Разработки сельское хозяйство
 Скачать 152.97 Kb.
|
1 2 РАЗРАБОТКИ СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО Применение   светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективыИльяБахарев,АлександрПрокофьев,АндрейТуркин,АндрейЯковлев  В статье рассматривается концепция применения светодиодов в сельском хозяйстве и обосновывается возможность её реализации для освещения растений в теплицах. Приводится описание и обсуждаются результаты эксперимента по освещению растений светодиодными светильниками в лабораторных условиях. Даётся оценка экономического эффекта их применения по сравнению с традиционными источниками света на объектах сельского хозяйства. ВВЕДЕНИЕНевозможно представить современ- ное общество без повсеместного ис- пользования света. Свет создаёт нор- мальные условия для работы и учёбы, улучшает условия быта. Без освещения невозможна работа промышленных предприятий, транспорта. Без искусст- венного света не может обойтись сов- ременное городское хозяйство, нельзя выполнять строительные и сельскохо- зяйственные работы в тёмное время су- ток. Свет обеспечивает возможность космических полётов, освоения Миро- вого океана, проникновения в подзем- ные шахты и пещеры. Оптическое из- лучение всё в большей степени исполь- зуется в современных технологических процессах в промышленности и сель- ском хозяйстве, становится неотъемле- мой частью фотохимических произ- водств, играет всевозрастающую роль в повышении продуктивности животно- водства и птицеводства, урожайности растительных культур [1]. В конце 18-го века английские и гол- ландские учёные пришли к выводу, что растения питаются водой, воздухом, светом и в малой части почвой. Путём серии опытов они открыли явление фотосинтеза. Фотосинтез – главный процесс жизнедеятельности растений, отвечающий за их рост и развитие. Бо- лее 95% сухого вещества растений соз- даётся в результате этого процесса. Уп- равление фотосинтезом – наиболее 76 эффективный путь воздействия на продуктивность и урожайность расте- ний. Русский исследователь К.А. Ти- мирязев доказал, что источником энергии для фотосинтеза служит пре- имущественно длинноволновая часть спектра (красные лучи), а влияние ко- ротковолновой части (сине-зелёной) менее существенно. Проводились и другие исследования воздействий излучения видимой части спектрального диапазона на растения. В работе [2] исследовали влияние ин- тенсивности и спектрального состава света на эффективность фотосинтеза и продуктивность различных растений. У растений за поглощение света отве- чают специальные пигменты. Основ- ные из них – хлорофиллы a и b и каро- тиноиды. Хлорофиллы поглощают свет Современная автоматизированная теплицасинего и красного диапазонов, а каро- тиноиды – синего диапазона. Свет, по- лученный разными пигментами, рас- ходуется на разные цели: пигменты с пиком чувствительности в красной об- ласти спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений; пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за увеличение зелёной массы; зелёная часть спектра излучения полезна для фотосинтеза плотных листьев и листь- ев нижних ярусов, куда синие и крас- ные лучи почти не проникают. Осталь- ные части спектра растениями практи- чески не используются. В результате исследований было по- казано, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых расте- Относительная спектральная эффективность 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
400 450 500 550 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Длина волны, нм Относительная спектральная эффективность фотосинтеза  600 650 700 750 800 Длина волны, нм  Рис. 1. Спектр аграрной натриевой лампы Рис. 2. Относительная спектральная эффективность фотосинтезаний являются интенсивности в преде- лах 150–220 Вт/м2, а оптимальный со- став излучения имеет следующее соот- ношение энергий по спектру: 30% – в синей области (380–490 нм), 20% – в зе- лёной (490–590 нм) и 50% – в красной области (600–700 нм). С использовани- ем такого искусственного освещения получены урожаи, в несколько раз более высокие, чем при обычном освещении, причём за более короткие (в 1,5–2 раза!) сроки. менение светодио- дов крайне эффек- тивным в экономи- ческом плане. Интенсивность излучения светоди- ода зависит от про- текающего через кристалл тока. Это позволяет управлять интенсивностью из- лучения светодиод- ного светильника, 1,0 Относительная спектральная эффективность 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
