Đèn LED trồng cây cho những người có sở thích trồng cây trong nhà

Đèn LED Grow Lights (đèn LED trồng cây) là nguồn ánh sáng nhân tạo được thiết kế với phân bố phổ ánh sáng (SPD) và dòng photon quang hợp (PPF) tối ưu để đáp ứng nhu cầu phát triển của cây trồng. Đây là hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn, cung cấp hiệu quả ánh sáng cao cho quá trình quang hợp (PPE) và phổ ánh sáng hiệu quả cao. Chiếu sáng làm vườn ngày càng trở thành yếu tố quan trọng trong việc trồng cây tại nhà, đặc biệt khi ngày càng có nhiều người bắt đầu trồng rau, hoa, trái cây và các loại thảo mộc tại gia như một thú vui lành mạnh. Đại dịch COVID-19 đã thúc đẩy phong trào này, khi mọi người tìm cách giải trí và đồng thời cung cấp thực phẩm tươi ngon, bổ dưỡng cho gia đình. Trồng cây trong môi trường kiểm soát quanh năm giúp loại bỏ yếu tố thời vụ và biến động nguồn cung. Ở Mỹ, việc trồng cây tại nhà thường liên quan đến việc trồng cây cần sa, vốn đang ngày càng được hợp pháp hóa trên khắp cả nước.

Vai trò của ánh sáng đối với cây trồng

Ánh sáng ảnh hưởng đến mọi khía cạnh sinh học của cây, vừa là nguồn năng lượng cho quá trình quang hợp vừa là tín hiệu môi trường để thích nghi và phát triển. Ánh sáng là bức xạ điện từ gồm các photon – những gói năng lượng nhỏ. Cây trồng sử dụng năng lượng từ các photon để tạo ra các electron có năng lượng cao. Các electron này giúp tổng hợp hai hợp chất hóa học năng lượng cao là NADPH và ATP, vốn được sử dụng trong quá trình giảm CO2 thành carbohydrate (đường) và oxy.

Quá trình quang hợp diễn ra trong lục lạp của tế bào thực vật, nơi các photon được hấp thụ bởi sắc tố diệp lục. Diệp lục A, sắc tố chính chịu trách nhiệm quang hợp, hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 430 nm và 680 nm (vùng đỏ và xanh lam). Diệp lục B, một sắc tố phụ, hỗ trợ thu thập năng lượng và truyền cho diệp lục A, hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 460 nm và 640 nm. Ngoài ra, carotenoid – các sắc tố phụ khác – cũng đóng vai trò chuyển năng lượng từ ánh sáng tới diệp lục, đồng thời bảo vệ cây khỏi tác hại của ánh sáng quá mức.

Ứng dụng đèn LED Grow Lights

Ánh sáng trong khoảng từ 400 đến 700 nm, gọi là bức xạ quang hợp hiệu quả (PAR), là nguồn năng lượng chính mà cây sử dụng. Đèn LED Grow Lights hiện đại có thể tối ưu hóa phổ ánh sáng này để hỗ trợ cây trong các giai đoạn phát triển khác nhau, từ nảy mầm, sinh trưởng, ra hoa cho đến kết trái.

Lợi ích của đèn LED Grow Lights

1. Tiết kiệm năng lượng: Đèn LED có hiệu suất quang hợp cao hơn nhiều so với đèn truyền thống như đèn HID, huỳnh quang hay halogen.
2. Tỏa nhiệt thấp: Không gây nóng cho cây, cho phép đặt đèn gần tán cây mà không làm cháy lá.
3. Điều chỉnh phổ ánh sáng linh hoạt: Có thể điều chỉnh phổ sáng để phù hợp với từng giai đoạn sinh trưởng và từng loại cây.
4. Tuổi thọ cao: Đèn LED thường hoạt động trong hàng chục nghìn giờ, giảm chi phí thay thế.
5. Thân thiện môi trường: Không chứa thủy ngân và giảm phát thải khí CO2.

 Ứng dụng phổ biến 

– Trồng rau sạch, hoa và trái cây trong nhà kính hoặc hệ thống thủy canh.

