Разработка светодиодного фитооблучателя для выращивания растений в теплицах

Одним из ключевых факторов, влияющих на эффективное выращивание растений в теплицах, является освещение [1]. Свет – это источник энергии, необходимой для фотосинтеза, процесса, который лежит в основе роста и развития растений [2]. В последние десятилетия светодиодные технологии значительно продвинулись и стали одним из наиболее эффективных и энергосберегающих способов обеспечения растений светом с необходимым спектральным составом [3; 4]. Это стало возможным благодаря разработке светодиодных фитооблучателей, которые адаптированы для фотосинтеза и оптимизированы для выращивания растений в тепличных условиях [5; 6].

Спектр излучения светодиодных фитооблучателей представляет собой основополагающий фактор, определяющий эффективность роста и развития растений [7]. Излучение в диапазоне длин волн около 400–500 нм играет важную роль в фотосинтезе, стимулирует образование органических веществ и управляет темпами развития растений. Синее излучение, вызывая образование ингибиторов роста в листьях, замедляет возрастание побегов и способствует формированию низкорослых растений1.

Излучение в красном диапазоне спектра около 600-700 нм позволяет обеспечить эффективный фотосинтез и достичь высокой продуктивности растений, способствуя увеличению биомассы, ускорению прорастания, цветения и плодоношения.

Современные светодиодные фитооблучатели позволяют обеспечить излучение необходимого спектрального состава с возможностью точного регулирования интенсивности света2 [8]. Это позволяет исследователям и агрономам создавать оптимальные условия для разных фаз роста растений, оптимизировать фотосинтетическую активность и повышать урожайность и качество продукции.

Обзор литературы

Основные светотехнические характеристики светодиодных фитооблучателей включают в себя спектральное распределение искусственного излучения, облученность и продолжительность облучения (фотопериод).

Требуемый спектр излучения для выращивания растений можно получить несколькими способами. В одном из исследований [8] осуществляется оценка радиационной среды, формируемой с помощью фитооблучателя на основе узкополосных светодиодов. Спектр излучения фитооблучателя с такими светодиодами представляет собой набор линий излучения, каждая из которых соответствует определенной длине волны. Таким образом, требуемый спектр излучения получается за счет комбинирования излучений узкополосных светодиодов [9; 10]. Интенсивностью узкополосных светодиодов можно управлять по отдельности, что позволяет точно регулировать спектральный состав и интенсивность света, подаваемого на растения. Гибкость в управлении спектром излучения имеет ключевое значение для оптимизации фитооблучения в различных стадиях роста растений и для различных видов культур. Например, в разные периоды роста растений требуется различная комбинация синего и красного света, а также других цветовых диапазонов, чтобы

ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 33, № 4. 2023 стимулировать определенные физиологические процессы: фотосинтез, цветение и формирование плодов [11].

Другой способ получения требуемого спектра излучения заключается в использовании светодиода на основе кристалла синего излучения и красного люминофора. Коротковолновое синее излучение светодиода (в интервале от 400 нм до 480 нм) попадает на люминофор, после чего преобразуется в длинноволновое с максимумом излучения в интервале от 620 нм до 700 нм [12]. Также использование светодиодов с люминофором дешевле, чем использование несколькольких узкополосных светодиодов. Однако такая технология имеет ряд недостатков:

– снижение эффективности в области ФАР в результате преобразования света в слое люминофора;

• -    сложность равномерного нанесения слоя люминофора на поверхность кристалла, что приводит к неравномерному излучению света;

  – с течением времени и под воздействием излучения кристалла светодиода происходит деградация люминофора, что приводит к снижению качественных светотехнических параметров светодиода [13].

Фотосинтетическая эффективность современных светодиодных фитооблучателей превышает уровень традиционных натриевых [14]. Согласно данным [15], фотосинтетическая эффективность натриевых ламп низкого давления в трубчатых колбах составляет от 1,7 до 2,1 мкмоль/Дж. В тоже время фотосинтетическая эффективность квазимонохроматических светодиодов ведущих производителей составляет от 0,6 мкмоль/Дж до 3,18 мкмоль/Дж. Это достигается благодаря тому, что светодиоды предоставляют оптимальный спектральный состав излучения, который максимально соответствует потребностям растений в различных фазах их жизненного цикла. В сравнении с натриевыми лампами, светодиодные фитооблучатели более эффективны в использовании энергии, что снижает затраты на освещение и содействует экологической устойчивости сельского хозяйства.

Основным недостатком светодиодных фитооблучателей является то, что начальные инвестиции при покупке светодиодных фитооблучателей могут быть значительными, что в результате может ограничивать доступность данной технологии для небольших сельскохозяйственных предприятий. Однако стоит отметить, что в долгосрочной перспективе эти инвестиции могут окупиться благодаря существенной экономии электроэнергии и продолжительному сроку службы светодиодных фитооблучателей [16].

