Светодиодные модули в растениеводстве защищенного грунта

Введение. В настоящее время уделяется большое внимание развитию промышленной светокультуры, в частности интенсивной светокультуры растений с широким использованием искусственных источников света.

На сегодняшний момент установлен ряд фундаментальных положений о роли спектра и интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) в формировании наиболее важных составляющих продукционного процесса. Так, установлены общие закономерности воздействия излучения различного участка спектра ФАР на рост, развитие, направленность биосинтеза, фоторегуляцию и другие процессы, влияющие на формирование конечной продукции. Исследования по этим вопросам отражены в монографиях ученых [1-7].

Решение вопроса по поиску оптимального по спектру и интенсивности излучения для различных видов основных сельскохозяйственных растений должно быть связано с получением световых кривых по накоплению хозяйственно-полезной биомассы.

На рисунке 1 представлены световые кривые по накоплению хозяйственно-полезной биомассы ценозами редиса Вировский белый при различном сочетании отдельных областей ФАР.

Рис. 1. Световые кривые по накоплению хозяйственно-полезной биомассы ценозами редиса Вировский белый при различном сочетании отдельных областей ФАР [8]

Пользуясь таким семейством кривых, можно найти оптимальный спектральный состав для данного уровня облученности и, наоборот, имея возможность создать излучение определенного спектрального состава, - подобрать нужный уровень облученности, чтобы получить максимум полезной продукции. С этих позиций можно, например, оценить возможности имеющихся в распоряжении источников света (зная их спектр излучения, мощность и энергоотдачу) для выращивания данной культуры.

Эксперименты по получению таких зависимостей сдерживались ограниченной номенклатурой светотехнических изделий. В частности, отсутствовали соответствующие источники излучения, позволяющие воспроизводить отдельные участки спектра и обладающие высокой надежностью. Для воспроизводства отдельных участков спектра приходилось пользоваться либо специальными цветными светофильтрами, либо изготавливать экспериментальные светильники с различными комбинациями горелок в лампах. С мощным развитием светодиодных технологий данная научная задача приобрела новый импульс развития.

Все усилия по поиску оптимального соотношения между интенсивностью и спектром излучения для условий ис- кусственного облучения растений должны в конце концов проявиться в выборе наиболее подходящего по своим спектральным и энергетическим характеристикам источника света. От данных характеристик зависит продуктивность фотосинтеза и в конечном итоге урожайность сельскохозяйственных культур [8]. В настоящее время интенсивно ведутся работы в данном направлении [9-11].

Повышение эффективности использования излучения искусственных источников фотосинтетически активной радиации при выращивании растений в сооружениях защищенного грунта является актуальной задачей, позволяющей решить продовольственную проблему.

Цель исследования : разработка рационального по энергетическим и спектральным характеристикам облучателя для тепличных технологий.

Задачи исследования : 1) разработать светодиодные модули двух мощностей на основе люминофорных и кристаллических светодиодов; 2) исследовать характеристики светодиодных модулей и выявить параметры, определяющие эффективность их работы; 3) разработать конструкцию тепличного облучателя и дать рекомендации по его применению.

Методы исследования. Для создания наиболее подходящего по своим спектральным и энергетическим характеристикам источника излучения были разработаны четыре светодиодных модуля (рис. 1), описание которых приведено ниже. За базовый критерий эффективности был принят показатель эффективной отдачи η ф , т. е. отношение фотосинтетического фотонного потока PPF , (мкмоль/с) к номинальной мощности P (Вт).

PPF

Пф = —^^ max.

При оценке спектральной эффективности исходили из следующих соображений:

• 1.    Поглощение ФАР растениями неравномерно по спектру. Максимум поглощения приходится на синюю (460 нм) и красную (670 нм) области, в которых поглощают преимущественно молекулы хлорофилла. Поэтому при построении схем светодиодных модулей необходимо воспроизводить весь спектр в области ФАР, акцентируя отдельно «синий» и «красный» пики.

• 2.    Нет необходимости полностью повторять в источнике излучения спектры действия как для фотосинтеза, так и для фоторегулирующих пигментов, поскольку с ростом уровня облученности происходит трансформация структуры оптимального спектра [7, 8], так как функция спектральной чувствительности ценоза У фб изменяется с изменением облученности Е , т. е.

ифб= ф, Е).

Исходя из второго условия, необходимо рассмотреть светодиодные модули с двумя уровнями мощности для создания, по меньшей мере, двух уровней облученностей.

