Phân tích các ưu điểm của bổ sung chiếu sáng bán dẫn nhà kính- Universelite Co., Ltd

Phân tích các ưu điểm của bổ sung chiếu sáng bán dẫn nhà kính

Phân tích ưu điểm của nguồn sáng Đèn sợi đốt là nguồn sáng phổ biến để tạo ra ánh sáng mặt trời trong thời gian dài, nhưng hiệu suất điện của chúng thấp, tỷ lệ ánh sáng đỏ và đỏ xa thấp không thể cải thiện độ dài của thân nên dần dần bị cấm bán và sử dụng. Đèn huỳnh quang compact và HPS tiết kiệm năng lượng hơn và có tỷ lệ R:FR cao. HPS có ba loại 400W, 600W và 1000W. Các nguồn sáng truyền thống như HPS không thể tung ra các sản phẩm năng lượng thấp và ứng dụng của chúng bị hạn chế. 1000W phổ biến hơn vì cần ít đèn như vậy hơn để đạt được cùng cường độ ánh sáng. Trong thực tế chiếu sáng bổ sung trong nhà kính, việc giảm số lượng đèn có thể làm giảm hiệu quả mức độ ánh sáng tự nhiên bị chặn bởi các tấm phản xạ của đèn. Việc điều tiết ánh sáng tự nhiên hiệu quả và tiết kiệm năng lượng đòi hỏi phải có một hệ thống điều khiển thông minh để điều chỉnh lượng ánh sáng nhân tạo theo cường độ ánh sáng tự nhiên.

So sánh, hiệu suất chuyển đổi quang điện của HPS là 30%, trong khi đèn sợi đốt chỉ là 6% và hiệu suất chuyển đổi quang điện của đèn LED là 40%. Năng lượng điện khác được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt, làm nóng nhiệt độ môi trường xung quanh nhà kính. Trên thực tế, việc sử dụng sưởi ấm bằng điện là không kinh tế, và trong điều kiện thời tiết ôn hòa, nhiệt độ cao không tốt cho sản xuất, vì vậy cần phải bật quạt và các thiết bị khác để hạ nhiệt. Quang phổ HPS bao gồm ánh sáng tổng hợp của ánh sáng vàng, ánh sáng cam và ánh sáng đỏ. Nó cần thêm một số ánh sáng xanh để có chất lượng ánh sáng hiệu quả hơn. Thực vật cần một lượng ánh sáng xanh nhất định để phát triển và hình thái thực vật bình thường. Ngoài ra, ánh sáng đỏ xa cũng rất quan trọng đối với sự hình thành và tỷ lệ giữa ánh sáng đỏ, xanh lam và đỏ xa cần được điều chỉnh.

Đèn LED hoặc mô-đun cần được sàng lọc về chất lượng ánh sáng, hiệu suất chống thấm nước, độ gọn nhẹ và giảm diện tích bề mặt che chắn ánh sáng. Các phương pháp tản nhiệt bao gồm đèn LED làm mát bằng nước, đèn LED làm mát bằng khí thụ động và đèn LED làm mát bằng khí chủ động. Tản nhiệt LED luôn là một vấn đề cần được giải quyết nghiêm túc. Tản nhiệt và sưởi ấm HPS có thể làm ấm cây trồng và tăng cường hô hấp. Đổi lại, hô hấp làm giảm nhiệt độ của lá.

