Освітлення для садівництва - не нове додаток для освітлення, але воно отримало імпульс з появою та розвитком світлодіодного освітлення, і тим часом є одним із найбільш швидко зростаючих ринків освітлення.
Д-р Річард Блейкі, інженер із застосування в Würth Elektronik eiSos, пояснює, як світлодіодне освітлення для садівництва може принести ще більші переваги для комерційних виробників за рахунок введення додаткових довжин хвиль, які збільшують фотосинтетичний відгук - наприклад, нові члени Würth Elektronik у WL- SMDC SMD Mono-Color. Сімейство керамічних світлодіодів Waterclear, на які у статті посилаються.
salat1.jpegОсвітлення садівництва - один з найбільш швидко зростаючих сегментів у сфері освітлення, але для правильного застосування потрібні великі знання та досвід.


Технологія світлодіодного освітлення є вагомим аргументом для комерційних виробників відмовитися від традиційного освітлення для садівництва, часто з використанням натрієвих ламп високого тиску (HPS). Альтернативи на основі світлодіодів споживають менше енергії, тому можуть значно знизити витрати на комунальні послуги. Випромінювання тепла значно зменшується, що дає виробникам більше контролю над кліматом усередині теплиць та запобігає згоранню та висиханню рослин. Це також дозволяє розміщувати лампи ближче до рослин, що не тільки покращує використання простору теплиці, але й дає можливість використовувати додаткові джерела світла для заповнення затінених ділянок.

Начебто цих переваг було недостатньо для того, щоб виробники будь-яких видів культур, від квітів до продуктів харчування, ковтали все, щоб приєднатися до революції світлодіодного освітлення, є додаткова перевага у чудовій керованості, яка дозволяє налаштовувати світлодіодне світло на максимальні викиди на довжинах хвиль фотосинтетично активного випромінювання (ФАР). Більш того, оскільки світлодіодні технології продовжують розвиватися, і наше розуміння біології рослин та реакції на світло з різними довжинами хвиль продовжує розвиватися, характеристики випромінюваного потоку можуть бути спроектовані ще точніше, щоб потенційно оптимізувати зовнішній вигляд, ринкову вартість та швидкість зростання. рослин та подальше збільшення прибутку для виробників.

Поліпшення спектрального змісту
Відомо, що червоні та сині хвилі стимулюють фотосинтетичну активність, і їх легко отримати за допомогою світлодіодів. Ранні світлодіодні двигуни для садівництва мали тенденцію концентруватись на цих довжинах хвиль. Однак відомо, що кілька інших довжин хвиль сприяють росту рослин. Майбутні покоління освітлювальних приладів, які включають потрібну кількість цих додаткових довжин хвиль, можуть ще більше прискорити зростання і поліпшити якість рослин.

Щоб зрозуміти, як це зробити, спочатку розглянемо кілька аспектів росту рослин, пов'язаних з впливом світла.

Потім ми оцінимо, як окремі довжини хвиль стимулюють ці реакції, щоб зрозуміти, як широкий діапазон довжин хвиль, крім простого червоного і синього, необхідний для максимального зростання, якості і здоров'я рослин.

Потім, нарешті, ми проаналізуємо інший важливий фактор, що становить рецепт світла: інтенсивність кожної довжини хвилі, що падає на поверхню рослини. Інтенсивність має бути оптимізована для забезпечення бажаних якостей кінцевого продукту: забезпечення найкращого зовнішнього вигляду серед рослин у декоративних цілях; кращий смак, текстура та поживність харчових культур; і більш врожайні рослини, такі як алое віра, що вирощуються для виробництва латексу.

Розуміння рослин для створення кращого освітлення
Фотосинтез - це процес перетворення води та вуглекислого газу на складні вуглеводи (наприклад, цукру) та кисень з використанням енергії світла. Однак, хоча енергія, що випромінюється сонцем, яка досягає поверхні землі, складається з усього спектра видимого світла (і більше), рослини використовують світло в обмеженому діапазоні довжин хвиль для фотосинтезу.

