Глава 1. Источники искусственного облучения в тепличной отрасли.
1.1 Существующие источники искусственного облучения в тепличной отрасли
В наше время более 70 % генерируемого светового потока создается разрядными источниками света, в их числе металлогалогенными лампами (МГЛ) и натриевыми лампами высокого давления (НЛВД) [17, 41].
По стандартам для электропитания ламп используются системы, питающиеся от сети переменного тока с частотой 50-60 Гц и состоящие из токоограничивающего реактора, включённого последовательно с лампой, а также устройства для зажигания разряда [34]. Достоинствами таких систем являются низкая стоимость и относительно высокая надежность самого электромагнитного балласта. Проблемы, связанные с электромагнитными балластами описаны ниже:
мерцание от сети с частотой 50 Гц, которое вызывает утомляемость глаз;
нестабильные мощность и световой поток лампы при неравномерности напряжения сети;
низкий коэффициент мощности, из чего следует, необходимость установки емкостного компенсатора;
масса и габариты всей системы электропитания велики, возникающие трудности в управлении радиационным режимом, микроклиматом в теплице;
газоразрядные лампы - источники высших гармоник, соответственно, они несут дополнительные энергетические потери и пагубно влияют для кабельные линии, трансформаторы и пр. [6, 7, 8, 9, 28].
Натриевые лампы высокого давления (НЛВД) очень чувствительны к перегрузке по мощности, а обычно применяемые электромагнитные балласты не имеют возможности обеспечить стабилизацию мощности на уровне оптимума при изменении эксплуатационных условий лампы (для примера, при завышенном напряжении сети), а также изменении ее характеристик в процессе старения. Из различных исследований [1, 11], при повышенном напряжении сети (242 В) срок службы лампы сокращается в среднем в 2-3 раза. Из-за этого более часто менять лампы, что приводит к дополнительным денежным затратам.
Почти 30 лет в теплицах нашей страны используются облучатели ОТ-400 с лампой ДРЛФ 400. Пожалуй, к недостаткам этого типа лампы следует отнести довольно низкие световые отдачи, энергетические и фотосинтезные КПД, достаточно низкое излучение в красной области спектра.
С конца 1990 г., в теплицах России начали преобладать облучатели с металлогалогенными лампами мощностью 400, 1000 и 2000 Вт, а также с лампами НЛВД мощностью 400 Вт в каркасном корпусе светотехнической арматуры, что удорожало их материалоемкость и, соответственно, стоимость.
МГЛ с наполнением 1п, бывает используют в вегетативной (первой) фазе роста растений, так как эти лампы излучают достаточное количество синего цвета спектра [30].
Натриевые лампы высокого давления излучают в желтом диапазоне свечения (2200 К), а индекс цветопередачи очень низок. В большинстве случаев, эти лампы используются на репродуктивных (или поздних) стадиях роста растения. Если облучать фитолампами такого типа на начальных стадиях вегетативного роста, то рост растения немного быстрее, чем обычно. Оборотной стороной такого процесса является довольно высокое и раскидистое растение с длинномерными междоузлиями. Натриевые лампы высокого давления позволяют ускорить процесс образования цветков, а также плодов у растений. Растения воспринимают красно-оранжевую часть спектра ламп-НЛВД в целях репродукции, что повышает урожайность трав, овощей, фруктов или цветов. Бывает, что визуально определяя, из-за особенностей цветового оттенка ламп, растение выглядят бледноватыми и нездоровыми [11].
Используя лампы в высоких широтах, где недостаток солнечного света довольно продолжительный, НЛВД-лампы нужно сочетать с другими источниками облучения для правильного роста. Натриевые лампы высокого давления выделяют много тепла, что вызывает вытягивание стеблей растения, хотя при постоянном контроле температуры воздуха в теплице эта проблема не очень актуальна [15, 21].