– Hệ thống trồng cây trong nhà, tủ trồng cây, và lều trồng cây.

– Trồng các loại cây yêu cầu ánh sáng đặc biệt như cần sa (ở các khu vực hợp pháp).

 Yêu cầu ánh sáng theo từng giai đoạn 

– Nảy mầm: 200-400 PPFD.

– Sinh trưởng: 400-600 PPFD.

– Ra hoa/kết trái: 600-900 PPFD. Đối với cần sa, có thể cần đến 1200 μmol/m²/s.

 Phổ ánh sáng tối ưu 

Ánh sáng đỏ và xanh lam được cây sử dụng hiệu quả nhất cho quang hợp. Tuy nhiên, ánh sáng xanh lục có khả năng thâm nhập sâu hơn vào tán cây, hỗ trợ quang hợp ở các lá bên dưới. Ngoài ra, ánh sáng hồng ngoại (far-red) và tia UV-A cũng có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh thời gian ra hoa và tăng cường cơ chế phòng vệ của cây.

 

 Tương lai của đèn LED Grow Lights 

Công nghệ LED đang cách mạng hóa ngành chiếu sáng nông nghiệp nhờ khả năng thiết kế phổ ánh sáng phù hợp với từng loại cây và từng giai đoạn phát triển. Đèn LED có thể đạt hiệu suất PPE trên 3 µmol/J và cung cấp ánh sáng gần hơn với tán cây mà không gây nhiệt. Với sự cải tiến này, người trồng cây tại nhà có thể tận dụng tối đa ánh sáng nhân tạo để đạt năng suất cao và chất lượng tốt.

Đèn LED Grow Lights ngày càng phổ biến và là lựa chọn lý tưởng cho những người trồng cây tại nhà và cả các nhà vườn chuyên nghiệp.

Ánh sáng để trồng cây là nguồn ánh sáng nhân tạo với phân bố công suất quang phổ (SPD) và thông lượng photon quang hợp (PPF) phù hợp với nhu cầu tối ưu của cây trồng được trồng. Đèn LED phát triển là hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn có khả năng cung cấp hiệu quả quang hợp cao (PPE) chiếu sáng với hiệu quả quang phổ cao. Chiếu sáng làm vườn là nhiên liệu thiết yếu cho sự phổ biến ngày càng tăng của sự phát triển của cây trồng trong các môi trường dân cư. Trồng các loại thảo mộc, rau, trái cây, hoa và các loại cây khác tại nhà không có gì thú vị. Do đại dịch coronavirus, nhiều người trồng cây tại nhà hơn bao giờ hết, coi đó là một cách tuyệt vời để giết thời gian trong khi cung cấp cho gia đình những món ăn tươi, ngon và bổ dưỡng. Sản xuất rau và trái cây ổn định quanh năm trong môi trường được kiểm soát hầu như loại bỏ tính thời vụ và sự biến động của nguồn cung. Ở Hoa Kỳ, trồng tại nhà thường gắn liền với việc trồng cây cần sa cá nhân, việc hợp pháp hóa tiếp tục lan rộng trên toàn quốc.

