Искусственное освещение растений

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Для выращивания растений при искусственном освещении используются, в основном, электрические источники света, разработанные специально для стимуляции роста растений за счет излучения волн электромагнитного спектра, благоприятных для фотосинтеза. Источники фитоактивного освещения используются при полном отсутствии естественного света или при его недостатке. Например, зимой, когда продолжительности светового дня недостаточно для роста растений, искусственное освещение позволяет увеличить продолжительность их светового облучения.

Искусственный свет должен обеспечивать тот спектр электромагнитного излучения, который растения в природе получают от солнца, или хотя бы такой спектр, который удовлетворял бы потребности выращиваемых растений. Уличные условия имитируются не только путем подбора цветовой температуры света и его спектральных характеристик, но и с помощью изменения интенсивности свечения ламп. В зависимости от вида выращиваемого растения, его стадии развития (прорастание, рост, цветение или созревание плодов), а также текущего фотопериода требуется особый спектр, световая отдача и цветовая температура источника света.

Применение[править | править вики-текст]

Источники искусственного света применяются в садоводстве, при озеленении помещений, при выращивании посевного материала, в производстве пищи (включая гидропонику и выращивание водорослей). Несмотря на то, что большинство источников фитоактивного света разработаны для применения в промышленных масштабах, возможно их применение и в бытовых условиях.

Согласно закону обратных квадратов, интенсивность светового излучения падает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника света. Если, например, расстояние до лампы увеличить в два раза, то интенсивность света, достигающего объект, уменьшится в четыре раза. Этот закон служит серьезным препятствием для садоводов, поэтому много усилий направлено на улучшение утилизации света. Фермеры используют всевозможные рефлекторы, позволяющие сконцентрировать свет на небольшой площади, стараются высаживать саженцы как можно ближе друг к другу, делают все для того, чтобы свет попадал как можно больше на растения, а не рассеивался в пространстве.

В качестве источников света можно использовать лампы накаливания, люминесцентные лампы (ЛЛ), газоразрядные лампы (ГР), индукционные лампы, а также светодиоды. В настоящее время профессионалами, в основном, используются газоразрядные и люминесцентные лампы. В помещениях теплиц обычно устанавливают натриевые лампы высокого давления (НЛВД) или металлогалогенные (МГ) лампы, последние, правда, все чаще стали заменять на люминесцентные в виду их большей эффективности и экономичности.

Металлогалогенные лампы иногда используют в первой (вегетативной) фазе роста растений, поскольку такие лампы излучают достаточное количество синего света, а синий свет способствует росту зелёной массы на первых стадиях развития растений; в то же время МГ-лампы имеют пик излучения в районе жёлтого цвета.

Натриевые лампы высокого давления используются во второй (репродуктивной) фазе роста, поскольку их излучение имеет красноватый оттенок. Красный спектр способствует цветению и образованию плодов. Если натриевые лампы использовать в стадии вегетативного роста, растения развиваются и растут быстрее, но при этом расстояния между междоузлиями у них больше и, в целом, растения оказываются выше.

Иногда в обеих периодах применяются МГ-лампы с добавлением красного спектра или НЛВД-лампы с добавлением синего спектра.

В последнее время на рынке появились источники фитоактивного освещения на основе светодиодов. Путем сочетания диодов разных цветов получают светильники эффективные как на стадии вегетации, так и в репродуктивный период. НАСА уже провело успешные эксперименты по выращиванию пищи в космосе с помощью светодиодных светильников.

Используемые части светового спектра[править | править вики-текст]

Естественный свет имеет высокую цветовую температуру (примерно 5000 K). Видимый нами свет изменяется в течение дня в зависимости от погоды и высоты подъема солнца, поэтому процесс фотосинтеза может протекать в различных условиях освещенности. Расстояние до солнца не играет существенной роли в процессе сезонных изменений освещенности, поэтому не берется в расчет при планировании искусственного освещения для выращивания растений. Наклон земной оси изменяется в течение года при вращении Земли вокруг Солнца. Летом свет падает почти под прямым углом, а зимой под углом 23,44 градусов к плоскости экватора. Этот небольшой наклон земной оси изменяет эффективную толщину атмосферы, которую необходимо преодолеть лучу света, для того чтобы достичь одной и той же площадки на поверхности Земли. При этом цветовой спектр света, испускаемого Солнцем остается неизменным, но изменяется интенсивность (летом больше, зимой меньше) и спектральный состав света, который достигает нас. Индекс цветопередачи позволяет оценить близость цветового оттенка к естественному освещению.

