一, Βασικά στοιχεία της φωτοβιολογίας: Πώς τα φυτά απορροφούν και ανταποκρίνονται στο φως
Οι χλωροπλάστες στα φυτά περιλαμβάνουν φωτοσυνθετικές χρωστικές που τους επιτρέπουν να απορροφούν ορισμένα μήκη κύματος φωτός. Οι κύριες ζώνες που οδηγούν τη φωτοσύνθεση είναι το κόκκινο φως (600–700 nm) και το μπλε φως (400–500 nm). Το κόκκινο φως ελέγχει τη μορφογένεση του φωτός χρησιμοποιώντας φωτοευαίσθητες χρωστικές για να κάνει τους μίσχους να μακραίνουν και να παράγουν υδατάνθρακες. Το μπλε φως σταματά την υπερβολική ανάπτυξη των στελεχών, κάνει τη χλωροφύλλη και την πρωτεΐνη να συσσωρεύονται μέσω του κρυπτοχρώματος και κάνει τους μίσχους να μεγαλώνουν περισσότερο. Όταν η αναλογία κόκκινου προς μπλε φωτός είναι 4:1, τα πειράματα έχουν δείξει ότι η συσσώρευση ξηρής ουσίας του μαρουλιού αυξάνεται κατά 30% σε σύγκριση με το μονοχρωματικό φως και η περιεκτικότητα σε χλωροφύλλη αυξάνεται κατά 22%.
Η αναλογία του πολύ κόκκινου φωτός (700–800 nm) προς το κόκκινο φως (R/FR) είναι επίσης πολύ σημαντική για τον τρόπο ανάπτυξης των φυτών. Τα φυτά θα επιμηκύνουν τους κόμβους των μίσχων και θα επεκτείνουν την επιφάνεια των φύλλων μέσω της "απόκρισης αποφυγής σκιάς" για να ανταγωνιστούν για πόρους φωτός όταν η αναλογία R/FR πέσει. Αυτή η τεχνική είναι πολύ σημαντική για καλλιέργειες που φυτεύονται κοντά μεταξύ τους, όπως οι ντομάτες που καλλιεργούνται κάθετα, όπου η αλλαγή της αναλογίας R/FR μπορεί να μειώσει το ύψος του φυτού κατά 18% και να αυξήσει την παραγωγή καρπών κατά 15%.
2, Οφέλη της τεχνολογίας LED: Ακριβής έλεγχος και επανάσταση στην ενεργειακή απόδοση
1. Φασματικό συντονισμό: ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός από το μονοχρωματικό φως σε ολόκληρο το φάσμα
Οι συμβατικές πηγές φωτός, όπως οι λαμπτήρες νατρίου υψηλής{0}πίεσης (HPS), εστιάζουν τα φάσματα τους στο κίτρινο-πράσινο φως (550–600 nm). Τα φυτά, από την άλλη πλευρά, απορροφούν μόνο λιγότερο από το 5% του πράσινου φωτός. Η τεχνολογία LED μπορεί να αλλάξει το φάσμα του φωτός με μεγάλη ακρίβεια ελέγχοντας τα τσιπ κόκκινου, μπλε και λευκού φωτός ξεχωριστά. Ο λαμπτήρας ανάπτυξης LED της σειράς FloraFlex, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί βαθύ κόκκινο φως 660 nm, μπλε φως 450 nm και λευκό φως 5000 K. Έχει πυκνότητα φωτοσυνθετικής ροής φωτονίων (PPFD) 1200 μ mol/m ²/s, που είναι 40% πιο ενεργειακά{14}}από τους λαμπτήρες HPS.
2. Χαρακτηριστικά μιας πηγής ψυχρού φωτός: Ξεπερνώντας τα γεωγραφικά όρια
Τα LED είναι φωτεινά πάνω από 200 lm/W και παράγουν μόνο το 1/5 περισσότερη θερμότητα από τους λαμπτήρες HPS. Λόγω αυτού του χαρακτηριστικού, η πλακέτα φωτός LED μπορεί να τοποθετηθεί κοντά στον θόλο του φυτού (10–30 cm μακριά), γεγονός που κάνει την ένταση φωτός ανά μονάδα επιφάνειας 3–5 φορές ισχυρότερη. Σε ένα κατακόρυφο αγρόκτημα στο Shenzhen, χρησιμοποιείται ένα τρισδιάστατο σύστημα καλλιέργειας LED πολλαπλών επιπέδων-. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιεί τη γη 8 φορές πιο αποτελεσματικά από τις τυπικές φάρμες και χρησιμοποιεί 92% λιγότερο νερό.
3. Έλεγχος ενός δυναμικού περιβάλλοντος φωτός που μιμείται τους φυσικούς ρυθμούς
Το LED μπορεί να αλλάξει τη φωτεινότητα, το χρώμα και τη διάρκεια του φωτός δυναμικά με τη βοήθεια ενός έξυπνου συστήματος ελέγχου. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια του σταδίου σπορόφυτου μαρουλιού, ένας κύκλος μπλε φωτός 16 ωρών και κόκκινου φωτός 8 ωρών μπορεί να αυξήσει το ποσοστό βλάστησης των σπόρων από 78% σε 92%. Επίσης, κατά τη διάρκεια της περιόδου επαγωγής της ανθοφορίας, η αύξηση της ποσότητας του πολύ κόκκινου φωτός από 5% σε 15% μπορεί να κάνει τα χρυσάνθεμα να ανθίσουν 7 ημέρες νωρίτερα.
