Искусственное освещение растений

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис

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.

Впервые применил в 1868 году керосиновые лампы для выращивания растений русский ботаник Андрей Фаминцын[1].

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 путём 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

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 обоих периодах применяются МГ-лампы с добавлением красного спектра или НЛВД-лампы с добавлением синего спектра.

Источники фитосвета

Цветовая температура различных источников света, используемых в растениеводстве

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

Светодиоды

Последние разработки в светодиодной отрасли позволили производить недорогие, яркие, с большим сроком службы источники фитосвета. Большим преимуществом светодиодных источников является возможность получения излучения исключительно 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[2].

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»[3].

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 от 630 до 670 нм). Следует отметить, что точность при выборе длины волны красных светодиодов более важна, нежели при выборе светодиодов синего спектра. 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.

Вышесказанное про отдельные светодиоды разных цветов не имеет отношения к современным фитодиодам, в которых уже применены все необходимые люминофоры и их спектр имеет два максимума в зоне работы фотосинтеза.

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

Мощность и эффективность фитосветодиодов продолжает расти. Наиболее важными параметрами при выборе светодиодов являются энергетическая эффективность и спектральный состав излучения.

Световая эффективность

В следующей таблице приведена световая эффективность различных источников света

Категория
 тип
 Световая отдача (лм/Вт) КПД[4]
На основе горения Свеча 0,3[5] 0,04 %
газовая горелка 2[6] 0,3 %
Лампа накаливания 5 Вт лампа накаливания (120 В) 5 0.7 %
40 Вт лампа накаливания (120 В) 12.6[7] 1.9 %
100 Вт лампа накаливания (120 В) 16.8[8] 2.5 %
100 Вт лампа накаливания (220 В) 13.8[9] 2.0 %
100 Вт галогенная лампа (220 В) 16.7[10] 2.4 %
2.6 Вт галогенная лампа (5.2 В) 19.2[11] 2.8 %
Кварцевая галогенная лампа (12-24 В) 24 3.5 %
Высокотемпературная лампа 35[12] 5.1 %
Люминесцентная лампа 5-24 Вт компактная флюоресцентная 45-60[13] 6.6-8.8 %
T12 линейная, с магнитным балластом 60[14] 9 %
T8 линейная, с электронным балластом 80-100[14] 12-15 %
T5 линейная 70-100[15] 10-15 %
Светодиод Белый светодиод 97 — 210 14-31 %
Дуговая лампа Ксеноновые газоразрядные лампы 30-50[16][17] 4.4-7.3 %
Дуговые ртутные металлогалогенные лампы 50-55[16] 7.3-8.0 %
Газоразрядная лампа Натриевая лампа высокого давления 150[18] 22 %
Натриевая лампа низкого давления 183[18] — 200[19] 27-29 %
Лампа на галогенидах металлов 65-115[20] 9.5-17 %
1400 Вт Серная лампа 100 15 %
Теоретический предел 683.002 100 %

Требования к свету у растений

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 белый светодиод. 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.

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). Альтернативная величина измерения выражается в микромоль- фотонах в секунду (μmol/s) на единицу площади.

Искусственное освещение растений из космоса

В 1970-х годах известный американский специалист по ракетной технике Краффт Эрике[англ.] предложил освещать посевы из космоса отражённым солнечным светом при помощи специального спутника с огромной отражающей поверхностью (200—2550 квадратных миль в зависимости от орбиты), названного автором Солеттой, с яркостью 0,2—0,5 солнечной. Планировали развернуть этот отражатель в 1995—2005 гг. с затратами порядка 30—60 млрд долларов. Предполагалось, что это увеличит мировое производство сельскохозяйственных растений на 3—5 процентов и окупится менее чем за 20 лет[21], однако проект не был осуществлён.

См. также

Ссылки

  1. ↑ Светокультура — статья из Большой советской энциклопедии. 
  2. ↑ Гавриленко А. П. светодиодный свет для теплиц. ООО "ЭНОВА Лайт" (май 2016). Дата обращения: 1 июня 2016. Архивировано 7 июня 2016 года.
  3. ↑ Patent US6921182 - Efficient LED lamp for enhancing commercial and home plant growth – Google Patents. Google.com. Дата обращения: 26 февраля 2013. Архивировано 16 августа 2013 года.
  4. ↑ Нормированный так, чтобы максимальное значение составляло 100 %.
  5. ↑ 1 кандела*4π стерадиан/40 Вт
  6. ↑ Waymouth, John F., "Optical light source device", US patent # 5079473, published September 8, 1989, issued January 7, 1992. col. 2, line 34.
  7. ↑ Keefe, T.J. The Nature of Light (2007). Дата обращения: 5 ноября 2007. Архивировано 1 июня 2012 года.
  8. ↑ How Much Light Per Watt?
  9. ↑ Bulbs: Gluehbirne.ch: Philips Standard Lamps (German). Дата обращения: 26 февраля 2013. Архивировано 15 мая 2012 года.
  10. ↑ Osram halogen (нем.) (PDF) (недоступная ссылка). www.osram.de. Дата обращения: 28 января 2008. Архивировано 7 ноября 2007 года.
  11. ↑ Osram Miniwatt-Halogen (недоступная ссылка). www.ts-audio.biz. Дата обращения: 28 января 2008. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  12. ↑ Klipstein, Donald L. The Great Internet Light Bulb Book, Part I (1996). Дата обращения: 16 апреля 2006. Архивировано 1 июня 2012 года.
  13. ↑ China energy saving lamp. Дата обращения: 16 апреля 2006. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  14. ↑ 14,0 14,1 Federal Energy Management Program. How to buy an energy-efficient fluorescent tube lamp (англ.) : journal. — U.S. Department of Energy, 2000. — December. Архивировано 2 июля 2007 года. Архивированная копия (недоступная ссылка). Дата обращения: 26 февраля 2013. Архивировано 2 июля 2007 года.
  15. ↑ Department of the Environment, Water, Heritage and the Arts, Australia. Energy Labelling—Lamps (недоступная ссылка). Дата обращения: 14 августа 2008. Архивировано 24 января 2007 года.
  16. ↑ 16,0 16,1 Technical Information on Lamps (pdf) (недоступная ссылка). Optical Building Blocks. Дата обращения: 14 октября 2007. Архивировано 27 октября 2007 года. Note that the figure of 150 lm/W given for xenon lamps appears to be a typo. The page contains other useful information.
  17. ↑ OSRAM Sylvania Lamp and Ballast Catalog (неопр.). — 2007.
  18. ↑ 18,0 18,1 LED or Neon? A scientific comparison. Архивировано 9 апреля 2008 года.
  19. ↑ Why is lightning coloured? (gas excitations). Архивировано 17 февраля 2012 года.
  20. ↑ The Metal Halide Advantage. Venture Lighting (2007). Дата обращения: 10 августа 2008. Архивировано 17 февраля 2012 года.
  21. ↑ Walter Sullivan "Huge Space Mirrors Proposed to Light the Night. Архивная копия от 5 февраля 2018 на Wayback Machine” The New York Times. February 6, 1977
Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Искусственное_освещение_растений&oldid=10746270