Εισαγωγή

Το φως διαδραματίζει βασικό ρόλο στη διαδικασία ανάπτυξης των φυτών. Είναι το καλύτερο λίπασμα για την προώθηση της απορρόφησης της χλωροφύλλης των φυτών και την απορρόφηση διαφόρων ιδιοτήτων ανάπτυξης των φυτών όπως το καροτένιο. Ωστόσο, ο καθοριστικός παράγοντας που καθορίζει την ανάπτυξη των φυτών είναι ένας ολοκληρωμένος παράγοντας, όχι μόνο που σχετίζεται με το φως, αλλά και αναπόσπαστο από τη διαμόρφωση του νερού, του εδάφους και των λιπασμάτων, τις συνθήκες περιβάλλοντος ανάπτυξης και τον ολοκληρωμένο τεχνικό έλεγχο.

Τα τελευταία δύο ή τρία χρόνια, υπήρξαν ατελείωτες αναφορές σχετικά με την εφαρμογή της τεχνολογίας φωτισμού ημιαγωγών σχετικά με τα τρισδιάστατα εργοστάσια φυτών ή την ανάπτυξη των φυτών. Αλλά αφού το διάβασα προσεκτικά, υπάρχει πάντα κάποιο ανήσυχο συναίσθημα. Σε γενικές γραμμές, δεν υπάρχει πραγματική κατανόηση του ρόλου που πρέπει να διαδραματίσει το φως στην ανάπτυξη των φυτών.

Πρώτον, ας καταλάβουμε το φάσμα του ήλιου, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Μπορεί να φανεί ότι το ηλιακό φάσμα είναι ένα συνεχές φάσμα, στο οποίο το μπλε και το πράσινο φάσμα είναι ισχυρότερο από το κόκκινο φάσμα και το φάσμα ορατού φωτός κυμαίνεται από 380 έως 780 nm. Η ανάπτυξη των οργανισμών στη φύση σχετίζεται με την ένταση του φάσματος. Για παράδειγμα, τα περισσότερα φυτά στην περιοχή κοντά στον ισημερινό αναπτύσσονται πολύ γρήγορα και ταυτόχρονα το μέγεθος της ανάπτυξής τους είναι σχετικά μεγάλο. Αλλά η υψηλή ένταση της ακτινοβολίας του ήλιου δεν είναι πάντα το καλύτερο και υπάρχει ένας ορισμένος βαθμός επιλεκτικότητας για την ανάπτυξη των ζώων και των φυτών.

Εικόνα 1, τα χαρακτηριστικά του ηλιακού φάσματος και του ορατού φάσματος φωτός του

Δεύτερον, το δεύτερο διάγραμμα φάσματος πολλών βασικών στοιχείων απορρόφησης της ανάπτυξης των φυτών φαίνεται στο σχήμα 2.

Εικόνα 2, Φάσματα απορρόφησης αρκετών αυξίνων στην ανάπτυξη των φυτών

Μπορεί να φανεί από το Σχήμα 2 ότι τα φάσματα απορρόφησης φωτός πολλών βασικών αυξινών που επηρεάζουν την ανάπτυξη των φυτών είναι σημαντικά διαφορετικά. Ως εκ τούτου, η εφαρμογή των φώτων ανάπτυξης φυτών LED δεν είναι απλό θέμα, αλλά πολύ στοχευμένο. Εδώ είναι απαραίτητο να εισαχθούν οι έννοιες των δύο πιο σημαντικών στοιχείων ανάπτυξης των φωτοσυνθετικών φυτών.

• Χλωροφύλλη

Η χλωροφύλλη είναι μία από τις σημαντικότερες χρωστικές που σχετίζονται με τη φωτοσύνθεση. Υπάρχει σε όλους τους οργανισμούς που μπορούν να δημιουργήσουν φωτοσύνθεση, συμπεριλαμβανομένων των πράσινων φυτών, των προκαρυωτικών μπλε-πράσινων φυκών (κυανοβακτηρίδια) και των ευκαρυωτικών φυκών. Η χλωροφύλλη απορροφά την ενέργεια από το φως, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του διοξειδίου του άνθρακα σε υδατάνθρακες.