400 450 500 550 600 650 700 750 800 Длина волны, нм ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ Приведённые результаты указывают причём относитель- но легко – путём из- менения значения тока. Если исполь- Рис. 3. График соотношения спектров эффективности фотосинтеза, натриевой лампы высокого давления и светодиодного агросветильника XLight  на возможность применения светоди- одных светильников для освещения растений. Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области спектра составляет от 620 до 635 нм, в оранжевой – от 610 до 620 нм, в жёлтой – от 585 до 595 нм, в зелё- ной – от 520 до 535 нм, в голубой – от 465 до 475 нм и в синей – от 450 до 465 нм. Таким образом, составляя ком- бинации из светодиодов разных цвето- вых групп, можно получить источник света с практически любым спектраль- ным составом в видимом диапазоне.Следует отметить и другие преиму- щества светодиодов, например, малую потребляемую электрическую мощ- ность и, как следствие, низкое потреб- ление электроэнергии устройствами на основе светодиодов. Кроме того, стоит учитывать, что излучение светодиодов направленное, а это позволяет эффек- тивнее использовать источники света на их основе. Также надо принимать во внимание, что время жизни светодио- дов превышает время жизни ламп ми- нимум в несколько раз, что делает при- зовать в светильнике светодиоды с раз- ными значениями длины волны излуче- ния, то, изменяя ток для разных свето- диодов, можно получать различные по составу и интенсивности спектры излу- чения и таким образом подбирать спектр светильника в зависимости от конкретного этапа развития растения. Здесь нельзя не сказать о том, что современные теплицы представляют собой сложные технические комплек- сы, в большей части роботизирован- ные. Управление ими осуществляется при помощи автоматизированных сис- тем, в которые достаточно органично можно добавить и управление освеще- нием, причём как по интенсивности, так и по спектральному составу излуче- ния, и производить такие управляю- щие операции по программам, учиты- вающим фазу развития растений. В довершение всего светодиоды, в отличие от ламп, не являются хрупки- ми, поэтому устройства на их основе могут быть вандалоустойчивыми, а возможность низковольтного питания делает их безопасными, то есть не яв- ляющимися потенциальными источ- никами возникновения пожара или взрыва [3]. Всё перечисленное делает светоди- одные светильники крайне привлека- тельными для использования в теплич- ном освещении. Для того чтобы оце- нить их возможности, нужно сравнить параметры светодиодных источников света и ныне применяемых в теплич- ном хозяйстве ламп. В настоящее время для искусствен- ного освещения растений используют- ся лампы особого типа, которые назва- ются аграрными. На рис. 1 представлен спектр аграрной натриевой лампы. На рис. 2 приведена кривая относитель- ной спектральной эффективности фо- тосинтеза [4]. На кривой рис. 2 чётко видны максимумы в диапазоне длин волн 400–500 нм, который соответ- ствует синей спектральной области (левый широкий максимум), и в диапа- зоне 600–700 нм, который соответству- ет красной спектральной области (пра- вый широкий максимум). Эффективность источника света можно оценить по количеству люменов излучаемого светового потока, прихо- дящихся на один ватт потребляемой ис- точником мощности. Однако в данном случае это будет не совсем корректно. Например, глаз человека воспринимает 77 цвета по-разному, пик его чувствитель- ности лежит в зелёной области спект- ра, таким образом, источник синего или красного света нам будет казаться более тусклым, чем источник зелёного такой же оптической мощности. Клет- ки растений тоже не все длины волн воспринимают одинаково, разные диа- пазоны излучения влияют на протека- ние процессов фотосинтеза по-своему. Поэтому использование светильников одной и той же мощности, но различа- ющихся по спектральному составу, приводит к разным результатам. С учё- том этого по аналогии с кривой чувствительности человеческого глаза строится усреднённая кривая эффек- тивности фотосинтеза (рис. 2), и с по- мощью этой кривой оценивается эф- фективность использования спектра источника света. Излучение в диапазоне волн от 400 до 700 нм оказывает наибольшее влия- ние на протекание фотосинтеза и на- зывается фотосинтетически активным. Существует стандартный параметр, ха- рактеризующий «яркость» источника света для растения, – количество фото- нов с длиной волны от 400 до 700 нм, излучаемых за одну секунду. Эта вели- чина называется фотосинтетическим фотонным потоком (Photosynthetic Photon