3D сады


Выращивание растений под светодиодным освещением


Освещение растений белыми светодиодами

Экология потребления. Наука и техника: Какое нужно освещение, чтобы при умеренном энергопотреблении получить полноценно развитое, большое, ароматное и вкусное растение?

Интенсивность фотосинтеза под красным светом максимальна, но под одним только красным растения гибнут либо их развитие нарушается. Например, корейские исследователи [1] показали, что при освещении чистым красным масса выращенного салата больше, чем при освещении сочетанием красного и синего, но в листьях значимо меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов. А биофак МГУ [2] установил, что в листьях китайской капусты под узкополосным красным и синим светом (по сравнению с освещением натриевой лампой) снижается синтез сахаров, угнетается рост и не происходит цветения.

Рис. 1 Леанна Гарфилд, Tech Insider — Aerofarms

Какое нужно освещение, чтобы при умеренном энергопотреблении получить полноценно развитое, большое, ароматное и вкусное растение?

В чем оценивать энергетическую эффективность светильника?

Основные метрики оценки энергетической эффективности фитосвета: 

 

  • Photosynthetic Photon Flux (PPF), в микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов света в диапазоне 400–700 нм, которые излучил светильник, потребивший 1 Дж электроэнергии. 
  • Yield Photon Flux (YPF), в эффективных микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов на 1 Дж электроэнергии, с учетом множителя — кривой McCree.

PPF всегда получается немного выше, чем YPF (кривая McCree нормирована на единицу и в большей части диапазона меньше единицы), поэтому первую метрику выгодно использовать продавцам светильников. Вторую метрику выгоднее использовать покупателям, так как она более адекватно оценивает энергетическую эффективность.

Эффективность ДНаТ

Крупные агрохозяйства с огромным опытом, считающие деньги, до сих пор используют натриевые светильники. Да, они охотно соглашаются повесить над опытными грядками предоставляемые им светодиодные светильники, но не согласны за них платить.

Из рис. 2 видно, что эффективность натриевого светильника сильно зависит от мощности и достигает максимума при 600 Вт. Характерное оптимистичное значение YPF для натриевого светильника 600–1000 Вт составляет 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Натриевые светильники 70–150 Вт имеют в полтора раза меньшую эффективность.

 

Рис. 2. Типичный спектр натриевой лампы для растений (слева). Эффективность в люменах на ватт и в эффективных микромолях серийных натриевых светильников для теплиц марок Cavita, E-Papillon, «Галад» и «Рефлакс» (справа)

Любой светодиодный светильник, имеющий эффективность 1,5 эфф. мкмоль/Вт и приемлемую цену, можно считать достойной заменой натриевого светильника.

Сомнительная эффективность красно-синих фитосветильников

В этой статье не приводим спектров поглощения хлорофилла потому, что ссылаться на них в обсуждении использования светового потока живым растением некорректно. Хлорофилл invitro, выделенный и очищенный, действительно поглощает только красный и синий свет. В живой клетке пигменты поглощают свет во всем диапазоне 400–700 нм и передают его энергию хлорофиллу. Энергетическая эффективность света в листе определяется кривой «McCree 1972» (рис. 3). 

 

Рис. 3. V(λ) — кривая видности для человека; RQE — относительная квантовая эффективность для растения (McCree 1972); σr и σfr — кривые поглощения фитохромом красного и дальнего красного света; B(λ) — фототропическая эффективность синего света [3]

Отметим: максимальная эффективность в красном диапазоне раза в полтора выше, чем минимальная — в зеленом. А если усреднить эффективность по сколько-нибудь широкой полосе, разница станет еще менее заметной. На практике перераспределение части энергии из красного диапазона в зеленый энергетическую функцию света иногда, наоборот, усиливает. Зеленый свет проходит через толщу листьев на нижние ярусы, эффективная листовая площадь растения резко увеличивается, и урожайность, например, салата повышается [2].

Освещение растений белыми светодиодами

Энергетическая целесообразность освещения растений распространенными светодиодными светильниками белого света исследована в работе [3].

Характерная форма спектра белого светодиода определяется:

 

  • балансом коротких и длинных волн, коррелирующим с цветовой температурой (рис. 4, слева);
  • степенью заполненности спектра, коррелирующей с цветопередачей (рис. 4, справа).

Рис. 4. Спектры белого светодиодного света с одной цветопередачей, но разной цветовой температурой КЦТ (слева) и с одной цветовой температурой и разной цветопередачей R a (справа) Различия в спектре белых диодов с одной цветопередачей и одной цветовой температуры едва уловимы. Следовательно, мы можем оценивать спектрозависимые параметры всего лишь по цветовой температуре, цветопередаче и световой эффективности — параметрам, которые написаны у обычного светильника белого света на этикетке. Результаты анализа спектров серийных белых светодиодов следующие:

1. В спектре всех белых светодиодов даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, крайне мало дальнего красного (рис. 5).

 

Рис. 5. Спектр белого светодиодного (LED 4000K R a = 90) и натриевого света (HPS) в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B), красному (A_r) и дальнему красному свету (A_fr) В естественных условиях затененное пологом чужой листвы растение получает больше дальнего красного, чем ближнего, что у светолюбивых растений запускает «синдром избегания тени» — растение тянется вверх. Помидорам, например, на этапе роста (не рассады!) дальний красный необходим, чтобы вытянуться, увеличить рост и общую занимаемую площадь, а следовательно, и урожай в дальнейшем. Соответственно, под белыми светодиодами и под натриевым светом растение чувствует себя как под открытым солнцем и вверх не тянется. 2. Синий свет нужен для реакции «слежение за солнцем» (рис. 6).

Рис. 6. Фототропизм — разворот листьев и цветов, вытягивание стеблей на синюю компоненту белого света (иллюстрация из «Википедии») В одном ватте потока белого светодиодного света 2700 К фитоактивной синей компоненты вдвое больше, чем в одном ватте натриевого света. Причем доля фитоактивного синего в белом свете растет пропорционально цветовой температуре. Если нужно, например, декоративные цветы развернуть в сторону людей, их следует подсветить с этой стороны интенсивным холодным светом, и растения развернутся.