рисунок 1: Характерні спектри поглинання різних пігментів, що використовуються для фотосинтезу [1]

Довжини хвиль, що використовуються, пов'язані з характеристиками поглинання різних пігментів, присутніх в органелах, званих хлоропластами, які відповідають за різні функції фотосинтезу. Більшість цих пігментів поглинають світло з довжиною хвилі, що відповідає синьому та червоному кольорам. Це пояснює, чому більшість листя виглядають зеленими, оскільки ці довжини хвиль не поглинаються, і чому морква виглядає помаранчевою, оскільки вона містить дуже мало хлорофілу. Найбільш поширеними пігментами є хлорофіл A, хлорофіл B та каротиноїди.

Діапазон довжин хвиль, що поглинаються рослинами, називається фотосинтетично активним випромінюванням (ФАР). Це відповідає довжинам хвиль у діапазоні 400-700 нм. Хлорофіл А є основним фотопігментом, на який припадає близько 75% фотосинтетичної активності, і має піки поглинання приблизно при 435 н

м та приблизно 675 нм. Хлорофіл B, який колись вважався додатковим фотопігментом, розширює діапазон довжин хвиль, який може використовуватися для фотосинтезу, з піками поглинання в області від 460 нм до 640 нм. Енергія цих довжин хвиль захоплюється хлорофілом B і потім передається хлорофілу A через електронний резонанс спину. Всі вищі рослини мають ці два пігменти, що пояснює їхній зелений колір.

Каротиноїди мають порівняно набагато ширший діапазон поглинання довжини хвилі, ніж хлорофіли з діапазоном поглинання приблизно 400-510 нм. На додаток до їх допоміжної світлозбираючої функції, пізніші дослідження виявили додаткову роль каротиноїдів: наприклад, їх довжини хвиль поглинання перекриваються з довжинами хвиль хлорофілів, оскільки вони захищають хлорофіли від фотоокислення, коли інтенсивність світла висока в короткохвильовому діапазоні. -Енергетичні діапазони [2].

Крім того, рослин мають безліч фоторецепторів, які мають вирішальне значення для розвитку рослин, але мають довжини хвиль поглинання, здебільшого за межами області PAR. До них відносяться фітохроми, що регулюють такі процеси, як синтез хлорофілу.

Деякі інші реакції пов'язані з інтенсивністю та спектральним складом світла, що досягає поверхні рослини. До них відносяться реакції на ріст у тіні, циркадний ритм, добовий ритм та погодні коливання, і вони можуть мати сильний вплив на швидкість фотосинтезу, фотоморфогенез (анатомію рослин), фототропізм (напрямок росту) та фотонастію (неспрямовані зміни, такі як цвітіння). ). Всі вони залежать від великої кількості фоторецепторів і можуть належати до певних порядків, родин та роду рослин [3].

Поліпшення нашого розуміння численних способів, якими світло впливає на розвиток рослин, може виявити можливості для подальшого покращення штучного освітлення, прагнучи організувати та оптимізувати зростання для отримання більших та кращих культур та підвищення комерційних показників.

Багатша спектральна палітра
Щоб визначити способи поліпшення садівничого світлодіодного освітлення, спочатку визнаємо, що червоне світло в діапазоні 630-660 нм є основним двигуном фотосинтезу. Він важливий не тільки для зростання стебел, але також регулює цвітіння, період спокою та проростання насіння. Синє світло з довжиною хвилі 400-520 нм – ще один важливий фактор фотосинтезу. Це також пов'язано з регулюванням концентрації хлорофілу, бічного зростання нирок та товщини листя. Однак надмірна дія може перешкоджати зростанню, тому синє світло необхідно ретельно контролювати та змішувати з іншими довжинами хвиль.

На додаток до червоної та синьої довжин хвиль стає очевидним, що зелені, далекі червоні, темно-сині та ультрафіолетові довжини хвиль також необхідні для стимулювання більш широкого розмаїття корисних реакцій.

Зелене світло (500-600 нм) колись ігнорувалося як несуттєве для розвитку рослин, але нещодавні дослідження показали, що на рослини в тіні інших довжин хвиль впливають зелені хвилі як частина «реакції уникнення тіні», що сприяє більш швидкому зростанню. Штучне стимулювання цієї реакції має очевидну цінність для комерційних виробників.

Введення далекого червоного кольору, що знаходиться в інфрачервоному діапазоні спектру 720-740 нм, також посилює реакцію уникнення тіні, що призводить до збільшення довжини стрижня. Крім того, відомо, що він збільшує схожість і може скоротити час цвітіння рослин.

