Pflanzenbeleuchtung mit weißen LEDs

Die Intensität der Photosynthese unter rotem Licht ist maximal, aber unter rotem allein sterben Pflanzen ab oder ihre Entwicklung ist beeinträchtigt. Zum Beispiel zeigten koreanische Forscher [1], dass bei Kontakt mit reinem Rot die Masse des gewachsenen Salats größer ist als bei Beleuchtung mit einer Kombination aus Rot und Blau, die Blätter jedoch deutlich weniger Chlorophyll, Polyphenole und Antioxidantien enthalten. Und die Biologie-Fakultät der Moskauer Staatlichen Universität [2] stellte fest, dass in den Blättern des Chinakohls unter schmalbandigem rotem und blauem Licht (im Vergleich zur Beleuchtung mit einer Natriumlampe) die Zuckersynthese reduziert ist, das Wachstum gehemmt wird und keine Blüte auftritt.


Abb. 1 Leanna Garfield, Tech Insider - Aerofarms

Welche Art von Beleuchtung wird benötigt, um eine voll entwickelte, große, aromatische und schmackhafte Pflanze mit mäßigem Energieverbrauch zu erhalten?

Wie bewertet man die Energieeffizienz der Lampe?

Die wichtigsten Metriken zur Bewertung der Energieeffizienz von Phyto-Beleuchtung:

• Photosynthetischer Photonenfluss ( PPF ) in Mikromol pro Joule, dh unter den Lichtquanten im Bereich von 400–700 nm, die von einer Lampe emittiert werden, die 1 J Strom verbraucht.
  
• Ertragsphotonenfluss ( YPF ) in effektiven Mikromol pro Joule, d. H. In der Anzahl der Quanten pro 1 J Elektrizität, unter Berücksichtigung des Multiplikators - der McCree- Kurve.
  

PPF ist immer etwas höher als YPF (die McCree- Kurve ist im größten Teil des Bereichs auf eins und weniger als eins normiert), daher ist die erste Metrik für Leuchtenverkäufer von Vorteil. Die zweite Metrik ist für Kunden rentabler, da sie die Energieeffizienz angemessener bewertet.

Die Wirksamkeit von DNaT

Große landwirtschaftliche Betriebe mit langjähriger Erfahrung im Zählen von Geld verwenden immer noch Natriumdampflampen. Ja, sie erklären sich bereit, die ihnen zur Verfügung gestellten LED-Lichter über die erfahrenen Betten zu hängen, aber sie erklären sich nicht bereit, für sie zu bezahlen.

Aus Abb. Abbildung 2 zeigt, dass der Wirkungsgrad der Natriumlampe stark von der Leistung abhängt und bei 600 Watt ein Maximum erreicht. Der charakteristische optimistische YPF- Wert für eine 600–1000 W Natriumlampe beträgt 1,5 eff. μmol / J. Natriumdampflampen 70–150 W haben eineinhalb Mal weniger Wirkungsgrad.


Abb. 2. Typisches Spektrum einer Natriumlampe für Pflanzen (links) . Effizienz in Lumen pro Watt und in effektiven Mikromol serieller Natriumlampen für Gewächshäuser von Cavita , E-Papillon , Galad und Reflax (rechts)

Jede LED-Lampe mit einem Wirkungsgrad von 1,5 eff. Mikromol / W und ein erschwinglicher Preis können als würdiger Ersatz für eine Natriumlampe angesehen werden.

Zweifelhafte Wirksamkeit von rot-blauen Phytoflights

In diesem Artikel werden die Absorptionsspektren von Chlorophyll nicht vorgestellt, da es falsch ist, sie in der Diskussion über die Verwendung des Lichtflusses durch eine lebende Pflanze zu verwenden. Chlorophyll invitro , isoliert und gereinigt, absorbiert wirklich nur rotes und blaues Licht. In einer lebenden Zelle absorbieren Pigmente Licht im gesamten Bereich von 400–700 nm und übertragen seine Energie auf Chlorophyll. Die Energieeffizienz von Licht in einem Blatt wird durch die McCree 1972- Kurve bestimmt (Abbildung 3).


