Светодиодное освещение в растениеводстве
Парниковые или тепличные фермы - это далеко не новые технологии, но с постоянно растущим населением земного шара и движением к стабильному, высокоэффективному и стандартизованному производству продуктов питания они станут нормой в будущем, открывая потенциально огромный новый сектор в агрокультуре, включающий новейшие технологии как из области биологии, так и из области инженерии. Однако возникает законный вопрос: как исследователи и обслуживающий персонал этих отдельных и не связанных напрямую сфер понимают взаимозависимые требования для закрытых стационарных теплиц?
Теплицы имеют долгую историю, предположительно они начали появляться еще в эпоху Древнего Рима, но до XX века не использовались для интенсивного растениеводства, ставшего бы весомым вкладом в производство продуктов питания на уровне, критическом для обеспечения жизнедеятельности населения. Что же касается настоящего времени, то ситуация меняется и сейчас по всему миру существуют миллионы защищенных закрытых стационарных теплиц с контролируемой средой, предназначенных для выращивания сельскохозяйственных растений, большинство из которых используют естественный свет. Однако достижения в области систем освещения, отопления, полива и управления позволили построить обширные, искусственно освещаемые теплицы, выполненные в виде изолированных от внешней среды помещений (рис. 1) и для них, пожалуй, больше подходит определение не «теплицы», а «установки». Эти комплексы благодаря системам контроля и управления достигают весьма высокой урожайности и могут производить значительно больше продукции, чем привычное сельское хозяйство и обычные теплицы с низкой технологической вооруженностью.
Рис. 1. Пример выращивания растений в условиях высокотехнологичных закрытых стационарных теплиц со светодиодным освещением
При использовании в тепличном растениеводстве современных высоких технологий есть еще несколько преимуществ. С помощью новых возможностей выполняется контроль и управление не только поливом, влажностью и внесением удобрений, но и самыми различными этапами или циклами развития растений. Это достигается путем облучения растений световыми волнами разной длины, что позволяет получить высокий урожай с единицы площади такой теплицы или сократить сроки товарного производства. Кроме того, благодаря уменьшению испарения, контролю влажности и температуры в таких высокотехнологичных теплицах значительно сокращается расход воды, что дает дополнительную, а порой и существенную экономию. Большим плюсом выращивания растений в закрытой изолированной среде является возможность эффективно контролировать и устранять негативное воздействие, вызванное наличием вредных насекомых, а также заражением грибковыми и бактериальными инфекциями. К тому же при строительстве таких закрытых теплиц вблизи населенных пунктов сокращаются транспортные потребности, что положительно сказывается на экологии в целом и сокращает выбросы углекислого газа в атмосферу.
Одним из наиболее важных достижений, определивших будущее и целесообразность строительства крытых изолированных теплиц (можно даже сказать, их жизнеспособность), стало бурное развитие светодиодных технологий, повсеместно наблюдаемое в последние два десятилетия. Первоначально светодиоды были дорогими и чрезвычайно ограниченными в интенсивности и длинах излучаемых волн света, которые они могли генерировать. Однако совершенствование изготовления светодиодов сделало их наиболее предпочтительным решением для внутритепличного освещения. Современные светодиоды могут излучать очень специфические спектры света, будучи при этом чрезвычайно устойчивыми к жестким условиям окружающей среды и относительно небольшими по физическим размерам по сравнению с другими технологиями освещения. Кроме того, светодиоды имеют значительно больший срок службы, отличаются низкими рабочими напряжениями и не генерируют столько избыточного тепла, как лампы накаливания, - все это в целом делает их исключительно энергоэффективными, что значительно снижает эксплуатационные расходы при использовании закрытых теплиц с искусственным освещением.
Спектральные требования для систем освещения растений
Как известно из основ ботаники, фотосинтез - это процесс, который, используя энергию света, превращает воду и углекислый газ в сложные углеводы то есть сахара) и кислород. Однако, хотя энергия, излучаемая Солнцем, достигающая земной поверхности, состоит из всего спектра видимого света и более того к растения в своей жизнедеятельности используют для фотосинтеза только конкретные частоты света. Эти частоты связаны с характеристиками поглощения различных пигментов, присутствующих в органеллах, называемых хлоропластами, ответственных за различные функции процесса фотосинтеза. Большинство пигментов поглощают свет на длинах волнах, соответствующих синему и красному цвету. Большинство листьев кажутся зелеными, поскольку эти длины волн листьями растений не поглощаются, а вот морковь выглядит оранжевой, так как она содержит очень мало хлорофилла. Самые распространенные пигменты растений - хлорофилл а, хлорофилл b и каротиноиды. Характеристические спектры поглощения различных пигментов, используемых в процессе фотосинтеза, приведены на рис. 2.
Рис. 2. Характеристические спектры поглощения различных пигментов , используемых для фотосинтеза
Эти поглощаемые длины волн, или частоты спектра, называются «фотосинтетически активная радиация», или ФАР (в англ, терминологии - Photosynthetic Active Radiation, PAR), и лежат в диапазоне длин волн примерно 400-700 нм. Хлорофилл а - основной фотопигмент, который проявляет около 75% активности в процессе фотосинтеза и имеет пики поглощения на длинах волн примерно 435 и 675 нм. Хлорофилл b, который, как считается, является вспомогательным фотопигментом, расширяет диапазон длин волн, используемых для фотосинтеза с пиками поглощения на длинах волн примерно 460 и 640 нм. Энергия от этих длин волн захватывается хлорофиллом b перед его переносом на хлорофилл а через электронный спиновый резонанс. У всех высших растений именно данные два пигмента определяют их привычный для нас зеленый цвет. Каротиноиды имеют сравнительно более широкий диапазон поглощения волн, чем хлорофиллы, составляющий приблизительно 400-510 нм. В дополнение к их вспомогательной функции поглощения света они играют гораздо более сложную роль, чем это первоначально предполагалось, а именно защищают хлорофиллы от фотоокисления в случае, когда интенсивность света в диапазонах волн с большой длиной, то есть волн с более высокой энергией, недопустимо велика. Вот почему длины волн поглощения каротиноидов перекрываются с длиной волны поглощения хлорофиллов. Кроме того, имеются еще и фитохромы, представляющие собой фоторецепторы (своеобразные световые сенсоры), которые регулируют многочисленные процессы, в том числе синтез хлорофилла. Несмотря на то, что длины волн поглощения фоторецепторами лежат в основном вне области ФАР, они имеют решающее значение для развития растений.
Поскольку по своей природе растения являются неподвижными живыми организмами, они эволюционировали так, чтобы реагировать на различные частоты светового спектра и его общую интенсивность, которые им доступны в конкретный период своего развития, и вырабатывать необходимую ответную реакцию - например, на рост в тени, циркадный ритм, циклический ритм и изменения погодных условий. Исходя из этого для организации и управления стадиями роста, а также для самого развития растений может использоваться искусственный свет с разными длинами волн, что провоцирует ту или иную нужную для их выращивания ответную реакцию. Эти реакции предусматривают изменение скорости фотосинтеза, фото-морфогенеза (влияние света на форму растений), фототропизм (изменение направления роста органов растений в зависимости от направления падающего света) и фотонастию (движение органов растений (листьев, лепестков цветков) под влиянием ненаправленного (в отличие от фототропизма) и пространственно равномерного освещения, в частности раскрывание и закрывание венчиков цветков и цветочных корзинок. Такие реакции зависят от широкого спектра фоторецепторов и могут быть специфическими для конкретных требований, семейств и родов растений.
Светодиодное освещение в растениеводстве
Светоизлучающие диоды - это твердотельные светогенерирующие компоненты, которые стали одним из важнейших факторов, влияющих на увеличение числа закрытых теплиц. Причина кроется в их существенном преимуществе перед лампами накаливания, люминесцентными лампами, натриевыми лампами высокого давления и ртутными лампами. Основное достоинство светодиодов в этом плане связано с их способностью достаточно точно генерировать заданные длины волн света. Как мы видели в предыдущей главе, в теплицах используют весьма ограниченный диапазон длин волн и при этом на разных частотах излучаемого спектра имеются различные требования. Исходя из этого, естественно, было бы крайне неэффективно потреблять электроэнергию, затрачивая ее на генерацию длины световых волн, которые не требуются для выращивания сельхозпродукции на закрытых тепличных фермах с искусственным освещением. Поэтому производители осветительного оборудования обычно останавливают свой выбор для теплиц на светодиодах с длиной волны 660 нм (красный) и 450 нм (синий), с интенсивностью их светового потока в грубом соотношении 2:1. Однако недавние исследования определили влияние на развитие растений длин световых волн, лежащих за пределами обычного красного и синего:
- Красный свет (свет с длиной волны 630-660 нм) является основным источником для фотосинтеза и необходим для роста стеблей растений. Кроме того, эта часть светового спектра также регулирует цветение, покой и прорастание семян.