Ультрафіолет у діапазоні 280-400 нм, як і раніше, є експериментальним методом вирощування рослин. Дослідження показують, що він може забезпечити захист від росту грибків для таких рослин, як салат і томат, які є стійкими до його мутагенних властивостей. Крім того, ультрафіолетове випромінювання може стимулювати утворення певних захисних вторинних метаболітів, таких як антиоксиданти та феноли, молекули, які важливі для харчування людини.

Накладання фотосинтетичних відповідей на довжини хвиль світлодіодних випромінювачів як єдиного зображення показує, як можна налаштувати штучне освітлення задля забезпечення оптимальних довжин хвиль зростання рослин. У багатьох статтях представлені спрощені діаграми, що пов'язують червоні та сині довжини хвиль із підмножиною фотосинтетичних реакцій. На малюнку 2 представлений більш повний огляд, який показує, як додаткові довжини хвиль можуть викликати інші важливі відгуки.

Grafik2.jpg Рисунок 2: Реакція рослин на освітлення в межах та за межами діапазону PAR

Маючи більш багату спектральну палітру, дизайнери світильників можуть приділяти особливу увагу різноманітним потребам різних типів рослин. Це включає оптимізацію рецепту освітлення не тільки для конкретних видів і навіть сортів (підвидів) рослин, але і для кращого задоволення потреб виробників, що вирощують певні типи культур, наприклад квіти, декоративні рослини для горщиків, кулінарні рослини або зростає.

ня. вирощені для отримання натуральних продуктів для використання у промислових процесах.

На додаток до швидшого вирощування, яке завжди бажано для скорочення часу отримання доходу, характеристики рослин можуть бути скориговані для задоволення різних очікувань ринку. Наприклад, найбажаніші овочі для салату мають тонке світле листя для покращення текстури при вживанні в їжу. З іншого боку, однією з найбільш бажаних якостей рослин алое віра є наявність товстого листя для виробництва великої кількості латексу. Що стосується цвітіння, декоративні рослини повинні зберігати квіти якнайдовше. І навпаки, при вирощуванні ананасів пригнічення процесу цвітіння посилює контроль за періодом збирання врожаю.

Щоб допомогти дизайнерам створювати складніші садові освітлювальні прилади, особливо необхідні довжини хвиль 450 нм (темно-синій), 660 нм (гіпер-червоний) та 730 нм (далекий червоний). Ці довжини хвиль дозволяють створювати різноманітні комбінації, які можна адаптувати до потреб цільового ґатунку.

Завершення рецепту світла
Звичайно, спектральний склад – лише один із аспектів рецепту світла. Інтенсивність кожної доступної довжини хвилі має вирішальне значення.

На відміну від світлодіодного освітлення вулиць або будівель, що налаштовується на реакцію людського ока і може бути виміряно за допомогою світлового потоку в люменах (лм), садове освітлення кількісно оцінюється за допомогою потоку фотосинтетичних фотонів (PPF), вираженого мкмоль. /с.

Довідник з подання результатів досліджень у галузі наук про рослини визначає PPF як загальну кількість фотосинтетично активних фотонів, які виробляються джерелом світла кожну секунду [4]. Це найбільш підходящий показник, тому що фотосинтез - це біохімічний процес, який кількісно визначається кількістю молекул цукру, що генеруються на кількість фотонів, навіть незважаючи на те, що фотони з різною довжиною хвилі мають різні рівні енергії. Перетворення з електричної енергії PPF виконується з використанням співвідношення Планка-Ейнштейна і числа Авогадро і являє собою суму всіх фотонів, що генеруються в діапазоні довжин хвиль.

З PPF можна отримати ще два показники, які є важливими при проектуванні систем освітлення для садівництва. Фотонна ефективність, виражена в мкмоль/Дж, кількісно визначає, наскільки ефективним є світлодіод при створенні PPF на джоуль використовуваної електричної енергії. Це часто вказується у технічних характеристиках освітлювальної продукції для садівництва як показник якості.

