Светодиодное освещение для теплиц: сравнение эффективности и экономичности

Светодиодное освещение для теплиц: сравнение эффективности и экономичности

В 2005 году во время весеннего семестра слушатели курса сельского хозяйства Миннесотского Университета получили возможность начать исследования новых альтернативных источников освещения. Объектом исследования стали светодиоды (LED, от англ. light-emitting diod ― светоизлучающие диоды), широко используемые в бытовых и промышленных аппаратах, мобильных телефонах, будильниках и т.д. Светодиоды имеют ряд преимуществ, которые делают возможным их адаптацию для применения в коммерческих тепличных хозяйствах (эти преимущества представлены в таблице 1). Также их изучением занимаются специалисты NASA, которые исследуют возможности светодиодов для выращивания растений в космосе. Несколько космических миссий уже получили урожай салата-латука, соевых бобов и других культур с использованием светодиодных технологий. НА ФОТО: Светодиодное освещение — отличное решение для овощеводства

Светодиоды способны намного увеличить энергетическую эффективность освещения теплиц, что приведет к значительной экономии материальных ресурсов. Несмотря на то, что первоначальные затраты на светодиодное освещение ($1 760) выше, чем на HPS-галогенные лампы ($400), благодаря их долговечности и низкому уровню потребления энергии, экономия за семилетний период составила $2 291.

В ходе исследования сравнивались синие и красные светодиоды с HPS-галогенными лампами, а также контрольная группа тепличных растений, имевших только естественное солнечное освещение.

Таблица 1. Преимущества использования светодиодного освещения по сравнению с HPS-галогенными лампами в тепличных хозяйствах

Простота в использовании	Светодиоды устанавливаются непосредственно в осветительную розетку и не требуют дополнительного охлаждения, пускорегулирующего аппарата и использования отражателей.
Долговечность	Средняя продолжительность жизни светодиодного элемента ― 7–10 лет.
Эффективность	Светодиоды излучают свет в красном и синем диапазоне спектра, которые в основном используются растениями для фотосинтеза.
Не нагреваются	Несмотря на то, что светодиоды на ощупь теплые, они не дают интенсивного теплового излучения, что позволяет размещать их непосредственно над растениями. К тому же это позволяет экономить на охлаждающих установках.
Экономичность	Светодиодам требуется лишь 20–30% энергии от количества, потребляемого HPS-галогенными лампами. Таким образом, они окупаются достаточно быстро.
Вариабельность использования	Если есть необходимость увеличить вегетативную часть растений, можно использовать исключительно синий спектр. Красные диоды могут использоваться для стимуляции цветения и плодоношения. Также они могут использоваться в комбинации для гармоничного развития растения.
Бесшумность	Светодиоды не издают жужжащий или гудящий звук, характерный для пускорегулирующего аппарата люминесцентных или галогеновых ламп. Они абсолютно бесшумны.
Декоративность	Традиционный желтый цвет HPS-галогенной лампы заменяется синим и красным цветами светодиодов.

Связанные вопросы и ответы:

Какие факторы необходимо учитывать при выборе светодиодного освещения для теплиц

В вопросе, какие выбрать лампы для теплицы, нужно учитывать, что:

• волны синего спектра способствуют фотосинтезу;
• красные и оранжевые лучи благотворны для цветения, но их избыток губителен для растения;
• ультрафиолет стимулирует выработку витаминов, что формирует стойкость к холоду;
• желтые и зеленые лучи приводят к деформации саженцев, а также влияют на толщину стебля.

Учитывая свойства света, стоит рассмотреть виды ламп для растений в теплицу с учетом их достоинств и недостатков:

Тип лампы	Достоинства	Недостатки
Накаливания	Отсутствие световых лучей синего спектра, имеется сильный нагрев при работе, что провоцирует ожоги на растения, большой расход энергии.
Люминисцентные	Низкое потребление энергии. Наличие устройств, производящих холодный и теплый свет. Возможность установки горизонтально и вертикально.	Могут не работать при недостатке напряжения.
Натриевые	Оптимальный световой спектр для растений, наибольшее соотношение светоотдачи к расходуемой энергии.	Раздражает глаза человека, поэтому используется только в профессиональных теплицах. Устройства нагреваются, поэтому необходима установка на достаточном расстоянии от растений.
Ртутные	Маленькие размеры, полезный световой спектр, удобство применения ламп зимой.	Требуют бережного обращения, поврежденные устройства предполагают сложную процедуру утилизации.
Металлогалогеновые	Свет полезен для растений, устройство привлекает скромными размерами и продолжительностью службы.	Высокая цена, сильная зависимость от напряжения (недостаток приводит к отказу от работы, а избыток вызывает угрозу взрыва), срок службы сокращается при частых включениях и выключениях.
Светодиодные, также называемыми фитолампами для теплиц	Минимальные энергозатраты, наличие всего необходимого для растений спектра, имеется функция регулировки интенсивности излучения. Лампы не нагреваются, защищены от перепадов температуры и влажности.	Высокая цена, которая окупается путем экономии электроэнергии и долгим сроком службы.

Как светодиодное освещение влияет на рост растений в теплице

Светодиодная лента – это узкая, длиной до 5 метров полоска из гибкого материала – по сути пластичная модификация печатной платы с расположенными на равном расстоянии и с заданной плотностью лед-элементами. Помимо прочих преимуществ, удобство ее использования заключается в легкости монтажа – на обратной стороне имеется самоклеящаяся основа, с помощью которой изделие можно закрепить на элементах металлического каркаса или специального профиля.

Сфера ее применения достаточно широка – ее можно монтировать как для основного, так и для дополнительного освещения теплиц, парников, укрываемых грядок, а также просто на подоконнике с рассадой. Особенно актуально использование такого лэд-светильника при небольшой высоте и достаточной протяженности конструкции под выращивание растений. При выборе светодиодной ленты важно учесть несколько важных параметров:

1. Тип диодов. В основном они характеризуются размером кристаллов 3528, 2835, 5050 и т.д. Основное различие между ними – по интенсивности светового потока. Так, led-элемент 5050 выдает 12 Лм, а 3528 – 5 Лм. Зная требуемую мощность для конкретной культуры, можно подсчитать, какое количество ламп должно быть на 1 метре лед-полоски.
2. Светодиодные ленты, специально выпускаемые для теплиц, имеют заданную периодичность лед-кристаллов, светящих только синим и красным цветом. Данная характеристика указана в маркировке изделия. Например, 15:5 – означает, что 15 красных сменяют 5 синих диодов и такое чередование продолжается по всей длине полоски. Сочетание двух основных сегментов спектра светового потока позволяют оптимизировать и ускорить рост растения.
3. Степень влагостойкости. Для теплиц, оранжерей и парников индекс защиты должен начинаться от IP65 и выше.

Светодиодная лента в отличие от ламп не вырабатывает много тепловой энергии. Это позволяет размещать ее максимально близко к частям растений (до 15 см), без риска опалить их. Благодаря этому повышается светопоглощение и дается возможность снизить мощность освещения и, следовательно, сэкономить на расходе для подсветки теплицы.

Какие типы светодиодных ламп наиболее эффективны для использования в теплицах

УДК 621.327 Я.А. Кунгс, И.А. Угренинов

ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ В ТЕПЛИЦАХ

В статье рассматриваются перспективы внедрения светодиодного освещения в теплицах. Анализируются преимущества и недостатки применения нового метода при искусственном выращивании растений.

Ключевые слова: светодиодное освещение, интенсивность, потребление электроэнергии, теплица.

Ya.A. Kungs, I.A. Ugreninov THE PROSPECTS OF THELED LIGHTING INTRODUCTION IN THE GREENHOUSES

The prospects of the LED lighting introduction in the greenhouses are considered in the article. The advantages and disadvantages of the new method use inthe plant artificialcultivation are analyzed.

Key words: LED lighting, intensity, energy consumption, greenhouse.

В работе исследовано влияние интенсивности и спектрального состава света на эффективность фотосинтеза и продуктивность различных растений. В результате исследований было показано, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растений являются интенсивности в пределах 150-220 Вт/м2, а оптимальный состав излучения имеет следующее соотношение энергий по спектру: 30 % в синей области (380-490 нм), 20 - в зеленой (490-590 нм), 50 % - в красной области (600-700 нм). С использованием такого искусственного освещения получены урожаи, в несколько раз более высокие, чем при обычном освещении, причем за более короткие (в 1,5-2 раза) сроки. Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области спектра составляет 620-780 нм, в оранжевой - 600-620, в желтой - 585-595, в зеленой - 500-570, в голубой -465-490, в синей области - 430-465 нм. Таким образом, составляя комбинации из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне. При исследовании светодиодов как источников освещения нельзя пропустить существенные преимущества, такие, как малую потребляемую энергетическую мощность. Что в свою очередь приводит к низкому потреблению электроэнергии устройствами на основе светодиодов, а в крупных масштабах на примере теплицы экономия электроэнергии будет значительной. К тому же стоит отметить возможность более долгосрочного эксплуатационного времени использования светодиодов, что в несколько раз превышает показатель других источников освещения. Отметим возможность управления интенсивности излучения светодиодного светильника, что в свою очередь позволяет получать различные по составу и интенсивности спектры излучения и в итоге можно подбирать спектры излучения для конкретного этапа роста растения. Отметим, что светодиоды вандалоустойчи-вые и при низком питании не являются источником возникновения пожара. Следует вспомнить и о экологической чистоте и отсутствии проблем с утилизацией.

При исследовании светодиодов как источника освещения для теплиц нельзя проигнорировать мнение критиков. Разберём самые существенные доводы. На наш взгляд, одним из сильнейших аргументов являются вес и габариты световых приборов на основе светодиодов, если сравнивать с НЛВД . Высокая стоимость светодиодов не должна оставаться без внимания при выборе источников освещения. Если взять для примера доводы о том, что большое количество светодиодов в облучателе подталкивает к вопросам о надёжности, тогда лучше обратиться к производителю, который даёт гарантию на светодиодные модули, и уже на основе этих показателей думать о надёжности.

Технические науки

Для сравнения светодиодного освещения и другого источника освещения был выбран проект внедрения светодиодных светильников в растениеводство. Для примера была выбрана теплица агрокомбината, находящегося на юго-западе Московской области. По результатам проекта был составлен технико-экономический расчет, обосновывающий применение светодиодных светильников ХИдМ с потребляемой мощностью 166 Вт (табл.).

Как светодиодное освещение снижает энергопотребление в теплицах

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.

Какие преимущества и недостатки имеет использование светодиодного освещения в теплицах по сравнению с другими типами освещения

Эксперимент по использованию светодиодных светильников для освещения растений проходит на кафедре овощеводства и плодоводства на базе Уральской государственной сельскохозяйственной академии.

Целью эксперимента является проверка способности растений развиваться под светом от полупроводниковых источников излучения (светодиодов) от стадии проращивания до стадии плодоношения (появлений завязей плодов).

Схема проведения эксперимента показана на рис. 4. 

На две соседние полки помещаются ёмкости, засеянные семенами растений. На обеих полках процесс выращивания растений происходит полностью под искусственным освещением. В первом случае используются светодиодные светильники XLight XLD-Line50-Agro (рис. 5), во втором случае – светильники с люминесцентными 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 повторяющихся этапов для подтверждения правильности полученных результатов. В настоящее время завершён первый этап: растения полностью развились от стадии проращивания из семян до стадии плодоношения в лабораторных условиях. Второй этап должен подтвердить преимущества использования светодиодных источников освещения для растений уже в реальных условиях тепличного хозяйства.

Уже сейчас эксперимент показал, что, в отличие от люминесцентных ламп, светодиодный светильник обеспечивает спектр излучения, необходимый для полного цикла выращивания растений от проращивания до цветения и плодоношения, а спектр люминесцентных ламп не позволяет растениям плодоносить, поэтому эти лампы пригодны только для выращивания рассады. Другим преимуществом светодиодных светильников является низкое выделение тепла, поэтому их можно располагать в непосредственной близости от растений без риска нанести им повреждения.

Результаты законченного первого этапа эксперимента показали, что семена, освещаемые светодиодными светильниками, прошли за время эксперимента полный цикл от проращивания до плодоношения, тогда как семена, освещаемые светильниками с люминесцентными лампами, за аналогичное время дошли только до стадии цветения.

Как светодиодное освещение влияет на качество и вкус продукции, выращенной в теплице

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.

Какие технологии используются для производства светодиодных ламп для теплиц

Ключевые слова

СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТИЛЬНИК / НАТРИЕВАЯ ЛАМПА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ / ОБЛУЧЕНИЕ / КАПИ-ТАЛОВЛОЖЕНИЯ / ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЗАТРАТЫ / ПРИВЕДЕННЫЕ ЗАТРАТЫ / ЦЕНОВАЯ КАТЕГОРИЯ / LED LAMP / HIGH PRESSURE SODIUM LAMP / IRRADIATION / CAPITAL INVESTMENT / OPERATING COSTS / REDUCED COSTS / PRICE CATEGORY

аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — галиуллин рустам рифович, каримов ильшат ильгизович

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).