Flux – PPF) и измеряется в микромолях фотонов в секунду, а отно- шение PPF к потребляемой мощности рассматривается как коэффициент эф- фективности источника излучения. Помимо показателей эффективнос- ти большое значение имеет состав спектра излучения. Ранее уже приво- дилось оптимальное соотношение энергий по спектру: 30% – в синей об- ласти, 20% – в зелёной и 50% – в крас- ной. Такое соотношение обеспечивает выращивание полноценных растений, а сильное нарушение его приводит к отклонениям в развитии. Например, если большая часть энергии излучения приходится на синюю область спектра, это приводит к формированию низко- рослых растений с высоким фотосин- тезом, но низкой продуктивностью. Сильная накачка красным, наоборот, приводит к излишнему росту вегета- тивных органов в ущерб генеративным. Таким образом, два типа источников света – натриевые лампы и светодиод- ные светильники – надо сравнивать по следующим параметрам: эффектив- ность использования спектра источни- ка, соотношение PPF/Вт и состав спектра. На рис. 3 представлены спектры нат- риевой лампы высокого давления, све- тодиодного светильника XLight и кри- вая эффективности фотосинтеза. Натриевые лампы имеют высокое соотношение PPF/Вт – не менее 1,8 мкмоль/(cВт). Расчётное значение эффективности использования спект- ра источника составляет 0,92. В спект- ре натриевой лампы средний уровень интенсивности в синей области более чем в три раза ниже, чем уровень ин- тенсивности в красной области, что го- ворит о необходимости использования более интенсивной лампы, а значит, о необходимости повышения потребляе- мой мощности. Светодиодный аграрный светильник XLight был разработан с учётом требо- ваний к тепличному освещению, и его спектр максимально приближен к оптимальному. Расчётное значение PPF/Вт – 2 мкмоль/(cВт). Расчётное значение эффективности использова- ния спектра источника – 0,83. Из сравнения приведённых для двух типов источников данных можно сде- лать вывод, что светодиодный све- тильник XLight по своему спектру бли- же к оптимальному для выращивания растений, характеризуется более высо-  78     
Рис. 4. Схема эксперимента по применению светодиодных светильников для выращивания растений кой отдачей фотосинтетически актив- ного излучения, чем натриевая лампа, и имеет сопоставимую с ней эффек- тивность использования спектра ис- точника. Всё это свидетельствует о возможном более эффективном при- менении данного типа светильников для освещения растений в процессе вегетации. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА Эксперимент по использованию све- тодиодных светильников для освеще- ния растений проходит на кафедре овощеводства и плодоводства на базе Рис. 5. Светодиодный светильник XLight XLD-Line50-Agro Уральской государственной сельскохо- зяйственной академии. Целью эксперимента является про- верка способности растений разви- ваться под светом от полупроводнико- вых источников излучения (светодио- дов) от стадии проращивания до ста- дии плодоношения (появлений завязей плодов). Схема проведения эксперимента по- казана на рис. 4. На две соседние пол- ки помещаются ёмкости, засеянные семенами растений. На обеих полках процесс выращивания растений про- исходит полностью под искусствен- ным освещением. В первом случае ис- пользуются светодиодные светильники XLight XLD-Line50-Agro (рис. 5), во втором случае – светильники с люми- несцентными лампами Osram Fluora для растений. Растения находятся при включённом освещении по 16 часов в сутки. Площадь освещённого участка составляет примерно 0,5 м2. Эксперимент состоит из двух повто- ряющихся этапов для подтверждения правильности полученных результатов. В настоящее время завершён первый этап: растения полностью развились от стадии проращивания из семян до ста- дии плодоношения в лабораторных ус- ловиях. Второй этап должен подтвер- дить преимущества использования све- тодиодных источников освещения для растений уже в реальных условиях теп- личного хозяйства. Уже сейчас эксперимент показал, что, в отличие от люминесцентных ламп, светодиодный светильник обес- печивает спектр излучения, необходи- мый для полного цикла выращивания растений от проращивания до цветения и плодоношения, а спектр люминесце- нтных ламп не позволяет растениям плодоносить, поэтому эти лампы при- годны только для выращивания расса- ды. Другим преимуществом светодиод- ных светильников является низкое вы- деление тепла, поэтому их можно рас- полагать в непосредственной близости  1 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||