序章

光は植物の成長過程において重要な役割を果たします。植物の葉緑素の吸収を促進し、カロチンなどの植物の成長に必要な各種成分の吸収を促進する最適な肥料です。しかし、植物の成長を決定する決め手は、光だけではなく、水、土壌、肥料の構成、生育環境条件、総合的な技術管理などと切り離せない総合的な要素です。

ここ2～3年、半導体照明技術を立体的な植物工場や植物の成長に応用する報告が後を絶ちません。しかし、じっくり読んでみると、いつも不安な気持ちが残ります。一般に、植物の成長において光がどのような役割を果たすべきかについては、実際には理解されていません。

まず、図 1 に示すように、太陽のスペクトルを理解しましょう。太陽のスペクトルは連続スペクトルであり、青と緑のスペクトルが赤色のスペクトルよりも強く、可視光のスペクトルの範囲は次のとおりです。 380～780nm。自然界における生物の成長はスペクトルの強度に関係しています。例えば、赤道付近の地域では植物の成長が非常に早く、成長規模も比較的大きくなります。しかし、太陽の照射強度が高いほど必ずしも良いわけではなく、動植物の成長にはある程度の選択性があります。

図1、太陽スペクトルとその可視光スペクトルの特性

次に、植物成長のいくつかの重要な吸収要素の 2 番目のスペクトル図を図 2 に示します。

図 2、植物の成長におけるいくつかのオーキシンの吸収スペクトル

図 2 から、植物の成長に影響を与えるいくつかの重要なオーキシンの光吸収スペクトルが大きく異なることがわかります。したがって、LED 植物育成ライトの適用は単純なことではなく、非常に的を絞ったものになります。ここで、2 つの最も重要な光合成植物成長要素の概念を導入する必要があります。

• クロロフィル

クロロフィルは、光合成に関連する最も重要な色素の 1 つです。これは、緑色植物、原核生物の藍藻類（シアノバクテリア）、真核生物の藻類を含む、光合成を行うことができるすべての生物に存在します。クロロフィルは光からエネルギーを吸収し、そのエネルギーは二酸化炭素を炭水化物に変換するために使用されます。

クロロフィル a は主に赤色光を吸収し、クロロフィル b は主に青紫光を吸収し、主に日陰植物と日向植物を区別します。日陰植物はクロロフィルaに対するクロロフィルbの割合が少ないため、青色光を強く利用し、日陰での生育に適応します。クロロフィルaは青緑色、クロロフィルbは黄緑色です。クロロフィル a とクロロフィル b には 2 つの強い吸収があり、1 つは波長 630 ～ 680 nm の赤色領域にあり、もう 1 つは波長 400 ～ 460 nm の青紫領域にあります。

• カロテノイド

カロテノイドは、動物、高等植物、菌類、藻類の黄色、オレンジがかった赤、または赤色の色素に一般的に見られる重要な天然色素のクラスの総称です。これまでに、600 種類以上の天然カロテノイドが発見されています。

カロテノイドの光吸収は OD303 ～ 505 nm の範囲をカバーしており、食品の色を提供し、身体の食物摂取に影響を与えます。藻類や植物、微生物ではその色はクロロフィルに覆われて現れることができません。植物細胞において生成されたカロテノイドは、エネルギーを吸収して伝達して光合成を助けるだけでなく、励起された一電子結合酸素分子による破壊から細胞を保護する機能も持っています。

いくつかの概念的な誤解

省エネ効果、光の選択性、光の調整にかかわらず、半導体照明は大きな利点を示しています。しかし、過去 2 年間の急速な発展により、光の設計と応用において多くの誤解も見られ、それは主に以下の側面に反映されています。

①特定の波長の赤と青のチップを一定の比率で組み合わせれば、植物の栽培に使用できます。たとえば、赤と青の比率は4:1、6:1、9:1などです。の上。

②日本で広く使われている三原色白色光管など、白色光であれば太陽光の代替となります。これらのスペクトルの利用は植物の生長に一定の効果をもたらしますが、その効果はLEDによる光源ほど優れていません。

③照明の重要なパラメータであるPPFD（光量子束密度）が一定の指数に達している限り、たとえばPPFDは200μmol・m-2・s-1より大きくなります。ただし、この指標を使用する場合は、それが日陰植物であるか太陽植物であるかに注意する必要があります。これらの植物の光補償飽和点 (光補償点とも呼ばれます) をクエリまたは検索する必要があります。実際の用途では、苗木が焼けてしまったり、枯れてしまったりすることがよくあります。したがって、このパラメータの設計は植物の種類、生育環境、条件に応じて設計する必要があります。

1 つ目の側面については、冒頭でも紹介したように、植物の成長に必要なスペクトルは、ある分布幅を持った連続スペクトルである必要があります。非常に狭いスペクトルを持つ赤と青の 2 つの特定の波長チップで作られた光源を使用することは明らかに不適切です (図 3(a) に示すように)。実験では、植物は黄色がかる傾向があり、葉柄は非常に軽く、葉柄は非常に細いことがわかりました。

従来よく使われていた三原色の蛍光管では、白色は合成されていますが、赤・緑・青のスペクトルが分離しており（図3(b)）、スペクトルの幅が非常に狭くなります。次の連続部分のスペクトル強度は比較的弱く、それでも電力は LED と比較して比較的大きく、エネルギー消費量の 1.5 ～ 3 倍です。したがって、使用効果はLEDライトほど良くありません。

