Разработки Samsung для освещения растений: исследования, новые серии светодиодов, калькулятор Spectrum Simulation Tool

Людей на земле с каждым годом становится все больше, с начала 1970-х численность населения удвоилась, а к 2050-м, по прогнозам ученых, людей будет более 9 миллиардов. Чтобы накормить такое количество людей глобальное производство продуктов питания должно вырасти более чем на 60%. Однако более 80% земель, пригодных для сельского хозяйства уже используется.

Кроме того, из-за высоких темпов урбанизации, большая часть людей уже сейчас живет в городах, фермерам и сельскохозяйственной индустрии все труднее соответствовать высоким темпам спроса на качественные и свежие культуры. Для успешного ответа на эти новые вызовы, возникающие перед индустрией выращивания растений, необходима новая парадигма в сельском хозяйстве и часть этих новых подходов лежит в области искусственного освещения растений.

Освещение для растений

Искусственное освещение позволяет нам выращивать растения в помещении в любое время года и при любом климате. Предназначение искусственного освещения для растений в том, чтобы создать свет нужного качества и в нужном количестве для стимулирования их роста и развития. Традиционно для выращивания растений используются различные источники искусственного света, такие как металлогалогенные лампы, натриевые лампы высокого давления (НЛВД) и люминесцентные лампы.

К недостаткам таких источников света можно отнести неэффективное использование энергии, небольшой срок службы, селективный и слабо контролируемый спектр свечения, что может существенно влиять на процессы фотосинтеза и морфогенеза растений. В тоже время использование светодиодных источников света (LED) открывает новые подходы к оптимизации освещения для различных задач по выращиванию растений.

Figure 1. Сравнение искусственных источников света.

Правильно подобранный спектр освещения может обеспечить ускоренный рост, большие урожаи и наилучшее качество растений. По сравнению с традиционными лампами HPS (натриевые высокого давления) и MH (металлогалогенными) светодиодные источники света в области растениеводства могут быть эффективнее и экономичнее за счет более низкого энергопотребления светодиодов, более продолжительного срока службы и возможностей по конструированию нужного спектра. Конструирование спектра из светодиодов, излучающих свет с различными длинами волн, может сыграть важную роль в выращивании и формировании растений. Такое возможно, поскольку физиология и морфология растений сильно зависят как от длин волн света падающего на поверхность растений, так и от глубины проникновения света и его распределения. Сравнение различных источников света для растениеводства и их спектры показаны на Fig. 1.

Светодиоды для растениеводства

Оптимизация светодиодного освещения для индустрии растениеводства все еще находится в зачаточном состоянии. Оптимальной стратегией для использования высококачественного светодиодного освещения в индустрии выращивания растений будет подбор наилучших спектров для конкретной культуры или сорта, одновременно улучшая качество и уменьшая потребление энергии. Фотосинтетические ответы у различных типов растений обычно сходны, по крайней мере, при рассмотрении квантового выхода, в то время как морфологический ответ, по-видимому, более специфичен для разных видов и сортов. Свет в красных и синих областях спектра соответствует пикам поглощения хлорофиллов, участвующих в фотосинтезе, как показано на Fig. 2 [1].

Figure 2. Фотосинтетический ответ и поглощение хлорофилом фотонов для разных длин волн

Принято считать, что красное излучение в большей степени влияет на процессы фотосинтеза на основании его более высокого квантового выхода. Однако и синий свет необходим, как на этапе вегетации, так и во время стадии цветения растений. До последнего времени на таком функциональном подходе и строились традиционные узкие спектры для растениеводства, просто используя сочетание синего и красного света - подход, широко распространенный в Европе.