Ánh sáng ảnh hưởng đến tất cả các khía cạnh của sinh học thực vật. Nó được thực vật sử dụng như một nhiên liệu cho quá trình quang hợp và như một tín hiệu môi trường để thích nghi phát triển. Ánh sáng là bức xạ điện từ bao gồm các photon, là những bó năng lượng nhỏ, rời rạc. Thực vật sử dụng năng lượng từ photon để tạo ra các electron năng lượng cao. Các electron này được sử dụng để sản xuất hai sản phẩm hóa học năng lượng cao, đó là NADPH và ATP. NADPH và ATP được hình thành bởi tác động của ánh sáng cuối cùng được tiêu thụ trong quá trình lắp ráp các nguyên tử cacbon (khử CO2) trong các phân tử hữu cơ để tạo ra carbohydrate (đường) và oxy. Carbohydrate sau đó được cây lưu trữ để sử dụng cho sự phát triển. Quá trình này diễn ra trong lục lạp của tế bào thực vật, nơi các photon được thu hoạch bởi chất diệp lục. Tuy nhiên, chất diệp lục chỉ hấp thụ các photon có bước sóng cụ thể. Chất cảm quang quan trọng nhất chịu trách nhiệm cho quá trình quang hợp là chất diệp lục A, l hấp thụ ánh sáng chủ yếu ở các phần màu đỏ và xanh lam của quang phổ ánh sáng nhìn thấy với các đỉnh hấp thụ chính ở 430 nm và 680 nm. Chất diệp lục B là một sắc tố phụ thu thập năng lượng và truyền nó đến chất diệp lục A. Các đỉnh hấp thụ của sắc tố này nằm trong phạm vi màu đỏ và xanh lam của quang phổ ở bước sóng lần lượt là 460 nm và 640 nm. Carotenoid là chất chuyển hóa thứ cấp và các sắc tố quan trọng thúc đẩy quá trình quang hợp bằng cách truyền năng lượng từ ánh sáng hấp thụ sang chất diệp lục đồng thời bảo vệ sinh vật quang hợp khỏi tác hại của việc tiếp xúc quá mức. Phổ biến nhất trong số các sắc tố này, caroten và xanthophylls, hấp thụ photon trong dải bước sóng từ 400 nm đến 550 nm. Phạm vi hấp thụ này mở rộng đến vùng màu xanh lá cây, bao phủ hiệu quả dải quang phổ (500-550 nm) mà chất diệp lục phản ứng kém. Bức xạ điện từ trong dải quang phổ từ 400 đến 700 nanomet, được hấp thụ bởi các thụ thể quang trong quá trình quang hợp, được gọi là bức xạ tác động quang hợp (PAR).

Khi thực vật đứng yên, chúng đã tiến hóa để đọc các tín hiệu môi trường từ ánh sáng thông qua các thụ thể quang truyền tín hiệu. Những tín hiệu môi trường này kích hoạt các phản ứng thích ứng ở thực vật để điều phối và điều khiển các giai đoạn chính của sự phát triển của thực vật. Khả năng tối ưu hóa hiệu quả sử dụng tài nguyên và thích nghi quang hợp với bức xạ có sẵn tạo điều kiện thuận lợi cho một loạt các phản ứng sinh lý cụ thể bao gồm quang hình (giải phẫu thực vật), quang chu kỳ (ảnh hưởng của độ dài của thời kỳ tối và sáng đối với sự ra hoa) và quang hướng (hướng tăng trưởng). Ba nhóm chính của các thụ thể quang truyền tín hiệu đã được xác định để làm trung gian cho các phản ứng này: phytochromes, cryptochrome và phototropin. Hệ thống quang phytochrome thực hiện sức mạnh của nó thông qua hai dạng phytochrome có thể chuyển đổi lẫn nhau, dạng không hoạt động Pr và dạng hoạt động sinh lý Pfr, có đỉnh hấp thụ màu đỏ ở độ cao 660 nm và màu đỏ xa ở độ cao 730 nm, tương ứng. Ánh sáng đỏ thúc đẩy chuyển đổi Pr sang Pfr trong khi ánh sáng đỏ xa thúc đẩy chuyển đổi Pfr sang dạng Pr. Sự phổ biến của Pfr hoặc Pr, phụ thuộc vào tỷ lệ quang phổ R: FR, có thể ảnh hưởng đến một số quá trình phát triển bao gồm cảm ứng ra hoa, nảy mầm, kéo dài thân, mở rộng lá, kéo theo nhịp sinh học và sinh tổng hợp chất diệp lục. Tỷ lệ đỏ và đỏ xa thấp làm cho dạng phytochrome (Pr) không hoạt động thống trị sinh học phát triển thực vật. Phản ứng tránh bóng râm, không có lợi cho hầu hết các ứng dụng làm vườn, được kích hoạt để kéo dài các thân hoặc thân cây và gây ra hoa sớm trong nỗ lực cạnh tranh với các cây lân cận và tồn tại trong điều kiện bức xạ thấp. Tỷ lệ đỏ: đỏ xa thấp cũng có thể dẫn đến giảm sản xuất nhiều chất chuyển hóa thứ cấp đóng vai trò quan trọng trong việc trung gian phòng thủ chống lại mầm bệnh. Cryptochrome và phototropin là các thụ thể quang nhạy cảm với màu xanh lam và UV-A (tia cực tím A) tham gia vào việc làm trung gian cho nhiều phản ứng hình thái quan trọng. Cryptochrome điều chỉnh sự nảy mầm, kéo dài, tổng hợp sắc tố, lôi cuốn nhịp sinh học ở thực vật có hoa, cảm nhận từ trường, giãn nở lá mầm, phát triển chất diệp lục và lục lạp bình thường, và tổng hợp enzyme Phototropin làm trung gian điều hòa khí khổ, hướng quang, tích tụ lục lạp, làm phẳng lá và khử etiolation của hypocotyl.

