Ứng dụng LED trong chiếu sáng nông nghiệp công nghệ cao

ỨNG DỤNG LED TRONG CHIẾU SÁNG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO

*Dương Phúc Lâm

Tóm tắt

Chiếu sáng nhân tạo đóng một vai trò quan trọng trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao. Mục tiêu của chiếu sáng nhân tạo là cung cấp lượng ánh sáng cần thiết để kích thích và nuôi dưỡng cây trồng phát triển. Nhiều nguồn sáng truyền thống như là đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang (FL), đèn hơi Natri cao áp (HPS) đã được sử dụng để chiếu sáng cho cây trồng. Tuy nhiên, các đèn truyền thống có một số hạn chế về hiệu suất quang, thời gian sống và khó lựa chọn bước sóng phù hợp cho quá trình quang hợp và phát triển hình thái của cây trồng. Trong khi đó, LED có nhiều ưu điểm vượt trội, đặc biệt là khả năng lựa chọn bước sóng, do vậy, nguồn sáng LED được xem là sự lựa chọn phù hợp nhất trong chiếu sáng nhân tạo trong nông nghiệp công nghệ cao.

— — — — — — — — — —

Từ khóa:  LED, đèn LED, chiếu sáng LED, Ánh sáng, Quang phổ

—————————–

*Nguyễn Văn Tình, Đào Đức Anh, Phạm Thế Kiên, Phạm Thành Huy, Nguyễn Đức Trung Kiên, Đào Xuân Việt 

Phòng thí nghiệm HUST-RALACO về công nghệ chiếu sáng LED, Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

——————————–

Ánh sáng trong trồng trọt

Trên quốc tế đã có rất nhiều nghiên cứu và điều tra tác động ảnh hưởng của ánh sáng đến cây xanh. Các nhà khoa học và công ty chiếu sáng vẫn đang liên tục chăm sóc nghiên cứu và điều tra vai trò của ánh sáng so với cây cối. Đến nay, những nghiên cứu và điều tra chỉ ra rằng ánh sáng chuyện dụng cho cây cối cần quan tâm đến quang phổ, cường độ chiếu sáng, thời hạn chiếu sáng …. Trong đó, với quang phổ của ánh sáng thì có 2 quan điểm khác nhau. Quan điểm thứ nhất là ánh sáng chuyên sử dụng có quang phổ tương ứng với với những đỉnh hấp thụ của những sắc tố quang hợp chlorophyll a và b. Quan điểm thứ hai là ánh sáng chuyên được dùng có quang phổ tương ứng với phổ hoạt tính quang hợp McCree .

Theo phổ chlorophyll thì cây trồng chủ yếu hấp thụ vùng ánh sáng xanh lam và ánh sáng đỏ [1]. Tuy nhiên, có những ý kiến cho rằng việc dựa vào phổ hấp thụ của chlorophyll được đo khi đứng độc lập trong ống nghiệm là chưa thật khách quan. Nghiên cứu của McCree (1972) chỉ ra rằng do thành phần cấu tạo phức tạp của lá mà hiệu quả quang hợp với từng bước sóng là khác nhau, từ đó đưa ra đường thực nghiệm phổ hoạt tính quang hợp [2]. Theo đó ngoài các hiệu suất cực đại ở đỉnh đỏ và đỉnh xanh lam như phổ chlorophyll, thì lá cây còn hấp thụ cả phần ánh sáng xanh lục với hiệu suất đáng kể. Điều này bác bỏ những quan niệm trước đó rằng lá cây chỉ hấp thụ ánh sáng xanh lam và đỏ, phản xạ ánh sáng xanh lục và chlorophyll không giữ vai trò duy nhất trong quá trình quang hợp. Nghiên cứu của Yamada đưa ra giải thích rõ hơn với sự tán xạ của ánh sáng vào sâu trong chiều dày của lá làm tăng hiệu suất hấp thụ xanh lục [3]. Hơn nữa, hiệu suất hấp thụ lượng tử của ánh sáng xanh lục là lớn hơn so với ánh sánh xanh lam và tương đương so với ánh sáng đỏ. Theo quan điểm này, ánh sáng phù hợp cần có ánh sáng vùng xanh lục trong phổ. Ánh sáng ngoài vùng nhìn thấy (400-700 nm) tuy không ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, tuy nhiên vẫn có những tác động đáng chú ý. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng ánh sáng vùng hồng ngoại (>700 nm) có vai trò điều khiển quá trình ra hoa với cây trồng.

