Introduzione

La luce svolge un ruolo chiave nel processo di crescita delle piante. È il miglior fertilizzante promuovere l'assorbimento della clorofilla vegetale e l'assorbimento di varie qualità di crescita delle piante come il carotene. Tuttavia, il fattore decisivo che determina la crescita delle piante è un fattore completo, non solo correlato alla luce, ma anche inseparabile dalla configurazione di acqua, suolo e fertilizzante, condizioni di ambiente di crescita e controllo tecnico completo.

Negli ultimi due o tre anni, ci sono stati rapporti infiniti sull'applicazione della tecnologia di illuminazione a semiconduttore per quanto riguarda le fabbriche di piante tridimensionali o la crescita delle piante. Ma dopo averlo letto attentamente, c'è sempre una sensazione inquieta. In generale, non esiste una reale comprensione del ruolo che la luce dovrebbe svolgere nella crescita delle piante.

Innanzitutto, comprendiamo lo spettro del sole, come mostrato nella Figura 1. Si può vedere che lo spettro solare è uno spettro continuo, in cui lo spettro blu e verde è più forte dello spettro rosso e lo spettro della luce visibile va da 380 a 780 nm. La crescita degli organismi in natura è correlata all'intensità dello spettro. Ad esempio, la maggior parte delle piante nell'area vicino all'equatore crescono molto velocemente e allo stesso tempo le dimensioni della loro crescita sono relativamente grandi. Ma l'elevata intensità dell'irradiazione del sole non è sempre meglio e c'è un certo grado di selettività per la crescita di animali e piante.

Figura 1, le caratteristiche dello spettro solare e il suo spettro di luce visibile

In secondo luogo, il secondo diagramma dello spettro di diversi elementi di assorbimento chiave della crescita delle piante è mostrato nella Figura 2.

Figura 2, spettri di assorbimento di diverse auxine nella crescita delle piante

Dalla Figura 2 si può vedere che gli spettri di assorbimento della luce di diverse auxine chiave che influenzano la crescita delle piante sono significativamente diversi. Pertanto, l'applicazione delle luci di crescita delle piante a LED non è una questione semplice, ma molto mirata. Qui è necessario introdurre i concetti dei due più importanti elementi di crescita delle piante fotosintetiche.

• clorofilla

La clorofilla è uno dei pigmenti più importanti relativi alla fotosintesi. Esiste in tutti gli organismi che possono creare fotosintesi, tra cui piante verdi, alghe blu-verdi procariotiche (cianobatteri) e alghe eucariotiche. La clorofilla assorbe l'energia dalla luce, che viene quindi utilizzata per convertire l'anidride carbonica in carboidrati.

La clorofilla A assorbe principalmente la luce rossa e la clorofilla B assorbe principalmente la luce blu-violetta, principalmente per distinguere le piante da ombra dalle piante del sole. Il rapporto tra clorofilla B e clorofilla A delle piante da ombra è piccolo, quindi le piante da ombra possono usare la luce blu fortemente e adattarsi alla crescita in ombra. La clorofilla A è blu-verde e la clorofilla B è giallo-verde. Esistono due forti assorbimenti di clorofilla A e clorofilla B, uno nella regione rossa con una lunghezza d'onda di 630-680 nm e l'altra nella regione blu-viola con una lunghezza d'onda di 400-460 nm.

• carotenoidi

I carotenoidi sono il termine generale per una classe di importanti pigmenti naturali, che si trovano comunemente in pigmenti gialli, rosso-arancione o rosso negli animali, piante superiori, funghi e alghe. Finora sono stati scoperti più di 600 carotenoidi naturali.

L'assorbimento della luce dei carotenoidi copre la gamma di OD303 ~ 505 nm, che fornisce il colore del cibo e influisce sull'assunzione di cibo da parte del corpo. Nelle alghe, alle piante e ai microrganismi, il suo colore è coperto da clorofilla e non può apparire. Nelle cellule vegetali, i carotenoidi hanno prodotto non solo assorbire e trasferire energia per aiutare la fotosintesi, ma hanno anche la funzione di proteggere le cellule dall'essere distrutte da molecole di ossigeno a legame singolo eccitato.

Alcuni incomprensioni concettuali

Indipendentemente dall'effetto di risparmio energetico, la selettività della luce e il coordinamento della luce, l'illuminazione a semiconduttore ha mostrato grandi vantaggi. Tuttavia, dal rapido sviluppo degli ultimi due anni, abbiamo anche visto molti incomprensioni nella progettazione e nell'applicazione della luce, che si riflettono principalmente nei seguenti aspetti.

Per quanto riguarda i chip rossi e blu di una certa lunghezza d'onda sono combinati in un certo rapporto, possono essere usati nella coltivazione delle piante, ad esempio, il rapporto tra rosso e blu è 4: 1, 6: 1, 9: 1 e quindi SU.

