Электромагнитное излучение, производимое светодиодными лампами для выращивания в садоводстве, нацелено на активный спектр фотосинтеза, фотоморфогенеза, фотопериода и фототропизма растений. Помимо высокой энергоэффективности и ускоренной окупаемости, светодиодные светильники для садоводства предлагают беспрецедентный спектральный контроль, который необходим для садового освещения.
светодиодные светильники для садоводства — это твердотельные источники света, которые генерируют фотосинтетически активное излучение (ФАР) в спектральном диапазоне от 400 до 700 нанометров (нм) для управления фотосинтезом в растениях. Кроме того, светодиодные лампы для выращивания в садоводстве можно использовать для генерации электромагнитного излучения, нацеленного на активный спектр фотоморфогенеза, фотопериода и фототропизма растений. Системы освещения для садоводства были разработаны для обеспечения дополнительного фотопериодического света в теплице или единственного источника фотосинтетического света в контролируемой среде в помещении. Использование энерго- и спектрально-эффективной светодиодной технологии в огни для выращивания в теплице вызвал революцию в лампа для комнатных растений.
Как свет влияет на рост растений?
Свет необходим для роста растений. Все растения, в том числе цветущие, плодовые и овощные, являются автотрофами, которые в ходе эволюции научились использовать свет для управления фотосинтезом. Фотосинтез — это процесс, который растения используют для преобразования воды и углекислого газа в сложные углеводы (сахара) и кислород. Эти углеводы, такие как целлюлоза или глюкоза, обеспечивают метаболические строительные блоки для различных путей биосинтеза. Избыток углеводов идет на образование биомассы, в том числе на удлинение стебля, увеличение площади листьев, цветение, образование плодов и т. д. Фоторецепторами, ответственными за фотосинтез, являются хлорофилл, хотя и другие типы антеннальных фоторецепторов (главным образом каротиноиды) также способствуют фотосинтезу. Помимо управления фотосинтезом, определенные длины волн электромагнитного излучения используются в качестве источника информации для управления фотоморфогенезом (изменениями морфологии растений, вызванными светом), фотопериодом (реакцией на циклы свет-темнота) и фототропизмом (направлением роста). Каждый тип фоторецепторов чувствителен к определенным длинам волн и управляет различными подмножествами световых морфогенетических изменений.
Хлорофилл является ключевым фоторецептором в зеленых растениях и существует в двух основных формах, А и В. Хлорофилл А является основным растительным пигментом, на долю которого приходится около 75% фотосинтетической активности, с пиковыми абсорбционными реакциями при 430 нм и 680 нм. Хлорофилл В с пиками поглощения при 460 нм и 640 нм является вспомогательным пигментом, собирающим энергию и передающим ее хлорофиллу А. Следовательно, хлорофилл В не участвует в биосинтезе самостоятельно. Кроме того, соотношение хлорофилла А к В в растениях 3:1 указывает на большую зависимость растений от хлорофилла А при фотосинтезе. Хотя уровни хлорофилла увеличиваются под действием электромагнитного излучения, спектральные компоненты которого богаты красным (длинные волны) и синим (короткие волны), хлорофилл отражает большую часть длин волн в зеленой области (от 550 до 650 нм), где появляются листья. Причина зеленого цвета.
Семейство каротиноидов включает бета-каротин и основные лютеины (зеаксантин, виолаксантин и лютеин). Эти вторичные метаболиты наиболее сильно поглощают свет в диапазоне от 450 до 550 нм. Каротиноиды имеют цвет от желтого до оранжевого, потому что они отражают или пропускают свет в диапазоне длин волн от 550 до 650 нм. Каротиноиды не только помогают в фотосинтезе, но и защищают хлорофилл от фотоокисления, рассеивая избыточный свет в виде тепла, когда область фотосинтеза перегружена поступающей энергией.
У растений также есть нефоторецепторные и нефотоморфогенные пигменты антенн, такие как антоцианы и флавоноиды. Они действуют как солнцезащитные фильтры и блокируют выработку супероксида в ответ на интенсивное синее (400–500 нм) или ультрафиолетовое (300–400 нм) излучение. В растениях антоцианы, флавоноиды и каротиноиды являются важными биологически активными антиоксидантами, которые ингибируют свободные радикалы и устраняют соединения, которые могут привести к фотообесцвечиванию и ингибированию роста.