Η χλωροφύλλη Α απορροφά κυρίως το κόκκινο φως και η χλωροφύλλη β απορροφά κυρίως το μπλε-ιώδες φως, κυρίως για να διακρίνει τα φυτά σκιάς από τα ηλιακά φυτά. Η αναλογία της χλωροφύλλη β προς τη χλωροφύλλη Α των φυτών σκιάς είναι μικρή, έτσι τα φυτά σκιάς μπορούν να χρησιμοποιήσουν έντονα το μπλε φως και να προσαρμοστούν στην ανάπτυξη σε σκιά. Η χλωροφύλλη Α είναι μπλε-πράσινο και η χλωροφύλλη β είναι κίτρινο-πράσινο. Υπάρχουν δύο ισχυρές απορροφήσεις χλωροφύλλης Α και χλωροφύλλη Β, μία στην κόκκινη περιοχή με μήκος κύματος 630-680 nm και το άλλο στην περιοχή μπλε-ιώδους με μήκος κύματος 400-460 nm.

• καροτενοειδή

Τα καροτενοειδή είναι ο γενικός όρος για μια κατηγορία σημαντικών φυσικών χρωστικών, οι οποίες βρίσκονται συνήθως σε κίτρινες, πορτοκαλί-κόκκινες ή κόκκινες χρωστικές σε ζώα, υψηλότερα φυτά, μύκητες και άλγη. Μέχρι στιγμής έχουν ανακαλυφθεί περισσότερα από 600 φυσικά καροτενοειδή.

Η φωτεινή απορρόφηση των καροτενοειδών καλύπτει το εύρος των OD303 ~ 505 nm, το οποίο παρέχει το χρώμα των τροφίμων και επηρεάζει την πρόσληψη τροφής του σώματος. Στα φύκια, τα φυτά και τους μικροοργανισμούς, το χρώμα του καλύπτεται από χλωροφύλλη και δεν μπορεί να εμφανιστεί. Στα φυτικά κύτταρα, τα καροτενοειδή που παράγονται όχι μόνο απορροφούν και μεταφέρουν ενέργεια για να βοηθήσουν τη φωτοσύνθεση, αλλά και να έχουν τη λειτουργία της προστασίας των κυττάρων από το να καταστραφούν από διεγερμένα μόρια οξυγόνου με μονό ηλεκτρόνιο.

Μερικές εννοιολογικές παρεξηγήσεις

Ανεξάρτητα από το αποτέλεσμα εξοικονόμησης ενέργειας, την εκλεκτικότητα του φωτός και τον συντονισμό του φωτός, ο φωτισμός ημιαγωγών έχει δείξει μεγάλα πλεονεκτήματα. Ωστόσο, από την ταχεία ανάπτυξη των τελευταίων δύο ετών, έχουμε επίσης δει πολλές παρεξηγήσεις στο σχεδιασμό και την εφαρμογή του φωτός, οι οποίες αντικατοπτρίζονται κυρίως στις ακόλουθες πτυχές.

① Όσο τα κόκκινα και τα μπλε τσιπ ενός ορισμένου μήκους κύματος συνδυάζονται σε μια συγκεκριμένη αναλογία, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην καλλιέργεια φυτών, για παράδειγμα, η αναλογία του κόκκινου προς μπλε είναι 4: 1, 6: 1, 9: 1 και έτσι επί.

② Όσο είναι το λευκό φως, μπορεί να αντικαταστήσει το φως του ήλιου, όπως ο τριών προ-προ-προ-προ-λευκός σωλήνας φωτός που χρησιμοποιείται ευρέως στην Ιαπωνία, κλπ. Η χρήση αυτών των φάσματος έχει μια ορισμένη επίδραση στην ανάπτυξη των φυτών, αλλά το αποτέλεσμα είναι Όχι τόσο καλή όσο η πηγή φωτός που έγινε από το LED.

Το PPFD (πυκνότητα της κβαντικής ροής φωτός), μια σημαντική παράμετρος φωτισμού, φτάνει σε έναν ορισμένο δείκτη, για παράδειγμα, το PPFD είναι μεγαλύτερη από 200 μmol · Μ-2 · S-1. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιείτε αυτόν τον δείκτη, πρέπει να δώσετε προσοχή στο αν πρόκειται για φυτό σκιάς ή φυτού ηλίου. Πρέπει να ζητήσετε ή να βρείτε το σημείο κορεσμού του φωτός αυτών των φυτών, το οποίο ονομάζεται επίσης σημείο αντιστάθμισης φωτός. Σε πραγματικές εφαρμογές, τα φυτά συχνά καίγονται ή μαραθούν. Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός αυτής της παραμέτρου πρέπει να σχεδιαστεί σύμφωνα με τα είδη φυτών, το περιβάλλον ανάπτυξης και τις συνθήκες.

