Преимущества светодиодного освещения для сельского хозяйства

Благодаря экономической эффективности и способности обеспечить постоянный спектр, адекватный для роста растений, газоразрядные лампы стали современным промышленным стандартом искусственного освещения теплиц. Светодиоды в качестве источников света для выращивания растений имеют множество преимуществ, однако препятствия, возникавшие на начальных этапах использования светодиодов, в первую очередь стоимость и световой поток, ограничивали их применение в сельском хозяйстве. Тем не менее быстрый прогресс в разработке и производстве светодиодов сократил разрыв с традиционными газоразрядными лампами. В настоящее время светодиоды становятся экономически выгодной альтернативой, особенно для высокоценных культур, и по мнению некоторых специалистов, происходит «монументальный перелом». Ниже мы сравним преимущества светодиодов и традиционных газоразрядных ламп с точки зрения применения в сельском хозяйстве. Хотя их свойства рассматриваются в разных разделах, они тесно взаимосвязаны. Улучшение одной характеристики негативно сказывается на других. Для ознакомления с рекомендациями по использованию светодиодов в сельском хозяйстве обратитесь к документу «ANO002 LEDs— The Future of Horticultural Lightin».

Световой поток

Первоначально световой поток светодиодов был слишком низким для практического применения в сельском хозяйстве, он больше подходил для световых индикаторов и подсветки панелей управления. Благодаря увеличению светового потока, который на данный момент могут излучать светодиоды, объединенные в группы, их фотосинтетический фотонный поток (ФФП) сравним с потоком газоразрядных ламп. Световой поток обычно выражается в люменах, поскольку люди воспринимают свет в соответствии с чувствительностью глаза. Однако фотосинтез и рост растений определяется фотонами, и потому для них оценивают величину ФФП. Это особенно важно при сравнении светодиодов, которые могут излучать свет определенных длин волн. Поскольку энергетика излучения обратно пропорциональна длине волны, «красные фотоны» обладают более низкой лучистой энергией, в результате чего генерируется больше фотонов на единицу энергии. Это означает, что, хотя синие светодиоды имеют более высокий поток излучения, чем красные, разница в их ФФГ1 намного меньше (рис. 1). Трудно сравнивать световой поток источников света на основе светодиодов и газоразрядных ламп из-за ряда факторов, включая количество светодиодов, характерную диаграмму пространственного распределения силы света устройств (светодиоды являются направленными источниками, в то время как газоразрядные лампы имеют широкую диаграмму излучения) и использование отражателей и линз. Цель состоит в том, чтобы максимизировать передачу излучаемого света от источника света к листьям растения. Поэтому может быть интереснее рассмотреть, как именно свет доставляется растениям. Не существует идеальной схемы распределения излучения, но есть такие, которые больше подходят для определенных конфигураций теплиц. Для управления диаграммой излучения в устройствах на основе газоразрядных ламп и фокусирования света на зоны роста растений могут применяться прецизионные потолочные светильники и линзы. Это необходимо в небольших теплицах с растениями, расположенными на относительно большом удалении друг от друга. Таким образом, при установке подвесных светильников можно достичь эффективности использования фотонов свыше 90%, независимо от источника света. Но с помощью светодиодного освещения, применяемого в междурядьях, удается достичь показателя около 100 %. Тепло, генерируемое светильниками с газоразрядными лампами, делает невозможным освещение в непосредственной близости от растений.

Эффективность

Потенциальная эффективность светодиодов по сравнению с традиционными источниками освещения давно признана. Она связана с низкими потерями в виде тепла, означающими, что большая часть электричества идет на генерацию света. Кроме того, это говорит о том, что источник света можно расположить очень близко или даже между растениями. Эффективность (степень преобразования электрической энергии в оптическую) источников света обычно выражается в виде отношения потока излучения (Вт) к потребляемой электрической мощности (Вт) или световой отдачи, выраженной в виде отношения светового потока (лм) к потребляемой электрической мощности ( Вт I, но для сельского хозяйства используется фотонная эффективность (мкмоль/Дж). Это отношение числа излучаемых фотосинтетических фотонов (мкмоль/с) к потребляемой мощности (Вт). Как было сказано выше, ФФП и поток излучения при разных длинах волн светодиодов будут сильно различаться. Хотя синие светодиоды имеют более высокую эффективность преобразования электрической энергии в оптическую, чем красные, различие в фотонной эффективности гораздо меньше (рис.2)

Ситуация еще больше осложняется тем, что эффективность светодиодов различна для разных материалов, используемых для генерации разных длин волн, а также для разного потребляемого ими тока (рис. 3). Наиболее эффективные цвета светодиодов на основании фотонной эффективности — синий и красный.

