Освещение растений белыми светодиодами — проверочная работа
Эта статья написана под впечатлением от другой статьи на GT, о чем говорит похожее название. Дело в том, что этой темой я интересуюсь лет двенадцать и потому статья iva2000 вызвала довольно живой отклик в моем сознании. Результаты и выводы меня почти убедили, но остались моменты, с которыми я не согласен. Решил всё пересчитать и так как результат получился довольно объемный, я решил написать его в виде отдельной статьи, а не комментария.
Прочитав заголовок и вступление, я был настроен критически. Еще бы! Я сам производил расчеты, куча людей производит и использует специальные фитолампы (не только светодиодные — посмотрите на люминесцентные светильники в любом цветочном магазине!), а тут некто заявляет, мол, всё это туфта, белые светодиоды не хуже. Но ознакомившись до конца, я свое мнение изменил и понял что в этом мнении есть существенная доля истины, но надо разбираться… Всем кто не читал эту статью — убедительная просьба ознакомиться для лучшего понимания, т.к. для сокращения объема и исключения дублирования информации я буду только ссылаться на данные указанной статьи, но не повторять их. Остальные же — давайте продолжим!
Итак, сначала, что же мне показалось спорным.
1. В указанной статье приводится кривая фотосинтетической активности света McCree, которая означает прибавку биомассы растением при освещении его светом узкой полосы, но почему-то отметается её значение вовсе под предлогом, что «в широкой полосе разница будет незначительной). В разделе „Результаты анализа спектров серийных белых светодиодов“ под пунктом 3 и вовсе приведена формула расчета энергетической ценности света с использованием ДВУХ интересных параметров — это ɳ — световая отдача в лм/Вт и Ra — индекс цветопередачи.
Обе этих величины имеют жесткую привязку к другой кривой, которая называется „фотопической“. Это кривая чувствительности человеческого глаза к свету. Чтобы не быть голословным, посмотрим на картинку:
Они едва ли похожи друг на друга, верно? Поясню, что люмены измеряются датчиком, имеющим чувствительность, строго соответствующую приведенной фотопической кривой. А фотосинтез осуществляется в соответствии с приведенной кривой McCree (она и есть гоафическое отображение интенсивности фотосинтеза в зависимости от длины волны). И, как вы уже заметили, кривых на рисунке две. Одна из них — нормирована к числу фотонов, а вторая к мощности излучателя, что в обсуждаемой статье даже не упомянуто. Уважаемый автор приводит кривую нормированную по числу фотонов, но не указывает этого и в дальнейшем не использует её, а использует кривую чувствительности глаза человека. Но, простите, причем здесь тогда фотосинтез? Либо не использовать никакую кривую и считать все фотоны равнозначными либо использовать ту, которая соответствует изучаемому процессу! Индекс цветопередачи же — это вообще некий виртуальный показатель, который говорит — на сколько точно будут переданы цвета (фотографии, ткани и т.п.) при освещении их данным источником света. Т.е. тоже никакого отношения к фотосинтезу не имеет. Т.е. приведенная формула является слишком грубым приближением чтобы оценить реальное качество источников со сложным спектром излучения!
Дальше-больше! Я проверил расчетные значения ФАР в мкмоль/дж, которые автор приводит в таблице с помощью приведенной им же формулы и получилось вообще черте что:
Цифры вообще не те и отличаются в разы от приведенных. Неужели автор не проверял свои же данные для статьи? Это меня никак не устроило и я сделал расчет как положено — без странных формул с не понятно откуда взятыми коэффициентами и параметрами, относящимися к другой области применения.
Для начала цифруем картинки всевозможных графиков и загоняем их в табличный процессор. Оп!
Затем делаем так. Сначала рассчитаем коэффициент фотосинтетической активности для каждого источника. Для этого для выбранного источника умножаем мощность излучения на каждой длине волны на число из графика McCree, для той же длины волны. Затем подсчитываем интеграл (сумму) мощности для исходного графика и результата перемножения. Делим второе на первое — получаем коэффициент, означающий эффективную долю излучения для данного источника (ту, которая примет участие в фотосинтезе):
Вот, уже можно сделать предварительные выводы!
