Warunki Oświetlania Roślin Diodami Świecącymi
(„Light Emitting Diode(s)”, czyli “LED”)
W celu uzyskania skutecznej uprawy roślin ważne jest ustalenie odpowiednich warunków oświetleniowych. Rośliny uprawiane wewnątrz pomieszczeń, do swojego rozwoju wykorzystują sztuczne oświetlenie, tak jak rośliny w świecie naturalnym wykorzystują światło słoneczne. W projektowaniu oświetlenia dla hodowli roślin pod dachem, należy dodatkowo uwzględnić rolę wielu różnych czynników. Trzeba wziąć pod uwagę: ekologię, środowisko hodowli oraz etap rozwoju rośliny.
Oświetlanie diodami świecącymi (LED) pozwala na optymalizację takich czynników jak: czasokres oświetlania (fotoperiodyzm), natężenie światła, temperature barwową, odległość i kąt rozsyłu światła, oraz długość fal świetlnych (według fotosyntetycznie czynnego promieniowania źródła). Rozkład widmowy światła słonecznego zależy od położenia rośliny (szerokości geograficznej) i stosunku osi ziemi do słońca (sezonu). Dodatkowo można brać pod uwagę ruchy źródła światła i rośliny (fototropizm).
W świecie biznesu, jedno optymalne ustawienie może być przyjęte, ale nie jest to rozwiązanie ostateczne, które zadowala zapotrzebowanie żywych jednostek. Istnieje wiele typowych instalacji zoptymalizowanych jedynie w ten sposób, na korzyść ograniczonych budżetów lub początkujących. Dopóki nie będą powszechnie udostępnione precyzyjne alternatywne rozwiązania, powinno się brać pod uwagę minimum czasokresy stosowania odpowiednich natężeń przy danych długościach fal świetlnych.
W skrócie o świetle, falach, barwach, i roślinach
Temperatura barwowa, („color temperature”): jest to miara wrażenia barwy źródła świetlnego w stopniach Kelwina. Żarzące się ognisko może mieć porównywalnie niską temperature barwową (1000 K), ale nadal będzie parzyć. Natomiast światło dzienne przy zachmurzeniu może osiągać temperature barwową 8000+ K. Wzrost roślin następuje przy temperaturach barwowych światła słonecznego podawanego codziennie dla danej lokalizacji: od 1800 – 2300 K przy wschodzie i zachodzie słońca oraz do 5500 K i powyżej przy świetle dziennym.
Barwa długości fali, („color wavelength”): barwa światła i odpowiadająca jej długość fali elektromagnetycznej jest otrzymywana poprzez rozszczepienie źródła światła. Światło emitowane przez diody świecące ma określone zakresy długości fali, a zatem określoną barwę. Światło pochłaniane przez rośliny ma również określone zakresy długości fal. Zakresy te mieszczą się przeważnie w widmie promieniowania widzialnego, które powoduje że mózg ludzki odbiera je jako kolory.
Temperatura barwowa jest ludzkim wrażeniem jasności światła, a barwa długości fali jest naukową miarą promieniowania elektromagnetycznego, kolorem pewnej energii. Barwy o różnych długościach fal mogą mieć różne temperatury barwowe. Promieniowanie o danych długościach fal może być stosowane przy niskich lub wysokich temperaturach barwowych zależnie od wymagań roślin.
Długości fal promieniowania emitowanych przez źródło światła można zmierzyć i graficznie przedstawić poprzez rozkład widmowy energii (RWE, ang. „spectral power distribution”, czyli „SPD”). Jest to moc promieniowania emitowanego przez źródło na każdej długości fali tworząca również wizualny profil właściwości koloru źródła światła.
Długości fal pochłanianych przez rośliny można zmierzyć i graficznie przedstawić poprzez rozkład energii promieniowania czynnie fotosyntetycznego (PCF, ang. „photosynthetically active radiation”, czyli „PAR”). Jest to promieniowanie słoneczne które może być wykorzystane przez rośliny na potrzeby fotosyntezy. Krótsze długości fal (UV) są na ogół za bardzo “energetyczne”, a dłuższe długości fal (IR) nie posiadają wystarczająco dużo energii aby umożliwić fotosynteze.
