Освещение для садоводства - не новое приложение для освещения, но оно получило импульс с появлением и развитием светодиодного освещения, и тем временем является одним из наиболее быстрорастущих рынков освещения.
Д-р Ричард Блейки, инженер по применению в Würth Elektronik eiSos, объясняет, как светодиодное освещение для садоводства может принести еще большие преимущества для коммерческих производителей за счет введения дополнительных длин волн, которые увеличивают фотосинтетический отклик - например, новые члены Würth Elektronik в WL-SMDC SMD Mono-Color. Семейство керамических светодиодов Waterclear, на которые в статье ссылаются.
Освещение садоводства - один из самых быстрорастущих сегментов в сфере освещения, но для правильного применения требуются большие знания и опыт.
Технология светодиодного освещения представляет собой веский аргумент для коммерческих производителей отказаться от традиционного освещения для садоводства, часто с использованием натриевых ламп высокого давления (HPS). Альтернативы на основе светодиодов потребляют меньше энергии и поэтому могут значительно снизить затраты на коммунальные услуги. Излучение тепла значительно уменьшается, что дает производителям больше контроля над климатом внутри теплиц и предотвращает сгорание и высыхание растений. Это также позволяет размещать лампы ближе к растениям, что не только улучшает использование пространства теплицы, но также дает возможность использовать дополнительные источники света для заполнения затененных участков.
Как будто этих преимуществ было недостаточно для того, чтобы производители любых видов культур, от цветов до продуктов питания, глотали все, чтобы присоединиться к революции светодиодного освещения, есть дополнительное преимущество в превосходной управляемости, которая позволяет настраивать светодиодный свет на максимальные выбросы на длинах волн фотосинтетически активного излучения (ФАР). Более того, поскольку светодиодные технологии продолжают развиваться, и наше понимание биологии растений и реакции на свет с различными длинами волн продолжает развиваться, характеристики излучаемого потока могут быть спроектированы еще более точно, чтобы потенциально оптимизировать внешний вид, рыночную стоимость и скорость роста. растений и дальнейшее увеличение прибыли для производителей.
Улучшение спектрального содержания
Известно, что красные и синие волны стимулируют фотосинтетическую активность, и их легко получить с помощью светодиодов. Ранние светодиодные двигатели для садоводства имели тенденцию концентрироваться на этих длинах волн. Однако известно, что несколько других длин волн способствуют росту растений. Будущие поколения осветительных приборов, которые включают в себя нужное количество этих дополнительных длин волн, могут еще больше ускорить рост и улучшить качество растений.
Чтобы понять, как это сделать, мы сначала рассмотрим несколько аспектов роста растений, связанных с воздействием света.
Затем мы оценим, как отдельные длины волн стимулируют эти реакции, чтобы понять, как более широкий диапазон длин волн, помимо простого красного и синего, необходим для максимального роста, качества и здоровья растений.
Затем, наконец, мы проанализируем другой важный фактор, составляющий рецепт света: интенсивность каждой длины волны, падающей на поверхность растения. Интенсивность должна быть оптимизирована для обеспечения желаемых качеств конечного продукта: обеспечение наилучшего внешнего вида среди растений в декоративных целях; лучший вкус, текстура и питательность пищевых культур; и более урожайные растения, такие как алоэ вера, выращиваемые для производства латекса.
Понимание растений для создания лучшего освещения
Фотосинтез - это процесс преобразования воды и углекислого газа в сложные углеводы (например, сахара) и кислород с использованием энергии света. Однако, хотя энергия, излучаемая солнцем, которая достигает поверхности земли, состоит из всего спектра видимого света (и более), растения используют свет в ограниченном диапазоне длин волн для фотосинтеза.