3. Энергетическая ценность света определяется цветовой температурой и цветопередачей и с точностью 5 % может быть определена по формуле:

Примеры использования этой формулы:

А. Оценим для основных значений параметров белого света, какова должна быть освещенность, чтобы при заданной цветопередаче и цветовой температуре обеспечить, например, 300 эфф. мкмоль/с/м2:

 

Видно, что применение теплого белого света высокой цветопередачи позволяет использовать несколько меньшие освещенности. Но если учесть, что световая отдача светодиодов теплого света с высокой цветопередачей несколько ниже, становится понятно, что подбором цветовой температуры и цветопередачи нельзя энергетически значимо выиграть или проиграть. Можно лишь скорректировать долю фитоактивного синего или красного света. Б. Оценим применимость типичного светодиодного светильника общего назначения для выращивания микрозелени.

Пусть светильник размером 0,6 × 0,6 м потребляет 35 Вт, имеет цветовую температуру 4000 К, цветопередачу Ra = 80 и световую отдачу 120 лм/Вт. Тогда его эффективность составит YPF = (120/100)⋅(1,15 + (35⋅80 − 2360)/4000) эфф. мкмоль/Дж = 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Что при умножении на потребляемые 35 Вт составит 52,5 эфф. мкмоль/с.

Если такой светильник опустить достаточно низко над грядкой микрозелени площадью 0,6 × 0,6 м = 0,36 м2 и тем самым избежать потерь света в стороны, плотность освещения составит 52,5 эфф. мкмоль/с / 0,36м2 = 145 эфф. мкмоль/с/м2. Это примерно вдвое меньше обычно рекомендуемых значений. Следовательно, мощность светильника необходимо также увеличить вдвое.

Прямое сравнение фитопараметров светильников разных типов

Сравним фитопараметры обычного офисного потолочного светодиодного светильника, произведенного в 2016 году, со специализированными фитосветильниками (рис. 7).

 

Рис. 7. Сравнительные параметры типичного натриевого светильника 600Вт для теплиц, специализированного светодиодного фитосветильника и светильника для общего освещения помещений Видно, что обычный светильник общего освещения со снятым рассеивателем при освещении растений по энергетической эффективности не уступает специализированной натриевой лампе. Видно также, что фитосветильник красно-синего света (производитель намеренно не назван) сделан на более низком технологическом уровне, раз его полный КПД (отношение мощности светового потока в ваттах к мощности, потребляемой из сети) уступает КПД офисного светильника. Но если бы КПД красно-синего и белого светильников были одинаковы, то фитопараметры тоже были бы примерно одинаковы!

Также по спектрам видно, что красно-синий фитосветильник не узкополосен, его красный горб широк и содержит гораздо больше дальнего красного, чем у белого светодиодного и натриевого светильника. В тех случаях, когда дальний красный необходим, использование такого светильника как единственного или в комбинации с другими вариантами может быть целесообразно.

Оценка энергетической эффективности осветительной системы в целом:

Автор использует ручной спектрометр UPRtek 350N (рис. 8).

Рис. 8. Аудит системы фитоосвещения

Следующая модель UPRtek — спектрометр PG100N по заявлению производителя измеряет микромоли на квадратный метр, и, что важнее, световой поток в ваттах на квадратный метр.

Измерять световой поток в ваттах — превосходная функция! Если умножить освещаемую площадь на плотность светового потока в ваттах и сравнить с потреблением светильника, станет ясен энергетический КПД осветительной системы. А это единственный на сегодня бесспорный критерий эффективности, на практике для разных осветительных систем различающийся на порядок (а не в разы или тем более на проценты, как меняется энергетический эффект при изменении формы спектра).

Примеры использования белого света

Описаны примеры освещения гидропонных ферм и красно-синим, и белым светом (рис. 9).

 

Рис. 9. Слева направо и сверху вниз фермы: Fujitsu, Sharp, Toshiba, ферма по выращиванию лекарственных растений в Южной Калифорнии

Достаточно известна система ферм Aerofarms (рис. 1, 10), самая большая из которых построена рядом с Нью-Йорком. Под белыми светодиодными лампами в Aerofarms выращивают более 250 видов зелени, снимая свыше двадцати урожаев в год.

 

Рис. 10. Ферма Aerofarms в Нью-Джерси («Штат садов») на границе с Нью-Йорком

Прямые эксперименты по сравнению белого и красно-синего светодиодного освещения

Опубликованных результатов прямых экспериментов по сравнению растений, выращенных под белыми и красно-синими светодиодами, крайне мало. Например, мельком такой результат показала МСХА им. Тимирязева (рис. 11).  

Рис. 11. В каждой паре растение слева выращено под белыми светодиодами, справа — под красно-синими (из презентации И. Г. Тараканова, кафедра физиологии растений МСХА им. Тимирязева)

Пекинский университет авиации и космонавтики в 2014 году опубликовал результаты большого исследования пшеницы, выращенной под светодиодами разных типов [4]. Китайские исследователи сделали вывод, что целесообразно использовать смесь белого и красного света. Но если посмотреть на цифровые данные из статьи (рис. 12), замечаешь, что разница параметров при разных типах освещения отнюдь не радикальна.

 

Рис 12. Значения исследуемых факторов в двух фазах роста пшеницы под красными, красно-синими, красно-белыми и белыми светодиодами

Однако основным направлением исследований сегодня является исправление недостатков узкополосного красно-синего освещения добавлением белого света. Например, японские исследователи [5, 6] выявили увеличение массы и питательной ценности салата и томатов при добавлении к красному свету белого. На практике это означает, что, если эстетическая привлекательность растения во время роста неважна, отказываться от уже купленных узкополосных красно-синих светильников необязательно, светильники белого света можно использовать дополнительно.

Влияние качества света на результат

Фундаментальный закон экологии «бочка Либиха» (рис. 13) гласит: развитие ограничивает фактор, сильнее других отклоняющийся от нормы. Например, если в полном объеме обеспечены вода, минеральные вещества и СО 2, но интенсивность освещения составляет 30 % от оптимального значения — растение даст не более 30 % максимально возможного урожая.

Рис. 13. Иллюстрация принципа ограничивающего фактора из обучающего ролика на YouTube Реакция растения на свет: интенсивность газообмена, потребления питательных веществ из раствора и процессов синтеза — определяется лабораторным путем. Отклики характеризуют не только фотосинтез, но и процессы роста, цветения, синтеза необходимых для вкуса и аромата веществ.