Zakres promieniowania słonecznego w związku z diodami świecącymi
Związek między roślinami i światłem słonecznym jest niezbędny: rośliny wykorzystują bowiem promieniowanie, poprzez fotosyntezę, do własnego rozwoju. Proces wzrostu nazywa się fotomorfogenezą. Rośliny syntetyzują szersze widmo światła słonecznego niż to co ludzie widzą poprzez zmysł wzroku i absorbują przede wszystkim niebieskie i czerwone barwy fal emitowanych. W szerszym zakresie oraz w mniejszych proporcjach, fale dopełniające się barwowo zwane są ultrafioletowymi i podczerwonymi. Rośliny pochłaniają małą ilość zielonych barw i najczęściej są zielone ponieważ najbardziej rozpraszają zielone długości fal. Światło słoneczne widoczne dla oka ludzkiego oraz światło absorbowane przez rośliny, można mierzyć długościami fal na skali nanometrowej (nm).
Na przykład, dioda świecąca o długości fali 660 nm zwana jest „ciemnoczerwoną” (ang. „deep red”) i jest proporcjonalnie dominującą częstotliwością światła stosowaną w oświetleniach do uprawy roślin. Czerwone oraz niebieskie długości fal są idealne dla fotosyntezy ponieważ przy tych barwach absorpcja chlorofilu osiąga w roślinach maksymalne wartości. Promieniowanie czynne fotosyntetycznie podaje długości fal w widmie światła słonecznego, które rośliny wykorzystują. Graficznie ta informacja pozwala na wizualizację absorbcji światła w roślinach.
Pojedyncze diody świecące mogą być produkowane tak aby emitować jedną niezbędną długość fali z widma światła słonecznego w oparciu o poszczególne obserwacje roślin w przyrodzie . Wytwórcy oświetleń diodami świecącymi stosują przy konstrukcji opraw i modułów takie kombinacje diod, które zapewniają zapotrzebowania poszczególnych roślin.
Kolory diod świecących w związku z uprawą roślin
Poniżej opisane są przyczyny dla jakich rośliny syntetyzują różne długości fal w procesie fotosyntezy. Nie tylko barwy są pożyteczne, lecz również inne czynniki takie jak na przykład godziny natężonego światła wywołujące przejście od fazy wegetatywnej wzrostu do fazy kwitnienia.
Niebieski: 400nm – 500nm; w szczególności: 420, 440-450, 470; PAR: 420-500.
Promuje wysokie rośliny liściaste podczas fazy wegetatywnej wzrostu . Pochłaniany przez barwnik fotosyntezy „Chlorofil B”. Mniejsza proporcja oświetlania tą barwą jest potrzebna ponieważ: aktywuje fototropizm i fotosynteze, więc jest to najefektywniej pochłaniany zakres światła słonecznego; w naturze istnieje tylko jako 14% zakresu promieniowania słonecznego w porównaniu do 26% czerwonego; i ma większą energię fotoniczną (266 kJ / mol) niż czerwona (181 kJ / mol). Popularny wśród ogrodników jest kolor „królewski niebieski” czyli “royal blue” o długości fali 450 nm.
Czerwony: 600nm – 700nm; w szczególności: 620-640, 660, 675; PAR: 645-685.
Wspiera pąki i rozkwit. Przyśpiesza kiełkowanie. Pochłaniany przez barwnik fotosyntezy „Chlorofil A”. Popularny wśród ogrodników jest „ciemnoczerwony” czyli “deep red” o długości fali 660 nm.
Zielony: PAR: 525nm – 540nm.
