Đèn LED trồng trọt cho hệ thống canh tác thẳng đứng (Vertical Farming)

Đèn LED trồng trọt thẳng đứng (Vertical Farming LED Grow Lights) được sử dụng trong các cơ sở trồng trọt trong nhà, nơi giá đỡ cây được xếp chồng lên nhau theo chiều dọc từ sàn đến trần nhà. Canh tác thẳng đứng là một hình thức nông nghiệp môi trường được kiểm soát (CEA) cho phép người trồng sử dụng không gian có sẵn theo cách hiệu quả nhất có thể. Nhu cầu ngày càng tăng về các hoạt động nông nghiệp bền vững thúc đẩy sự phát triển của thị trường nông nghiệp thẳng đứng được thúc đẩy bởi dân số đô thị tăng nhanh chóng, điều kiện khí hậu thay đổi, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cạn kiệt chất lượng đất, khan hiếm tài nguyên nước và nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng đối với các sản phẩm hữu cơ tươi. Canh tác thẳng đứng được báo trước là thế hệ tiếp theo của nông nghiệp hiện đại, nhằm giải quyết vấn đề đất canh tác ngày càng giảm đồng thời cho phép nâng cao độ tươi và hàm lượng dinh dưỡng của trái cây và rau quả thu hoạch bằng cách đưa các hoạt động trồng trọt thương mại quy mô lớn vào các trung tâm đô thị đông đúc. Con đường cho việc triển khai ồ ạt công nghệ sản xuất cây trồng mật độ cao này, ở một mức độ lớn, được mở ra bởi ánh sáng sân khấu vững chắc dựa trên công nghệ LED.

 

Không giống như các hệ thống chiếu sáng điển hình trong các trang trại nguồn duy nhất cường độ cao và nhà kính bổ sung, các thiết bị chiếu sáng để trồng trọt trong nhà trong môi trường trồng trọt nhiều lớp phải được nhúng bên trong mỗi tầng của hệ thống kệ ngay phía trên và gần cây trồng. Đèn phóng điện cường độ cao (HID), bao gồm natri áp suất cao (HPS) và halogen kim loại gốm (MH), tạo ra quá nhiều nhiệt để lắp đặt gần nhà máy như vậy. Đèn huỳnh quang tuyến tính có kiểu dáng mỏng và tỏa ra ít nhiệt, nhưng chúng không cung cấp đủ lượng ánh sáng ở bước sóng quan trọng đối với sự tăng trưởng và phát triển tối ưu của cây trồng. Đèn LED không tạo ra nhiệt bức xạ (năng lượng hồng ngoại), cho phép các thiết bị chiếu sáng được đặt ở khoảng cách gần hơn nhiều so với tán cây trồng để có bức xạ tối đa. Dấu chân nhỏ của đèn LED cho phép thiết kế đèn làm vườn cấu hình cực thấp chỉ tiêu thụ một phần nhỏ không gian thẳng đứng của các thiết bị truyền thống. Các bộ phát bán dẫn nhỏ có thể được tạo thành các nhóm để tạo thành bề mặt phát sáng (LES) tạo ra sự phân bố bức xạ đồng đều. Theo nguyên tắc chung, sự thay đổi về độ đồng đều bức xạ trên tán cây không được vượt quá ±15%.

 

