Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ

"Школа с углубленным изучением математики, информатики, физики № 444"

Научно-исследовательская работа

Разработка и создание светодиодного модуля для стимуляции процесса фотосинтеза

Осовик П.А.

Москва, 2017

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Обзор литературы
• 1. Фотосинтез. Влияние спектрального состава на растения
• 2. Интенсивность излучения и продолжительность светового дня
• Глава 2. Сравнительная оценка источников излучения по спектральному составу и интенсивности излучения
• 1. Лампы, как источники излучения
• 2. Светодиоды
• Глава 3. Экспериментальная часть
• 1. Средства диагностики
• 2. Экспериментальные результаты
• Заключение
• Библиографический список


Введение

Обеспечение населения овощными культурами в межсезонье является одной из наиболее приоритетных задач развития агропромышленного комплекса РФ. Ее реализация способствует решению проблемы импортозамещения, а также задач продовольственной программы.

Для благоприятного развития растений средней полосы России, требуется определенный набор внешних факторов. Наиболее важными из которых являются: освещенность, полив, оптимальная температура, удобрения. Все они в различной степени оказывают влияние на качество жизни растения. Оптимальные условия выращивания большинства овощных культур в среднем Нечерноземье достигаются при тепличном возделывании.

По устоявшемуся мнению, одним из важнейших показателей обеспечения фотосинтеза является количество света. При этом не акцентируется внимание на влияние спектрального состава излучения на разных стадиях выращивания культур. В ряде работ [2] высказывается предположение, что каждой из культур необходим специфический персонализированный «собственный» спектральный состав излучения. В противовес данному предположению есть исследования [3], свидетельствующие об универсальности соотношения между компонентами спектра вне зависимости от культуры.

Для установления оптимальных фотометрических и спектральных характеристик излучения необходимо исследовать их влияние на процесс всхожести при раннем выращивании овощных культур. В качестве образцовых культур были выбраны наиболее распространенные: помидоры и огурцы. фотосинтез излучение спектральный

Целью данной работы является определение оптимального спектрального состава и освещенности, обеспечивающих дружную всхожесть и начальный рост образцовых культур и создание прототипа малобюджетной облучательной установки для широкого использования.

Задачами данной работы являются:

· Изучение особенностей процесса фотосинтеза

· Рассмотрение спектров различных типов ламп и светодиодов

· Разработка и создание прототипа облучательной установки

Глава 1. Обзор литературы

Растения являются единственными организмами на земле, способными самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических. Этот процесс носит название фотосинтеза. Его активность зависит от многих факторов, прежде всего от условий освещения (интенсивность, спектральный состав и продолжительность светового дня).

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии солнечного света. Собственно, свет - это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом принадлежащее диапазону 380-780 нм.

Рис. 1. Диапазон видимого излучения

Анализ литературных источников [1-3] показывает, что в оптическом диапазоне можно выделить несколько спектральных областей, каждая из которых специфически влияет на рост и развитие растений:

· 400-500 нм - синий свет. Он необходим для вегетативной стадии роста, в целом способствуя укреплению растений, развитию корневой системы, стебля, листьев. На начальной стадии роста синий свет имеет большее значение, чем красный. При его недостатке растения вытягиваются, что приводит к ослаблению стебля.

· 500-600 нм - зеленый свет. Он обладает высокой проникающей способностью, полезен для обеспечения фотосинтеза оптически плотных листьев и густых посевов растений.

· 600-780 нм (красный свет) Он необходим для цветения и плодоношения. Как только растение определяет, что в освещении превалируют красный свет, это становится сигналом к ускоренному росту, развитию и цветению. Большое количество красного света в спектре в природе возникает при затенении растений и эволюционно в ответ на развитие конкурентов растения начинали бурный рост и плодоношение.

Понятно, что каждый из трех основных цветов в отдельности не позволяет вырастить полноценных растений. Для полного цикла выращивания необходимо подобрать определенное соотношение потоков энергии в указанных диапазонах длин волн. В работе [3] показано, что наиболее оптимальным для многих видов зеленых растений является соотношение 0,2-0,25/0,2-0,25/0,5-0,6 для синего/зеленого/красного соответственно.

Также важным является не только спектральный состав, но и тип спектра.

Как известно, солнечный спектр является спектром излучения черного тела, который представляет собой непрерывный континуум. Спектральная излучательная способность в таком случае описывается формулой Планка и характеризуется цветовой температурой с типичным значением ~ 6000 К (максимум в зеленой области).

Спектр разрабатываемой облучательной установки должен быть максимально приближенным к сплошному, иметь максимум в области красного света, как было указано выше.

2. Интенсивность излучения и продолжительность светового дня

Понятно, что кроме требуемого спектрального состава, необходимо соблюдать определенные значения интенсивности излучения.

При низкой интенсивности преобладают процессы дыхания растений[1], т.е. энергия для жизнедеятельности черпается за счет распада ранее синтезированных веществ (Рис. 2). Разлагая органические вещества, растения затрачивают энергию на дыхание. При этом они выделяют углекислый газ и поглощают кислород (отрицательный фотосинтез). После повышения интенсивности света фотосинтез начинает линейно увеличиваться. При дальнейшем росте, фотосинтез увеличивается медленнее, затем наступает «фаза насыщения». Если продолжать увеличение интенсивности света, фотосинтез начнет снижаться.