Per quanto riguarda la luce bianca, può sostituire la luce del sole, come il tubo di luce bianca a tre primari ampiamente utilizzato in Giappone, ecc. L'uso di questi spettri ha un certo effetto sulla crescita delle piante, ma l'effetto è Non buono come la fonte di luce realizzata dal LED.

Per quanto riguarda il PPFD (densità di flusso quantico chiaro), un importante parametro di illuminazione, raggiunge un determinato indice, ad esempio, la PPFD è maggiore di 200 μmol · M-2 · S-1. Tuttavia, quando si utilizza questo indicatore, è necessario prestare attenzione al fatto che si tratti di una pianta da ombra o di una pianta da sole. È necessario interrogare o trovare il punto di saturazione della compensazione della luce di queste piante, che è anche chiamato punto di compensazione della luce. Nelle applicazioni reali, le piantine vengono spesso bruciate o appassite. Pertanto, la progettazione di questo parametro deve essere progettata in base alle specie vegetali, all'ambiente di crescita e alle condizioni.

Per quanto riguarda il primo aspetto, come introdotto nell'introduzione, lo spettro richiesto per la crescita delle piante dovrebbe essere uno spettro continuo con una certa larghezza di distribuzione. È ovviamente inappropriato utilizzare una sorgente luminosa fatta di due chip di lunghezza d'onda specifici di rosso e blu con uno spettro molto stretto (come mostrato nella Figura 3 (a)). Negli esperimenti, è stato scoperto che le piante tendono ad essere giallastre, gli steli delle foglie sono molto leggeri e gli steli delle foglie sono molto sottili.

Per i tubi fluorescenti con tre colori primari comunemente usati negli anni precedenti, sebbene il bianco sia sintetizzato, gli spettri rossi, verdi e blu sono separati (come mostrato nella Figura 3 (b)) e la larghezza dello spettro è molto stretta. L'intensità spettrale della seguente parte continua è relativamente debole e la potenza è ancora relativamente grande rispetto ai LED, da 1,5 a 3 volte il consumo di energia. Pertanto, l'effetto d'uso non è buono come le luci a LED.

Figura 3, luce della pianta a led con chip rosso e blu e spettro della luce fluorescente a tre primari

PPFD è la densità del flusso quantico della luce, che si riferisce alla densità del flusso della luce delle radiazioni effettiva della luce nella fotosintesi, che rappresenta il numero totale di incidenti quantitativi sugli steli delle foglie delle piante nell'intervallo di lunghezze d'onda da 400 a 700 nm per unità di tempo e area unitaria . La sua unità è μE · M-2 · S-1 (μmol · M-2 · S-1). La radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) si riferisce alla radiazione solare totale con una lunghezza d'onda nell'intervallo da 400 a 700 nm. Può essere espresso da quantita luce o da energia radiante.

In passato, l'intensità della luce riflessa dall'illuminometro era luminosità, ma lo spettro della crescita della pianta cambia a causa dell'altezza della lampada dalla pianta, della copertura della luce e se la luce può passare attraverso le foglie. Pertanto, non è accurato utilizzare PAR come indicatore dell'intensità della luce nello studio della fotosintesi.

Generalmente, il meccanismo di fotosintesi può essere iniziato quando il PPFD della pianta amante del sole è maggiore di 50 μmol · M-2 · S-1, mentre il PPFD della pianta ombreggiata ha solo 20 μmol · M-2 · S-1 . Pertanto, quando si acquistano luci di coltivazione a LED, è possibile scegliere il numero di luci di coltivazione a LED in base a questo valore di riferimento e al tipo di piante che pianti. Ad esempio, se il PPFD di un singolo LGHT è 20 μmol · M-2 · S-1, sono necessarie più di 3 lampadine a LED per coltivare piante che amano il sole.

Diverse soluzioni di design dell'illuminazione a semiconduttore

L'illuminazione a semiconduttore viene utilizzata per la crescita o la semina delle piante e ci sono due metodi di riferimento di base.

• Al momento, il modello di semina interna è molto caldo in Cina. Questo modello ha diverse caratteristiche:

① Il ruolo delle luci a LED è fornire l'intero spettro dell'illuminazione delle piante ed è necessario il sistema di illuminazione per fornire tutta l'energia di illuminazione e il costo di produzione è relativamente elevato;
② Il design delle luci di coltivazione a LED deve considerare la continuità e l'integrità dello spettro;
È necessario controllare efficacemente il tempo di illuminazione e l'intensità dell'illuminazione, come lasciare riposare le piante per alcune ore, l'intensità dell'irradiazione non è sufficiente o troppo forte, ecc.;
④ L'intero processo deve imitare le condizioni richieste dall'attuale ambiente di crescita ottimale delle piante all'aperto, come umidità, temperatura e concentrazione di CO2.