Năm 2007, một số công ty ở Hà Lan đã giới thiệu các mô-đun LED đặc biệt cho ngành công nghiệp nhà kính. Trong năm 2008-2009, một số thí nghiệm chiếu sáng bằng đèn LED quy mô lớn đã được thực hiện trên hoa hồng, cà chua, ớt chuông, dưa chuột và cây thuốc. Kết quả của các thí nghiệm đã được trộn lẫn. Đèn LED có tiềm năng điều chỉnh quang kỳ và ứng dụng ánh sáng bổ sung trong nhà kính, nhưng có tương đối ít nghiên cứu về cây trồng làm vườn và ứng dụng của chúng có thể bị giới hạn trong sản xuất cây trồng đặc biệt do chi phí cao (Runkle et al., 2011). Chiếu sáng bổ sung LED trong nhà kính là một công nghệ rất hứa hẹn có thể thu được hiệu quả quá trình quang hợp của thực vật tốt hơn (đèn LED đỏ cao hơn HPS), bắt đầu các phản ứng đặc biệt của thực vật hoặc hướng dẫn các quá trình và cân bằng của thực vật thông qua điều chế chất lượng ánh sáng đặc biệt của LED (Nederhoff, 2010) .

Phân tích công nghệ chiếu sáng

Các phương pháp lấp đầy ánh sáng bao gồm ánh sáng lấp đầy trên cùng, ánh sáng lấp đầy xen kẽ, ánh sáng lấp đầy nhiều lớp và các hình thức khác. So với các nguồn sáng truyền thống, kích thước, hình dạng và thiết kế công suất của đèn nguồn sáng LED có thể được mở rộng tự do, phương pháp treo linh hoạt và trọng lượng nhẹ. Nó đã tạo ra nhiều chế độ công nghệ ánh sáng bổ sung, thích nghi tốt với các phương pháp trồng cây trong nhà kính, loại cây trồng và hình dạng tán cây. Nhu cầu thực tế đa dạng.

Phân tích lợi ích chiếu sáng

Công nghệ chiếu sáng tăng trưởng thực vật đang phát triển nhanh chóng, cung cấp nhiều lựa chọn chiếu sáng bổ sung trong nhà kính. Nelson và Bughee (2014) đã báo cáo hiệu suất lượng tử quang hợp (400~700nm) và đặc điểm phân bố bức xạ photon của 2 loại thiết bị HPS hai mặt, 5 loại thiết bị HPS dựa trên mogul, 10 loại thiết bị LED, 3 loại gốm kim loại đèn và 2 loại đèn huỳnh quang. 2 đèn LED hiệu quả nhất và 2 thiết bị HPS hai chiều hiệu quả nhất có hiệu suất gần như giống nhau, trong khoảng từ 1,66 đến 1,7 μmol/J. Hiệu quả của bốn thiết bị này cao hơn đáng kể so với hiệu suất 1,02μmol/J của đèn gốm kim loại thường được sử dụng. 95μmol/J。 Hiệu suất của đèn gốm kim loại và đèn huỳnh quang tốt nhất là 1,46 và 0,95μmol/J.

Tác giả đã tính toán chi phí đầu tư ban đầu cho mỗi lượng tử ánh sáng do thiết bị phát ra và làm rõ rằng giá thành của thiết bị LED gấp 5 đến 10 lần so với thiết bị HPS. Hóa đơn tiền điện 5 năm cộng với chi phí cho mỗi mol của thiết bị photon cao gấp 2,3 lần so với thiết bị LED. Về chi phí điện năng, kết quả phân tích cho thấy chi phí bảo trì dài hạn là rất nhỏ. Nếu hệ thống sản xuất có khoảng cách không gian rộng, thì chức năng độc đáo của thiết bị LED là nó có thể tập trung lượng tử ánh sáng vào một bộ phận cụ thể một cách hiệu quả, để tán cây có thể thu được nhiều lượng ánh sáng hơn. Nhưng phân tích cho thấy rằng bức xạ photon gây tốn kém cho tất cả các thiết bị chiếu sáng. Chi phí hệ thống chiếu sáng thấp nhất chỉ có thể đạt được khi các thiết bị phát sáng hiệu suất cao được kết hợp với bẫy photon tán hiệu quả.