Abb. 3. V (λ) - Sichtbarkeitskurve für eine Person; RQE - Relative Quanteneffizienz für eine Pflanze ( McCree 1972); σ _r und σ _fr - Phytochrom-Absorptionskurven von rotem und fernem rotem Licht; B (λ) - phototrope Effizienz von blauem Licht [3]

Hinweis: Der maximale Wirkungsgrad im roten Bereich ist eineinhalb Mal höher als der minimale im grünen Bereich. Und wenn Sie die Leistung über ein breites Band mitteln, wird der Unterschied noch weniger spürbar. In der Praxis verbessert sich die Umverteilung eines Teils der Energie vom roten Bereich zur grünen Energiefunktion des Lichts manchmal im Gegenteil. Grünes Licht gelangt durch die Blattdicke zu den unteren Ebenen, die effektive Blattfläche der Pflanze nimmt stark zu und der Ertrag von beispielsweise Salat steigt [2].

Pflanzenbeleuchtung mit weißen LEDs

Die Machbarkeit von Beleuchtungsanlagen mit gängigen LED-Weißleuchten wurde in [3] untersucht.

Die charakteristische Form des Spektrums einer weißen LED wird bestimmt durch:

• das Gleichgewicht von kurzen und langen Wellen korreliert mit der Farbtemperatur (Abb. 4, links);
• Der Grad der Spektrumbelegung korreliert mit der Farbwiedergabe (Abb. 4, rechts).

Abb. 4. Spektren von weißem LED-Licht mit einer Farbwiedergabe, aber unterschiedlicher Farbtemperatur von CCT (links) und mit einer Farbtemperatur und unterschiedlicher Farbwiedergabe R _a (rechts)

Unterschiede im Spektrum der weißen Dioden mit einer Farbwiedergabe und einer Farbtemperatur sind kaum wahrnehmbar. Daher können wir spektroabhängige Parameter nur anhand der Farbtemperatur, der Farbwiedergabe und der Lichtausbeute bewerten - die Parameter, die auf einem Etikett einer weißen Lampe angegeben sind.

Die Ergebnisse der Analyse der Spektren von seriellen weißen LEDs sind wie folgt:

1. Im Spektrum aller weißen LEDs ist selbst bei niedriger Farbtemperatur und maximaler Farbwiedergabe wie bei Natriumdampflampen nur sehr wenig Rot zu sehen (Abb. 5).


Abb. 5. Das Spektrum der weißen Leuchtdiode ( LED 4000 K R _a = 90) und des Natriumlichts ( HPS ) im Vergleich zu den Spektralfunktionen der Empfindlichkeit der Pflanze gegenüber blauem ( B ), rotem ( A_r ) und fernem rotem Licht ( A_fr )

Unter natürlichen Bedingungen erhält eine Pflanze, die vom Baldachin fremder Blätter beschattet wird, ein entfernteres Rot als das nächste, was bei photophilen Pflanzen ein „Schattenvermeidungssyndrom“ auslöst - die Pflanze dehnt sich aus. Tomaten zum Beispiel in der Wachstumsphase (keine Sämlinge!), Far red ist notwendig, um sich zu dehnen, das Wachstum und die gesamte besetzte Fläche und damit die Ernte in der Zukunft zu erhöhen.

Dementsprechend fühlt sich die Pflanze unter weißen LEDs und unter Natriumlicht wie unter der offenen Sonne an und streckt sich nicht nach oben.