Разные стадии развития растения требуют освещения лучами из разных частей спектра. На начальной вегетативной стадии должна преобладать синяя часть спектра, тогда как на поздней репродуктивной — красно-оранжевая.

Источники фитосвета[править | править вики-текст]

Цветовая температура различных источников света, используемых в растениеводстве

Применяются лампы разных типов, включая металлогалогенные, люминесцентные, накаливания, натриевые высокого давления и светодиодные.

Металлогалогенные лампы (МГ)[править | править вики-текст]

Металлогалогенные лампы излучают в синем спектре и хорошо заменяют условия весеннего и летнего естественного освещения.

Лампы накаливания[править | править вики-текст]

Обычные лампы накаливания излучают в красно-желтой части спектра и имеют низкую цветовую температуру (примерно 2700 K). Лампы такого типа не используются в качестве фитоосвещения, а только для подсветки растений в интерьере. Некоторые лампы накаливания имеют маркировку «grow lights» и покрыты светофильтром синего цвета, который уменьшает количество испускаемого ими красного света. Лампы со светофильтром не имеют особых преимуществ, поскольку фильтр лишь задерживает часть излучения в красной области спектра. Такие фитолампы имеют короткий срок службы около 750 часов и крайне не эффективны в плане расходования электроэнергии.

Люминесцентные лампы[править | править вики-текст]

Люминесцентная фитолампа с полным спектром. Длина около 40 см

В настоящее время цветовая температура люминесцентных лампы может варьироваться в широких пределах: от 2700 K до 7800 K. стандартные люминесцентные лампы можно применять для выращивания овощей, трав или рассады. Стандартные лампы производят в два раза больше световой энергии на единицу электрической мощности, чем лампы накаливания и имеют ресурс непрерывной работы порядка 20000 часов. Иногда в качестве фитоламп используют менее эффективные, но дешевые люминесцентные лампы холодной цветовой температуры.

Высокоэффективные люминесцентные лампы производят вдвое больше световой энергии, чем стандартные лампы. Специальная форма светильника с очень тонким профилем особенно выгодна при использовании в боксах с ограниченной высотой. Высокоэффективные люминесцентные лампы выдают порядка 5000 люмен на 54 Вт мощности и выпускаются с теплым цветовым оттенком (2700 K) и холодным (6500 K). Ресурс работы таких ламп составляет около 10000 часов.

Компактные люминесцентные лампы — это уменьшенные копии люминесцентных ламп, которые используют как при выращивании рассады дома так и в больших теплицах. Компактные люминесцентные лампы используются со специальными рефлекторами, которые направляют свет на растения, точно так же как и ГР-лампы. Выпускаются в вариантах: теплый/красный (2700 K), дневной свет (5000 K) и холодный/синий (6500 K) цветовых оттенках. Ресурс работы компактных люминесцентных фитоламп составляет около 10000 часов.

Натриевые лампы высокого давления (НЛВД)[править | править вики-текст]

Натриевые лампы высокого давления имеют жёлтое свечение (2200 K) с очень низким индексом цветопередачи 22. Как правило, такие лампы используются на поздних (или репродуктивных) стадиях роста. Если использовать фитолампы такого типа на ранних стадиях вегетативного роста, растения растут немного быстрее, чем обычно. Оборотной стороной этого процесса является слишком высокое и раскидистое растение с длинными междоузлиями. Натриевые лампы высокого давления ускоряют процесс образования цветков и плодов у растений. Растения используют красно-оранжевую часть спектра НЛВД-ламп в репродуктивных целях, что позволяет получать более высокие урожаи трав, овощей, фруктов или цветов. Иногда растения визуально, из-за особенностей цветового оттенка ламп, выглядят бледными и нездоровыми.