Từ những nghiên cứu và điều tra trên, hoàn toàn có thể thấy rằng ánh sáng chuyên được dùng cho cây cối cần quang phổ hoàn hảo hoàn toàn có thể gồm nhiều vùng bước sóng khác nhau. Rất cần có sự phối hợp với những thực nghiệm sinh học để liên tục nghiên cứu và điều tra và đưa ra được những dạng quang phổ thích hợp với quy trình quang hợp của cây cối, nhằm mục đích thôi thúc những quy trình sinh trưởng và tăng trưởng, dữ thế chủ động kiểm soát và điều chỉnh thành phần dinh dưỡng có trong cây theo ý muốn .

Nguồn sáng nhân tạo

Trước sự thiết yếu của việc chiếu sáng tự tạo cho cây cối, nhiều loại nguồn sáng truyền thống lịch sử đã và đang được đưa vào sử dụng. Với tính thuận tiện, có sẵn trên thị trường chiếu sáng, chúng trở nên phổ cập và từng được coi là tiêu chuẩn trong nghành chiếu sáng nông nghiệp. Đơn giản nhất là những bóng đèn sợi đốt cho tới những loại đèn phóng điện như đèn hơi Natri cao áp ( HPS ), đèn huỳnh quang ( FL ). Từ những nhu yếu về quang phổ của nguồn sáng, hoàn toàn có thể thấy ngay rằng quang phổ của những nguồn sáng truyền thống cuội nguồn tuy có hiệu suất cao với một số ít loại cây nhất định, nhưng những quang phổ này là chưa thực sự tối ưu. Ví dụ đèn sợi đốt thì quá thừa ánh sáng vùng đỏ-hồng ngoại ; đèn huỳnh quang phát phổ hẹp và thiếu ánh sáng vùng đỏ đèn HPS thì chỉ phát xạ ánh sáng trong vùng 565 – 700 nm. Vì vậy, đặt ra nhu yếu về một một nguồn sáng thế hệ mới có quang phổ tùy biến tập trung chuyên sâu vào những vùng ánh sáng có hiệu năng cao .
LED được tò mò từ đầu thế kỷ trước, nhưng phải tới những năm cuối thế kỷ, khi nhà khoa học Nhật Bản Shuji Nakamura công bố về chip LED xanh lam hiệu suất cao tiên phong năm 1993. Sau đó, LED mới khởi đầu được ứng dụng trong chiếu sáng. LED với ưu điểm hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí nguồn năng lượng, tuổi thọ cao, không thay đổi và linh động trong phong cách thiết kế, tỏ ra tiêu biểu vượt trội so với những nguồn sáng truyền thống lịch sử, đang trở thành nguồn sáng của hiện tại và tương lai. Với ưu điểm linh động về quang phổ, LED đã và đang được điều tra và nghiên cứu thử nghiệm để tìm kiếm quang phổ tối ưu cho cây xanh. Một số nhà phân phối đã sử dụng phổ hấp thụ chlorophyll, số khác sử dụng phổ hoạt tính quang hợp McCree khi bổ trợ thêm ánh sáng xanh lục vào phổ. Từ hai dạng phổ chính này, nhiều nghiên cứu và điều tra công bố sự hiệu suất cao khi kiểm soát và điều chỉnh tỉ lệ ánh sáng những vùng ; biến hóa vị trí những đỉnh phát xạ ; đổi khác độ bán rộng phổ hay bổ trợ những vùng ánh sáng tử ngoại, hồng ngoại … tạo ra một “ ngân hàng nhà nước ” quang phổ đa dạng chủng loại, phân phối được phần nào nhu yếu phong phú của sinh học .
Đến nay có hai hướng để sản xuất đèn LED nông nghiệp. Cách tiếp cận thứ nhất là tổng hợp những LED đơn sắc, thường là xanh lam, đỏ, hoàn toàn có thể cùng với LED trắng trên một đèn. Cách tiếp cận này thuận tiện để sản xuất được đèn LED có phổ tương ứng với phổ chlorophyll. Phương pháp này đem lại những hiệu suất cao nhất định, tuy nhiên do đặc trưng chiếu sáng nông nghiệp là khoảng cách từ nguồn đến mặt phẳng chiếu sáng nhỏ nên phân bổ sắc tố của hệ không đồng đều. Ánh sáng nhận được tại mỗi điểm có quang phổ khác nhau. Như thế sẽ phát sinh thực trạng cây cối tăng trưởng không đồng đều, gây khó khăn vất vả trong thu hoạch. Ngoài ra, cách sản xuất đèn LED bằng cách tổng hợp LED đơn sắc cũng phức tạp .

