Светодиоды в растениеводстве: как они влияют на рост и развитие растений

Светодиоды в растениеводстве: как они влияют на рост и развитие растений

Благодаря физическим свойствам светодиодов (СД) светильники на их основе позволяют выращивать различные растения и собирать урожай в местах, где мало солнечного света . Также их можно применять в садах с экзотическими растениями, которые требуют особого освещения. Они дают возможность заниматься разведением растений даже в самых не подходящих для этого местах.

СД дают возможность подобрать спектр света с той длиной волны, которая оказывает самое благоприятное действие на рост и плодоношение растений. Создаются самые благоприятные условия для фотосинтеза, агрокультуры растут быстрее и при этом становятся более здоровыми . Применять такие светильники можно на любой стадии вегетации — цветении, плодоношении. Таким образом, выращивание растений и плодов становится доступным и менее затратным, да и вообще, применение светодиодов в сельском хозяйстве способно принести значительную выгоду, в первую очередь благодаря цветным СД .

Современные СД перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения СД в красной области спектра составляет от 620 до 635 нм, в оранжевой — от 610 до 620 нм, в желтой — от 585 до 595 нм, в зеленой — от 520 до 535 нм, в голубой — от 465 до 475 нм и в синей — от 450 до 465 нм. Таким образом, составляя комбинации из СД разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне . Это обеспечивает особые преимущества для растениеводства, поскольку, в отличие от традиционных источников света, таких как лампы накаливания (ЛН) и газоразрядные лампы (ГРЛ), СД можно подобрать по спектру излучения под полосы поглощения хлорофилла в растениях. Благодаря определенной длине волны, линейной (до определенных значений) зависимости выхода излучения от протекающего тока, меньшей мощности и, как следствие, снижению потребляемой электроэнергии и выделению меньшего количества тепла, светодиоды содействуют здоровому развитию растений. Они не только являются экономически эффективным решением, но и повышают возможность сельхозпроизводителей контролировать этот процесс.

Связанные вопросы и ответы:

Какие типы светодиодов наиболее эффективны для растениеводства

Светодиодные кристаллы излучают практически монохромный свет, зависящий от материала полупроводника.
Чтобы получить желтый, белый либо тот же «полный для растений» спектр излучения — применяют люминофорное покрытие, которое преобразовывает первичное излучение во вторичное  методом фотолюминесценции
Обычно такой светодиод состоит из корпуса с подложкой и выводами, на которые припаивается или приваривается кристалл светодиода, силиконовой линзы, формирующей направление излучения, прокладки с люминофором и защитного колпачка из прозрачного пластика.

В такой конструкции чаще всего используются наиболее яркие светодиодные кристаллы с синим и фиолетовым спектром.
Инженеры всего мира бьются за увеличение светоотдачи и улучшения спектра и других характеристик светодиода. Наши же китайские друзья, прикрываясь высокими технологиями, ищут пути снижения стоимости товара и завоевания рынка, от банального обмана (те же китайские ватты чего стоят))), до поиска наиболее дешевых компонентов.
Для того чтобы немного разобраться с конъюнктурой рынка светодиодов для растений, я
приобрел несколько наборов 3-х ваттных «бусин» разных производителей:

На первый взгляд все они похожи как однояйцевые близнецы )))

А вот включение светодиодов выявило интересную особенность.
Если светодиоды Epiled и Bridgelux за люминофором имеют квадратный кристалл 42mil или 45mil

То кристалл Epistar имеет явно прямоугольную форму

Поиск на сайте производителя  действительно показал наличие прямоугольных кристаллов 30x43mil различной мощности

Вольт-амперная характеристика показала явное отличие кристаллов

Наибольшее падение напряжения на кристалле, а значит и электрическую мощность показал желтый светодиод. Наименьшую — Epistar
Характеристики 440 и 660нм светодиодов сюда приводить не стал, их можно  посмотреть в этом обзоре
Спектральный анализ при помощи ювелирного спектрометра  показал, что светодиоды для растений имеют характеристики близкие к заявленным

Так как точного спектрометра у меня нет, сравнить количественные составляющие спектра не представляется возможным.

Как светодиоды влияют на фотосинтез растений

Обычно рост и развитие растений зависит от солнечного света, но фабричное производство овощей, цветов и других товарных культур, культивирование тканей и размножение рассады in vitro и т. д. Также нуждаются в искусственном освещении в качестве дополнения к свету, чтобы способствовать фотосинтезу. .
Фотосинтез - это процесс, при котором зеленые растения используют световую энергию через хлоропласты для превращения углекислого газа и воды в организм, накапливающего энергию, и выделения кислорода. Ключевой игрок в этом процессе - хлоропласты в клетках растений. Под действием солнечного света хлоропласты превращают углекислый газ, поступающий в лист через устьица, и воду, поглощаемую корнями, в глюкозу, одновременно выделяя кислород.
Световая система, в которой происходят световые реакции, состоит из различных пигментов, таких как хлорофилл а, хлорофилл b, каротиноиды и т. д. Основное поглощение хлорофилла а, хлорофилла b и каротиноидов находится в диапазоне от 450 до 660 нм на спектрограмме, чтобы способствовать фотосинтезу. В настоящее время на рынке в основном используются светодиоды глубокого синего цвета с длиной волны 450 нм и красные светодиоды с длиной волны 660 нм, а также добавлены некоторые комбинации белых светодиодов для достижения эффективного дополнительного освещения светодиодных установок.
Чтобы иметь возможность воспринимать интенсивность света, качество света, направление света и световой период окружающей среды и реагировать на ее изменения, растения разработали светочувствительную систему.
Фоторецепторы являются для растений ключом к ощущению изменений во внешней среде. Наиболее важными фоторецепторами растений являются фитохром, который поглощает красный / дальний красный свет.

Могут ли светодиоды заменить естественный свет для растений

Светодиодные лампы для выращивания растений предназначены для искусственного освещения растений, имитирующего длину волны солнечного света. Основная цель использования этих светильников — стимулировать фотосинтез в комнатном садоводстве или садоводстве. Эти светильники доступны в различных длинах волн цветов в зависимости от разных стадий роста растений. Например, спектры синего света длиной 400–500 длин волн подходят для вегетативных стадий растений. Опять же, на стадии цветения вам понадобится светодиодная лампа красного спектра с длиной волны 600-700 нм.

Эти светильники обычно используются на промышленном уровне в пищевой промышленности. Помимо светодиодов, в качестве освещения для растений также используются другие технологии освещения, такие как HID, люминесцентные лампы и лампы накаливания. Но светодиодные лампы для выращивания растений являются наиболее популярным вариантом, поскольку они могут производить самую высокую фотосинтетически активную радиацию (ФАР) из всех источников света. Кроме того, они доступны в разных цветах; Лампы полного спектра также популярны в качестве светодиодных светильников для выращивания растений. Прежде всего, светодиоды гораздо более энергоэффективны, чем другие технологии освещения. Чтобы узнать больше о светодиодном освещении для выращивания растений и его механизме, проверьте это: Что такое светодиодный светильник для выращивания растений и как он работает?

Как выбрать подходящий спектр светодиодов для определенного типа растений

Казалось бы, досветка растений в помещении не должна вызывать особых вопросов: стоит выделить цветку персональный светильник и результат будет отличным. Но это не совсем так.

Для человека свет, главным образом, связан с определенными зрительными ощущениями. При достаточном освещении нам легче ориентироваться в пространстве и рассмотреть детали предметов, а наступление темноты сигнализирует о необходимости отхода ко сну. Что же касается растений, то для них освещенность означает гораздо больше, ведь в определенной степени они употребляют свет «в пищу». В этой связи для них важно не только количество, но и качество света.

Как вы знаете из школьного курса биологии, основа жизнедеятельности растений — фотосинтез. Вследствие этого сложного химического процесса вода и углекислый газ преобразуются в кислород и сахарозу при участии света, в результате чего происходит рост зеленой массы. Но помимо всем известного фотосинтеза, важно знать и о существовании такого явления, как фотоморфогенез. Говоря простыми словами, под влиянием световых лучей разного спектра активизируются такие процессы, как прорастание семян, рост корневой системы, цветение и созревание плодов.

Поэтому, выбирая лампу для освещения растений, важно учитывать спектральный состав излучаемого прибором света и принимать во внимание некоторые другие показатели. Давайте попробуем разобраться, по каким характеристикам можно определить, подойдет ли та или иная конкретная лампа для освещения растений.

