วิธีการเลือกและออกแบบไฟ LED เติบโต?

เนื่องจากเป็นสาขาสำคัญของการเกษตรสมัยใหม่ แนวคิดเรื่องโรงงานจึงได้รับความนิยมอย่างมาก ในสภาพแวดล้อมการปลูกในร่ม แสงสว่างของพืชเป็นแหล่งพลังงานที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงไฟ LED เติบโต มีข้อได้เปรียบมากมายที่ไฟเสริมแบบดั้งเดิมไม่มี และจะกลายเป็นตัวเลือกแรกสำหรับไฟหลักหรือไฟเสริมในการใช้งานเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ เช่น ฟาร์มแนวตั้งและเรือนกระจก

พืชเป็นหนึ่งในรูปแบบชีวิตที่ซับซ้อนที่สุดในโลกนี้ การปลูกพืชนั้นเรียบง่าย แต่ยากและซับซ้อน นอกจากการให้แสงสว่างแล้ว ตัวแปรหลายตัวยังส่งผลต่อกันและกัน การปรับสมดุลของตัวแปรเหล่านี้เป็นศิลปะที่ยอดเยี่ยมที่ผู้ปลูกต้องเข้าใจและเชี่ยวชาญ แต่ในแง่ของการให้แสงสว่างในโรงงาน ยังมีปัจจัยหลายอย่างที่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ

ก่อนอื่น มาทำความเข้าใจสเปกตรัมของดวงอาทิตย์และการดูดกลืนสเปกตรัมของพืชกันก่อน ดังที่เห็นได้จากภาพด้านล่าง สเปกตรัมแสงอาทิตย์เป็นสเปกตรัมต่อเนื่อง โดยสเปกตรัมสีน้ำเงินและสีเขียวจะแข็งแกร่งกว่าสเปกตรัมสีแดง และสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้อยู่ในช่วง 380 ถึง 780 นาโนเมตร การเจริญเติบโตของพืชมีปัจจัยการดูดกลืนแสงที่สำคัญหลายประการ และสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของออกซินสำคัญหลายชนิดที่ส่งผลต่อการเจริญเติบโตของพืชมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นการประยุกต์ใช้ไฟ LED เติบโตไม่ใช่เรื่องง่าย แต่มีเป้าหมายมาก ในที่นี้ มีความจำเป็นต้องแนะนำแนวคิดเกี่ยวกับองค์ประกอบการเจริญเติบโตของพืชสังเคราะห์ด้วยแสงที่สำคัญที่สุดสององค์ประกอบ

การสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชอาศัยคลอโรฟิลล์ในคลอโรพลาสต์ของใบ ซึ่งเป็นเม็ดสีที่สำคัญที่สุดชนิดหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสง มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่สามารถสร้างการสังเคราะห์ด้วยแสงได้ รวมถึงพืชสีเขียวและพืชโปรคาริโอต สาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียว (ไซยาโนแบคทีเรีย) และสาหร่ายยูคาริโอต คลอโรฟิลล์ดูดซับพลังงานแสงและสังเคราะห์คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำให้เป็นไฮโดรคาร์บอน

คลอโรฟิลล์ เอ เป็นสีน้ำเงินแกมเขียว และดูดซับแสงสีแดงเป็นหลัก คลอโรฟิลล์ บี มีสีเหลืองเขียว และดูดซับแสงสีน้ำเงินม่วงเป็นหลัก ส่วนใหญ่จะแยกแยะพืชที่ให้ร่มเงาจากพืชที่มีแสงแดดเป็นหลัก อัตราส่วนของคลอโรฟิลล์ บี ต่อ คลอโรฟิลล์ เอ ของพืชที่ให้ร่มเงามีขนาดเล็ก ดังนั้นพืชที่ให้ร่มเงาจึงสามารถใช้แสงสีน้ำเงินได้อย่างมากและปรับให้เข้ากับการเจริญเติบโตในที่ร่มได้ การดูดกลืนแสงที่รุนแรงของคลอโรฟิลล์ เอ และคลอโรฟิลล์ บี มีอยู่ 2 แบบด้วยกัน ได้แก่ บริเวณสีแดงที่มีความยาวคลื่น 630~680 นาโนเมตร และบริเวณสีน้ำเงินม่วงที่มีความยาวคลื่น 400~460 นาโนเมตร

