Светодиодное освещение для теплиц: преимущества и недостатки

Светодиодное освещение для теплиц: преимущества и недостатки

Главными факторами, обеспечивающими нормальную вегетацию растений, являются температурный режим, влажность и хорошее освещение. При выращивании культур в теплицах важно предусмотреть эффективную осветительную систему, которая бы подходила по интенсивности излучения и имела экономный расход энергии. Таким критериям соответствуют светодиоды. О правилах организации светодиодного освещения в теплицах пойдёт речь в статье.

Какие задачи выполняет освещение в теплицах

В период развития любое растение нуждается в питании. Источником полезных веществ является не только влага и подкормки в почве. Один из главных процессов вегетации – фотосинтез невозможен без света (естественного/искусственного). При обустройстве в тепличных комплексах искусственного освещения важно учесть параметры интенсивности излучения для каждого вида растения и длительность светового дня.

Если вспомогательное освещение в тепличной конструкции отсутствует или его система выполнена с ошибками, то огородников ожидают следующие неприятные сюрпризы:

• цвет зелени теряет насыщенность, листва становится бледной;

• нижняя часть куста желтеет;

• зелёная масса слабо нарастает или вообще тормозит;

• стебли становятся хрупкими, ломаются под весом зелёных плодов.

Предотвратить проблемы поможет искусственная подсветка. Для создания системы потребуется грамотно выбрать светильники с учётом их мощности и диапазона излучаемого света. Также важно предусмотреть регулировку света, благодаря чему можно менять продолжительность искусственной подсветки в зависимости от этапа развития растения и его вида.

Какой должна быть подсветка в теплице

Сразу стоит обозначить роль жёлтых ламп, их можно использовать только при выращивании рассады. Жёлтый диапазон излучений не подходит для выращивания плодоносящих культур. Как вариант обустроить светодиодную систему. Параметры излучения света светодиодов широкие, что даёт возможность производить регулировку тепличных светильников, комбинировать их с естественным светом или дневным типом освещения.

При создании условий для хорошей вегетации учитываются следующие правила подсвечивания в теплице:

• система должна быть оснащена реле, это обеспечивает беспрерывное освещение, при котором солнечный свет меняется светодиодным излучением;

• порядка 6 часов в сутки следует давать растениям отдых, темнота им необходима, так же как и солнце (при постоянном подсвечивании растение отстаёт в развитии, часто сбрасывает листву);

• важно, чтоб материал, используемый для изготовления конструкции, максимально пропускал свет (для культур нет ничего лучше естественного солнечного света, лампы любого свечения полностью не способны заменить его);

• светильники подбираются со свечением, приближённым к естественному свету, от монохромных вариантов стоит отказаться.

Требования, предъявляемые к подсветке

• длительность светового дня – не менее 18-20 часов (на этапе формирования ростков и дальнейшем их развитии), 8-12 часов (на поздних этапах созревания);

• каждый участок должен освещаться равномерно;

• рекомендуемый диапазон излучения – 400-500 нанометров (для молодых ростков), 600-700 нанометров (для формирования цветов и завязей);

• благоприятные цвета излучения – синий, красный;

• на 1 м2 теплицы требуется лампа мощностью в 100 Вт или 15-25 тысяч люкс;

• угол освещения – в диапазоне от 600 до 1200 лк.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое светодиодное освещение для теплиц

Для обеспечения быстрого роста растений и хорошего урожая требуется не только вода и качественная почва, но и оптимальное освещение.

Наиболее актуальна проблема освещения зимой, когда световой день значительно сокращается. Если растения будут получать свет менее 10 часов в сутки, то неизбежно замедление их роста, что недопустимо, особенно при выращивании рассады. По этой причине для обеспечения достаточной освещенности в теплицах используются лампы различных типов, которые включают утром и вечером, тем самым продлевая для растений световой день до 16 часов.

Однако просто повесить в теплице большое количество ламп для подсветки растений недостаточно, потому что при этом могут обгореть нежные побеги и листья. Необходимо произвести точные расчеты, которые учитывают следующее:

• светопроницаемость покрытия теплицы;
• затенение теплицы;
• дизайн размещения.

Выбор элементов освещения для теплиц

Для обеспечения дополнительного освещения в теплицах используют различные типы осветительных элементов.

Традиционные лампы накаливания из-за их низкой эффективности практически не используются для освещения теплиц, особенно в промышленных масштабах, поэтому не стоит даже рассматривать этот вариант.

Люминесцентные лампы уже давно применяются для дополнительного освещения теплиц, и их установка не требует специальной подготовки. Данные осветительные приборы могут монтироваться как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. Люминесцентные лампы имеют оптимальный для растений спектр освещения, долговечны, не нагреваются при работе, недорогие и потребляют мало электроэнергии.

