Iluminación de planta con leds blancos

La intensidad de la fotosíntesis bajo luz roja es máxima, pero solo bajo rojo las plantas mueren o su desarrollo se ve afectado. Por ejemplo, los investigadores coreanos [1] mostraron que cuando se exponen al rojo puro, la masa de lechuga cultivada es mayor que cuando se ilumina con una combinación de rojo y azul, pero las hojas tienen significativamente menos clorofila, polifenoles y antioxidantes. Y la facultad de biología de la Universidad Estatal de Moscú [2] descubrió que en las hojas de repollo chino bajo luz roja y azul de banda estrecha (en comparación con la iluminación con una lámpara de sodio), la síntesis de azúcar se reduce, el crecimiento se inhibe y no se produce la floración.


Fig. 1 Leanna Garfield, Tech Insider - Aerofarms

¿Qué tipo de iluminación se necesita para obtener una planta completamente desarrollada, grande, aromática y sabrosa con un consumo moderado de energía?

¿Cómo evaluar la eficiencia energética de la lámpara?

Las principales métricas para evaluar la eficiencia energética de la fito iluminación:

• Flujo de fotones fotosintéticos ( PPF ), en micromoles por julio, es decir, entre los cuantos de luz en el rango de 400–700 nm emitidos por una lámpara que consumió 1 J de electricidad.
  
• Rendimiento de flujo de fotones ( YPF ), en micromoles efectivos por julio, es decir, en la cantidad de cuantos por 1 J de electricidad, teniendo en cuenta el multiplicador: la curva de McCree .
  

PPF siempre resulta ser ligeramente más alto que YPF (la curva de McCree se normaliza a uno y menos que la unidad en la mayor parte del rango), por lo que la primera métrica es beneficiosa para los vendedores de luminarias. La segunda métrica es más rentable para los clientes, ya que evalúa de manera más adecuada la eficiencia energética.

La efectividad de DNaT

Las grandes granjas agrícolas con vasta experiencia contando dinero todavía usan lámparas de sodio. Sí, aceptan voluntariamente colgar las luces LED que se les proporcionan sobre las camas con experiencia, pero no aceptan pagar por ellas.

De la fig. La Figura 2 muestra que la eficiencia de la lámpara de sodio depende en gran medida de la potencia y alcanza un máximo de 600 vatios. El valor optimista característico de YPF para una lámpara de sodio de 600–1000 W es 1,5 ef. μmol / J. Las lámparas de sodio de 70–150 W tienen una eficiencia una vez y media menos.


Fig. 2. Espectro típico de una lámpara de sodio para plantas (izquierda) . Eficiencia en lúmenes por vatio y en micromoles efectivos de lámparas de sodio en serie para los invernaderos Cavita , E-Papillon , Galad y Reflax (derecha)

Cualquier lámpara LED que tenga una eficiencia de 1.5 ef. micromol / W y un precio asequible pueden considerarse un reemplazo digno de una lámpara de sodio.

Dudosa efectividad de fitoflights rojo-azul

En este artículo, no presentamos los espectros de absorción de clorofila porque es incorrecto hacer referencia a ellos en la discusión sobre el uso del flujo de luz por una planta viva. La clorofila invitro , aislada y purificada, realmente solo absorbe la luz roja y azul. En una célula viva, los pigmentos absorben luz en todo el rango de 400–700 nm y transfieren su energía a la clorofila. La eficiencia energética de la luz en una hoja está determinada por la curva McCree 1972 (Figura 3).


Fig. 3. V (λ) - curva de visibilidad para una persona; RQE - Eficiencia cuántica relativa para una planta ( McCree 1972); σ _r y σ _fr - curvas de absorción de fitocromo de luz roja y roja lejana; B (λ) - eficiencia fototrópica de la luz azul [3]

Nota: la eficiencia máxima en el rango rojo es una vez y media mayor que la mínima en verde. Y si promedia el rendimiento sobre cualquier banda ancha, la diferencia será aún menos notable. En la práctica, la redistribución de parte de la energía del rango rojo a la función de energía verde de la luz a veces, por el contrario, mejora. La luz verde atraviesa el grosor de las hojas hacia los niveles inferiores, el área efectiva de la hoja de la planta aumenta bruscamente y el rendimiento de, por ejemplo, la lechuga aumenta [2].