Рисунок 1: Характерные спектры поглощения различных пигментов, используемых для фотосинтеза [1]
Используемые длины волн связаны с характеристиками поглощения различных пигментов, присутствующих в органеллах, называемых хлоропластами, которые отвечают за различные функции фотосинтеза. Большинство этих пигментов поглощают свет с длиной волны, соответствующей синему и красному цветам. Это объясняет, почему большинство листьев выглядят зелеными, поскольку эти длины волн не поглощаются, и почему морковь выглядит оранжевой, поскольку они содержат очень мало хлорофилла. Наиболее распространенными пигментами являются хлорофилл A, хлорофилл B и каротиноиды.
Диапазон длин волн, поглощаемых растениями, называется фотосинтетически активным излучением (ФАР). Это соответствует длинам волн в диапазоне 400-700 нм. Хлорофилл А является основным фотопигментом, на который приходится около 75% фотосинтетической активности, и имеет пики поглощения примерно при 435 нм и примерно 675 нм. Хлорофилл B, который когда-то считался дополнительным фотопигментом, расширяет диапазон длин волн, который может использоваться для фотосинтеза, с пиками поглощения в области от 460 нм до примерно 640 нм. Энергия этих длин волн захватывается хлорофиллом B и затем передается хлорофиллу A через электронный спиновой резонанс. Все высшие растения имеют эти два пигмента, что объясняет их зеленый цвет.
Каротиноиды имеют сравнительно гораздо более широкий диапазон поглощения длины волны, чем хлорофиллы с диапазоном поглощения примерно 400-510 нм. В дополнение к их вспомогательной светособирающей функции, более поздние исследования выявили дополнительную роль каротиноидов: например, их длины волн поглощения перекрываются с длинами волн хлорофиллов, поскольку они защищают хлорофиллы от фотоокисления, когда интенсивность света высока в коротковолновом диапазоне. -энергетические диапазоны [2].
Кроме того, у растений есть множество фоторецепторов, которые имеют решающее значение для развития растений, но имеют длины волн поглощения, большей частью за пределами области PAR. К ним относятся фитохромы, которые регулируют такие процессы, как синтез хлорофилла.
Некоторые другие реакции связаны с интенсивностью и спектральным составом света, достигающего поверхности растения. К ним относятся реакции на рост в тени, циркадный ритм, суточный ритм и погодные колебания, и они могут иметь сильное влияние на скорость фотосинтеза, фотоморфогенез (анатомию растений), фототропизм (направление роста) и фотонастию (ненаправленные изменения, такие как цветение. открытие). Все они зависят от большого количества фоторецепторов и могут относиться к определенным порядкам, семействам и роду растений [3].
Улучшение нашего понимания многочисленных способов, которыми свет влияет на развитие растений, может выявить возможности для дальнейшего улучшения искусственного освещения, стремясь организовать и оптимизировать рост для получения более крупных и лучших культур и повышения коммерческих показателей.
Более богатая спектральная палитра
Чтобы определить способы улучшения садоводческого светодиодного освещения, давайте сначала признаем, что красный свет в диапазоне 630–660 нм является основным двигателем фотосинтеза. Он важен не только для роста стеблей, но также регулирует цветение, период покоя и прорастание семян. Синий свет с длиной волны 400-520 нм - еще один важный фактор фотосинтеза. Это также связано с регулированием концентрации хлорофилла, бокового роста почек и толщины листьев. Однако чрезмерное воздействие может препятствовать росту, поэтому синий свет необходимо тщательно контролировать и смешивать с другими длинами волн.
В дополнение к красной и синей длинам волн становится очевидным, что зеленые, дальние красные, темно-синие и ультрафиолетовые длины волн также необходимы для стимулирования более широкого разнообразия полезных реакций.
Зеленый свет (500–600 нм) когда-то игнорировался как несущественный для развития растений, но недавние исследования показали, что на растения в тени других длин волн влияют зеленые волны как часть «реакции избегания тени», которая способствует более быстрому росту. Искусственное стимулирование этой реакции имеет очевидную ценность для коммерческих производителей.
Введение дальнего красного цвета, который находится в инфракрасном диапазоне спектра 720–740 нм, также усиливает реакцию избегания тени, что приводит к увеличению длины стержня. Кроме того, известно, что он увеличивает всхожесть и может сократить время цветения растений.