- Синий и голубой свет (свет с длиной волны 400-520 нм) является еще одним ключевым компонентом спектра, необходимого для эффективного фотосинтеза, но его следует тщательно контролировать и смешивать с другими частотными компонентами, поскольку более высокая экспозиция на таких длинах волн может препятствовать росту. Эти длины волн также связаны с регулированием концентрации хлорофилла в листьях, ростом боковых почек, а кроме того, влияют на толщину листьев.
- Дальний красный свет (свет с длиной волны 720-740 нм), который лежит в инфракрасной области спектра, влияет на прорастание и может уменьшить время цветения растений, но также может увеличить длину стебля или ствола как часть механизма реакции на затенение (буквально: защитной реакции на тень).
- Зеленый свет (свет с длиной волны 500-600 нм), ранее этот участок спектра игнорировался и воспринимался как несущественный для развития растений, но недавние исследования показали, что растения, находящиеся в тени других растений, особенно чувствительны к этой длине волны, которая участвует в их развитии как часть механизма реакции на затенение.
- Ультрафиолет (свет с длиной волны 280-400 нм) по-прежнему остается предметом экспериментальных исследований в выращивании растений. Хотя эта длина волны является мутагенной, некоторые растения (например, салат, томаты) гораздо более устойчивы к таким длинам волн. Исследования показывают, что эти длины волн на нечувствительных к ним видах могут использоваться как элемент управления и контроля грибковой инфекции. Кроме того, ультрафиолетовое излучение может служить причиной образования определенных защитных молекул, таких как антиоксиданты и фенолы, важные для питания человека.
Однако следует помнить, что каждый тип растения будет реагировать по-своему на различные комбинации длины волны света и их интенсивности. Кроме того, для разных типов растений предпочтительны разные конечные их физиологические характеристики. Например, желательно,чтобы овощи типа салата для улучшения вкусового восприятия их текстуры при еде имели тонкие, светлые листья, тогда как для алоэ (Aloe vera, Алоэ настоящее) желательны толстые листья, которые в этом случае могут произвести больше ценного сока. Что касается цветения, декоративные растения должны поддерживать свои цветы как можно дольше, в то время как в ананасах, чтобы лучше контролировать период сбора урожая, оптимальным является препятствование процессу цветения путем его угнетения.
В результате владельцы закрытых теплиц и оранжерей, а соответственно и производители систем искусственного освещения, постоянно экспериментируют и ищут новые комбинации длин волн, которые являются наиболее оптимальным комплексным световым решением для конкретных видов и даже сортов растений. Для удовлетворения этих требований компания Wurth Elektronik предлагает серию монохромных светодиодных излучателей типа WL-SMDC, выполненных для технологии монтажа на поверхность (SMD) с полностью прозрачным покрытием (рис. 3).
Рис. 3. Монохромные керамические прозрачные (Waterclear) SMD-светодиоды серии WL-SMDC Компании Wurth Elektronik
Доступный диапазон генерируемых длин волн светодиодами серии WL-SMDC расширен с учетом длин волн 450 нм (Deep Blue, синий), 660 нм (Hyper Red, глубокий красный) и 730 нм (Far Red, дальний красный), выбранных в соответствии со спектрами поглощения фотосинтетическими пигментами. В дополнение к существующим продуктам в ассортименте возможен самый разнообразный набор комбинаций, которые могут быть использованы для конкретного сорта сельскохозяйственной культуры. Спектры излучения светодиодов WL-SMDC, наложенные на спектры поглощения фотосинтетических пигментов, представлены на рис. 4.
Рис. 4. Спектры излучения светодиодов WL-SMDC, наложенные на спектры поглощения фотосинтетических пигментов
Важные параметры, количественные показатели и единицы измерения
Как и в случае с любым новым приложением, различные организации и компании разработали и применяют разные показатели и параметры для измерения, количественной оценки и определения эффективности закрытых теплиц по искусственному выращиванию тех или иных растений. Однако в последние годы были предприняты определенные усилия по стандартизации этих параметров. Так, Американским обществом сельскохозяйственной и биологической инженерии (American Society of Agricultural and Biological Engineering, ASABE) подготовлено несколько документов для облегчения идентификации и координации при использовании светодиодов в системах искусственного освещения стимулирования роста растений. Общество предложило ряд стандартов и руководящих принципов, касающихся методов измерения и тестирования для количественной оценки энергопотребления и эксплуатационных характеристик систем освещения. Однако до недавнего времени параметры были основаны на восприятии света человеком. Человек имеет пиковое восприятие желто- зеленой части спектра (около 550 нм) в противоположность длинам волн синего и красного спектров, что как раз характерно для растительного мира. Вот почему обычные параметры, такие как люмены, здесь неприемлемы и не могут использоваться. Ниже перечислены наиболее важные параметры, касающиеся светодиодов, которые используются для удовлетворения насущных нужд растениеводства:
- Длина волны (X, нм) определяет длину волны света, излучаемого светодиодом.
