites de eficacia de 3.4 μmol J − 1 para luminarias con blancos + rojos, y 4.1 μmol J − 1 para luminarias con azules + rojos. Agregar protección óptica contra el agua y la alta humedad reduce estos valores en ~ 10%. Describimos las compensaciones entre la eficacia máxima y el costo. Física.

El término eficiencia se aplica a las razones con las mismas unidades en el numerador y el denominador, que se pueden expresar como un porcentaje. La eficiencia del LED describe la salida óptica más baja dividida por la entrada de energía eléctrica (Watt / Watts o %). El término eficacia se aplica a las relaciones con diferentes unidades. En iluminación hortícola, la eficacia se refiere a micromoles de salida de fotones por segundo, por vatio (W) de potencia de entrada. Como un vatio es un julio por segundo (W o J *seg), esto se simplifica a μmol por julio. 

La relación entre la energía fotónica y la longitud de onda se expresan en la relación Planck-Einstein, a menudo llamada ecuación de Planck. Esta ecuación establece que la energía es inversamente proporcional a la longitud de onda (E ¼ hc λ). Esta ecuación se usa para convertir entre eficiencia y eficacia, y se usa para calcular el fotón fotosintético máximo posible eficacia para un espectro dado. Al convertir la eficiencia del LED en eficacia, obtenemos las unidades apropiadas para determinar el impacto de los fotones en las plantas por energía eléctrica de entrada. Esto sigue a otro

La ley física llamada Ley de Stark-Einstein, que establece que por cada fotón absorbido, solo una molécula puede reaccionar. Esta Ley puede ser reformulada para decir que un fotón excita un electrón. En este documento, la eficacia de los fotones se limita a los fotones entre 400 y 700 nm, excepto en el caso de los LED rojos lejanos, donde se incluyen fotones de hasta 800 nm. Los fabricantes de paquetes de LED a menudo informan la eficacia en lúmenes por vatio (watt), porque esta es una métrica significativa para la iluminación humana, pero no es aplicable para la iluminación hortícola porque es una medida de fotones ponderados para la visión humana en función de la respuesta del ojo humano a diferentes colores.

Eficiencia fundamental de los LED

La eficiencia fundamental de los LED (paquetes de LED) es el producto de las siguientes tres subeficiencias:

1. Eficiencia eléctrica: la relación entre la energía de fotones emitida expresada en voltios de electrones y el voltaje aplicado (Vphoton / Vf), afectada por la resistencia eléctrica interna del LED.

2. La eficiencia cuántica interna (fotón por electrón): la conversión de electrones a fotones, afectada por vías de recombinación no radiativas, incluidas impurezas y defectos microfísicos.

3. Eficiencia de extracción de fotones: la proporción de fotones que salen del material semiconductor LED con respecto a los fotones generados totales, afectados por la reflexión interna y la reabsorción. Pérdidas al extraer fotones de un paquete de LED se denominan «pérdidas de paquete» dentro de la industria del LED. Estos pueden variar mucho entre los tipos de paquetes de LED.

Los LED blancos también incurrirán en pérdidas de conversión de fósforo, que se discutirán más adelante en el documento. Para una descripción más completa de la eficiencia del LED. Se han realizado mejoras incrementales en cada uno de los tres factores anteriores, lo que resultó en una mejora sustancial de los paquetes de LED en los últimos 10 años. Ahora, los LED rojo, rojo, blanco y azul, respectivamente, pueden ser 77, 81, 76 y 93% eficientes

LEDs blancos

Los LED blancos consisten en LED azules con un revestimiento de material luminiscente (por ejemplo, un material de fósforo, típicamente Y3Al5O12: Ce) que absorbe fotones y luminiscencia azules en longitudes de onda más largas. Los LED blancos con conversión de fósforo están diseñados para transmitir algunos fotones azules, y el resto se convierte en longitudes de onda más largas. Los tipos y cantidades de fósforo varían para crear múltiples matices y calidades de color. La Figura 1 muestra una relación general entre la temperatura de color correlacionada (CCT) y el porcentaje de fotones azules (400–500 nm).

Los términos comúnmente utilizados para asociar nombres con temperaturas de color son blanco cálido (2500–3500 K), blanco neutro (3500–4500 K), blanco frío (4500–5500 K) y luz diurna (5500–7500 K). A menudo se prefiere un CCT más bajo (2700–4000 K) y un CRI más alto (más de 80) para la iluminación interior para proporcionar calidades de luz incandescentes para humanos. El aumento de la densidad de los recubrimientos de fósforo y el mayor uso de materiales de fósforo rojo disminuye la eficiencia. Un LED de 6500 K (luz diurna) con aproximadamente 30% de fotones azules puede tener el 95% de la salida de fotones de su contraparte de LED azul sin conversión de fósforo, pero este valor disminuye a 80-85% para un LED blanco cálido con 10% de fotones azules.