Ультрафиолет в диапазоне 280–400 нм по-прежнему является экспериментальным методом выращивания растений. Исследования показывают, что он может обеспечить защиту от роста грибков для таких растений, как салат и томат, которые устойчивы к его мутагенным свойствам. Кроме того, ультрафиолетовое излучение может стимулировать образование определенных защитных вторичных метаболитов, таких как антиоксиданты и фенолы, молекулы, которые важны для питания человека.
Наложение фотосинтетических ответов на длины волн светодиодных излучателей в виде единого изображения показывает, как можно настроить искусственное освещение для обеспечения оптимальных длин волн для роста растений. Во многих статьях представлены упрощенные диаграммы, связывающие красные и синие длины волн с подмножеством фотосинтетических реакций. На рисунке 2 представлен более полный обзор, показывающий, как дополнительные длины волн могут вызывать другие важные отклики.
Рисунок 2: Реакция растений на освещение в пределах и за пределами диапазона PAR
Имея более богатую спектральную палитру, дизайнеры светильников могут уделять особое внимание различным потребностям различных типов растений. Это включает в себя оптимизацию рецепта освещения не только для конкретных видов и даже сортов (подвидов) растений, но и для лучшего удовлетворения потребностей производителей, выращивающих определенные типы культур, например цветы, декоративные горшечные растения, кулинарные растения или растения. выращены для получения натуральных продуктов для использования в промышленных процессах.
В дополнение к более быстрому выращиванию, которое всегда желательно для сокращения времени получения дохода, характеристики растений могут быть скорректированы для удовлетворения различных ожиданий рынка. Например, самые желанные овощи для салата имеют тонкие светлые листья для улучшения текстуры при употреблении в пищу. С другой стороны, одним из наиболее желательных качеств растений алоэ вера является наличие толстых листьев для производства большого количества латекса. Что касается цветения, декоративные растения должны сохранять цветы как можно дольше. И наоборот, при выращивании ананасов подавление процесса цветения усиливает контроль над периодом сбора урожая.
Чтобы помочь дизайнерам создавать более сложные садовые осветительные приборы, особенно необходимы длины волн 450 нм (темно-синий), 660 нм (гипер-красный) и 730 нм (дальний красный). Эти длины волн позволяют создавать разнообразные комбинации, которые можно адаптировать к потребностям целевого сорта.
Завершение рецепта света
Конечно, спектральный состав - лишь один из аспектов рецепта света. Интенсивность каждой доступной длины волны также имеет решающее значение.
В отличие от светодиодного освещения улиц или зданий, которое настраивается на реакцию человеческого глаза и может быть измерено с помощью светового потока в люменах (лм), садовое освещение количественно оценивается с помощью потока фотосинтетических фотонов (PPF), выраженного в мкмоль. / с.
Справочник по представлению результатов исследований в области наук о растениях определяет PPF как общее количество фотосинтетически активных фотонов, которые производятся источником света каждую секунду [4]. Это наиболее подходящий показатель, потому что фотосинтез - это биохимический процесс, количественно определяемый количеством молекул сахара, генерируемых на количество фотонов, даже несмотря на то, что фотоны с разной длиной волны имеют разные уровни энергии. Преобразование из электрической энергии в PPF выполняется с использованием соотношения Планка-Эйнштейна и числа Авогадро и представляет собой сумму всех фотонов, генерируемых в диапазоне длин волн.
Из PPF можно получить еще два показателя, которые важны при проектировании систем освещения для садоводства. Фотонная эффективность, выраженная в мкмоль / Дж, количественно определяет, насколько эффективен светодиод при создании PPF на джоуль используемой электрической энергии. Это часто указывается в технических характеристиках осветительной продукции для садоводства как показатель качества.