Натриевые лампы высокого давления имеют продолжительный срок службы и в шесть раз большую светоотдачу на 1 Вт электроэнергии чем стандартная лампа накаливания. Ввиду высокой эффективности натриевых ламп их используют в качестве дополнительной подсветки в теплицах, где необходимую им часть синего спектра растения получают из естественного освещения. Но в высоких широтах, где период недостатка солнечного света очень продолжительный, НЛВД-лампы должны сочетаться с другими источниками света для правильного роста. НЛВД-освещение может привлекать насекомых или других вредителей, что может представлять угрозу для растущих растений. Натриевые лампы высокого давления излучают много тепла, что может вызвать вытягивание стеблей, хотя при должном контроле температуры воздуха эта проблема не так актуальна.

Комбинация металлогалогенных ламп (МГ) и натриевых (НЛВД)[править | править вики-текст]

В комбинированной НЛВД/МГ лампе в одном рефлекторе сочетается металлогалогенная колба с натриевой колбой высокого давления, при этом может использоваться общий балласт или два индивидуальных балластных устройства. Комбинация синей металлогалогенной и красной натриевой лампы высокого давления, как утверждают производители, является идеальной по спектральному составу и крайне эффективной для растениеводства, хотя на самом деле представляет собой компромисс между двумя ситуациями. Лампы такого типа стоят дороже, а служат меньше. Из-за небольшого размера ламп охватываемая световым пятном площадь оказывается значительно меньше той, что получается при использовании стандартных ГР-ламп.

Переключаемые, конвертируемые, универсальные светильники[править | править вики-текст]

Переключаемые, конвертируемые, универсальные светильники — это светильники в которые можно установить металлогалогенную колбу или эквивалентную ей по мощности натриевую лампу высокого давления. Растениеводы используют такие светильники при выращивании рассады и в вегетативный период с установленной металлогалогенной лампой, а затем, в период созревания плодов, меняют её на натриевую лампу высокого давления. Для переключения светильника нужно заменить колбу и настроить соответствующий режим работы. Более распространены металлогалогенные конвертационные лампы для использования в НЛВД-светильниках.

Светодиоды[править | править вики-текст]

Последние разработки в светодиодной отрасли позволили производить недорогие, яркие, с большим сроком службы источники фитосвета. Большим преимуществом светодиодных источников является возможность получения монохроматического излучения в фитоактивной части спектра. Привлекательность светодиодов для выращивания растений в помещениях обусловлена многими факторами. Среди них: низкая электрическая мощность, отсутствие балласта, низкое тепловыделение, что позволяет устанавливать светодиоды вплотную к растениям без риска повредить их. Также необходимо отметить, что использование светодиодов снижает испарение, приводя к удлинению периодов между поливами.

Существует несколько активных участков спектра: для хлорофилла и каротиноидов. Поэтому в светодиодном светильнике могут сочетаться несколько цветов, перекрывающих эти фитоактивные участки.

Рекомендации по оптимальному сочетанию светодиодов сильно разнятся. Например, в одном из источников, для максимизации роста и здоровья растений рекомендуется следующая пропорция «12 красных светодиодов с длиной волны 660 нм плюс 6 оранжевых светодиодов с длиной волны 612 нм и один синий светодиод с длиной волны 470 нм»[1].

Пурпурный оттенок светодиодного фитоосвещения

Также имеются публикации, в которых на период вегетативного роста рекомендуется отдавать приоритет светодиодам синего цвета (с длиной волны в районе середины спектра 400-500 нм). Для роста плодов и цветов рекомендуется увеличить долю светодиодов глубоко красного оттенка (с длиной волны около 660 нм). Следует отметить, что точность при выборе длины волны красных светодиодов более важна, нежели при выборе светодиодов синего спектра. Стандартные красные светодиоды с длиной волны 630 нм неэффективны. Красные фитосветодиоды имеют багряное, бархатистое свечение. Исследования показали полезность дополнительной подсветки растений светодиодами инфракрасного и ультрафиолетового спектра. При смешении красного и синего света получается свет пурпурного (розового) оттенка. Зелёный свет при искусственном освещении растений может применяться в эстетических целях для нейтрализации неприятного для глаз пурпурного свечения фитосветодиодов или для облегчения визуального контроля зеленых побегов и состояния почвы, поскольку глаз человека лучше всего различает детали именно в зелёной части спектра. Фотосинтетическая эффективность зелёного света крайне низка ввиду высокой степени отражения лучей данного спектра хлорофиллом.

Мощность светодиодов, получаемых по старой технологии, составляла сотые доли ватта, что не позволяло эффективно заменять ими ГР-лампы. Современные усовершенствованные светодиоды обладают мощностью, исчисляемой десятками и даже сотнями ватт, что делает их достойной альтернативой ГР-лампам.

Мощность и эффективность фитосветодиодов продолжает расти. Светодиоды предыдущего поколения были мощностью 1 Вт. Сейчас в фитосветильниках широко используются светодиоды мощностью 3 Вт и 5 Вт. Промышленные предприятия и отдельные энтузиасты изготовляют светильники на светодиодах мощностью в несколько киловатт.

Световая эффективность[править | править вики-текст]

В следующей таблице приведена световая эффективность различных источников света

Категория
 
тип
 
Световая отдача (лм/Вт) КПД[2]
На основе горения Свеча 0,3[3] 0,04 %
газовая горелка 2[4] 0,3 %
Лампа накаливания 5 Вт лампа накаливания (120 В) 5 0.7 %
40 Вт лампа накаливания (120 В) 12.6[5] 1.9 %
100 Вт лампа накаливания (120 В) 16.8[6] 2.5 %
100 Вт лампа накаливания (220 В) 13.8[7] 2.0 %
100 Вт галогенная лампа (220 В) 16.7[8] 2.4 %
2.6 Вт галогенная лампа (5.2 В) 19.2[9] 2.8 %
Кварцевая галогенная лампа (12-24 В) 24 3.5 %
Высокотемпературная лампа 35[10] 5.1 %
Люминесцентная лампа 5-24 Вт компактная флюоресцентная 45-60[11] 6.6-8.8 %
T12 линейная, с магнитным балластом 60[12] 9 %
T8 линейная, с электронным балластом 80-100[12] 12-15 %
T5 линейная 70-100[13] 10-15 %
Светодиод Белый светодиод 10 — 97[14][15][16] 1.5-13 %
Белый органический светодиод 102 [источник не указан 726 дней] 15 %
Прототип светодиода до 254[17] до 35 %
Дуговая лампа Ксеноновые газоразрядные лампы 30-50[18][19] 4.4-7.3 %
Дуговые ртутные металлогалогенные лампы 50-55[18] 7.3-8.0 %
Газоразрядная лампа Натриевая лампа высокого давления 150[20] 22 %
Натриевая лампа низкого давления 183[20] — 200[21] 27-29 %
Лампа на галогенидах металлов 65-115[22] 9.5-17 %
1400 Вт Серная лампа 100 15 %
Теоретический предел 683,002 100 %

Требования к свету у растений[править | править вики-текст]

У каждого растения особые требования к освещению для правильного развития. Источники искусственного света должны имитировать условия освещения, к которым приспособлено растение. Чем больше растение, тем большее количество света ему требуется. При недостатке света растение перестает расти, независимо от прочих условий.

Например, овощные культуры растут лучше всего при естественном дневном свете, поэтому для выращивания при искусственном освещении им требуется постоянный интенсивный источник света такой как люминесцентная или металлогалогенная лампа. Лиственные растения (например, филодендрон) растут в условиях постоянного затенения, для нормального роста им не требуется много света, поэтому будет достаточно обычных ламп накаливания.