Όσον αφορά την πρώτη πτυχή, όπως εισάγεται στην εισαγωγή, το φάσμα που απαιτείται για την ανάπτυξη των φυτών θα πρέπει να είναι ένα συνεχές φάσμα με ένα συγκεκριμένο πλάτος κατανομής. Είναι προφανώς ακατάλληλο να χρησιμοποιείτε μια φωτεινή πηγή κατασκευασμένη από δύο συγκεκριμένες μάρκες μήκους κύματος κόκκινου και μπλε με πολύ στενό φάσμα (όπως φαίνεται στο σχήμα 3 (α)). Στα πειράματα, διαπιστώθηκε ότι τα φυτά τείνουν να είναι κιτρινωπά, τα στελέχη των φύλλων είναι πολύ ελαφριά και τα στελέχη των φύλλων είναι πολύ λεπτά.

Για τους φθορίζοντες σωλήνες με τρία βασικά χρώματα που χρησιμοποιούνται συνήθως τα προηγούμενα έτη, αν και το λευκό συντίθεται, τα κόκκινα, τα πράσινα και τα μπλε φάσματα διαχωρίζονται (όπως φαίνεται στο σχήμα 3 (b)) και το πλάτος του φάσματος είναι πολύ στενό. Η φασματική ένταση του ακόλουθου συνεχούς τμήματος είναι σχετικά αδύναμη και η ισχύς εξακολουθεί να είναι σχετικά μεγάλη σε σύγκριση με τα LED, 1,5 έως 3 φορές την κατανάλωση ενέργειας. Επομένως, το αποτέλεσμα χρήσης δεν είναι τόσο καλό όσο τα φώτα LED.

Εικόνα 3, Φυσικό φάσμα φυτών κόκκινου και μπλε και μπλε τσιπ και τριών πρώτων φάσματος φωτός φθορισμού χρώματος

Το PPFD είναι η πυκνότητα ροής κβαντικής φωτός, η οποία αναφέρεται στην αποτελεσματική πυκνότητα φωτός φωτός ακτινοβολίας στη φωτοσύνθεση, η οποία αντιπροσωπεύει το συνολικό αριθμό των προσβληθείσες προσβληθείσες ποσοστό φωτός στα στελέχη των φυτικών φύλλων στο εύρος μήκους κύματος από 400 έως 700 nm ανά μονάδα και περιοχή μονάδας και μονάδα . Η μονάδα του είναι μΕ · Μ-2 · S-1 (μmol · Μ-2 · S-1). Η φωτοσυνθετικά ενεργή ακτινοβολία (PAR) αναφέρεται στη συνολική ηλιακή ακτινοβολία με μήκος κύματος στην περιοχή των 400 έως 700 nm. Μπορεί να εκφραστεί είτε από το Light Quanta είτε με ακτινοβολούμενη ενέργεια.

Στο παρελθόν, η ένταση του φωτός που αντανακλάται από το Illuminometer ήταν φωτεινότητα, αλλά το φάσμα της ανάπτυξης των φυτών μεταβάλλεται λόγω του ύψους του φωτισμού από το φυτό, της κάλυψης φωτός και του αν το φως μπορεί να περάσει από τα φύλλα. Επομένως, δεν είναι ακριβές να χρησιμοποιηθεί το PAR ως δείκτης έντασης φωτός στη μελέτη της φωτοσύνθεσης.

Γενικά, ο μηχανισμός φωτοσύνθεσης μπορεί να ξεκινήσει όταν το PPFD του εργοστασίου που αγαπάει τον ήλιο είναι μεγαλύτερο από 50 μmol · M-2 · S-1, ενώ το PPFD του σκιερό εργοστάσιο χρειάζεται μόνο 20 μmol · M-2 · S-1 . Ως εκ τούτου, κατά την αγορά LED Grow Lights, μπορείτε να επιλέξετε τον αριθμό των LED Grow Lights με βάση αυτή την τιμή αναφοράς και τον τύπο των φυτών που φυτεύετε. Για παράδειγμα, εάν το PPFD ενός μόνο LED LGHT είναι 20 μmol · M-2 · S-1, απαιτούνται περισσότεροι από 3 λαμπτήρες φυτών LED για την ανάπτυξη φυτών που αγαπούν τον ήλιο.

Αρκετές λύσεις σχεδιασμού φωτισμού ημιαγωγών

Ο φωτισμός ημιαγωγών χρησιμοποιείται για ανάπτυξη ή φύτευση φυτών και υπάρχουν δύο βασικές μεθόδους αναφοράς.