Rõ ràng là việc áp dụng hiệu quả ánh sáng là điều cần thiết cho nhiều quá trình sinh học trong vòng đời của cây trồng. Trong lục lạp, chất diệp lục và carotenoid hấp thụ ánh sáng để thúc đẩy chuyển đổi năng lượng quang hóa từ ánh sáng thành năng lượng sinh học cho quá trình trao đổi chất thực vật và sản xuất sinh khối. Mạng lưới tương tác của các thụ thể quang truyền tín hiệu, mỗi trong số đó phát hiện bức xạ ở dải bước sóng cụ thể, kiểm soát hầu hết mọi khía cạnh của sự tăng trưởng và phát triển, từ nảy mầm cho đến khi ra hoa và đậu quả. Ánh sáng mặt trời tự nhiên là nguồn năng lượng rẻ nhất có sẵn cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng nhưng không phải lúc nào nó cũng có đủ số lượng và chất lượng mong muốn. Chiếu sáng làm vườn từ lâu đã được thực hiện trong sản xuất cây trồng như một sự bổ sung hoặc thay thế cho ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, các công nghệ chiếu sáng truyền thống (natri áp suất cao, halogen kim loại, huỳnh quang) luôn có hạn chế liên quan đến thao tác quang phổ. Quang phổ cố định khiến không thể điều chỉnh quang phổ ánh sáng theo nhu cầu tối ưu của từng giai đoạn sinh trưởng hoặc các loài thực vật cụ thể. Hơn nữa, hệ thống chiếu sáng phóng điện cường độ cao (HID) tạo ra một lượng lớn năng lượng hồng ngoại bức xạ (IR). Do đó, việc đạt được mật độ thông lượng photon quang hợp rất cao (PPFD) với ánh sáng HID bị giới hạn bởi khoảng cách mà nguồn sáng cần được giữ từ tán cây.

 