2. Für die Reaktion „Verfolgung der Sonne“ wird blaues Licht benötigt (Abb. 6).


Abb. 6. Phototropismus - eine Ausbreitung von Blättern und Blüten, die sich auf die blaue Komponente des weißen Lichts erstreckt (Abbildung aus Wikipedia)

In einem Watt des 2700 K weißen LED-Lichtflusses ist die phytoaktive blaue Komponente doppelt so hoch wie in einem Watt Natriumlicht. Darüber hinaus nimmt der Anteil von phytoaktivem Blau in weißem Licht proportional zur Farbtemperatur zu. Wenn Sie beispielsweise dekorative Blumen in Richtung von Menschen entfalten müssen, sollten sie von dieser Seite durch intensives kaltes Licht beleuchtet werden, und die Pflanzen werden sich entfalten.

3. Der Energiewert des Lichts wird durch Farbtemperatur und Farbwiedergabe bestimmt und kann mit einer Genauigkeit von 5% durch die Formel bestimmt werden:

$$

wo $$ - Lichtausbeute in lm / W, $$ - allgemeiner Farbwiedergabeindex, $$ - korrelierte Farbtemperatur in Grad Kelvin.

Beispiele für die Verwendung dieser Formel:

A. Lassen Sie uns für die Grundwerte der Parameter des weißen Lichts schätzen, wie hoch die Beleuchtung sein soll, damit für eine gegebene Farbwiedergabe und Farbtemperatur beispielsweise 300 eff. μmol / s / m2:


Es ist ersichtlich, dass die Verwendung von warmweißem Licht mit hoher Farbwiedergabe die Verwendung einer etwas geringeren Beleuchtung ermöglicht. Wenn wir jedoch berücksichtigen, dass die Lichtleistung von warmen Farb-LEDs mit einer hohen Farbwiedergabe etwas geringer ist, wird deutlich, dass es durch Auswahl einer Farbtemperatur und einer Farbwiedergabe unmöglich ist, energetisch signifikant zu gewinnen oder zu verlieren. Sie können nur den Anteil des phytoaktiven blauen oder roten Lichts einstellen.

B. Lassen Sie uns die Anwendbarkeit einer typischen Allzweck-LED-Lampe für das Wachstum von Mikrogrün bewerten.

Angenommen, eine Leuchte mit einer Größe von 0,6 × 0,6 m verbraucht 35 W, hat eine Farbtemperatur von 4000 K , eine Farbwiedergabe von Ra = 80 und eine Lichtleistung von 120 lm / W. Dann ist seine Wirksamkeit YPF = (120/100) ⋅ (1,15 + (35⋅80 - 2360) / 4000) eff. μmol / J = 1,5 eff. μmol / J. Das multipliziert mit den verbrauchten 35 Watt ergibt 52,5 eff. μmol / s.

Wenn eine solche Leuchte über ein mikrogrünes Bett mit einer Fläche von 0,6 × 0,6 m = 0,36 m ² tief genug abgesenkt wird und dadurch Lichtverluste an den Seiten vermieden werden, beträgt die Lichtdichte 52,5 eff. μmol / s / 0,36 m ² = 145 eff. μmol / s / m ² . Dies ist ungefähr halb so groß wie die empfohlenen Werte. Daher muss auch die Leistung der Lampe verdoppelt werden.

Direkter Vergleich von Phytoparametern von Vorrichtungen verschiedener Typen

Vergleichen wir die Phytoparameter einer konventionellen LED-Deckenleuchte aus dem Jahr 2016 mit speziellen Phyto-Lampen (Abb. 7).


Abb. 7. Vergleichsparameter einer typischen 600-W-Natriumlampe für Gewächshäuser, einer speziellen LED-Phyto-Lampe und einer Lampe für die allgemeine Raumbeleuchtung

Es ist ersichtlich, dass eine herkömmliche Allgemeinbeleuchtungslampe mit einem Diffusor, der beim Beleuchten von Pflanzen entfernt wird, hinsichtlich der Energieeffizienz einer speziellen Natriumlampe nicht unterlegen ist. Es ist auch ersichtlich, dass die rot-blaue Leuchte (der Hersteller wird nicht absichtlich genannt) auf einem niedrigeren technologischen Niveau hergestellt wurde, da ihr voller Wirkungsgrad (das Verhältnis der Lichtleistung in Watt zur vom Netzwerk verbrauchten Leistung) dem Wirkungsgrad einer Bürolampe unterlegen ist. Aber wenn der Wirkungsgrad der rot-blauen und weißen Lampen gleich wäre, wären auch die Phytoparameter ungefähr gleich!

