1. Zasada techniczna: Projektowanie regulacji jakości światła na poziomie molekularnym
Rośliny są dość wybredne pod względem wykorzystania światła. Rośliny mogą wykorzystywać do fotosyntezy jedynie światło widzialne o długości fali od 400 do 700 nm (co stanowi od 43% do 52,5% promieniowania słonecznego). Światło czerwone (610 do 720 nm) i światło niebieskie (400 do 510 nm) to główne szczyty absorpcji, dlatego nazywane jest „lekkim nawozem” roślin. Oświetlenie LED do roślin wykorzystuje możliwości fotoelektryczne materiałów półprzewodnikowych do wysyłania światła monochromatycznego o określonych długościach fal. Używają również kombinacji chipów, aby uzyskać precyzyjną kontrolę widma.
Na przykład światło czerwone (660 nm) może pomóc roślinom kwitnąć, owocować i wytwarzać witaminę C, podczas gdy światło niebieskie (450 nm) jest głównym światłem, które pomaga roślinom wytwarzać chlorofil oraz rosnąć łodygi i liście. Badania wykazały, że w uprawie sałaty stosunek światła czerwonego do niebieskiego wynoszący 4:1 zwiększa zawartość chlorofilu w liściach o 23% i przyspiesza tempo wzrostu o 18%; podobnie w uprawie truskawek stosunek światła czerwonego do niebieskiego wynoszący 5:1 zwiększa zawartość cukru w owocach o 15% i skraca czas wprowadzenia produktu na rynek o 10 dni. Ponadto dodanie dalekiego czerwonego światła (730 nm) może zmienić długość międzywęźli roślin. Dodanie światła UV (380–400 nm) może odstraszyć szkodniki i choroby oraz zwiększyć ilość metabolitów wtórnych.
2. Główną korzyścią jest przejście od „czarnej dziury energetycznej” do „rewolucji w zakresie efektywności świetlnej”.
Wysoko-prężne lampy sodowe i lampy metalohalogenkowe to dwa typy tradycyjnego oświetlenia szklarni, które mają trzy główne problemy: ich widma są stałe i nie można ich zmienić, wydzielają dużo ciepła i zużywają dużo energii elektrycznej. Na przykład wysokoprężna-lampa sodowa o mocy 1000 W przekształca tylko 30% promieniowania aktywnego fotosyntetycznie (PAR) w światło użyteczne. Wytwarza również dużo promieniowania cieplnego podczerwonego, które podnosi temperaturę w szklarni i wymaga dodatkowego systemu chłodzenia. Trzy ważne postępy technologiczne uczyniły lampy LED do roślin rewolucyjnymi:
Dostosowywanie widma: Można uzyskać dowolny stosunek światła monochromatycznego do światła o pełnym spektrum, zmieniając rozmieszczenie chipów LED. „Schemat widmowy pełnego cyklu” firmy Weizhaoye Optoelectronics wykorzystuje dużo światła niebieskiego (40%), aby pomóc korzeniom rosnąć w fazie sadzonek, dużo światła czerwonego (60%), aby pomóc rosnąć liściom w fazie wzrostu wegetatywnego, oraz trochę dalekiego światła czerwonego (10%), aby pomóc kwiatom kwitnąć w fazie wzrostu reprodukcyjnego.
Charakterystyka źródła zimnego światła: Skuteczność świetlna diod LED wynosi ponad 200 lm/W, a mniej niż 5% ciepła jest tracone w wyniku promieniowania cieplnego. Do ich schłodzenia nie jest potrzebny żaden dodatkowy sprzęt. System LED na farmie Yuntai w komorze uprawy storczyków motylkowych w Lianyungang zmniejsza odległość między warstwami ze zwykłych 1,5 metra do 0,6 metra i potraja liczbę roślin, które można uprawiać na danym obszarze.
Rewolucja w zużyciu energii: lampy LED do roślin ponad trzy razy skuteczniej przekształcają energię elektryczną w energię świetlną niż wysoko-wysokoprężne lampy sodowe. Naukowcy z Uniwersytetu w Wageningen w Holandii odkryli, że dodanie oświetlenia LED do produkcji w fabryce pomidorów może zmniejszyć zużycie energii na kilogram owoców z 5,2 kWh do 1,8 kWh i zużycie nawozów o 30%.
3. Scenariusz zastosowania: pełne pokrycie łańcucha od laboratorium do industrializacji
Uprawy w szklarni: dodatkowe oświetlenie LED może zwiększyć plony ogórków o 40% i poziom witaminy C w pomidorach o 25% w północnych obszarach, gdzie zimą przez cały czas jest słabo oświetlony i zacieniony. Firma Weizhaoye Optoelectronics zaprojektowała podwójny-tryb dodatkowego systemu oświetlenia dla szklarni w Xiaotangshan w Pekinie. Włącza się automatycznie, gdy natężenie światła spadnie poniżej 200 μmol/m²/s. Skraca to cykl wegetacyjny warzyw liściastych o 15 dni.
Fabryka roślin: systemy LED wykorzystują wielo-warstwową, trójwymiarową-kulturę, aby maksymalnie wykorzystać przestrzeń w środowisku całkowicie sztucznego oświetlenia. W nowoczesnej strefie rozwoju rolnictwa Sunqiao w Szanghaju zastosowano 10-warstwową pionową ramę do sadzenia i zaawansowany system kontroli oświetlenia. Dzięki temu mogą uprawiać 10 razy więcej plonów na metr kwadratowy niż standardowe szklarnie i zużywać 90% mniej wody.
Badania i hodowla: Diody LED doskonale nadają się do badań fotobiologii roślin, ponieważ można kontrolować ich właściwości widmowe. Instytut Badań nad Warzywami i Kwiatami Chińskiej Akademii Nauk Rolniczych wykorzystał platformę LED o regulowanym widmie do przetestowania odmiany pomidora „Zhongvegetable 606”, która może utrzymać wydajność fotosyntezy na poziomie 85% nawet przy świetle wynoszącym zaledwie 300 μmol/m²/s.
Specjalne nasadzenia ekologiczne: lampy LED do roślin są obecnie najważniejszymi elementami systemów podtrzymywania życia w miejscach takich jak stacje badawcze na Antarktydzie i statki kosmiczne, gdzie warunki są bardzo trudne. Chińska szklarnia Great Wall Station na Antarktydzie wykorzystuje system LED o pełnym spektrum działania do uprawy sałaty i truskawek przez cały rok. System ma wydajność fotosyntezy na poziomie 92% powierzchni Ziemi.