Ngành công nghiệp chiếu sáng làm vườn đã và đang trải qua một sự chuyển đổi triệt để được thúc đẩy bởi những tiến bộ to lớn trong công nghệ LED. Đèn LED được thiết lập để đóng một vai trò chủ đạo trong chiếu sáng làm vườn do những lợi ích sâu sắc về kinh tế, hiệu suất, thiết kế và ứng dụng của nó. Đèn LED không chỉ là một ví dụ sáng giá về hiệu quả cao, tuổi thọ và bảo trì thấp, chúng còn vượt qua chức năng cũ là cung cấp ánh sáng câm quang phổ để cung cấp khả năng mới của kỹ thuật quang phổ. Phân phối công suất quang phổ (SPD) của ánh sáng có thể được điều chỉnh để tăng cường sản xuất tùy thuộc vào loài thực vật và giai đoạn sinh trưởng và trong một số sản phẩm, có thể được kiểm soát chủ động. Khả năng kiểm soát quang phổ chính xác cho phép tận dụng lợi ích quang phổ được đề xuất bởi các đỉnh phản ứng quang hợp và thúc đẩy quá trình quang hình và quang chu kỳ bằng cách nhắm mục tiêu vào các thụ thể quang truyền tín hiệu cụ thể. Khả năng cung cấp SPD được thiết kế để thu hút các phản ứng cụ thể của thực vật, kết hợp với khả năng kiểm soát cường độ vượt trội của đèn LED, mang lại cơ hội lớn để tối ưu hóa ánh sáng cho các ứng dụng cụ thể, cho phép quang hợp thực vật tối ưu cho năng suất lớn nhất và / hoặc kiểm soát chính xác tất cả các khía cạnh của sự phát triển của cây trồng trong thời gian ngắn nhất và theo cách hiệu quả nhất. Các sản phẩm chiếu sáng làm vườn LED hiện có thể dễ dàng đạt được PPE lớn hơn 3 μmol / J. Không có nhiệt bức xạ trong bức xạ điện từ của đèn LED cho phép các thiết bị chiếu sáng được đặt gần cây hơn nhiều mà không làm quá nóng lá. Ngoài những cải tiến về hiệu quả của hệ thống, khả năng cung cấp ánh sáng gần hơn dẫn đến hiệu quả ứng dụng chiếu sáng (LAE) đáng kể. PPF từ đèn LED có thể được thu hoạch ở mức tối đa để đạt được mật độ quang phổ (PPFD) cao hơn so với các thiết bị cố định HID có cùng đầu ra.

 

 

 

Đèn LED trồng trọt cho các ứng dụng trồng trọt tại nhà có nhiều loại khác nhau bao gồm, nhưng không giới hạn, hệ thống tích hợp công suất cao, hệ thống thanh mô-đun, bảng đèn, đèn ống, bóng đèn và dải đèn. Các sản phẩm này thường được lắp đặt trong lều trồng trọt, tủ trồng trọt và hệ thống trồng thủy canh. Việc lựa chọn đèn LED trồng trọt liên quan đến quy mô, PPF, phân bố ánh sáng và thành phần quang phổ phụ thuộc vào loại cây được trồng, các giai đoạn sinh trưởng liên quan (ví dụ: nảy mầm, nhân bản / giâm cành, sinh dưỡng, ra hoa, đậu quả) và chiều cao lắp đặt. Điều quan trọng là phải cung cấp cho cây trồng đủ ánh sáng để thúc đẩy đủ quang hợp vì điều này cung cấp năng lượng và carbohydrate cần thiết cho sự phát triển của cây trồng cũng như khối xây dựng trao đổi chất cho các con đường sinh tổng hợp khác nhau. Trong các giai đoạn tăng trưởng khác nhau, sản lượng PAR được cung cấp phải được điều chỉnh cho phù hợp. Đối với cây con, nó cần được đặt ở mức thấp (200-400 PPFD). Thực vật ở trạng thái sinh dưỡng thường sẽ yêu cầu sản lượng tầm trung (400-600 PPFD). Cây giai đoạn ra hoa có yêu cầu PAR cao hơn (600-900 PPFD). Trong quá trình ra hoa, cây cần sa yêu cầu PPFD lên đến 1200 μmol / m² / s. Để đạt được mức cường độ này, đèn LED phát triển được gắn 12 inch phía trên tán cây phải cung cấp PPF khoảng 1900 μmol / s.

 