Фотоморфогенез опосредуется фитохромами, криптохромами и фитохромными фоторецепторами. Существует два изомера фитохромов, называемых Pr и Pfr, которые реагируют на красное излучение с длиной волны 660 нм и инфракрасное излучение с длиной волны 735 нм соответственно. Различные фотоморфогенетические реакции, опосредованные фитохромами, направляются на метаболические пути внутри растений, которые регулируют прорастание семян, развитие корней, образование клубней и луковиц, расширение листьев, удлинение стеблей, состояние покоя, цветение и образование плодов. Криптохромы, поглощающие свет в диапазоне от 340 до 520 нм, предотвращают удлинение гипокотиля и опосредуют вовлечение циркадных ритмов у цветковых растений. Фототропины представляют собой локализованные в плазматической мембране протеинкиназы, которые регулируют фототропизм, накопление хлоропластов, размер устьичных пор, уплощение листа и ингибирование расширения листа.
Каковы преимущества светодиодов в садоводческом освещении?
Высокая энергоэффективность и длительный срок службы являются отличительными преимуществами светодиодной технологии. В садоводческом освещении эффективность имеет другую интерпретацию. Традиционно в садоводческих системах освещения использовались натриевые лампы высокого давления (HPS), металлогалогенные (MH) лампы или, в некоторых случаях, люминесцентные лампы. Однако эффективность преобразования энергии этих источников света очень низкая (обычно ниже 20%). Для сравнения, эффективность светодиодных чипов при настенном подключении достигает 66%, а эффективность излучения светодиодов с преобразованием люминофора намного выше, чем у 40%.
В этой отрасли эффективность источника света или системы преобразуется в фотонную эффективность, которая количественно определяет эффективность светодиода в производстве фотосинтетического потока фотонов (PPF) на джоуль используемой электрической энергии, а не описывает его в человеческом глазу. PPF — это общее количество фотосинтетически активных фотонов, производимых источником света, измеряемое в микромолях в секунду (мкмоль/с). Фотонная эффективность садовых светодиодов измеряется в PPF/Вт и в мкмоль/Дж. На практике светодиодные лампы для выращивания растений могут достигать фотонной эффективности 3,2 PPF/Ватт, в то время как типичные лампы HPS для выращивания могут достигать только 1,7 PPF/Ватт.
Спектральная инженерия с самого начала была центральной темой в садоводческом освещении. Как упоминалось ранее, оптическая полоса частот от 400 до 700 нм является основной частью электромагнитного спектра и может стимулировать фотосинтез фитохромов. Даже в пределах спектра PAR не все длины волн света одинаково эффективны для управления фотосинтезом растений. Красные и синие длины волн наиболее эффективны для стимуляции фотосинтеза и управления морфологией растений, в то время как длины волн, попадающие в зеленую часть диапазона PAR, оказывают очень ограниченное влияние на рост растений.
Спектральная эффективность описывает, насколько спектральная плотность мощности (SPD) источника света перекрывается со спектром действия, необходимым для наиболее эффективного фотосинтетического ответа. Спектральная эффективность ДНаТ, МГ и люминесцентных ламп низкая, поскольку их УЗИП содержат значительную часть фотосинтетически неактивного света, такого как инфракрасное излучение (ИК) и ультрафиолетовое излучение (УФ). Фиксированная SPD этих источников широкого спектра означает, что фотосинтетически активное излучение может быть перенасыщено на одних длинах волн и недонасыщено на других.
Лучшее спектральное управление является одним из фундаментальных преимуществ светодиодов по сравнению с традиционными системами освещения для садоводства. Светодиоды, по сути, являются монохроматическими источниками света, излучающими в узком спектральном диапазоне и производящими цветной свет, такой как красный, синий или зеленый. Узкополосный спектр, излучаемый светодиодом, можно легко настроить так, чтобы он соответствовал пику фотосинтеза на кривой ФАР. Узкополосные светодиоды могут быть преобразованы в полихроматический свет с помощью люминофоров для более широкого спектра, чтобы поддерживать полный цикл роста растений. Многоканальные светодиоды в комбинациях RGB, RGBA или RGBW могут накладываться и смешиваться для получения любого цвета светодиода, обеспечивая беспрецедентную спектральную гибкость и эффективность.
