소개

빛은 식물 성장 과정에서 중요한 역할을 합니다.식물 엽록소의 흡수를 촉진하고 카로틴과 같은 다양한 식물 생장 품질의 흡수를 촉진하는 최고의 비료입니다.그러나 식물의 생장을 결정하는 결정적 요인은 빛과 관련된 것뿐만 아니라 물, 토양, 비료의 구성, 생육환경조건, 종합적인 기술적 제어와도 불가분의 관계가 있는 종합적인 요인이다.

최근 2~3년 동안 입체적인 식물 공장이나 식물 생장에 반도체 조명 기술을 적용했다는 보고가 끊이지 않았다.그러나 주의 깊게 읽고 나면 항상 불안한 느낌이 있습니다.일반적으로 말하자면, 식물 성장에서 빛이 어떤 역할을 해야 하는지에 대한 실질적인 이해가 없습니다.

먼저 그림 1과 같이 태양의 스펙트럼을 이해해 보자. 태양 스펙트럼은 연속적인 스펙트럼으로 청색과 녹색 스펙트럼이 적색 스펙트럼보다 강하고 가시 광선 스펙트럼 범위는 380~780nm.자연에서 유기체의 성장은 스펙트럼의 강도와 관련이 있습니다.예를 들어, 적도 근처 지역의 대부분의 식물은 매우 빠르게 성장하는 동시에 성장의 크기가 상대적으로 큽니다.그러나 높은 강도의 태양 광선이 항상 더 좋은 것은 아니며 동식물의 성장에는 어느 정도 선택성이 있습니다.

그림 1, 태양광 스펙트럼의 특성과 가시광선 스펙트럼

둘째, 식물 성장의 몇 가지 주요 흡수 요소의 두 번째 스펙트럼 다이어그램이 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2, 식물 성장에서 여러 옥신의 흡수 스펙트럼

그림 2에서 식물 성장에 영향을 미치는 몇 가지 주요 옥신의 광 흡수 스펙트럼이 상당히 다르다는 것을 알 수 있습니다.따라서 LED 식물생장등의 적용은 단순한 문제가 아니라 매우 타깃적이다.여기에서 두 가지 가장 중요한 광합성 식물 성장 요소의 개념을 소개할 필요가 있습니다.

• 엽록소

엽록소는 광합성과 관련된 가장 중요한 색소 중 하나입니다.그것은 녹색 식물, 원핵 남조류(시아노박테리아) 및 진핵 조류를 포함하여 광합성을 생성할 수 있는 모든 유기체에 존재합니다.엽록소는 빛으로부터 에너지를 흡수한 다음 이산화탄소를 탄수화물로 변환하는 데 사용됩니다.

엽록소a는 주로 적색광을 흡수하고, 엽록소b는 주로 청자색광을 흡수하는데, 주로 음지식물과 양지식물을 구분한다.음지 식물의 엽록소 b와 엽록소 a의 비율이 작기 때문에 음지 식물은 청색광을 강하게 이용하여 그늘에서 자라는데 적응할 수 있다.엽록소 a는 청록색이고 엽록소 b는 황록색입니다.엽록소 a와 엽록소 b의 두 가지 강한 흡수가 있는데, 하나는 파장 630-680nm의 적색 영역에 있고 다른 하나는 파장 400-460nm의 청자색 영역에 있습니다.

• 카로티노이드

카로티노이드는 동물, 고등 식물, 균류 및 조류의 황색, 주황색-적색 또는 적색 색소에서 일반적으로 발견되는 중요한 천연 색소 부류에 대한 일반적인 용어입니다.지금까지 600개 이상의 천연 카로티노이드가 발견되었습니다.

카로티노이드의 빛 흡수는 OD303~505 nm 범위를 커버하며, 이는 음식의 색을 제공하고 신체의 음식 섭취에 영향을 미칩니다.조류, 식물, 미생물에서는 그 색이 엽록소로 덮여 있어서 나타나지 않는다.식물 세포에서 생산되는 카로티노이드는 광합성을 돕기 위해 에너지를 흡수하고 전달할 뿐만 아니라 여기된 단전자 결합 산소 분자에 의해 세포가 파괴되지 않도록 보호하는 기능도 가지고 있다.

몇 가지 개념적 오해

에너지 절약 효과, 빛의 선택성 및 빛의 조정에 관계없이 반도체 조명은 큰 이점을 보여주었습니다.그러나 지난 2년간의 급속한 발전으로 인해 우리는 빛의 디자인과 적용에 많은 오해를 보았는데 이는 주로 다음과 같은 측면에 반영됩니다.

① 특정 파장의 빨간색과 파란색 칩이 특정 비율로 결합되는 한 식물 재배에 사용할 수 있습니다. 예를 들어 빨간색과 파란색의 비율은 4:1, 6:1, 9:1 등입니다. 에.