Die Spektren zeigen auch, dass die rot-blaue Phyto-Lampe nicht schmalbandig ist, ihr roter Buckel breit ist und viel weiter entferntes Rot enthält als das einer weißen LED- und Natriumlampe. In den Fällen, in denen das Fernrot erforderlich ist, kann die Verwendung einer solchen Lampe als einzelne Lampe oder in Kombination mit anderen Optionen angebracht sein.

Bewertung der Energieeffizienz des gesamten Beleuchtungssystems:

Der Autor verwendet ein UPRtek 350N- Handspektrometer (Abb. 8) von Intech Engineering.


Abb. 8. Prüfung des Phyto-Beleuchtungssystems

Das nächste UPRtek- Modell - das PG100N- Spektrometer - misst laut Hersteller Mikromol pro Quadratmeter und vor allem den Lichtstrom in Watt pro Quadratmeter.

Die Messung des Lichtstroms in Watt ist eine hervorragende Funktion! Wenn Sie die beleuchtete Fläche mit der Lichtflussdichte in Watt multiplizieren und mit dem Verbrauch der Lampe vergleichen, wird die Energieeffizienz des Beleuchtungssystems deutlich. Und dies ist das einzige unbestreitbare Effizienzkriterium für heute. In der Praxis unterscheidet es sich für verschiedene Beleuchtungssysteme um eine Größenordnung (und nicht um ein Vielfaches oder sogar mehr um Prozent, wie sich der Energieeffekt ändert, wenn sich die Form des Spektrums ändert).

Beispiele für die Verwendung von weißem Licht

Beispiele für die Beleuchtung von Hydroponikfarmen mit rot-blauem und weißem Licht werden beschrieben (Abb. 9).


Abb. 9. Farmen von links nach rechts und von oben nach unten: Fujitsu , Sharp , Toshiba , eine Heilpflanzenfarm in Südkalifornien

Das Aerofarms- Traversensystem ist bekannt (Abb. 1, 10), von denen das größte in der Nähe von New York gebaut wurde. Unter weißen LED-Lampen baut Aerofarms über 250 Arten von Grün an und erntet über zwanzig Ernten pro Jahr.


Abb. 10. Aerofarms Farm in New Jersey ("State Gardens") an der Grenze zu New York

Direkte Experimente zum Vergleich von weißer und rot-blauer LED-Beleuchtung
Es gibt nur sehr wenige veröffentlichte Ergebnisse direkter Experimente zum Vergleich von Pflanzen, die unter weißen und rot-blauen LEDs gezüchtet wurden. Einen Einblick in ein solches Ergebnis gab beispielsweise die Moskauer Landwirtschaftsakademie. Timiryazev (Abb. 11).


Abb. 11. In jedem Paar wächst die Pflanze links unter weißen LEDs, rechts unter Rot-Blau (nach einer Präsentation von I. G. Tarakanov, Abteilung für Pflanzenphysiologie, Moskauer Landwirtschaftsakademie, benannt nach Timiryazev).

Die Pekinger Universität für Luft- und Raumfahrt veröffentlichte 2014 die Ergebnisse einer großen Studie über Weizen, der unter verschiedenen LED-Typen angebaut wurde [4]. Chinesische Forscher kamen zu dem Schluss, dass es ratsam ist, eine Mischung aus weißem und rotem Licht zu verwenden. Wenn Sie sich jedoch die digitalen Daten aus dem Artikel ansehen (Abb. 12), stellen Sie fest, dass der Unterschied in den Parametern für verschiedene Beleuchtungsarten keineswegs radikal ist.


