К расчету параметров светодиодной установки для обеспечения спектрального состава оптического излучения при облучении растений

Введение. Рост и развитие растений зависит от фотохимических процессов, происходящих в их клетках. Реакция фотосинтеза невозможна без влияния энергии оптического излучения. В природе источником оптического излучения для растений является солнце.

В условиях защищенного грунта солнечного излучения недостаточно. Поэтому разработаны и применяются технологии выращивания с применением искусственных источников освещения – облучательных установок.

Большинство современных облучательных установок для растений в качестве источника излучения используют ртутные газоразрядные лампы, но несмотря на их широкое применение они обладают недостатками в сравнении со светодиодными источниками [1].

Применение светодиодных источников в установках для облучения растений, по сравнению с газоразрядными лампами, обладает следующими преимуществами:

• -    Низкая удельная энергоемкость при производстве растениеводческой продукции;

• -    Возможность регулирования спектрального состава излучения;

• -    Возможность регулирования интенсивности (плотности потока) излучения:

• -    Экологическая безопасность и электробезопасность.

Важным аспектом является то, что различные виды и сорта растений на различных этапах своего развития требуют различных параметров качества фотосинетически активной радиа ции. Известно [2], что спектр излучения воспринимается пигментным комплексом 104                 Агротехника и энергообеспечение. – 2022. – № 4 (37)

растения. Параметры спектра такого излучения оказывает влияние на биохимические реакции, физиологические процессы, происходящие в растении, а также развитие растения в целом.

Цель исследований заключается в разработке энергоэффективной конструкции установки для обеспечения спектрального состава оптического излучения и определения оптимального количественного состава излучающих светодиодов, обеспечивающих эффективный спектральный состав излучения.

Материалы и методы исследований. При проведении исследований были использованы методы патентного поиска, методы расчета светотехнических устройств и фотоэнергетических величин используемых при облучении растений, а также методы анализа и графического представления результатов расчета с применением программы Microsoft Excel.

Основные результаты.

Для облучения растений предлагается разработанная в Белгородском ГАУ конструкция установки, схема которой представлена на рисунке 1 [3].

Рисунок 1 - Устройство для облучения растений: 1 – корпус, 2 – отверстия, 3 – радиаторы, 4 – алюминиевые платы, 5 – светодиоды, 6 – защитное стекло, светодиодные ленты красного 7, оранжевого 9, синего 8 и УФ 10 цвета

□ 0

о

С

D

а

D

□ □

□ □

о □

D

D

□ о

□

□ о

с

с

о □

D О

С

п

С

о □

Z

о о

□ о

о о

с

□

о о

с

□ о

U

и

и

о

о □

о

О о

и

и

о о

и

и

и □

о

и

□

□ и

и

в

□

□

□

D О

□

о

□

□ о

о

□ □

□ □

□

о □

с

о

□

а о

□

D

Устройство для облучения растений размещают над поверхностью грядки вдоль неё на необходимой высоте. Такая конструктивная схема устройства позволяет повысить эксплуатационную надежность, обеспечить равномерность облучения и регулировку спектрального состава облучения для стимулирования роста растений и повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

В рассадных отделениях овощных теплиц минимальная суммарная облученность должна быть не менее 25 Вт/м ² ФАР. Суточное количество ФАР – не менее 250 Вт×ч/м ² . В овощных теплицах облученность должна быть не менее 70 Вт/м ² . Суточное количество ФАР в период плодоношения составляет не менее 900 Вт×ч/м ² [4].

Из работы [4] было выяснено, что для выращивания растений в закрытом грунте наиболее эффективным является следующее соотношение отдельных участков спектра в излучении ламп, которое обеспечивает оптимальные условия развития аппарата фотосинтеза, рост, морфогенез и продуктивность растений:

30 % – в синей области (диапазон k 1 400…499 нм);

20 % – в зеленой области (диапазон k 2 500…599 нм);

50 % – в красной области (диапазон k 3 600…700 нм).

Суточное количество облучения полученного в диапазоне УФ-а должно быть не менее 17 Вт×ч/м ² при длительности облучения не менее 5 ч, что положительно сказывается на растениях [5].

Поэтому важным является разработка методики расчета спектрального состава излучения и равномерности облучения растений для предлагаемой конструкции при асимметричном чередовании светодиодных групп на платах.

Для расчета требуемой мощности установки и количественного набора светодиодов нам необходимо провести количественную оценку энергетических величин.

Световой поток светодиода в люменах переводится в фотосинтетический поток излучения (Вт) в пределах области фотосинтетически активной радиации (длины волн от 400 до 700нм) согласно рекомендациям ГОСТ Р 58461 – 2019 по формуле:

{* Xmax фД, p(x)dx ф  _______J Amin _ _________

e          Xmax                     ,

Km j^ X V ( X) dX где   Фv – световой поток светодиода, лм;

• λ min и λ max – нижняя и верхняя граница фотосинтетически активной радиации, 400 и 700 нм соответственно;

• φ – спектральное распределение излучения, отн.ед/нм;

• V (λ) — относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения с длиной волны λ;

K m – максимальная световая эффективность излучения, K m =683 лм/Вт.

Поток излучения малого спектрального диапазона, можно найти из отношения:

Г A2

ф( A)dA ф (A _ Ф  A1_L_L---

e \ ) e Xmax              ,

®(A)dA

Xmin где λ 1 и λ2 – границы малого диапазона, в котором определяется спектральная плотность;

Энергетическая сила излучения находится из потока излучения, распространяющегося от источника внутри телесного угла, к этому телесному углу. Телесный угол можно заменить на плоский угол свечения светодиода, тогда расчет, согласно рекомендациям ГОСТ 8.654 – 2016 будет выглядеть следующим образом:

Ie (A) =

Фе (A)

—

cos ( а / 2 )) ’

где α – двойной угол половинной яркости или плоский угол свечения светодиода, указывается производителем.

Энергетическая облученность (Вт/м ² ) поверхности для участка малого спектрального диапазона при освещении точечным источником, находится по формуле:

• I. А

  
  

Ее (Л) =       COS®, где h – высота подвеса светодиодов над поверхностью,

• θ – угол, который нормаль к поверхности образует с направлением на источник.

Энергетическая облученность k-ого спектрального диапазона (синего, зеленого и красного) находится из выражения:

где

Amaxk n

E ek =L J NN i dE ei ( ^л ) '

Amink i = 1

n – количество групп светодиодов с разным спектром излучения.

N – количество светодиодов в группе.

λ mink и λ maxk – нижняя и верхняя граница k-ого спектрального диапазона

Общая фотосинтетическая облученность будет равна:

m

Ея = Ye, ., общ          eki , i=1

где

• m – количество областей спектра

Доля энергии потока k-ого спектрального диапазона ФАР, %:

X = ^E ek

, общ

По данной методике при проектировании светодиодного устройства возможно определить общее количество СД и СД каждой группы N i , обеспечивающих заданную облученность и спектральный состав излучения, а также при известном общем количестве СД определить количество СД каждой группы и отношение участков спектра к общей облученности.

Результаты и обсуждение. В качестве облучателей были выбраны светодиоды типа TDS-P001L4 синего СИ (максимум излучения при длине волны 460 нм), оранжевого ОР (600 нм) и красного КР (650 нм) света [8] Световой поток светодиодов равен Ф(СИ)=20лм, Ф(ОР)=50лм, Ф(КР)=35лм. На рисунке 2 даны спектральные составы излучения отдельных СД разных длин волн при температуре окружающей среды 25°С.

Рисунок 2 - спектральный состав излучения отдельных СД видимого спектра

В качестве светодиодов ультрафиолетового спектра излучения были приняты светодиоды со спектром излучения в УФ-А диапазоне [4] (315…400 нм) с максимумом излучения длины волны 380 нм марки BLD-HP001UV3-E45. Все светодиоды обладают плоским углом свечения 140°. Значения относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для длин волн в диапазоне от 395 до 705 нм через 10 нм принимались согласно ГОСТ 8.332 – 2013.

При преобразовании известных фотометрических величин в энергетические по формулам 1 и 2 получено спектральное распределение потока излучения Фе (Я), мВт, показанное в таблице 1 и на рисунке 3.

Таблица 1 – параметры распределения потока излучения

	Светодиод				Светодиод
λ, нм	X 1 Синий	Х2 Оранжевы й	Х3 Красны й	λ, нм	X 1 Синий	Х2 Оранжевы й	Х3 Красны й
400-410	3,403			550-560		2,250	0,045
410-420	6,491			560-570		3,949	0,404
420-430	12,225			570-580		8,546	1,109
430-440	27,539			580-590		17,111	2,221
440-450	52,150			590-600		25,215	3,789
450-460	74,405			600-610		24,712	5,794
460-470	73,338			610-620		17,590	10,056
470-480	51,150			620-630		9,789	24,519
480-490	29,702			630-640		4,464	46,356
490-500	12,187			640-650		2,215	67,781
500-510	5,866			650-660		1,189	71,660
510-520	3,048	0,047		660-670		0,773	52,150
520-530	1,435	0,243		670-680		0,477	29,085
530-540	0,499	0,624		680-690		0,228	13,197
540-550	0,046	1,252		690-700		0,029	6,019
		Суммарный поток излучения			353,483	120,703	334,185

Рисунок 3 – Спектральное распределение потока излучения

Расчеты оптимального состава светодиодов проводились с применением программы Microsoft Excel (модуль поиска решений методом общего понижающего градиента для нелинейных задач).

Целевой функцией в расчетах является минимизация общего количества светодиодов с достижением требуемой фотосинтетической облученности. Ограничением в данном случае является необходимый спектральный состав X 1 , X 2 и X 3 [6]. Для учитывания возможного разброса требуемое соотношения спектра было уменьшено на 1% выглядит следующим образом: X 1 = 29,5%, X 2 = 19,5% и X 3 = 49,5% при заданной высоте подвеса h = 0,4м и плоском угле 140° для минимальной облученности 25 Вт/м ² (режим 1) ФАР и 70 Вт/м ² (режим 2). Спектральное распределение облучения в зоне ФАР, полученное в ходе вычислений, для двух режимов работы отображены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Спектральное распределение общей фотосинтетической облученности

Для УФ светодиодов расчетные значения были получены по формуле:

N УФ

Е_еуф ^х 2 п ( 1 - cos ( а / 2 ) ) h ²

^Ф еуф ^Х cos ⁶

где    E_eуф – требуемая облученность в спектре УФ-А,

Ф_eуф – поток излучения ультрафиолетового светодиода.

Согласно проведенным расчетам для высоты подвеса h = 0,4, потока излучения Ф_eуф = 90 мВт, требуемой облученности E_eуф =3,4 Вт/м ² при времени облучения 5 ч, количество УФ светодиодов составит 25 шт, независимо от режима работы.

Рекомендуемый количественный состав светодиодов для двух режимов работы приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Количественный состав светодиодов для двух режимов работы

Требуемая облученность, 2 Вт/м	Синий	Оранжевый	Красный	УФ	Общая мощность, Вт
25	15	51	16	25	107
70	41	140	45	25	251

Выводы. Разработана конструкция установки для облучения растений с применением светодиодных источников и предложена методика расчета оптимального количественного состава излучающих светодиодов с учетом их расположения в светильнике, для обеспечения эффективного спектрального состава излучения и повышения энергоэффективности процесса выращивания растений в защищенном грунте.

Приведены результаты численного моделирования по определению оптимального количественного состава излучающих светодиодов с учетом высоты подвеса облучательной установки. Установлено, что оптимальный количественный состав для облучательной установки при высоте подвеса 0,4 м состоит из 41 синих, 140 оранжевых, 45 красных и 25 ультрафиолетовых светодиодов. Такие значения обеспечивают соотношения интенсивности спектра в зоне ФАР синего 30,25%, зеленого 19,56% и красного 50,19%, облученность более 70 Вт/м ² .

Bogomolov Sergey Sergeevich, Teacher of the Department of Electrical Equipment and Electrotechnologies in the Agroindustrial Complex, Belgorod State Agrarian University, st.