Además, a medida que aumenta la salida óptica de los LED blancos, la eficiencia del fósforo disminuirá. Esto se debe a la conversión, la energía y las pérdidas ópticas dentro del proceso de conversión de fósforo.

Efectos espectrales sobre la forma de la planta y la fotosíntesis.

Los fotones excitan a los electrones y, por lo tanto, la fotobiología es impulsada por la cantidad de fotones, no por energía o lúmenes. Los fotones biológicamente activos deben tener una energía suficientemente alta para excitar los fotorreceptores de pigmento, y existen múltiples fotorreceptores con funciones de ponderación para las longitudes de onda, que se derivan biofísica o empíricamente. Los lúmenes son un ejemplo de una función de ponderación aplicada a un flujo de fotones y distribución espectral para la función visual humana.

El efecto de la calidad espectral en la forma de la planta es sinérgico entre las longitudes de onda, interactúa con la intensidad, varía entre las especies y puede variar durante el ciclo de vida de la planta.

Sin embargo, algunos principios se aplican a todas las especies. Los impactos del espectro en el crecimiento y desarrollo de las plantas son mucho mayores en la iluminación de fuente única que en la iluminación suplementaria de invernadero donde la iluminación eléctrica constituye sólo una pequeña parte de la dieta de iluminación de la planta. En biología vegetal, los espectros se separan tradicionalmente en las siguientes categorías generales.

Los fotones ultravioletas se dividen en tres grandes categorías: UV-C (100–280 nm), UV-B (280–315 / 320 nm) y UV-A (315 / 320–400 nm). La longitud de onda a la que se separan los rayos UV-C y UV-B (280 nm) está determinada por la longitud de onda más corta de la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra. La longitud de onda a la que se separan los rayos UV-B y UV-A (315 o 320 nm) generalmente está determinada por el efecto del sol sobre las quemaduras solares de la piel humana (315 nm) o el cáncer de piel (320 nm). No existe un acuerdo universal sobre la transición de longitud de onda entre UV-B y UV-A, ambos se utilizan por igual. Afortunadamente, los fotones UV-C están completamente bloqueados por nuestra atmósfera porque son muy dañinos para los organismos biológicos. Los fotones UV-B también son perjudiciales, pero pueden tener efectos beneficiosos, incluida una mayor producción de metabolitos secundarios. Los fotones UV-A son menos dañinos que los UV-B y pueden tener efectos estimulantes o inhibitorios sobre el crecimiento de las plantas, dependiendo de las especies y los factores ambientales que interactúan.

A 25 ° C y 350 mA, los LED UV-B y UV-C son solo ~ 3% eficientes, pero estos fotones pueden tener grandes efectos biológicos en pequeñas cantidades. A 25 ° C y 700 mA, la eficiencia de los LED UV-A aumenta del 50 al 60% a medida que la longitud de onda aumenta de 370 a 395 nm. Un LED violeta con un pico entre 402 y 408 nm es ~ 65% eficiente, y tiene 15-30% de sus fotones por debajo de 400 nm. La eficiencia aumentará a medida que disminuya la densidad de corriente.

Basado en estudios de McCree, PAR solo incluye fotones con longitudes de onda entre 400 y 700 nm. Sin embargo, los estudios de McCree muestran diferencias significativas en la eficiencia fotosintética de las especies a longitudes de onda inferiores a ~ 425 nm. Algunas especies, como el rábano, tienen fotosíntesis igual entre 375 y 500 nm. Fotones entre 350 y 400 nm puede ser fotosintético, pero una fracción alta es típicamente absorbida por pigmentos no fotosintéticos.

Los fotones azules (400–500 nm) reducen la altura de la planta y la expansión de la hoja en casi todas las especies. Debido a la absorción por los pigmentos inactivos (por ejemplo, antocianina), los fotones azules son ~ 20% menos eficientes fotosintéticamente que los fotones del LED rojo más común (660 nm). Sin embargo, las disminuciones inducidas por el azul en el área de la hoja (reduciendo la captura de fotones) pueden tener un efecto mayor en el crecimiento general de la planta que la reducción inducida por el azul en la tasa fotosintética. Un rango de 5 a 30% de azul se usa típicamente en instalaciones de LED hortícolas para inhibir la extensión excesiva del tallo y reducir la altura de la planta, lo que generalmente es beneficioso para el crecimiento en ambiente controlado.