• Modalità di piantagione esterna con buone basi di piantagione per esterni. Le caratteristiche di questo modello sono:

① Il ruolo delle luci a LED è integrare la luce. Uno è migliorare l'intensità della luce nelle aree blu e rosse sotto l'irradiazione della luce solare durante il giorno per promuovere la fotosintesi delle piante, e l'altra è compensare quando non c'è luce solare durante la notte per promuovere il tasso di crescita delle piante
② La luce supplementare deve considerare in quale fase di crescita si trova la pianta, come il periodo della piantina o il periodo di fioritura e fruttificazione.

Pertanto, il design delle luci di coltivazione delle piante a LED dovrebbe prima avere due modalità di progettazione di base, vale a dire l'illuminazione 24H (indoor) e l'illuminazione del supplemento di crescita delle piante (esterno). Per la coltivazione di piante da interno, il design delle luci di coltivazione a LED deve considerare tre aspetti, come mostrato nella Figura 4. Non è possibile impacchettare i chip con tre colori primari in una certa proporzione.

Figura 4, l'idea di progettazione dell'uso delle luci del booster per piante a LED per l'illuminazione 24h

Ad esempio, per uno spettro nella fase della scuola materna, considerando che deve rafforzare la crescita di radici e steli, rafforzare la ramificazione delle foglie e la sorgente luminosa viene utilizzata all'interno, lo spettro può essere progettato come mostrato nella Figura 5.

Figura 5, Strutture spettrali adatte per il periodo della scuola materna per interni a LED

Per la progettazione del secondo tipo di luce di coltivazione a LED, è principalmente rivolto alla soluzione di progettazione della luce integrale per promuovere la piantagione nella base della serra esterna. L'idea di progettazione è mostrata nella Figura 6.

Figura 6, Idee di progettazione di luci di coltivazione all'aperto 

L'autore suggerisce che più società di impianto adottano la seconda opzione per utilizzare le luci a LED per promuovere la crescita delle piante.

Prima di tutto, la coltivazione della serra esterna della Cina ha decenni una grande quantità e una vasta gamma di esperienza, sia nel sud che nel nord. Ha una buona base della tecnologia di coltivazione della serra e offre un gran numero di frutta e verdura fresca sul mercato per le città circostanti. Soprattutto nel campo del suolo e della piantagione di acqua e fertilizzanti, sono stati fatti ricchi risultati di ricerca.

In secondo luogo, questo tipo di soluzione leggera supplementare può ridurre notevolmente il consumo di energia non necessario e allo stesso tempo può aumentare effettivamente la resa di frutta e verdura. Inoltre, la vasta area geografica della Cina è molto conveniente per la promozione.

Come ricerca scientifica dell'illuminazione delle piante a LED, fornisce anche una base sperimentale più ampia per essa. La Fig. 7 è una sorta di luce di coltivazione a LED sviluppata da questo team di ricerca, adatto per la crescita nelle serre, e il suo spettro è mostrato in Fig. 8.

Figura 7, una specie di luce di coltivazione a LED

Figura 8, spettro di una sorta di luce di coltivazione a LED

Secondo le idee di design di cui sopra, il team di ricerca ha condotto una serie di esperimenti e i risultati sperimentali sono molto significativi. Ad esempio, per far crescere la luce durante la scuola materna, la lampada originale utilizzata è una lampada fluorescente con una potenza di 32 W e un ciclo della scuola materna di 40 giorni. Forniamo una luce a LED da 12 W, che accorcia il ciclo della piantina a 30 giorni, riduce efficacemente l'influenza della temperatura delle lampade nell'officina della piantina e salva il consumo energetico del condizionatore d'aria. Lo spessore, la lunghezza e il colore delle piantine sono migliori della soluzione originale di sollevamento delle piantine. Per le piantine di verdure comuni, sono state ottenute anche buone conclusioni di verifica, che sono riassunte nella tabella seguente.

Tra questi, il gruppo di luce supplementare PPFD: 70-80 μmol · M-2 · S-1 e il rapporto rosso-blu: 0,6-0,7. L'intervallo di valore di PPFD diurno del gruppo naturale era 40 ~ 800 μmol · M-2 · S-1 e il rapporto tra rosso e blu era 0,6 ~ 1,2. Si può vedere che gli indicatori di cui sopra sono migliori di quelli delle piantine coltivate naturalmente.

Conclusione

Questo articolo introduce gli ultimi sviluppi nell'applicazione delle luci di coltivazione a LED nella coltivazione delle piante e sottolinea alcuni incomprensioni nell'applicazione della luce della coltivazione a LED nella coltivazione delle piante. Infine, vengono introdotte le idee tecniche e gli schemi per lo sviluppo di luci di coltivazione a LED utilizzate per la coltivazione delle piante. Va sottolineato che ci sono anche alcuni fattori che devono essere considerati nell'installazione e nell'uso della luce, come la distanza tra la luce e la pianta, la gamma di irradiazione della lampada e come applicare la luce con la luce Acqua normale, fertilizzante e terreno.

Autore: Yi Wang et al. Fonte: Cnki