Iluminação da planta com LEDs brancos

A intensidade da fotossíntese sob luz vermelha é máxima, mas sob o vermelho as plantas morrem ou seu desenvolvimento é prejudicado. Por exemplo, pesquisadores coreanos [1] mostraram que, quando expostos ao vermelho puro, a massa de alface cultivada é maior do que quando iluminada por uma combinação de vermelho e azul, mas as folhas têm significativamente menos clorofila, polifenóis e antioxidantes. E a faculdade de biologia da Universidade Estadual de Moscou [2] descobriu que nas folhas do repolho chinês sob luz vermelha e azul de banda estreita (em comparação à iluminação com uma lâmpada de sódio), a síntese de açúcar é reduzida, o crescimento é inibido e o florescimento não ocorre.


Fig. 1 Leanna Garfield, Especialista em tecnologia - Aerofarms

Que tipo de iluminação é necessária para obter uma planta totalmente desenvolvida, grande, aromática e saborosa, com consumo moderado de energia?

Como avaliar a eficiência energética da lâmpada?

As principais métricas para avaliar a eficiência energética da iluminação fito:

• Fluxo fotossintético de fótons ( PPF ), em micromoles por joule, ou seja, entre os quanta de luz na faixa de 400 a 700 nm emitidos por uma lâmpada que consumia 1 J de eletricidade.
  
• Rendimento do fluxo de fótons ( YPF ), em micromoles efetivos por joule, isto é, no número de quanta por 1 J de eletricidade, levando em consideração o multiplicador - a curva de McCree .
  

O PPF sempre acaba sendo um pouco mais alto que o YPF (a curva de McCree é normalizada para um e menos que a unidade na maior parte da faixa), portanto, a primeira métrica é benéfica para os vendedores de luminárias. A segunda métrica é mais lucrativa para os clientes usarem, pois avalia mais adequadamente a eficiência energética.

A eficácia do DNaT

Grandes fazendas com vasta experiência em contar dinheiro ainda usam lâmpadas de sódio. Sim, eles concordam em pendurar as luzes LED fornecidas sobre as camas experientes, mas não concordam em pagar por elas.

A partir da fig. A Figura 2 mostra que a eficiência da lâmpada de sódio é altamente dependente da energia e atinge um máximo de 600 watts. O valor YPF otimista da característica para uma lâmpada de sódio de 600–1000 W é de 1,5 ef. μmol / J. As lâmpadas de sódio de 70 a 150 W têm uma vez e meia menos eficiência.


Fig. 2. Espectro típico de uma lâmpada de sódio para plantas (esquerda) . Eficiência em lúmens por watt e em micromoles efetivos de lâmpadas seriais de sódio para estufas Cavita , E-Papillon , Galad e Reflax (à direita)

Qualquer lâmpada LED com uma eficiência de 1,5 ef. micromol / W e um preço acessível podem ser considerados um substituto digno de uma lâmpada de sódio.

Eficácia duvidosa dos phytoflights vermelho-azul

Neste artigo, não apresentamos os espectros de absorção da clorofila porque é incorreto nos referir a eles na discussão do uso do fluxo de luz por uma planta viva. A clorofila invitro , isolada e purificada, realmente absorve apenas a luz vermelha e azul. Em uma célula viva, os pigmentos absorvem a luz em toda a faixa de 400 a 700 nm e transferem sua energia para a clorofila. A eficiência energética da luz em uma folha é determinada pela curva McCree 1972 (Figura 3).


Fig. 3. V (λ) - curva de visibilidade para uma pessoa; RQE - Eficiência Quântica Relativa para uma Planta ( McCree 1972); σ _r e σ _fr - curvas de absorção do fitocromo da luz vermelha e vermelha distante; B (λ) - eficiência fototrópica da luz azul [3]

Nota: a eficiência máxima na faixa vermelha é uma vez e meia maior que a mínima em verde. E se você calcular a média de desempenho em qualquer banda larga, a diferença se tornará ainda menos perceptível. Na prática, a redistribuição de parte da energia da faixa vermelha para a função de energia verde da luz às vezes, pelo contrário, aumenta. A luz verde passa através da espessura das folhas para as camadas inferiores, a área foliar efetiva da planta aumenta acentuadamente e o rendimento de, por exemplo, alface aumenta [2].

Iluminação da planta com LEDs brancos

A viabilidade energética de instalações de iluminação com luminárias comuns de LED branco foi investigada em [3].

A forma característica do espectro de um LED branco é determinada por:

• o balanço de ondas curtas e longas correlacionando-se com a temperatura da cor (Fig. 4, à esquerda);
• o grau de ocupação do espectro correlacionado com a reprodução de cores (Fig. 4, à direita).

Fig. 4. Espectros de luz LED branca com uma representação de cor, mas com temperatura de cor diferente da CCT (esquerda) e com uma temperatura de cor e representação de cor diferente R _a (direita)

Diferenças no espectro de diodos brancos com uma representação de cores e uma temperatura de cor são quase imperceptíveis. Portanto, podemos avaliar parâmetros dependentes do espectro apenas pela temperatura da cor, reprodução de cores e eficiência luminosa - os parâmetros que estão escritos em uma etiqueta em uma lâmpada branca.

Os resultados da análise dos espectros dos LEDs brancos seriais são os seguintes:

1. No espectro de todos os LEDs brancos, mesmo com baixa temperatura de cor e com máxima reprodução de cores, como nas lâmpadas de sódio, há muito pouco vermelho (Fig. 5).


Fig. 5. O espectro do diodo emissor de luz branca ( LED 4000 K R _a = 90) e da luz de sódio ( HPS ) em comparação com as funções espectrais da suscetibilidade da planta à luz azul ( B ), vermelha ( A_r ) e vermelha distante ( A_fr )

Sob condições naturais, uma planta sombreada pelo dossel da folhagem alienígena recebe um vermelho mais distante que o mais próximo, o que nas plantas fotófilas desencadeia uma "síndrome de prevenção de sombras" - a planta se estende. Tomates, por exemplo, na fase de crescimento (não mudas!), É necessário esticar o vermelho distante para aumentar o crescimento e a área total ocupada e, portanto, a colheita no futuro.

Assim, sob LEDs brancos e sob luz de sódio, a planta se sente sob o sol aberto e não se estende para cima.

2. A luz azul é necessária para a reação “rastrear o sol” (fig. 6).


Fig. 6. Fototropismo - uma propagação de folhas e flores, estendendo-se ao componente azul da luz branca (ilustração da Wikipedia)

Em um watt do fluxo de luz de LED branco de 2700 K, o componente azul fitoativo é duas vezes mais que em um watt de luz de sódio. Além disso, a proporção de azul fitossativo na luz branca aumenta proporcionalmente à temperatura da cor. Se você precisar, por exemplo, desdobrar flores decorativas na direção das pessoas, elas devem ser iluminadas deste lado por intensa luz fria, e as plantas se desdobram.

3. O valor energético da luz é determinado pela temperatura e reprodução da cor e com uma precisão de 5%, pode ser determinado pela fórmula:

$$

onde $$ - eficiência luminosa em lm / W, $$ - índice geral de reprodução de cores, $$ - temperatura de cor correlacionada em graus Kelvin.

Exemplos de uso desta fórmula:

A. Vamos estimar para os valores básicos dos parâmetros da luz branca, qual deve ser a iluminação, de modo que, para uma determinada renderização e temperatura de cor, por exemplo, 300 ef. μmol / s / m2:


Observa-se que o uso de luz branca quente com alta reprodução de cores permite o uso de iluminação ligeiramente mais baixa. Porém, se levarmos em conta que a saída de luz dos LEDs de cores quentes com uma alta renderização de cores é um pouco menor, fica claro que, ao escolher uma temperatura e uma renderização de cores, é impossível ganhar ou perder energicamente de forma significativa. Você só pode ajustar a proporção de luz azul ou vermelha fitossativa.

B. Vamos avaliar a aplicabilidade de uma lâmpada LED de uso geral típica para o cultivo de micro-verdes.

Suponha que uma luminária medindo 0,6 × 0,6 m consuma 35 W, tenha uma temperatura de cor de 4000 K , uma reprodução de cores de Ra = 80 e uma saída de luz de 120 lm / W. Então, sua eficácia será YPF = (120/100) ⋅ (1,15 + (35⋅80 - 2360) / 4000) ef. μmol / J = 1,5 ef. μmol / J. Que quando multiplicado pelos 35 watts consumidos será 52,5 ef. μmol / s.

Se uma luminária desse tipo for baixada suficientemente baixo sobre um leito microgreen com uma área de 0,6 × 0,6 m = 0,36 m ² e, assim, para evitar perdas de luz nas laterais, a densidade da luz será de 52,5 ef. μmol / s / 0,36 m ² = 145 ef. μmol / s / m ² . Isso representa cerca da metade do tamanho dos valores recomendados. Portanto, a potência da lâmpada também deve ser dobrada.

Comparação direta de fitoparâmetros de luminárias de diferentes tipos

Vamos comparar os fitoparâmetros de uma lâmpada LED convencional de teto para escritório fabricada em 2016 com fito-lâmpadas especializadas (Fig. 7).


Fig. 7. Parâmetros comparativos de uma lâmpada de sódio típica de 600W para estufas, uma fito-lâmpada LED especializada e uma lâmpada para iluminação geral da sala

Pode-se observar que uma lâmpada de iluminação geral convencional com um difusor removido ao iluminar instalações não é inferior em eficiência energética a uma lâmpada de sódio especializada. Também é possível observar que a luminária vermelho-azul (o fabricante não é nomeado intencionalmente) foi fabricada em um nível tecnológico mais baixo, uma vez que sua eficiência total (a proporção da saída de luz em watts pela energia consumida na rede) é inferior à eficiência de uma lâmpada de escritório. Mas se a eficiência das lâmpadas vermelho-azul e branca fosse a mesma, os fitoparâmetros também seriam os mesmos!

Também pode ser visto pelos espectros que a lâmpada phyto vermelho-azul não é de banda estreita, sua corcunda vermelha é larga e contém um vermelho muito mais distante do que o de uma lâmpada branca de LED e sódio. Nos casos em que o vermelho extremo é necessário, o uso de uma lâmpada como uma lâmpada única ou em combinação com outras opções pode ser apropriado.

Avaliação da eficiência energética do sistema de iluminação como um todo:

O autor usa um espectrômetro de mão UPRtek 350N (Fig. 8), fornecido pela Intech Engineering.


Fig. 8. Auditoria do sistema de iluminação fito

O próximo modelo UPRtek - o espectrômetro PG100N, de acordo com o fabricante, mede micromoles por metro quadrado e, mais importante, o fluxo luminoso em watts por metro quadrado.

Medir o fluxo luminoso em watts é uma excelente característica! Se você multiplicar a área iluminada pela densidade do fluxo de luz em watts e comparar com o consumo da lâmpada, a eficiência energética do sistema de iluminação fica clara. E este é o único critério de eficiência incontestável atualmente, na prática para diferentes sistemas de iluminação, difere por uma ordem de magnitude (e não por várias vezes ou até mais por cento) como o efeito da energia muda quando a forma do espectro muda.

Exemplos de uso da luz branca

Exemplos de iluminação de fazendas hidropônicas com luz vermelho-azul e branca são descritos (Fig. 9).


Fig. 9. Fazendas da esquerda para a direita e de cima para baixo: Fujitsu , Sharp , Toshiba , uma fazenda de plantas medicinais no sul da Califórnia

O sistema de treliças da Aerofarms é bem conhecido (Fig. 1, 10), o maior dos quais foi construído perto de Nova York. Sob lâmpadas LED brancas, a Aerofarms cultiva mais de 250 tipos de hortaliças, colhendo mais de vinte colheitas por ano.


Fig. 10. Fazenda de Aerofarms em Nova Jersey ("State Gardens") na fronteira com Nova York

Experiências diretas comparando iluminação LED branca e vermelha e azul
Existem muito poucos resultados publicados de experimentos diretos comparando plantas cultivadas sob LEDs branco e vermelho-azul. Por exemplo, um vislumbre de tal resultado foi mostrado pela Academia Agrícola de Moscou. Timiryazev (Fig. 11).


Fig. 11. Em cada par, a planta à esquerda é cultivada sob LEDs brancos, à direita - sob vermelho-azul (a partir de uma apresentação de I. G. Tarakanov, Departamento de Fisiologia Vegetal, Academia Agrícola de Moscou com o nome Timiryazev)

A Universidade de Aviação e Espaço de Pequim publicou em 2014 os resultados de um grande estudo de trigo cultivado sob diferentes tipos de LEDs [4]. Pesquisadores chineses concluíram que é aconselhável usar uma mistura de luz branca e vermelha. Mas se você observar os dados digitais do artigo (Fig. 12), notará que a diferença de parâmetros para diferentes tipos de iluminação não é radical.


Fig. 12. Valores dos fatores estudados em duas fases do crescimento do trigo sob LEDs vermelho, vermelho-azul, vermelho-branco e branco.

No entanto, o foco principal da pesquisa hoje é corrigir as deficiências da iluminação vermelho-azul em banda estreita adicionando luz branca. Por exemplo, pesquisadores japoneses [5, 6] descobriram um aumento na massa e no valor nutricional de alface e tomate quando o branco foi adicionado à luz vermelha. Na prática, isso significa que, se o apelo estético de uma planta durante o crescimento não for importante, não será necessário abandonar as lâmpadas azul-vermelho de banda estreita já compradas, as lâmpadas de luz branca podem ser usadas adicionalmente.

Efeito da qualidade da luz no resultado

A lei fundamental da ecologia “barril de Liebig” (Fig. 13) diz: o desenvolvimento é limitado por um fator que se desvia mais da norma do que outros. Por exemplo, se a água, os minerais e o CO _{2 forem} totalmente fornecidos, mas a intensidade da iluminação for de 30% do valor ideal, a planta não produzirá mais do que 30% do rendimento máximo possível.


Fig. 13. Uma ilustração do princípio do fator limitante do vídeo de treinamento no YouTube

A reação da planta à luz: a intensidade das trocas gasosas, o consumo de nutrientes da solução e os processos de síntese - é determinada por meio de laboratório. As respostas caracterizam não apenas a fotossíntese, mas também os processos de crescimento, floração, síntese de substâncias necessárias para o paladar e o aroma.

Na fig. 14 mostra a resposta de uma planta a uma mudança no comprimento de onda da luz. Foi medida a intensidade do consumo de sódio e fósforo da solução nutritiva de menta, morangos e alface. Os picos nesses gráficos são sinais de estimulação de uma reação química específica. Os gráficos mostram que, para excluir algumas faixas do espectro completo em prol da economia, é o mesmo que remover parte das teclas do piano e tocar a melodia nas demais.


Fig. 14. O papel estimulante da luz no consumo de nitrogênio e fósforo por hortelã, morangos e alface (dados fornecidos pela Fitex)

O princípio do fator limitante pode ser estendido a componentes espectrais individuais - para um resultado completo, em qualquer caso, é necessário um espectro completo. A remoção de algumas faixas do espectro completo não leva a um aumento significativo na eficiência energética, mas o “barril Liebig” pode funcionar - e o resultado será negativo.
Os exemplos demonstram que a luz LED branca comum e a "luz fito vermelho-azul" especializada ao iluminar as instalações têm aproximadamente a mesma eficiência energética. Mas o branco de banda larga atende de maneira abrangente às necessidades da planta, expressas não apenas na estimulação da fotossíntese.

Remover o verde do espectro contínuo para que a luz passe do branco para o roxo é uma jogada de marketing para compradores que desejam uma "solução especial", mas não agem como clientes qualificados.

Correção da luz branca

Os LEDs brancos de uso geral mais comuns têm uma baixa renderização de cores de Ra = 80, devido à falta de cor principalmente vermelha (Fig. 4).

A falta de vermelho no espectro pode ser compensada adicionando LEDs vermelhos à lâmpada. Essa solução promove, por exemplo , o CREE . A lógica do "Barril Liebig" sugere que esse aditivo não será prejudicial se for realmente um aditivo, e não uma redistribuição de energia de outras faixas em favor do vermelho.

O RAS do IMBP fez um trabalho interessante e importante em 2013–2016 [7, 8, 9]: estudaram como a adição de 4000 K / Ra = 70 luz de LEDs vermelhos de banda estreita de 660 nm à luz do repolho chinês afeta o desenvolvimento do repolho chinês.

E descobrimos o seguinte:

• Sob a luz LED, o repolho cresce da mesma maneira que o sódio, mas contém mais clorofila (as folhas são mais verdes).
• A massa seca da colheita é quase proporcional à quantidade total de luz em moles recebida pela planta. Mais luz - mais repolho.
• A concentração de vitamina C no repolho aumenta levemente com o aumento da iluminação, mas aumenta significativamente com a adição de luz vermelha à branca.
• Um aumento significativo na proporção do componente vermelho no espectro aumentou significativamente a concentração de nitratos na biomassa. Eu tive que otimizar a solução nutritiva e introduzir parte do nitrogênio na forma de amônio para não ir além do MPC para nitratos. Mas, sob luz branca pura, era possível trabalhar apenas com uma forma de nitrato.
• Além disso, um aumento na proporção de vermelho no fluxo luminoso total quase não afeta a massa da colheita. Ou seja, a substituição dos componentes espectrais ausentes não afeta a quantidade da colheita, mas sua qualidade.
• Maior eficiência em moles por watt de um LED vermelho leva ao fato de que adicionar vermelho ao branco também é eficaz em termos energéticos.

Assim, a adição de vermelho ao branco é aconselhável no caso particular do repolho chinês e é bem possível no caso geral. Obviamente, com controle bioquímico e a seleção adequada de fertilizantes para uma determinada colheita.

Opções de enriquecimento de espectro para luz vermelha

A planta não sabe de onde veio o quantum do espectro da luz branca e de onde veio o quantum "vermelho". Não há necessidade de criar um espectro especial em um LED. E não é necessário brilhar sob luz vermelha e branca de uma das lâmpadas phyto especiais. É suficiente usar a luz branca de uso geral e iluminar a planta adicionalmente com uma luz vermelha separada. E quando uma pessoa está perto da planta, a lâmpada vermelha pode ser desligada pelo sensor de movimento para que a planta pareça verde e bonita.

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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.

Conclusão

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Agradecimentos
- . . . ; «» ; CREE

1: White LED Lighting for Plants .

2: : PPFD : 1000 = 15 //2