แคโรทีนอยด์ (แคโรทีนอยด์) เป็นคำทั่วไปสำหรับกลุ่มเม็ดสีธรรมชาติที่สำคัญ ซึ่งมักพบในเม็ดสีเหลือง สีส้มแดง หรือสีแดงในสัตว์ พืชชั้นสูง เห็ดรา และสาหร่าย จนถึงขณะนี้มีการค้นพบแคโรทีนอยด์ตามธรรมชาติมากกว่า 600 ชนิด แคโรทีนอยด์ที่ผลิตในเซลล์พืชไม่เพียงแต่ดูดซับและถ่ายโอนพลังงานเพื่อช่วยในการสังเคราะห์แสงเท่านั้น แต่ยังมีหน้าที่ปกป้องเซลล์จากการถูกทำลายโดยโมเลกุลออกซิเจนพันธะอิเล็กตรอนเดี่ยวที่น่าตื่นเต้น การดูดกลืนแสงของแคโรทีนอยด์ครอบคลุมช่วง 303~505 นาโนเมตร ให้สีของอาหารและส่งผลต่อการบริโภคอาหารของร่างกายมนุษย์ ในสาหร่าย พืช และจุลินทรีย์ ไม่สามารถแสดงสีได้เนื่องจากมีคลอโรฟิลล์ปกคลุมอยู่

ในกระบวนการออกแบบและคัดเลือกไฟ LED เติบโตมีความเข้าใจผิดหลายประการที่ต้องหลีกเลี่ยงโดยหลักๆ ในด้านต่อไปนี้

1. อัตราส่วนของความยาวคลื่นสีแดงต่อสีน้ำเงินของความยาวคลื่นแสง

เนื่องจากพื้นที่การดูดซึมหลักสองแห่งสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชทั้งสองชนิด สเปกตรัมที่ปล่อยออกมาจากไฟ LED เติบโตควรจะเป็นแสงสีแดงและแสงสีน้ำเงินเป็นหลัก แต่ไม่สามารถวัดง่ายๆ ด้วยอัตราส่วนสีแดงต่อสีน้ำเงินได้ ตัวอย่างเช่น อัตราส่วนของสีแดงต่อสีน้ำเงินคือ 4:1, 6:1, 9:1 และอื่นๆ

มีพืชหลายชนิดที่มีนิสัยแตกต่างกัน และระยะการเจริญเติบโตที่แตกต่างกันก็มีความต้องการการโฟกัสแสงที่แตกต่างกันเช่นกัน สเปกตรัมที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของพืชควรเป็นสเปกตรัมต่อเนื่องโดยมีความกว้างของการกระจายที่แน่นอน เห็นได้ชัดว่าไม่เหมาะสมที่จะใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ทำจากชิปความยาวคลื่นเฉพาะสองตัว ได้แก่ สีแดงและสีน้ำเงินที่มีสเปกตรัมแคบมาก จากการทดลองพบว่าพืชมีแนวโน้มที่จะมีสีเหลือง ก้านใบมีน้ำหนักเบามาก และก้านใบมีความบางมาก มีการศึกษาจำนวนมากเกี่ยวกับการตอบสนองของพืชต่อสเปกตรัมต่างๆ ในต่างประเทศ เช่น ผลกระทบของส่วนอินฟราเรดต่อช่วงแสง ผลกระทบของส่วนสีเหลืองเขียวต่อเอฟเฟกต์การแรเงา และผลกระทบของ สีม่วงส่วนความต้านทานต่อศัตรูพืชและโรคสารอาหารและอื่นๆ

ในการใช้งานจริง ต้นกล้ามักจะถูกเผาหรือเหี่ยวเฉา ดังนั้นการออกแบบพารามิเตอร์นี้จึงต้องออกแบบตามชนิดของพืช สภาพแวดล้อมในการเจริญเติบโต และเงื่อนไข

2.แสงสีขาวธรรมดาและเต็มสเปกตรัม

เอฟเฟกต์แสงที่ต้นไม้ "มองเห็น" นั้นแตกต่างจากตามนุษย์ โคมไฟแสงสีขาวที่ใช้กันทั่วไปของเราไม่สามารถทดแทนแสงแดดได้ เช่น หลอดแสงสีขาวสามหลักที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในญี่ปุ่น เป็นต้น การใช้สเปกตรัมเหล่านี้มีผลกระทบบางอย่างต่อการเจริญเติบโตของพืช แต่ผลไม่ได้ เช่นเดียวกับแหล่งกำเนิดแสงที่สร้างจาก LED -

สำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์ที่มีสีหลักสามสีที่ใช้กันทั่วไปในปีก่อนๆ แม้ว่าจะมีการสังเคราะห์สีขาว แต่สเปกตรัมสีแดง เขียว และน้ำเงินจะถูกแยกออกจากกัน และความกว้างของสเปกตรัมจะแคบมาก และส่วนที่ต่อเนื่องของสเปกตรัมค่อนข้างอ่อน ในขณะเดียวกัน พลังงานยังคงมีค่อนข้างมากเมื่อเทียบกับ LED ซึ่งใช้พลังงานมากกว่า 1.5 ถึง 3 เท่า ไฟ LED สเปกตรัมทั้งหมดที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับระบบแสงสว่างสำหรับการปลูกพืชจะปรับสเปกตรัมให้เหมาะสมที่สุด แม้ว่าเอฟเฟกต์ภาพจะยังคงเป็นสีขาว แต่ก็มีส่วนแสงที่สำคัญที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช

3. พารามิเตอร์ความเข้มของการส่องสว่าง PPFD

ความหนาแน่นของฟลักซ์การสังเคราะห์ด้วยแสง (PPFD) เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการวัดความเข้มของแสงในพืช สามารถแสดงได้ด้วยควอนตัมแสงหรือพลังงานการแผ่รังสี หมายถึงความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีที่มีประสิทธิผลของแสงในการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งแสดงถึงจำนวนควอนต้าแสงทั้งหมดที่ตกกระทบบนก้านใบพืชในช่วงความยาวคลื่น 400 ถึง 700 นาโนเมตรต่อหน่วยเวลาและหน่วยพื้นที่ หน่วยคือμE·ม-2·เอส-1 (μโมล·ม-2·ส-1) รังสีที่สังเคราะห์ด้วยแสง (PAR) หมายถึงรังสีดวงอาทิตย์ทั้งหมดที่มีความยาวคลื่นในช่วง 400 ถึง 700 นาโนเมตร

จุดอิ่มตัวของการชดเชยแสงของพืชหรือที่เรียกว่าจุดชดเชยแสง หมายความว่า PPFD จะต้องสูงกว่าจุดนี้ การสังเคราะห์ด้วยแสงของมันอาจมากกว่าการหายใจ และการเจริญเติบโตของพืชนั้นมากกว่าการบริโภคก่อนที่พืชจะเติบโตได้ พืชแต่ละชนิดมีจุดชดเชยแสงที่แตกต่างกัน และไม่สามารถพิจารณาได้ง่ายๆ ว่ามีถึงดัชนีที่กำหนด เช่น PPFD มากกว่า 200μโมล·ม-2·เอส-1.

ความเข้มของแสงที่สะท้อนจากเครื่องวัดความสว่างที่ใช้ในอดีตคือความสว่าง แต่เนื่องจากสเปกตรัมของการเจริญเติบโตของพืชเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากความสูงของแหล่งกำเนิดแสงจากโรงงาน ความครอบคลุมของแสง และแสงสามารถทะลุผ่านได้หรือไม่ ใบไม้ ฯลฯ ใช้เป็นแสงในการศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสง ตัวบ่งชี้ที่แข็งแกร่งนั้นไม่แม่นยำเพียงพอ และตอนนี้ PAR ส่วนใหญ่จะถูกนำมาใช้

โดยทั่วไป พืชที่เป็นบวก PPFD> 50μโมล·ม-2·s-1 สามารถเริ่มกลไกการสังเคราะห์ด้วยแสงได้ ในขณะที่พืชร่มเงา PPFD ต้องการเพียง 20 เท่านั้นμโมล·ม-2·เอส-1. ดังนั้น เมื่อติดตั้งไฟโรงงาน LED คุณสามารถติดตั้งและตั้งค่าตามค่าอ้างอิงนี้ เลือกความสูงในการติดตั้งที่เหมาะสม และรับค่า PPFD ในอุดมคติและความสม่ำเสมอบนพื้นผิวใบ

4.สูตรบางเบา

สูตรแสงเป็นแนวคิดใหม่ที่เสนอเมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยปัจจัย 3 ประการ ได้แก่ คุณภาพแสง ปริมาณแสง และระยะเวลา เพียงเข้าใจว่าคุณภาพแสงเป็นสเปกตรัมที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช ปริมาณแสงคือค่า PPFD ที่เหมาะสมและความสม่ำเสมอ ระยะเวลาคือค่าสะสมของการฉายรังสีและอัตราส่วนของเวลากลางวันต่อกลางคืน เกษตรกรชาวดัตช์ได้ค้นพบว่าพืชใช้อัตราส่วนอินฟราเรดต่อแสงสีแดงเพื่อตัดสินการเปลี่ยนแปลงกลางวันและกลางคืน อัตราส่วนอินฟราเรดจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อพระอาทิตย์ตกดิน และพืชตอบสนองต่อการนอนหลับอย่างรวดเร็ว หากไม่มีกระบวนการนี้ พืชจะใช้เวลาหลายชั่วโมงกว่าจะเสร็จสิ้นกระบวนการนี้

ในการใช้งานจริง จำเป็นต้องสะสมประสบการณ์ผ่านการทดสอบและเลือกชุดค่าผสมที่ดีที่สุด