Растениям необходимо чередование темных и светлых («фото»-) периодов. По этой причине освещение должно периодически включаться и выключаться. Оптимальное соотношение светлых и темных периодов зависит от вида и сорта растения. Так некоторые виды предпочитают длинные дни и короткие ночи, а другие наоборот.

Освещённость, измеряемая в люксах, является важной характеристикой для выращивания растений внутри помещений. Освещённость характеризует количество света, падающего на поверхность. Один люкс равен одному люмену света, падающему на один квадратный метр площади (лм/м2). Для офисного помещения достаточно освещённости в 400 лк.

Однако, освещённость является световой величиной, то есть характеризует свет в соответствии с его способностью вызывать зрительные ощущения у человека и соответствующим образом зависит от спектрального состава света. Поэтому освещённость плохо подходит для использования при определении эффективности систем освещения в садоводстве. Вместо этого используются другие величины, такие как облучённость (энергетическая освещённость), выражаемая в Вт/м2, или фотосинтетически активная радиация (ФАР).

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

  1. Patent US6921182 - Efficient LED lamp for enhancing commercial and home plant growth – Google Patents. Google.com. Проверено 26 февраля 2013.
  2. Нормированный так, чтобы максимальное значение составляло 100 %.
  3. 1 кандела*4π стерадиан/40 Вт
  4. Waymouth, John F., "Optical light source device", US patent # 5079473, published September 8, 1989, issued January 7, 1992. col. 2, line 34.
  5. Keefe, T.J. The Nature of Light (2007). Проверено 5 ноября 2007. Архивировано из первоисточника 1 июня 2012.
  6. How Much Light Per Watt?
  7. Bulbs: Gluehbirne.ch: Philips Standard Lamps (German)
  8. Osram halogen (нем.) (PDF). www.osram.de(недоступная ссылка — история). Проверено 28 января 2008. Архивировано из первоисточника 7 ноября 2007.
  9. Osram Miniwatt-Halogen. www.ts-audio.biz(недоступная ссылка — история). Проверено 28 января 2008. Архивировано из первоисточника 17 февраля 2012.
  10. Klipstein, Donald L. The Great Internet Light Bulb Book, Part I (1996). Проверено 16 апреля 2006. Архивировано из первоисточника 1 июня 2012.
  11. China energy saving lamp. Проверено 16 апреля 2006. Архивировано из первоисточника 17 февраля 2012.
  12. 1 2 Federal Energy Management Program (December 2000). «How to buy an energy-efficient fluorescent tube lamp» (U.S. Department of Energy).
  13. Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts, Australia. Energy Labelling—Lamps(недоступная ссылка — история). Проверено 14 августа 2008. Архивировано из первоисточника 24 января 2007.
  14. Klipstein, Donald L. The Brightest and Most Efficient LEDs and where to get them. Don Klipstein's Web Site. Проверено 15 января 2008. Архивировано из первоисточника 17 февраля 2012.
  15. Cree launches the new XLamp 7090 XR-E Series Power LED, the first 160-lumen LED!. Архивировано из первоисточника 17 февраля 2012.
  16. Cree XM-L;. Архивировано из первоисточника 3 июня 2012.
  17. Cree Sets New R&D Performance Record with 254 Lumen-Per-Watt Power LED. Cree, Inc. Press Release (2012-04-12). Архивировано из первоисточника 27 июня 2012.
  18. 1 2 Technical Information on Lamps (pdf). Optical Building Blocks(недоступная ссылка — история). Проверено 14 октября 2007. Архивировано из первоисточника 27 октября 2007. Note that the figure of 150 lm/W given for xenon lamps appears to be a typo. The page contains other useful information.
  19. OSRAM Sylvania Lamp and Ballast Catalog. — 2007.
  20. 1 2 LED or Neon? A scientific comparison.
  21. Why is lightning coloured? (gas excitations). Архивировано из первоисточника 17 февраля 2012.
  22. The Metal Halide Advantage. Venture Lighting (2007). Проверено 10 августа 2008. Архивировано из первоисточника 17 февраля 2012.