Материалы и методы

Для разработки светодиодного фитооблучателя были использованы нормативные стандарты, которые определяют основные требования в области светотехники для фитоосвещения: ГОСТ Р 57671-2017 3 и ГОСТ Р 58461-2019 4 .

Процесс разработки облучателя был выполнен в соответствии с последовательностью следующих этапов:

• –    создание трехмерных моделей компонентов облучателя с использованием программы КОМПАС-3D⁵;

• –    импорт полученных трехмерных моделей в программу TracePro⁶ и задание оптических свойств материалам и поверхностям облучателя;

• –    трассировка лучей и анализ полученных результатов;

  – осуществление сравнительного анализа светотехнических характеристик, полученных в ходе трассировки лучей и лабораторных измерений реального прототипа.

Процесс трассировки лучей в программе TracePro был осуществлен с помощью метода Монте-Карло. Данный метод является численным подходом, используемым для решения сложных задач, включая моделирование световых и оптических явлений. Метод Монте-Карло позволяет эффективно моделировать сложные оптические системы и рассчитывать основные светотехнические параметры [17].

Фитофотометрическая оценка излучения фитооблучателя была основана на эффективной системе величин, оценивающей излучение с помощью селективной функции фотосинтезной эффективности.

Расчет фотосинтетического потока фотонов фитооблучателя FФАР был выполнен по формуле 1, а эффективность в области фотосинтетически активной радиации (далее – ФАР) ηФАР – по формуле 2 согласно ГОСТ Р57671-2017.

700 X700

• F .. »=   % •       • d^ = K •   ^ ^ • dX,(1)

ФАР 400'X hcNA             400^Х       ,7

где F_ФАР– фотосинтетический поток фотонов, мкмоль/с; φ_λ – спектральная плотность распределения мощности излучения прибора (в области ФАР), Вт/нм; λ – длина волны, нм; h = 6,626 ⋅ 10 ^{‒ 34} Дж ⋅ с – постоянная Планка; с = 3 ⋅ 10¹⁷ нм/с – скорость света; N _A = 6,022 ⋅ 10¹⁷мкмоль ^{‒ 1} – число Авогадро; К = 8,36 10 ^{‒ 3} мкмоль ⋅ нм ^{‒ 1} ⋅ Дж ^{‒ 1} – коэффициент.

ηФАР = FФАР/ Р,                                   (2)

где ηФАР – эффективность в области ФАР, (мкмоль/с)/Вт; FФАР – фотосинтетический поток фотонов, мкмоль/с; Р – потребляемая мощность, Вт.

Результаты исследования

В качестве источника излучения был выбран светодиод Full Spectrum -1 (Китай) на основе технологии chip on board ( COB ) (рис. 1). Спектр светодиода Full Spectrum -1 соответствует типу double peak и содержит две выраженные области (максимума), расположенные в диапазонах длин волн 400–500 нм (синий свет) и 600–700 нм (красный свет).

Р и с. 1. Светодиод Full Spectrum -1

F i g. 1. LED Full Spectrum -1

В таблице 1 представлены измеренные светотехнические характеристики светодиода Full Spectrum -1 после 15 минут непрерывной работы. Фотосинтетический поток фотонов светодиода ( PPF ) был определен согласно ГОСТ Р 57671-2017.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Измеренные характеристики светодиода типа Full Spectrum -1 « double peak »

Measured characteristics of a Full Spectrum-1 “double peak” LED

Параметры / Options	Значения / Meanings
Мощность, Вт / Power, W	7,7
Напряжение, В / Voltage, V	28
Сила тока, мА / Current, mA	274
Энергетический поток излучения, Вт / Energy radiation flux, W	4,62
Оптический КПД, % / Optical efficiency, %	60
PPF , мкмоль/с / PPF, µmol/s	18,48
Фотосинтетическая эффективность, мкмоль/Дж / Photosynthetic efficiency, µmol/J	2,4

Для фитооблучателя был выбран прожекторный корпус из алюминия9, позволяющий точно направлять свет на растения, обеспечивая тем самым максимальную эффективность фотосинтеза и роста. Алюминиевый корпус обладает хорошей теплопроводностью, что способствует эффективному охлаждению светодиодов и поддержанию их оптимальной рабочей температуры.

Крепление фитооблучателя осуществляется с помощью лиры, которая позволяет надежно установить облучатель и гибко отрегулировать угол направления потока излучения, обеспечивая оптимальное освещение для растений на разных этапах их развития.

С целью защиты светодиодов и отражателя от механических повреждений, пыли, влаги и других неблагоприятных воздействий было использовано защитное стекло толщиной 4 мм и коэффициентом пропускания 0,9.

На рисунке 2 представлена 3 D модель светодиодного фитооблучателя, выполненная в системе КОМПАС-3 D.

Р и с. 2. 3 D модель светодиодного фитооблучателя

F i g. 2. 3D model of LED grow light

На рисунках 3 и 4 представлены результаты трассировки лучей в программе TracePro.

Анализ полученных данных показал, что модель светодиодного фитооблучателя имеет светораспределение близкое к косинусному типу КСС. Энергетический поток излучения составил 4,14 Вт, фотосинтетический поток фотонов – 16,6 мкмоль/с.

На рисунках 5 и 7 представлены лабораторные испытания прототипа светодиодного фитооблучателя.

Спектральное распределение излучения имеет два максимума, соответствующих 440 нм и 642 нм. При этом интенсивность максимума синего излучения больше максимума красного в 1,25. Такое соотношение способствует вегетативному росту растений и быстрому приросту зеленой массы, а также замедляет процессы цветения [19].

Исследование светораспределения фитооблучателя в пространстве показало, что КСС, измеренная с помощью гониофотометра (рис. 6), близка по форме к КСС, полученной в программе TracePro (рис. 4), и соответствует косинусному типу. Двойной угол половинной яркости (2ϴ₀₅) составил 106,1 град., что позволяет обеспечить равномерное освещение боль^, ших площадей. При этом вся энергия излучения фитооблучателя направляется в одну полусферу, что способствует эффективному освещению растений, обеспечивая им необходимую интенсивность света для фотосинтеза и роста.

Р и с. 3. Диаграмма светораспределения светодиодного фитооблучателя

F i g. 3. Light distribution diagram of LED grow light

Р и с. 4. Кривые силы света (КСС) светодиодного фитооблучателя

F i g. 4. Luminous intensity curves (LIC) of the LED grow light

Электротехнологии и электрооборудование

Р и с. 5. Спектральная интенсивность энергетического потока излучения светодиодного фитооблучателя

F i g. 5. Spectral intensity of the energy flux of radiation from the LED grow light

AVERAGE BEAM ANGE (50%): 106.1 DEG

Р и с. 6. КСС светодиодного фитооблучателя

F i g. 6. LIG of the LED grow light

Температура нагрева корпуса светодиодного фитооблучателя (рис. 7) не превышает 41,7 ^оС, что говорит об эффективном отводе тепла. Максимальный нагрев наблюдается в области крепления COB – светодиода к корпусу. Такой отвод тепла важен для обеспечения стабильной и долгосрочной работы светодиодного фитооблучателя. Важно отметить, что превышение максимальной температуры в данной области может привести к перегреву и снижению срока службы светодиодов, а также снижению их эффективности излучения.

Р и с. 7. Термограмма

F i g. 7. Thermogram

В таблице 2 представлены измеренные характеристики разработанного светодиодного фитооблучателя.

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Характеристики разработанного светодиодного фитооблучателя Characteristics of the developed LED grow light

Параметры / Options	Значения / Meanings
Мощность, Вт / Power, W	8,8
Напряжение сети, В / Mains voltage, V	220
Сила тока, мА / Current, mA	87,3
Энергетический поток излучения, Вт / Energy radiation flux, W	4,05
Оптический КПД, % / Optical efficiency, %	46
PPF , мкмоль/с / PPF, µmol/s	16,2
Фотосинтетическая эффективность, мкмоль/Дж / Photosynthetic efficiency, µmol/J	1,84
Тип КСС / LIG type	Косинусная / Cosine
Способ монтажа / Installation method	Лира / Lyra

Обсуждение и заключение

Разработанный светодиодный фитооблучатель имеет величину фотосинтетического потока фотонов, равную 16,2 мкмоль/с при потребляемой мощности 8,8 Вт. Фотосинтетическая эффективность фитооблучателя составила 1,84 мкмоль/Дж. Этот показатель подтверждает высокую способность фитооблучателя обеспечивать растения необходимой энергией для эффективной фотосинтетической активности. Множество светильников, оснащенных лампами типа ДНаТ, имеют фотосинтетическую эффективность на уровне 1,3 мкмоль/Дж или ниже. Для некоторых из 594 Электротехнологии и электрооборудование лучших светильников с лампами этот показатель может достигать 1,7 мкмоль/Дж10.

Таким образом, описанный фитооблучатель можно использовать для процесса выращивания растений в теплицах, обеспечивая оптимальные условия освещения и способствуя повышению урожайности и качества сельскохозяйственных культур.

принята к публикации 10.08.2023

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.