В отличие от металлогалогенных и натриевых ламп высокого давления, которые рассеивают большое количество инфракрасной энергии (тепла) в своих лучах, светодиоды не излучают тепловую инфракрасную энергию в своем спектре. Отсутствие лучистого тепла обеспечивает максимальное фотонное излучение вблизи кроны растения, что в конечном итоге приводит к повышению продуктивности фотосинтеза при экономии места и энергии. Высокий лучистый тепловой поток ТНС лампа для выращивания требует определенного расстояния между источником света и растениями, поэтому эти лампы можно использовать только в системах верхнего освещения. Светодиодная технология позволяет использовать новые стратегии, такие как межосевое освещение, для достижения равномерного фотосинтетического освещения по всему пологу без выделения лишнего тепла.
Как изготавливаются светодиодные светильники для садоводства?
Эпитаксиальные слои светодиодных светильников для выращивания растений сделаны из полупроводников с прямой запрещенной зоной, поскольку они имеют более высокую вероятность излучательной рекомбинации, чем полупроводники с непрямой запрещенной зоной. Двумя основными семействами полупроводников являются нитридные диоды и фосфидные диоды. Нитрид индия-галлия (InGaN) производит электромагнитное излучение в более коротковолновой части видимого спектра и поэтому используется для изготовления белых, зеленых, голубых, синих и королевских синих диодов. Красный, оранжево-красный и янтарный свет можно получить с помощью светодиодов, изготовленных из фосфидных полупроводников, таких как фосфид алюминия, индия, галлия (AlInGaP), малая ширина запрещенной зоны которого позволяет диоду генерировать более длинноволновое излучение.
Эпислои InGaN выращивают на сапфире, карбиде кремния (SiC) или кремниевых подложках (пластинах), а эпислои AlInGaP выращивают на подложках из арсенида галлия (GaAs) или фосфида галлия (GaP). Качественный эпитаксиальный рост зависит от соответствия решетки материала подложки слою InGaN или AlInGaP. Любое несоответствие между подложкой и полупроводниковым слоем может привести к микротрещинам (нитевым дислокациям). Этот тип атомного дефекта вызывает безызлучательную рекомбинацию между электронами и дырками, что ставит под угрозу внутреннюю квантовую эффективность (IQE) светодиода. Пронизывающие дислокации формируются с наибольшей плотностью в GaN-светодиодах на основе кремния и сапфира. По сравнению с чипами с кремниевой или сапфировой подложкой подложки SiC генерируют гораздо меньше дислокаций и обеспечивают преимущество в эффективности от 5% до 10%.
Светодиодные светильники для садоводства можно разделить на две категории: светодиоды полного спектра и узкополосные светодиоды. Светодиоды полного (или широкого) спектра обеспечивают спектральный состав солнечного света без теплового излучения и потери длины волны. Состав этих светодиодов ориентирован на синюю и красную области, обеспечивая при этом дополнительные длины волн, такие как дальний красный и зеленый, для поддержки полного цикла культивирования и полного развития растений. Узкополосные светодиоды обеспечивают монохроматический выход, чтобы максимизировать наиболее желаемые длины волн света. Эти светодиоды доступны в темно-синем (450 нм), ультракрасном (660 нм), дальнем красном (730 нм) и зеленом (530 нм) цветах. Фиолетовые светодиоды не являются ни полноспектральными, ни узкополосными светодиодами, а сочетают в себе основные длины волн красного и синего цветов в одном корпусе и являются стандартными на рынке. Фиолетовые светодиоды также можно смешивать с известковыми светодиодами широкого спектра действия для увеличения урожайности (сырого веса) и уровня антиоксидантов, при этом производя высококачественный белый свет, облегчающий визуальный осмотр и сбор урожая.
Светодиоды полного спектра и фиолетовые светодиоды используют преобразование длины волны и смешивание цветов для достижения желаемого смешивания длин волн. Светодиодные чипы покрыты или покрыты смесью люминофоров, функция которой заключается в преобразовании с понижением частоты части коротких длин волн в более длинные. Поэтому такие светодиоды называются светодиодами с преобразованием люминофора (PC-LED). В архитектурах PC-LED стоксовы потери из-за преобразования люминофора с понижением частоты составляют большую часть общих потерь энергии светодиодов. Узкополосные светодиоды являются прямыми излучателями и не подвергаются преобразованию с понижением частоты люминофора, поэтому они не страдают стоксовыми потерями.
