Tecnologie green: pannelli LSC per la crescita di vegetali in serra

Tecnologie green: pannelli LSC per la crescita di vegetali in serra

Dall’utilizzo nell’edilizia all’agricoltura: stiamo parlando di sistemi in grado di manipolare la luce solare per influenzare la crescita e la qualità delle coltivazioni

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Notizie dal mondo agroalimentare:
prodotti, mercati, tecnologie, processi di filiera

22

Giugno
2021

A cura di Yuri Costa,
Ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie

L’obiettivo di questo contributo è quello di evidenziare l’importanza dell’utilizzo dei sistemi LSC - Luminescent Solar Concentrators (concentratori solari luminescenti) incorporati nelle serre, analizzando il funzionamento scientifico del complesso di attivazione tramite fluorescenza e la relativa applicazione pratica.

Gli LSC presentano diverse applicazioni tra cui:

  • possono essere inseriti nei pannelli fotovoltaici per migliorarne i rendimenti. I benefici che si evidenziano sono legati a un’evoluzione della domotica e della meccanizzazione e all’utilizzo di corrente "green" e a km0
  • permettono un’omogeneizzazione della luce diffusa e una conseguente irradiazione su tutta la coltivazione
  • sono in grado di modificare lo spettro solare e irradiare tramite fluorescenza: ciò provoca una ri-emissione nello spettro del rosso che permette di avere un migliore effetto energetico per quanto riguarda il processo di fotosintesi e una crescita più rapida.

Come funziona il sistema LSC

Il concentratore solare luminescente o LSC (figura 1) è una lastra solida costituita da una parte polimerica (solitamente PMMA) e da particelle disperse al proprio interno (AIEgens tra cui coloranti organici, quantum dot inorganici e gruppi fenilici). È noto fisicamente che qualsiasi movimento molecolare (rotazione, vibrazione) consuma energia. Le particelle disperse all’interno della matrice polimerica causano un impedimento allo spostamento e alla rotazione, quindi alla dissipazione energetica. Tale effetto permette al sistema di emettere la luce tramite fluorescenza. L' LSC è estremamente versatile grazie alla sua capacità intrinseca di concentrare efficacemente la luce incidente e riemetterla sotto forma di fluorescenza.

Figura 1 [1] - LSC di diversi colori

Come può essere utilizzato per la costruzione delle serre

L'intensità della luce, la durata, la distribuzione e anche la qualità spettrale sono fattori che hanno un ruolo importante nelle fasi di sviluppo delle coltivazioni; spesso è anche necessario modificare la tipologia di illuminazione a seconda delle diverse fasi di ciclo di vita della coltivazione (figura 2). Gli LSC sono impiegati nelle serre:

  1. per raccogliere la luce altrimenti sprecata e convertirla in elettricità tramite sistema fotovoltaico
  2. come elemento che permette di distribuire omogeneamente la luce sulle foglie
  3. per la conversione del colore della luce incidente e il conseguente miglioramento della crescita delle piante.
Figura 2 [2] - Serra a impianto LSC
Uso degli LSC in pannelli fotovoltaici

Gli LSC vengono introdotti all’interno dei pannelli fotovoltaici in modo da aumentarne la fluorescenza e avere un’intensità più elevata di luce assorbita. L'uso dei pannelli aumenta la potenza trasmessa dalle celle dal 9% al 37%, a seconda dell'allineamento e del posizionamento delle stesse. Studi sperimentali indicano come la stabilità sia valida per due anni.
Nel caso si decida di costruire una serra con impianto fotovoltaico annesso è necessario avviare la progettazione in fase di pre costruzione. Infatti esistono dei limiti tecnici per quanto riguarda la copertura che deve essere tra i 30 e i 45 gradi in inclinazione con orientamento ottimale verso sud. I vantaggi:

  • La struttura di fissaggio dell’impianto fotovoltaico su una serra può essere mobile: è possibile in questo modo ottimizzare l’orientamento dei moduli in funzione dell'inclinazione dei raggi solari.
  • L’energia prodotta dai pannelli fotovoltaici è utilizzata direttamente dai sistemi luminosi predisposti nella serra senza perdite di energia. Oltre al sistema di illuminazione si può fornire elettricità anche a sensori di umidità, temperatura e irrigazione che sono spesso automatizzati
  • Un vantaggio chiave rispetto ai sistemi di concentrazione convenzionali è che gli LSC possono assorbire sia la radiazione solare diretta sia quella diffusa. Non è quindi necessario predisporre un pannello in direzione dell’incidenza dei raggi solari.

Una serra con impianto fotovoltaico è quindi indipendente dal punto di vista dell’utilizzo dell’elettricità e può immettere ad altre utenze la parte che non è stata utilizzata.

Uso come elemento che omogenizza la distribuzione spettrale

È possibile posizionare piccoli pannelli nei pressi delle piante per migliorare alcune caratteristiche di produzione.

L’ LSC, se sintetizzato sotto forma di lunghe fibre, si può utilizzare per riflettere la luce nelle chiome, dove solitamente i raggi solari faticano maggiormente a penetrare. In questo modo l’LSC è usato per trasferire la luce dalla zona altamente illuminata sopra la chioma alla parte inferiore della pianta rendendo omogenea la dispersione di raggi solari e quindi la crescita e la maturazione.

Un altro interessante utilizzo degli LSC consiste nell'immersione della parte inferiore (figura 3) del dispositivo nel mezzo di crescita liquido delle alghe Arthrospira platensis.

