Светодиоды в растениеводстве: энергосберегающий подход к улучшению урожая

Светодиоды в растениеводстве: энергосберегающий подход к улучшению урожая

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:

Какие преимущества использования светодиодов в растениеводстве

1. Светодиодные панели и фитосветильники отлично подходят для домашних оранжерей, зимнего сада, гроутентов, т. к. выделяют значительно меньше тепла (по сравнению с ДНаТ). Поэтому при их использовании не потребуется отдельный вентилятор для отвода горячего воздуха, как с натриевыми лампами. Оптимальная высота подвеса – 30-50 см от верхних листьев растения.
2. LED-светильники не требуют дополнительных устройств, таких как ПРА и ИЗУ, которые необходимы для подключения натриевых ламп. Светодиодные панели и светильники подключаются стандартным проводом непосредственно к сети 220В, благодаря этому практически исчезает риск пожара или короткого замыкания.
3. Благодаря своей конструкции светодиод формирует строго направленный пучок света и рефлектор (отражатель) для него не требуется.
4. Светодиодные лампы потребляют в 4-5 раз меньше электричества, чем натриевые лампы. Заявленная производителем потребляемая мощность на самом деле будет еще ниже, т. к. она лишь указывает на размер кристалла и его потенциал, а ток подается меньше. Например, реальное энергопотребление лампы 15 Вт = 8,5 Вт.
5. Долгий cрок службы – до 50000 часов. При условии, что выбранный вами светильник или лампа не будут перегреваться и перегорать.
6. Быстрый монтаж.
7. Не требует постоянного контроля и предварительной подготовки площади для размещения.
8. Диодная подсветка растений безвредна человеку и окружающей среде – не содержит ртути и других опасных веществ.

Как светодиоды влияют на рост и развитие 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 типы растений наиболее подходят для выращивания при помощи светодиодов

В дополнение к энергосбережению и защите окружающей среды, Светодиод имеет множество характеристик, отличающихся от других источников света.. Это источник освещения четвертого поколения.. Благодаря богатому спектру длин волн, свет, излучаемый светодиодами, соответствует спектральному диапазону морфогенеза и фотосинтеза света растений., поэтому светодиод особенно подходит для выращивания растений.
Преломляя спектр, угол преломления световых волн разной длины различен. Таким образом, мы можем получить чистый монохроматический свет и составной спектр по мере необходимости, и может концентрировать свет определенной длины волны для равномерного облучения сельскохозяйственных культур.. Контролируя изменение освещения для регулирования прорастания, рост, и плодоношение сельскохозяйственных культур, он также может контролировать тенденцию роста и питательные вещества сельскохозяйственных культур.. Светодиодные лампы для выращивания растений можно использовать в многослойной трехмерной комбинированной системе культивирования для реализации миниатюризации производственного пространства и низкой тепловой нагрузки.. Кроме того, Высокая долговечность и низкая мощность светодиодных светильников для выращивания растений сокращают эксплуатационные расходы.. Благодаря этим замечательным характеристикам, Светодиоды очень подходят для выращивания растений., например, выращивание рассады, культура растительной ткани, объект садоводства, и даже аэрокосмическая экологическая система защиты жизни.

Как светодиоды могут улучшить урожайность растений

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 светодиоды могут помочь сократить затраты на энергию в растениеводстве

В исследованиях, проведенных в ГНУ ВНИТИП Россельхозакадемии, по изучению сравнительной эффективности традиционных ламп накаливания, компактных и обычных люминесцентных ламп белого холодного (4500–6500 К) и теплого (2700–3500 К), а также красного, синего, зеленого цвета свечения и светодиодных светильников той же цветовой температуры и различной доминирующей длины волны, соответствующей красному (625–635 нм), зеленому (525–545 нм) и синему (460–475 нм) цвету освещения, в частности, при содержании яичных кур промышленного стада, было установлено, что среди испытанных источников наиболее эффективными являются светодиодные светильники теплого белого (2700–3500 К) спектра. Использование указанных светильников по сравнению с другими испытанными источниками освещения позволяет существенно повысить производственные показатели промышленного стада кур-несушек; подобные результаты получены и для выращивания цыплят-бройлеров. В настоящее время на способ содержания сельскохозяйственной птицы с использованием светодиодного освещения специалистами ООО «Техносвет групп» совместно с научными работниками Всероссийского научно-исследовательского и технологического института птицеводства (г. Сергиев Посад) получен патент на изобретение. Кроме того, специалистами компании активно изучается влияние светодиодного освещения в растениеводстве, которое, по предварительным данным, позволит существенно повысить производственные показатели при выращивании растений за счет применения монохромного светодиодного освещения различной длины волны.