Как светодиоды влияют на урожайность растений

От экспериментов ученых-аграриев и тепличных хозяйств с LED-освещением с нетерпением ждут результатов и производители светодиодных светильников, которых только в России уже насчитывается несколько десятков. Сейчас в РФ до половины продаваемых светильников — светодиодные, выручка от их продаж составила в 2018 году 140 млрд рублей. По данным различных исследователей, при активном росте площадей под теплицы лишь каждая пятая из них будет работать с LED-освещением. Отсюда и пессимизм производителей такого оборудования. В частности, изучает вопрос выхода на аграриев один из российских лидеров по производству и экспорту тепличных светильников компания НФЛ. «Мы пока не разрабатываем LED-панели для теплиц, потому что натриевые лампы в промышленных масштабах дают урожайность порой вдвое большую, чем светодиодные, — говорит коммерческий директор НФЛ Валерий Лебедев . — На наших светильниках крупнейшие комплексы страны получают по 215 килограммов огурца в год с квадратного метра, на светодиодах от ведущих производителей — только 118 килограммов». Плюс к этому светодиодные панели вдвое-трое дороже натриевых установок, а срок их окупаемости вдвое выше, от восьми до десяти лет. «Качественное светодиодное освещение от европейского производителя действительно дорогое, однако его аналоги от других производителей выходят из строя задолго до окончания срока эксплуатации, — возражает Александр Межуев. — Зачастую проекты с нашими светильниками выходят на полную окупаемость в течение трех-пяти лет». «Да, мы понимаем, что вскоре все изменится, когда будут подобраны эффективные спектры для конкретных культур и сортов, поэтому продолжаем следить за этой темой и всегда готовы к ней подключиться, особенно с учетом того, что и сами светодиоды должны подешеветь», — не теряет надежды и Валерий Лебедев.

Могут ли светодиоды быть использованы для выращивания растений в закрытых помещениях

Этот тип освещения тоже можно отнести к бытовому сегменту. Прожекторы применяются для уличного освещения. Для них будет справедливым всё, что я написал выше о бытовых светодиодных лампах. Отличаться они будут большей пылевлагозащищённостью и большей вариацией мощностей.

В отделе «Свет» строительных супермаркетов вы найдёте прожекторы мощностью от 5 до 300 Вт — это довольно большие и эффективные источники света. Спектр у них в основном холодный белый — как раз то, что нам нужно.

Подключаются прожекторы к электрической сети просто: есть три провода — фаза (коричневая жила), нейтраль (голубая жила) и заземление (жёлто-зелёная жила), просто соединяем трёхжильным проводом с электрической вилкой. Но если вы далеки от электрики, для подключения прожекторов лучше обратитесь к специалисту.

Светодиодный прожектор мощностью 30 Вт. Служил мне верой и правдой около трёх лет, некоторые светодиоды выгорели, но это не критично. Фото автора.

Я несколько лет использовал такие прожекторы в качестве основного источника света в своей квартирной сити-ферме. Под прожекторами хорошо растут практически все культуры, от микрозелени до рассады и деревьев бонсай. Из плюсов отмечу доступность, высокую эффективность при низком энергопотреблении, простоту подключения, эксплуатации и замены. В отличие от люминесцентных ламп прожекторы компактны и имеют современный, эргономичный дизайн. К минусам я бы отнёс то, что прожекторы мощностью от 30–50 Вт уже довольно сильно греются.

Если вы выращиваете растения в закрытой комнате, то может потребоваться проветривание, обдув вентиляторами или охлаждение кондиционером.

Второй минус — мерцание. Не все производители ответственно относятся к соблюдению технологии, это раз. А два — поскольку прожекторы уличные, требования к ним ниже. Мерцание не всегда различимо глазами, но если посмотреть на прожектор через камеру телефона, то на прожекторах низкого качества это мерцание будет очевидным. Если прожектор работает в жилом помещении, то мерцание может плохо сказываться на здоровье людей, может ухудшиться зрение, начать болеть голова. Имейте это в виду при выборе оборудования.

Площадь засветки у прожектора выше, чем у ламп, я бы рекомендовал размещать их не ниже 50 см от края лотка с микрозеленью.

Продаются прожекторы, как и светодиодные лампы, везде. За прожектор мощностью 50 Вт вы отдадите от 400 рублей, 100 Вт — от 600 рублей.

Как светодиоды влияют на потребление воды растений

Не будь растений, Землю населяли бы лишь простейшие бактерии и грибы.

Однако солнечный свет не­однороден, мы это видим всякий раз, когда на небе появляется радуга. В процессе экспериментов Тимирязев выяснил, что из всего радужного спектра растение использует для фотосинтеза только красные и синие лучи. Зелёные растениям совершенно не нужны, они их отражают, и потому, кстати, мы воспринимаем листья окрашенными в зелёный цвет.

Последующие исследования физиологов показали, что и невидимое нами ультрафиолетовое излучение также влияет на развитие растений. Оно препятствует вытягиванию стеблей, делает их более приземистыми и коренастыми. Именно поэтому опытные огородники стремятся как можно раньше вынести рассаду овощей и цветов на открытый воздух – ведь оконные стёкла ультрафиолет не пропускают.

Выращивание растений при искусственном освещении получило название «свето­культура». Промышленное использование этого метода стало экономически выгодным при появлении современных светодиодов. Они потребляют намного меньше энергии, чем лампы накаливания или люминесцентные лампы. Более того, конструкция светодиодов такова, что их можно настроить на излучение световых волн любой длины, или, иначе, любого цвета. Ведь в условиях светокультуры совсем необязательно воспроизводить весь солнечный спектр. Для экономии электроэнергии вполне достаточно обеспечить растения только красными и синими лучами. Такие промышленные светильники, дающие непривычное для нашего глаза «марсианское» освещение, сегодня успешно используются и в любительском садовод­стве. Они несколько дороже традиционных, но зато более экономичные. Кроме того, есть техническая возможность устанавливать светодиоды, излучающие ультрафиолет. Таким образом, рассада с самого молодого возраста адаптируется к этому виду излучения и при высадке в грунт не получает солнечных ожогов.

Как светодиоды влияют на развитие и рост растений

Хотя выращивание картофеля для выживания на Марсе и кажется научно-фантастическим сюжетом, большая часть ранних исследований светодиодного освещения растений была проведена учеными, связанными с Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Уже в 1980-е годы исследователи начали оценивать, как светодиодные системы освещения могут обеспечить здоровый рост растений в неблагоприятных условиях, а также какое влияние эта новая технология может оказать на такие серьезные мировые проблемы, как засуха, мор и голод.

Поскольку синие светодиоды еще не были доступны, ранние эксперименты были ограничены матрицами из красных светодиодов. Исследования в области промышленного применения светодиодов ускорились в 1990-е годы в результате ряда технологических новшеств, которые повысили светоотдачу и увеличили диапазон доступных цветов, включая синий, зеленый, белый и др.

Это приносит огромную пользу ученым, работающим в области агрофотоники, для которых светодиоды представляют собой «первый источник света с возможностью настоящего управления спектром, что позволяет согласовать длины волн с фоторецепторами растений для обеспечения наиболее оптимального результата и оказания влияния на морфологию и состав растений» .

Управление спектром — одно из нескольких преимуществ светодиодов перед традиционными системами освещения растений. Среди факторов, способствующих достижению точного спектра для освещения растений, одним из наиболее важных является цветовая температура, измеренная по шкале Кельвина при данной длине волны. Согласно определению, цветовая температура источника света — это температура абсолютно черного тела, которое излучает свет того же оттенка, что и рассматриваемый источник. Солнце близко к черному телу с цветовой температурой около 5900 К. Следовательно, при обсуждении светодиодов следует учитывать, что цвета с КЦТ выше 5000 К, известные как холодные синие, близки к естественному солнечному свету, а с КЦТ ниже 3000 К — известны как теплые красные (рис. 2).

Рис. 2. Синие светодиоды возбуждают красные и зеленые бескадмиевые квантовые точки, в результате чего получается белый свет высокого качества

В поисках света с идеальным спектром, наиболее эффективного для выращивания растений в помещении, на рынке освещения рассматривали различные источники света, вызывающие различные реакции растений. Так, синий свет вызывал вегетативный рост, красный — цветение. Одни из традиционных систем освещения растений специализированы на определенных частях спектра, а другие охватывают несколько длин волн.

Although growing potatoes for survival on Mars may seem like a science fiction plot, a significant portion of early research on LED lighting for plants was conducted by scientists affiliated with NASA. By the 1980s, researchers began to assess how LED lighting systems could provide healthy plant growth in unfavorable conditions and the potential impact of this new technology on global issues such as drought, famine, and overpopulation.

In the early experiments, researchers were limited to matrices of red LEDs. The pace of industrial applications of LEDs accelerated in the 1990s due to a series of technological innovations that increased luminosity and expanded the range of available colors, including blue, green, white, and more.

The Benefits of LEDs for Plant Research

For researchers in the field of agrophotonics, LEDs represent a "first light source with real-time spectral control, allowing for the synchronization of wavelengths with plant photoreceptors to achieve the most optimal results and exert an influence on plant morphology and composition."

The Advantages of LED Lighting

• One of the key advantages of LEDs is the ability to control the spectrum, which is not possible with traditional lighting systems.
• Another important factor contributing to the achievement of a precise spectrum for plant lighting is color temperature, measured on the Kelvin scale at a given wavelength. According to definition, the color temperature of a light source is the temperature of a blackbody that emits light of the same color as the considered source.
• Sunlight is close to a blackbody with a color temperature of around 5900 K. Therefore, when discussing LEDs, it is essential to consider that colors with a color temperature above 5000 K, known as cold blues, are close to natural sunlight, while those with a color temperature below 3000 K are known as warm reds (Fig. 2).

Могут ли светодиоды быть использованы для выращивания лекарственных растений

Существует несколько типов ламп, которые обычно используют для выращивания подобных культур. Мы коротко опишем основные из них и выделим их плюсы и минусы.

• Натриевые лампы (НДР) , широко используются в теплицах и тепличных комплексах для выращивания цветущих и плодоносящих растений. Для рассады — не самый эффективный вариант. Цвет свечения — от жёлтого до красного, преобладает соответствующий спектр. Срок службы 20000-30000 часов.

Плюсы:

• Сравнительно низкая цена;
• Высокая светоотдача;
• Стабильное свечение;
• Высокий КПД: 30%;
• Рабочая температура от -60 до +50 ºС;
• Большой срок службы.

Минусы:

• Ограниченный спектр света, может быть недостаточным для оптимального развития некоторых растений;
• Плохая цветопередача осложняет анализ состояния растений;
• Чувствительны к перепадам напряжения;
• Необходима установка пуско-регулирующей аппаратуры;
• Содержит пары натрия и ртути, поэтому может быть опасна;
• Высокая температура при работе, лампа может обжигать растения и требовать дополнительных мер предосторожности при установке и использовании;
• Длительное время зажигания.
• Металлогалогенные лампы (МГРЛ), также известны как “галогенные” (MH), они обеспечивают спектр света, подходящий для общего развития растений, включая цветение. Срок службы 9000-15000

Плюсы:

• Широкий спектр света;
• Высокая световая отдача;
• Стабильное свечение;
• Хорошая цветопередача.

Минусы:

• Сравнительно высокая стоимость;
• Высокое тепловыделение;
• Низкая энергоэффективность;
• Необходима установка пуско-регулирующей аппаратуры;
• Взрывоопасно при скачках напряжения;
• Нет возможности настраивать спектр;
• Длительное время зажигания;
• Малый срок службы.
• Флуоресцентные лампы (ЛНР) и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), обеспечивают достаточно ограниченный спектр света. Для получения спектра, необходимого растениям, нужно покупать специальные спектральные флуоресцеентные лампы. Срок службы 10000-20000 часов.

Плюсы:

• Высокая энергоэффективность;
• Низкое тепловыделение;
• Доступная цена;

Минусы:

• Ограниченный спектр света — обычные ЛНР и КЛЛ не обеспечивают полный спектр света, необходимый для всех стадий роста растений;
• Низкая светоотдача;
• Потеря качества со временем эксплуатации;
• Содержит пары ртути;
• Сравнительно малый срок службы;
• LED-лампы предлагают регулируемый спектр света, что позволяет настроить его под разные стадии роста растений. Кроме того, LED-лампы более эффективны с точки зрения энергопотребления, что делает их экономичным выбором для выращивания ягодных культур в закрытых условиях. Срок службы от 25000 до 50000 часов.

Плюсы:

• Регулируемый спектр света;
• Высокая светоотдача;
• Высокая энергоэффективность;
• Низкое тепловыделение;
• Компактные размеры, простой монтаж;
• Долгий срок службы

Минусы:

• Сравнительно высокая стоимость;
• Сложность ремонта (впрочем, остальные типы ламп вообще не подлежат ремонту).