Rośliny pochłaniają względnie małą ilość zielonego koloru. Ta długość fali tworzy (w niewielkiej proporcji do innych) białe światło poprzez mieszanke z kolorami czerwonym i niebieskim i jest korzystna dla warunków pracy przy wewnętrznych uprawach roślinnych. Używanie tylko czerwonych i niebieskich kolorów (ich długości fal) może uniemożliwić wizualne określanie stanu zdrowia roślin poprzez nieznajomość ich faktycznego wyglądu.
Ultrafioletowy (UV): UVb 280 nm – 320 nm; 370 UV dopełnia niebieski 450; PAR: 380-420;
Promuje pigmentację, pogrubia liście, zapobiega działalności szkodliwych owadów. Jest stosowany jako komplement „królewskiego niebieskiego”, czyli „royal blue” o długości fali 450 nm. Część promieniowania ultrafioletowego z zakresu światła słonecznego, dociera do roślin i jest w zasięgu zbadanego promieniowania czynnie fotosyntetycznego.
Podczerwony (IR): 730 IR dopełnia czerwony 660; PAR 685-700;
Jest stosowany głównie w okresie kwitnienia przede wszystkim jako dopełnienie „ciemnoczerwonego”, czyli „deep red” o długości fali 660 nm. Jest to proces znany jako „Efekt Emersona”, czyli „Emerson Enhancement Effect”. Część promieniowania podczerwonego z zakresu światła słonecznego, dociera do roślin i jest w zasięgu zbadanego promieniowania czynnego fotosyntetycznie.
Stosunki kolorów diod świecących i ich związek z uprawą roślin
Istotne jest zidentyfikowanie proporcji długości fal które rośliny wymagają do idealnego rozwoju i wzrostu. Poniżej podany jest optymalny stosunek diod świecących w oprawie lub module oświetleniowym dla uprawy roślin:
ultrafioletowy
UV 370 nm
5%
(z 450nm)
królewski niebieski
„Royal Blue” 440 nm – 450 nm
10 – 15%
niebieski
470nm
10%
zielony
525 nm – 540 nm
5 – 10%
czerwony
620 nm – 640 nm
15 – 20%
ciemnoczerwony
“Deep Red” 660 nm
40 – 50%
podczerwony
IR 730 nm
5%
(z 660nm)
Właściwości diod świecących białym światłem i ich porównanie do rozwoju roślin przy świetle słonecznym
Oświetlanie roślin diodami świecącymi na biało lub tzw. „dziennym światłem” nie jest polecane; możliwe jednak, że w bliskiej przyszłości już od roku 2015 zaistnieje nowe rozwiązanie.
W elektroluminescencyjnych źródłach, światło jest generowane za pomocą diod w których prąd elektryczny jest przepuszczany przez ustawione półprzewodniki. W ten sposób osiągane są pożądane długości fal. Zmiana prądu reguluje dokładną długość fali światła. Indywidualne diody świecące są przeznaczone dla niektórych długości fal o małym zakresie.
Niebieskie diody świecące, (“blue LED”), są najnowszym wynalazkiem spośród trzech podstawowych kolorów diod świecących. Za ich wynalazek została nadana nagroda Nobla w roku 2014. Głównym znaczeniem niebieskiej diody świecącej jest to, że jej mieszanie ze światłem czerwonym i zielonym tworzy białe światło.
Diody świecące czerwono-zielono-niebiesko, (“red-green-blue”, czyli “RGB LED”), zawierają dynamiczne emitery (emitujące fale o danych długościach) ale ich najważniesza funkcja to tworzenie zjawiska koloru dla ogólnej ludzkiej percepcji poprzez zmysł wzroku. Diody RGB świecące na biało, są mieszanką tych kolorów ale nie o długościach fal potrzebne jako promieniowanie czynne fotosyntetycznie. Nie służą do precyzyjnego programowania barw o długościach fal dla roślin.