Какие типы светодиодов наиболее эффективны для выращивания растений

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 можно оптимизировать использование светодиодов в растениеводстве

УДК 635.012

СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР

С. Д. Малахова, к. б. н, доцент кафедры

агрономии Калужского филиала Российского

государственного аграрного университета —

МСХА имени К. А. Тимирязева, г. Калуга,

,

М. В. Тютюнькова, к. б. н, Калужский

государственный университет

им. К. Э. Циолковского, г. Калуга,

,

З. С. Федорова, к. с.-х. н., доцент кафедры

агрономии Калужского филиала Российского

государственного аграрного университета —

МСХА имени К. А. Тимирязева, г. Калуга,

,

Е. В. Демьяненко, к. с.-х. н., доцент кафедры агрономии Калужского филиала Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К. А. Тимирязева, , г. Калуга, Россия

В ходе исследований изучено влияние светодиодного фитоосвещения на рост овощных культур в закрытом грунте. В рамках данной работы была разработана программа испытаний, осуществлено плановое проведение экспериментов над сортами огурцов, сладкого перца при вариативном воздействии фитосвета, химического состава полива, температуры и концентрации углекислого газа, проведены анализы продукции на соответствие нормируемым показателям. Доказано, что рассада при правильно подобранной до-светке растет почти вдвое быстрее, а впоследствии позволяет получать первые плоды на 2—3 недели раньше обычного.

В результате эксперимента получено доказанное обоснование возможности значительной экономии электроэнергии для тепличного выращивания распространенных сортов огурцов и сладкого перца при использовании фито-светильников марки Pandora LED. Себестоимость овощей за счет повышения урожайности снижается на 15—20 %.

In the course of research, the influence of led phyto-light-ing on the growth of vegetable crops in greenhouses was studied. As part of this work, a program of tests was developed, planned experiments were carried out on various varieties of cucumbers, sweet peppers under variable influence of phyto-light, the chemical composition of irrigation, temperature and concentration of carbon dioxide, product analysis for compliance with the normalized indicators. It is proved that the seedlings grow almost twice as fast when properly selected, and then allows you to get the first fruit 2—3 weeks earlier than usually. As a result of the experiment, a proven justification for the possibility of significant energy savings for greenhouse cultivation of common varieties of cucumbers and sweet peppers using phyto-lamps of the Pandora LED brand was obtained. The cost of vegetables due to the increase in yield is reduced by 15—20 %.

Ключевые слова: светодиодные лампы, овощные культуры, рост растений, развитие растений, спектр, минеральная вата, фенологические наблюдения, биометрический анализ.

Keywords: led lamps, vegetable crops, plant growth, plant development, spectrum, mineral wool, phenological observations, biometric analysis.

Введение. Каждый организм непрерывно связан с различными компонентами среды (почва, воздух и т.д.) и испытывает их влияние . Факторами, лимитирующими вегетативный и генеративный рост растений, являются свет, вода, температура, питание, грунт, стабильность. Так как лимитирующим фактором является и освещение, именно поэтому необходима досветка (т.е. искусственное продление светового дня).

Светодиодное освещение все ч аще используется в растениеводстве, в том числе для теплиц и закрытых «вертикальных ферм» . Для удовлетворения потребностей растениеводческой промышленности разработчикам таких систем необходимо понимать требования, которые предъявляются к спектральному распределению энергии для фотосинтеза, обеспечивающему оптимальное состояние растений и их рост .

По показателю энергосбережения светодиод — явный лидер среди других источников освещения. Большим преимуществом свето диода является тот факт, что применение светодиодов дает возможность регулировать спектр освещения, а следовательно, интенсивность воздействия на растения .