Построение светодиодных модулей осуществлялось по принципу равной мощности: два светодиодных модуля по 60 Вт и два – по 43 Вт.

Светодиодный модуль № 1 «Люминофор» (рис. 3, а ) был изготовлен из 22 светодиодов bridgelux full spectrum 3 w, позиционируемых на рынке светотехнической продукции как наиболее оптимальные с точки зрения спектральных характеристик, так как содержат так называемый полный спектр излучения, близкий к солнечному спектру с двумя максимумами в области 440 и 660 нм. Нужный спектр в данных светодиодах достигается путем нанесения специальных люминофоров. Аналогичным по мощности (60 Вт) для сравнения был разработан светодиодный модуль № 2 «Люминофор+660/450» из 26 светодиодов. Здесь использовали bridgelux 3 w. full spectrum – 12 шт., а также красные светодиоды с длиной волны λ=660 нм – 10 шт. и синие светодиоды с длиной волны λ=450 нм – 2 шт.

Два других модуля мощностью по 43 Вт каждый созданы на базе светодиодов фирмы Cree в количестве 24 шт. Светодиодный модуль № 3 «cree\35355-5\1» содержит светодиоды cree 3 w. XTE full spectrum (2700k) – 4 шт., красные светодиоды с длиной волны λ=660 нм – 12 шт., красные светодиоды с длиной волны λ=635 нм – 4 шт., синие светодиоды с длиной волны λ=450 нм – 4 шт.

Светодиодный модуль № 4 «cree\35355-3\3» собран из светодиодов cree 3w. XTE full spectrum (2700k) – 4 шт., красных светодиодов с длиной волны λ=660 нм – 4 шт., красных светодиодов с длиной волны λ=635 нм – 12 шт., синих светодиодов с длиной волны λ=450 нм – 4 шт.

Рис. 3. Светодиодные модули: а – № 1 «Люминофор»; б – № 2 «Люминофор+660/450»; в – № 3 «cree\китай 35355-5\1»; г – № 4 «cree\китай 35355-3\3»

В двух последних модулях акцент был сделан на варьировании в равном отношении (3 : 1 и 1 : 3) светодиодов, излучающих в «ближнем» красном и «дальнем» красном спектрах.

Результаты исследования. Характеристики были исследованы на сертифицированном оборудовании в Федеральном бюджетном учреждении «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Красноярском крае» [12]. В таблице представлены полученные характеристики светодиодных модулей.

Светодиодные модули и их характеристики

Параметр	Типы модулей
	Светодиодный модуль № 1 «Люминофор»	Светодиодный модуль № 2 «Люмино-фор+660/450»	Светодиодный модуль № 3 «cree\китай35355-5\1»	Светодиодный модуль № 4 «cree\китай35355-3\3»
Номинальная мощность P н , Вт	60	60	43	43
Пиковое напряжение U , В	36	36	36	36
Ток I , mA	700	700	700	700
Потребляемая мощность W , Вт·ч	61	61	43,2	43
Световой поток Ф , лм	1050	1280	1549	1781
Оптическая мощность Р , Вт	11,05	13,25	16,56	15,59
Фотосинтетический фотонный поток PPF , мкмоль/с	46,52	59,04	82,4	75,9
Красный пик λ, нм (спектральная плотность излучения φ , мВт/нм)	647 (74,4)	640 (224,2)	664 (362,1)	648 (304,5)
Синий пик λ, нм (спектральная плотность излучения φ , мВт/нм)	450 (120,6)	448 (182)	451 (165,1)	450 (180,8)

В результате проведенных исследований получены спектрограммы по каждому модулю, представленные на рисунках 2–5. Как видно из таблицы, с энергетической точки зрения наиболее рациональной выглядит схема по светодиодному модулю № 3, так как эффективная отдача ηф=1,92 мкмоль/Вт имеет максимальное значение, как и величина оптической мощности Р=16,56 Вт.

Рис. 2. Спектрограмма по светодиодному модулю № 1

Как видно из рисунка 2, максимальная плотность излучения φ =120,6 мВт/нм приходится на λ=450 нм, т. е. синюю часть спектра, а в красной части спектра (λ=647 нм) максимум достигает φ =74,4 мВт/нм. При таком составе спектра наблюдается самая низкая эффективная отдача – η ф = 0,78 мкмоль/Вт.

Замена части светодиодов с «полным спектром» на красные (λ=660 нм) и синие (λ=450 нм) дала существенное увеличение эффективной отдачи до η ф ≈ 1 мкмоль/Вт (рис. 3) при неизменной электрической мощности.

Рис. 3. Спектрограмма по светодиодному модулю № 2

Рис. 4. Спектрограмма по светодиодному модулю № 3

Как видно из рисунка 4, при уменьшении мощности светодиодного модуля № 3 на 17 Вт, по сравнению с двумя предыдущими вариантами светодиодных модулей, где применялись светодиоды на люминофорах, технология на «кристаллах» имеет явные преимущества. Происходит увеличение эффективной отдачи до ηф=1,92 мкмоль/Вт, а за счет добавления светодиодов с коротковолновым красным излучением (λ=635 нм) в отношении 1 : 3 к светодиодам с длинноволновым красным излучением (λ=660 нм) происходит увеличение фотосинтетического фотонного потока.

Рис. 5. Спектрограмма по светодиодному модулю № 4

Как видно из рисунка 5, максимальная плотность излучения в синей части спектра (λ=450 нм) достигает φ =180,8 мВт/нм, а в красной части спектра (λ=648 нм) максимум достигает φ =304,5 мВт/нм.

Изменение соотношения количества светодиодов с коротковолновым красным излучением (λ=635 нм) в отношении 3 : 1 к светодиодам с длинноволновым красным излучением (λ=660 нм) при равном количестве белых (λ=400…700 нм) и синих (λ=450 нм) светодиодов дает уменьшение эффективной отдачи до η ф = 1,77 мкмоль/Вт (рисунок 5) по сравнению со светодиодным модулем №3.

На базе светодиодного модуля № 3, как наиболее эффективного, сконструирован опытный образец тепличного облучателя, изображенный на рисунке 6.

Облучатель представляет собой жесткую конструкцию из алюминиевого профиля 1 размерами 310 × 90 × 80, с оребрением 2 , выполняющим функцию отвода тепла. По торцам профиля имеются пластиковые заглушки 3 . Светодиодный модуль представлен четырьмя пластинами со светодиодами 4 , закрепленными с помощью термопасты к основанию алюминиевого профиля 1 и закрытыми защитным стеклом 5 . Управление работой светодиодного модуля 4 осуществляется LED-драйвером 6 . Крепление облучателя обеспечивается с помощью подвижного узла подвеса 7 .

а

Рис. 6. Тепличный облучатель H-Light FITO 43W LED Light со светодиодным модулем № 3: а – вид спереди; б – вид снизу

Изделие адаптировано для использования в вегетационной установке, представленной на рисунке 7, которая представляет собой сооружение прямоугольной формы из сотового поликарбоната размерами 800×850×1000 мм.

Уровень облученности Е=150 мкмоль/(м2·с), рекомендуемый в [13] при выращивании салата, был получен путем установки облучателя на высоте 0,6 м над облуча- емой поверхностью, при обеспечении коэффициента минимальной облученности z=0,8. Расчеты произведены в программе Dialux.

В настоящее время изделие проходит промышленные испытания в стеллажных установках при выращивании луковых, зеленых и пряных культур.

Рис. 7. Вегетационная установка: а – внешний вид; б – визуализация 3D; в – изолинии (Е)

Выводы

• 1.    Светодиодный модуль на базе светодиодов с «полным спектром» обладает самой низкой эффективностью, поскольку в них максимальная плотность излучения φ =120,6 мВт/нм приходится на λ=450 нм, т. е. синюю часть спектра. Увеличение эффективности такого модуля при сохранении неизменной мощности достигается путем технического решения: замены части светодиодов на красные и синие.

• 2.    Добавление светодиодов с коротковолновым красным излучением (λ=635 нм) в отношении 1 : 3 к светодиодам с длинноволновым красным излучением (λ=660 нм) при равном количестве белых (λ=400–700 нм) и синих (λ=450 нм) светодиодов дает увеличение фотосинтезного фотонного потока на 8,5 % по сравнению с вариантом, где это отношение 3 : 1.

• 3.    На базе светодиодного модуля, построенного из светодиодов фирмы Cree, разработан тепличный облучатель H-Light FITO 43W LED Light, рекомендуемый как для применения в вегетационной установке для экспериментальных исследований, так и для промышленного применения в стеллажных установках.

Высокая эффективность красного светодиода приводит к тому, что добавление красного к белому повышает энергетическую эффективность облучателя до η ф = 1,92 мкмоль/Вт.