Большой промежуток времени практически единоличное положение на рынке российского оборудования занимал светотехнический Кадошкинский ЭТЗ. Он освоил серийное производство облучателей ЖСП 49-400 (с ДНаТ-400), ЖСП-30- 2х400 (2 лампы ДНаТ-400), ГСП 46-400 (с ДРИ 400-5), ГСП 49-1000 (с ДРИ 1000-6) и ГСП 30-2000 (с ДРИ 2000-6). Два последних типа облучателей, несмотря на уменьшение удельной мощности ОУ в 1,5 раза (сравнивая с ОТ-400), не приняло большого распространения из-за повышенного напряжения сети (380 В), сопутствующего лампам высокой мощности, небольшого ресурса ламп (2000...3000 ч) и отрицательной неравномерности распределения освещенности над рассадным модулем [12].
Несколько лет назад ситуация на рынке заметно начала меняться, из-за начавшихся поставок облучателей ЖСП-30-400, разработанных фирмой ООО «Рефлакс» совместно с ОАО КЭТЗ [31, 32]. Внедрение этих изделий достаточно выгодно для тепличных агрокомбинатов из-за пониженной, примерно в два раза, установленной мощности ОУ, простоты техобслуживания, приемлемых цен на рынке, надежности конструкции и продолжительности срока службы зеркальных ламп-облучателей ДНаЗ-400 фирмы «Рефлакс», в которых применены горелки НЛВД производителя GE.
На сегодняшний момент облучатели с типовой зеркальной лампой ДНаЗ-400 фирмы «Рефлакс» используются более чем в 50 % тепличных хозяйствах и агрокомбинатах России и стран СНГ.
Заводами-производителями отечественных облучателей являются — ОАО «КЭТЗ» (г. Кадошкино, Республика Мордовия), фирма «НФЛ» (г. Воронеж), фирма «Точка опоры» (г. Москва) - дистрибьютор фирмы Philips, фирма «Энергосвет» (г. Красногорск Московской области), фирма «Комплект-Электро» (г. Обнинск).
Отдельного внимания заслужила российская разработка натрий-скандиевых МГЛ-400 с полым катодом, который обеспечивает зажигание ламп от сети 220 В без использования дополнительных зажигающих устройств. Выпуск таких ламп серийно, обеспечил снижение себестоимости ОУ за счет исключения импульсно-зажигающих устройств (ИЗУ), которые довольно дорогостоящие [27].
Описанная ситуация на рынке тепличного светотехнического оборудования в РФ будет неполной, если не затронуть европейские фирмы, производящие светотехническое оборудование для выращивания растений (Philips - Нидерланды, Elgo - Польша, Hortemic - Финляндия, Electroscandia -Швеция, GE Европа, Sylvania - Италия, Osram - Германия).
Конструкции облучателей с НЛВД и МГЛ в большинстве своем поставляются с электромагнитными ПРА встроенного или выносного исполнения для облегчения зажигания ламп.
Приведем результаты исследований спектральных составов иностранных НЛВД и МГЛ мощностью 400-600 Вт при отличных от номинальных значений напряжения сети (таблица 1.1).
Таблица 1.1 - Процентное соотношение долей потоков в области ФАР для газоразрядных ламп при изменении напряжения питания
Из таблицы 1.1 видно, что при отклонениях напряжения в электрической сети, разрядными лампами проблематично добиться необходимого спектра для светокультуры.
Далее перейдем к оценке источников облучения в светокультуре растений. Для этого воспользуемся интегральными характеристиками, представленными ниже:
энергетический КПД лампы, Еэ, - отношение суммарной мощности ФАР, излучаемой лампой (в Вт), к мощности, потребляемой лампой электроэнергии (в Вт);
фотосинтетическая спектральная эффективность, Ее, - доля потока излучения в области ФАР, участвующая в процессе фотосинтеза.
Переход от измеренных прибором - люксметром световых величин к энергетическим величинам в области ФАР, излучение которого растение поглощает хлорофиллом и является основной энергией для протекания процесса фотосинтеза, в литературе рекомендуют воспользоваться коэффициентами связи. Зависимость между освещенностью и энергетической освещенностью в области ФАР представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Характеристики источников оптического излучения для светокультуры растений
Безусловно, нельзя забывать, что большую рольимеет распределение спектральных диапазонов для упомянутых выше в таблице источников освещения, которые сведены в таблицу 1.3 [41].