Mặc dù cần phải cung cấp cho thực vật một lượng bức xạ thích hợp, nhưng việc cung cấp các photon trong các vùng quang phổ được hấp thụ hiệu quả nhất bởi các thụ thể quang mục tiêu cũng quan trọng không kém. Thực vật có hiệu quả nhất trong việc hấp thụ các photon đỏ và xanh lam để quang hợp. Rất ít cây hoạt động tốt dưới 100% ánh sáng đỏ hoặc xanh. Tốc độ quang hợp dưới ánh sáng đỏ cao hơn dưới ánh sáng xanh, nhưng cây trồng dưới ánh sáng xanh có thể bị suy giảm hình thái thực vật, đặc trưng bởi sự phát triển của lục lạp giảm, lá mỏng và hình thành các lớp lá. Nhu cầu về cả ánh sáng đỏ và xanh lam đã được thiết lập tốt, nhưng có ít sự đồng thuận hơn về tỷ lệ thích hợp của ánh sáng đỏ và ánh sáng xanh. Tỷ lệ quang phổ đỏ và xanh lam cao hơn có thể góp phần làm tăng sinh khối, cây cao hơn, hàm lượng phenolic cao hơn, kích hoạt hệ thống chống oxy hóa, phát triển rễ rộng rãi, tăng nồng độ luteolin và sinigrin, v.v. Tỷ lệ ánh sáng xanh và đỏ cao hơn thúc đẩy sự phát triển sinh dưỡng, lỗ khổ, độ nhỏ gọn của cây, ra hoa và sản xuất quả, và tích lũy mức carotenoid β-carotene và violaxanthin. Cách người trồng tại nhà chọn cân bằng tỷ lệ ánh sáng đỏ và xanh lam sẽ dựa trên các loài thực vật cụ thể được trồng và giai đoạn phát triển của chúng. Trong khi các photon đỏ và xanh lam có hiệu quả quang phổ cao nhất trong việc kích hoạt chất diệp lục, khả năng thâm nhập sâu vào tán cây của chúng là rất hạn chế. Ánh sáng xanh thâm nhập sâu hơn vào lục lạp thấp hơn của các mô thực vật, xa hơn ánh sáng đỏ và xanh, và do đó cung cấp thêm quang hợp ở những nơi mà ánh sáng xanh và đỏ không thể xuyên qua. Điều quan trọng cần lưu ý là nhiều loại cảm quang quan trọng đối với sự phát triển của thực vật có bước sóng hấp thụ chủ yếu nằm ngoài vùng PAR như đỏ xa và UV-A. Công dụng lớn nhất của chiếu xạ hồng xa (bước sóng trên 700 nm) trong các ứng dụng làm vườn là để kiểm soát thời gian ra hoa. Bao gồm tia UV-A có thể giúp tăng cường cơ chế bảo vệ của cây bằng cách tạo ra nhiều chất chuyển hóa thứ cấp hơn.

 

Quang phổ ánh sáng phát ra từ đèn LED phát ra có thể được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu chiếu sáng làm vườn theo nhiều cách. Bước sóng phát xạ mong muốn của đèn LED có thể đạt được bằng cách thiết kế phát quang điện phun của khuôn bán dẫn. Thao tác khoảng cách dải giữa dải dẫn và dải hóa trị của lớp hoạt động bán dẫn có thể tạo ra đèn LED dải hẹp phát ra ánh sáng có màu duy nhất với băng thông điển hình vài chục nanomet. Quang phổ ánh sáng phát ra bởi đèn LED cũng có thể được kiểm soát bằng cách chuyển đổi một phần hoặc hoàn toàn độ phát quang điện của đèn LED có bước sóng ngắn (xanh lam hoặc gần UV) bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi bước sóng phốt pho. Đèn LED chuyển đổi phốt pho có thể được thiết kế để cung cấp phát xạ phổ rộng để kích thích hệ thống quang cân bằng hơn. Đầu ra quang phổ phù hợp cũng có thể được tạo ra bằng cách trộn màu phụ của một số đèn LED đơn sắc, chẳng hạn như đỏ, xanh lá cây, xanh lam, hổ phách (vàng) và lục lam. Phương pháp này cho phép tự động điều chỉnh quang phổ phát ra. Hầu hết các đèn LED trồng trọt cho các ứng dụng trồng trọt tại nhà được thiết kế như hệ thống phổ cố định. Đèn LED phát triển toàn phổ thường kết hợp nhiều đèn LED chuyển đổi phốt pho băng thông rộng và một số lượng nhỏ đèn LED đơn sắc được sử dụng để bổ sung quang phổ. Các đèn LED được vận hành bởi một trình điều khiển có thể điều chỉnh độ sáng thường đi kèm với nhiều kênh đầu ra để điều khiển độc lập từng kênh LED riêng lẻ.

 

Nguồn: Internet