Eliberarea puterii luminii: Proiectarea unor sisteme eficiente de iluminat cu LED-uri pentru horticultură și agricultură de interior

Cultivarea culturilor sub iluminat artificial în medii închise și complet controlate este o metodă cu beneficii în creștere și impact global. Agricultura industrială în interior ar putea deveni principalul factor care previne foametea și conflictele aferente. Cu populații în creștere, scăderea terenurilor agricole, poluare, încălzire globală și migrație, va deveni și mai important în viitor să creștem culturile într-un mod fiabil, previzibil și eficient.

Concepte științifice de bază pentru de iluminatul horticol

Un factor cheie în succesul creșterii plantelor în interior este eficiența sistemului de iluminat în inducerea creșterii plantelor comparativ cu lumina soarelui. Pentru a construi un sistem de iluminat extrem de eficient, este crucial să înțelegem câteva concepte științifice de bază.

Fotosinteza și radiația PAR

Radiația electromagnetică necesară pentru fotosinteză este definită drept radiație fotosintetică activă (PAR), cu domeniul spectral cuprins între 400 și 700 nanometri. Doar radiațiile din intervalul de mai sus pot fi utilizate de organisme în procesul de fotosinteză, pentru a fixa carbonul din CO2 în carbohidrați.

Ar trebui să remarcăm că radiația electromagnetică numită lumină vizibilă pentru un ochi uman tipic, are o gamă spectrală de la aproximativ 380 până la 740 nanometri.

O unitate comună de măsură pentru radiație fotosintetică activă PAR este fluxul de fotoni fotosintetici (PPF), măsurat în micromoli pe secunda (μmol/sec). Pentru multe aplicații practice, această unitate este extinsă la PPFD,(μmol/sec/metru patrat).

Teoria din spatele PPF este că fiecare foton absorbit, indiferent de lungimea de undă și de energia sa, are o contribuție egală la procesul fotosintetic. In conformitate cu legea Stark-Einstein, fiecare foton (sau cuant) care este absorbit va excita un electron, indiferent de energia fotonului, între 400 nm și 700 nm. Din acest motiv, fluxul foton fotosintetic este denumit și flux cuantic.

Cu toate acestea, doar o parte din fotoni sunt absorbiți de o frunză de plantă, proces determinat de proprietățile sale optice și de concentrația de pigmenți din planta, cum ar fi Clorofila A și B și Carotenoidele (a / -Carotene, Lycopen, Xantofila).

Clorofilele A și B dau frunzelor plantei culoarea verde caracteristică, deoarece reflectă cea mai mare parte a radiațiilor cuprinse între 500 și 600 nanometri. Plantele care au mai multe carotenoide decât clorofilele reflectă lungimile de undă de peste 540 nm și au culori galben, portocaliu și roșu. Aceasta culoare include si frunzele de toamnă, când clorofilele s-au uscat.

 

---nota: articol publicat initial in limba engleza, graficele si imaginile sunt in engleza---

Graficul de mai sus arată spectrele tipice de absorbție pentru clorofila A, clorofila B și Beta-caroten. Fiecare este explicat mai jos:

Clorofila-A

Vârfuri de absorbție la 430 nm și 662 nm

Clorofila-a este pigmentul principal pentru fotosinteză la plante și prezintă o culoare vizuală verde-iarbă. Poate fi găsit în toate organismele fotosintetice, cu excepția bacteriilor fotosintetice.

Clorofila-B

Vârfuri de absorbție la 453 nm și 642 nm

Colorphyll-B prezintă o culoare vizuală albastru-verde și apare la toate plantele, algele verzi și unele procariote. În plante există, de obicei, aproximativ jumătate din cantitatea de colorphyll-B fata de colorphyll-A.

Carotenoizi (a / -caroten, licopen, xantofilă)

Absorbția este puternică între 420nm și 485nm

Carotenii sunt puternic colorați roșu-portocaliu, abundenți în plante, fructe, legume și cereale integrale.

Conversia fluxului luminos în radiații PAR (PPF și PPFD)

Cunoscând vârfurile de absorbție ale pigmenților Clorofilă și Caroten pentru fotosinteză, se poate calcula radiația fotosintetică PAR (PPF și PPFD) a unei surse de lumină.