Figure 3. Схематическая демонстрация прозрачности листа для монохроматического света различной длины волны синий, зеленый и красный

Несмотря на то, что хлорофиллы (a и b) в клетках "in vivo" в процессе фотосинтеза преимущественно поглощают фотоны пришедшие в красной и синей областях спектра, а с фотонами из зеленой области спектра взаимодействует слабее, основываясь на квантовом выходе при поглощении СО2 в листьях, мы можем отметить что наибольший эффект при фотосинтезе оказывают красный, затем зеленый, и только потом идет синий свет. Это отмечено на кривой McCree, как можно увидеть на Fig. 2 [2]. Зеленый свет может проникнуть в затененные части растения глубже, чем синий или красный из-за более высокого коэффициента пропускания в этой области спектра, что позволяет свету достигать нижних ветвей и листьев растения, как показано на Fig. 3 [3, 4]. Так же зеленый свет вовлечен в работу защитных механизмов растений, активируемых синим светом, таким образом он влияет и на цветение и морфогенез [5, 6]. Влияние каждой длины волны из области фотосинтеза показано на Fig. 4.

Figure 4. Влияние разных диапазонов длин волн света на рост и развитие растений

В Samsung попытались выработать несколько новых подходов, новый спектр для освещения растений. Одно из решений - использовать для освещения только белые светодиоды либо использовать белые светодиоды в сочетании с монохроматическими светодиодами для создания расширенного белого спектра. Такой подход, с использованием белых светодиодов Samsung, позволяет не только донести весь спектр света, помогающий растениям вырасти, но и сделать свет комфортным при культивации и добиться этого без ущерба для цветопередачи. (Fig. 5).

Figure 5. Фабрика растений с узкими (слева) и полным (справа) спектром освещения

Samsung Horticulture LEDs

В Samsung разработали несколько решений в области освещения, для выращивания сельскохозяйственных культур. Для зелени, салатов и трав были проведены научные исследования спектра с целью улучшения роста и качества растений. Зелень и салаты обычно едят сырыми, как и овощи. Наиболее популярные виды съедобной зелени это салат-латук, полукочанные и листовые сорта салатов. С другой стороны, травы обладают различными ярко выраженными ароматическими свойствами и широко используются в качестве приправ. Например, базилик, розмарин и орегано (Fig. 6). Было исследовано влияние спектра освещения на салат и базилик, два наиболее широко используемых растения. При проведении серии экспериментов Samsung следовали рекомендациям профессора Чанху Чун, эксперта в этой области, из Сеульского национального университета Кореи.

Figure 6. Примеры распространенных салатов и трав

Салат-латук и базилик выращивали в закрытых камерах как под светом с различными вариантами белого света и расширенного белого спектра, так и под светом с узкими спектрами, использующими только синие и красные светодиоды (Fig. 7). Фотопериоды для всех выборок составляли по 16 часов в сутки, а PPFD – 160 μmol*m2/s. Квантовые соотношения PPFD для различных частей спектров освещения приведены в Table 1.

Figure 7. Камеры для выращивания с 4-мя типами освещения

Table 1. Плотность фотосинтетического фотонного потока (PPFD) - соотношение частей для различных спектров освещения

Результаты экспериментов показали, что варианты с широким спектром от Samsung превосходят узкий спектр, если сравнивать по массе свежей зелени (Fig. 8). Эти данные подтверждают предположение о том, что добавление зеленого и желтого света, или полноцветный спектр белого света, дают лучшие результаты, чем двухцветный (синий и красный) свет. Испытания Samsung показали, что зеленый свет может не только достигать нижнего слоя листьев и ветвей из-за более высокого коэффициента пропускания, но также вносит вклад в работу сигнальной системы, при срабатывании механизмов растений активируемых УФ / синим светом. Таким образом, используя оптимизированный спектр для растениеводства от Samsung, можно значительно увеличить урожайность.

Figure 8. Сравнение узкополосного и полного LED спектров

Figure 9. Растения: салат-латук, листовой салат; Окружающая среда: 24 °C, RH 70%, ON / OFF = 16/8 часов, гидропоника; Период тестирования: 10 дней; Спектр света: узкий или расширенный, одинаковый PPF.
Под белым светом рост на 10% больше по свежему весу. (Эксперимент повторяли трижды с разными партиями для проверки воспроизводимости)

Традиционно для освещения растений использовали в основном синий и красный свет, поскольку известно, что растения лучше поглощают синие и красные фотоны. Samsung предлагает взглянуть по новому, и считает что и различные другие длины волн действительно важны для роста и полноценного развития растений. Дополняя спектр белых светодиодов Samsung цветными монохроматическими светодиодами, например, синими LH351H Blue или различными вариантами красных светодиодов (с длинами волн 660 нм LH351H Deep Red и 730 нм LH351H Far Red), можно обеспечить оптимальное освещение и добиться наилучшего роста растений.