Sự chuyển đổi sâu sắc trong nông nghiệp môi trường được kiểm soát được tạo điều kiện bởi công nghệ LED đi xa hơn. Trên đường chân trời là hiệu quả hoạt động được cải thiện đáng kể. Bởi vì ánh sáng mặt trời không phải là một lựa chọn trong các trang trại thẳng đứng, việc trồng cây hoàn toàn dựa vào ánh sáng nhân tạo. Các thiết bị chiếu sáng được sử dụng trong các trang trại thẳng đứng cần cung cấp cường độ cao hơn mức cần thiết cho nhà kính và hoạt động trong khoảng 6600 giờ mỗi năm. Do đó, chi phí điện cho các ứng dụng chiếu sáng làm vườn là một trong những chi phí hoạt động lớn. Hiệu suất photon quang hợp (PPE) của đèn LED vượt quá hiệu quả của các nguồn sáng thông thường tốt nhất trong lớp từ hệ số hai đến 3,8 μmol / J và tiếp tục tiến tới PPE lớn hơn 4. Cải thiện hiệu quả ứng dụng chiếu sáng (LAE), tính đến hiệu quả phân phối quang học, hiệu quả của quang phổ cho ứng dụng chiếu sáng và hiệu quả cường độ, có thể tiết kiệm năng lượng bổ sung đáng kể. Trong các trang trại thẳng đứng thế hệ cũ, đèn huỳnh quang tuyến tính được vận hành với mật độ công suất 23 W / ft2. Với đèn LED, có thể giảm 50% mật độ công suất chiếu sáng. Đèn LED chiếu sáng không chỉ dẫn đầu với hiệu quả năng lượng cao mà còn đưa canh tác trong nhà đến biên giới của công nghệ nông nghiệp chính xác. Đèn LED có thể được điều khiển chính xác như các biến số khác của môi trường trồng trọt như nhiệt độ, độ ẩm, chất dinh dưỡng, thông gió và CO2. Ngoài hiệu quả cường độ thấp do khả năng điều chỉnh độ sáng hạn chế và chu kỳ chuyển đổi bật/tắt, các công nghệ chiếu sáng truyền thống có sự lựa chọn tối thiểu về sự thay đổi quang phổ. Ngoài việc kiểm soát tức thời trên một phạm vi cường độ rộng cung cấp khả năng cung cấp lượng ánh sáng phù hợp theo yêu cầu, đèn LED hoặc mô-đun LED có thể được thiết kế để phát ra ánh sáng ở các phần rất cụ thể của quang phổ, giúp tạo ra chính xác thành phần ánh sáng mà thực vật tận dụng tốt nhất. Kiểm soát chính xác phân bố công suất quang phổ (SPD) cho phép kích thích chọn lọc các thụ thể quang khác nhau, cho phép các quá trình sinh học hiệu quả nhất để sản xuất cây trồng tối ưu ở mọi khía cạnh mong muốn (năng suất, mùi vị, màu sắc, hình dạng, kết cấu, hàm lượng dinh dưỡng và các tính năng khác).

 

Đèn LED phát triển được lắp đặt trên khay gắn trên giá của hệ thống sản xuất nhiều lớp thường là một thiết bị cố định tuyến tính hoặc một cụm mô-đun của các thanh đèn tuyến tính. Triển khai ánh sáng trong các đường chạy tuyến tính đảm bảo phân bố bức xạ đồng đều cao trên tán cây ngay cả ở khoảng cách ngắn hơn. Gói thông lượng photon của đèn LED phát triển phụ thuộc vào loại cây, từng giai đoạn sinh trưởng và khoảng cách giữa nguồn sáng và cây. Cây nhiều lớp thường là rau xanh và các loại thảo mộc ẩm thực. Chúng thường yêu cầu mật độ thông lượng photon quang hợp (PPFD) từ 200 đến 400 μmol / m² / s ở giai đoạn cây con, 300 đến 600 μmol / m² / s ở giai đoạn trồng cây và 600 đến 900 μmol / m² / s ở giai đoạn ra hoa. Tuy nhiên, để tối đa hóa sự ra hoa của cây cần sa, PPFD nên tăng lên 1200 μmol / m² / s. Sự thay đổi lớn trong các yêu cầu PPFD dẫn đến sự gia tăng của các sản phẩm với các tùy chọn công suất từ 30 watt đến 1000 watt. Thông lượng photon quang hợp (PPF) của bộ đèn, là lượng photon trong dải sóng bức xạ hoạt động quang hợp (PAR) phát ra từ một bộ đèn mỗi giây, thay đổi từ 80 đến 3000 μmol / s. PPF của đèn LED trồng trọt canh tác thẳng đứng thường có thể được điều chỉnh để hỗ trợ từng giai đoạn phát triển riêng lẻ của cây trồng. Đèn LED trồng trọt theo chiều dọc được gắn từ 5 đến 12 inch so với tán cây.