Figura 3 [2] - Presenza di LSC bianco che permette la fluorescenza di luce all’interno del bagno di alghe

Questo sistema porta un miglioramento in percentuale compreso tra il 26% e il 44% nell’efficienza di produzione di biomassa e ficocianina all’interno dell’alga stessa. [2]

Conversione del colore della luce incidente

Gli LSC sono utilizzati anche per convertire la luce solare assorbita nello spettro di assorbimento utilizzato dal processo di sintesi della clorofilla. In questo caso vengono predisposti nel rivestimento esterno della serra.

Si hanno diversi vantaggi dell’utilizzo degli LSC in tale condizione:

  • Dato che la fotosintesi clorofilliana avviene prevalentemente su lunghezze d’onda del rosso, gli LSC assorbono i fasci di luce associati al verde e al giallo dello spettro solare e li riemettono sotto forma di luce rossa necessaria per il processo di fotosintesi
  • Gli LSC assorbono luce incidente e la riemettono tramite fluorescenza irradiandola nell’ambiente circostante. Diversi articoli riportano che la luce diffusa può migliorare la crescita dei vegetali, rispetto alla luce diretta. Se non ci fosse luce diffusa, solo le parti superiori delle foglie sarebbero illuminate. Si ha quindi una crescita più omogenea
  • L’uso dell’LSC nella scienza dei polimeri ha introdotto numerosi vantaggi in diverse aree come la resistenza all'infiammabilità in ambienti molto caldi, la stabilità agli agenti atmosferici esterni, la resistenza meccanica e l'effetto antiappannamento.

Come un sistema LSC migliora le performance della serra

Se a un film in PMMA (polimetilmetacrilato) vengono aggiunte nanoparticelle ossidi (SiO2, ZnO e TiO2) evidenze sperimentali dimostrano un miglioramento di diverse proprietà. Gli LSC nano-ibridi sono candidati promettenti per rivestimenti in serra grazie ai quali la radiazione diffusa penetra più in profondità nella parte superiore delle coltivazioni permettendo una migliore distribuzione della luce con incremento della fotosintesi e della crescita e un conseguente aumento di produttività dell’impianto.

Evidenze sulla fluorescenza

Si analizza l’emissione sotto forma di fluorescenza dei pannelli di LSC costituiti da PMMA drogati con diversi riempitivi di nano-ossido (figura 4). Si nota come si ha una maggiore fluorescenza per i pannelli LSC drogati. Questo avviene poiché le nanoparticelle di ossido disperse riducono i gradi di libertà traslazionale e rotazionale delle molecole e delle catene del PMMA. Si ha di conseguenza un accumulo di energia nel sistema, non dissipabile tramite movimento e quindi un più accennato fenomeno di fluorescenza. Il biossido di titanio ha una più elevata fluorescenza, la minima è data dalla lastra di PMMA singola.

Figura 4 [3] - Sulle ordinate si ha l’intensità di fluorescenza, sulle ascisse la lunghezza d’onda. Picco di fluorescenza a 600 nm
Evidenze sulla fotostabilità

La fotostabilità a lungo termine è uno degli elementi più critici in termini di degradazione per le applicazioni degli LSC. Essa viene analizzata in funzione del tempo di utilizzo (figura 5). È evidente che la fotodegradazione delle lastre di PMMA drogate è meno accentuata rispetto alle lastre di PMMA puro. È stato suggerito che l'introduzione di materiali nano-ossido negli LSC può essere considerata una soluzione efficace per ridurre l'effetto delle radiazioni UV dannose.

Figura 5 [3] - Andamento della fotodegradazione in funzione del tempo di irradiazione
Evidenze in fase di assorbimento ed emissione

La (figura 6) mostra lo spettro in cui avviene l’effetto di fotosintesi (rosso) rispetto agli spettri di assorbimento (verde) e fluorescenza (arancione) del film LSC e allo spettro solare (giallo). Si nota che il pannello LSC assorbe la banda di spettro del visibile corrispondente al colore giallo-verde che non è utilizzata dalla sintesi clorofilliana e la riemette sotto forma di luce rossa. In questo modo lo spettro di emissione sotto la serra è spostato verso il colore rosso, adeguandosi al livello di irraggiamento utilizzato dal processo di sintesi.

Figura 6 [3] - Spettri di assorbimento ed emissione del sistema LSC, spettro solare e spettro del processo di sintesi clorofilliana

I film LSC basati su nanoibridi PMMA sono quindi una valida alternativa alle tradizionali coperture in vetro delle serre perché il vetro è abbastanza inerte, a differenza del polimero, che può facilmente includere specie fluorescenti a basso costo che agiscono come convertitori di luce da giallo-verde a rosso. L'incorporazione di riempitivi di nanoossido ha offerto diversi vantaggi per gli LSC, come un'eccezionale stabilità agli agenti atmosferici per ZnO e TiO2. [3]

Poiché le applicazioni sono ancora in fase sperimentale, non si ha ancora una valutazione sui costi di tali impianti. Sarà nostra cura seguire i futuri sviluppi applicativi di questa interessante tecnologia.

Bibliografia
[1] Ludovico Maestri, relatore: Niccolò Aste, ANALISI PRESTAZIONALI DI UN COMPONENTE LSC INTEGRATO NELL’AMBITO EDILIZIO, tesi magistrale Politecnico di Milano, 2013
[2] Ioannis Papakonstantinou, Mark Portnoi, Michael G. Debije, The Hidden Potential of Luminescent Solar Concentrators, Advanced energy materials, 2020
[3] S.M. El-Bashir, F.F. Al-Harbi, H. Elburaih, F. Al-Faifi, I.S. Yahia, Red photoluminescent PMMA nanohybrid films for modifying the spectral distribution of solar radiation inside greenhouses, p. 928-938, Renewable Energy 85, 2016

Photo Credits: Markus Spiske


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