図 3、赤色および青色チップ LED 植物の光と三原色の蛍光スペクトル

PPFDとは光合成における光の実効放射光束密度を指し、単位時間、単位面積あたりに400～700nmの波長範囲で植物の葉茎に入射する光量子の総数を表します。 。単位はμE・m-2・s-1（μmol・m-2・s-1）です。光合成活性放射 (PAR) は、400 ～ 700 nm の範囲の波長を持つ総太陽放射を指します。それは光量子または放射エネルギーによって表現できます。

従来は照度計が反射する光の強さが明るさでしたが、植物からの照明器具の高さ、光の広がり、葉を光が通過できるかどうかなどにより、植物の成長スペクトルは変化します。したがって、光合成の研究において光強度の指標としてパーを使用することは正確ではありません。

一般に、光合成機構は、日向植物の PPFD が 50 μmol・m-2・s-1 より大きい場合に開始されますが、日陰の植物の PPFD には 20 μmol・m-2・s-1 しか必要としません。 。したがって、LEDグローライトを購入する際には、この基準値と植える植物の種類に基づいてLEDグローライトの数を選択できます。たとえば、単一の LED 照明の PPFD が 20 μmol・m-2・s-1 である場合、太陽を愛する植物を育てるには 3 つ以上の LED 植物球根が必要です。

半導体照明のいくつかの設計ソリューション

半導体照明は植物の成長や植栽に使用され、2 つの基本的な参考方法があります。

• 現在、中国では屋内植栽モデルが非常に人気があります。このモデルにはいくつかの特徴があります。

①LED照明の役割は工場照明の全範囲を提供することであり、照明システムはすべての照明エネルギーを提供する必要があり、生産コストが比較的高い。
②LED 植物育成ライトの設計では、スペクトルの連続性と完全性を考慮する必要があります。
③植物を数時間休ませたり、照射強度が足りなかったり強すぎたりするなど、照明時間と照明強度を効果的に制御する必要があります。
④プロセス全体は、湿度、温度、CO2濃度など、屋外の植物の実際の最適な生育環境に必要な条件を模倣する必要があります。

• 良好な屋外温室植栽基盤を備えた屋外植栽モード。このモデルの特徴は次のとおりです。

①LEDライトの役割は光を補うことです。1つは、日中の太陽光照射下で青と赤の領域の光強度を高めて植物の光合成を促進すること、もう1つは夜間の太陽光がないときに補って植物の成長を促進することです。
②補助光は苗期や開花結実期など植物の成長段階を考慮する必要があります。

したがって、LED 植物育成ライトの設計には、まず 24 時間照明 (屋内) と植物成長補助照明 (屋外) という 2 つの基本設計モードが必要です。屋内植物栽培の場合、LED 育成ライトの設計では、図 4 に示すように 3 つの側面を考慮する必要があります。3 原色のチップを一定の割合でパッケージ化することはできません。

図 4、屋内 LED プラントブースターライトを 24 時間照明に使用する設計アイデア

例えば、苗床段階のスペクトルの場合、根や茎の成長を強める必要があること、葉の枝分かれを強める必要があること、光源が屋内で使用されることを考慮すると、図5に示すようにスペクトルを設計できます。

図 5、LED 屋内保育期間に適したスペクトル構造

2 番目のタイプの LED 植物育成ライトの設計では、主に屋外温室の基部での植栽を促進するための補助光の設計ソリューションを目的としています。設計思想を図 6 に示します。

図 6、屋外用植物育成ライトの設計アイデア 

著者は、より多くの植林会社が植物の成長を促進するために LED ライトを使用する 2 番目のオプションを採用することを提案しています。

まず第一に、中国の屋外温室栽培は、南と北の両方で数十年にわたる膨大な量と幅広い経験を持っています。温室栽培技術の優れた基盤があり、周辺都市の市場に多数の新鮮な果物や野菜を提供しています。特に土と水、肥料の植栽の分野では豊富な研究成果が残されています。

第二に、この種の補助光ソリューションは、不必要なエネルギー消費を大幅に削減できると同時に、果物や野菜の収量を効果的に増加させることができます。さらに、中国の広大な地理的地域はプロモーションに非常に便利です。

LED 植物照明の科学研究として、より広範な実験基盤も提供します。図7は、本研究チームが開発した温室内での栽培に適したLED植物育成ライトの一種で、そのスペクトルを図8に示します。

図 7、LED 育成ライトの一種

図 8、一種の LED 育成ライトのスペクトル

上記の設計アイデアに従って、研究チームは一連の実験を実施しました。その実験結果は非常に重要です。たとえば、育苗中の育成ライトの場合、使用される元のランプは出力 32 W、育苗サイクル 40 日の蛍光灯です。12WのLED照明を採用し、苗サイクルを30日まで短縮し、苗作業場のランプ温度の影響を効果的に軽減し、エアコンの消費電力を節約します。苗の太さ、長さ、色は元の育苗液よりも優れています。一般的な野菜の苗についても、良好な検証結果が得られており、それを次の表にまとめます。

そのうち、補助光グループPPFD：70〜80μmol・m-2・s-1、赤青比：0.6〜0.7。天然群の日中のPPFD値の範囲は40~800μmol・m-2・s-1であり、赤色と青色の比は0.6~1.2であった。上記の指標は、自然栽培の苗木よりも優れていることがわかります。

結論

この記事では、植物栽培における LED 成長ライトの応用における最新の開発を紹介し、植物栽培における LED 成長ライトの応用におけるいくつかの誤解を指摘します。最後に、植物栽培に使用される LED グローライトの開発に関する技術的アイデアとスキームを紹介します。ライトと植物との距離、ランプの照射範囲、ライトの当て方など、ライトの設置や使用には考慮すべき要素もありますのでご注意ください。普通の水、肥料、土。

著者: Yi Wang 他出典:CNKI