Ứng dụng LED trong chiếu sáng nông nghiệp công nghệ cao

43

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 thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu tác động của ánh sáng đến cây trồng. Các nhà khoa học và công ty chiếu sáng vẫn đang tiếp tục quan tâm nghiên cứu vai trò của ánh sáng đối với cây trồng. Đến nay, các nghiên cứu chỉ ra rằng ánh sáng chuyện dụng cho cây trồng cần lưu ý đến quang phổ, cường độ chiếu sáng, thời gian 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 dụng có quang phổ tương ứng với với các đỉnh hấp thụ của các sắc tố quang hợp chlorophyll a và b. Quan điểm thứ hai là ánh sáng chuyên dụng 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 trên, có thể thấy rằng ánh sáng chuyên dụng cho cây trồng cần quang phổ hoàn chỉnh có thể gồm nhiều vùng bước sóng khác nhau. Rất cần có sự kết hợp với các thực nghiệm sinh học để tiếp tục nghiên cứu và đưa ra được những dạng quang phổ thích hợp với quá trình quang hợp của cây trồng, nhằm thúc đẩy các quá trình sinh trưởng và phát triển, chủ động điều chỉnh thành phần dinh dưỡng có trong cây theo ý muốn.

Hình 1: Phổ hấp thụ chlorophyll và phổ hoạt tính quang hợp của thực vật [4].

Nguồn sáng nhân tạo

Trước sự cần thiết của việc chiếu sáng nhân tạo cho cây trồng, nhiều loại nguồn sáng truyền thống đã và đang được đưa vào sử dụng. Với tính tiện lợi, có sẵn trên thị trường chiếu sáng, chúng trở nên phổ biến và từng được coi là tiêu chuẩn trong lĩnh vực chiếu sáng nông nghiệp. Đơn giản nhất là những bóng đèn sợi đốt cho tới các loại đèn phóng điện như đèn hơi Natri cao áp (HPS), đèn huỳnh quang (FL). Từ những yêu cầu về quang phổ của nguồn sáng, có thể thấy ngay rằng quang phổ của những nguồn sáng truyền thống tuy có hiệu quả với một số loại cây nhất định, nhưng các 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 565-700nm. Vì vậy, đặt ra yêu cầu về một một nguồn sáng thế hệ mới có quang phổ tùy biến tập trung vào các vùng ánh sáng có hiệu năng cao.

LED được khám phá 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 đầu tiên năm 1993. Sau đó, LED mới bắt đầu được ứng dụng trong chiếu sáng. LED với ưu điểm hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, ổn định và linh hoạt trong thiết kế, tỏ ra vượt trội so với những nguồn sáng truyền thống, đang trở thành nguồn sáng của hiện tại và tương lai. Với ưu điểm linh hoạt về quang phổ, LED đã và đang được nghiên cứu thử nghiệm để tìm kiếm quang phổ tối ưu cho cây trồng. Một số nhà sản xuất đã sử dụng phổ hấp thụ chlorophyll, số khác sử dụng phổ hoạt tính quang hợp McCree khi bổ sung thêm ánh sáng xanh lục vào phổ. Từ hai dạng phổ chính này, nhiều nghiên cứu công bố sự hiệu quả khi điều chỉnh tỉ lệ ánh sáng các vùng; thay đổi vị trí các đỉnh phát xạ; thay đổi độ bán rộng phổ hay bổ sung các vùng ánh sáng tử ngoại, hồng ngoại… tạo ra một “ngân hàng” quang phổ phong phú, đáp ứng được phần nào yêu cầu đa dạng của sinh học.

Đến nay có hai hướng để chế tạo đèn LED nông nghiệp. Cách tiếp cận thứ nhất là tổ hợp các LED đơn sắc, thường là xanh lam, đỏ, có thể cùng với LED trắng trên một đèn. Cách tiếp cận này thuận lợi để chế tạo được đèn LED có phổ tương ứng với phổ chlorophyll. Phương pháp này đem lại những hiệu quả nhất định, tuy nhiên do đặc thù chiếu sáng nông nghiệp là khoảng cách từ nguồn đến bề mặt chiếu sáng nhỏ nên phân bố màu sắc của hệ không đồng đều. Ánh sáng nhận được tại mỗi điểm có quang phổ khác nhau. Như thế sẽ nảy sinh tình trạng cây trồng phát triển không đồng đều, gây khó khăn trong thu hoạch. Ngoài ra, cách chế tạo đèn LED bằng cách tổ hợp LED đơn sắc cũng phức tạp.

Hình 2: Chiếu sáng cây trồng bằng phương pháp tổ hợp LED [5].

Cách tiếp cận thứ hai là chế tạo loại LED phủ vật liệu huỳnh quang. Cách tiếp cận này thuận lợi để chế tạo LED có quang phổ tương ứng với phổ hoạt tính quang hợp McCree. Và đây cũng là hướng tiếp cận mà nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm HUST-RALACO LED, Viện Tiên tiến KH&CN (AIST), trường Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) lựa chọn để phát triển công nghệ LED nông nghiệp. Với công nghệ này, chỉ cần sử dụng một loại LED để phát ra quang phổ theo yêu cầu, tạo phân bố màu sắc đồng đều trên bề mặt chiếu sáng, tiết kiệm được số lượng LED và đơn giản hóa cách chế tạo đèn LED.

Hình 3: LED nông nghiệp được chế tạo 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, tiếp tục hoàn thiện quy trình, nâng cao hiệu suất, độ ổn định và giảm giá thành của LED chuyên dụng, đưa sản phẩm đến gần hơn với thương mại hóa, thì với sự đa dạng của tự nhiên, luôn đòi hỏi phát triển những dòng đèn LED chuyên dụng mới, tương thích với mỗi loài, mỗi họ thực vật được đưa vào trồng trọt. Hy vọng hướng đi này sẽ nhận được sự đồng hành của nhiều doanh nghiệp, cùng chung tay với các nhà khoa học để phát triển 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 //gnpenergy.com/products/micro-sensor-motion-smart-lights-3

anhsangvacuocsong