• Προς το παρόν, το μοντέλο εσωτερικής φύτευσης είναι πολύ ζεστό στην Κίνα. Αυτό το μοντέλο έχει πολλά χαρακτηριστικά:

Ο ρόλος των φώτων LED είναι να παρέχει το πλήρες φάσμα του φωτισμού των φυτών και το σύστημα φωτισμού απαιτείται για να παρέχει όλη την ενέργεια φωτισμού και το κόστος παραγωγής είναι σχετικά υψηλό.
② Ο σχεδιασμός των LED Grow Lights πρέπει να εξετάσει τη συνέχεια και την ακεραιότητα του φάσματος.
Είναι απαραίτητο για τον αποτελεσματικό έλεγχο του χρόνου φωτισμού και της έντασης φωτισμού, όπως η αφήγηση των φυτών να ξεκουραστούν για λίγες ώρες, η ένταση της ακτινοβολίας δεν είναι αρκετή ή πολύ ισχυρή κλπ.
Η όλη διαδικασία πρέπει να μιμηθεί τις συνθήκες που απαιτούνται από το πραγματικό βέλτιστο περιβάλλον ανάπτυξης των φυτών σε εξωτερικούς χώρους, όπως η υγρασία, η θερμοκρασία και η συγκέντρωση CO2.

• Λειτουργία εξωτερικής φύτευσης με καλό εξωτερικό θεμέλιο φύτευσης θερμοκηπίου. Τα χαρακτηριστικά αυτού του μοντέλου είναι:

Ο ρόλος των φώτων LED είναι να συμπληρώσει το φως. Το ένα είναι να ενισχύσουμε την ένταση του φωτός στις μπλε και τις κόκκινες περιοχές κάτω από την ακτινοβολία του ηλιακού φωτός κατά τη διάρκεια της ημέρας για την προώθηση της φωτοσύνθεσης των φυτών και ο άλλος είναι να αντισταθμιστεί όταν δεν υπάρχει φως του ήλιου τη νύχτα για την προώθηση του ρυθμού ανάπτυξης των φυτών
Το συμπληρωματικό φως πρέπει να εξετάσει σε ποιο στάδιο ανάπτυξης βρίσκεται το φυτό, όπως η περίοδος δενδρυλλίων ή η περίοδος ανθοφορίας και καρποφορίας.

Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός των φώτων ανάπτυξης των φυτών LED θα πρέπει πρώτα να έχει δύο βασικούς τρόπους σχεδιασμού, δηλαδή 24 ώρες φωτισμού (εσωτερικός) και φωτισμός συμπλήρωσης ανάπτυξης φυτών (υπαίθρια). Για την καλλιέργεια φυτών εσωτερικού χώρου, ο σχεδιασμός των φώτων Grow LED πρέπει να εξετάσει τρεις πτυχές, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Δεν είναι δυνατόν να συσκευάσουν τα τσιπ με τρία βασικά χρώματα σε ένα ορισμένο ποσοστό.

Εικόνα 4, Η ιδέα του σχεδιασμού της χρήσης φώτων ενίσχυσης φυτών εσωτερικού LED για φωτισμό 24 ωρών

Για παράδειγμα, για ένα φάσμα στο στάδιο του νηπιαγωγείου, θεωρώντας ότι πρέπει να ενισχύσει την ανάπτυξη των ριζών και των στελεχών, να ενισχύσει τη διακλάδωση των φύλλων και η πηγή φωτός χρησιμοποιείται σε εσωτερικούς χώρους, το φάσμα μπορεί να σχεδιαστεί όπως φαίνεται στο σχήμα 5.

Εικόνα 5, φασματικές δομές κατάλληλες για περιόδους εσωτερικού χώρου LED

Για το σχεδιασμό του δεύτερου τύπου LED Grow Light, απευθύνεται κυρίως στη λύση σχεδιασμού της συμπλήρωσης φωτός για την προώθηση της φύτευσης στη βάση του υπαίθριου θερμοκηπίου. Η ιδέα του σχεδιασμού φαίνεται στο σχήμα 6.

Εικόνα 6, Ιδέες σχεδίασης υπαίθριων φώτων 

Ο συγγραφέας προτείνει ότι περισσότερες εταιρείες φύτευσης υιοθετούν τη δεύτερη επιλογή για τη χρήση φώτων LED για την προώθηση της ανάπτυξης των φυτών.

Πρώτα απ 'όλα, η υπαίθρια καλλιέργεια του θερμοκηπίου της Κίνας έχει δεκαετίες σε μεγάλη ποσότητα και ένα ευρύ φάσμα εμπειρίας, τόσο στο νότο όσο και στο βορρά. Έχει μια καλή βάση της τεχνολογίας καλλιέργειας θερμοκηπίου και παρέχει μεγάλο αριθμό φρέσκων φρούτων και λαχανικών στην αγορά για τις γύρω πόλεις. Ειδικά στον τομέα του εδάφους και του νερού και των λιπασμάτων, έχουν γίνει πλούσια ερευνητικά αποτελέσματα.

Δεύτερον, αυτό το είδος συμπληρωματικού διαλύματος φωτός μπορεί να μειώσει σημαντικά την περιττή κατανάλωση ενέργειας και ταυτόχρονα μπορεί να αυξήσει αποτελεσματικά την απόδοση των φρούτων και των λαχανικών. Επιπλέον, η τεράστια γεωγραφική περιοχή της Κίνας είναι πολύ βολική για την προώθηση.

Ως επιστημονική έρευνα του LED φυτικού φωτισμού, παρέχει επίσης μια ευρύτερη πειραματική βάση για αυτό. Το σχήμα 7 είναι ένα είδος LED που αναπτύσσεται από αυτή την ερευνητική ομάδα, η οποία είναι κατάλληλη για την ανάπτυξη σε θερμοκήπια, και το φάσμα του φαίνεται στο σχήμα 8.

Εικόνα 7, ένα είδος LED αυξάνεται φως

Εικόνα 8, φάσμα ενός είδους LED αυξάνεται φως

Σύμφωνα με τις παραπάνω ιδέες σχεδιασμού, η ερευνητική ομάδα διεξήγαγε μια σειρά πειραμάτων και τα πειραματικά αποτελέσματα είναι πολύ σημαντικά. Για παράδειγμα, για την ανάπτυξη του φωτός κατά τη διάρκεια του φυτώριο, η αρχική λάμπα που χρησιμοποιείται είναι ένας λαμπτήρας φθορισμού με ισχύ 32 W και ένας κύκλος βρεφονηπιακού σταθμού 40 ημερών. Παρέχουμε ένα φως LED 12 W, το οποίο μειώνει τον κύκλο των δενδρυλλίων σε 30 ημέρες, μειώνει αποτελεσματικά την επίδραση της θερμοκρασίας των λαμπτήρων στο εργαστήριο δενδρυλλίων και εξοικονομεί την κατανάλωση ενέργειας του κλιματιστικού. Το πάχος, το μήκος και το χρώμα των φυτών είναι καλύτερο από το αρχικό διάλυμα αύξησης των δενδρυλλίων. Για τα φυτά των κοινών λαχανικών, έχουν επίσης ληφθεί καλές επαλήθευσης συμπερασμάτων, τα οποία συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα.

Μεταξύ αυτών, η συμπληρωματική ομάδα φωτός PPFD: 70-80 μmol · M-2 · S-1 και η κόκκινη-μπλε αναλογία: 0,6-0,7. Το εύρος της τιμής PPFD της ημέρας της φυσικής ομάδας ήταν 40 ~ 800 μmol · M-2 · S-1 και η αναλογία κόκκινου προς μπλε ήταν 0,6 ~ 1,2. Μπορεί να φανεί ότι οι παραπάνω δείκτες είναι καλύτεροι από αυτούς των φυσικών φυτών.

Σύναψη

Αυτό το άρθρο εισάγει τις τελευταίες εξελίξεις στην εφαρμογή των φώτων Grow LED στην καλλιέργεια των φυτών και επισημαίνει κάποιες παρεξηγήσεις στην εφαρμογή του LED Grow Light στην καλλιέργεια των φυτών. Τέλος, εισάγονται οι τεχνικές ιδέες και τα σχήματα για την ανάπτυξη των φώτων LED που χρησιμοποιούνται για την καλλιέργεια των φυτών. Θα πρέπει να επισημανθεί ότι υπάρχουν και ορισμένοι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την εγκατάσταση και τη χρήση του φωτός, όπως η απόσταση μεταξύ του φωτός και του φυτού, το εύρος ακτινοβολίας του λαμπτήρα και τον τρόπο εφαρμογής του φωτός με Κανονικό νερό, λίπασμα και έδαφος.

Συγγραφέας: Yi Wang et al. Πηγή: CNKI