Abb. 12. Werte der untersuchten Faktoren in zwei Phasen des Weizenwachstums unter roten, rot-blauen, rot-weißen und weißen LEDs.

Das Hauptaugenmerk der heutigen Forschung liegt jedoch darauf, die Mängel der schmalbandigen rot-blauen Beleuchtung durch Hinzufügen von weißem Licht zu beheben. Beispielsweise fanden japanische Forscher [5, 6] einen Anstieg der Masse und des Nährwerts von Salat und Tomaten, wenn dem roten Licht Weiß zugesetzt wurde. In der Praxis bedeutet dies, dass, wenn die Ästhetik einer Pflanze während des Wachstums unwichtig ist, es nicht notwendig ist, bereits gekaufte schmalbandige rot-blaue Lampen aufzugeben, Weißlichtlampen zusätzlich verwendet werden können.

Einfluss der Lichtqualität auf das Ergebnis

Das Grundgesetz der Ökologie „Liebigs Fass“ (Abb. 13) besagt: Die Entwicklung wird durch einen Faktor begrenzt, der stärker als andere von der Norm abweicht. Wenn beispielsweise Wasser, Mineralien und CO ₂ vollständig bereitgestellt werden, die Lichtintensität jedoch 30% des optimalen Werts beträgt, liefert die Pflanze nicht mehr als 30% des maximal möglichen Ertrags.


Abb. 13. Eine Illustration des Prinzips des begrenzenden Faktors aus dem Trainingsvideo auf YouTube

Die Reaktion der Pflanze auf Licht: Die Intensität des Gasaustauschs, der Nährstoffverbrauch aus der Lösung und die Synthesevorgänge - werden im Labor bestimmt. Die Reaktionen charakterisieren nicht nur die Photosynthese, sondern auch die Prozesse des Wachstums, der Blüte und der Synthese der für Geschmack und Aroma notwendigen Substanzen.

In Abb. Fig. 14 zeigt die Reaktion einer Pflanze auf eine Änderung der Wellenlänge des Lichts. Die Intensität des Verbrauchs von Natrium und Phosphor aus der Nährlösung von Minze, Erdbeeren und Salat wurde gemessen. Spitzen in solchen Diagrammen sind Anzeichen für die Stimulation einer bestimmten chemischen Reaktion. Die Grafiken zeigen, dass zum Ausschließen einiger Bereiche aus wirtschaftlichen Gründen einige Bereiche aus dem gesamten Spektrum ausgeschlossen werden müssen. Dies entspricht dem Entfernen eines Teils der Klaviertasten und dem Spielen der Melodie auf den verbleibenden Tasten.


Abb. 14. Die stimulierende Rolle von Licht für den Verbrauch von Stickstoff und Phosphor durch Minze, Erdbeeren und Salat (Daten von Fitex)

Das Prinzip des Grenzfaktors kann auf einzelne Spektralkomponenten ausgedehnt werden - für ein vollständiges Ergebnis wird in jedem Fall ein vollständiges Spektrum benötigt. Das Entfernen einiger Bereiche aus dem gesamten Spektrum führt nicht zu einer signifikanten Steigerung der Energieeffizienz, aber das „Liebig-Fass“ kann funktionieren - und das Ergebnis wird negativ sein.
Die Beispiele zeigen, dass gewöhnliches weißes LED-Licht und spezielles „rot-blaues Phyto-Licht“ bei der Beleuchtung von Pflanzen ungefähr die gleiche Energieeffizienz aufweisen. Breitbandweiß erfüllt jedoch umfassend die Bedürfnisse der Pflanze, was sich nicht nur in der Stimulierung der Photosynthese äußert.

Das Entfernen von Grün aus dem kontinuierlichen Spektrum, damit das Licht von Weiß nach Lila wechselt, ist ein Marketingschritt für Käufer, die eine „spezielle Lösung“ wünschen, aber nicht als qualifizierte Kunden auftreten.