Iluminación de planta con leds blancos

La viabilidad energética de las plantas de iluminación con lámparas LED blancas comunes se investigó en [3].

La forma característica del espectro de un LED blanco está determinada por:

• el balance de ondas cortas y largas correlacionando con la temperatura de color (Fig. 4, izquierda);
• El grado de ocupación del espectro se correlaciona con la reproducción del color (Fig. 4, derecha).

Fig. 4. Espectros de luz LED blanca con reproducción de un color, pero diferente temperatura de color de CCT (izquierda) y con una temperatura de color y reproducción de color diferente R _a (derecha)

Las diferencias en el espectro de diodos blancos con una reproducción de color y una temperatura de color son apenas perceptibles. Por lo tanto, podemos evaluar los parámetros dependientes del espectro solo por la temperatura del color, la reproducción del color y la eficiencia luminosa, los parámetros que están escritos en una etiqueta en una lámpara blanca.

Los resultados del análisis de los espectros de los LED blancos seriales son los siguientes:

1. En el espectro de todos los LED blancos, incluso con una temperatura de color baja y con una reproducción máxima del color, como con las lámparas de sodio, hay muy poco rojo (Fig. 5).


Fig. 5. El espectro de diodos emisores de luz blanca ( LED 4000 K R _a = 90) y luz de sodio ( HPS ) en comparación con las funciones espectrales de la susceptibilidad de la planta a la luz azul ( B ), roja ( A_r ) y roja lejana ( A_fr )

En condiciones naturales, una planta sombreada por el dosel del follaje alienígena recibe un rojo más distante que el más cercano, lo que en las plantas fotófilas desencadena un "síndrome de evitación de sombras": la planta se estira. Tomates, por ejemplo, en la etapa de crecimiento (¡no plántulas!), El rojo lejano es necesario para estirar, para aumentar el crecimiento y el área total ocupada, y por lo tanto la cosecha en el futuro.

En consecuencia, bajo LED blancos y bajo luz de sodio, la planta se siente como al sol abierto y no se estira hacia arriba.

2. Se necesita luz azul para la reacción "seguimiento del sol" (Fig. 6).


Fig. 6. Fototropismo: una extensión de hojas y flores, que se extiende sobre el componente azul de la luz blanca (ilustración de Wikipedia)

En un vatio del flujo de luz LED blanca de 2700 K, el componente azul fitoactivo es el doble que en un vatio de luz de sodio. Además, la proporción de azul fitoactivo en luz blanca aumenta en proporción a la temperatura de color. Si necesita, por ejemplo, desplegar flores decorativas en la dirección de las personas, deben iluminarse desde este lado con una luz fría intensa, y las plantas se desplegarán.

3. El valor energético de la luz está determinado por la temperatura del color y la reproducción del color y con una precisión del 5% puede determinarse mediante la fórmula:

$$

donde $$ - eficiencia luminosa en lm / W, $$ - índice general de reproducción cromática, $$ - temperatura de color correlacionada en grados Kelvin.

Ejemplos de uso de esta fórmula:

A. Permítanos estimar los valores básicos de los parámetros de la luz blanca, lo que debería ser la iluminación, de modo que para un rendimiento de color y temperatura de color dados, por ejemplo, 300 ef. μmol / s / m2:


Se ve que el uso de luz blanca cálida con alta reproducción del color permite el uso de una iluminación ligeramente más baja. Pero cuando considera que la eficiencia luminosa de los diodos emisores de luz cálida con alta reproducción cromática es ligeramente menor, queda claro que al elegir una temperatura de color y reproducción cromática no puede ganar o perder significativamente energía. Solo puede ajustar la proporción de luz fitoactiva azul o roja.

B. Permítanos evaluar la aplicabilidad de una lámpara LED típica de uso general para el cultivo de microverde.

Suponga que una luminaria que mide 0.6 × 0.6 m consume 35 W, tiene una temperatura de color de 4000 K , una reproducción cromática de Ra = 80 y una salida de luz de 120 lm / W. Entonces su efectividad será YPF = (120/100) ⋅ (1.15 + (35⋅80 - 2360) / 4000) eff. μmol / J = 1.5 ef. μmol / J. Que cuando se multiplica por los 35 vatios consumidos será de 52.5 ef. μmol / s.