1. ДНаТ — это супер для освещения растений! Эффективность его спектра достигает 79% и это для лампы, которую первоначально проектировали в общем-то не для этого, а для освещения автомагистралей и промышленных объектов.
2. Фитолампы не смотря на „специальный“ спектр не превосходят обычные белые светодиоды с цветовой температурой 4000К и не сильно лучше „холодно-белых“ 6000К.
3. Светодиоды красного (обычного) и дальнего красного вообще вне конкуренции.
4. Получается, что если хочется выжать всё из каждого ватта освещения, нужно брать обычные красные светодиоды (излучатели дальнего красного — почти в 2 раза дороже), а если хочется сэкономить в цене аппаратуры — нужно брать белые светодиоды.
Но, как я уже сказал, выводы эти предварительные и основаны только на оценке эффективности спекра источников, без учета их кпд и некоторых других моментов. Поэтому разбираемся дальше.
Что же будет, если учесть КПД источников? Данные о КПД взяты частично из статьи iva2000, а по красным светодиодам я точных данных не нашел, но в старых моих записях по данным литературы были числа меньше чем для синих светодиодов, т.к. в последнее время всё развитие технологии было направлено именно на светодиоды синего свечения, а другие оставались в хвосте прогресса.
По большому счету их цифры взяты наобум, но они в данном случае не играют основную роль, поэтому хватит об этом. И если кто-то сообщит более достоверные данные, я буду только благодарен.
Вот тут-то расстановка сил уже меняется!
Оказывается, светодиоды с CCT 4000К лучше даже ДНаТ! Причем, если для 1000 Ваттной лампы преимущество это не существенное, то для натриевых ламп малой мощности (100Вт) преимущество уже достигает 2,4 крат! А фитолампа — бесполезная трата денег — она уступает обычным белым светодиодам на 25%! Вот тебе и фитолампа!
И чтобы уже всё сделать предельно точно, считаем на фотоны по формуле:
Где h- постоянная Планка, c — скорость света.
Но число фотонов нам не нужно, поэтому чтобы перевести все в моли, делим всё на число Авогадро и умножаем на миллион для представления в микромолях.
Вот теперь можно сделать окончательные выводы:
1. ДНаТ имеет сравнимую эффективность только при использовании ламп большой мощности (600-1000Вт). Если Вы хозяин крупного тепличного хозяйства, то по совокупности эксплуатационных характеристик лампы на киловатт — Ваш выбор! Затраты на установку освещения и замену ламп будут существенно ниже, а затраты на электроэнергию приблизительно одинаковы со светодиодами. Малое количество синих лучей в спектре ламп компенсируется наоборот высоким их количеством в естественном свете, особенно зимой (цветовая температура неба достигает 15000К!) — это как раз ситуация с теплицами, когда досветка включается утром и вечером, а днем используется естественное освещение.
2. Наиболее эффективны светодиоды с цветовой температурой 4000К. 100 Ваттная светодиодная лампа дает на 43% больше фитоактивного излучения чем лампа ДНаТ той же мощности! Цена, как ни странно, тоже на стороне светодиодов — цена лампы ДНаЗ на момент написания статьи — чуть больше 1000р., в то время как светодиоды с той же мощностью на алиэкспрессе идут за 360р. (в исполнении COB — много чипов на одной подложке)! Это еще не считая балласта в обоих случаях. Если вы растите зелень на подоконнике или в гроубоксе, то белые светодиоды — вне всякой конкуренции. Достаточно один раз купить хорошие светодиоды и их обвязку и вы обеспечены отличным экономичным освещением на годы.