При непосредственном сравнении газоразрядных и светодиодных источников света основное внимание уделяется эффективности преобразования электрической энергии в фотосинтетически активные фотоны (табл.).

В результате эффективность очень чувствительна к ценам на электроэнергию (рис. 4). Поскольку цена на электроэнергию увеличивается, экономия от внедрения системы светодиодного освещения становится гораздо более значительной.

Качество света

Что касается качества света, основным преимуществом светодиодов здесь становится возможность регулировки и оптимизации спектра излучаемого света. Эту возможность используют для повышения и улучшения фотосинтетической эффективности и управления фазами развития растений, а также для уменьшения количества потерянного света и, следовательно, энергии. Благодаря монохроматическому излучению ряд светодиодов с различными длинами волн применяют для создания «рецептов» света, специфичных для видов, сортов и фаз роста растений. Это отличает их от газоразрядных ламп, имеющих фиксированный спектр излучения, обеспечивающий достаточное количество света на некоторых длинах волн и в то же время избыточное или недостающее количество на других (рис. 5). Кроме того, излучаемый ими свет .нельзя изменить в соответствии с фазой развития растений (рис. 6). В настоящее время существует ряд проектов, в которых для оптимизации спектра (и других параметров) в соответствии со стадией роста растения используется управление с обратной связью. В таких системах предусмотрены видеокамеры, как правило, в видимом или инфракрасном спектре

Сегодня весьма интересной темой в выращивании растений является ультрафиолетовая область излучения (УФ-А и УФ-В, 280-400 нм). Солнечный свет на 9% состоит из ультрафиолета (в процентах от ФФП), в то время как в излучении газоразрядных ламп присутствует фиксированный уровень ультрафиолета 0,3-8% (в процентах от ФФП) . С помощью светодиодов очень легко управлять уровнем воздействия. Недостаточный уровень ультрафиолета может привести к остановке развития некоторых видов растений. Кроме того, у газоразрядных ламп излучение в дальнем красном диапазоне спектра (710-740 нм) минимально, светодиоды же способны эффективно его генерировать.

О важности излучения в дальнем красном диапазоне спектра можно прочитать в ANO004. В светодиодных светильниках обычно не используются зеленые светодиоды (530-580 нм), поскольку считалось, что для фотосинтеза эти длины волн менее значительны. Однако эти длины волн лучше проникают через листву и нужны для механизмов развития и реагирования  растений. Свет в этом диапазоне длин волн обычно получают с использованием белых (люминофорных) светодиодов, которые также увеличивают содержание света в синем диапазоне.

Срок службы

При соответствующих температурах, то есть значительно ниже максимальной рабочей температуры, светодиоды могут функционировать до 60 000 ч, что соответствует 9,1, 13,7 и 20,5 года при работе в течение 18, 12 и 8 ч в день. Эти сроки значительно сокращаются, когда светодиоды действуют при более высоких температурах, если повышена температура окружающей среды, или при питании более высокими токами (рис. 7).

Чем ниже рабочая температура, тем дольше работают светодиоды. Во время срока службы световой поток светодиодов может падать примерно до 70% от первоначального. Однако это снижение очень зависит от рабочей температуры. Из-за относительно высоких инвестиций, необходимых для замены светодиодных светильников, предполагается, что они будут эксплуатироваться до окончания периода их эксплуатации, несмотря на более низкий ФФП в конце срока службы (как у газоразрядных ламп). Замена отдельных светодиодов непозволительно дорога и непрактична в условиях эксплуатации. Однако часто не светодиод становится ограничивающим фактором. В светодиодных светильниках блоки питания, вентиляторы и другие компоненты (прокладки, крепления, корпуса и т. д.) могут выйти из строя задолго до окончания срока действия самих светодиодов. Поэтому для любого производителя светодиодных светильников важно, чтобы вспомогательная электроника была надежной и хорошо функционировала, максимально увеличивая срок службы светильника и соответствуя периоду эксплуатации светодиодов. Натриевые лампы высокого давления с двусторонним цоколем (1000 Вт) имеют ожидаемый срок службы 10 000-24 000 ч (но данным производителя) или 3,7, 5,5 и 8,2 года при использовании в среднем 18, 12 и 8 ч в день соответственно. Тем не менее ожидается, что из-за уменьшения светового потока светильник будет заменен в течение первых пяти лет. Замена лампы увеличивает затраты на техническое обслуживание из-за трудозатрат и расходов на сами лампы. Срок службы металлогалогенных ламп составляет 6000-20 000 ч, а у люминесцентных (Т-5 и Т-8) достигает 20 000-36 000 ч. Опять же, из-за падения светового потока ожидается, что лампы будут заменены еще до наступления максимального срока. Сравнение сроков службы источников света можно увидеть на рис. 8.