Кроме того, плотность потока фотосинтетических фотонов (PPFD, мкмоль / м² / с) количественно определяет общее количество фотосинтетически активных фотонов, которые достигают целевой области за секунду. Этот параметр сильно зависит от расстояния и угла от источника и обычно измеряется с помощью квантового измерителя, избирательного к длинам волн PAR. На рисунке 3 показано, как PPF для данного источника света соотносится с PPFD в приложении освещения. Обратите внимание, что показатели PPF и PPFD основаны на PAR, то есть на общем количестве излучения, присутствующего в фотосинтетически активной области, от 400 до 700 нм. Хотя это обеспечило прочную основу для руководства ранним развитием светодиодного освещения для садоводства, его нельзя использовать в качестве единственного показателя для оценки будущих поколений продуктов.
Рисунок 3: PPF - это параметр, связанный с продуктом, который влияет на PPFD в целевом приложении.
Во-первых, он дает равный вес всем длинам волн в диапазоне PAR, в то время как не все длины волн одинаково важны для фотосинтеза. Более того, как было отмечено в этой статье, теперь выясняется, что длины волн вне области PAR оказывают заметное влияние на рост и развитие растений.
Оптимизация реализации
Очевидно, есть возможности для уточнения показателей, используемых для описания продукции для садового освещения. Это необходимо сейчас из-за гораздо более точного управления рецептами освещения, которое стало возможным благодаря постоянным достижениям в светодиодной технологии. Работа таких организаций, как Американское общество сельскохозяйственной и биологической инженерии (ASABE), направлена на стандартизацию методов измерения и тестирования энергопотребления и эксплуатационных характеристик садового освещения. ASABE уже опубликовал несколько стандартов и руководств, которые должны помочь идентифицировать и координировать использование светодиодов для роста растений.
Разработка рыночных светодиодных светильников для садоводства находится в зачаточном состоянии, хотя некоторые пилотные схемы начинают давать рекомендации по выбору продукции, окупаемости инвестиций и влиянию на урожайность.
Появляются руководящие принципы, которые помогут потенциальным покупателям оценить системы освещения, а проницательные установщики и дизайнеры продуктов могут извлечь уроки из результатов, чтобы обеспечить лучшие результаты для клиентов. В отчете Исследовательского центра освещения (LRC) Политехнического института Ренсселера [5] для членов Lighting Energy Alliance и Natural Resources Canada было обнаружено, что для обеспечения такой же плотности потока фотосинтетических фотонов (PPFD) требовалось в четыре раза больше светодиодных светильников. как традиционные лампы HPS. Поэтому разработчики светодиодных продуктов должны быть осторожны, чтобы их светильники действительно потребляли меньше энергии во всей установке. Кроме того, когда установлено большое количество светильников для поддержания PPFD, происходит более сильное затемнение, что снижает количество естественного дневного света, достигающего поверхности растения, что требует большей мощности светильника. Это может свести на нет большую эффективность светодиодных светильников. Однако эта проблема будет уменьшена и в конечном итоге устранена по мере того, как характеристики светодиодов будут продолжать улучшаться.
Кроме того, известно, что разные виды растений по-разному реагируют на разные рецепты освещения. Это может позволить дизайнерам предлагать легко выбираемые предустановки - скажем, в меню приложения для смартфонов или планшетов - которые оптимизированы для конкретных культур, хотя преимущества в производительности от этого спорны.
Пока еще рано приводить надежные данные о конечном влиянии на урожайность. Один производитель светодиодов предположил, что урожайность сельскохозяйственных культур может повыситься почти на 10% за счет «дополнения» существующего освещения HPS настроенным светодиодным освещением, основываясь на испытаниях с небольшой выборкой производителей фруктов и цветов.
Вывод
Хотя экономия энергии и улучшенный климат-контроль, ставшие возможными благодаря технологии светодиодного освещения, являются ценными преимуществами для производителей, возможность ускорить рост растений и повысить качество продукции в соответствии с конкретными потребностями рынка - это, пожалуй, самая захватывающая возможность. Получение наилучшего возможного понимания реакции растений на различные длины волн, а затем использование высококачественных светодиодов, охватывающих все ценные диапазоны длин волн, позволяет дизайнерам освещения выводить на рынок новые продукты, которые принесут еще большую и лучшую отдачу для производителей.
