LED人工光源與環控系統應用於水耕栽培之技術開發

刊登日期:2016/6/5
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台灣位處亞洲大陸與太平洋交界處,露天栽培的農作物易受寒流、梅雨、颱風或乾旱缺水等外在氣候影響生產品質,利用閒置的建築物或工廠廠房以水耕栽培設備栽種農作物,可大幅減少外在氣候影響農作物的生長並提升收穫品質,更可有效活化使用舊有建物,減少額外投資建物的建築成本。

本文介紹工研院溫室系統技術中心針對客戶需求開發具 LED人工光源與環控系統的水耕栽培技術,主要是依據現有廠房的現場環境設施,配合栽培條件、栽培作物種類、LED光源特性與環控條件等需求,提供最佳的客製化水耕系統技術開發,搭配立體栽培、環控設施與 LED人工光源,除種植常見的水耕蔬菜類型,另規劃種植高單價或具特殊機能成分(如藥用植物)的作物,透過生產高值作物以與現有水耕栽培作物有所區隔,同時達到活化及利用現有廠房空間的目的。
 
水耕栽培簡介
傳統露天栽培方式是先將作物的種子或幼苗栽種於土壤或介質中,由土壤或介質提供作物幼苗期成長所需之養分,或是輔以固態/液態肥料撒佈/澆灌提供作物生長時所需的養分。然露天栽培易因土壤或介質中的病菌或受外界昆蟲/鳥類接觸產生病蟲害,而降低作物的產量與品質。

水耕栽培是在溫室或於封閉環境中栽培作物(如蔬菜或瓜果類),將作物的種子置於育苗海綿中進行育苗,待幼苗生長至一定高度時,再移植至水耕栽培床,以水耕養液方式直接提供作物根系吸收生長所需的養分,無須透過土壤或介質供給養分以減少病害傳播,另外,溫室或封閉環境可減少外界昆蟲或鳥類的接觸及空氣汙染,有效降低外界病蟲害發生的機會,同時提高作物的產量與品質。
 
人工光源對光合作用之影響
LED技術近年來日趨成熟,而在農業應用領域上,LED具有特定發光波長的優點,可針對植物生長所需的吸收光譜進行調配,減少非植物光合作用吸收範圍的光譜,以降低不必要的耗能。在 LED發光波長範圍選定前,必須先了解植物光合作用的過程。

光合作用是由植物的葉片利用光的能量將二氧化碳和水轉換成養分儲存,植物參與光合作用的元素為葉綠素 a、葉綠素 b和胡蘿蔔素,如圖一所示,葉綠素 a(Chlorophyll a,圖中實線)與葉綠素 b(Chlorophyll b,圖中虛線)吸收的光波長範圍略有差異,但主要都是在藍光(400~500nm)與紅光(600~680nm) 的範圍。



圖一、植物光合作用的吸收光譜圖
 
整合 LED人工光源與環控設施之水耕系統技術開發
根據研究文獻,葉菜類作物生長的光補償點約 200~250 PPF,此時光合作用大於呼吸作用,光合作用產生的養分可令作物正常生長。當光強度上升至光飽和點後,光合作用的速率則幾乎不再增加。因此本技術開發之 LED光源模組的光強度設計在光補償點與光飽和點之間(約 250~350 PPF),另外,透過光強度調整功能,可針對作物的幼苗期或生長期所需的光強度,提供適度的光照以有效減少耗電量。而LED光源模組的……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖五、鋁擠型栽培架之升降機構設置圖
 
作者:陳肇斌、黃佳霖、賴韋志、花士豪 / 工研院中分院
★本文節錄自「工業材料雜誌」354期,更多資料請見下方附檔。

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