②백색광이면 일본에서 널리 사용되는 3원 백색광관 등 태양광을 대체할 수 있다. LED로 만든 광원만큼 좋지 않습니다.

③ 조명의 중요한 매개변수인 PPFD(광양자속 밀도)가 일정 지수에 도달하는 한, 예를 들어 PPFD는 200 μmol·m-2·s-1보다 큽니다.그러나 이 지표를 사용할 때는 음지식물인지 양지식물인지 주의를 기울여야 한다.광 보상 지점이라고도 하는 이러한 식물의 광 보상 포화 지점을 쿼리하거나 찾아야 합니다.실제 적용에서 묘목은 종종 타거나 시들게 됩니다.따라서 이 매개변수의 설계는 식물의 종, 생장환경 및 조건에 따라 설계되어야 한다.

첫 번째 측면에 대해서는 서론에서 소개한 바와 같이 식물 생장에 필요한 스펙트럼은 일정한 분포폭을 갖는 연속적인 스펙트럼이어야 한다.스펙트럼이 매우 좁은 적색과 청색의 두 가지 특정 파장 칩으로 구성된 광원을 사용하는 것은 명백히 부적절합니다(그림 3(a) 참조).실험에서 식물은 황색을 띠는 경향이 있고 잎 줄기는 매우 가볍고 잎 줄기는 매우 가늘다는 것이 밝혀졌습니다.

예년에 흔히 사용되던 3원색 형광관의 경우 백색을 합성하더라도 적색, 녹색, 청색의 스펙트럼이 분리되어(그림 3(b)와 같이) 스펙트럼의 폭이 매우 좁다.다음 연속 부분의 스펙트럼 강도는 상대적으로 약하고 전력은 LED에 비해 여전히 상대적으로 크며 에너지 소비의 1.5 ~ 3 배입니다.따라서 사용 효과는 LED 조명만큼 좋지 않습니다.

그림 3, 적색 및 청색 칩 LED 식물 조명 및 3원색 형광 스펙트럼

PPFD는 광양자속밀도(Light Quantum Flux Density)로서 광합성에서 빛의 유효방사광속밀도를 말하며 단위시간, 단위면적당 400~700nm의 파장범위에서 식물의 잎줄기에 입사하는 광양자의 총수를 나타낸다. .단위는 μE·m-2·s-1(μmol·m-2·s-1)이다.PAR(Photosynthetically Active Radiation)은 파장이 400~700nm 범위인 전체 태양 복사를 의미합니다.그것은 빛의 양자 또는 복사 에너지로 표현될 수 있습니다.

과거에는 조도계에 의해 반사되는 빛의 세기가 밝기였지만, 식물에서 나오는 등기구의 높이, 빛의 커버리지, 빛이 잎사귀를 통과할 수 있는지 여부에 따라 식물의 성장 스펙트럼이 달라집니다.따라서 광합성 연구에서 빛의 강도를 나타내는 지표로 par를 사용하는 것은 정확하지 않습니다.

일반적으로 광합성 메커니즘은 태양을 좋아하는 식물의 PPFD가 50 μmol·m-2·s-1보다 클 때 시작될 수 있는 반면 그늘진 식물의 PPFD는 20 μmol·m-2·s-1만 있으면 됩니다. .따라서 LED 재배 조명을 구입할 때 이 기준 값과 심는 식물의 종류에 따라 LED 재배 조명의 수를 선택할 수 있습니다.예를 들어 단일 LED lght의 PPFD가 20 μmol·m-2·s-1인 경우 태양을 좋아하는 식물을 키우려면 3개 이상의 LED 식물 전구가 필요합니다.

반도체 조명의 여러 설계 솔루션

반도체 조명은 식물의 생장이나 식재에 사용되며 기본적으로 두 가지 기준 방법이 있다.

• 현재 실내 재배 모델은 중국에서 매우 뜨겁습니다.이 모델에는 몇 가지 특징이 있습니다.

① LED 조명의 역할은 식물 조명의 전체 스펙트럼을 제공하는 것이며 조명 시스템은 모든 조명 에너지를 제공해야 하며 생산 비용이 상대적으로 높습니다.
② LED 성장 조명의 디자인은 스펙트럼의 연속성과 무결성을 고려해야 합니다.
③ 식물을 몇 시간 동안 쉬게 하거나 조사 강도가 충분하지 않거나 너무 강하는 등 조명 시간과 조명 강도를 효과적으로 제어할 필요가 있습니다.
④전체 공정은 습도, 온도, CO2농도 등 실외에서 실제 최적의 식물생장환경이 요구하는 조건을 모방해야 한다.

