Обоснование технических требований к универсальному светодиодному облучателю для растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК: 621.311(075)

Обоснование технических требований к универсальному светодиодному облучателю для растений

Магистр Н.А. АЛТУХОВ, (ФГБОУ ВО СПбГАУ),

Канд. техн. наук С.В. ГУЛИН, (ФГБОУ ВО СПбГАУ)

Содержание

Оптическое излучение все в большей степени используется в современных технологических процессах в промышленности и сельском хозяйстве, становится неотъемлемой частью фотохимических производств, играет все возрастающую роль в повышении продуктивности животноводства, урожайности растительных культур [1].

Излучение в диапазоне волн от 400 до 700 нм оказывает наибольшее влияние на протекание фотосинтеза и называется "фотосинтетически активным". Существует стандартный параметр, характеризующий "яркость" источника света для растения, - количество фотонов с длиной волны от 400 до 700 нм, излучаемых за одну секунду. Эта величина называется фотосинтетическим фотонным потоком (Photosynthetic Photon Flux - PPF) и измеряется в микромолях фотонов в секунду, а отношение PPF к потребляемой мощности рассматривается как коэффициент эффективности излучения.

В результате исследований [3] было показано, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растений являются интенсивности в пределах 150-220 Вт/м², а оптимальный состав излучения имеет следующее соотношение энергий по спектру: 30 % - в синей области (380-490 нм), 20 % в зеленой (490-590 нм) и 50 % - в красной области (600-700 нм). С использованием такого искусственного освещения получены урожаи, в несколько раз более высокие, чем при обычном освещении, причем за более короткие (в 1,5-2 раза!) сроки.

Известно, что у разных видов растений различные требования к наилучшему сочетанию спектральных и энергетических характеристик светового режима. Например, установлено, что наилучшее содержание синего, зеленого и красного для томата составляет 15, 17 и 68 %, для огурца - 17, 40 и 43 %, для салата - 45, 20 и 35 %, для редиса - 34, 33 и 33 %, для пшеницы - 25 % синего и 75 % красного [3]. Для большинства остальных сельскохозяйственных растений: 25...30 % - в синей области, 20 % - в зеленой и 50 % - в красной области (табл. 1) Содержание в оптическом излучении ультрафиолетовой радиации, как известно, может существенно влиять на продуктивность растений. Свойства ультрафиолетового излучения зависят от длины волны. Небольшое содержание ближнего ультрафиолетового излучения оказывает регуляторную роль. Коротковолновое УФ излучение нарушает синтез хлорофилла [2].

Различия в интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) особенно велики в многоярусном фитоценозе. Светолюбивость видов значительно определяется расположением в отдельном ярусе. В нижних ярусах фитоценоза интенсивность ФАР недостаточна для того, чтобы листья могли фотосинтезировать с максимальной продуктивностью [3].

Соотношение ФАР и инфракрасной радиации (ИКР) важно для обеспечения максимальной продуктивности растений. В пределах 20-50 % от общего излучения ИКР не влияет существенно на урожай, но сильно изменяет сроки вегетации. 50-60 % ИКР повышают выход урожая при минимальных сроках вегетации. Превышение доли ИКР выше 60 % снижает урожайность, а снижение ниже 20 % сильно удлиняет сроки вегетации. С ростом уровня облученности ФАР рекомендуется снижать долю ИКР.

Таблица 1. Требования к цветному освещению

Результаты многих исследований указывают на возможность применения светодиодных светильников для облучения растений. Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра - от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области спектра составляет от 620 до 635 нм, в оранжевой - от 610 до 620 нм, в желтой - от 585 до 595 нм, в зеленой - от 520 до 535 нм, в голубой - от 465 до 475 нм и в синей - от 450 до 465 нм. Таким образом, путем составления комбинации из светодиодов разных цветовых групп можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне. Следует отметить и другие преимущества светодиодов, например, малую потребляемую электрическую мощность, низкое потребление электроэнергии устройствами на основе светодиодов. Кроме того, излучение светодиодов направленное, а это позволяет эффективнее использовать источники света на их основе. Также надо принимать во внимание, что срок службы светодиодов превышает срок службы ламп минимум в несколько раз, что делает применение светодиодов весьма эффективным в экономическом плане.

Интенсивность излучения светодиода зависит от протекающего через кристалл тока. Это позволяет управлять интенсивностью излучения светодиодного светильника, причем относительно легко - путем изменения значения тока. Если использовать в светильнике светодиоды с разными значениями длины волны излучения, то изменением тока для разных светодиодов можно получать различные по составу и интенсивности спектры излучения и таким образом подбирать спектр светильника в зависимости от конкретного этапа развития растения.

В условиях светокультуры растения могут расти как в направленном, так и в диффузном световом потоке. Диффузное излучение называют объемным (например, свет при равномерном облачном небе или свет через матовое стекло). Для получения диффузного света используют переизлучающую или рассеивающую поверхность. Диффузный свет более эффективен, чем прямой, т.к. лучше распределяется в ценозе.

При обеспечении требуемой структуры поля оптического излучения к растениям и оптимального уровня облученности в зоне ФАР фотопериод, согласно разработкам Института Гипронисельпром, должен составлять 14 часов для выращивания рассады и 16 часов для выращивания на продукцию. Таким образом, светодиоды представляют собой оптимальный базовый источник света для разработки универсального программируемого и регулируемого по спектру облучателя для светокультуры растений.

Заданные ступени регулирования по спектру (в % от 100) при общем уровне облученности в зоне растений 200 Вт/м ² ФАР приведены в таблице 2.

Таблица 2. Регулирования интенсивности по спектральным диапазона

Если использовать в светильнике светодиоды с разными значениями длины волны излучения, то можно получать различные по составу и интенсивности спектры излучения и, таким образом, подбирать спектр светильника в зависимости от конкретного вида и этапа развития растения.

Управление при помощи автоматизированных систем, в которые достаточно органично можно добавить и управление освещением, причем как по интенсивности, так и по спектральному составу излучения, и производить такие управляющие операции по программам, учитывающим фазу развития растений. фотосинтез облучение цветное светодиод

Литература

1. Беззубцева М.М. Электротехнологии и электротехнологические установки: учебное пособие. - СПб.: СПбГАУ, 2011 - 242 с.

2. Рождественский В.И., Клешнин А.Ф. Управляемое культивирование растений в искусственной среде. М.: Наука, 1980 - 199 с.

3. Тихомиров А.А. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы / А.А. Тихомиров, Шарупич В.П., Лисовский Г.М. - Новосибирск: Изд. Сиб. отд. РАН, 2000. - 213 с.

4. Гулин С.В. Энергетическая эффективность спектральных параметров облучательных установок селекционных климатических сооружений// Известия МААО, №18-2013 - с. 8-11.

Размещено на Allbest.ru