Светодиоды с преобразованием люминофора и узкополосные светодиоды обычно заключаются в силикон. Разница в том, что в светодиодах PC-LED люминофор смешивается с силиконовым полимером, который действует как преобразователь с понижением частоты и защитный герметик, а в узкополосных светодиодах используется прозрачный силиконовый полимер для предотвращения попадания загрязнений и защиты чипа. шок. Силиконовая капсула обладает высокой термической стабильностью, светостойкостью и химической стойкостью. Однако в практических приложениях требуется дополнительная защита светодиодов, поскольку высокая влаго- и газопроницаемость силиконов может быть фактором деградации диодов в условиях выращивания с высокой влажностью.
Виды светодиодных светильников для садоводства
Светодиоды средней мощности типа PLCC (устройства поверхностного монтажа, потребляющие менее 1 Вт) являются наиболее популярными источниками света для общего и садоводческого освещения из-за их относительно более высокой эффективности и более низкой стоимости по сравнению с другими типами корпусов. Однако этот тип светодиодов очень подвержен ускоренному снижению производительности и преждевременному выходу из строя. В результате очень конкурентоспособные первоначальные затраты часто не приводят к хорошей окупаемости инвестиций (ROI), длительным периодам окупаемости и душевному спокойствию. PLCC — это сокращение от Plastic Leaded Chip Carrier. Чипы для светодиодов средней мощности, использующие эту архитектуру, монтируются на металлическом выводном каркасе с серебряным (Ag) покрытием, залитом в пластиковый корпус, в котором сформирована отражающая полость для улучшения светоотдачи. Полость заполнена прозрачным или фосфоресцентным гибридным силиконовым полимером для инкапсуляции чипа. Электрическое соединение и тепловой путь между светодиодным чипом и выводной рамкой выполнены с помощью проволочного соединения. Полость или пластиковый корпус недорогих изделий изготавливается из полифталамида (ПФА) или полициклогексилтерефталата (ПЦТ), обладающих плохой устойчивостью к фотоокислению и термическому разложению. Серебряное покрытие выводного каркаса подвержено коррозии из-за взаимодействия с серосодержащими загрязняющими веществами, которые могут проникать в светодиод через силиконовую оболочку. Проволочные соединения, используемые в корпусах PLCC, могут порваться. Неэффективные пути теплопроводности могут привести к концентрации теплового потока, что может привести к высокой тепловой нагрузке на светодиод.
Мощные светодиоды, изготовленные на керамических подложках, имеют прочный путь теплопроводности, способный обеспечить высокую плотность потока фотосинтетических фотонов (PPFD) в растительном покрове. Мощные светодиоды могут работать при токах в диапазоне от сотен миллиампер до более одного ампера и создавать потоки фотосинтетических фотонов более 10 мкмоль/с в одном корпусе. Большие чипы или массивы из нескольких чипов монтируются на керамическую подложку, металлизированную тепловыми отверстиями для эффективного отвода тепла. Отличное сохранение PPF и стабильность длины волны оправдывают более высокую стоимость этих светодиодов для садоводства на керамической основе.
Светодиоды Chip-on-board (COB) обеспечивают большую светоизлучающую поверхность (LES), которая обеспечивает высокие и равномерные значения PPFD по всему куполу. Корпуса светодиодов COB состоят из плотного массива светодиодных чипов, которые приклеены к печатной плате с металлическим сердечником (MCPCB) или керамической подложке. Эта большая подложка с низким тепловым сопротивлением обеспечивает лучший тепловой контакт с плоским чистым радиатором. Удаление промежуточной подложки снижает термическое сопротивление упаковки. Эффективная тепловая конструкция позволяет корпусам COB работать при высокой плотности тока и обеспечивать PPF до сотен микромолей в секунду.
Светодиоды Chip Scale Package (CSP) устраняют проволочные соединения и монтажные элементы благодаря архитектуре с перевернутыми кристаллами. Эта технология значительно снижает тепловое сопротивление внутри упаковки, уменьшая ее размер и стоимость. Светодиоды CSP принципиально устраняют факторы снижения производительности светодиодов средней мощности типа PLCC, что делает их привлекательным решением для индустрии освещения для садоводства.