Крім того, щільність потоку фотосинтетичних фотонів (PPFD, мкмоль/м²/с) кількісно визначає загальну кількість фотосинтетично активних фотонів, що досягають цільової області за секунду. Цей параметр залежить від відстані та кута від джерела і зазвичай вимірюється за допомогою квантового вимірювача, вибіркового до довжин хвиль PAR. На малюнку 3 показано, як PPF для цього джерела світла співвідноситься з PPFD у додатку освітлення. Зверніть увагу, що показники PPF та PPFD засновані на PAR, тобто на загальній кількості випромінювання, що є у фотосинтетично активній області, від 400 до 700 нм. Хоча це забезпечило міцну основу для керівництва раннім розвитком світлодіодного освітлення для садівництва, його не можна використовувати як єдиний показник для оцінки майбутніх поколінь продуктів.

linzy.jpgМалюнок 3: PPF - це параметр, пов'язаний з продуктом, який впливає на PPFD у цільовому додатку.

По-перше, він дає рівну вагу всім довжинам хвиль у діапазоні PAR, тоді як не всі довжини хвиль однаково важливі для фотосинтезу. Більше того, як було зазначено в цій статті, тепер з'ясовується, що довжини хвиль поза PAR надають помітний вплив на зростання та розвиток рослин.

Оптимізація реалізації
Очевидно, є можливості для уточнення показників для опису продукції для садового освітлення. Це необхідно зараз через набагато більш точне управління рецептами освітлення, яке стало можливим завдяки постійним досягненням у світлодіодній технології. Робота таких організацій, як Американське товариство сільськогосподарської та біологічної інженерії (ASABE), спрямована на стандартизацію методів вимірювання та тестування енергоспоживання та експлуатаційних характеристик садового освітлення. ASABE вже опублікував кілька стандартів та посібників, які мають допомогти ідентифікувати та координувати використання світлодіодів для росту рослин.

Розробка ринкових світлодіодних світильників для садівництва знаходиться в зародковому стані, хоча деякі пілотні схеми починають давати рекомендації щодо вибору продукції, окупності інвестицій та впливу на врожайність.

З'являються керівні принципи, які допоможуть потенційним покупцям оцінити системи освітлення, а проникливі установники та дизайнери продуктів можуть отримати уроки з результатів, щоб забезпечити кращі результати для клієнтів.

У звіті Дослідницького центру освітлення (LRC) Політехнічного інституту Ренсселера [5] для членів Lighting Energy Alliance та Natural Resources Canada було виявлено, що для забезпечення такої ж щільності потоку фотосинтетичних фотонів (PPFD) потрібно було вчетверо більше світлодіодних світильників. як традиційні лампи HPS. Тому розробники світлодіодних продуктів повинні бути обережними, щоб їх світильники дійсно споживали менше енергії у всій установці. Крім того, коли встановлена велика кількість світильників для підтримки PPFD, відбувається сильніше затемнення, що знижує кількість природного денного світла, що досягає поверхні рослини, що вимагає більшої потужності світильника. Це може звести нанівець більшу ефективність світлодіодних світильників. Однак ця проблема буде зменшена і зрештою усунена в міру того, як характеристики світлодіодів продовжуватимуть покращуватися.

Крім того, відомо, що різні види рослин по-різному реагують на різні рецепти висвітлення. Це може дозволити дизайнерам пропонувати передумови, що легко вибираються - скажімо, в меню програми для смартфонів або планшетів - які оптимізовані для конкретних культур, хоча переваги у продуктивності від цього спірні.

Поки що рано наводити надійні дані про кінцевий вплив на врожайність. Один виробник світлодіодів припустив, що врожайність сільськогосподарських культур може підвищитися майже на 10% за рахунок «доповнення» існуючого освітлення HPS налаштованим світлодіодним освітленням, ґрунтуючись на випробуваннях з невеликою вибіркою виробників фруктів та квітів.

Висновок
Хоча економія енергії та покращений клімат-контроль, що стали можливими завдяки технології світлодіодного освітлення, є цінними перевагами для виробників, можливість прискорити зростання рослин та підвищити якість продукції відповідно до конкретних потреб ринку – це, мабуть, найбільш захоплююча можливість. Отримання найкращого можливого розуміння реакції рослин на різні довжини хвиль, а потім використання високоякісних світлодіодів, що охоплюють усі цінні діапазони довжин хвиль, дозволяє дизайнерам висвітлення виводити на ринок нові продукти, які принесуть ще більшу та кращу віддачу для виробників.