Новое направление в тепличном освещении: инновационные технологии для повышения урожайности

Новое направление в тепличном освещении: инновационные технологии для повышения урожайности

Ключевые слова

светодиодное освещение / фитосветильники / тепличные светильники / гибридное освещение растений / светодиодная революция / LED-based lighting / phytolights / greenhouse lights / hybrid plant lighting / LED revolution

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Д Ю. Каркайтис, Т Н. Лисина

Планомерное увеличение производственных мощностей тепличной отрасли в России свидетельствует о востребованности продукции, выращиваемой в защищенном грунте. Освещение оказывает большой влияние на экономику тепличного хозяйства и качество производимой продукции. Исследование проводили с целью изучения и обобщения опыта использования светодиодных светильников в теплицах, их влияния на качество и урожайность культур для оценки возможности массового их применения в Российской Федерации. В современных условиях в тепличной отрасли используют в основном технологию круглогодичного выращивания с использованием светокультуры. Светодиодные источники облучения имеют преимущества перед традиционными натриевыми лампами благодаря возможности манипуляции спектральным составом и мощностью освещения как средством управления параметрами роста растений, процессами синтеза вторичных метаболитов в растениях, влияющих на качество плодов и хозяйственную ценность тепличной продукции, а также более высокой энергоэффективности. На сегодняшний день применение светильников на основе светодиодов осуществляется в основном совместно с традиционными натриевыми лампами высокого давления. Самостоятельное их использование имеется только в многоярусных системах выращивания. Распространение светодиодных источников освещения привело к трансформации основных представлений о возможности искусственного освещения при светокультуре в промышленных теплицах. Путем оптимизации условий освещения можно достигать увеличения сбора урожая до 20 % по массе продукции, продлевать период вегетации растений, изменять биохимический состав плодов и вегетативных органов. Существенным ограничивающим фактором для замены натриевых светильников на светодиодные служит сравнительно высокая их стоимость. Большое количество исследований со стороны ведущих фирм производителей осветительного оборудования и активная патентная деятельность в сфере разработки светодиодных устройств освещения во многих странах позволяет надеяться на прорыв в этом направлении в ближайшем будущем.

Связанные вопросы и ответы:

Что представляет собой новое направление в тепличном освещении

Oslon Square Hyper Red — новый мощный светодиод с увеличенным чипом и более высоким потоком излучения обеспечивает максимальную эффективность в освещении растений в теплицах.

В этом году на специализированной выставке Lightfair в Филадельфии (США) Osram Opto Semiconductors представляет новый светодиод для выращивания растений – Oslon Square Hyper Red.Этот светодиод третьего поколения с мощностью 2 Вт обладает улучшенными характеристиками, более высокой оптической мощностью и впечатляющей коррозионной стойкостью. Это позволит существенно снизить расходы на системы освещения растений.

Растениям для роста необходимы, главным образом, вода и свет. Благодаря светодиодам с различными длинами волн можно контролировать каждый этап роста растений. Так, например, диод Oslon Square Hyper Red с длиной волны 660 нанометров (нм) позволяет контролировать период цветения растений. Таким образом, семейство Oslon от компании Osram OS, которое также включает светодиоды Deep Blue (450 нм) и Far Red (730 нм), охватывает весь цикл роста растений.

Чип 2мм x 2мм обеспечивает большую эффективность светодиода. За счет использования новейших технологий разработчикам удалось достичь мощности излучения в 905 мВт с КПД 60 % при токе в 700мA и рабочей температуре в 25°C. По мощности излучения новинка превосходит Oslon SSL на 13%, а по КПД – на 25%. Угол излучения Oslon Square Hyper Red – 120°.

«Благодаря высокой стойкости к коррозии и длительному сроку службы новый Oslon Square Hyper Red исключительно надежен. Это наш новый флагманский продукт, который, разумеется, отвечает самым высоким стандартам качества, как и все продукты семейства Oslon», — отметил Кок Пенг Лим, SSL Product manager в Osram Opto Semiconductors.

Oslon Square Hyper Red имеет то же посадочное место, что и Oslon SSL, и может с легкостью их заменить. Переход на новый продукт имеет смысл по двум причинам. Во-первых, новый светодиод более мощный, чем его предшественник, а во-вторых, один Oslon Square Hyper Red заменяет собой два светодиода Oslon SSL. Массовое производство новинки запланировано на конец 2017 года.