На рис. 14 показана реакция растения на изменение длины волны освещения. Измерялась интенсивность потребления натрия и фосфора из питательного раствора мятой, земляникой и салатом. Пики на таких графиках — признаки стимулирования конкретной химической реакции. По графикам видно что исключить из полного спектра ради экономии какие-то диапазоны, — все равно что удалить часть клавиш рояля и играть мелодию на оставшихся.

 

Рис. 14. Стимулирующая роль света для потребления азота и фосфора мятой, земляникой и салатом. Принцип ограничивающего фактора можно распространить на отдельные спектральные составляющие — для полноценного результата в любом случае нужен полный спектр. Изъятие из полного спектра некоторых диапазонов не ведет к значимому росту энергетической эффективности, но может сработать «бочка Либиха» — и результат окажется отрицательным. Примеры демонстрируют, что обычный белый светодиодный свет и специализированный «красно-синий фитосвет» при освещении растений обладают примерно одинаковой энергетической эффективностью. Но широкополосный белый комплексно удовлетворяет потребности растения, выражающиеся не только в стимуляции фотосинтеза.

Убирать из сплошного спектра зеленый, чтобы свет из белого превратился в фиолетовый, — маркетинговый ход для покупателей, которые хотят «специального решения», но не выступают квалифицированными заказчиками.

Корректировка белого света

Наиболее распространенные белые светодиоды общего назначения имеют невысокую цветопередачу Ra = 80, что обусловлено нехваткой в первую очередь красного цвета (рис. 4).

Недостаток красного в спектре можно восполнить, добавив в светильник красные светодиоды. Такое решение продвигает, например, компания CREE. Логика «бочки Либиха» подсказывает, что такая добавка не повредит, если это действительно добавка, а не перераспределение энергии из других диапазонов в пользу красного.

Интересную и важную работу проделал в 2013–2016 годах ИМБП РАН [7, 8, 9]: там исследовали, как влияет на развитие китайской капусты добавление к свету белых светодиодов 4000 К / Ra = 70 света узкополосных красных светодиодов 660 нм.

И выяснили следующее:

 

  • Под светодиодным светом капуста растет примерно так же, как под натриевым, но в ней больше хлорофилла (листья зеленее).
  • Cухая масса урожая почти пропорциональна общему количеству света в молях, полученному растением. Больше света — больше капусты.
  • Концентрация витамина С в капусте незначительно повышается с ростом освещенности, но значимо увеличивается с добавлением к белому свету красного.
  • Значимое увеличение доли красной составляющей в спектре существенно повысило концентрацию нитратов в биомассе. Пришлось оптимизировать питательный раствор и вводить часть азота в аммонийной форме, чтобы не выйти за ПДК по нитратам. А вот на чисто-белом свету можно было работать только с нитратной формой.
  • При этом увеличение доли красного в общем световом потоке почти не влияет на массу урожая. То есть восполнение недостающих спектральных компонент влияет не на количество урожая, а на его качество.
  • Более высокая эффективность в молях на ватт красного светодиода приводит к тому, что добавление красного к белому эффективно еще и энергетически.

Таким образом, добавление красного к белому целесообразно в частном случае китайской капусты и вполне возможно в общем случае. Конечно, при биохимическом контроле и правильном подборе удобрений для конкретной культуры.

Варианты обогащения спектра красным светом

Растение не знает, откуда к нему прилетел квант из спектра белого света, а откуда — «красный» квант. Нет необходимости делать специальный спектр в одном светодиоде. И нет необходимости светить красным и белым светом из одного какого-то специального фитосветильника. Достаточно использовать белый свет общего назначения и отдельным светильником красного света освещать растение дополнительно. А когда рядом с растением находится человек, красный светильник можно по датчику движения выключать, чтобы растение выглядело зеленым и симпатичным. Но оправданно и обратное решение — подобрав состав люминофора, расширить спектр свечения белого светодиода в сторону длинных волн, сбалансировав его так, чтобы свет остался белым. И получится белый свет экстравысокой цветопередачи, пригодный как для растений, так и для человека.

Особенно интересно увеличивать долю красного, повышая общий индекс цветопередачи, в случае сити-фермерства — общественного движения по выращиванию необходимых человеку растений в городе, зачастую с объединением жизненного пространства, а значит, и световой среды человека и растений. 

Открытые вопросы

Можно выявлять роль соотношения дальнего и ближнего красного света и целесообразность использования «синдрома избегания тени» для разных культур. Можно спорить, на какие участки при анализе целесообразно разбивать шкалу длин волн.

Можно обсуждать — нужны ли растению для стимуляции или регуляторной функции длины волн короче 400 нм или длиннее 700 нм. Например, есть частное сообщение, что ультрафиолет значимо влияет на потребительские качества растений. В числе прочего краснолистные сорта салата выращивают без ультрафиолета, и они растут зелеными, но перед продажей облучают ультрафиолетом, они краснеют и отправляются на прилавок. И корректно ли новая метрика PBAR (plant biologically active radiation), описанная в стандарте ANSI/ASABE S640, Quantities and Units of Electromagnetic Radiation for Plants (Photosynthetic Organisms, предписывает учитывать диапазон 280–800нм.

Заключение

Сетевые магазины выбирают более лежкие сорта, а затем покупатель голосует рублем за более яркие плоды. И почти никто не выбирает вкус и аромат. Но как только мы станем богаче и начнем требовать большего, наука мгновенно даст нужные сорта и рецепты питательного раствора. А чтобы растение синтезировало все, что для вкуса и аромата нужно, потребуется освещение со спектром, содержащим все длины волн, на которые растение прореагирует, т. е. в общем случае сплошной спектр. Возможно, базовым решением будет белый свет высокой цветопередачи.

Литература

1. Son K-H, Oh M-M. Leaf shape, growth, and antioxidant phenolic compounds of two lettuce cultivars grown under various combinations of blue and red light-emitting diodes // Hortscience. – 2013. – Vol. 48. – P. 988-95. 