К недостаткам можно отнести низкую светоотдачу, которая зависит от напряжения. При низком напряжении осветительный прибор вообще не запустится. Кроме того, эти конструкции достаточно громоздки и в настоящее время все чаще заменяются более эффективными и компактными источниками дополнительного освещения.

Энергосберегающие элементы освещения просты в использовании, так как в отличие от люминесцентных ламп их можно вкрутить в стандартный патрон. В отличие от люминесцентных ламп они не требуют дополнительного оборудования и относительно недороги. Такие элементы освещения подходят для небольших теплиц.

Натриевые лампы в основном используются в большинстве промышленных теплиц. Эти осветительные элементы имеют спектр, близкий к естественному солнечному свету. Они экономичны и имеют долгий срок службы. К тому же натриевые лампы обладают высокими показателями в диапазоне синего и красного света.

Зеркальные натриевые лампы были специально разработаны для использования в теплицах. Отражающая зеркальная поверхность светильника обладает высокой эффективностью, а благодаря вращающемуся основанию можно направить поток света в нужное место. Кроме того, в комплекте с зеркальными натриевыми лампами идет специальный пускорегулирующий аппарат.

Металлогенная лампа по своему световому спектру считается наиболее подходящей для использования в теплицах. Однако такие осветительные элементы достаточно дорогие и имеют небольшой срок службы, который зависит от частоты включения осветительных приборов. Благодаря своей компактности металлогенные лампочки производят очень мощный поток света.

Светодиодные лампы или led-лампы являются самыми популярными среди всего многообразия осветительных приборов. В настоящее время вы можете купить как отдельные предметы, так и блоки, позволяющие освещать большие площади. Светодиодные лампы для использования в теплицах представлены приборами типа ДС 50, ДС Агро или Агро 66, которые способны обеспечить растения ярким светом, имеют пыле- и влагозащищенный корпус, и специальное покрытие, предназначенное для продления срока службы металла.

Примечательно, что светодиодные лампы отличаются низким энергопотреблением и могут давать красный, синий или комбинированный свет. В настоящее время ведется разработка белых светодиодов, которые способны отдавать весь солнечный спектр, что позволяет выращивать растения полностью на искусственном освещении.

Преимущества использования светодиодных ламп в теплицах

Из основных преимуществ использования в теплицах светодиодного освещения можно выделить несколько моментов:

• Эффективность светодиодных ламп.
• Полученный спектр светового потока может заменить солнечный свет.
• Срок службы светодиодного элемента составляет около 50000 часов.
• Нагрев отсутствует, а значит, устраняет фитофтороз.
• Мгновенное зажигание.
• Устойчивость к низким температурам.
• Для небольшого напряжения.
• Вибрация и тряска не могут повредить эти лампы.

Конечно, стоит отметить единственный недостаток светодиодных лам – достаточно высокая стоимость, которая, однако, является окупаемой и не только за счет экономии электроэнергии, но и за счет того, что при таком свете растения растут и развиваются значительно быстрее.

Какие преимущества имеет светодиодное освещение для теплиц по сравнению с другими типами освещения

Известно, что дневной белый свет состоит из волн с разными длинами волн, которые вместе составляют видимый спектр. Он ограничен длинами волн от 380 нм (фиолетовый) до 780 (красный).

Спектр солнечного излучения

Растения больше всего подвержены воздействию синей, оранжевой и красной областей светового спектра; при воздействии волн этой длины волны фотосинтетические процессы протекают наиболее интенсивно. Перцептивные пики составляют 445 нм и 660 нм. Растения практически не поглощают зеленую и желтую части спектра. Этим и объясняется цвет листьев – от растений отражаются зеленые волны.

Спектр для растений

При этом в разные фазы развития растения требуют разного освещения. Так, при первом активном росте и наборе зеленой массы более полезна синяя составляющая спектра, а в фазе цветения и плодоношения — красная.

Чтобы освещение растений было эффективным, необходимо создать световой спектр, близкий к дневному свету, а еще лучше улучшить красную и синюю части спектра и для экономии средств исключить бесполезную желто-зеленую составляющую.

Спектр светодиодной фитолампы

Не менее важным параметром является световой поток в этом спектре от 400 до 700 нм, или показатель фотосинтетически активного излучения. В характеристиках ламп она обозначается аббревиатурой ФАР и измеряется в микромолях на квадратный метр в секунду — мкмоль/м2 с.