Si dicha luminaria se baja lo suficiente sobre una cama microverde con un área de 0.6 × 0.6 m = 0.36 m ² y, por lo tanto, para evitar pérdidas de luz a los lados, la densidad de la luz será de 52.5 ef. μmol / s / 0.36m ² = 145 ef. μmol / s / m ² . Esto es aproximadamente la mitad del tamaño de los valores recomendados. Por lo tanto, el poder de la lámpara también debe duplicarse.

Comparación directa de fitoparámetros de luminarias de diferentes tipos.

Comparemos los fitoparámetros de una lámpara LED de techo de oficina convencional fabricada en 2016 con fito-lámparas especializadas (Fig. 7).


Fig. 7. Parámetros comparativos de una lámpara de sodio típica de 600 W para invernaderos, una fito-lámpara LED especializada y una lámpara para iluminación general de habitaciones

Se puede ver que una lámpara de iluminación general convencional con un difusor retirado cuando se iluminan las plantas no es inferior en eficiencia energética a una lámpara de sodio especializada. También se puede ver que el accesorio de luz rojo-azul (el nombre del fabricante no está intencionalmente) está hecho a un nivel tecnológico más bajo, ya que su eficiencia total (la relación del flujo luminoso en vatios con respecto a la energía consumida de la red) es inferior a la eficiencia de una lámpara de oficina. Pero si la eficiencia de las lámparas rojas, azules y blancas fuera la misma, ¡entonces los fitoparámetros también serían casi iguales!

Los espectros también muestran que la fito-lámpara rojo-azul no es de banda estrecha, su joroba roja es ancha y contiene un rojo mucho más distante que el de un LED blanco y una lámpara de sodio. En aquellos casos donde el rojo lejano es necesario, el uso de una lámpara como una sola lámpara o en combinación con otras opciones puede ser apropiado.

Evaluación de la eficiencia energética del sistema de iluminación en su conjunto:

El autor utiliza un espectrómetro de mano UPRtek 350N (Fig. 8), provisto por Intech Engineering.


Fig. 8. Auditoría del sistema de fito-iluminación.

El próximo modelo UPRtek : el espectrómetro PG100N, según el fabricante, mide micromoles por metro cuadrado y, lo que es más importante, el flujo luminoso en vatios por metro cuadrado.

¡Medir el flujo luminoso en vatios es una característica excelente! Si multiplica el área iluminada por la densidad de flujo de luz en vatios y compara con el consumo de la lámpara, la eficiencia energética del sistema de iluminación se vuelve clara. Y este es el único criterio de eficiencia indiscutible para hoy, en la práctica para diferentes sistemas de iluminación difiere en un orden de magnitud (y no en varias veces o incluso más por ciento, cómo cambia el efecto de energía cuando cambia la forma del espectro).

Ejemplos de uso de luz blanca

Se describen ejemplos de iluminación de granjas hidropónicas con luz roja, azul y blanca (Fig. 9).


Fig. 9. Granjas de izquierda a derecha y de arriba a abajo: Fujitsu , Sharp , Toshiba , una granja de plantas medicinales en el sur de California

El sistema de armadura Aerofarms es bien conocido (Fig. 1, 10), el más grande de los cuales fue construido cerca de Nueva York. Bajo lámparas LED blancas, Aerofarms cultiva más de 250 tipos de vegetación, cosechando más de veinte cosechas al año.


Fig. 10. Aerofarms Farm en Nueva Jersey ("State Gardens") en la frontera con Nueva York

Experimentos directos comparando iluminación LED blanca y roja-azul
Hay muy pocos resultados publicados de experimentos directos que comparen plantas cultivadas bajo LED blanco y rojo-azul. Por ejemplo, la Academia Agrícola de Moscú mostró un vistazo de tal resultado. Timiryazev (Fig. 11).