Những tiến bộ trong công nghệ chiếu sáng và hiệu quả của thiết bị chiếu sáng đã cung cấp nhiều tùy chọn cho ánh sáng bổ sung trong nhà kính, bao gồm nhiều thiết bị chiếu sáng LED. Đã có tiến bộ lớn về ba khía cạnh của cấu tạo đèn đối với đèn phóng điện cường độ cao (HID) [bao gồm đèn natri cao áp (HPS) và đèn halogen kim loại gốm (CMI)], bao gồm đèn (bóng đèn), nguồn sáng ( phản xạ) và chấn lưu (chấn lưu). HPS với chấn lưu điện tử và bóng đèn hai mặt gấp 1,7 lần HPS của thiết bị HPS dựa trên ông trùm. Phân tích bao gồm hai tham số, hiệu suất đèn, nghĩa là xác định số lượng photon quang hợp trên mỗi joule (photon) và hiệu suất bắt giữ của dòng lượng tử quang hợp (400-700nm) trong tán cây, là một phần của các photon đạt tới lá cây. Hiệu suất điện tăng trưởng của thực vật được đo bằng số lượng photon quang hợp trên mỗi joule.

Hiệu suất điện của đèn thường được biểu thị bằng đơn vị cảm nhận ánh sáng của con người (lumen phát ra trên mỗi watt) hoặc hiệu suất năng lượng (watt bức xạ phát ra trên mỗi watt điện đầu vào). Tuy nhiên, quá trình quang hợp và tăng trưởng của thực vật được đo bằng mol lượng tử ánh sáng. Do đó, so sánh hiệu suất ánh sáng dựa trên hiệu suất lượng tử ánh sáng nên sử dụng đơn vị lượng tử quang hợp được tạo ra trên mỗi joule năng lượng đầu vào. Điều này thậm chí còn quan trọng hơn đối với đèn LED vì màu ánh sáng tiết kiệm điện nằm trong vùng bước sóng màu đỏ và xanh lam đậm. Các photon màu đỏ có công suất năng lượng bức xạ thấp hơn cho phép nhiều photon hơn phát ra trên mỗi đơn vị năng lượng đầu vào (năng lượng bức xạ tỷ lệ nghịch với bước sóng, phương trình Planck). Ngược lại, ánh sáng xanh lam tiết kiệm năng lượng hơn 53% so với ánh sáng đỏ (49% và 32%), nhưng ánh sáng xanh dương chỉ hiệu quả hơn 9% lượng tử photon so với ánh sáng đỏ (1,87/1,72). Có những hiểu lầm về ảnh hưởng của chất lượng ánh sáng đối với sự phát triển của cây trồng và nhiều nhà sản xuất cho rằng chất lượng ánh sáng thúc đẩy sự phát triển của cây1 (phân bố quang phổ và tỷ lệ ánh sáng đơn sắc).

Việc đánh giá tác động của chất lượng ánh sáng đối với quá trình quang hợp của thực vật được bắt nguồn rộng rãi từ đường cong năng suất lượng tử ánh sáng (YPF), cho thấy ánh sáng màu đỏ cam 600 ~ 660mm cao hơn 20% ~ 30% so với ánh sáng xanh lam và xanh lam. ánh sáng 400~460nm để quang hợp. Khi phân tích chất lượng ánh sáng dựa trên đường cong YPF, HPS hoạt động tốt hoặc tốt hơn các bộ đèn LED tốt hơn vì HPS có công suất phát photon cao khoảng 600nm và công suất thấp hơn ở các vùng ánh sáng xanh lam, xanh lam-lục lam và lục lam.