Figure 10. Мощные цветные светодиоды для растениеводства от Samsung

Новая линейка светодиодов для растениеводства от Samsung включает в себя высокоэффективные белые светодиоды «white LED» и дополняющие красные светодиоды «red LEDs» со специализированными для растений длинами волн «660nm deep-red LED» и «730nm far-red LED», которые слабо представлены в белом свете, но важны для роста растений.

Figure 11. Мощные белые светодиоды для растениеводства от Samsung: LH351H-B, LH351H-C, LH351H-D

Figure 12. Белые светодиоды средней мощности для растениеводства от Samsung: LM301H, LM561H
Массовое производство новинок, а также релиз цен ожидаются в январе 2019

Новые разработки Samsung Horticulture Lighting доступны в двух различных вариантах - с использованием только белого света и в виде комбинации белого и монохроматического света. Белый свет полного спектра не только вполне может обеспечить рост растений, но также приятен для человеческого глаза, и подходит для более широкого спектра применений. Сочетание белого и монохроматического света оказалось более эффективными для некоторых видов растений, давая более специализированные результаты.

Светодиоды для растениеводства Samsung могут значительно улучшить стандарты в индустрии освещения для растений, приведут к увеличению эффективности освещения, до 2,74 μmol/J, позволят резко увеличить продолжительность жизни светильников и добиться большей однородности PPFD. Решения для растениеводства от Samsung были тщательно разработаны с упором на передовую производительность (PPF, PPF / W) и исключительную устойчивость к теплу, влажности и химическим веществам. Они обладают высокой стойкостью к суровым для светодиодов тепличным условиям среды, особенно к высоким температурам и влажности, а также воздействию химических веществ, содержащихся в удобрениях, таких как сера.

Figure 13. Технология Flip Chip в светодиодах для растениеводства от Samsung для снижения теплового сопротивления.

Figure 14. Светодиоды для растений Samsung - специально разработаны для тепличных условий, с улучшенной стойкостью к влаге и соединениям серы.

Тесты Samsung показывают, что использование в растениеводстве решений на основе белого спектра более экономически жизнеспособно, чем любые обычные решения, основанные на комбинациях света узкого спектра.

Figure 15. Spectrum Simulation Tool удобный инструмент для конструирования спектра и разработки параметров будущего светильника на светодиодах Samsung.

Решения от Samsung - это всегда очень высокий уровень сервиса, производительности и надежности из представленных на рынке.

Помимо этого, в скором времени будет представлена система SMART-Farm от Samsung, которая позволит производителям автоматизировать конструирование своих спектральных предпочтении и оптимизировать их под свои бизнес-цели в области выращивания растений.



Источники

[1] Renger G., Irrgang K., Singhal G., “Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis", New Delhi (1999).
[2] McCree and Keith J, "The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants", Agricultural and Forest Meteorology. (1972).
[3] Kozai N., “Plant factory with artificial light”, Ohmsya Pub (2015).
[4] Jindong S., John N. and Thomas V., "Green Light Drives СО2 Fixation Deep within Leaves". Plant Cell Physiol. (1997).
[5] Smith L., McAusland L., and Murchie H. “Don't ignore the green light: exploring diverse roles in plant processes”, Journal of Experimental Botany (2017)
[6] Silvia F., Lawrence T., Roberto B. and Eduardo Z., “Reversal of Blue Light-Stimulated Stomatal Opening by Green Light”,Plant and Cell Physiology (2000).
[7] Сайт и презентационные материалы Samsung https://www.samsung.com/led/lighting/applications/horticulture-lighting/

Copyright 2018 Samsung Electronics Co., Ltd.

Перевод: инженер ТД «НЕОН-ЭК» Степанов С.В.