Таблица 1.3 - Спектральные характеристики источников излучения (количество фотонов, испускаемых в данном спектральном интервале, в % от общего числа испускаемых фотонов)
Из таблицы 1.3 мы можем наблюдать, что авторы в отношении натриевых ламп подходят к оценке долей распределения излучения по-разному, что в свою очередь, осложняет выбор мощности источника облучения для светокультуры в теплице.
Заметим, что по энергетическому КПД светодиоды красного спектра находятся на более высоком уровне, относительно дуговых натриевых ламп, превосходя лампы-БФЛ. Светодиоды красного спектра свечения имеют наилучший показатель «фотосинтетической спектральной эффективности», так как почти все излучение красного светодиода расположено в области максимальной квантовой эффективности влияющей на процесс фотосинтеза.
Рассматривая КПД светодиодных источников излучения стоит изучить их в качестве источников облучения для светокультуры, что будет показана в дальнейшем.
1.2 Оценка оптимальных спектральных характеристик для искусственного облучения листового салата
Несмотря на огромный опыт выращивания растений при воздействии искусственного облучения, в настоящее время нет одного точного взгляда на оптимальные уровни облученности зеленых культур и спектральный состав излучения достоверно не определен применительно к отдельным видам растений. Почти в каждом случае, когда разрабатывается технология круглогодичного производства овощной продукции, того или иного вида, требуется создание индивидуальной системы облучения, в наибольшей степени, поддерживающей физиологические потребности выращиваемой культуры. При этом следует учитывать, как влияет способ организации светового потока на совокупность составляющих технологий светокультуры – температурные режимы роста и развития, питательный минеральный состав для растений.
Экспериментальные исследования показали, что световые кванты в диапазоне ФАР, разно эффективны для инициирования процесса фотосинтеза в хлоропластах листа. Количество фотосинтетических реакций - ассимилированных атомов С, или выделенных листом молекул О2, приходящихся на 1 квант света, воздействующих на лист растения, принято называть квантовой фотосинтетической эффективностью света или квантовым выходом фотосинтеза [47]. На рисунке 1.1 показан график относительной квантовой фотосинтетической эффективности света, заимствованный из работ [2, 35]. Спектральными фотосинтезными эффективностями озадачивались и зарубежные ученые, среди которых хотелось бы выделить автора [53], но все же, мы остановимся на наших отечественных исследованиях в области спектральной эффективности.
Рисунок 1.1 Использование спектра средним листом (по И.И. Свентицкому)
Возможность рассматривать такую зависимость как количественно точную и универсальную не представляется возможным [41]. Ввиду того, что развиваясь, растения обладают способностью адаптироваться к условиям выращивания в широких пределах, спектральная зависимость квантовой фотосинтетической эффективности может быть отличной у растений, выращиваемых под источниками облучения с разными спектрами излучения и при варьируемом уровне облученности. Воспользовавшись зависимость рисунка 1.1 для сравнения источников излучения с существенно разными спектрами, ее-зависимость, скорее, нужно рассматривать как качественную. Тогда она позволяет сделать вывод, что максимально-достаточной эффективностью для фотосинтеза обладает красный цвет спектра в диапазоне длин волн 630-690 нм.
Далее определим требования к спектру излучения источника освещения с относительно его фоторегуляторной функции. Свет принимает участие в регуляции важнейших процессов, таких как:
прорастание семян культуры;
рост растения и его морфогенез (соотношение параметров, размеров, органов, площадь и толщина листьев и т.д.);
прохождение онтогенетических фаз;
изменение метаболизма и состава зеленой массы;
накопление ферментов, их активность;
фототропизм и другие.