Cách tiếp cận thứ hai là sản xuất loại LED phủ vật tư huỳnh quang. Cách tiếp cận này thuận tiện để sản xuất LED có quang phổ tương ứng với phổ hoạt tính quang hợp McCree. Và đây cũng là hướng tiếp cận mà nhóm nghiên cứu và điều tra tại phòng thí nghiệm HUST-RALACO LED, Viện Tiên tiến KH&CN ( AIST ), trường Đại học Bách khoa Thành Phố Hà Nội ( HUST ) lựa chọn để tăng trưởng công nghệ LED nông nghiệp. Với công nghệ tiên tiến này, chỉ cần sử dụng một loại LED để phát ra quang phổ theo nhu yếu, tạo phân bổ sắc tố đồng đều trên mặt phẳng chiếu sáng, tiết kiệm chi phí được số lượng LED và đơn giản hóa cách sản xuất đèn LED .

Hình 3 : LED nông nghiệp được sản xuất tại PTN HUST-RALACO LED.
Công nghệ LED nông nghiệp là một hướng đi mới rộng mở và nhiều triển vọng. Bên cạnh việc nghiên cứu và điều tra, liên tục hoàn thành xong quá trình, nâng cao hiệu suất, độ không thay đổi và giảm giá tiền của LED chuyên được dùng, đưa loại sản phẩm đến gần hơn với kinh doanh thương mại hóa, thì với sự phong phú của tự nhiên, luôn yên cầu tăng trưởng những dòng đèn LED chuyên được dùng mới, thích hợp với mỗi loài, mỗi họ thực vật được đưa vào trồng trọt. Hy vọng hướng đi này sẽ nhận được sự sát cánh của nhiều doanh nghiệp, cùng chung tay với những nhà khoa học để tăng trưởng sản xuất nông nghiệp công nghệ cao .

———————————————————

Tài liệu tham khảo:

1. Josh Gerovac, “Understand energy efficiency of LED horticultural lighting systems”, LEDs Magazine, 2017
2. Hayley L. Smith, Lorna McAusland, Erik H. Murchie, “Don’t ignore the green light: exploring diverse roles in plant processes”, Journal of Experimental Botany, 2017
3. Asuka Yamada, Takahiro Tanigawa, Takuro Suyama, Takatoshi Matsuno, Toshihiro Kunitake, “Red:far-red light ratio and far-red light integral promote or retard growth and flowering in Eustoma grandiflorum”, Journal Scientia Horticulturae, 2008
4. “Horticulture LED”, Samsung’s white paper, 2018
5. Website https://gnpenergy.com/products/micro-sensor-motion-smart-lights-3

anhsangvacuocsong

Source: https://laodongdongnai.vn
Category: Nông Thôn