1. Техническа основа: Квантова комуникация между светлина и вода (1) Физическата граница на спектралното проникване
Водата е много селективна относно спектрите, които абсорбира. Синята светлина (450–480 nm) прониква най-много и се задържа на дълбочина от 50 cm с пропускливост от 75%. Зелената светлина (500–570 n) е на второ място с пропускливост от около 40%. Червената светлина (620–680 n) избледнява до 30% на дълбочина 20 см. Ето защо растенията, които растат под вода в естествени водни тела, изглеждат синьо-зелени: само синьо-зелената светлина може да премине през водната бариера и да бъде абсорбирана от хлорофила. LED технологията преодолява физическите ограничения на естествената светлина чрез щателен контрол на спектралния изход.
(2) Кодиране на дължината на вълната за фотосинтеза
Синергичният ефект на хлорофил a/b и каротеноидите е това, което кара фотосинтезата в растенията да работи. Хлорофил an абсорбира 90% от червената светлина при 660nm, хлорофил b абсорбира 85% от синята светлина при 430nm, а каротеноидите помагат за абсорбирането на светлина в диапазона 400-550nm. Експериментите показват, че използването на LED източник на светлина със съотношение 1:1 на 660nm червена светлина към 450nm синя светлина може да повиши скоростта на фотосинтезата на водните растения с 27% в сравнение с единична бяла светлина и да повиши съдържанието на хлорофил с 15%.
(3) Молекулярният механизъм, който контролира формата на светлината
Водните растения използват фитохром и криптохром, за да усетят светлината. Червената светлина (660nm) променя формата на фоточувствителния пигмент Pr в Pfr, което спира растежа на стъблата и започва развитието на хлоропластите. Далечната червена светлина (730 n) прави обратното. Криптохром открива синя светлина и контролира отварянето и затварянето на устицата и циркадните цикли. Този механизъм за регулиране на светлината-на молекулярно ниво позволява на водните растения да променят начина си на развитие в зависимост от това колко светлина има.
2. Използването на LED технология във водата: от лабораторията до пазара
(1) Възстановяване на екологията на търговските аквариуми
Аквариумът SEA в Сингапур използва многослойна LED осветителна система. Най-горният слой (като водна смокиня) използва 450nm син светлинен спектър, за да подпомогне страничната диференциация на пъпките. Средният слой (като Iron Crown) използва съотношение 1:2 на 660nm червена светлина и 450nm синя светлина, за да подпомогне синтеза на хлорофил. Долният слой (като Moss) използва 730nm далечна червена светлина, за да контролира ритъма на растеж. В сравнение с обикновеното осветление, технологията увеличава биомасата на водните растения с 40% и намалява риска от цъфтеж на водорасли с 65%.
(2) Интелигентна актуализация за домашни аквариуми
Интелигентното осветление за аквариуми на Xiaomi Ecological Chain използва IoT технологии за постигане на динамичен контрол на спектъра. За да накарате водните растения да започнат фотосинтеза, имитирайте спектъра на изгрева сутрин, като 60% от светлината е синя светлина при 450 nm. По обяд превключете на режим на пълен спектър (червено синьо съотношение 1:1), за да поддържате скоростта на фотосинтеза възможно най-висока; За да изглежда, че слънцето залязва, превключете на 2700K топла светлина (със 70% червена светлина) вечер. Потребителските тестове показват, че този метод съкращава цикъла на растеж на водните растения с 20% и добавя само 0,3 юана на ден към разходите за електроенергия.
(3) Революционни употреби в научните изследвания
Институтът по хидрология към Китайската академия на науките установи, че използването на три{0}}лентова LED система с 660 nm червена светлина, 430 nm синя светлина и 730 nm далечна червена светлина може да повиши количеството нишесте в горчивата трева с 35% и количеството протеин с 22%. При отглеждане на сладководни водорасли, използването на светодиоди, които излъчват определени дължини на вълните, увеличи производството на биомаса от Chlorella с 2,3 пъти в сравнение със стандартните методи и съдържанието на омега-3 мастни киселини с 18%.
3. Технически проблеми и решения: Как да разбием подводни фотосинтетични пароли
(1) Начин за компенсиране на спектралното затихване
На всеки 10 см по-дълбока е водата, толкова по-малко е червената светлина с около 40%. Отговорът е да се използват високо-мощни LED чипове (като серията CREE XP-G3, които имат светлинна ефективност от 220lm/W), да се добави фокусиращ дизайн на обектива (като 120-градусов широко-ъгълен обектив) и да се изгради система за осветление на нива (с независими спектрални модули, поставени на всеки 20 см дълбочина на водата). Тестовете показват, че тези стъпки могат да поддържат PPFD (фотосинтетична фотонна плътност на потока) над 150 μ mol/m²/s на дълбочина от 50 cm във вода.
(2) Нови начини за управление на топлината
За всеки 10 градуса покачване на температурата на свързване на светодиода, светлинната ефективност пада с 4%, а продължителността на живота пада с 50%. Високата влажност (от 80% до 95% относителна влажност), която е често срещана във водната среда, прави още по-трудно да се отървете от топлината. Някои решения за индустрията са: използване на алуминиеви платки -PCB (топлопроводимост По-голяма или равна на 2W/m · K); проектиране на системи за течно охлаждане и разсейване на топлината (като тръбопроводи за циркулираща вода за охлаждане); и производство на материали с промяна на фазата (като композитни материали парафин/разширен графит). Тестовете показват, че тези технологии могат да поддържат температурата на свързване на светодиодите под 65 градуса и скоростта на затихване на светлината при 0,3% на киловатчас.
(3) Умението за балансиране на фотобиологичната безопасност
Твърде много синя светлина (450–480 n) може да спре растежа на водните растения. Проучванията показват, че когато синята светлина PPFD надвиши 80 μmol/m²/s, активността на фотосистема II в горчивата трева намалява с 15%. Подходът включва използване на динамично регулиране на спектъра (като намаляване на количеството синя светлина с 40% през деня) и технология за модулация на ширината на импулса (PWM) (с честота най-малко 1kHz за премахване на трептенето). Задайте прагова защита на интензитета на светлината, която автоматично се понижава, когато PPFD надхвърли 200 μ mol/m²/s.