Материалы и методы. Целью исследований являлось изучение влияния светодиодного фитоосвещения на рост овощей в закрытом грунте и документирование оптимальных агротехнологий для использования фитосветильни-ков марки Pandora LED для тепличного выращивания овощей.

Компанией «Pandora LED» были созданы несколько моделей светодиодных фитосветильников, в том числе с раздельно управляемыми спектральными каналами. Данная концепция позволяет формировать суммарное излучение с заданной интенсивностью диапазонов длин волн,

соответствующих различным видам светодиодных матриц Pandora. Управление мощностью каждого канала осуществляется дистанционно беспроводным способом при помощи BlueTooth-интерфей-са специальной программой от производителя. Существует также промышленная модификация данных светильников с PLC-управлением.

Какие проблемы могут возникнуть при использовании светодиодов в растениеводстве

Ключевые слова

БИОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ / ВИТАМИН С / ЗАЩИЩЕННЫЙ ГРУНТ / ИННОВАЦИИ / КАПУСТА / ЛУК / ОПЫТ / ОСВЕЩЕНИЕ / ОЦЕНКА / РОСТ / РАЗВИТИЕ / САЛАТ / СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО / СВЕТОКУЛЬТУРА / СВЕТИЛЬНИКИ-ОБЛУЧАТЕЛИ ТЕПЛИЧНЫЕ СВЕТОДИОДНЫЕ / ТОВАРНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ / ПРОДУКЦИЯ / ФОТОСИНТЕЗ / ЭКОНОМИКА / ЭФФЕКТ / ЭФФЕКТИВНОСТЬ / BIOCHEMICAL COMPOSITION / VITAMIN C / PROTECTED GROUND / INNOVATION / CABBAGE / ONIONS / EXPERIENCE / OS LIGHTING / ASSESSMENT / GROWTH / DEVELOPMENT / SALAD / AGRICULTURE / LIGHT CULTURE / LAMPS / LED REFLECTORS FOR GREENHOUSE / PRODUCT CAPACITY / PRODUCTION / PHOTOSYNTHESIS / ECONOMY / /

аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — курьянова ирина викторовна, олонина светлана игоревна

Введение. Статья посвящена исследованию и оценке влияния различных спектров светодиодного светильника на рост и развитие овощных культур, выявления эффекта от его применения. Материалы и методы. В тепличных комбинатах для досвечивания овощных культур традиционно используются натриевые лампы низкого давления ДНАТ. В настоящее время исследовательский интерес представляет использование светодиодных светильников в целях оптимизации светового режима, изучения их влияния на рост урожайности, биохимический состав и эффективности производства овощей в светокультуре , особенно в условиях Нижегородской области. Эксперимент проведен на растениях, выращиваемых в условиях вегетационного опыта в лаборатории Нижегородской ГСХА при круглосуточном освещении . В эксперименте были использованы салат (сорт Кучерявец Одесский), капуста белокочанная (сорт Слава 1305) и лук репчатый (сорт Штуттгартер Ризен). В опыте применены светильники-облучатели тепличные светодиодные для светокультуры растений ОТС-1 (ООО «Солнышко», г. Нижний Новгород). Расстояние между светодиодным светильником и растениями составляло 0,5 м. В каждом варианте анализировали по 10 растений. Продолжительность опыта составила: лук на перо (товарная продукция ) 18 суток, салат (товарная продукция ) 30 суток, капуста белокочанная (рассада) 38 суток. Показатели фотосинтетической активности листового аппарата определяли по Ничипоровичу. Результаты. На основании проведенных опытов выявлено, что растения капусты белокочанной и салата лучше развивались под светодиодными светильниками (спектр красный, синий + призмы). Экспериментальные данные по биохимическому составу листьев лука репчатого, выращенного при разных спектрах светодиодных светильников, показали наибольшее накопление витамина С . Заключение. Светодиодные светильники с различным спектром излучения могут служить альтернативным источником освещения растений при выращивании культур в защищенном грунте , а также положительно влияют как на рост биомассы, пищевую ценность растений и эффективность производства культуры.