Известно, что фоторегуляция происходит через фоторецепторы или специальные пигменты. Фотосинтез, интенсивность которого пропорциональна в довольно широких пределах интенсивности света, зависимость большого количества фоторегуляторных процессов от интенсивности света, представляет собой пороговый характер. Чтобы осуществить процесс регуляции необходимо превысить пороговые значения потоком квантов в соответствующем диапазоне спектра, а дальше процесс не зависит или мало зависим от интенсивности света [53]. Частично регуляторные функций (изменение метаболизма, накопление ферментов, их активность, фотоморфогенез и др.) осуществляется через пигмент – фоторецептор, имеющий белковую природу - фитохром. Данные процессы активизируются или подавляются в зависимости от спектра света, потоков излучения, находящихся, в области длин волн 660 и 730 нм, которые в свою очередь, влияют на две формы фитохрома. Достоверно установлено, что присутствие высокоэнергетической фоторегуляции, осуществляемой синем цветом спектра диапазона длин волн 400-480 нм. Растения не растут и не развиваются под монохроматическим светом, а безусловно всегда под светом, в состав которых входят обе доли длин волн. Исходя из вышеперечисленного следует, что к подбору спектра облучения нужно подходить более тщательно при проектировании.
Одновременно с этим, длинноволновое («мягкое») УФ-А излучение растениями поглощается тоже достаточно хорошо. Квантовая энергия таких участков спектра очень мала, чтобы разрушить химические связи, но способна обеспечить внутренние перестройки у атомов и молекул развивающихся растений, что ведет за собой химические реакции, которые находятся в основе важных для жизни процессов - фотосинтеза, дыхания, фотопериодизма и др.
Для выполнения условий светокультуры источники, излучающие искусственного освещения, должны состоять из не менее 2 % УФ-А излучения (АЛ=290-400 нм) от интегрального потока излучения [41, 49], но в тоже время не более 5 % [20]. Длинные ультрафиолетовые лучи (315-380 нм) востребованы для протекания обмена веществ, роста и развития растений [15, 16]. Они затормаживают процесс вытягивания стеблей, что во время выращивания рассады влияет положительно, увеличивают содержание витамина С и других групп витаминов в плодах растения.
Длин волн 500-600 нм в зеленой области, не абсолютно востребован растением для обеспечения фотосинтеза, но, отличаются своей высокой проникающей способностью, которая полезна для обеспечения протикания процесса фотосинтеза в оптически плотных листьях и густых посевов развивающихся растений [46]. Ране проведённые исследования показали, что плохие вкусовые качества и низкое содержание питательных веществ у светокультуры, стало отсутствие в лампах досвечивания зеленого света.
1.3. Характеристики современных светоизлучающих диодов
Рассмотрим более детально технические характеристики инновационных светоизлучающих диодов (светодиодов). Светодиод (СД) - это полупроводниковый прибор с р-n переходом, излучающий фотоны при прохождении электрического тока через него в прямом направлении. Эффект излучения света - инжектированная электролюминесценция, которая происходит за счет перекомбинации неосновных носителей заряда. Светоизлучающие диоды имеют высокую яркость (тысячи кд/м ) и силу света (доходит до десятков сотен кд), а еще внешним выходом квантов до 50 %. Для получения нужной длины волны, пользуются выбором используемых полупроводниковых материалов. Конструкция одноваттного светоизлучающего диода показана на рисунке 1.2 [14].
Рисунок 1.2 - Конструкция светодиода
Конструкция СД состоит из полупроводникового кристалла - «чипа», рамки, на которой расположены внешние выводы, на ней, в свою очередь, размещен кристалл, поверх конструкция залита эпоксидной смолой – верхний защитный слой. Корпус обтекает и защищает кристалл, а также служит для рассеивания света, формируя диаграмму направленности светового излучения. Кристалл приклеивается ко дну рамки (лунка), за счет токопроводящей эпоксидной смолы. Поверхность лунки выполняется из светоотражающего материала и служит для кристалла первичной оптической системой. Она-поверхность отражает идущее от граней в стороны излучение и совместно с линзой из эпоксидной смолы сформировывает угловое распределение излучения СД. Контакт кристалла, расположенный сверху, соединен проводником с другим выводом рамки. Габаритные размеры излучающего кристалла – обычно от 0,18 до 0,5 мм. Внешние выводы выполняют роль теплоотводов, кроме электрического контакта, что значительно ограничивает мощность СД именно такой конструкции.
Основными и базовыми оптическими характеристиками светодиода являются: полный световой поток Ф и его угловое распределение, которое описывается зависимостью силы света I от полярного угла 0, отсчитываемого от оси диода и спектр излучения. В фотометрии единицы измерения светового потока - люмен, силы света - кандела. Но для процесса поглощения света листьями, в наибольшей степени имеет значение квантовая природа света, которая задействована для протекания фотосинтеза. Фиксация листом одного атома углерода потребует поглощения определенного числа квантов света - фотонов, из этих условий следует, чтобы охарактеризовать световое излучение, падающее на растение, обычно используют квантовые единицы – мкмоль*с, для силы света – мкмоль*с*стер, а для плотности светового потока – мкмоль*м2с-1. Если увеличиватьизлучающую поверхность чипа, то это приведет к заметному понижению квантового выхода светодиода [14]. Спектр излучения для обыкновенных «монохроматических» светодиодов представляет из себя узкую спектральную линию (рисунок 1.3), которая характеризуется положением максимума, а ее шириной на уровне половины максимума интенсивности. Рассматривая различные полупроводниковые материалы, лежащие в широком диапазоне от 350 до 700 нм.
Рисунок 1.3 - Спектры излучения светодиодов разного цвета.
Конструкция светоизлучающего диода определяет распределение света и диаграмму направленности излучения в окружающем пространстве. Однако, узкая диаграмма направленности может обеспечивать большую силу света в осевом направлении, но а угол обзора будет небольшим. Этот же кристалл можно смонтировать так, чтобы получить широкий угол обзора, однако, интенсивность в осевом направлении будет снизиться, пропорционально углу излучения. Угловое распределение излучения светодиодов характеризуют величиной полярного угла, на который сила света падает увеличено вдвое от своего максимального возможного значения на оси СД. В светотехнических характеристиках производители указывают величину - как угол раскрытия конуса, в котором происходит сосредоточение излучения светодиода (основная часть).
При увеличении времени наработки, световой выход диодов довольно резко снижается или происходит деградация светодиода.
В наше время технологии шагнули вперед и технология производства светодиодов не исключение. Светотехнические характеристики СД постоянно улучшаются, возрастает их надежность и эффективность, быстро снижается стоимость изделия, расширяется область применения. На основании вышеизложенного материала перспективно рассмотреть возможность применить светодиодный облучатель для светокультуры в теплице, как наиболее современный и энергоэффективный.
1.4. Облучатели на базе светоизлучающих диодов
Приведем пример известных конструкций светильников, основанных на светоизлучающих диодах, которые разработаны для тепличных хозяйств. Один из самых распространенных разработанных в этой области светильников является - светодиодный светильник типа «Алтай» имеющий различные типоразмеры Р100- Р1200 [37]. Основой светильников служат красные светодиоды имеющие длины волн 650-660 нм. Энергетический КПД, применяемых в облучателе СД составил 25 %, превышающий энергетическую эффективность люминесцентных ламп. Такие диоды также обладают довольно высокой стабильностью светового излучения. Коротковолновое излучение реализовано синими диодами (длиной волны 440-450 нм). Подразумевается, что дополнительные спектральные компоненты имеют регуляторное действие и обеспечивают онтогенез растений в достаточной степени. Конструкционно светильник представляет собой плоскую матрицу с размерами 0,42х0,23(« Алтай Р200»), а толщина 80 мм.
Второй, наиболее встречающийся тепличный светильник - «Эльгрои 50» [37]. Реализован с использованием 36 красных (650-660 нм) светодиодов, 18 синих (445-455 нм), 5 зеленых (525-530 нм). Габаритные размеры - 0,6x0.6 м, высота 0,4 м. Но есть и существенный недостаток - суммарная доза ФАР описываемого светильника - 21,5 Вт.
Республике Татарстан освоила на своих производственных мощностях производство светильника SV-LEDROST с заявленной электрической мощностью 180 Вт. Спектр светильника можно увидеть на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 - Спектр светодиодного светильника
Данный спектр светильника повторяет спектр, широко распространенных ДНаЗ Reflux, что подтверждают производители изделий, к сожалению, такой спектр не отражает эффективности для его использования при досвечивании салата.