2. Ptushenko V.V., Avercheva O.V., Bassarskaya E.M., Berkovich Yu A., Erokhin A.N., Smolyanina S.O., Zhigalova T.V., 2015. Possible reasons of a decline in growth of Chinese cabbage under acombined narrowband red and blue light in comparison withillumination by high-pressure sodium lamp. Scientia Horticulturae https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.08.021

3. Sharakshane A., 2017, Whole high-quality light environment for humans and plants. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2017.07.001 4. C. Dong, Y. Fu, G. Liu & H. Liu, 2014, Growth, Photosynthetic Characteristics, Antioxidant Capacity and Biomass Yield and Quality of Wheat (Triticum aestivum L.) Exposed to LED Light Sources with Different Spectra Combinations 5. Lin K.H., Huang M.Y., Huang W.D. et al. The effects of red, blue, and white light-emitting diodes on the growth, development, and edible quality of hydroponically grown lettuce (Lactuca sativa L. var. capitata) // Scientia Horticulturae. – 2013. – V. 150. – P. 86–91.  6. Lu, N., Maruo T., Johkan M., et al. Effects of supplemental lighting with light-emitting diodes (LEDs) on tomato yield and quality of single-truss tomato plants grown at high planting density // Environ. Control. Biol. – 2012. Vol. 50. – P. 63–74. 7. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., О.С. Яковлева, А.И. Знаменский, И.Г. Тараканов, С.Г. Радченко, С.Н. Лапач. Обоснование оптимальных режимов освещения растений для космической оранжереи «Витацикл-Т». Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50. № 4. 8. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., Яковлева О.С., Знаменский А.И., Тараканов И.Г., Радченко С.Г., Лапач С.Н., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. Оптимизация светодиодной системы освещения витаминной космической оранжереи. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50. № 3.

9. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Смолянина С.О., Помелова М.А., Ерохин А.Н., Яковлева О.С., Тараканов И.Г. Влияние параметров светового режима на накопление нитратов в надземной биомассе капусты китайской (Brassica chinensis L.) при выращивании со светодиодными облучателями. Агрохимия. 2015. № 11.

опубликовано econet.ru 

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet

Освещение растений белыми светодиодами — проверочная работа

Эта статья написана под впечатлением от другой статьи на GT, о чем говорит похожее название. Дело в том, что этой темой я интересуюсь лет двенадцать и потому статья iva2000 вызвала довольно живой отклик в моем сознании. Результаты и выводы меня почти убедили, но остались моменты, с которыми я не согласен. Решил всё пересчитать и так как результат получился довольно объемный, я решил написать его в виде отдельной статьи, а не комментария. Прочитав заголовок и вступление, я был настроен критически. Еще бы! Я сам производил расчеты, куча людей производит и использует специальные фитолампы (не только светодиодные — посмотрите на люминесцентные светильники в любом цветочном магазине!), а тут некто заявляет, мол, всё это туфта, белые светодиоды не хуже. Но ознакомившись до конца, я свое мнение изменил и понял что в этом мнении есть существенная доля истины, но надо разбираться… Всем кто не читал эту статью — убедительная просьба ознакомиться для лучшего понимания, т.к. для сокращения объема и исключения дублирования информации я буду только ссылаться на данные указанной статьи, но не повторять их. Остальные же — давайте продолжим! Итак, сначала, что же мне показалось спорным. 1. В указанной статье приводится кривая фотосинтетической активности света McCree, которая означает прибавку биомассы растением при освещении его светом узкой полосы, но почему-то отметается её значение вовсе под предлогом, что «в широкой полосе разница будет незначительной). В разделе „Результаты анализа спектров серийных белых светодиодов“ под пунктом 3 и вовсе приведена формула расчета энергетической ценности света с использованием ДВУХ интересных параметров — это ɳ — световая отдача в лм/Вт и Ra — индекс цветопередачи. Обе этих величины имеют жесткую привязку к другой кривой, которая называется „фотопической“. Это кривая чувствительности человеческого глаза к свету. Чтобы не быть голословным, посмотрим на картинку: Они едва ли похожи друг на друга, верно? Поясню, что люмены измеряются датчиком, имеющим чувствительность, строго соответствующую приведенной фотопической кривой. А фотосинтез осуществляется в соответствии с приведенной кривой McCree (она и есть гоафическое отображение интенсивности фотосинтеза в зависимости от длины волны). И, как вы уже заметили, кривых на рисунке две. Одна из них — нормирована к числу фотонов, а вторая к мощности излучателя, что в обсуждаемой статье даже не упомянуто. Уважаемый автор приводит кривую нормированную по числу фотонов, но не указывает этого и в дальнейшем не использует её, а использует кривую чувствительности глаза человека. Но, простите, причем здесь тогда фотосинтез? Либо не использовать никакую кривую и считать все фотоны равнозначными либо использовать ту, которая соответствует изучаемому процессу! Индекс цветопередачи же — это вообще некий виртуальный показатель, который говорит — на сколько точно будут переданы цвета (фотографии, ткани и т.п.) при освещении их данным источником света. Т.е. тоже никакого отношения к фотосинтезу не имеет. Т.е. приведенная формула является слишком грубым приближением чтобы оценить реальное качество источников со сложным спектром излучения! Дальше-больше! Я проверил расчетные значения ФАР в мкмоль/дж, которые автор приводит в таблице с помощью приведенной им же формулы и получилось вообще черте что: Цифры вообще не те и отличаются в разы от приведенных. Неужели автор не проверял свои же данные для статьи? Это меня никак не устроило и я сделал расчет как положено — без странных формул с не понятно откуда взятыми коэффициентами и параметрами, относящимися к другой области применения. Для начала цифруем картинки всевозможных графиков и загоняем их в табличный процессор. Оп!

Затем делаем так. Сначала рассчитаем коэффициент фотосинтетической активности для каждого источника. Для этого для выбранного источника умножаем мощность излучения на каждой длине волны на число из графика McCree, для той же длины волны. Затем подсчитываем интеграл (сумму) мощности для исходного графика и результата перемножения. Делим второе на первое — получаем коэффициент, означающий эффективную долю излучения для данного источника (ту, которая примет участие в фотосинтезе):

Вот, уже можно сделать предварительные выводы!

1. ДНаТ — это супер для освещения растений! Эффективность его спектра достигает 79% и это для лампы, которую первоначально проектировали в общем-то не для этого, а для освещения автомагистралей и промышленных объектов.

2. Фитолампы не смотря на „специальный“ спектр не превосходят обычные белые светодиоды с цветовой температурой 4000К и не сильно лучше „холодно-белых“ 6000К. 3. Светодиоды красного (обычного) и дальнего красного вообще вне конкуренции. 4. Получается, что если хочется выжать всё из каждого ватта освещения, нужно брать обычные красные светодиоды (излучатели дальнего красного — почти в 2 раза дороже), а если хочется сэкономить в цене аппаратуры — нужно брать белые светодиоды. Но, как я уже сказал, выводы эти предварительные и основаны только на оценке эффективности спекра источников, без учета их кпд и некоторых других моментов. Поэтому разбираемся дальше. Что же будет, если учесть КПД источников? Данные о КПД взяты частично из статьи iva2000, а по красным светодиодам я точных данных не нашел, но в старых моих записях по данным литературы были числа меньше чем для синих светодиодов, т.к. в последнее время всё развитие технологии было направлено именно на светодиоды синего свечения, а другие оставались в хвосте прогресса. По большому счету их цифры взяты наобум, но они в данном случае не играют основную роль, поэтому хватит об этом. И если кто-то сообщит более достоверные данные, я буду только благодарен.

Вот тут-то расстановка сил уже меняется!

Оказывается, светодиоды с CCT 4000К лучше даже ДНаТ! Причем, если для 1000 Ваттной лампы преимущество это не существенное, то для натриевых ламп малой мощности (100Вт) преимущество уже достигает 2,4 крат! А фитолампа — бесполезная трата денег — она уступает обычным белым светодиодам на 25%! Вот тебе и фитолампа! И чтобы уже всё сделать предельно точно, считаем на фотоны по формуле: Где h- постоянная Планка, c — скорость света. Но число фотонов нам не нужно, поэтому чтобы перевести все в моли, делим всё на число Авогадро и умножаем на миллион для представления в микромолях.

Вот теперь можно сделать окончательные выводы:

1. ДНаТ имеет сравнимую эффективность только при использовании ламп большой мощности (600-1000Вт). Если Вы хозяин крупного тепличного хозяйства, то по совокупности эксплуатационных характеристик лампы на киловатт — Ваш выбор! Затраты на установку освещения и замену ламп будут существенно ниже, а затраты на электроэнергию приблизительно одинаковы со светодиодами. Малое количество синих лучей в спектре ламп компенсируется наоборот высоким их количеством в естественном свете, особенно зимой (цветовая температура неба достигает 15000К!) — это как раз ситуация с теплицами, когда досветка включается утром и вечером, а днем используется естественное освещение.

2. Наиболее эффективны светодиоды с цветовой температурой 4000К. 100 Ваттная светодиодная лампа дает на 43% больше фитоактивного излучения чем лампа ДНаТ той же мощности! Цена, как ни странно, тоже на стороне светодиодов — цена лампы ДНаЗ на момент написания статьи — чуть больше 1000р., в то время как светодиоды с той же мощностью на алиэкспрессе идут за 360р. (в исполнении COB — много чипов на одной подложке)! Это еще не считая балласта в обоих случаях. Если вы растите зелень на подоконнике или в гроубоксе, то белые светодиоды — вне всякой конкуренции. Достаточно один раз купить хорошие светодиоды и их обвязку и вы обеспечены отличным экономичным освещением на годы.

3. Фитолампы. Я изначально был другого мнения, но основываясь на данных о практическом использовании белых светодиодов из статьи iva2000, подтвержденных теперь собственным исследованием приходится констатировать, что они не дают никакого преимущества по энергоэффективности или по качеству выращенных растений, а всё с точностью до наоборот! Скрипач не нужен! * Небольшое пояснение по фигурировавшим в таблицах комбинациям белых светодиодов с красными. Я для интереса рассмотрел вариант освещения, когда в дополнение к белым светодиодам дополнительно устанавливаются обычные красные или специальные с дальним красным спектром свечения (в пропорции 3:1 по мощности). Это бывает необходимо для стимуляции цветения. Если вы разводите цветочки или землянику или другие растения, у которых цветение или плодообразование является основной целью, это может быть оправдано. Если вы растите салат и петрушку, то вряд ли стоит заморачиваться — красные светодиоды дороже белых раза в 2,5, а специальные „фито“ с дальним красным — в 4 раза! Если цель — нарастить зеленой массы за минимальные деньги, лучше взять еще один или даже два белых светодиода — будет лучше и дешевле! Только не стоит загонять бедные диоды в гроб — зная любовь китайских товарищей к завышению параметров, нужно следить, чтобы при работе основание светодиодов грелось как можно меньше — позаботиться об эффективном теплоотводе и ограничивать рабочий ток. Лучше купить на 20% больше диодов и пустить на них на 20% меньший ток и таким образом в разы увеличить их время жизни, чем навалить на полную катушку и через год получить 50% первоначального светового потока и половину нерабочих корпусов! В целом нельзя не отметить, что революция в малом растениеводстве свершилась и это не может не радовать! Ко мне сейчас едут несколько мощных светодиодов и если со свободным временем всё сложится, то в продолжении будет практический результат в дополнении к этой сугубо теоретической части. PS: Друзья! Большое спасибо за положительную оценку моей небольшой, но я очень надеюсь полезной для всех работы! Мне интересно пообщаться на эту тему и ответить на все вопросы, по ней, в рамках объема моих знаний. Так что не стесняйтесь — заходите в обсуждение. Особенно приветствуются дополнения и ссылки на другую информацию, которые могли бы восполнить возможные пробелы в этом материале! Теги:
  • свет
  • освещение
  • фитосвет
  • растения
  • светодиоды

Особенности использования светодиодной ленты для подсветки растений

Растения всегда создают в доме уют и приятную атмосферу. Поэтому очень многие занимаются их выращиванием как на продажу, так и в личных целях. В любой ситуации, будь то квартира или специальное сооружение (например, теплица), для выращивания растений необходимо создать оптимальное освещение.

Освещение растений

Сегодня большой популярностью среди всех осветительных приборов пользуется светодиодная лента. С ее помощью можно достаточно легко сделать своими руками необходимый тип подсветки для самых разнообразных растений. Почему стоит выбирать именно светодиодные ленты, а также как с ними работать, поведает наша сегодняшняя статья.

