How to Choose and Design LED Plant Lighting Plant Growth Lights?

2021-01-06

現代農業の重要な部門として、植物工場の概念は非常に人気があります。屋内の植栽環境では、植物の照明は光合成に不可欠なエネルギー源です。 LEDプラントライトには、従来の補助ライトにはない圧倒的な利点があり、垂直農法や温室などの大規模な商業用途のメインライトまたは補助ライトの最初の選択肢になることは間違いありません。


植物は、この地球上で最も複雑な生命体の1つです。植物の植え付けは簡単ですが、難しく複雑です。植物の照明に加えて、多くの変数が相互に影響を及ぼします。これらの変数のバランスを取ることは、栽培者が理解して習得する必要のある優れた芸術です。しかし、植物の照明に関しては、慎重に検討する必要のある多くの要因がまだあります。


First, let's understand the spectrum of the sun and the absorption of the spectrum by plants. As can be seen from the figure below, the solar spectrum is a continuous spectrum, in which the blue and green spectrum is stronger than the red spectrum, and the visible light spectrum ranges from 380 to 780 nm. There are several key absorption factors in plant growth, and the light absorption spectra of several key auxins that affect plant growth are significantly different. Therefore, the application of LED plant growth lights is not a simple matter, but very targeted. Here it is necessary to introduce the concepts of the two most important photosynthetic plant growth elements.


The photosynthesis of plants relies on chlorophyll in leaf chloroplasts, which is one of the most important pigments related to photosynthesis. It exists in all organisms that can create photosynthesis, including green plants and prokaryotic plants. Blue-green algae (cyanobacteria) and eukaryotic algae. Chlorophyll absorbs the energy of light and synthesizes carbon dioxide and water into hydrocarbons.


クロロフィルaは青緑色で、主に赤色光を吸収します。クロロフィルbは黄緑色で、主に青紫色の光を吸収します。主に日陰の植物と太陽の植物を区別するため。日陰植物のクロロフィルbと葉緑素aの比率が小さいため、日陰植物は青色光を強く利用し、日陰での成長に適応することができます。クロロフィルaとクロロフィルbには、波長630〜680 nmの赤色領域と波長400〜460nmの青紫色領域の2つの強い吸収があります。


Carotenoids (carotenoids) is a general term for a class of important natural pigments, which are commonly found in yellow, orange-red or red pigments in animals, higher plants, fungi, and algae. More than 600 natural carotenoids have been discovered so far. Carotenoids produced in plant cells not only absorb and transfer energy to help photosynthesis, but also have the function of protecting cells from being destroyed by excited single-electron bond oxygen molecules. The light absorption of carotenoids covers the range of 303~505 nm. It provides the color of food and affects the human body's intake of food; in algae, plants and microorganisms, its color cannot be presented because it is covered by chlorophyll.


LED植物間ライトは、植物内の光を埋めるために使用されます


LEDプラントライトの設計と選択のプロセスでは、主に次の側面で避ける必要のあるいくつかの誤解があります。


Red and blue wavelength ratio of light wavelength


2つの植物の光合成の2つの主要な吸収領域として、LED植物光によって放出されるスペクトルは主に赤色光と青色光である必要があります。しかし、赤と青の比率で簡単に測定することはできません。たとえば、赤と青の比率は4:1、6:1、9:1などです。


There are many different plant species with different habits, and different growth stages also have different light focus needs. The spectrum required for plant growth should be a continuous spectrum with a certain distribution width. It is obviously inappropriate to use a light source made of two specific wavelength chips of red and blue with a very narrow spectrum. In experiments, it was found that plants tend to be yellowish, the leaf stems are very light, and the leaf stems are very thin. There have been a large number of studies on the response of plants to different spectra in foreign countries, such as the effect of the infrared part on the photoperiod, the effect of the yellow-green part on the shading effect, and the effect of the violet part on the resistance to pests and diseases, nutrients and so on.


実際のアプリケーションでは、苗木はしばしば燃やされたり枯れたりします。したがって、このパラメータの設計は、植物種、成長環境、および条件に従って設計する必要があります。



2. Ordinary white light and full spectrum


植物が「見る」光の効果は、人間の目とは異なります。日本で広く使われている三元白色光管など、私たちの一般的に使用されている白色光ランプは太陽光に取って代わることはできません。これらのスペクトルの使用は植物の成長に一定の影響を及ぼしますが、効果はありません。 LED製の光源と同じくらい良いです。 。


For fluorescent tubes with three primary colors commonly used in previous years, although white is synthesized, the red, green, and blue spectra are separated, and the width of the spectrum is very narrow, and the continuous part of the spectrum is relatively weak. At the same time, the power is still relatively large compared to LEDs, 1.5 to 3 times the energy consumption. The full spectrum of LEDs designed specifically for plant lighting optimizes the spectrum. Although the visual effect is still white, it contains important light parts required for plant photosynthesis.


3.照度パラメータPPFD


The photosynthesis flux density (PPFD) is an important parameter to measure the intensity of light in plants. It can be expressed either by light quanta or radiant energy. It refers to the effective radiant flux density of light in photosynthesis, which represents the total number of light quanta incident on plant leaf stems in the wavelength range of 400 to 700 nm per unit time and unit area. The unit is μE·m-2·s-1 (μmol·m-2·s-1). The photosynthetically active radiation (PAR) refers to the total solar radiation with a wavelength in the range of 400 to 700 nm.


光補償点とも呼ばれる植物の光補償点は、PPFDがこの点よりも高い必要があり、光合成が呼吸よりも大きくなる可能性があり、植物の成長が消費よりも大きいことを意味し、植物は成長することができます。植物が異なれば光補償点も異なり、PPFDが200μmol・m-2・s-1を超えるなど、特定の指標に到達したと単純に見なすことはできません。


The light intensity reflected by the illuminance meter used in the past is the brightness, but because the spectrum of plant growth changes due to the height of the light source from the plant, the coverage of the light, and whether the light can pass through the leaves, etc., it is used as light when studying photosynthesis. Strong indicators are not precise enough, and PAR is now mostly used.


Generally, positive plant PPFD> 50 μmol·m-2·s-1 can start the photosynthesis mechanism; while shade plant PPFD only needs 20 μmol·m-2·s-1. Therefore, when installing LED plant lights, you can install and set according to this reference value, select the appropriate installation height, and achieve the ideal PPFD value and uniformity on the leaf surface.


4. Light formula


光の公式は最近提案された新しい概念であり、主に光の質、光の量、持続時間の3つの要素が含まれています。光の質が植物の光合成に最も適したスペクトルであることを単に理解してください。軽量は適切なPPFD値と均一性です。持続時間は、照射の累積値と昼と夜の時間の比率です。オランダの農業専門家は、植物が昼と夜の変化を判断するために赤外線と赤色光の比率を使用していることを発見しました。日没時に赤外線比が大幅に増加し、植物は睡眠にすばやく反応します。このプロセスがないと、植物がこのプロセスを完了するのに数時間かかります。


In practical applications, it is necessary to accumulate experience through testing and select the best combination.