3. Фитолампы. Я изначально был другого мнения, но основываясь на данных о практическом использовании белых светодиодов из статьи iva2000, подтвержденных теперь собственным исследованием приходится констатировать, что они не дают никакого преимущества по энергоэффективности или по качеству выращенных растений, а всё с точностью до наоборот! Скрипач не нужен!
* Небольшое пояснение по фигурировавшим в таблицах комбинациям белых светодиодов с красными. Я для интереса рассмотрел вариант освещения, когда в дополнение к белым светодиодам дополнительно устанавливаются обычные красные или специальные с дальним красным спектром свечения (в пропорции 3:1 по мощности). Это бывает необходимо для стимуляции цветения. Если вы разводите цветочки или землянику или другие растения, у которых цветение или плодообразование является основной целью, это может быть оправдано. Если вы растите салат и петрушку, то вряд ли стоит заморачиваться — красные светодиоды дороже белых раза в 2,5, а специальные „фито“ с дальним красным — в 4 раза! Если цель — нарастить зеленой массы за минимальные деньги, лучше взять еще один или даже два белых светодиода — будет лучше и дешевле! Только не стоит загонять бедные диоды в гроб — зная любовь китайских товарищей к завышению параметров, нужно следить, чтобы при работе основание светодиодов грелось как можно меньше — позаботиться об эффективном теплоотводе и ограничивать рабочий ток. Лучше купить на 20% больше диодов и пустить на них на 20% меньший ток и таким образом в разы увеличить их время жизни, чем навалить на полную катушку и через год получить 50% первоначального светового потока и половину нерабочих корпусов!
В целом нельзя не отметить, что революция в малом растениеводстве свершилась и это не может не радовать! Ко мне сейчас едут несколько мощных светодиодов и если со свободным временем всё сложится, то в продолжении будет практический результат в дополнении к этой сугубо теоретической части.
PS: Друзья! Большое спасибо за положительную оценку моей небольшой, но я очень надеюсь полезной для всех работы! Мне интересно пообщаться на эту тему и ответить на все вопросы, по ней, в рамках объема моих знаний. Так что не стесняйтесь — заходите в обсуждение. Особенно приветствуются дополнения и ссылки на другую информацию, которые могли бы восполнить возможные пробелы в этом материале!
Источник
Как организовать подсветку рассады на подоконнике светодиодными лампами
Выращиванием рассады занимается большинство огородников и дачников. Но чтобы она развилась, была здоровой и дала хороший урожай, необходимо качественное освещение. А его, увы, в зимне-весенний период недостаточно. В этой статье мы поговорим о подсветке для рассады на подоконнике светодиодными лампами и выясним, какой спектр излучения подходит растениям лучше всего.
Подойдут ли обычные лампы белого цвета
Прежде чем решить этот вопрос, выясним, какой спектр поглощают растения. Бытует мнение, что это в основном красный и синий спектры. Именно с ними лампы для подсветки рассады покупаются пачками и используются большинством из нас.
Немного правды про спектр ламп подсветки
Обратимся к научным статьям и исследованиям. На рисунке ниже представлены три разных растения, причем на каждом слева – получавшее полный спектр излучения, а справа – только красно-синий.
В каждой паре растение слева выращено под белыми светодиодными фитолампами, справа – под красно-синими (исследования И. Г. Тараканова, кафедра физиологии МСХА им. Тимирязева)
Результат очевиден. Кроме того, в подписи к рисунку есть фраза «белые фитолампы». Получается, есть и такие? Зачем они, если растения интересуют только красный и синий спектры, как считают многие огородники?
Начнем с того, что зеленый спектр растениями якобы не усваивается. Но, как показали исследования, хлорофилл in vitro, выделенный и очищенный, действительно поглощает только красный и синий свет. В живой клетке пигменты поглощают свет во всем диапазоне 400-700 нм и передают его энергию хлорофиллу. Взглянем на диаграмму ниже:
Энергетическая эффективность света в листе в зависимости от длины волны
На диаграмме обозначены следующие графики:
- V(λ) – видимый человеком спектр;
- RQE – эффективность для растения;
- σr и σfr – поглощение листом красного и дальнего красного света соответственно;
- B(λ) – поглощение листом синего света.