Почему именно светодиоды?

Не для кого ни секрет, что для оптимального роста и развития растений им необходим свет. Его могут создать разнообразные источники света и осветительные приборы. Но в данной ситуации необходимо помнить, что свет характеризуется длиной волны и спектром. Неправильный подбор каждого из этих двух параметров может привести к гибели флоры из-за нарушений процесса фотосинтеза и стимуляции других патогенных механизмов внутри клеток растений. На сегодняшний день самым оптимальным видом освещения для флоры, выращиваемой в домашних и промышленных условиях, являются светодиоды, а именно — светодиодные ленты.

Светодиодная лента

Led-продукция обладает массой положительных моментов, среди которых стоит выделить такие:

  • низкое потребление электроэнергии;
  • красивый и эстетичный свет;
  • возможность сделать светильник своими руками;
  • качественный световой поток;
  • возможность установки изделия на любую поверхность, будь-то стеклянная полка, подоконник балкона или деревянная полка;
  • возможность подборки диодов по спектру излучения;
  • простой монтаж, который проводиться благодаря наличию у ленты самоклеящейся основы;
  • продолжительный срок службы;
  • светодиодные ленты могут давать свет разного цвета.

Обратите внимание! Для освещения растений следует использовать красный и синий спектры.

Внешне светодиодная лента напоминает прорезиненную узкую основу, на которой с одной стороны вмонтированы источники света – светодиоды. Они располагаются друг от друга на наиболее оптимальном расстоянии, чтобы создаваемая ими подсветка давала яркий и равномерный свет. Все электрические компоненты ленты обладают изоляцией, а некоторые модели имеют защитный слой, который предотвращает проникновение влаги внутри изделия. Именно влагозащищенные светодиодные ленты будут оптимальным решением для подсветки любых растений.

Светодиодное освещение цветов

Но здесь следует помнить о том, что выбирая искусственный тип подсветки флоры нужно уделять особое внимание спектру свечения источника света.

Свет, его спектр и влияние на живые организмы

Самым лучшим освещением для животных и растений будет естественный свет, который дает солнце утром, днем или вечером. естественное освещение может быть как видимым (например, красный, оранжевый или синий свет), так и невидимым человеческому глазу (например, инфракрасный или ультрафиолетовый свет).

Обратите внимание! Создавая в доме своими руками искусственное освещение, нужно стараться максимальным образом приблизить световой поток к естественным значениям.

Для того чтобы оформить правильную подсветку, необходимо ориентироваться на параметры наиболее важного для них процесса – фотосинтеза. Он проходит в тех случаях, когда свет имеет длину волны в диапазоне 380–710 нм. Кроме этого следует помнить, что некоторый тип света будет стимулировать у растений рост, а другой – созревание плодов. К примеру:

  • красный спектр (620—740 нм) светового излучения способствует накоплению в растительных клетках углеводов, стимулирует рост побегов и листьев;
  • синий спектр (440—485 нм) света приводит к образованию аминокислот, а также стимулирует деление клеток.

Обратите внимание! Оптимальным решением будет использование светодиодов, дающих и красный и синий свет.

Оптимальная подсветка растений

Кроме этого следует помнить, что ультрафиолетовое излучение, которое находиться в диапазоне 280 нм и ниже, может негативным образом влиять на рост цветов и овощных культур. При избытке такого освещения посадки начинают болеть, их стебли и листья скручиваются и желтеют. Но такая ситуация возможна только при использовании чистого ультрафиолета. В естественном свете также присутствует ультрафиолет, но здесь он имеется в небольших количествах. Основная его часть задерживается озоновым слоем. Поэтому содержание ультрафиолета в естественном освещении будет минимальным и следовым. В диапазоне от 315 до 380 нм (длинные ультрафиолетовые лучи) стимулируют у растений набор массивности, а также накопление витаминов и способность переносить незначительные заморозки. Поэтому такой свет особенно актуален для растений, которые должны начать плодоношение, особенно при выращивании их в холодный период сезона.

Для фотосинтеза отлично подходят синий и фиолетовый, а также красный или оранжевый цвета подсветки.

Обратите внимание! Зеленый спектр света для растений не несет ничего. Он просто проходит сквозь листья, не оказывая значительных изменений в них.

Это обязательно следует учитывать в ситуации организации своими руками светодиодной подсветки домашнего сада. Правильно подобранная светодиодная лента даст возможность в разы увеличить объем урожая, а также получить рослые и сильные растений и овощные культуры даже в холодный период времени, при сохранении других условий выращивания.

Работа с осветительной продукцией

Светодиодные ленты, при правильной работе с ними, позволяют быстро и своими руками сделать для домашнего сада или овощных культур в горшочках оптимальный тип подсветки и добиться необходимого результата – получения вкусных и крупных плодов или цветения.

Вариант светодиодной подсветки домашних «грядок»

Но для этого вам нужно будет либо собрать светильник своими руками, что займет достаточно времени, либо же просто самостоятельно прикрепить покупную модель. Второй вариант является более рациональным, так как при использовании влагозащитных лент, даже обильный полив домашнего сада или огорода не сможет негативным образом повлиять на работоспособность осветительного изделия. Поэтому здесь нет необходимости прятать светодиодную ленту за корпусом светильника.

Обратите внимание! При монтаже своими руками светодиодной ленты для подсветки растений вам не нужно будет сверлить кучу дырок, вбивать гвозди или вкручивать саморезы.

Сама установка ленты представляет собой понятный и простой процесс, который сводиться к выполнению следующих манипуляций:

  • место (нижняя часть полок, подоконника и т.д.), на которое будет крепиться светодиодная лента, должно быть очищено от жира и грязи. Для этого его нужно промыть влажной тряпкой и мылом;
  • после того, как поверхность была хорошо вымыта, ее насухо протираем чистой сухой тряпкой;
  • затем с нижней стороны ленты снимаем защитное покрытие, которое производитель наклеил поверх самоклеящейся основы;

Обратите внимание! Если кусок светодиодной ленты имеет большую протяженность, то снимать защитную пленку нужно аккуратно и частично, чтобы в момент ее монтажа не запутаться в ней или прикрепить криво.

Самоклеящаяся основа изделия

  • далее, не сильно нажимая на ленту, нужно разместить ее вдоль поверхности. При наличии искривлений хода прорезиненной основы led-продукции, нужно аккуратно ее подправить;
  • когда полученный результат вас удовлетворил, аккуратно прижимаем изделие к поверхности.

Наклеенная на поверхность лента

Еще одним плюсом в данной ситуации будет то, что такая продукция продается катушками по пять метров. Поэтому, купив одну катушку, вы сможете подсветить несколько полок. Светодиодная лента можно нарезаться на кусочки любой длины. Но при этом необходимо помнить, что разрезать нужно только в специально обозначенных для этого местах.

Место разреза на ленте

После того, как лента была установлена или нарезана на кусочки, подключаем к ней блок питания путем припаивания проводов.

Обратите внимание! Светодиодная лента для своего питания от стандартной сети в 220 В требует подключения специального преобразователя – блока питания т.к. led-продукция является низковольтной, рассчитанной на 12 или 24 вольт.

Блок питания для ленты

Он присоединяется путем припаивания проводов к ленте в месте ее контактных площадок. Они имеются с двух сторон от линии разреза. После этого вам только останется проверить работоспособность самодельной подсветки и поставить под нее растительность.

Места применения светодиодов

Благодаря своим многочисленным преимуществам, светодиодные ленты сегодня очень часто применяются для освещения не только растений, но и жилых и нежилых помещений. Они используются для подсветки следующих помещений:

  • зимних садов и оранжерей;

Светодиодное освещение теплицы

  • теплиц и утепленных балконов или лоджий;
  • как альтернативная замена морально устаревших источников света (например, ламп накаливания);
  • кладовок и других типов комнат.

Как видим, область применения светодиодов на сегодняшний день достаточно обширна.

Заключение

Светодиодная лента для освещения растений в любых помещениях (дом, балкон, теплицы и т.д.) является самым лучшим решением, которое по многим критериям будет максимально полно удовлетворять потребности представителей растительного царства, стимулируя их рост, развитие, а также формирование красивого цветения и вкусный плодов. Что особенно хорошо, такая подсветка легко реализуется своими руками и прослужит вам долгие годы.

Полезные материалы

Делаем светодиодную подсветку растений: расчет мощности, выбор ленты, расчет питания

Уменьшение естественной инсоляции зимой приводит к световому голоданию комнатных растений и снижению интенсивности фотосинтеза. Светодиодная подсветка для растений и цветов решает эту проблему, но нужно уметь ее подобрать. Разберем как выбрать светодиодную лампу для растений и сделаем ее своими руками.

При недостаточной освещённости тормозятся процессы фотосинтеза что неизбежно приводит к торможению роста. Стебли истончаются, вытягиваются в сторону основного источника освещения. В период обильного цветения недостаток освещения приводит к самовольному сбросу бутонов.

Какая подсветка нужна для растений

Качество освещения для домашних цветов зависит от:

  • Спектра освещения;
  • интенсивности освещенности;
  • длительности освещения в течение суток.

Также влияют температура в помещении и концентрация углекислого газа, но в пределах квартиры влиять на эти параметры трудно, потому опустим их.

Требования к подсветке цветов и растений:

  • Отсутствие сильного тепловыделения, растения не должны перегреваться;
  • наличие в спектре излучения красного и синего света, необходимого для нормального процесса фотосинтеза.

Нагрев лампы

Из-за большого нагрева колбы, лампы накаливания непригодны для использования.

Натриевые лампы высокого давления (ДНАТ) лучше подходят для подсветки растений и широко применяются в теплицах. Но для домашних условий они мало пригодны из-за высокой мощности и соответственно значительного тепловыделения (колба может нагреваться до 600 градусов). Также они дорогие в эксплуатации (высокая стоимость трансформаторов розжига).

Светодиоды практически не греются (подробнее про нагрев светодиодов), потому подойдут для квартирного использования.

Спектр излучаемого света

Хлорофилл, находящийся в зелёных листьях, способен активно поглощать свет с длинной волны 380-710 нанометров, остальной спектр не активирует процессы фотосинтеза.

График эффективной длины волн для растения

Более короткие волны в спектре 380-500 нанометров стимулируют процессы деления клеток и увеличение зелёной массы, а излучение с длинной волны 500-700 нанометров необходимо для интенсивного цветения и плодоношения.

На графике наглядно видно, какой цветовой диапазон более эффективный для роста растения. Теперь сравним со спектром, излучаемым разными типами ламп.

Сравнение спектров разных источников света

Обыкновенные лампы накаливания мало подходят для подсветки комнатных растений, поскольку у них преобладает теплый спектр (700+ нанометров). Люминесцентные, которым отдают предпочтения за счет их стоимости, по спектру совсем бедные и уступают даже лампам накаливания.

Спектр излучения светодиодов для растений будет идеальным. Особенно при объединении холодного белого – 400-500нм и теплого белого 500-700нм цветов.

Преимущества подсветки цветов светодиодами

Минимальный срок службы светодиодов 50 000 часов при минимальных потерях в яркости.

Светодиоды более экономичны и расходуют меньше электроэнергии (по сравнению с лампами накаливания в несколько раз). Обладают крайне высоким КПД и выдают около 100 Лм на 1Вт потребленной энергии.

Светодиодные ленты излучают свет под углом 120 градусов, что позволяет сконцентрировать излучение на растениях, а не освещать комнату.

Компактные размеры позволяют создавать освещение для цветов любых форм.

Специализированные светодиодные фитолампы для растений

Фитолампы – это красные и синие светодиоды с пиком интенсивности в диапазоне 440 и 660 нанометров, т.е. вся мощность излучения находится в эффективном для растений диапазоне.

Такой светодиодный светильник для растений применяется, если необходимо освещать небольшую площадь в 30-50 см2 (одно растение или один горшок), т.к. светоизлучающий модуль имеет угол светового потока 120 градусов. Для подсветки большого количества растений (рассада) более рентабельно использовать светодиодные ленты и модули.

Фитолампа – хороший выбор для роста одного комнатного цветка, но цена на них неоправданно выше чем на обычные светодиодные ленты. При комбинировании теплого и холодного света светодиодных лент, вы получите тот же результат, но за меньшие деньги.