Физические свойства и воздействие на окружающую среду

Небольшие размеры светодиодов и светильников на их основе в сочетании с низкими рабочими температурами позволяют размещать их в местах, где газоразрядные лампы установить невозможно, например в непосредственной близости от растений, кроме того, это означает, что оператор не может получить ожоговые травмы. Низкая рабочая температура также позволяет полностью или частично заключать светодиодные светильники в кожух, делая их водо- и/или пыленепроницаемыми. Благодаря своей конструкции светодиоды значительно более устойчивы к ударам, что снижает риск повреждения при установке и транспортировке ламп и светильников. При их изготовлении не используется стекло, которое может легко разбиться и привести к травме. В отличие от газоразрядных ламп светодиоды соответствуют требованиям RoHS, то есть не содержат ртути, предполагающей специальную утилизацию. К тому же они не генерируют ультрафиолетовое излучение (если это не предусмотрено специально), как эго может происходить с газоразрядными лампами в случае их повреждения. Поскольку светодиоды способны работать вблизи листового полога и излучать только определенные длины воли, используемые растениями, гораздо меньше света тратится впустую и, следовательно, сокращается потребление электроэнергии.

Заключение                                                                                                                                         

В последние годы эффективность светодиодов значительно возросла. Действуя при оптимальной температуре, с хорошо разработанным источником питания и оптимизированным спектром, светодиодные источники света могут конкурировать с газоразрядными лампами, а в ближайшем будущем и превзойдут их. Компания Wiirth Elektronik предлагает семейство монохромных керамических светодиодов WL-SMDC SMD Waterclear (рис. 9). Семейство WL-SMDC было расширено за счет светодиодов с длинами волн 450 нм (Deep Blue), 660 нм (Hyper Red) и 730 нм (Far Red), оптимизированных для соответствия спектрам поглощения фотосинтетических пигментов. В дополнение к существующим светодиодам WL-SMDC, WL-SMTC, WL-SUMW и WL- SIMW возможен подбор комбинаций, удовлетворяющих требованиям конкретной сельскохозяйственной культуры.

Литература

1. Gomez С., Morrow R. С., Bourget С. М., Massa G. D., Mitchell С. A. Comparison of Intracanopy Light-emitting Diode Towers and Overhead High-pressure Sodium Lamps for Supplemental Lighting of Greenhouse-grown Tomatoes // HortTechnology. 2013. Vol. 23. No. 1.

2. Dzakovich M. P., Gomez C, Mitchell C. A. Tomatoes Grown with Light-emitting Diodes or High-pressure Sodium Supplemental Lights have Similar Fruit-quality Attributes // HortScience. 2015. Vol. 50. No. 10.

3. Morgan Pattison P., Hansen M., Tsao J. Y. LED lighting efficacy: Status and directions. Comptes Rendus Phys., 2017.

4. Frantz J. M., Joly R. J., Mitchell C. A. Intracanopy Lighting Influences Radiation Capture, Productivity, and Leaf Senescence in Cowpea Canopies // J. Am. Soc. Hortic. Sci. 2000. Vol. 125. No. 6.

5. Santhanam P., Gray D. J., Ram R. J. Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency II Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 108. No. 9.

6. Bergh A. A., Dean P. J. Light-emitting diodes, 1976.

7. Nelson J. A., Bugbee B. Economic Analysis of Greenhouse Lighting: Light Emitting Diodes vs. High Intensity Discharge Fixtures // PLoS One. 2014. Vol. 9. No. 6.

8. Yang Z.-C., Kubota C, Chia P.-L., Kacira M. Effect of end-of-day far-red light from a movable LED fixture on squash rootstock hypocotyl elongation // Sci. Hortic. (Amsterdam). 2012. Vol. 136.

9. Massa G. D., Kim H.-H., Wheeler R. M., Mitchell C. A. Plant Productivity in Response to LED Lighting // HortScience. 2008. Vol. 43. No. 7.

10. Nelson J. A., Bugbee B. Spectral characteristics of lamp types for plant biology. Poster session presented at: NCERA Annual Meeting, 2013.

11. Graver J. K., Miller С. T., Williams K. A., Bello N. M. Ultraviolet Radiation Affects Intumescence Development in Ornamental Sweetpotato (Ipomoea batatas) // HortScience. 2014. Vol. 49. No. 10.

12. Kong S.-W., Chung H.-Y., Chang M.-Y., Fang W. The Contribution of Different Spectral Sections to Increase Fresh Weight of Boston Lettuce // HortScience. 2015. Vol. 50. No. 7.

13. Royer M. Lumen Maintenance and Light Loss Factors: Consequences of Current Design Practices for LEDs, 2013.
    

Автор: д-р Ричард Блэйки (dr. Richard Blakey)

Источник: Полупроводниковая светотехника №4'2019