Weißlichtkorrektur

Die gebräuchlichsten weißen Allzweck-LEDs weisen eine geringe Farbwiedergabe von Ra = 80 auf, was auf das Fehlen einer hauptsächlich roten Farbe zurückzuführen ist (Abb. 4).

Das Fehlen von Rot im Spektrum kann durch Hinzufügen roter LEDs zur Lampe ausgeglichen werden. Eine solche Lösung fördert beispielsweise CREE . Die Logik des „Liebig-Fasses“ legt nahe, dass ein solches Additiv nicht schadet, wenn es sich tatsächlich um ein Additiv handelt, und nicht um eine Umverteilung von Energie aus anderen Bereichen zugunsten von Rot.

Das IMBP RAS hat 2013–2016 eine interessante und wichtige Arbeit geleistet [7, 8, 9]: Dort untersuchten sie, wie die Zugabe von 4000 K / Ra = 70 Licht von schmalbandigen roten LEDs von 660 nm zum Licht von Chinakohl die Entwicklung von Chinakohl beeinflusst.

Und wir haben folgendes herausgefunden:

• Unter LED-Licht wächst Kohl ähnlich wie unter Natrium, enthält jedoch mehr Chlorophyll (die Blätter sind grüner).
• Die Trockenmasse der Ernte ist nahezu proportional zur Gesamtlichtmenge in Mol, die die Pflanze erhält. Mehr Licht - mehr Kohl.
• Die Vitamin C-Konzentration im Kohl steigt mit zunehmender Beleuchtung leicht an, steigt jedoch mit der Zugabe von rotem zu weißem Licht signifikant an.
• Eine signifikante Erhöhung des Anteils der roten Komponente im Spektrum erhöhte die Nitratkonzentration in der Biomasse signifikant. Ich musste die Nährlösung optimieren und einen Teil des Stickstoffs in Ammoniumform einbringen, um nicht über die MPC für Nitrate hinauszugehen. Bei reinweißem Licht konnte jedoch nur mit einer Nitratform gearbeitet werden.
• Darüber hinaus wirkt sich eine Erhöhung des Rotanteils am gesamten Lichtstrom fast nicht auf die Masse der Ernte aus. Das heißt, der Austausch der fehlenden Spektralkomponenten wirkt sich nicht auf die Menge der Ernte aus, sondern auf deren Qualität.
• Ein höherer Wirkungsgrad in Mol pro Watt einer roten LED führt dazu, dass das Hinzufügen von Rot zu Weiß auch energetisch wirksam ist.

Daher ist das Hinzufügen von Rot zu Weiß im speziellen Fall von Chinakohl ratsam und im allgemeinen Fall durchaus möglich. Natürlich mit biochemischer Kontrolle und der richtigen Auswahl von Düngemitteln für eine bestimmte Kultur.

Spektrumanreicherungsoptionen für rotes Licht

Die Pflanze weiß nicht, woher das Quantum aus dem Spektrum des weißen Lichts kam und woher das „rote“ Quantum kam. Es ist nicht erforderlich, ein spezielles Spektrum in einer LED zu erstellen. Und es ist nicht nötig, rotes und weißes Licht von einer speziellen Phyto-Lampe zu leuchten. Es reicht aus, universelles weißes Licht zu verwenden und die Pflanze zusätzlich mit einem separaten roten Licht zu beleuchten. Und wenn sich eine Person in der Nähe der Pflanze befindet, kann die rote Lampe vom Bewegungssensor ausgeschaltet werden, sodass die Pflanze grün und hübsch aussieht.

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— 400 700 . , , . , , , . PBAR ( plant biologically active radiation ), ANSI/ASABE S640 , Quantities and Units of Electromagnetic Radiation for Plants (Photosynthetic Organisms , 280–800.

Fazit

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- . . n ; «» ; CREE

1: White LED Lighting for Plants .

2: : PPFD : 1000 = 15 //2