Đường cong phổ của phá thai lượng tử được hình thành trên cơ sở dữ liệu đo lường ngắn hạn trong điều kiện lá đơn và cường độ ánh sáng yếu (Nelson và Bugbee, 2014). Tuy nhiên, các đường cong YPF được rút ra từ các phép đo ngắn hạn của từng chiếc lá trong điều kiện ánh sáng yếu. Chất diệp lục và sắc tố của chất diệp lục có khả năng hấp thụ ánh sáng xanh yếu (Terashima et al., 2009), nhưng Terashima et al. (2009) đã chỉ ra rằng hiệu quả quang hợp của lá hướng dương được điều khiển bởi ánh sáng xanh kết hợp với ánh sáng trắng mạnh cao hơn so với ánh sáng đỏ. Do đó, ánh sáng xanh thường được coi là không hiệu quả đối với sự phát triển của thực vật, nhưng ánh sáng xanh có thể hiệu quả đối với sự phát triển của thực vật trong điều kiện ánh sáng mạnh. Đèn LED xanh cường độ cao có thể cải thiện hiệu quả sự phát triển của thực vật, đặc biệt là ánh sáng xanh có bước sóng ngắn hiệu quả hơn đối với sự phát triển của thực vật (Johkan et al., 2012).

Trong 30 năm qua, nhiều nghiên cứu dài hạn trên toàn bộ cây trồng trong điều kiện cường độ ánh sáng cao đã chỉ ra rằng chất lượng ánh sáng có ảnh hưởng nhỏ hơn nhiều đến tốc độ tăng trưởng của cây so với cường độ ánh sáng (Cope et al., 2014; Johkan et al., 2012 ). Chất lượng ánh sáng, đặc biệt là ánh sáng xanh, có thể làm thay đổi tốc độ mở rộng của tế bào và lá (Dougher và Bug-bee, 2004), chiều cao cây, hình thái thực vật (Cope và Bug-bee, 2013; Dougher và Bug-bee, 2001) ở một số loại cây; Yorio và cộng sự, 2001). Nhưng tác động trực tiếp của ánh sáng xanh lên quá trình quang hợp là rất ít. Ảnh hưởng của chất lượng ánh sáng đối với trọng lượng khô và tươi của toàn bộ cây thường xảy ra khi không có hoặc ít tiếp xúc với ánh sáng tự nhiên do những thay đổi trong việc mở rộng lá và hấp thụ bức xạ sớm trong quá trình sinh trưởng (Cope et al., 2014).

Dựa trên số mol lượng tử ánh sáng quang hợp trên mỗi joule, màu ánh sáng có hiệu suất điện cao nhất của đèn LED là ánh sáng xanh, ánh sáng đỏ và ánh sáng trắng mát, vì vậy đèn LED thường được kết hợp để tạo ra những màu này. Các màu khác của chất lượng ánh sáng LED có thể được sử dụng để nâng cao chất lượng ánh sáng của các bước sóng cụ thể nhằm kiểm soát các khía cạnh nhất định của sự phát triển của thực vật nhờ các đặc tính của ánh sáng đơn sắc (Ya2012; Morrow và Tibbitts, 2008). Việc thiếu bức xạ UV trong đèn LED do đèn LED UV làm giảm đáng kể hiệu suất của đèn. Ánh sáng mặt trời chứa tia cực tím chiếm 9% PPF và các nguồn sáng điện tiêu chuẩn chứa 0,3% ~ 8% bức xạ tia cực tím. Thiếu tia cực tím dẫn đến một số rối loạn thực vật dưới điều kiện ánh sáng mặt trời (intunmescence, Morrow và Tibbitts, 1988). Việc thiếu bức xạ đỏ xa (710~740nm) của đèn LED đối với ánh sáng bổ sung quang hợp làm rút ngắn thời gian ra hoa của một số cây trồng trong chu kỳ quang hợp (GraigRungle, 2013). Ánh sáng xanh lục (530~580nm), thiếu hoặc không có trong đèn LED, có thể xuyên qua tán cây và được phân phối hiệu quả hơn tới các lá phía dưới (Kim et al., 2004). Nghĩa là, bước sóng của mỗi lượng tử ánh sáng tới có tác động đến quá trình quang hợp tương đối của một chiếc lá dưới cường độ ánh sáng thấp (150μmol/㎡).