Fig. 11. En cada par, la planta de la izquierda se cultiva bajo LED blancos, a la derecha, bajo rojo-azul (de una presentación de I. G. Tarakanov, Departamento de Fisiología Vegetal, Academia Agrícola de Moscú, en honor a Timiryazev)

La Universidad de Aviación y Espacio de Beijing publicó en 2014 los resultados de un gran estudio sobre trigo cultivado con diferentes tipos de LED [4]. Investigadores chinos concluyeron que es aconsejable usar una mezcla de luz blanca y roja. Pero si observa los datos digitales del artículo (Fig. 12), observa que la diferencia en los parámetros para diferentes tipos de iluminación no es radical.


Fig. 12. Valores de los factores estudiados en dos fases del crecimiento del trigo bajo LED rojo, rojo-azul, rojo-blanco y blanco.

Sin embargo, el objetivo principal de la investigación actual es corregir las deficiencias de la iluminación rojo-azul de banda estrecha agregando luz blanca. Por ejemplo, los investigadores japoneses [5, 6] encontraron un aumento en la masa y el valor nutricional de la lechuga y los tomates cuando se agregó blanco a la luz roja. En la práctica, esto significa que si el atractivo estético de una planta durante el crecimiento no es importante, no es necesario abandonar las lámparas de color rojo-azul de banda estrecha ya compradas, las lámparas de luz blanca también se pueden utilizar.

Efecto de la calidad de la luz sobre el resultado.

La ley fundamental de la ecología "El barril de Liebig" (Fig. 13) dice: el desarrollo está limitado por un factor que se desvía de la norma más que otros. Por ejemplo, si se proporciona agua, minerales y CO _{2 por} completo, pero la intensidad de la iluminación es del 30% del valor óptimo, la planta no producirá más del 30% del rendimiento máximo posible.


Fig. 13. Una ilustración del principio del factor limitante del video de capacitación en YouTube

La reacción de la planta a la luz: la intensidad del intercambio de gases, el consumo de nutrientes de la solución y los procesos de síntesis, se determina por medios de laboratorio. Las respuestas caracterizan no solo la fotosíntesis, sino también los procesos de crecimiento, floración, síntesis de sustancias necesarias para el sabor y el aroma.

En la fig. 14 muestra la respuesta de una planta a un cambio en la longitud de onda de la luz. Se midió la intensidad del consumo de sodio y fósforo de la solución nutritiva de menta, fresas y lechuga. Los picos en tales gráficos son signos de estimulación de una reacción química específica. Los gráficos muestran que excluir algunos rangos del espectro completo en aras de la economía es lo mismo que eliminar parte de las teclas del piano y tocar la melodía en las restantes.


Fig. 14. El papel estimulante de la luz para el consumo de nitrógeno y fósforo por menta, fresas y lechuga (datos proporcionados por Fitex)

El principio del factor limitante puede extenderse a componentes espectrales individuales: para obtener un resultado completo, en cualquier caso, se necesita un espectro completo. La eliminación de algunos rangos del espectro completo no conduce a un aumento significativo en la eficiencia energética, pero el "barril Liebig" puede funcionar, y el resultado será negativo.
Los ejemplos demuestran que la luz LED blanca ordinaria y la "fito-luz roja-azul" especializada cuando se iluminan las plantas tienen aproximadamente la misma eficiencia energética. Pero el blanco de banda ancha satisface ampliamente las necesidades de la planta, expresadas no solo en la estimulación de la fotosíntesis.

Eliminar el verde del espectro continuo para que la luz cambie de blanco a púrpura es un movimiento de marketing para los compradores que desean una "solución especial" pero no actúan como clientes calificados.

Corrección de luz blanca

Los LED blancos de uso general más comunes tienen una baja reproducción cromática de Ra = 80, lo que se debe a la falta de color principalmente rojo (Fig. 4).

La falta de rojo en el espectro se puede compensar agregando LED rojos a la lámpara. Tal solución promueve, por ejemplo , CREE . La lógica del "Liebig Barrel" sugiere que tal aditivo no dañará si es realmente un aditivo, y no una redistribución de energía de otros rangos a favor del rojo.

El IMBP RAS hizo un trabajo interesante e importante en 2013–2016 [7, 8, 9]: allí estudiaron cómo la adición de 4000 K / Ra = 70 luz de LED rojos de banda estrecha de 660 nm a la luz de la col china afecta el desarrollo de la col china.

Y descubrimos lo siguiente:

• Bajo la luz LED, el repollo crece de la misma manera que bajo el sodio, pero contiene más clorofila (las hojas son más verdes).
• La masa seca del cultivo es casi proporcional a la cantidad total de luz en moles recibida por la planta. Más luz, más repollo.
• La concentración de vitamina C en la col aumenta ligeramente con el aumento de la iluminación, pero aumenta significativamente con la adición de luz roja a blanca.
• Un aumento significativo en la proporción del componente rojo en el espectro aumentó significativamente la concentración de nitratos en la biomasa. Tuve que optimizar la solución nutritiva e introducir parte del nitrógeno en forma de amonio para no ir más allá del MPC para los nitratos. Pero con luz blanca pura solo era posible trabajar con una forma de nitrato.
• Además, un aumento en la proporción de rojo en el flujo luminoso total casi no afecta la masa del cultivo. Es decir, el reemplazo de los componentes espectrales faltantes no afecta la cantidad del cultivo, sino su calidad.
• Una mayor eficiencia en moles por vatio de un LED rojo lleva al hecho de que agregar rojo al blanco también es efectivo energéticamente.

Por lo tanto, agregar rojo a blanco es aconsejable en el caso particular de la col china y es bastante posible en el caso general. Por supuesto, con control bioquímico y la selección adecuada de fertilizantes para un cultivo en particular.

Opciones de enriquecimiento de espectro para luz roja

La planta no sabe de dónde provino el cuanto del espectro de luz blanca y de dónde vino el cuanto "rojo". No es necesario hacer un espectro especial en un LED. Y no hay necesidad de brillar con luz roja y blanca de una de las fito-lámparas especiales. Es suficiente usar luz blanca de uso general e iluminar la planta adicionalmente con una luz roja separada. Y cuando una persona está cerca de la planta, el sensor de movimiento puede apagar la lámpara roja para que la planta se vea verde y bonita.

Pero la solución opuesta también está justificada: al elegir la composición del fósforo, expanda el espectro del brillo del LED blanco hacia las ondas largas, equilibrándolo para que la luz permanezca blanca. Y obtienes una luz blanca de reproducción de color extra alta, adecuada tanto para plantas como para humanos.

Preguntas abiertas

Es posible identificar el papel de la proporción de luz roja lejana y cercana y la conveniencia de utilizar el "síndrome de evitación de sombra" para diferentes culturas. Se puede argumentar en qué secciones del análisis es aconsejable romper la escala de longitud de onda.

Se puede discutir si una planta necesita menos de 400 nm o más de 700 nm para la estimulación o la función reguladora. Por ejemplo, hay un mensaje privado de que la luz ultravioleta afecta significativamente las cualidades del consumidor de las plantas. Entre otras cosas, las variedades de lechuga de hojas rojas se cultivan sin luz ultravioleta y crecen verdes, pero se irradian con luz ultravioleta antes de venderlas, se ponen rojas y van al mostrador. Y es el nuevo PBAR métrico ( radiación biológicamente activa de la planta ) descrito en los estándares ANSI / ASABE S640 , Cantidades y unidades de radiación electromagnética para plantas (organismos fotosintéticos ) correctos , que requieren un rango de 280-800 nm.

Conclusión

Las cadenas de tiendas eligen variedades más maduras, y luego el comprador vota en rublos por frutas más brillantes. Y casi nadie elige el sabor y el aroma. Pero tan pronto como nos hagamos más ricos y comencemos a exigir más, la ciencia proporcionará instantáneamente las variedades y recetas necesarias para la solución nutritiva.

Y para que la planta sintetice todo lo que se necesita para el sabor y el aroma, se requerirá una iluminación con un espectro que contenga todas las longitudes de onda a las que reaccionará la planta, es decir, en el caso general, un espectro continuo. Quizás la solución básica sería la luz blanca con alta reproducción cromática.

Agradecimientos
El autor agradece sinceramente la ayuda en la preparación de este artículo a un empleado del SSC RF-IBMP RAS nIrina Konovalova; Tatyana Trishina, gerente de proyectos de Fiteks; Especialista en cree Mikhail Chervinsky

1: White LED Lighting for Plants .

2: : PPFD : 1000 = 15 //2