Важно. Решив использовать фитолампы, не покупайте формфактор типа «кукуруза». Большая часть излучения будет тратится впустую, даже при наличии рефлектора, снижая общую эффективность освещения.

Выбор формы светодиодной фитолампы

Делаем светодиодную подсветку для цветов своими руками

Изготавливать светодиодные лампы под цоколь нет смысла. Это не практично. Мы будем использовать светодиодную ленту. Изготовление самодельной фитолампы для цветов сводится к трем пунктам:

  1. Рассчитать необходимую мощность светодиодного освещения для цветов.
  2. Подобрать модель ленты.
  3. Подобрать блок питания.

Расчет мощности светодиодного освещения

Необходимая освещенность для полноценного роста цветов составляет 10000-15000 Люкс. Исходя из этих цифр следует отталкиваться при расчёте подсветки для растений из светодиодов.

Разберем на конкретном примере. Делаем подсветку рассады в коробке размером 0,75 x 0,3 метра. Обеспечим растения освещением 15 000 Люкс.

15 000 Люкс – интенсивность излучения 15 000 Люмен, освещающего поверхность 1 м2 с высоты 1 метр.

Наша освещаемая площадь:

0,75м * 0,3м = 0,225 м2

Значит наша требуемая интенсивность света:

15000 Лм/м2 * 0,225м2 = 3375 Люмен

Определим высоту расположения освещения. Полученная интенсивность освещения в 3375 Лм нужна при расположении светодиодных ламп для растений на высоте 1м. Уменьшив высоту в два раза, требуемая интенсивность упадет в 4 раза (закон обратных квадратов). Разместив освещение на высоте 0,5м, получим интенсивность света:

Закон обратных квадратов — при увеличении расстояния до источника света в 2 раза, интенсивность светового излучения падает в 4 раза.

3375 / 4 = 845 Лм

Осталось подобрать LED ленту по этим параметрам.

Подбираем светодиодную ленту для подсветки цветов

Из расчета мы получили необходимую интенсивность света 845 Лм. При наших размерах коробки с цветами, лучше взять 2-4 отрезка ленты, длиной 0,75 м, чтобы равномерно покрыть всю площадь.

Световой поток LED ленты указывается из расчета на 1м. Если нам нужно только 0,75м, то необходимо добавить 25% к заявленной производителем интенсивности светового потока.

845 / 2 * 1,25 (компенсируем длину ленты) = 530 Люмен (для двух отрезков)

845 / 4 * 1,25 = 265 Люмен (для четырех отрезков)

Итоговые параметры ленты:

  • Интенсивность света (яркость) 465 Лм;
  • Температуру света – комбинируем теплый + холодный (3000К + 6000К);
  • Напряжение питания 12В – самый распространенный тип лент.

Нам подойдет SMD3528-W-60led — 3 метра, или SMD2835-W-60led — 1,5м. Здесь можете почитать про маркировку лент.

Выбор блока питания для светодиодных лент

Важно подобрать подходящий для драйвер для питания освещения комнатных растений. Критериев всего несколько:

  • Мощность (самый важный);
  • тип корпуса;
  • дополнительный функционал.

Расчет мощности блока питания. Рассмотрим на примере 3 метров ленты SMD 3528, 60 светодиодов на 1 погонный метр. Мощность 1 п.м. 4,8W. Прибавим 25% запаса на потерю в соединениях и проводниках и получим:

3м (длина) * 4,8W (мощность 1 метра) * 1,25 (запас) = 18W.

Подойдет любой БП мощностью больше 20Вт и напряжением 12В.

Тип корпуса. Бывают корпуса с разным уровнем пыле- влагозащиты, в алюминиевом или пластиковом корпусе с принудительным или естественным охлаждением.

  • Степень защиты выбираем в зависимости от условий эксплуатации. При высокой влажности (размещение внутри теплиц) степень защиты должна быть не ниже IP67.
  • Материал корпуса выбирайте любой. Преимуществ никаких не дает.
  • Принудительное охлаждение необходимо при высокой мощности блока питания (свыше 200W). В противном случае достаточно пассивного охлаждения.

Дополнительный функционал. Блоки питания могут иметь дистанционное управление с пульта, снабжаться lcd экранами, иметь таймеры. Дополнительный функционал приобретайте по желанию. Чем больше функций — тем дороже блок питания.

Подключение ленты к блоку питания

Схема подключения к блоку питания

Подключайте все отрезки лед ленты параллельно к блоку питания. При подключении используйте коннекторы (подробнее про соединение отрезков ленты). Один неразрывный участок ленты не должен превышать длины 5м.

Помните про класс защиты светодиодной ленты для растений и блока питания. Выбирая класс IP20 — размещайте освещение и питание в сухих, незапыленных местах. Если класс IP67,68 — размещать можно даже во влажных теплицах.

Варианты размещения освещения для рассады

  • Индивидуальная подсветка растений светодиодами.
  • Стеллажи для растений.

Индивидуальная подсветка растений.

Точечное освещение растений позволит не только избежать ежегодной передислокации всех горшков и вазонов к месту зимовки, но и создать уникальный, неповторимый дизайн интерьера. В качестве источника освещения можно использовать миниатюрные, но мощные светодиоды.

Светодиоды для подсветки растений способны выдавать до 120 люмен и быть как подсветкой для растения, так и ночником.

Для индивидуальной подсветки можно купить специализированную светодиодную фитолампу, о которых мы писали выше. Метод расчета тот же, что и для светодиодной ленты.

Стеллажи для растений.

При большом количестве объектов освещения более целесообразно сделать полки снизу которых будет монтироваться светодиодная лента для растений.

Стеллажи можно оградить светоотражающими материалами: фольгой, металлизированным утеплителем. Это позволит обеспечить круглосуточную подсветку, но не будет мешать отдыхать в вечернее время. Также такая ширма увеличит освещенность растений на 10-15 процентов.

Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:) (2 оценок, среднее: 5,00 из 5) Загрузка...

Понравилась статья? Расскажите о ней! Вы нам очень поможете:)


Смотрите также

НАС УЖЕ 77 321

Подпишись на обновления сайта! Получай статьи на почту: