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PHOTOSYNTHESE GUIDE:Photosynthetischen Überlegungen für Gartenbau Beleuchtung

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發表於 2014-2-7 22:26:14 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
Es gibt einige wichtige Überlegungen bei der Wahl einer Lichtquelle für den Gartenbau -Beleuchtung. Die erste Gruppe bezieht sich auf den Wellenlängenbereich und Lichtmenge für die Photosynthese , die die grundlegende Stoffwechselprozess in Pflanzen ist notwendig. Ein häufiges Missverständnis ist, dass seit Chlorophyll absorbiert Licht überwiegend in den roten und blauen Teile des Spektrums (was zu der grünen Farbe der Blätter der Pflanze ), grüne Licht nicht von den Pflanzen bei der Photosynthese verwendet . In Wirklichkeit haben genaue und unabhängige Messungen der Photosyntheseaktivität unter verschiedenen Wellenlängen durch McCree Inada und deutlich gezeigt, dass grünes Licht ist fast so effektiv wie blaues Licht für eine beträchtliche Zahl von Kulturpflanzen Pflanzenarten , wobei nur geringe Unterschiede zwischen den jeweiligen Photosynthesewirkungsspektren . Die kurze Erklärung für diesen experimentellen Tatsache ist, dass höhere Pflanzen haben sowohl biochemische und biophysikalische Lösungen (zB "Antenne" Moleküle und Lichtschleusen Strukturen) entwickelt, um grünes Licht besser zu nutzen .

LED Grow Light Tube

LED Grow Light Tube


Es kann auch in FIG. Ein , dass rotes Licht ( 600-700 nm) ist fast doppelt so effektiv wie blau ( 400-500 nm) Licht pro Watt Vorfall mit grün ( 500-600 nm) Licht dazwischen. Dies ist vor allem aufgrund der Tatsache, dass die Anzahl der Photonen, wobei jede Einheit von Lichtenergie trägt, ist direkt proportional zu seiner Wellenlänge . Wenn die Strahlungsenergie , um Photonen umgewandelt und die Photosyntheseausbeutein Bezug auf die letztere aufgetragen wird, wird die resultierende Kurve wesentlich flacher . Die Erklärung für diese Tatsache ist, daß eine ähnliche Anzahl von photosynthetisch aktiven Photonen bei verschiedenen Wellenlängen erforderlich, um biochemisch Transformation eines Moleküls von Kohlendioxid.

Aus diesem Grund verwenden routine Botaniker Quantenzähler , die den Spektralbereich zwischen 400 nm und 700 nm zu messen, um den einfallenden photoPhotonenFlussDichte( PPFD ) zu erhalten. PPFD wird typischerweise in Mikromol Photonen im Wellenlängenbereich oberhalb ausgedrückt , fallen jede Sekunde pro 1 Quadratmeter der Fläche in der Anlage Baldachin Ebene. Dies bedeutet letztlich, dass der Platz wird statt des tatsächlichen Anlagenwirkungskurveentnommen. Obwohl dieser Ansatz überschätzt etwas alle blauen und grünen Teil der spektralen Bereiche ( 400 bis etwa 550 nm) und völlig ignoriert Spektralbereich unter 400 nm und über 700 nm , ist es für die meisten praktischen Zwecke . Wenn eine genauere Schätzung der Photosyntheseaktivität benötigt wird, kann die genaue Reaktionskurve der Anlage berücksichtigt werden , was zu der Ausbeute Photonenflussdichte ( YPFD ) . In den folgenden Beispielen wird nur PPFD verwendet werden, obwohl YPFD stattdessen in genau der gleichen Weise verwendet werden , falls erforderlich. Auch wird der Begriff PAR (oder photosynthetisch aktive Strahlung ) anstelle von PPFD von einigen Praktikern verwendet , jedoch ist PPFD der Begriff von der CIE (Internationale Beleuchtungskommission ) empfohlen. In einigen Forschungsarbeiten, wird das Akronym PPF (fotoPhotonenFluss) austauschbar mit PPFD verwendet , sondern einen integrierten Wert des PPFD genaugenommen bedeutet es über einen gegebenen Bereich . Wenn dieser Bereich vollständig die Lichtquelle umgibt , ist PPF analog der Lichtstrom in der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt, während PPFD ist analog zu der Lichtflussdichte oder Beleuchtungsstärke dort verwendet . Es ist sehr wichtig, nicht auf allgemeine Beleuchtungseinheiten wie Lumen, Lux und Fuß- Kerzen in Pflanzenbeleuchtung direkt , da sie alle für die menschliche Vision statt Photosynthese gebunden Aktion zu verwenden. Jedoch ist es möglich, die Koeffizienten für die Umwandlung dieser Einheiten in PPFD Werte zu berechnen , wenn die entsprechenden Spektren bekannt sind. Diese müssen manchmal in Abwesenheit der Quantenmessdatenverwendet werden, sondern sind frequenzabhängiger , so dass sie in der Regel nicht übertragbar zwischen verschiedenen Spektren . Zum Beispiel ist für 0.018 Sonneneinstrahlung, 0,012 für Hochdruck- Natriumlicht , 0,014 für Metalldampflampen , etc. Es der Konversionskoeffizient zwischen den lx Werte (wie Meter mit Licht eines Fotografen erhalten ) und PPFD ( in mmol/m2s ) darauf hingewiesen, dass die analogen Umwandlungskoeffizienten für LED- Lichtquellen zu erreichen und zu übertreffen 0.100 , besonders wenn diese eine geringe oder keine Emission um 555 nm werden - aufgrund der maximalen Empfindlichkeit des menschlichen Auges, wobei bei dieser speziellen Wellenlänge . All dies unterstreicht , wie ungeeignet die Allgemeinbeleuchtung Metriken sind für den Gartenbau -Anwendungen.

Ein Schlüsselbegriff in Gartenbau -Beleuchtung ist der TageslichtIntegral ( DLI) . Dies ist die Gesamtzahl der Photonen fallen pro Quadratmeter der Fläche in einem Tag , ausgedrückt in Molen . Jede Pflanze hat eine bestimmte DLI Voraussetzung, um sich zu entwickeln, und diese Werte werden für eine Reihe von Pflanzen bekannt . Dies ist ein weiterer Beleg für die Tatsache, daß photo Wirkung ist proportional zur Gesamtzahl der von der Pflanze absorbiert Photonen. DLI -Werte von 10-12 mol/m2.d gefunden ausreichend für die meisten Pflanzen Schatten - intolerant zu sein . Pflanzen benötigen volle Sonne müssen höhere Werte DLI (18 mol/m2.d oder sogar mehr) , und solche, die voller Schatten - niedrigeren (6 mol/m2.d oder sogar weniger). Unter der Annahme einer konstanten PPFD Niveau (in künstlicher Beleuchtung üblich) , ist es im Zusammenhang mit DLI wie folgt :

DLI = PPFD x Anzahl der Stunden Licht pro Tag auf x 0,0036 ,

wo die Einheit Umrechnungsfaktor von 0,0036 ist die Anzahl der Sekunden in einer Stunde , geteilt durch eine Million. Die Anzahl der Stunden ist , um Dezimal- Format umgewandelt werden, um in dieser Formel verwendet werden (beispielsweise 11 h 6 min 40 s wird 11,1111 h) .

Durch die Neuordnung der letzte Formel , kann man entweder die notwendige PPFD Wert zu berechnen , um eine bestimmte Ziel DLI über eine bestimmte Anzahl von Stunden, oder die notwendige Anzahl von Stunden, die Beleuchtung mit einem bestimmten Wert auf PPFD pro Tag erreichen muss , um erreichen eine bestimmte Ziel DLI . Zum Beispiel kann ein DLI von 12 mol/m2d durch Verwendung von 200 mmol/m2s des Lichtes über 16 h und 40 min, 250 mmol/m2s des Lichtes über 13 h und 20 min, 300 mmol/m2s des Lichtes über 11 h erreicht werden , 6 min und 40 s , etc. Wenn ein Teil des DLI wird durch natürliches Licht vorhanden, muss es von der ursprünglichen Zielwert für DLI richtige Kunstlichtberechnungenabgezogen werden. Außen DLI Ebenen variieren mit der Jahreszeit und Breitengrad und monatliche Durchschnittswerte nach Region sind für die angrenzenden US Verfügung . Es muss auch beachtet werden, dass etwa die Hälfte des Außen Tageslicht wird typischerweise durch die Zeit, in einen Gewächshaus, aufgrund der Absorption durch die Struktur verloren.

Aus den obigen Berechnungen ist es offensichtlich, dass es einen Kompromiss zwischen der Beziehung PPFD Wert und der Anzahl von Lichtstunden erforderlich , um ein gegebenes Ziel zu erreichen DLI . Da die Kosten für den Gartenbau -Beleuchtung ist direkt proportional zur PPFD , ist eine gute Strategie , um den niedrigsten Wert bei den entsprechenden längsten Lichtstunden die Pflanzen vertragen verwenden . ( Viele Pflanzen benötigen eine tägliche Zeit der Dunkelheit , die gesondert diskutiert werden. ) Eine Berechnung der erforderlichen Anzahl von Gartenbau Leuchten können von der durchschnittlichen PPFD Wert wie folgt durchgeführt werden benötigt :

Anzahl der Lampen = ( x PPFD ZielgesamtanlageCanopy Area) / (PPF pro Fixture x CU) .

In dieser Formel sind in PPFD mmol/m2s , muss die Pflanzendecke in m2 , der PPF pro Gerät - in mmol / s und CU ist der Ausnutzungsgrad , der eine dimensionslose Fraktion . PPF pro Gerät ist der Gartenbau Analog der Befestigung Lumen in der Allgemeinbeleuchtung , und können von der früheren Verwendung der gleichen Koeffizienten wie für die Berechnung der PPFD von früher erwähnt lx Werte berechnet werden. Für andere Spektren ( wie LED- Leuchten ) kann die PPF- Wert vom Hersteller bezogen werden. CU stellt den Anteil des durch die Vorrichtungen, die auf die Oberfläche fallende Aufgabe erzeugte Licht . Zum Beispiel, wenn 75% des Lichts wird die Aufgabe Oberfläche zu erreichen und die anderen 25 % ist nicht , CU = 0,75 . CU hängt von der Geometrie sowohl der Lichtquelle und der gesamte Aufbau und kann mit frei verfügbaren Software wie Dialux genau berechnet werden , zum Beispiel. Es kann so gering wie 0,50 oder so hoch wie 0,90 sein , und wird im allgemeinen mit der Fläche zu erhöhen , wenn alle anderen Faktoren gleich. Wenn CU unbekannt ist, kann der Wert von 0,70 als Ausgangsschätzungverwendet werden.

Zum Beispiel wird die Gesamtzahl der Leuchten , die jeweils emittierenden 50 mmol / s benötigt, um eine Fläche von 20 m2 mit 200 mmol/m2s bei einer CU von 0,77 liefern (200 x 20 ) / ( 50 x 0,75) = 107 sein ( keine Bruch Antworten haben sich um die PPFD Ziel zu erreichen ) zu runden.

Eine weitere Überlegung ist die Einheitlichkeit der durch die Einbauten erzeugte Licht . Es sollte durch die Verbreitung der Leuchten aus so gleichmäßig wie möglich über den Aufgabenbereich , unter Berücksichtigung der Lichtverteilungsmuster von jedem Gerät maximiert werden. Dies kann an der Lichtgestaltung der Bühne getan werden, aber auch in der Umsetzungsphase überprüft werden , z. B. mit einem Hand PPFD Meter .

Die Energieeffizienz der Gartenbau Leuchte ist ein wichtiger Teil der Kosten des Lichts, und wird in der Regel als die PPF pro Einheit elektrische Leistung ( W) verbraucht definiert und in den Einheiten der mmol / J, wobei der Buchstabe J ( Joule ) gegeben bezeichnet die internationale Einheit der Energie (1J = 1W.s ) . Hocheffiziente Gartenbau Lichtquellen über 1 mmol / J, die als eine gute Ausgangswert dienen kann . Quellen reichen in rotes Licht neigen dazu, den höchsten Wirkungsgrad (zum Beispiel bis zu 1,8 mmol / J für 660 nm LEDs) haben . Es folgt auch aus dem Photosynthesewirkungskurve, die letztere Licht ist die effizienteste für die Photosynthese. Allerdings werden einige Arten auch unter reinem Rotlicht wachsen , da die meisten Pflanzen haben zusätzliche Wachstumsanforderungen für das Lichtspektrum , über die Photosynthese geht . Die Lumen pro Watt elektrischer oder lm / W (was die Lichtausbeute Metrik in der Allgemeinbeleuchtung sind ) kann auf mmol / J mit den gleichen Koeffizienten, die in lx mmol/m2s ( PPFD ) konvertieren konvertiert und lm in mmol / s ( PPF) , oben erwähnt . Dies kann hilfreich sein, wenn nur lm / W-Werte gegeben sind, wie es der Fall bei allgemeinen Beleuchtungsquellenim Gartenbau Anwendungen verwendet werden. Es ist bevorzugt, direkt die tatsächlichen mmol / J-Werte (manchmal auch als PPF / W geschrieben ) , die von der Gartenbau Leuchtenhersteller bereitgestellt werden kann, erhalten.

Zusammenfassend kann die Gesamtzahl der Gartenbau für ein bestimmtes Projekt benötigt Leuchten aus dem Durchschnitt PPFD Ziel , die wiederum von der DLI Ziel für die Pflanzen zu jedem beliebigen festen Lichtstunden Wert berechnet werden , berechnet werden. Es gibt einige wichtige zusätzliche Überlegungen in Bezug auf die letztgenannte Wert , sowie die geeignete spektrale Zusammensetzung des Lichts , die im Detail in einem separaten Dokument angesprochen werden . Quellen reichen in rotes Licht sind in der Regel effizienter und vorteilhaft für die Photosynthese.
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