• 좋은 옥외 온실 심기 기초가 있는 옥외 심기 모드.이 모델의 특징은 다음과 같습니다.

① LED 조명의 역할은 빛을 보완하는 것이다.하나는 낮에 햇빛이 조사되는 파란색과 빨간색 영역의 빛의 세기를 높여 식물의 광합성을 촉진하는 것이고, 다른 하나는 밤에 햇빛이 없을 때 보상하여 식물의 생장을 촉진하는 것이다.
②보조광은 묘목기나 개화기, 결실기 등 식물의 성장단계를 고려하여야 한다.

따라서 LED 식물 재배 조명의 설계는 먼저 24시간 조명(실내)과 식물 성장 보조 조명(실외)의 두 가지 기본 설계 모드를 가져야 합니다.실내 식물 재배의 경우 LED 재배 조명의 설계는 그림 4와 같이 세 가지 측면을 고려해야 합니다. 특정 비율로 삼원색으로 칩을 패키징하는 것은 불가능합니다.

그림 4, 24시간 조명용 실내 LED 식물 부스터 조명을 사용하는 디자인 아이디어

예를 들어 육묘기의 스펙트럼은 뿌리와 줄기의 생육을 강화하고 잎의 가지를 강화해야 하며 광원은 실내에서 사용하는 것을 고려하여 그림 5와 같이 스펙트럼을 설계할 수 있다.

그림 5, LED 실내 보육기에 적합한 스펙트럼 구조

두 번째 유형의 LED 재배 조명 설계는 주로 야외 온실 바닥에 식재를 촉진하기 위해 조명을 보완하는 설계 솔루션을 목표로 합니다.설계 아이디어는 그림 6에 나와 있습니다.

그림 6, 야외 재배 조명의 디자인 아이디어 

저자는 더 많은 재배 회사가 식물 성장을 촉진하기 위해 LED 조명을 사용하는 두 번째 옵션을 채택할 것을 제안합니다.

우선, 중국의 야외 온실 재배는 남북 모두에서 수십 년 동안 많은 양과 광범위한 경험을 가지고 있습니다.그것은 온실 재배 기술의 좋은 기반을 가지고 있으며 주변 도시에 많은 수의 신선한 과일과 채소를 시장에 제공합니다.특히 흙과 물, 비료 재배 분야에서 풍부한 연구 성과가 이루어지고 있다.

둘째, 이러한 보조 조명 솔루션은 불필요한 에너지 소비를 크게 줄이는 동시에 과일 및 채소의 수확량을 효과적으로 높일 수 있습니다.또한 중국의 광활한 지리적 영역은 판촉에 매우 편리합니다.

LED 식물 조명의 과학적 연구로서 더 광범위한 실험 기반을 제공합니다.그림 7은 본 연구팀이 개발한 온실 재배에 적합한 LED 재배등의 일종으로 그 스펙트럼은 그림 8과 같다.

그림 7, LED 성장등의 일종

그림 8, 일종의 LED 성장 조명의 스펙트럼

위의 디자인 아이디어에 따라 연구팀은 일련의 실험을 수행했으며 실험 결과는 매우 중요합니다.예를 들어 육묘 중 성장 조명의 경우 사용된 원래 램프는 32W의 전력과 40일의 육묘 주기를 가진 형광등입니다.묘목 주기를 30일로 단축하고 묘목 작업장의 램프 온도 영향을 효과적으로 줄이고 에어컨의 전력 소비를 줄이는 12W LED 조명을 제공합니다.묘목의 두께, 길이 및 색상은 원래의 육묘 솔루션보다 좋습니다.일반 채소의 묘목에 대해서도 좋은 검증 결론을 얻었으며 이는 다음 표에 요약되어 있습니다.

그 중, 보조 광 그룹 PPFD: 70-80 μmol·m-2·s-1, 및 적-청 비율: 0.6-0.7.자연군의 주간 PPFD 값의 범위는 40~800 μmol·m-2·s-1이었고, 빨강과 파랑의 비율은 0.6~1.2였다.위의 지표가 자연적으로 자란 묘목보다 우수함을 알 수 있습니다.

결론

이 기사에서는 식물 재배에 LED 재배 조명을 적용하는 최신 개발 사항을 소개하고 식물 재배에 LED 재배 조명을 적용하는 데 있어 몇 가지 오해를 지적합니다.마지막으로 식물재배에 사용되는 LED 성장등의 개발을 위한 기술적인 아이디어와 방안을 소개한다.조명과 식물 사이의 거리, 램프의 조사 범위, 조명을 사용하여 조명을 적용하는 방법과 같이 조명의 설치 및 사용에서 고려해야 할 몇 가지 요소가 있음을 지적해야 합니다. 정상적인 물, 비료 및 토양.

저자: Yi Wang et al.출처: 씨엔키