1.5. Анализ результатов исследований облучения зеленных культур светодиодными источниками излучения
Эффективность обычных ламп и светодиодных источников освещения для светокультуры разнообразных сортов растений сравнивалась в научных работах ряда авторов. Проанализируем работы, которые возможно имеют отношение к агрокомплексам (хозяйствам). КПД ламп ДНаТ и красных светодиодов выше, чем у рассмотренных ранее различных источников. К сожалению, составляющая синего цвета (400-500 нм) в их спектре очень мала, что может пагубно влиять на развитии, рост некоторых видов растений [41, 42]. У некоторых из растений повышается рост стебля, вытягиваются листья [53], может снижаться процесс протекания фотосинтеза, что отрицательно повлияет на урожайность. Если к красным светодиодам или ДнаТ добавить излучения от синих люминесцентных ламп с минимальной интенсивностью (всего лишь от 1 до 10 % от всего потока фотонов), то это оказывает положительный эффект [53]. Развитие растений под этими спектрами проходило так же хорошо, как и при использовании белых флуоресцентных или микроволновых ламп [50-51].
Где-то пятнадцать лет назад появились новые светодиоды синего свечения (InGaN) с высоким световым выходом, что вызвало массу исследований по возможности их применимости для досветки растений синем цветом, дополнив ими основной массив красных светодиодов. Из результатов предварительных опытов была выявлено и рекомендовано поддерживать интенсивность подсветки - 10-20 % от интенсивности света основной красной составляющей спектра по плотности потоков фотонов (ППФ). В описании эксперимента, проведённого в работе [52], провели сравнение эффективности выращивания шпината (Spinacca oleracea) освещая посев лампами ДНаТ, БФЛ, микроволновыми лампами и светодиодами красного свечения, длина волны которых, достигала значений максимума в спектре излучения в области 660, 670, 680 и 690 нм и с добавлением 10 % (по энергии) синих светодиодов с длиной волны 470 нм. Все источники света уравнивались по ППФ в области ФАР поддерживая 250 мкмоль м2с-1.
По выходу зеленой массы и по величине биомассы на один моль затрачиваемой ФАР посевы, выращенные под излучением ДНаТ, микроволновыми лампами и с комбинированными светодиодами, длины волн которых 690+470 нм, продемонстрировали наилучшие показатели, показывая различия между собой, достоверно заметного. В научной разработке [50] описан схожий по параметрам эксперимент, произведенный с кочанным салатом (Lactuca saliva). Условия и результаты данного эксперименты повторяли показатели и характеристики предыдущего. Наилучшие и похожие между собой результаты продемонстрировали посевы под ДНаТ и светодиодами 690+470 нм и 680+470 нм. Вместе с этим, посевы с досвечиванием этими источниками света давали прирост к листовому индексу. Эффективность увеличения площади листьев авторы, прежде всего считают, что в спектре рассматриваемых источников света относительно большое количество излучения в приближенной к ИК-области. Необходимо выделить, что рассмотренные практические опыты были проделаны только лишь при значении 250 мкмоль м2с-1 ППФ. Воздействие спектрального состава облучения на продуктивность посевов при отличных от 250 мкмоль м2с-1 уровнях не приводились.
Так же проводились исследования воздействие на рост и развитие растений добавления в спектральную характеристику светильника излучения светодиодов с зеленым свечением - длина волны в интервале 530-585 нм [52]. Добавление в спектр светильника зеленой компоненты более 50 % (по ППФ) показывало только отрицательный эффект, роста посевов как по зеленой биомассе, так и по площади листа растения имел замедление. 5-24 % зеленого света, добавленного в спектр, устойчивых изменений роста не принесло растению. Зеленый свет привносил только видимые улучшения восприятие растений при физическом рассмотрении и при рассмотрении на фотоматериалах, придавая растениям естественно-зеленую окраску, параллельно с этим позитивно влиял на процесс синтезирования аскорбиновой кислоты и витамина Е [53].
В экспериментальном исследовании, описанном в работе [52], морфология растений шпината в посевах была изучена, под светодиодами с длиной волны 660, 690,700 и 725 нм с дополнением светодиодов синего свечения 470 нм.