Какие технологии используются в новом направлении в освещении теплиц

Обычно для освещения теплиц применяются:

Лампы накаливания

Лампы накаливания одни из самых распространенных, но, являясь источником световых лучей красного спектра, стать полноценной заменой солнечному свету они не могут. Да и постоянно держать их включенными не рекомендуется, поскольку это чревато ожогами листьев и стеблей (лампы сильно нагреваются при работе) и приостановкой вегетации. Так что использовать их для освещения теплиц можно только периодически и в сочетании с люминесцентными. При этом надо отметить, что лампы накаливания идеальны для выгонки зелени. А одним из главных минусов таких источников света являются значительные затраты на энергоснабжение.

Натриевые

Натриевые лампы часто применяются для выращивания рассады и радуют своей экономичностью – мощные экземпляры 400 Вт можно использовать и для освещения, и для обогрева теплиц. Но в таких лампах преобладающими являются лучи желто-красного спектра, и ощущается явный недостаток синего. Поэтому, чтобы обеспечить полноценное развитие тепличных культур, придется дополнять систему освещения другими источниками света.

Металлогалогенные

Металлогалогенные лампы являются одними из наиболее адаптированных для применения в теплицах. Они дают свет необходимого спектра, и растения при таком освещении чувствуют себя прекрасно. Но, к сожалению, у них есть целый ряд недостатков, среди которых:

• высокая стоимость по сравнению с другими моделями ламп;
• короткий срок службы – он напрямую зависит от того, насколько часто будет включаться лампа;
• чувствительность к любым перепадам напряжения – при нестабильном энергоснабжении спектр излучения может меняться, что негативно скажется на растениях;
• риск выхода из строя (взрыва) при резком повышении напряжения.

Ртутные лампы

Ртутные лампы – прекрасный источник ультрафиолета и поэтому востребованы для выращивания рассады. К их несомненным преимуществам можно отнести:

• энергоэффективность – они гарантируют высокую светоотдачу при достаточно низком потреблении электричества;
• легкий и быстрый монтаж;
• нетребовательность в плане обслуживания.

Но утилизация ламп, отработавших свой ресурс, может стать серьезной проблемой – ртуть токсична и просто выбросить лампы в контейнер с бытовыми отходами нельзя. Кроме того, ртутные лампы часто перегреваются, что может создать дополнительные трудности при их эксплуатации.

Как новое направление в освещении влияет на урожайность растений

Свет состоит из различных форм электромагнитного излучения., но не все это видно человеческому глазу. Наши глаза способны воспринимать свет только в определенном диапазоне длин волн.. У нас есть конусообразные клетки, которые действуют как рецепторы для определенных длин волн., в первую очередь в зелени, желтый, и оранжевый спектры. Вот почему искусственное освещение, предназначенное для людей, ориентировано на эти спектры и измеряется в люмены .

Однако, растения по-разному реагируют на световой спектр. Хотя они используют энергию среднего спектра., на них больше влияют красный и синий спектры. Существуют определенные пики красного и синего света, которые имеют решающее значение для фотосинтеза., где происходит большая часть роста растения. Регулируя соотношение красного и синего света, могут быть достигнуты значительные изменения в росте растений.

Кроме того, существуют невидимые световые спектры, такие как ультрафиолетовый свет и инфракрасный свет, это также может повлиять на рост растений. Именно поэтому светодиодные светильники завоевали популярность в крытое садоводство . Светодиодные системы с регулируемым спектром позволяют производителям подвергать свои растения определенному освещению.. Это не только способствует здоровому росту растений, но и позволяет производителям настраивать желаемые результаты.. Различные световые спектры оказывают глубокое влияние на рост растений., и светодиодное освещение позволяют производителям эффективно использовать эти эффекты..

Какие преимущества имеет новое направление в освещении по сравнению с традиционными методами

Светодиодное освещение

Светодиодное освещение все больше проникает в нашу жизнь. Светодиодные светильники и светодиодные лампы уже не являются диковинкой. Появились первые положительные примеры использования светодиодных светильников и светодиодных ламп. У многих участников светотехнического рынка и потребителей светотехники сложилось свое мнение о светодиодном освещении.
Множество таких мнений довелось услышать на выставке "Энергетика и электротехника 2010", прошежшей недавно в Ленэкспо. Надо сказать, что экспозиции участников представлявших светодиодное освещение вызвали большой интерес посетителей. Были среди подходивших и скептики-теоретики, и желающие получить первичную информацию о том, что за чудо такое "светодиодное освещение". Были и профессионалы-специалисты в области светотехники, делившиеся своим опытом применения светодиодных технологий в освещении.
Среди основных негативных моментов светодиодов в освещении были озвучены следующие: нужен теплоотвод, яркость в одном месте нет рассеянного света, невозможно проверить так ли они долго и хорошо работают светодиодные светильники и лампы, как об этом заявляет производитель.
При всем при этом мнение профессионалов было однозначным - за светодиодами будущее. Да, эту технологию освещения необходимо совершенствовать, дорабатывать, решать еще многие вопросы технического плана. Но альтернативы нет. Светодиодное освещение - самый экономичный и перспективный вид освещения на многие годы вперед.
Были разговоры и о проблемах современного этапа перехода на светодиодное освещение промышленных предприятий в России. Практически все единодушно отмечали, что в России пока еще не умеют считать деньги. Один из примеров, который запомнился, это опыт главного энергетика одного из нефтеперерабатывающих заводов. "Работяги меняют лампы накаливания очень часто, а во взрывозащищенных уличных светильниках это сложно и долго. Поэтому, они не закручивают до конца винты в светильниках, а чуть-чуть "наживят" и дальше пошли. Ведь, завтра опять раскручивать для замены лампы. В итоге, взрывозащищенный, пыле и влагозащещенный светильник превращается в "бомбу замедленного действия". Поэтому, где полыхнет неизвестно. А сам в каждый светильник не полезешь". - сетовал гл.энергетик.
По другим свидетельствам тех, кто "в процессе перехода на светодиодное освещение" в основном мнеие главных энергетиков и инженеров такое - "у меня есть бригада, и мне все равно сколько они там за смену ламп поменяют. Это их работа. Скажу делать - и будут делать. А светодиодное освещение тускловато. А мне нужно люменов много."
Про позицию финансистов говорить тоже приходится с сожалением. "Дорого" - это единственное, что можно услышать. Конечно, обычная лампа 100 руб., а светодиодная лампа 10000.

Какие проблемы могут возникнуть при внедрении нового направления в освещении

Тема развития овощеводства сегодня является актуальной для всей страны. Овощи входят в число 5 групп продуктов питания, по которым осенью 2014 года было введено ограничение на импорт, и в то же время, эта отрасль все еще остается импортозависимой. Ежегодно в Россию завозится до 1 миллиона тонн овощей на 2,5 миллиарда долларов. Сегодня в стране сложилась уникальная ситуация, когда внутренний рынок позволяет производить больше и полностью обеспечить себя. В последние годы в Башкортостане отмечается увеличение объемов производства овощей. Если в 2010 году в регионе производили 255 тысяч тонн овощей в год, то в 2014 году на тех же площадях вырастили 350 тысяч тонн. Площадь, занятая под овощами в защищенном грунте в республике, составляет 429 га, из них почти 90% (или 383 га) занимают пленочные теплицы. По этому показателю республика в числе лидеров в России и по ПФО и можно говорить о высоких темпах развития тепличного производства в Республике Башкортостан. В современных условиях повышение эффективности производства и наращивание объемов овощей в тепличных хозяйствах сдерживается высоким уровнем себестоимости выращивания овощных культур. Для достижения минимальных сроков окупаемости капитальных затрат, на стадии проектирования современных теплиц необходимо уделить большое внимание на выбор оборудования, используемого в технологическом процессе выращивания растений, т.к. основная доля затрат в процессе эксплуатации теплиц приходится на энергопринимающие устройства. Оборудование должно быть энергосберегающим и максимально эффективно обеспечивать требуемые режимы в теплице, обладать большим сроком службы и т.д. Себестоимость конечной продукции тепличных хозяйств на 30-40% зависит от стоимости освещения. Поэтому снижению себестоимости выращивания овощных культур в большей степени может способствовать применение в теплицах светодиодных светильников (СДС).

Как эффективно внедрить новое направление в освещении в тепличном хозяйстве

Ньюмен рассказал, что он приветствовал следующий этап своей карьеры как возможность узнать больше о работе со светодиодными светильниками и приступил к изучению темы «Что мы можем оптимизировать в цветоводстве, чтобы ускорить его производство?» Ньюмен подчеркнул, что он уже изучил ряд установок тепличных культур, и описал один комплект тестов, в частности, который напрямую сравнивал светодиодное освещение мощностью 600 Вт с освещением HPS мощностью 1000 Вт. Он уточнил, что освещение HPS обеспечивает PAR (фотосинтетически активное излучение) -полосное PPFD (плотность фотосинтетического фотона) 65 мкмоль / м2 / сек по сравнению с 84 мкмоль / м2 / сек для светодиодного освещения - с такими переменными, как высота скамьи, температура, и включение / выключения постоянного освещения. Ньюмен проводил измерения ночью, чтобы гарантировать, что уровни PPFD были бы точными, только с защитным светом, обеспечивающим диапазон 0,47 мкмоль / м2 / сек при рассеянном свете.

Изученный сорт растения был разновидностью бегонии Bada Bing Scarlet. Ньюмен выставил рядом фотографии растений, выращенных без дополнительного освещения, с дополнительным освещением HPS и со светодиодным дополнительным освещением. Растение, которое выращивалось при свете HPS, было значительно меньше, чем два других. Ньюмен классифицировал это как страдание от «задержки роста». Он сказал, что не может точно объяснить негативное влияние осветителя, но предположил, что оно могло быть связано с спектральным распределением мощности (SPD) освещения HPS.

Растения, выращенные без дополнительного освещения и под светодиодами, оказались примерно одинаковыми по высоте. Но растения, выращенные под светодиодным освещением, оказались более плотными.

РИС. 2. Питер Барбер из SETi объяснил, как УФ-освещение может влиять на производство вторичных метаболитов в растениях, изменяя вкус и другие качества.

Затем Ньюмен показал похожие фотографии петунии TriTunia Pink Veined petunias (рис.1). В этом случае растение, выращенное без дополнительного освещения, было явно выше, чем у росшего под светодиодным освещением, но Ньюмен предостерег, что требуется более пристальный взгляд на данные растения. Ньюмен показал, что компактность растения, выращенного под светодиодным освещением, по сравнению с недостаточной жесткостью растения, выращенного без дополнительного освещения, означает, что более компактное растение с большей вероятностью переживет перемещение через все перипетии крупной розничной торговли, чтобы быть успешно пересаженным в сад потребителя. Между тем, растение, выращенное под HPS, не имело явного цветения, тогда как у двух других было хорошее цветение.

Как новое направление в освещении может помочь сократить энергозатраты в тепличном хозяйстве

Данная тема крайне детально исследована Мошковым, опубликована книга "Актиноритмизм растений". Тираж очень маленький. Будет нечем заняться, отсканирую.
По технической части:
Основные понятия о свете и светотехнике
Свет
Видимый глазом диапазон спектра электромагнитного излучения с длинами волн ~380—780нм – волны разной длинны воспринимаются как отдельные цвета, все вместе как белый свет.
Интенсивность поглощения растением света разной длины волн
Цветовая температура – (CCT – Correlated Color Temperature)
Обозначение примерного спектрального состава излучаемого света – Единица измерения: Кельвин (K)
>4000K – холодный свет (Cool light) – излучение распределено по всему видимому диапазону
>5000K – дневной свет (Day light) – преобладание излучения в синей части видимого диапазона
>8000K – ультрафиолет (Black light) – ультрафиолетовое излучение
Лампы с одинаковым обозначением цветовой температуры могут иметь разный спектральный состав излучаемого ими света, обусловленный технологией производства.
Примечание: цветовая температура солнца равна ~5800K
Люмен (Lumen)
Единица измерения светового потока (обозначение: Лм, Lm)
Люкс (Lux)
Единица измерения освещенности, лк=лм/м^2 (обозначение: Лк, Lx)
Световая отдача (энергоэффективность)
Эффективность преобразования электричества в свет (Люмен на Ватт – Лм / Вт)
Маркировка энергоэффективности
Лампы бытового назначения должны иметь маркировку энергоэффективности.
Люминесцентные и энергосберегающие лампы – Классы A и B
Галогенные лампы – Класс D
Лампы накаливания – Классы E и F
МГЛ и ДНаТ лампы не обязаны иметь эту маркировку т.к. не являются бытовыми.
Наиболее подходят для оранжерейного проектирования лампы ДНаТ и ДНаЗ. Добавлять синий спектр можно лампами ДРЛ. Так же можно использовать энергосберегающие лампы, по эффективности они на втором месте. Растения могут отличаться требованием к спектральному составу света, так высокогорные растения требуют больше синих диапазонов, чем равнинные.