Из диаграммы видно, что, во-первых, «зрение» растения охватывает больший диапазон, чем человеческое. Во-вторых, и это самое главное, – энергоэффективность света почти не зависит от спектра излучения. Лист отлично поглощает весь диапазон – от дальнего красного до синего – практически без провалов и превращает его в энергию для роста.
Зеленый спектр важен еще и тем, что он в состоянии пройти сквозь лист и осветить нижние ярусы растения, давая ему дополнительную энергию. Остальной спектр будет поглощаться листьями верхнего яруса и не пробьется ниже.
Здесь можно возразить, что согласно диаграмме синий и красный поглощаются лучше. Значит, нужно светить именно этими спектрами. Ужасное заблуждение. Чтобы выдержать линейность графика RQE, все наоборот – то, что усваивается растением лучше, должно иметь более низкую силу излучения. Таким образом, перераспределение части энергии из красного диапазона в зеленый энергетическую функцию света иногда усиливает.
Чем же грозит подсветка растений только красным и синим? Исследования биофака МГУ показали, что, к примеру, рост китайской капусты при таком освещении угнетается, снижается синтез сахаров, отсутствует цветение. Салат при красном свете набирает большую массу, но в листьях значительно меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов. То есть продукт получается красивым, но малополезным. Зато его много, чем нередко злоупотребляют поставщики в ущерб качеству.
Вернемся к светодиодам
Теперь о светодиодах. Взглянем на диаграмму ниже:
Спектр разных источников света
Из диаграммы видно, что светодиоды белого цвета свечения имеют сильный завал в красном диапазоне. Если сравнивать спектр солнечного света с разными типами ламп, то лучше использовать для подсветки лампы накаливания, поскольку красный спектр для развития растения важнее синего. Получается, светодиоды для подсветки растений не годятся? Нужны накаливания? Но они прожорливы в плане энергопотребления.
Для самостоятельной подсветки белые светодиоды не подходят. Поэтому в продаже представлены фитолампы с красным и синим спектрами излучения.
Красно-синяя фитолампа для досветки рассады
Если такие цветные светильники использовать для дополнительной подсветки к белым (для чего они и предназначены), то можно добиться относительно линейного спектра, что и требуется растениям.
Бочка Либиха
Фундаментальный закон экологии, который был назван «бочка Либиха», гласит: развитие ограничивает фактор, сильнее других отклоняющийся от нормы.
Уровень воды в бочке Либиха не будет выше самой низкой прорези-фактора
Например, если растение не имеет недостатка в воде, минеральных веществах, тепле и углекислом газе, но интенсивность освещения составляет 40% от оптимального значения, то оно даст не более 40% максимально возможного урожая. А теперь посмотрим, как спектр освещения влияет на потребление растениями азота и фосфора, и применим к этому закон Либиха.
Стимулирующая роль света для потребления азота и фосфора мятой, земляникой и салатом (данные представлены компанией «Фитэкс»)
Из диаграммы видно, что растению для полноценного развития необходим полный спектр светового излучения. Стоит срезать любой его участок, и сработает закон Либиха – растение недополучит необходимые вещества и не разовьется в полной мере. И это только в смысле потребления питательных компонентов, не считая развития листовой массы, являющейся, по сути, генератором энергии, стойкости к болезням и проч. Это то же самое, что снять половину клавиш с рояля и попробовать сыграть на нем что-то серьезное.
Правила использования подсветки
Чтобы развитие рассады в домашних условиях прошло успешно и растения дали хороший урожай, недостаточно пойти в магазин и купить светодиодные светильники с нужным спектром. Необходимо суметь их правильно применить.