Białe diody świecące, (“white LED”), emitują światło, które wydaje się białe, ale jego rozkład widmowy na podstawie długości fal składowych pokazuje, że nie należą one do fal podtrzymujących zdrowe życie roślin. Światło białe może dawać podobny efekt wizualny jak światło naturalne, ale może nie mieć takiego samego zakresu długości fali światła fotosyntetycznie czynnego. Oświetlenie może mieć rozkład widmowy o mieszanych długościach fal, które razem emitowane pojawiają się jako białe dla ludzkiego oka, ale to mogą nie być fale których rośliny potrzebują. Białe diody świecące mogą również być wytwarzne jako niebieskie z żółtą powłoką która sprawia że emitują na „biało”. Jest wiele spekulacji wokół równoważenia widma, które białe diody świecące zapewniają.
Istnieje zapotrzebowanie na nowe diody świecące o rozkładzie widmowym światła naturalnego (słonecznego) w najbardziej potrzebnych barwach dla roślin. Są to długości fal: 660 nm (czerwona), 450 nm (niebieska), 525 nm (zielona), oraz niektóre fale ultrafioletowe i podczerwone. Możliwość emisji wszystkich tych długości fal w jednej diodzie usprawniła by cały przemysł oświetleń dla nie tylko przemysłowej uprawy roślin. Potrzebne jest do tego nowa inżynieria materiałowa do produkcji świecących diod; wzrastający postęp w tej dziedzinie prawdopodobnie umożliwi to w najbliższej przyszłości. Według danych opublikowanych w grudniu 2014 r. takie diody już istnieją i tylko czekają na analizę ostatecznych badań przed wprowadzeniem na rynek.
Okresy światła i ciemności przy oświetlaniu roślin
Rośliny są młode wiosną. Kiedy dni są coraz dłuższe mają okres wzrostowy. Przy dłuższych dniach świetlnych są w etapie wegetatywnym. Dalsza zmiana okresu oświetlenia powoduje kwitnienie. Potem dni stają się coraz krótsze i jesienią następują zbiory owoców lub żniwa. Pojawianie się róznych okresów światła jest niezbędne dla rozwoju roślin. Czas trwania codziennego naświetlenia jest zwanym fotoperiodyzmem. Ten czasokres działa przez odpowiedni stosunek dziennego natężenia światła i pojawiania się ciemności. Fluktuacje te powinny naśladować pojawianie się światła słonecznego w środowisku naturalnym z którego pochodzi roślina.
Rośliny różnią się potrzebnym czasem trwania okresów naświetlania. W fotoperiodyźmie istnieje podzielenie na „rośliny długiego dnia”, „rośliny krótkiego dnia”, i „rośliny neutralne”. Rośliny długiego dnia kwitną, gdy dzienny okres oświetlenia jest dłuższy od pewnej krytycznej długości. Rośliny krótkiego dnia kwitną, gdy dzienny okres oświetlenia jest krótszy od pewnej krytycznej długości. Rośliny neutralne są nie wrażliwe na długość oświetlenia. Okres stałej ciemności jest istotny ponieważ w ten sposób rośliny otrzymują sygnały rozwojowe ze środowiska. Krótkie niepotrzebne chwile światła w okresie ciemności mogą wywołać nieprawidłowy rozwój, i nawet za wczesny rozkwit.
Podstawowa ekologia oświetlania diodami świecącymi (LED „growlights”) do uprawy roślin: PDF: Tabela 1
Uwaga: Autor tego artykułu bada opracowania diod świecących do uprawy roślin dla firmy Neo-LED która nie jest powiązana z tym blogiem ani z Connectivist Collective. Wrocławska firma Neo-LED od lat osiąga sukcesy w różnych oświetleniach typu LED, w tym również w wysokiej jakości systemach dla roślin. Na ich witrynie znajduje się instruktaż do budowy własego panela LED do uprawy roślin. Autor tutaj w blogu publikuje rezultaty pierwszych badań aby jeszcze szerzej rozpowszechniać informacje której brakuje w języku polskim. Temat światła i roślin jest bliski świadomego ekologicznego rozwoju, czyli działań Connectivist Collective.
Connectivist Collective 