 

Thành phần quang phổ của ánh sáng là một thành phần quan trọng đi vào thiết kế của đèn LED trồng trọt thẳng đứng. Một hệ thống chiếu sáng thực vật cho ứng dụng chiếu sáng nguồn duy nhất (không có ánh sáng mặt trời) phải cung cấp cho cây trồng một lượng bức xạ hoạt động quang hợp thích hợp để thúc đẩy từng giai đoạn tăng trưởng. Tuy nhiên, vì thực vật cũng có các thụ thể quang hấp thụ các bước sóng cả bên trong và bên ngoài khu vực PAR để kiểm soát sự phát triển và trao đổi chất của thực vật, nên quang phổ phải cung cấp hàm lượng quang phổ cần thiết cho sự hấp thụ tối ưu của các thụ thể quang này. Hệ thống quang hợp dựa vào chất diệp lục A, chất diệp lục B và carotenoid để thúc đẩy quá trình trao đổi chất và thúc đẩy sản xuất sinh khối. Các bước sóng cho phép quang hợp hiệu quả nhất được tìm thấy ở màu xanh lam và các vùng của quang phổ có đỉnh hấp thụ ở 430 nm và 680 nm đối với chất diệp lục A, và 460 nm và 640 nm đối với chất diệp lục B. Carotenoid (chẳng hạn như beta-carotene, lutein, zeaxanthin, antheraxanthin và violaxanthin) có thể hỗ trợ thu ánh sáng mà chất diệp lục không hấp thụ,  hoặc bảo vệ chất diệp lục khỏi quá trình oxy hóa bằng cách tiêu tán ánh sáng dư thừa dưới dạng nhiệt khi các trung tâm phản ứng quang hợp bị quá tải với năng lượng đến. Phạm vi hấp thụ của carotenoid nằm ở vùng xanh lam và xanh lá cây của quang phổ nhìn thấy (400–550 nm) và đạt đỉnh ở khoảng 470 nm. Sự hấp thụ photon quang hợp lớn nhất của thực vật xảy ra ở vùng đỏ 600-700 nm. Trong khi cả ánh sáng đỏ và xanh lam đều thúc đẩy quá trình quang hợp, bước sóng hấp thụ của chúng trùng lặp với các thụ thể quang điều chỉnh phản ứng sinh lý và đặc điểm giải phẫu ở thực vật.

 

Thực vật đã tiến hóa để cảm nhận môi trường ánh sáng (số lượng, chất lượng, hướng và thời gian bức xạ) và định hướng sự phát triển lâu dài và sự thích nghi động ngắn hạn với môi trường cho phù hợp. Ảnh hưởng đến những thay đổi sinh lý liên quan đến sự tương tác giữa ánh sáng và thực vật, bao gồm quang hình (giải phẫu thực vật), quang hướng (hướng lá và thân) và quang học (thay đổi không định hướng, ví dụ: mở hoa), được thực hiện bởi một nhóm các thụ thể quang hợp không quang hợp bao gồm phytochrome, cryptochrome và phototropin. Phytochrome hấp thụ cả ánh sáng đỏ và ánh sáng đỏ xa với đỉnh hấp thụ ở 660 nm và 730 nm. Tỷ lệ đỏ: đỏ xa có liên quan đến kích thích hoặc ức chế một số quá trình phát triển ở thực vật như hạt nảy mầm, mở lá, sinh tổng hợp chất diệp lục và kéo dài thân. Cường độ ánh sáng thấp và sự sụt giảm mạnh tỷ lệ ánh sáng đỏ đến ánh sáng đỏ xa phối hợp với nhau để gây ra hội chứng tránh bóng râm (SAS). Tỷ lệ R: FR thấp cũng đã được chứng minh là làm giảm sản xuất nhiều chất chuyển hóa thứ cấp có liên quan đến khả năng kháng bệnh. Để tham khảo, ánh sáng mặt trời trực tiếp có tỷ lệ ánh sáng đỏ và ánh sáng đỏ xa là 1,1 đến 1,2. Cryptochrome và phototropin là các chất cảm quang UV-A / ánh sáng xanh. Cryptochrome điều chỉnh sự trao đổi chất thứ cấp, tổng hợp sắc tố, ra hoa và ức chế độ kéo dài thân cây. Chúng cũng có chức năng thu hút nhịp sinh học. Phototropin làm trung gian điều hòa khí pọt, chuyển động lục lạp, chuyển động của thực vật về phía ánh sáng, làm phẳng lá và khử etiolation của hypocotyl.