- Фотосинтетически активная радиация, ФАР (Photosynthetically active radiation, PAR, длины волн в диапазоне примерно 400-700 нм) - традиционно используемый диапазон частот светового спектра, который требуется растениям для проведения фотосинтеза (рис. 2). Приведенные значения иногда могут вводить в заблуждение, так как здесь все длины волн имеют одинаковое значение для фотосинтеза, хотя основными движущими силами фотосинтеза являются волны красного и синего света. Это означает, что длина волны зеленого светодиода хоть и может находиться в диапазоне ФАР, но будет иметь очень ограниченное влияние на рост растений.
- Фотосинтетический фотонный поток, ФФП (Photosynthetic photon flux, PPF, мкмоль/с) - этот параметр количественно определяет общее число фотосинтетически активных фотонов, которые генерируются светодиодами каждую секунду. Хотя инженеру, занятому проектированием систем освещения общего назначения, может показаться странным количественное определение выхода источника света по количеству испускаемых им фотонов, следует помнить, что фотосинтез представляет собой биохимический процесс, который можно количественно определить по числу молекул сахара, генерируемых на количество фотонов, хотя фотоны разных длин волн имеют разные энергетические уровни. Переход от электрической мощности к ФФП осуществляется с использованием соотношения Планка - Эйнштейна и числа Авогадро и представляет собой сумму всех фотонов, генерируемых в заданном диапазоне длин волн.
- Плотность фотосинтетического фотонного потока, ПФФП (Photosynthetic photon flux density, PPFD, мкмоль/с/м2) - количественное определение общего числа фотосинтетически активных фотонов, достигающих целевой области в секунду. Данный параметр очень сильно зависит от расстояния и угла от источника светового излучения. ПФФП, как правило, определяется с помощью квантового измерителя, чувствительного только к длинам волн ФАР.
- Фотонная эффективность (Photon efficacy, мкмоль-Дж) - этот параметр количественно определяет, насколько эффективен светодиод при создании ФФП на джоуль используемой электроэнергии.
- Эффективность преобразования электрической энергии в оптическую, КПД (Wall-plug efficiency, WPE, %) - буквально «эффективность от розетки». Данный параметр определяется как эффективность преобразования энергии, через отношение электрической мощности к оптической мощности, в общем понимании - коэффициент полезного действия (КПД).
- R-B-соотношение (R-B ratio) - количественно отражает соотношение уровня интенсивности красного и синего света, излучаемого светодиодной системой.
Разница между фотосинтетическим фотонным потоком (слева) и плотностью фотосинтетического квантового потока (справа) для нескольких цветов проиллюстрирована на рис. 5.
Рис. 5. Разница между фотосинтетическим фотонным потоком (слева) и плотностью фотосинтетического фотонного потока (справа) для нескольких цветов
Заключение
Повышение эффективности и оптической мощности, более конкурентная цена и дли-тельный срок службы - все это в целом привело к тому, что светодиоды со стадии исследований и разработки быстро перешли к инновационной, жизнеспособной альтернативе - традиционным источникам искусственного освещения для применения в тепличном растениеводстве. Хотя точное исследование соотношения длин волн и роли длин волн за пределами красного и синего участков спектра еще требует изучения и понимания, светодиоды будут увеличивать свой сегмент за счет других источников освещения и уже в самые ближайшие годы станут доминировать на рынке. С выпуском расширенной серии светодиодов WL-SMDC компании Wurth Elektronik разработчики систем тепличного освещения получают в свое распоряжение светодиоды, чьи спектры соответствуют длинам волн, необходимым для фотосинтеза, в дополнение к любым специальным требованиям, которые могут понадобиться для оптимального освещения конкретных типов растений.
ИсточникЖурнал «Полупроводниковая светотехника» 2018
- Комментарии