Los fotones verdes (500–600 nm) mejoran la percepción humana del color. Desafortunadamente, los LED verdes monocromáticos de emisión directa (sin conversión de fósforo) tienen baja eficacia. Los LED blancos (azules convertidos con fósforo) se utilizan para proporcionar los fotones verdes que son importantes para la visión humana; y tienen el beneficio adicional de proporcionar fotones azules y rojos. Los fotones verdes son hasta un 10% menos eficientes fotosintéticamente que los fotones del LED rojo más común (660 nm) 26,27, pero penetran más profundamente en el dosel de las plantas que los fotones azules o rojos. El efecto de los fotones verdes en la forma de la planta es generalmente mucho menor que los efectos de los fotones azules o rojos lejanos. Los estudios en Arabidopsis sugieren que los fotones verdes pueden revertir los efectos de los fotones azules (por ejemplo, inhibición del alargamiento del hipocotilo) o inducir la evitación de la sombra (por ejemplo, aumento del alargamiento del tallo, reducción de la ramificación).

Algunos estudios sugieren que la evitación de la sombra inducida por el verde también ocurre en cultivos alimentarios y otras plantas económicamente valiosas, pero varios otros estudios han demostrado efectos mínimos.

Los fotones rojos (600–700 nm) son bien absorbidos por las hojas, son fotosintéticamente eficientes y los LED los generan de manera eficiente, por lo que son ampliamente utilizados en instalaciones hortícolas. El paradigma clásico ha sido que el rojo y el cultivo actúan de manera antagónica para inhibir o inducir síntomas de evitación de sombra, como el alargamiento del tallo, la hoja hiponastia de orientación y / o ramificación reducida. 

Sin embargo, la alta absorción de los fotones rojos por la clorofila significa que el impacto del rojo en las respuestas de sombra puede ser sobreestimado. Reemplazar los fotones verdes con fotones rojos tiene efectos mínimos en la forma de la planta, pero las plantas que crecen en ausencia total de fotones rojos y verdes (LED azules de origen único) pueden alargarse rápidamente.

Los fotones de color rojo lejano (700–800 nm) pueden tener efectos poderosos en la forma de la planta, y son generados eficientemente por LED, por lo que son una novedad prometedora a la iluminación hortícola. En algunas especies (especialmente lechuga), los fotones de color rojo lejano aumentan beneficiosamente la expansión de la hoja, pero también aumentan significativamente el alargamiento del tallo en muchas otras especies, lo que puede ser contraproducente. 

A pesar de la definición clásica de PAR, los estudios recientes indican que los fotones de color rojo lejano (700–750 nm) son fotosintéticamente sinérgicos con fotones de longitud de onda más corta. Estos fotones están siendo reconsiderados por su papel en la fotosíntesis. Los fotones rojos lejanos deben ser usados con precaución, particularmente en entornos de una sola fuente de luz, porque pueden inducir el alargamiento del tallo asociado con la evitación de la sombra.

Resumen

Los LED azules ahora son 93% eficientes, los «blancos» convertidos con fósforo son 76% eficientes y los rojos son 81% eficientes cuando se ejecutan óptimamente en condiciones de 100 mA/mm2 y una temperatura de unión de 25 ° C.

Tanto la temperatura de la unión como la densidad de corriente de los LED afectarán la eficacia de los fotones de los LED, y en general, el dispositivo LED más eficiente hará funcionar sus LED a bajas corrientes de disco. Sin embargo, una corriente de accionamiento más baja da como resultado una salida de fotones más baja por LED, y el dispositivo resultante requerirá muchos LED para lograr una salida de fotones alta y, por lo tanto, será más costoso.

La distribución de fotones de amplio espectro es útil para el diagnóstico de trastornos de las plantas. La iluminación de amplio espectro no es necesariamente beneficiosa para la fotosíntesis o el crecimiento de las plantas. Espectros únicos, aplicados selectivamente. Sin embargo, durante etapas específicas del ciclo de vida puede tener un efecto beneficioso sobre la forma y el desarrollo de la planta.

Los cálculos en este documento muestran los posibles niveles actuales de rendimiento de los dispositivos LED de 3.4 μmol J − 1 para dispositivos blancos + rojos, y 4.1 μmol J − 1 para dispositivos azules + rojos. Estos valores son significativamente más altos que los valores típicos actuales de 2–3 μmol J − 1. 

Aunque la eficacia de la luminaria es primordial, el tiempo y el suministro angular de fotones a los tejidos fotosintéticos, el espectro y la intensidad también determinan la efectividad del sistema de suministro de fotones. Por consiguiente, la iluminación eficiente se combina con la temperatura óptima, la humedad, la nutrición, el potencial hídrico de la planta, la concentración de dióxido de carbono atmosférico, el suministro de oxígeno a las superficies de las raíces y la genética.

Créditos: Kusuma et al. Horticulture Research ( 2020)7 :56 Horticulture Research https://doi.org/10.1038/s41438-020-0283-7     www.nature.com/hortres

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