1. Techninis pagrindas: Kvantinis ryšys tarp šviesos ir vandens (1) Fizinė spektrinės skverbties riba
Vanduo labai atrenka, kokius spektrus jis sugeria. Mėlyna šviesa (450–480 nm) prasiskverbia labiausiai ir išlieka 50 cm gylyje, o pralaidumas 75%. Žalia šviesa (500–570 nm) yra antra, jos pralaidumas yra apie 40%. Raudona šviesa (620–680 nm) 20 cm gylyje išnyksta iki 30%. Štai kodėl augalai, augantys po vandeniu natūraliuose vandens telkiniuose, atrodo mėlynai{15}}žalia: tik mėlyna-žalia šviesa gali prasiskverbti pro vandens barjerą ir būti sugerta chlorofilo. LED technologija įveikia fizinius natūralios šviesos suvaržymus, kruopščiai valdydama spektrinę išvestį.
(2) Fotosintezės bangos ilgio kodavimas
Dėl sinergetinio chlorofilo a/b ir karotinoidų poveikio augalų fotosintezė veikia. Chlorofilas an sugeria 90 % raudonos šviesos ties 660 nm, chlorofilas b sugeria 85 % mėlynos šviesos ties 430 nm, o karotinoidai padeda sugerti šviesą 400-550 nm diapazone. Eksperimentai parodė, kad naudojant LED šviesos šaltinį, kurio 660 nm raudonos šviesos ir 450 nm mėlynos šviesos santykis yra 1:1, vandens augalų fotosintezės greitis gali padidėti 27%, palyginti su balta šviesa, o chlorofilo kiekis padidėja 15%.
(3) Molekulinis mechanizmas, valdantis šviesos formą
Vandens augalai šviesai pajusti naudoja fitochromą ir kriptochromą. Raudona šviesa (660 nm) pakeičia šviesai jautraus pigmento Pr formą į Pfr, kuri sustabdo stiebų augimą ir pradeda chloroplastų vystymąsi. Toli raudona šviesa (730 nm) veikia priešingai. Kriptochromas aptinka mėlyną šviesą ir kontroliuoja stomatinių ir cirkadinių ciklų atidarymą bei uždarymą. Šis molekulinio{6}}lygio šviesos reguliavimo mechanizmas leidžia vandens augalams keisti jų vystymąsi priklausomai nuo šviesos kiekio.
2. LED technologijos panaudojimas vandenyje: nuo laboratorijos iki rinkos
(1) Komercinių akvariumų ekologijos atkūrimas
SEA akvariume Singapūre naudojama daugiasluoksnė LED apšvietimo sistema. Viršutiniame sluoksnyje (kaip vandens figoje) naudojamas 450 nm mėlynos šviesos spektras, padedantis diferencijuoti šoninius pumpurus. Viduriniame sluoksnyje (kaip ir „Iron Crown“) naudojamas 660 nm raudonos ir 450 nm mėlynos šviesos santykis 1:2, kad padėtų chlorofilo sintezei. Apatinis sluoksnis (kaip Moss) naudoja 730 nm toli raudoną šviesą augimo ritmui kontroliuoti. Palyginti su įprastu apšvietimu, ši technologija padidina vandens augalų biomasę 40%, o dumblių žydėjimo riziką sumažina 65%.
(2) Išmanusis namų akvariumų atnaujinimas
„Xiaomi Ecological Chain“ išmanioji akvariumo šviesa naudoja IoT technologijas, kad būtų galima valdyti spektro dinaminį valdymą. Kad vandens augalai pradėtų fotosintezę, ryte mėgdžiokite saulėtekio spektrą, o 60% šviesos yra mėlyna šviesa 450 nm. Vidurdienį perjunkite į viso spektro režimą (raudonos mėlynos spalvos santykis 1:1), kad fotosintezės greitis būtų kuo didesnis; Kad atrodytų, jog leidžiasi saulė, vakare įjunkite 2700 K šiltą šviesą (su 70 % raudonos šviesos). Naudotojų bandymai rodo, kad šis metodas sumažina vandens augalų augimo ciklą 20 % ir tik 0,3 juanio per dieną padidina išlaidas elektros energijai.
(3) Proveržio panaudojimas moksliniuose tyrimuose
Kinijos mokslų akademijos Hidrologijos institutas nustatė, kad naudojant trijų juostų LED sistemą su 660 nm raudona šviesa, 430 nm mėlyna šviesa ir 730 nm toli raudona šviesa, krakmolo kiekis karčioje žolėje gali padidėti 35 %, o baltymų – 22 %. Auginant gėlavandenius dumblius, naudojant šviesos diodus, skleidžiančius tam tikrus bangos ilgius, chlorelės biomasės gamyba padidėjo 2,3 karto, palyginti su standartiniais metodais, o Omega-3 riebalų rūgščių kiekis – 18%.
3. Techninės problemos ir sprendimai: kaip sulaužyti povandeninius fotosintetinius slaptažodžius
(1) Būdas kompensuoti spektrinį slopinimą
Kas 10 cm giliau vanduo, tuo raudonos šviesos yra maždaug 40%. Atsakymas yra naudoti didelės-galios LED lustus (pvz., CREE XP-G3 seriją, kurių šviesos efektyvumas yra 220 lm/W), pridėti objektyvo fokusavimo dizainą (pvz., 120 laipsnių pločio-kampo objektyvą) ir sukurti pakopinę apšvietimo sistemą (su nepriklausomais spektro moduliais, nustatytais kas 20 cm vandens gylyje). Bandymai parodė, kad šie žingsniai gali išlaikyti PPFD (fotosintetinių fotonų srauto tankį) virš 150 μmol/m ²/s 50 cm gylyje vandenyje.
(2) Nauji šilumos valdymo būdai
Padidėjus LED sankryžos temperatūrai 10 laipsnių, šviesos efektyvumas sumažėja 4%, o tarnavimo laikas sumažėja 50%. Dėl didelės drėgmės (nuo 80 % iki 95 % santykinės drėgmės), kuri yra įprasta vandens aplinkoje, dar sunkiau atsikratyti šilumos. Kai kurie sprendimai pramonei yra šie: aliuminio -pagrindo PCB plokščių naudojimas (šilumos laidumas didesnis arba lygus 2W/m · K); skysčių aušinimo ir šilumos išsklaidymo sistemų projektavimas (tokie cirkuliaciniai vandens aušinimo vamzdynai); ir fazių keitimo medžiagų (pvz., parafino / išplėsto grafito kompozicinių medžiagų) gamyba. Bandymai parodė, kad šios technologijos gali išlaikyti mažesnę nei 65 laipsnių šviesos diodų jungties temperatūrą ir 0,3% šviesos slopinimo koeficientą kilovatvalandei.
(3) Fotobiologinės saugos pusiausvyros įgūdžiai
Per daug mėlynos šviesos (450–480 nm) gali sustabdyti vandens augalų augimą. Tyrimai rodo, kad kai mėlynos šviesos PPFD viršija 80 μmol/m²/s, fotosistemos II aktyvumas karčioje žolėje sumažėja 15%. Šis metodas apima dinaminio spektro reguliavimo (toks mėlynos šviesos kiekio sumažinimas 40% per dieną) ir impulsų pločio moduliavimo (PWM) technologijos (mažiausiai 1 kHz dažniu, kad būtų pašalintas mirgėjimas). Nustatykite šviesos intensyvumo slenkstinę apsaugą, kuri automatiškai nusileidžia, kai PPFD viršija 200 μ mol/m ²/s.