3, περιπτώσεις χρήσης στη βιομηχανία: από το εργαστήριο στην εμπορική παραγωγή
1. Εργοστάσιο φυτών: ένα πρότυπο για την κατασκευή αντικειμένων στα εργοστάσια
Η Mirai Corporation διευθύνει το μεγαλύτερο εργοστάσιο στον κόσμο στην Ιαπωνία, το οποίο καλύπτει μια έκταση 23000 τετραγωνικών μέτρων και χρησιμοποιεί μόνο φώτα LED. Παράγει 30000 κιλά λαχανικά κάθε χρόνο. Το σύστημα μπορεί να αλλάξει αυτόματα τον φασματικό τύπο παρακολουθώντας τους περιβαλλοντικούς παράγοντες σε πραγματικό χρόνο. Για παράδειγμα, το κόκκινο και το μπλε φως είναι τα κύρια χρώματα κατά τη διάρκεια της διατροφικής περιόδου ανάπτυξης (αναλογία 3:1) και το πολύ κόκκινο φως προστίθεται κατά την περίοδο αναπαραγωγικής ανάπτυξης (R/FR=0.8). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια περιεκτικότητα σε VC που είναι 1,8 φορές μεγαλύτερη από αυτή της υπαίθριας φύτευσης στο μαρούλι.
2. Κάθετη γεωργία: αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο οι πόλεις χρησιμοποιούν το χώρο
Οι Sky Greens στη Σιγκαπούρη σχεδίασαν ένα -σχήμα Α τρισδιάστατο ράφι ανάπτυξης με λωρίδες φωτός LED σε κάθε στρώμα που μπορούν να ρυθμιστούν σε διαφορετικές γωνίες. Η προσέγγιση "πρωινό κόκκινο φως + απογευματινό μπλε φως" ώρα-κοινής παροχής φωτός χρησιμοποιείται για την καλλιέργεια φυλλωδών λαχανικών. Αυτό ενισχύει την απόδοση ανά μονάδα επιφάνειας κατά τέσσερις φορές σε σύγκριση με την τυπική επίπεδη καλλιέργεια. Αυτή η τεχνολογία έχει προωθηθεί σε μέρη όπου το νερό είναι δύσκολο, όπως το Ντουμπάι, όπου χρησιμοποιεί μόνο 2,5 λίτρα νερού ανά κιλό λαχανικών.
3. Κηπουρική στο σπίτι: κάνοντας την εξατομικευμένη φύτευση πιο δημοφιλής
Κουτιά φύτευσης LED με ρυθμιζόμενο φάσμα είναι πλέον διαθέσιμα για φυτά μπαλκονιού. Για παράδειγμα, η σειρά AeroGarden έχει κόκκινα, μπλε και λευκά φώτα LED που μπορούν να ρυθμιστούν χρησιμοποιώντας μια εφαρμογή για να μειώσει τον κύκλο ανάπτυξης των φυτών βανίλιας κατά 30% όσον αφορά τη διάρκεια και το πόσο φωτεινά είναι τα φώτα. Η προσθήκη φώτων LED σε μέρη με περιορισμένο φως, όπως τα μπαλκόνια που βλέπουν βόρεια, μπορεί να κάνει τους μίσχους του πράσινου κισσού να μεγαλώσουν 44% και τα φύλλα κατά 15% πιο φαρδιά.
4, Προβλήματα και τάσεις στον κλάδο
1. Τεχνικό εμπόδιο: βελτιστοποίηση του φάσματος και μείωση του κόστους
Το κόστος αγοράς φώτων ανάπτυξης LED εξακολουθεί να είναι 2 έως 3 φορές μεγαλύτερο από αυτό των λαμπτήρων HPS. Παρόλο που μια μεγάλη διάρκεια ζωής (πάνω από 50.000 ώρες) μπορεί να εξοικονομήσει μακροπρόθεσμα λειτουργικά έξοδα, η τεχνολογία φασματικής προσαρμογής πρέπει να σημειώσει πρόοδο. Η βάση δεδομένων "light formula" για διάφορες καλλιέργειες δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί και χρειάζεται πολύ περισσότερες δοκιμές πεδίου για να ληφθούν αρκετά δεδομένα.
2. Χωρίς πρότυπα: κενά στη ρύθμιση της αγοράς
Η παγκόσμια αγορά φωτισμού εγκαταστάσεων LED δεν έχει συνεπή πρότυπα και ορισμένα προϊόντα αντιμετωπίζουν δυσκολίες όπως η ψευδής σήμανση φάσματος και η απάτη όσον αφορά την ενεργειακή απόδοση. Η "Τεχνική Προδιαγραφή για Λαμπτήρες LED για Ανάπτυξη Φυτών" συντάσσεται από το Υπουργείο Γεωργίας και Αγροτικών Υποθέσεων της Κίνας. Θα καθορίσει τα απαιτούμενα πρότυπα για σημαντικούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των αναλογιών PPFD και R/FR.
3. Η τροχιά της καινοτομίας είναι προς την ευφυΐα και την πολυλειτουργική ολοκλήρωση.
Στο μέλλον, τα φώτα ανάπτυξης LED θα μπορούν να ελέγχουν ταυτόχρονα τη "θερμοκρασία φωτός υγρασία αέρα". Το σύστημα GrowWise της Philips στην Ολλανδία, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί πλακέτες φωτός LED με αισθητήρες για να παρακολουθεί πόσο γρήγορα διαπνέουν τα φυτά και να αλλάζει αυτόματα την ένταση του φωτός. Αυτό κάνει καλύτερη χρήση των υδάτινων πόρων κατά 60%.
