вступ

Світло відіграє ключову роль у процесі росту рослин. Це найкраще добриво для сприяння поглинанню рослинним хлорофілу та поглинанню різних властивостей росту рослин, таких як каротин. Однак вирішальним фактором, який визначає ріст рослин, є комплексний фактор, пов’язаний не лише зі світлом, але й невіддільний від конфігурації води, ґрунту та добрив, умов середовища зростання та комплексного технічного контролю.

За останні два-три роки надходили нескінченні повідомлення про застосування технології напівпровідникового освітлення щодо тривимірних рослинних фабрик або росту рослин. Але після уважного прочитання завжди виникає якесь незручне відчуття. Загалом, немає реального розуміння того, яку роль має відігравати світло у зростанні рослин.

Спочатку давайте розберемося зі спектром Сонця, як показано на малюнку 1. Можна побачити, що сонячний спектр є безперервним спектром, у якому синій і зелений спектри сильніші за червоний спектр, а спектр видимого світла коливається від 380-780 нм. Ріст організмів у природі пов’язаний з інтенсивністю спектра. Наприклад, більшість рослин у районі біля екватора ростуть дуже швидко, і в той же час розміри їх зростання є відносно великими. Але висока інтенсивність сонячного випромінювання не завжди є кращою, і існує певний ступінь вибірковості для росту тварин і рослин.

Малюнок 1. Характеристики сонячного спектру та його спектру видимого світла

По-друге, друга спектральна діаграма кількох ключових елементів поглинання росту рослин показана на малюнку 2.

Рисунок 2. Спектри поглинання кількох ауксинів у рості рослин

З рисунка 2 видно, що спектри поглинання світла кількох ключових ауксинів, які впливають на ріст рослин, значно відрізняються. Тому застосування світлодіодних світильників для росту рослин – справа не проста, а дуже цілеспрямована. Тут необхідно ввести поняття двох найважливіших фотосинтезуючих елементів росту рослин.

• Хлорофіл

Хлорофіл є одним з найважливіших пігментів, пов'язаних з фотосинтезом. Він існує в усіх організмах, які можуть здійснювати фотосинтез, включаючи зелені рослини, прокаріотичні синьо-зелені водорості (ціанобактерії) та еукаріотичні водорості. Хлорофіл поглинає енергію світла, яка потім використовується для перетворення вуглекислого газу на вуглеводи.

Хлорофіл a в основному поглинає червоне світло, а хлорофіл b переважно синьо-фіолетове світло, головним чином для того, щоб відрізнити тіньові рослини від сонячних. Співвідношення хлорофілу b до хлорофілу a в тіньових рослинах невелике, тому тіньові рослини можуть активно використовувати синє світло та адаптуватися до вирощування в тіні. Хлорофіл а синьо-зелений, а хлорофіл b жовто-зелений. Існує два сильних поглинання хлорофілу а і хлорофілу b, одне в червоній області з довжиною хвилі 630-680 нм, а інше в синьо-фіолетовій області з довжиною хвилі 400-460 нм.

• Каротиноїди

Каротиноїди — це загальний термін для класу важливих природних пігментів, які зазвичай містяться в жовтих, оранжево-червоних або червоних пігментах тварин, вищих рослин, грибів і водоростей. На сьогоднішній день виявлено понад 600 природних каротиноїдів.

Поглинання світла каротиноїдів охоплює діапазон OD303~505 нм, що забезпечує колір їжі та впливає на споживання їжі організмом. У водоростей, рослин і мікроорганізмів його колір покритий хлорофілом і не може проявитися. У клітинах рослин вироблені каротиноїди не тільки поглинають і передають енергію, щоб допомогти фотосинтезу, але також виконують функцію захисту клітин від руйнування збудженими молекулами кисню з одноелектронним зв’язком.

Деякі концептуальні непорозуміння

Незалежно від ефекту енергозбереження, селективності світла та координації світла, напівпровідникове освітлення показало великі переваги. Однак через швидкий розвиток за останні два роки ми також побачили багато непорозумінь у дизайні та застосуванні світла, які в основному відображені в наступних аспектах.

①Якщо червоні та сині чіпи з певною довжиною хвилі поєднуються в певному співвідношенні, їх можна використовувати для вирощування рослин, наприклад, співвідношення червоного до синього становить 4:1, 6:1, 9:1 і тому на.

②Поки це біле світло, воно може замінити сонячне світло, як-от триосновна біла світлова трубка, яка широко використовується в Японії тощо. Використання цих спектрів має певний вплив на ріст рослин, але ефект є не такий хороший, як світлодіодне джерело світла.

③Поки PPFD (щільність світлового квантового потоку), важливий параметр освітлення, досягає певного показника, наприклад, PPFD перевищує 200 мкмоль·м-2·с-1. Однак, використовуючи цей індикатор, ви повинні звернути увагу на те, тіньова це рослина чи сонячна. Вам потрібно запитати або знайти точку насичення компенсації світла цих рослин, яку також називають точкою компенсації світла. У реальних застосуваннях саджанці часто спалюються або в’януть. Тому розрахунок цього параметра повинен бути розроблений відповідно до виду рослини, середовища зростання та умов.

Що стосується першого аспекту, як було введено у вступі, спектр, необхідний для росту рослин, повинен бути безперервним спектром з певною шириною розподілу. Очевидно, недоцільно використовувати джерело світла, виготовлене з двох мікросхем із певною довжиною хвилі червоного та синього з дуже вузьким спектром (як показано на малюнку 3(a)). Під час експериментів було виявлено, що рослини, як правило, жовтуваті, стебла листя дуже світлі, а стебла листя дуже тонкі.

Для люмінесцентних трубок із трьома основними кольорами, які зазвичай використовувалися в попередні роки, хоча білий синтезується, червоний, зелений і синій спектри розділені (як показано на малюнку 3(b)), а ширина спектру дуже вузька. Спектральна інтенсивність наступної безперервної частини відносно слабка, а потужність все ще відносно велика порівняно зі світлодіодами, споживання енергії в 1,5-3 рази перевищує. Тому ефект використання не такий хороший, як світлодіодні ліхтарі.

Малюнок 3. Червоний і синій світлодіодний чіп для рослин і спектр флуоресцентного світла трьох основних кольорів

PPFD — це щільність світлового квантового потоку, яка відноситься до ефективної щільності світлового потоку випромінювання під час фотосинтезу, що представляє загальну кількість квантів світла, що падають на стебла листя рослини в діапазоні довжин хвиль від 400 до 700 нм на одиницю часу та на одиницю площі. . Його одиниця — мкЕ·м-2·с-1 (мкмоль·м-2·с-1). Фотосинтетично активне випромінювання (ФАР) відноситься до сумарної сонячної радіації з довжиною хвилі в діапазоні від 400 до 700 нм. Вона може бути виражена або квантами світла, або променистою енергією.

У минулому інтенсивність світла, що відбивається ілюмінометром, була яскравістю, але спектр росту рослини змінюється через висоту світильника від рослини, світлове покриття та те, чи може світло проходити крізь листя. Тому некоректно використовувати параметр як індикатор інтенсивності світла при вивченні фотосинтезу.

Як правило, механізм фотосинтезу може бути запущений, коли PPFD сонцелюбної рослини перевищує 50 мкмоль·м-2·с-1, тоді як PPFD тіньової рослини потребує лише 20 мкмоль·м-2·с-1 . Тому, купуючи світлодіодні ліхтарі для вирощування, ви можете вибрати кількість світлодіодних ліхтарів для вирощування на основі цього контрольного значення та типу рослин, які ви садите. Наприклад, якщо PPFD одного світлодіода становить 20 мкмоль·м-2·с-1, для вирощування рослин, які люблять сонце, потрібно більше 3 світлодіодних ламп.

Кілька конструктивних рішень напівпровідникового освітлення

Напівпровідникове освітлення використовується для росту або посадки рослин, і існує два основних еталонних методи.

• На даний момент в Китаї дуже актуальна модель кімнатних посадок. Ця модель має кілька характеристик:

①Роль світлодіодних ліхтарів полягає в тому, щоб забезпечити повний спектр освітлення рослин, а система освітлення повинна забезпечити всю енергію освітлення, а вартість виробництва є відносно високою;
②Дизайн світлодіодних світильників для росту повинен враховувати безперервність і цілісність спектра;
③Необхідно ефективно контролювати час освітлення та інтенсивність освітлення, наприклад, дозволити рослинам відпочити протягом кількох годин, інтенсивність опромінення недостатня або занадто сильна тощо;
④Увесь процес має імітувати умови, необхідні для фактичного оптимального середовища росту рослин на відкритому повітрі, такі як вологість, температура та концентрація CO2.

• Режим посадки на відкритому повітрі з хорошою основою для посадки у відкритому грунті. Характеристики цієї моделі:

①Роль світлодіодних ліхтарів полягає в доповненні світла. Один полягає в посиленні інтенсивності світла в синіх і червоних областях під опроміненням сонячного світла протягом дня, щоб сприяти фотосинтезу рослин, а інший полягає в тому, щоб компенсувати відсутність сонячного світла вночі, щоб сприяти росту рослин.
②Додаткове освітлення має враховувати, на якій стадії росту перебуває рослина, наприклад період сходів або період цвітіння та плодоношення.

Таким чином, дизайн світлодіодних світильників для вирощування рослин повинен спочатку мати два основних режими проектування, а саме: цілодобове освітлення (в приміщенні) та додаткове освітлення для росту рослин (зовнішнє). Для кімнатного вирощування рослин дизайн світлодіодних світильників повинен враховувати три аспекти, як показано на малюнку 4. Неможливо упакувати чіпси трьома основними кольорами в певній пропорції.

Малюнок 4. Ідея дизайну використання внутрішнього світлодіодного освітлення рослин для цілодобового освітлення

Наприклад, для спектра на стадії розплідника, враховуючи, що він потребує посилення росту коренів і стебел, посилення розгалуження листя, а джерело світла використовується в приміщенні, спектр можна спроектувати, як показано на малюнку 5.

Малюнок 5. Спектральні структури, придатні для світлодіодного інтер’єру дитячої кімнати

Що стосується дизайну другого типу світлодіодного світильника для вирощування, він в основному спрямований на дизайнерське рішення доповнення світла для сприяння посадці в основі відкритої теплиці. Ідея дизайну показана на малюнку 6.

Малюнок 6. Ідеї дизайну зовнішніх світильників для вирощування 

Автор пропонує, щоб більше компаній, які вирощують рослини, прийняли другий варіант використання світлодіодних ліхтарів для сприяння росту рослин.

Перш за все, вирощування теплиць у відкритому грунті в Китаї має десятиліття великий обсяг і широкий досвід як на півдні, так і на півночі. Має хорошу основу технології тепличного вирощування та забезпечує велику кількість свіжих фруктів та овочів на ринку навколишніх міст. Особливо в галузі ґрунту, води та внесення добрив були зроблені багаті результати досліджень.

По-друге, таке додаткове світлове рішення може значно зменшити непотрібне споживання енергії, і в той же час може ефективно збільшити врожайність фруктів і овочів. Крім того, велика географічна зона Китаю дуже зручна для просування.

Як наукове дослідження світлодіодного освітлення рослин, воно також забезпечує для нього більш широку експериментальну базу. На рис. 7 показано своєрідне світлодіодне освітлення для вирощування, розроблене цією дослідницькою групою, яке підходить для вирощування в теплицях, а його спектр показано на рис. 8.

Малюнок 7. Різновид світлодіодного освітлення

Рисунок 8, спектр різновиду світлодіодного освітлення

Згідно з наведеними вище ідеями дизайну, дослідницька група провела серію експериментів, і експериментальні результати дуже значні. Наприклад, для вирощування світла під час розплідника використовується оригінальна лампа денного світла з потужністю 32 Вт і циклом вирощування 40 днів. Ми пропонуємо світлодіодне освітлення потужністю 12 Вт, яке скорочує цикл розсади до 30 днів, ефективно знижує вплив температури ламп у розсадному цеху та економить енергоспоживання кондиціонера. Товщина, довжина та колір розсади кращі, ніж оригінальний розчин для вирощування розсади. Для розсади звичайних овочів також отримані хороші висновки перевірки, які підсумовані в наступній таблиці.

Серед них додаткова світлова група PPFD: 70-80 мкмоль·м-2·с-1 і червоно-синій коефіцієнт: 0,6-0,7. Діапазон денного значення PPFD природної групи становив 40~800 мкмоль·м-2·с-1, а відношення червоного до синього становило 0,6~1,2. Видно, що наведені показники кращі, ніж у природно вирощеної розсади.

Висновок

Ця стаття представляє останні розробки в застосуванні світлодіодних світильників для вирощування рослин і вказує на деякі непорозуміння щодо застосування світлодіодних ламп для вирощування рослин. Нарешті, представлено технічні ідеї та схеми розробки світлодіодних світильників для вирощування рослин. Слід зазначити, що є також деякі фактори, які необхідно враховувати при встановленні та використанні світла, наприклад, відстань між світлом і рослиною, діапазон випромінювання лампи та спосіб застосування світла за допомогою звичайна вода, добрива і грунт.

Автор: Yi Wang та ін. Джерело: CNKI