 

Canh tác thẳng đứng là một ứng dụng sử dụng nhiều vốn và năng lượng, gây áp lực rất lớn đến chất lượng ánh sáng và hiệu quả của hệ thống chiếu sáng. Hiệu quả của quang phổ ánh sáng, phải tăng cường và cải thiện hiệu quả quang hợp và kiểm soát quá trình phát triển cho cây trồng có giá trị cao trong khi giảm thiểu lượng ánh sáng lãng phí, chạy song song với hoạt động hiệu quả năng lượng của hệ thống chiếu sáng. Công nghệ LED cung cấp khả năng cải thiện hiệu suất quang phổ ngoài việc cải thiện hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ năng lượng điện sang năng lượng quang. SPD của đèn LED có thể được thiết kế để thu hút các thụ thể quang thực vật cụ thể để đóng góp tích cực vào các khía cạnh khác nhau của sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, chẳng hạn như quá trình nảy mầm, ra hoa, thảm thực vật, đậu quả, tăng hương vị, giá trị dinh dưỡng và thậm chí kiểm soát dịch bệnh. Quang phổ ánh sáng phát ra từ đèn LED có thể được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu quang phổ riêng của các loại cây khác nhau theo nhiều cách. Cách đầu tiên là điều khiển các khe hở dải của các lớp bán dẫn tạo thành giếng nhiều lượng tử (MQW) của khuôn LED. Phương pháp này tạo ra đèn LED đơn sắc dường như phát ra ánh sáng có một màu duy nhất. Ví dụ, ánh sáng vàng, hổ phách hoặc đỏ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng đèn LED được hình thành từ hệ thống vật liệu nhôm indium gallium phosphide (AlInGaP). Đèn LED màu xanh lá cây, lục lam, tia cực tím, xanh lam và xanh hoàng gia được chế tạo bằng hệ thống vật liệu indium gallium nitride (InGaN). Một phương pháp thay thế là sử dụng phần tử chuyển đổi bước sóng (WCE), chuyển đổi một phần hoặc hoàn toàn phát quang điện để sửa đổi quang phổ của đèn LED. Vật liệu phốt pho được sử dụng để chuyển đổi một phần phát xạ màu xanh lam hoặc tia cực tím từ đèn LED InGaN để có được nguồn sáng phổ rộng, chẳng hạn như nguồn sáng trắng. Tuy nhiên, một phương pháp khác để điều chỉnh đầu ra quang phổ của đèn LED phát triển để kết hợp ba màu cơ bản của ánh sáng nhìn thấy (đỏ, xanh lá cây và xanh lam) để tạo ra các màu phụ trong gam màu. Kiểm soát độ mờ riêng lẻ, chính xác của nhiều đèn LED đơn sắc cung cấp khả năng điều khiển động quang phổ của đèn LED phát triển.

 

Đèn LED phát triển là một hệ thống được thiết kế cao tích hợp nhiều thành phần để mang lại hiệu suất dự kiến. Đèn LED là thiết bị bán dẫn phức tạp được thiết kế để hoạt động trong phạm vi quy định về nhiệt độ và công suất điện. Hiệu quả và độ tin cậy của đèn LED phát triển sẽ được xác định bởi tất cả các bộ phận cấu thành của nó (bao gồm đèn LED và các giao diện nhiệt, cơ và điện của chúng) và hiệu suất của chúng dưới áp lực vận hành và môi trường. Đèn LED làm vườn có các loại gói công suất cao dựa trên gốm, gói quy mô chip (CSP), gói chip trên bo mạch (COB) và gói chất mang chip chì nhựa công suất trung bình (PLCC). Đèn LED CSP và công suất cao được thiết kế với đường dẫn nhiệt hiệu quả cao cung cấp khả năng duy trì thông lượng photon tốt nhất và cho phép hoạt động dòng truyền động cao. Các gói LED này thường được sử dụng trong đèn LED phát triển PPF cao. Đèn LED công suất trung bình được xây dựng trên kiến trúc PLCC thường thể hiện sự khấu hao thông lượng photon nhanh chóng do sự hiện diện của nhựa nhựa trong các gói. Mặc dù nền tảng gói LED xác định khả năng hoạt động của đèn LED ở dòng truyền động và nhiệt độ hoạt động cao, nhưng khả năng hoạt động của đèn LED theo thông số kỹ thuật trong một khoảng thời gian cần thiết phụ thuộc vào thiết kế bộ đèn. Một trong những cân nhắc thiết kế quan trọng nhất là khả năng của hệ thống hút nhiệt thải ra khỏi mối nối LED. Tải nhiệt của đèn LED trồng trọt nông nghiệp thẳng đứng thường được tiêu tán bởi các tản nhiệt thụ động làm từ nhôm ép đùn. Cấu hình tuyến tính mở rộng của thiết bị chiếu sáng cung cấp một đường dẫn làm mát có kích thước phù hợp.

 

Phần quan trọng nhất xác định hiệu quả và độ tin cậy của đèn LED phát triển là trình điều khiển. Đèn LED hoạt động nguyên bản trên nguồn DC ở điện áp định hướng thuận. Về cơ bản, trình điều khiển LED chuyển đổi nguồn đường dây AC thành điện áp và dòng điện tương thích với tải LED. Nó sẽ cung cấp khả năng kiểm soát chính xác dòng điện chuyển tiếp chạy qua đèn LED bất kể thay đổi điện áp cung cấp hoặc điện áp chuyển tiếp của đèn LED. Yêu cầu đối với thiết bị vận hành theo đường dây để thực hiện hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) làm tăng thêm sự phức tạp cho thiết kế mạch trình điều khiển. Hầu hết các trình điều khiển LED được thiết kế như bộ nguồn chuyển mạch áp dụng cấu trúc liên kết một giai đoạn hoặc hai giai đoạn. Trình điều khiển hai giai đoạn với PFC giao diện người dùng thường được sử dụng để vận hành các hệ thống LED công suất cao do khả năng mang lại hiệu quả và độ tin cậy cao hơn trong các ứng dụng công suất cao. Trình điều khiển LED một giai đoạn được sử dụng phổ biến hơn để vận hành đèn LED phát triển tiêu thụ ít hơn 100 watt công suất chủ yếu do chi phí mạch thấp và đơn giản (số lượng bộ phận thấp). Khả năng điều khiển của đèn LED phát triển được xác định bởi trình điều khiển. Yêu cầu thông thường đối với trình điều khiển là kết hợp mạch làm mờ và chấp nhận đầu vào điều khiển thông qua giao diện tương tự hoặc kỹ thuật số như 0-10VDC, DALI, DMX hoặc ZigBee. Trình điều khiển LED được sử dụng để vận hành đèn LED trồng trọt theo chiều dọc thường được thiết kế với nhiều kênh đầu ra. Tính năng này cho phép điều khiển độc lập các kênh LED riêng biệt để điều chỉnh quang phổ và / hoặc điều chỉnh cường độ.

Nguồn: Internet