Введение

Свет играет ключевую роль в процессе роста растений. Это лучшее удобрение, способствующее усвоению хлорофилла растениями и усвоению различных веществ, способствующих росту растений, таких как каротин. Однако решающим фактором, определяющим рост растений, является комплексный фактор, связанный не только со светом, но и неотделимый от состава воды, почвы и удобрений, условий среды произрастания и всестороннего технического контроля.

За последние два-три года появлялось бесконечное количество сообщений о применении технологии полупроводникового освещения в трехмерных фабриках растений или выращивании растений. Но после внимательного прочтения всегда остается какое-то неловкое чувство. Вообще говоря, реального понимания того, какую роль свет должен играть в росте растений, нет.

Во-первых, давайте разберемся со спектром Солнца, как показано на рисунке 1. Видно, что солнечный спектр представляет собой непрерывный спектр, в котором синий и зеленый спектр сильнее красного спектра, а спектр видимого света колеблется от от 380 до 780 нм. Рост организмов в природе связан с интенсивностью спектра. Например, большинство растений в районе экватора растут очень быстро, и в то же время размеры их прироста относительно велики. Но высокая интенсивность солнечного излучения не всегда полезна, и существует определенная степень избирательности роста животных и растений.

Рисунок 1. Характеристики солнечного спектра и его спектра видимого света.

Во-вторых, вторая диаграмма спектра нескольких ключевых элементов поглощения роста растений показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Спектры поглощения нескольких ауксинов при росте растений.

Из рисунка 2 видно, что спектры поглощения света нескольких ключевых ауксинов, влияющих на рост растений, существенно различаются. Поэтому применение светодиодных светильников для выращивания растений – дело непростое, но весьма целенаправленное. Здесь необходимо ввести понятия о двух важнейших фотосинтетических элементах роста растений.

• Хлорофилл

Хлорофилл – один из важнейших пигментов, связанных с фотосинтезом. Он существует во всех организмах, способных осуществлять фотосинтез, включая зеленые растения, прокариотические сине-зеленые водоросли (цианобактерии) и эукариотические водоросли. Хлорофилл поглощает энергию света, которая затем используется для преобразования углекислого газа в углеводы.

Хлорофилл а поглощает преимущественно красный свет, а хлорофилл b — преимущественно сине-фиолетовый свет, главным образом для того, чтобы отличать тенистые растения от солнечных. Соотношение хлорофилла b к хлорофиллу а у тенистых растений невелико, поэтому тенистые растения могут активно использовать синий свет и адаптироваться к росту в тени. Хлорофилл а имеет сине-зеленый цвет, а хлорофилл b — желто-зеленый. Имеются два сильных поглощения хлорофилла а и хлорофилла b: одно в красной области с длиной волны 630-680 нм, другое в сине-фиолетовой области с длиной волны 400-460 нм.

• Каротиноиды

Каротиноиды — общий термин для класса важных природных пигментов, которые обычно содержатся в желтых, оранжево-красных или красных пигментах животных, высших растений, грибов и водорослей. На данный момент обнаружено более 600 природных каротиноидов.

Светопоглощение каротиноидов охватывает диапазон OD303~505 нм, что обеспечивает цвет пищи и влияет на ее поступление в организм. У водорослей, растений и микроорганизмов его окраска покрыта хлорофиллом и проявиться не может. В растительных клетках вырабатываемые каротиноиды не только поглощают и передают энергию, помогая фотосинтезу, но также выполняют функцию защиты клеток от разрушения возбужденными молекулами кислорода с одноэлектронной связью.

Некоторые концептуальные недоразумения

Независимо от энергосберегающего эффекта, избирательности света и координации света, полупроводниковое освещение показало большие преимущества. Однако в результате быстрого развития за последние два года мы также стали свидетелями множества недоразумений в проектировании и применении света, которые в основном отражаются в следующих аспектах.

①Пока красные и синие фишки определенной длины волны объединены в определенном соотношении, их можно использовать в выращивании растений, например, соотношение красного и синего составляет 4:1, 6:1, 9:1 и т. д. на.

②Пока это белый свет, он может заменить солнечный свет, например, трехосновная белая световая трубка, широко используемая в Японии и т. д. Использование этих спектров оказывает определенное влияние на рост растений, но эффект не так хорош, как источник света, сделанный светодиодом.