Потребность разных растений в фотосинтетически активной радиации различна, примеры показаны на рисунке. При более низком значении растение будет плохо расти и развиваться, при превышении могут возникнуть ожоги на листьях.

Оптимальная серия PAR для роста и развития различных культур

При расчете КПД ламп иногда используют понятие светоотдачи, или отношения между яркостью и потреблением. Чем выше этот показатель, тем экономичнее использование лампы и ниже затраты на электроэнергию.

Световой эффект различных типов ламп

Оптимальный светильник для освещения теплиц должен обеспечивать свет в правильном спектре с достаточной ФАР, при этом иметь возможность регулировать спектр в зависимости от фазы роста культуры. Этим требованиям отвечают светодиодные фитолампы и светильники, они надежнее и экономичнее других видов ламп.

Здесь таблица представляет собой довольно простую формулу. Освещение должно быть пропорциональным, можно сделать небольшую ошибку +- 10 см, больше приведет к плачевным последствиям.

Формула проста, состоит из двух компонентов:

Вот так можно все посчитать с помощью такой таблицы. Чтобы все сделать хорошо, рекомендуем прочитать две статьи: как выбрать лампы, как сделать освещение в теплице. Прочитав их, вы сразу ответите на многие вопросы.

Сколько нужно света?

Просто оборудовать зимнюю теплицу освещением недостаточно. Необходимо знать нормы освещения в теплицах, сколько света в сутки необходимо тому или иному растению, а также возможности и территорию, которую может освещать конструкция.

В среднем продолжительность светового периода должна составлять от 12 до 16 часов в сутки, период покоя длится около 6 часов. Искусственное освещение в теплице ни в коем случае нельзя использовать круглосуточно, а использовать как продолжение светового дня.

Плодовым культурам и цветам требуется больше света, чем корнеплодам и зелени (салат, укроп, петрушка и так далее).

Учитывая мощность светильника, можно рассчитать освещенность теплицы:

1. 1150 Вт = 60 см²
2. 2250 Вт = 90 см²
3. 3400 Вт = 120 см²
4. 4600 Вт = 200 см²
5. 5.1000 Вт = 250 см²

Учитывая расстояние от растения, можно рассчитать освещенность теплицы в люксах:

Выбираете ночное или дневное освещение для теплиц? При дневном свете рационально было бы использовать приборы, способные снабжать теплицу тем количеством света, которое необходимо растению в период солнцестояния. Плотность подачи световой энергии должна быть в пределах от 400 до 1000 ммоль/м2.

Для ночного освещения можно использовать фотопериодическое освещение. Плотность подачи энергии должна быть в пределах от 5 до 10 ммоль/м2.

Определение количества ламп для подсветки

Многие сегодня предпочитают изготавливать светодиодные светильники для теплиц своими руками. Но прежде чем приступить к работе, необходимо выполнить расчет. Если расчет был неверным, то самодельная светодиодная подсветка даст следующие отрицательные моменты:

• при недостаточном освещении растения будут развиваться медленно;
• при избытке света посадки будут перегреваться и плохо плодоносить.

Расчет основан на следующих показателях:

• тип источника света (светодиод, ультрафиолет, инфракрасный и т д);
• размер освещаемой комнаты;

Размеры теплицы

• тип выращиваемых культур.

Для светодиодных осветительных приборов расчет основан на следующих условиях: 25 Вт/м2. Исходя из этого соотношения, можно быстро рассчитать необходимое количество ламп для данной конкретной теплицы.

Какие недостатки имеет светодиодное освещение для теплиц

• Эффективность, доказанная практикой . Светильники были протестированы в ведущих научных центрах страны — в Академии сельского хозяйства им. К. А. Тимирязева (Москва) и в Институте биофизики СО РАН (Красноярск). Как показали исследования, при выращивании салата под светильниками AtomSvet^®и лампами ДНаТ, «светодиодные» образцы превзошли своих оппонентов и товарным видом, и биомассой – листья салата приобрели более плотную фактуру и насыщенный зеленый цвет, а превосходство в массе составило 14,5%. Результаты, полученные учеными, подтверждают и профессиональные тепличники – специалисты агрокомбинатов «Московский» и «Весна».
• Высокое качество освещения . Светодиодные светильники для помещений теплиц дают излучение с широким спектральным диапазоном, который стимулирует процесс фотосинтеза практически у всех видов сельскохозяйственных культур.
• Энергоэффективность . Согласно данным агрокомбината «Московский» светильники AtomSvet^®BIO, установленные над линией для выращивания салата взамен ламп ДНаТ, снизили уровень энергопотребления в 2,5 раза.
• Длительный эксплуатационный период . Светодиоды и драйверы рассчитаны на 50 000 часов бесперебойной работы. Производитель гарантирует, что в течение 5 лет световой поток будет соответствовать всем заявленным характеристикам. Для сравнения: качество освещения классических ламп снижается уже после трех лет эксплуатации.
• Высокий класс защиты от пыли и влаги — IP67 . Надежная защита от внешних факторов достигается за счет плотного соединения корпуса и плафона, дополнительной герметизации драйвера и заливки электрических схем компаундом.
• Прочность и надежная антикоррозийная защита . Благодаря анодированному покрытию алюминиевый корпус светильника не ржавеет даже в условиях высокой влажности, а прочный рассеиватель из немецкого поликарбоната Makrolon LED выдерживает сильные удары и другие механические воздействия.

Как выбрать оптимальное светодиодное освещение для теплиц

Лампы типа ДНаТ и ДРИ известны человечеству достаточно давно – с начала прошлого столетия точно. Однако широкого распространения для бытовых целей они не получили. Впрочем, не удивительно: требовали подключения только посредством пусковых аппаратов, создавали сильное мерцание, сильно грелись (температура на поверхности колбы достигает +300°C.
Тем не менее, в 70-80-е годы прошлого века именно они совершили в тепличном растениеводстве переворот, показав высокую фотосинтетическую эффективность благодаря спектральному составу излучаемого света, а также его «пробивной» способности. И это несмотря на то, что лампы хоть стали несколько технологичнее, но не избавились от недостатков – просто с этим «научились жить»:

• Совершеннее стали пускорегулирующие аппараты, сводящие мерцание к минимуму.
• Сами лампы стали надежнее и долговечнее.
• Бороться с сильным разогревом лампы и, как следствие, перегревом воздуха в оранжерее, а также световыми и термическими ожогами растений позволили светильники закрытого типа с охлаждающим контуром, а также просчет минимального безопасного расстояния от лампы до верхушек растений, которое в случае с ДНаТ/ДРИ составляет не менее 50 см в зависимости от мощности лампы.

В спектре ДНаТ преобладают красные лучи, поэтому считается, что такие светильники будут более эффективными для освещения цветущих и плодоносящих культур. Но есть и синие лучи, необходимые в период вегетативного роста, что позволяет использовать ДНаТ на всех этапах жизненного цикла растений. При этом наличие минимально достаточного количества синих лучей с небольшим преобладанием красных в пучке света не тормозит вегетативное развитие, а лишь препятствует чрезмерному вытягиванию растений ввысь, делая их структуру более плотной и приземистой.
В спектре ДРИ резко преобладают «холодные» лучи, поэтому данные лампы применяются для освещения вегетирующих нецветущих растений.
Светильники для ламп ДНаТ/ДРИ, как открытые, так и закрытые, оборудуются светоотражателями-рефлекторами для отражения и равномерного рассеивания отраженного пучка света к растениям, что существенно повышает КПД такого светильника, позволяя применять лампы меньшей мощности и сокращать затраты на электроэнергию.
Дуговые лампы в теплицах подвешиваются сверху над растениями с возможностью регулировки высоты положения – по мере роста растений или по необходимости. Мощность подбирается исходя из планируемой площади освещения, светолюбивости культуры и количества поступающего к растениям естественного света, но, как правило, его очень не много, и в расчетах этим количеством пренебрегают.
При этом нужно учитывать, что двукратное увеличение расстояния между лампой и растениями снижает интенсивность светового потока втрое. Но применять слишком мощную лампу, подвешивая ее слишком высоко и стремясь покрыть ее светом как можно большую площадь нерационально – эффекта не будет. Также не стоит применять несколько «маленьких» ламп ДНаТ на той площади, с освещением которой справится одна среднемощная или мощная лампа, а все потому, что большее число ламп меньшей мощности все равно будут потреблять энергии больше, и намного сильнее будут нагревать воздух, потребует применения более производительных и дорогих вытяжных вентиляторов.

Какие факторы следует учитывать при выборе светодиодного освещения для теплиц

В последние годы исследования в Harrow сосредоточились на тестировании различных схем освещения при более длительных фотопериодах (до 24 часов) и сниженной интенсивности света, чтобы найти способы преодоления повреждений от длительного фотопериода. Это было сделано с использованием динамических светильников, способных создавать различные световые спектры с разной интенсивностью в разное время суток.

Динамические схемы освещения для помидоров и результаты:

Первое успешное испытание 24-часового света, проведенное учеными в Harrow, было опубликовано в 2019 году (Lanoue и др., 2019). В нем изучалось производство помидоров в теплице при 24-часовом дополнительном освещении с использованием чередующегося красного света (200 µmol/m^2/с с 6:00 до 18:00) и синего света (50 µmol/m^2/с с 18:00 до 6:00). Это сравнивалось с 12-часовым фотопериодом освещения с красными и синими светами (красный при 200 µmol/m^2/с плюс синий при 50 µmol/m^2/с с 6:00 до 18:00). Освещение применялось с ноября по май. Дополнительное освещение оставалось включенным независимо от уровней солнечного излучения, чтобы обеспечить одинаковый общий DLI для обоих методов.

Растения, выращенные при 24-часовом освещении, росли аналогично тем, которые находились под 12-часовым светом, но они производили на 12% больше листовой поверхности и на 10% больше свежего стебля по весу. Растения при обоих режимах освещения также производили примерно одинаковое количество плодов, но плоды, выращенные при 24-часовом свете, весили на 15% больше, чем плоды, выращенные при 12-часовом освещении. Однако эти различия были видны только в первые недели эксперимента. Растения, выращенные при обоих режимах освещения, были схожими позднее в сезоне роста.

Какие новые технологии и тренды появились в светодиодном освещении для теплиц

Если мы хотим вырастить что-то вкусное и полезное, а света для этого вкусного и полезного не хватает, мы устраиваем подсветку. С помощью искусственного освещения можно в северных странах выращивать растения, которые привыкли к большему количеству света, чем можно получить от северного солнца.

Но искусственное освещение стоит денег, и порой довольно больших. Как пишетсо ссылкой на The Conversation, исследователи из Флоридского университета, расходы на электричество могут превышать 25% от всех расходов, потраченных на выращивание растений при искусственном освещении. Можно ли как-то уменьшить эту цифру?

С одной стороны, кажется, что нельзя. Сэкономить на электричестве означает сэкономить на свете, а растениям свет необходим, пожалуй, более, чем кому бы то ни было – энергия света им нужна для фотосинтеза. Но Кевин Фолта (Kevin M.Folta) и его коллеги решили проверить одну уловку: они разбили свет на порции, чередуя, к примеру, 6 часов света и 6 часов темноты, или 3 часа света и 3 темноты, или час и час и т. д. В целом растения получали столько же света, как и при обычном 12 часовом режиме (то есть 12 часов дня и 12 ночи), однако на них это сказывалось плохо: в статье в Environmental and Experimental Botany говорится, что саженцы капусты, репы и свёклы росли так, как будто они находились в полной темноте. Причина тут вполне понятна: у растений, как и у нас с вами, есть природные суточные ритмы, которые просто не могут приспособиться к ненормальному чередованию света и тьмы.

Однако суточные ритмы растений всё же удалось обмануть. Когда свет стали включать и отключать на пять секунд, саженцы стали расти, как обычно. Очевидно, биологические часы у них просто не успевали отреагировать на такие короткие изменения в освещённости, и аппарат фотосинтеза в темноте продолжал работать так же, как на свету. (Сам по себе этот феномен обнаружили ещё в 1931 году, правда, тогда эксперименты ставили со взрослыми растениями, а не с только что проросшими из-под земли.)

Но будет ли тут выгода с точки зрения экономии электричества и денег, если свет будут гасить на пять секунд и зажигать на пять секунд? Нет, не будет – количество света всё равно будет то же. Однако оказалось, что свет можно включить на пять секунд, а выключить на 10, или даже на 20 секунд – и растения всё равно будут расти так, как будто они растут при нормальном режиме освещённости. То есть своеобразной инерции фотосинтетических комплексов хватает, чтобы после пяти секунд на свету ещё вдвое дольше выполнять какие-то молекулярные процессы. С определённой натяжкой это можно сравнить с дремотой: когда мы дремлем, мы находимся между сном и бодрствованием, и мозг продолжает воспринимать что-то извне.

Пульсирующее освещение с увеличенным периодом темноты позволяет уменьшить расход электричества на 30% и больше. По словам авторов работы, такой трюк сработал не только с капустой, репой и свёклой, но и с салатом-латуком, то есть экономить свет (и деньги) можно с разными растениями, хотя, очевидно, эти эксперименты лучше повторить по возможности для разных сельскохозяйственных культур.

Вопросы экономической эффективности производства в закрытом грунте, потенциал развития данного сегмента рынка, применение различных технологий будут обсуждаться в рамках  Первой международной конференции которая пройдет в городе Днепр (Украина) 22 августа 2019 года.

Использование материалов сайта свободно при наличии прямой и открытой для поисковых систем гиперссылки на конкретную публикацию.

Основные новости и аналитика плодоовощного рынка на Facebook и в Telegram — Подписывайтесь!