Количество и мощность
Тут все зависит от размеров «приоконного» хозяйства и культуры, которую выращивают. Учитывая вид растения, освещенность может лежать в диапазоне 6 000 – 10 000 люкс. Она напрямую зависит от светового потока, создаваемого осветительным прибором. К примеру, если лампа создает световой поток 500 люмен, то на участке площадью 1 м² освещенность составит 500 люкс.
Зная, какой световой поток создает осветительный прибор, и площадь, которую необходимо осветить, несложно подсчитать количество ламп для обеспечения нужной освещенности.
Обычно создаваемый лампой световой поток указывается на ее упаковке. Тем, кто решил самостоятельно собрать фитолампу, полезно знать, что светоотдача современных сверхъярких светодиодов составляет 80-120 лм/Вт.
Более подробно о выборе количества и мощности фитоламп можно узнать из статьи «Какое освещение для рассады лучше выбрать».
Расстояние до грунта или растений
Максимальную освещенность создает световой поток, падающий на поверхность перпендикулярно. Поэтому оптимальный вариант расположения ламп – сверху растений. Это поможет избежать наклона рассады в сторону света и избавит вас от постоянного поворачивания лотков.
Что касается расстояния от источника света до верхушки освещаемого растения, то оно обычно составляет 200-250 мм для светолюбивых культур и 550-600 мм для теневыносливых. До появления всходов его можно уменьшить до 10-12 см.
Оптимальная высота установки фитолампы
Важно! Выбирая расстояние до растений, учитывайте, что оно во многом зависит от типа применяемых ламп. Если для досветки будут использоваться устройства, которые сильно нагреваются (накаливания, дуговые), то расстояние нужно увеличить, чтобы не «поджарить» рассаду. К светодиодным и люминесцентным лампам это не относится, поскольку тепловое излучение у них невелико.
Сколько времени должна работать
Необходимо учитывать количество естественного света, получаемого растением. Если рассада на подоконнике, то достаточно включать подсветку утром и вечером, чтобы увеличить продолжительность светового дня. Если она недополучает естественное освещение даже днем – расположена на северной стороне дома или в глубине комнаты, то светить придется весь световой день.
Для примера приведем таблицу, в которой указано время, в течение которого рассада должна получать достаточно света. Учитывается не только досветка, но и естественное освещение.
Растения, как и мы с вами, отлично отличают день от ночи и ночью предпочитают спать. Поэтому оставлять освещение на ночь – не плохая, а очень плохая идея. Светим только днем, на ночь выключаем.
Если вы хотите четче определиться с режимом досвечивания или освещения рассады, прочитайте статью «Досветка растений в домашних условиях».
Как сделать светильники для рассады своими руками
Тот, кто привык мастерить, может сделать фитолампу для растений своими руками. В этом нет ничего сложного. Она обойдется намного дешевле промышленной. Ее можно оснастить сверхъяркими светодиодами или использовать светодиодную ленту соответствующей мощности. Ни то, ни другое сегодня не дефицит.
Фитолампу несложно собрать даже на обычной светодиодной ленте
Берем металлическую пластину, которая будет играть роль теплоотвода, клеим на нее светодиоды или отрезок светодиодной ленты нужной длины. Если это светодиоды, то соединяем их согласованно-последовательно, подбираем подходящий драйвер. Для светодиодов нам понадобится стабилизатор тока, для ленты – стабилизатор напряжения. Подключаем и пользуемся. Что касается цвета светодиодов, то отношение следующее:
Экспериментаторам. Очень удобно для этих целей использовать отрезки RGB-ленты. Соединяя их тем или иным образом, получится оперативно менять соотношение цветов в процессе эксперимента.
Более подробно о том, как сделать такую лампу своими руками, вы можете почитать в статье «Как сделать светодиодную фитолампу для растений самостоятельно». А мы приведем несколько роликов, описывающих самодельные конструкции.
Вот и все, что хотелось рассказать о подсветке рассады на подоконнике. Надеюсь, статья будет полезной и поможет вам вырастить крепкие и здоровые растения, которые дадут хороший урожай.
Источник