③Пока PPFD (плотность потока квантов света), важный параметр освещенности, достигает определенного показателя, например, PPFD превышает 200 мкмоль·м-2·с-1. Однако при использовании этого индикатора необходимо обращать внимание на то, теневое ли это растение или солнечное. Вам необходимо запросить или найти точку насыщения световой компенсации этих растений, которую также называют точкой световой компенсации. В реальных условиях саженцы часто сжигаются или засыхают. Следовательно, расчет этого параметра должен быть разработан в соответствии с видом растения, средой произрастания и условиями.

Что касается первого аспекта, как было сказано во введении, спектр, необходимый для роста растений, должен представлять собой непрерывный спектр с определенной шириной распределения. Очевидно, что нецелесообразно использовать источник света, состоящий из двух чипов с определенной длиной волны, красного и синего, с очень узким спектром (как показано на рисунке 3 (а)). В опытах установлено, что растения имеют желтоватый цвет, стебли листьев очень светлые, а стебли листьев очень тонкие.

Для люминесцентных ламп с тремя основными цветами, обычно использовавшимися в предыдущие годы, хотя синтезируется белый цвет, красный, зеленый и синий спектры разделены (как показано на рисунке 3 (б)), а ширина спектра очень узкая. Спектральная интенсивность следующей непрерывной части относительно слаба, а мощность по-прежнему относительно велика по сравнению со светодиодами и в 1,5–3 раза превышает энергопотребление. Поэтому эффект от использования не так хорош, как у светодиодных фонарей.

Рисунок 3. Светодиодное освещение для растений с красными и синими чипами и спектр флуоресцентного света с тремя основными цветами.

PPFD - это плотность потока квантов света, которая относится к эффективной плотности светового потока излучения света при фотосинтезе, которая представляет собой общее количество квантов света, падающих на стебли листьев растений в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм в единицу времени и единицу площади. . Его единица измерения — мкмоль·м-2·с-1 (мкмоль·м-2·с-1). Фотосинтетически активное излучение (ФАР) относится к общему солнечному излучению с длиной волны в диапазоне от 400 до 700 нм. Оно может выражаться либо квантами света, либо лучистой энергией.

Раньше интенсивность света, отражаемая люксметром, была яркостью, но спектр роста растений меняется из-за высоты светильника над растением, освещенности и того, может ли свет проходить через листья. Поэтому неверно использовать par в качестве показателя интенсивности света при изучении фотосинтеза.

Как правило, механизм фотосинтеза может быть запущен, когда PPFD солнцелюбивого растения превышает 50 мкмоль·м-2·с-1, тогда как PPFD теневыносливого растения требует всего 20 мкмоль·м-2·с-1. . Таким образом, при покупке светодиодных светильников для выращивания растений вы можете выбрать количество светодиодных светильников для выращивания растений, исходя из этого эталонного значения и типа растений, которые вы сажаете. Например, если PPFD одного светодиода составляет 20 мкмоль·м-2·с-1, для выращивания светолюбивых растений потребуется более 3 светодиодных лампочек.

Несколько конструктивных решений полупроводникового освещения

Полупроводниковое освещение используется для выращивания или посадки растений, и существует два основных эталонных метода.

• В настоящее время модель посадки в помещении очень популярна в Китае. Эта модель имеет несколько особенностей:

①Роль светодиодных светильников заключается в обеспечении полного спектра освещения растений, а система освещения должна обеспечивать всю энергию освещения, а себестоимость производства относительно высока;
②При проектировании светодиодных светильников для выращивания растений необходимо учитывать непрерывность и целостность спектра;
③Необходимо эффективно контролировать время и интенсивность освещения, например, давать растениям отдохнуть в течение нескольких часов, интенсивность облучения недостаточна или слишком сильна и т. д.;
④Весь процесс должен имитировать условия, необходимые для фактической оптимальной среды роста растений на открытом воздухе, такие как влажность, температура и концентрация CO2.

• Режим посадки на открытом воздухе с хорошей основой для посадки теплицы на открытом воздухе. Характеристики этой модели:

①Роль светодиодных фонарей – дополнять свет. Один из них — повысить интенсивность света в синих и красных областях при облучении солнечным светом в течение дня, чтобы способствовать фотосинтезу растений, а другой — компенсировать отсутствие солнечного света в ночное время, чтобы повысить скорость роста растений.
②Дополнительный свет должен учитывать, на какой стадии роста находится растение, например, период рассады или период цветения и плодоношения.

Таким образом, конструкция светодиодных светильников для выращивания растений должна сначала иметь два основных режима проектирования, а именно: круглосуточное освещение (в помещении) и дополнительное освещение для роста растений (на открытом воздухе). Для выращивания растений в помещении при проектировании светодиодных светильников для выращивания растений необходимо учитывать три аспекта, как показано на рисунке 4. Невозможно упаковать чипы с тремя основными цветами в определенной пропорции.

Рисунок 4. Дизайнерская идея использования светодиодных вспомогательных светильников для растений в помещении для круглосуточного освещения.

Например, для спектра на стадии питомника, учитывая, что он необходим для усиления роста корней и стеблей, усиления ветвления листьев, а источник света используется в помещении, спектр можно спроектировать, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Спектральные структуры, подходящие для светодиодного освещения в детской комнате.

При разработке второго типа светодиодных светильников для выращивания растений он в основном направлен на дизайнерское решение дополнительного света для содействия посадке растений в основании уличной теплицы. Идея конструкции представлена ​​на рисунке 6.

Рисунок 6. Идеи дизайна уличных светильников для выращивания растений. 

Автор предлагает, чтобы все больше компаний, занимающихся выращиванием растений, использовали второй вариант использования светодиодных фонарей для стимулирования роста растений.

Прежде всего, выращивание в теплицах на открытом воздухе в Китае имеет десятилетия большого объема и богатый опыт как на юге, так и на севере. Он имеет хорошую основу для технологии выращивания в теплицах и обеспечивает большое количество свежих фруктов и овощей на рынке близлежащих городов. Богатые результаты исследований были достигнуты, особенно в области почво-водопользования и выращивания удобрений.

Во-вторых, такое дополнительное освещение может значительно снизить ненужное потребление энергии и в то же время эффективно увеличить урожайность фруктов и овощей. Кроме того, обширная географическая территория Китая очень удобна для продвижения.

Будучи научным исследованием светодиодного освещения растений, оно также обеспечивает для него более широкую экспериментальную базу. На рис. 7 показан вид светодиодного светильника для выращивания растений, разработанного этой исследовательской группой и подходящего для выращивания в теплицах, а его спектр показан на рис. 8.

Рисунок 7. Разновидность светодиодного светильника для выращивания растений.

Рисунок 8. Спектр светодиодного светильника для выращивания растений.

В соответствии с изложенными выше дизайнерскими идеями исследовательская группа провела серию экспериментов, результаты которых весьма значительны. Например, для освещения в питомнике оригинальной лампой является люминесцентная лампа мощностью 32 Вт с циклом работы в питомнике 40 дней. Мы предоставляем светодиодное освещение мощностью 12 Вт, которое сокращает цикл рассады до 30 дней, эффективно снижает влияние температуры ламп в рассадном цехе и экономит энергопотребление кондиционера. Толщина, длина и цвет саженцев лучше, чем у оригинального раствора для выращивания рассады. Для рассады обычных овощей также были получены хорошие заключения проверки, которые сведены в следующую таблицу.

Среди них группа дополнительного света ППФД: 70-80 мкмоль·м-2·с-1 и соотношение красно-синий: 0,6-0,7. Диапазон дневных значений PPFD природной группы составлял 40–800 мкмоль·м-2·с-1, а соотношение красного и синего составляло 0,6–1,2. Видно, что приведенные выше показатели лучше, чем у саженцев, выращенных естественным путем.

Заключение

В этой статье представлены последние разработки в области применения светодиодных светильников для выращивания растений и указаны некоторые недоразумения в применении светодиодных светильников для выращивания растений. Наконец, представлены технические идеи и схемы разработки светодиодных светильников для выращивания растений, используемых для выращивания растений. Следует отметить, что есть также некоторые факторы, которые необходимо учитывать при установке и использовании освещения, такие как расстояние между источником света и растением, диапазон излучения лампы и способ применения света с обычная вода, удобрения и почва.

Автор: Йи Ван и др. Источник: ЦНКИ