Рис. 2. Типовая кривая фотосинтеза

Согласно разработкам института Гипронисельпром, оптимальная мощность излучения для выращивания большинства зеленых растения должна составлять:

· 40 Вт/м² для рассады

· 100 Вт/м² - для выращивания на продукцию

Видно, что целесообразно облучать только рассаду в период ее вегетации, длительность которой составляет 25-50 дней. Положительным моментом является и то, что в условиях низкого потребления и высокой плотности посадки можно облучать большое количество растений.

Глава 2. Сравнительная оценка источников излучения по спектральному составу и интенсивности излучения

В настоящее время при промышленном выращивании растений в теплицах используется широкий ассортимент ламп. В большинстве случаев, их спектральный состав не удовлетворяет заявленным требованиям. Для примера рассмотрим спектры некоторых ламп различной мощности [4].

Все эти лампы имеют сплошной спектр (рис. 3, рис. 4), но их форма существенно отличается. Максимумы ЛН (лампа накаливания), МГЛ (металло-галогенная лампа) и LED (светодиодная лампа) лежат в областях синего, желтого и зеленого. Нам же необходимо, чтобы максимум приходился на область красного света.

Рис. 3. Спектры ЛН и МГЛ

Рис. 4. Спектры LED

Рис. 5.Спектры КЛЛ и ЛД

Спектры КЛЛ (компактная люминесцентнаялампа) и ЛД (люминесцентная лампа дневного света) (рис.5) линейчатые, что нам совершенно не подходит.

2. Светодиоды

Сейчас набирают большую популярность светодиодные лампы.

Светодиод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным (p-n) переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Его основу составляет искусственный полупроводниковый кристалл, цвет свечения которого зависит от материала. Он находится в металлической полированной чашечке (медная/ алюминиевая), которая является отражателем и «катодом». К нему припаивают золотую нить - «анод».Далее вся конструкция помещается в прозрачную колбу. От нее зависит угол излучения света, испускаемого кристаллом (чем меньше угол излучения, тем больше интенсивность светового потока).

Итак, светодиоды имеют:

· Достаточно узкий спектральный диапазон излучения

· Возможность легкого изменения

интенсивности в зависимости от подаваемой силы тока

· Поэтому их удобно собирать в комбинации с нужным нам спектральным составом.

Глава 3. Экспериментальная часть

1. Средства диагностики

Изучение спектральных характеристик излучения осуществлялось с помощью монохроматора-спектрографа MS3504i. Регистрация спектра излучения светодиодов проводилась с использованием кварцевого световода, с рабочей апертурой 22°. Диагностика проводилась с решеткой 1200 штр/мм и шириной щели 30 мкм. Спектр регистрировался с помощью ФЭУ.

Измерения освещенности проводились люксметром «ТКА-ПКМ» (05). Диапазон измерения прибора составляет 10-200000 лк с пределом основной относительной погрешности - ±8,0%.

2. Экспериментальные результаты

Мы выяснили, что для выращивания полноценных растений оптимальным набором является совокупность трех цветов, чего можно добиться, комбинируя три соответствующих светодиода. Итак, мы имеем:

· Светодиод синий. Ток потребления - 10мА, потребляемое напряжение - 3 В

· Соответственно сопротивление - 300 Ом, а мощность 0,03 Вт

· Светодиод зеленый. Ток потребления - 10мА, потребляемое напряжение - 3 В

· Соответственно сопротивление - 300 Ом, а мощность 0,03 Вт

· Светодиод красный. Ток потребления - 10мА, потребляемое напряжение - 2 В

· Соответственно сопротивление - 200 Ом, а мощность 0,02 Вт

Рис. 8. Спектр светодиода на разном расстоянии от источника

На рис. 8 представлен спектр красного светодиода на разном расстоянии от световода до светодиода. Видим, что максимумы лежат на одной длине волны. В зависимости от расстояния до источника высота пика (яркость) меняется - рис. 9.

Рис. 9 Освещенность светодиода в зависимости от расстояния от источника

Спектры синего и зеленого светодиодов представляют собой аналогичные пики, но на своей длине волны (синий - 470 нм, зеленый - 525 нм).

Схема подключения светодиодов представлена на рис. 10.Так как нам необходимо получить излучение светодиодов определенной мощности, для регулировки силы тока были использованы резисторы различного сопротивления.

Рис. 10. Схема подключения светодиодов

Рис. 11. Фотографии светодиодного модуля (1)

На рис. 11 представлены фотографии собранного светодиодного модуля для стимуляции процесса фотосинтеза.

На рис. 12. приведены два полученных спектра светодиодного модуля в зависимости от использованных сопротивлений. На графике видно, что нужные нам пропорции синего, зеленого и красного цветов получены.

Рис. 12.Полученные спектры с различными сопротивлениями с наложением чувствительности ФЭУ

Заключение

· В настоящей работе проанализированы механизмы фотосинтеза и влияющие на него процессы.

· Изучены спектры различных типов ламп и современных светодиодов с выявлением их особенностей.

· В соответствии с полученными результатами подобрана комбинация светодиодов для облучения растений.

· Создан прототип светодиодного модуля, а также разработан план его проверки

·

Библиографический список

1. Козырева И. Н. Формирование фитопотоков светодиодных облучательных установок для выращивания сельскохозяйственных культур в условиях защищенного грунта: Дис к.техн. наук: 05.09.07. - Томск, 2014. - 119 с.

2. Валеев Р. А. Повышение эффективности облучения меристемных растений с использованием светодиодных установок: Дис к.техн. наук: 05.20.02. - Ижевск, 2014. - 150 с.

3 Протасова Н. Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева Академии наук - Москва

4. Василеска И., Корнеева М.А., Стёпин В.П. //Вестник Российского университета дружбы народов. 2016. №1. С.91.

Размещено на Allbest.ru