Fluxul luminos, în lumeni, poate fi transformat în PPF (flux fotonetic fotosintetic sau flux cuantic) cu o formulă matematică bazată pe distribuția spectrală a puterii (SPD) a sursei de lumină. Rezultatul va fi o valoare în μmol / sec care este relevantă doar pentru SPD-ul utilizat la calcul.

Deoarece această conversie necesită date detaliate ale sursei de lumină în format tabular (tabel excel) pentru SPD la fiecare interval de 5 nanometri, cel mai adesea producătorii scriu valorile PPF direct în fișa tehnică.

Mai jos sunt câteva exemple de conversie a unor surse luminoase (Light Source) din lumina (Lumens or Lx) în PPF sau PPFD pe metru patrat:

 

Rata de conversie (Conversion Rate) exprima cat de eficienta este sursa de lumina pentru cresterea plantelor, valoarea mai ridicata fiind mai buna.

Dacă valoarea PPF nu este menționată, numerele de mai sus pot fi utilizate pentru o conversie pentru alte surse de lumină, dar numai cu rezultate aproximative.

În timp ce PPF (fluxul de fotoni fotosintetici) este energia totală emisă de la sursa de lumină, energia recepționată efectiv de către plante este desemnată ca densitate de flux fotonetic fotosintetic (PPFD), iar unitățile sale S. I. sunt µmol / sec / m2.

Iluminanța, în lux, poate fi transformată în densitate de flux de fotoni fotosintetice (PPFD) într-un mod similar, cu o diferență importantă. Aceasta este o valoare este influențată de distanța și proprietățile optice ale sursei de lumină (unghiul de vedere) și este mai des măsurată pe locul de instalare și nu se găsește în fișa tehnică a producătorului. Această abordare este dificil de adoptat atunci când instalația de iluminare se află în faza de proiectare, deoarece necesită ca corpurile LED să fie deja în funcțiune. Tabelele de conversie de mai jos pot ajuta la proiectarea instalației de horticultură.

1) Conversia PPF în PPFD.

Tabelul de mai jos arată o conversie PPF în PPFD (100 PPF în PPFD) pentru o sursă de lumină LED (bandă LED) cu unghi de vizualizare de 120 de grade. Este important de reținut că PPFD pe metru pătrat este valabil doar pentru un metru pătrat de suprafață de creștere caci diametrul suprafatei de iluminare (beam width) poate depasii 100 cm. Dacă sunt suprafețe mai mari, modulele LED, amplasate la fiecare metru pătrat, vor ilumina și pătratele adiacente.

Pentru o iluminare de 100% a unui metru pătrat, vă recomandăm o distanță de maxim 30 cm între frunzele plantei și banda LED / modul. Aceasta este foarte importanta din cauza legii pătratului invers al luminii. Aceasta afirmă că intensitatea pe unitatea de suprafață variază în mod invers proporțional cu pătratul distanței. Vă recomandăm să plasați lumina la 20 cm de plante. Dacă, în schimb, puneți luminile la o distanță de 2 metri, veți avea nevoie de o cantitate de lumină de 100 de ori mai mare!

 

2) Conversia PPFD în PPF

Nivelurile de lumină recomandate de obicei pentru plante sunt exprimate în PPFD. Din acest motiv, conversia PPFD în PPF poate fi mai utilă.

Odată ce cunoaștem valorile PPF și PPFD pentru o sursă de lumină, putem proceda la proiectarea sistemului de lumină adecvat pentru plantele de cultivare în interior.

PPFD recomandat pentru legume și plante decorative

Următorul pas pentru proiectarea sistemului de lumină de horticultura este cercetarea intensității luminii potrivite pentru fotosinteză pentru plantele specifice pe care intenționăm să le creștem.

Există plante care cresc natural la umbră, deoarece frunzele lor necesită intensități scăzute de lumină și astfel sunt denumite „plante cu umbră”. Alte plante cresc la soare cu frunze care au nevoie de intensități mari de lumină. Acestea sunt denumite „plante solare”.

Majoritatea legumelor (pepene verde, roșii, castraveți, pepeni…) sunt plante solare, în timp ce multe flori (alyssum, ochi albastri, begonia, calendula, fuchsia…) sunt plante cu umbră.

În general, plantele care cresc la umbră sau la intensități scăzute de lumină au frunze mari, subțiri, în timp ce plantele care au nevoie de intensități mari de lumină au frunze groase.

În funcție de fiecare plantă, fotosinteza începe aparent de la un anumit nivel de lumină, numit punct de compensare. Pe măsură ce intensitatea luminii crește, la fel face fotosinteza și dezvoltarea plantelor, până la un anumit punct care se numește „punct de saturație a luminii”. Dincolo de aceasta, cantitatea de lumină care lovește frunza nu provoacă o creștere a vitezei de fotosinteză, moment in care se spune că lumina „satureaza” procesul fotosintetic.

Punctul de compensare și punctele de saturație sunt descoperite prin observarea fenomenului de absorbție și eliberare de CO2. Pe măsură ce intensitatea luminii scade sub punctul de compensare, se observă o eliberare de CO2, cand trece deasupra acesteia, absorbția de CO2 crește treptat până la punctul de saturație, dacă se aplatizează la nivelul maxim.

 

Între punctele de compensare și de saturație ale plantelor cultivate ar trebui să se aleagă o intensitate de lumină adecvată pentru o instalație de horticultura.

Mai jos sunt exemple de compensare, saturație și valori recomandate pentru legume și culturi (Letuce, Roșii, Cannabis, Ardei roșu, Castravete ...)

 

Mai jos sunt exemple de compensare, saturație și valori recomandate pentru plantele decorative.

Proiectarea Sistemului de Iluminat LED pentru Horticultură cu PPFD-ul Recomandat pentru Legume și Plante Decorative

Pasul următor în proiectarea sistemului de iluminat horticul este să cercetați intensitatea luminii potrivită pentru fotosinteză pentru plantele specifice pe care plănuiți să le cultivați.

Există plante care cresc natural la umbră, deoarece frunzele lor necesită intensități scăzute de lumină și sunt numite "plante de umbră". Alte plante cresc la soare, cu frunze care necesită intensități mari de lumină, numite "plante de soare".

Implementarea Celui Mai Eficient Sistem de Iluminat LED pentru Horticultură

De exemplu, o intensitate tipică a luminii pentru facilitățile de cultivare utilizate pentru salată și lăptuci ar fi de aproximativ 300 până la 400 µmol/m2/sec. În locații unde este necesară o intensitate mai mare a luminii, cum ar fi fabricile de tip hibrid, se recomandă o iluminare suplimentară de 100 până la 150 µmol/m2/sec.

În prezent, iluminatul LED oferă cel mai eficient și rentabil mod de a ilumina facilitățile de cultivare. Cu toate acestea, nu toate sistemele de iluminat LED sunt create egale.

Atribute Foarte Importante care Fac Diferența

• Eficacitate: PPF/Watt
• Stabilitatea Culorii
• Sortarea Culorilor

Instalarea sau Înlocuirea Ușoară a Modulelor
Proiectarea unui sistem eficient de iluminat LED pentru horticultură necesită o înțelegere profundă a fotosintezei, radiației PAR, pigmenților plantei și cerințelor specifice de lumină ale plantelor pe care plănuiți să le cultivați. Prin luarea în considerare a acestor factori și planificarea atentă a instalării iluminatului, puteți crea un mediu de creștere în interior fiabil, previzibil și eficient, care va ajuta la satisfacerea cererii globale în creștere pentru producția de alimente.

La Zexstar, puteți găsi module LED cu lumină cu spectru complet recomandate pentru horticultură:

Plantele sub iluminarea modulelor noastre LumiBar cu LED-uri albe  pentru horticultură vor crește cu până la 50% mai mult decât lumina convențională, inclusiv LED-uri albe standard, o combinație de LED-uri roșii și albastre sau un tub fluorescent. În plus, consumul de energie este mai mic. 

Performanțe de creștere pot fi obținute cu LumiBar-ul nostru cu spectru complet cu LED-uri Nichia Optisolis cu CRI99+ sau cu LED-uri SunLike CRI98+: