Записи с меткой светодиод

Гидропоника вертикальная в эволюционном развитии

0

Рисунок 1 – «Верховой сад» Московского Кремля заложен в 1623 году садовником Назаром Ивановым

Рисунок 2 – Модель дома с садом на крыше по проекту Карла Рабитца.
Металлическая сетки Карла Рабитца очень популярная и часто используемая
в настоящее время


Рисунок 3 – Сад «Дерри энд Томз» в Лондоне


Рисунок 4 – Висячие сады на острове Изола Белла


Рисунок 5 – Бывший цементный завод, который Рикардо Бофилл
перестроил под свою студию и резиденцию


Рисунок 6 – В настоящее время признанное первенством в создании
крыш-садов обладает Германия


Рисунок 7 – Сад на крышах различных зданий


Рисунок 8 – Перспективная технология «Сад на крышах»


Рисунок 9 – «Вертикальные сады» (Vertical Garden System)


Рисунок 10 – Вертикальные сады на улицах Парижа, столица Франции
считается Меккой вертикальных садов


Рисунок 11 – Вертикальная композиция на основе альпийской флоры


Рисунок 12 – Модули Эмилио Ллобато


Рисунок 13 – Пейзажные зеленные стены

 

Вертикальные городские фермы

0

Светодиоды для растений

0

gIg9bwIgORE

Проблемы, рациональной организации освещения растений в теплице, определяются выбором источника искусственного света. Основные критерии, влияющие на предпочтение того или иного источника света: капитальные вложения, эксплуатация облучательной установки и сопутствующего светотехнического оборудования, а так же величина оплаты за электроэнергию. Светотехническими характеристиками источника света являются спектр излучения, световой поток, световая отдача, цветовая температура и т.д. Современные источники света отличаются большим разнообразием, однако их можно разделить на три основные группы: тепловые – лампы накаливания (ЛН), галогенные лампы накаливания (ГЛН); газоразрядные – люминесцентные (ЛЛ), компактные люминесцентные (КЛЛ), индукционные (ИЛ), ртутные (ДРЛ), натриевые (ДНаТ), металлогалогенные (ДРИ) и др.; светоизлучающие диоды – светодиоды (СД).

Из проведенного нами глубокого анализа выявлено, что самыми оптимальными лампами для досветки тепличных растений в настоящее время считаются дуговые натриевые трубчатые лампы высокого давления (ДНаТ). Чаще всего при досветке в теплицах используют лампы ДНаЗ (дуговая натриевая зеркальная лампа высокого давления), КПД ее отражающего слоя выше обычного отражателя в светильниках. Но в результате сравнительного анализа светотехнических характеристик существующих источников света, наилучшими характеристиками обладают индукционные лампы и светодиоды, что определяет перспективность их применения в будущем. Необходимо отметить, что существует реальная возможность в ближайшем будущем появления на рынке плазменных и индукционных серных газоразрядных ламп.

Проблема выбора лампы используемой для освещения тепличных растений стоит остро, и в дальнейшем в связи с развитием светотехники будет только усугубляться. В настоящее время наиболее рекламируемые и продвигаемые на рынке это светодиодные лампы. В мировой тепличной практике они уже применяются как одна из перспективных технологий выращивания растений в защищенном грунте. С нашей точки зрения критерии выбора светодиодов не оправданы и научно не обоснованы. Рассмотрим вопрос с точки зрения двух аспектов:

  • Во-первых – выбор источника света исходя из биологических особенностей растений.
  • Во-вторых – выбор источника света исходя из требований обеспечения длительной работы и эксплуатации.

Световая среда для растений – совокупность ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных излучений, генерируемых источниками естественного и искусственного света. Это важнейшая составляющая жизненной среды живых растений, определяемая световым потоками источников света, трансформируемыми в результате взаимодействия с окружающей предметной средой, которая воспринимается по распределению света и цвета в пространстве. Наиболее важными являются четыре основные характеристики излучения: спектральный состав, интенсивность облучения, продолжительность суточного облучения (фотопериод) и пространственное распределение светового поля (пространственная структура).

Спектральный состав света определяет общую интенсивность фотосинтеза, активность его отдельных реакций и набор синтезируемых продуктов. Кривая зависимости интенсивности фотосинтеза от качества света при выровненном количестве квантов (спектр действия фотосинтеза) демонстрирует два отчетливых максимума – в синей и красной области спектра, совпадающих со спектрами поглощения фотосинтетических пигментов.

Ученые установили особенность красных лучей (600-690 нм) низкой интенсивности (не выше 620 лк) активно воздействовать на физиологические процессы в растениях, чувствительных к смене света темнотой и обратно (фотопериодических). Это в первую очередь относится к тепличным томатам и огурцам. При облучении их в вечерние сумеречные часы указанным светом специальных ламп был получен эффект ускорения развития, усиления ростовых процессов и повышения урожайности. Инфракрасные лучи различно воздействуют на растения. На ближний инфракрасный свет (до 1100 нм) слабо реагируют томаты и довольно сильно огурцы. Этот диапазон света действует на растяжение подсемядольного колена, стеблей и побегов. Ближнее излучение при низких температурах может частично поглощаться хлорофиллом и не перегревать лист, что будет полезно для фотосинтеза. Более длинные лучи только повышают температуру листа. По мере возрастания их длины лист начинает завядать с конечным результатом его гибели, как и всего растения.

Максимумы поглощения отражают наиболее эффективное использование определенных лучей при фотосинтезе. В опытах Н.П. Воскресенской было показано специфическое действие синего света на фотосинтетический аппарат растений. При выравнивании синего и красного освещения по квантам на синем свету у растений увеличивалась общая активность ассимиляции углекислого газа, что было обусловлено активацией в этих условиях транспорта электронов в ЭТЦ хлоропластов и ферментов углеродного цикла. Качество света определяло и состав продуктов, образующихся при фотосинтезе. Так, на синем свету преимущественно синтезировались органические кислоты и аминокислоты, а позднее – белки, тогда как красный свет индуцировал сначала синтез растворимых углеводов, а в дальнейшем – крахмала.

Наиболее интенсивное усвоение углекислого газа наблюдается в красных лучах. Затем, в направлении зелёной части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает, зелёные лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъём интенсивности фотосинтеза. Таким образом, кривая интенсивности фотосинтеза имеет два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия.

По современным представлениям, диапазон оптического излучения, имеющий у растений основное субстратно-регуляторное значение, находится в границах 280…750 нм. Внутри этих границ выделены спектральные диапазоны со следующими физиологически характеристиками развитие растений:

  • 320-400 нм – играет регуляторную роль в развитии растений, поэтому целесообразно присутствие этого излучения в небольших количествах (несколько процентов) в общем лучистом потоке;
  • 400-500 нм («синий») – обладает как субстратным, так и регуляторным воздействием, должен входить в состав спектра фотосинтетически активной радиации (ФАР) для выращивания растений;
  • 500-600 нм («зеленый») – не является абсолютно необходимым для обеспечения фотосинтеза растений, но благодаря своей высокой проникающей способности полезен для обеспечения фотосинтеза оптически плотных листьев и густых посевов растений;
  • 600-700 нм («красный») – обладает ярко выраженным субстратным и регуляторным воздействием. Должен входить в состав общего излучения для обеспечения высокого фотосинтеза. Но монохроматический (однородный) красный свет может приводить к аномальному росту и развитию, а в ряде случаев и к гибели некоторых видов растений;
  • 700-750 нм («дальний красный») – обладает ярко выраженным регуляторным действием. В небольших количествах (несколько процентов) должен входить в состав общего излучения;
  • более 1000 нм – только тепловое воздействие.

Относительно графиков на рисунках 1 и 2 выстраиваются предположение эффективности светодиодных ламп для выращивания растений при искусственном освещении. На наш взгляд данный подход оценки не совсем оправдан.

Фитофотометрическая оценка излучения основана либо на энергетической, либо на эффективной системе величин, оценивающей излучение с помощью селективной функции фотосинтезной эффективности. Последняя обладает рядом преимуществ, свойственных системам эффективных величин, однако ее практическую ценность для светокультуры существенно снижает отсутствие в ряде случаев прямой корреляции между интенсивностью фотосинтеза и продуктивностью растений. Энергетическая система оценки излучения приписывает равнозначное действие излучению любого спектрального диапазона в пределах спектральной области ФАР от 380 до 710 нм.

Эта система оценки близка к тому, что «белый» солнечный свет является лучшим для растений, поскольку филогенетическое развитие растений происходило при нем. Близкое к равноэнергетическому распределение энергии в солнечном излучении, признается как наиболее универсальное для энергетического обеспечения различных видов растений. Однако принцип универсализации не соответствует принципу максимальной эффективности и поэтому «белый» свет не признан максимально эффективным по своему спектральному составу для обеспечения наивысшей продукционной деятельности любых растений. Существуют исследования показывающие, что поиск функций спектральной чувствительности для каждого вида растений, по-видимому, не имеет смысла, так как многие виды растений имеют близкие требования к спектру и интенсивности ФАР.

Безымянный111

Рисунок 3 – Относительные спектральные кривые воздействия оптического излучения на растения: а — поглощение фоторецепторами растений; b — поглощение коротковолнового фотопигмента; с — поглощение красной формы фотохрома; d — поглощение дальней красной формы фотохрома; е — эффективность фотосинтеза растений.

Таким образом, вопрос об эффективности монохроматического излучения, созданного при помощи красных и синих светодиодов, не однозначен и до конца не изучен. Необходимо дальнейшее проведение научных исследований. Поиск критериев оценки и выбора является темой дальнейших исследований.

С точки зрения второго аспекта проблемы, о выборе источника света исходя из требований обеспечения длительной работы и эксплуатации в совокупности со светотехническим оборудованием, рассмотрим достоинства светодиодов.

Достаточно высокая световая отдача (более 100 лм/Вт для белых СД) с перспективой дальнейшего увеличения. При этом малая единичная мощность СД (1…3 Вт), отсюда более низкая световая отдача, чем у НЛВД. При малой единичной мощности СД (1…3 Вт) необходимо большое количество СД в облучателе, что ставит дополнительные вопросы о надежности и тяжести светодиодного светильника. Особенность светодиодного освещения – это направленность потока света, т.е. для получения рассеянного освещения необходимо использовать специальные линзы, что дополнительно ведет к увеличению стоимости.

Считается, что светодиоды исключительно долговечны. Но это не совсем так. Чем больший ток пропускается через светодиод, тем выше температура и тем быстрее наступает старение (деградация) кристалла. И чем больше тепла передается с подложки светодиода на радиатор, тем дольше он будет работать. Поэтому светодиодные сборки с мощными светодиодами требуют пассивного (монтаж на алюминиевую плату и радиатор) или активного (кулер, вентилятор) охлаждения.

Как известно, и световая отдача и срок службы СД сильно зависит от условий их работы. Поэтому когда говорят о высоком сроке службы необходимо учитывать спад светового потока, в частности белого СД, на уровне 20…30 %. Отметим, что используемые в современном тепличном растениеводстве натриевые лампы высокого давления (НЛВД) имеют достаточно близкие показатели по ресурсу (аналогичный спад светового потока к 20 тыс. час.).

Возможность получения излучения любого спектрального состава, что вероятнее всего необходимо при отдельных научных исследованиях растений, но не как при промышленном выращивании тепличной продукции. Полное отсутствие ИК- и УФ-излучения у цветных и белых СД, что не позволяет достаточно просто реализовать требования к полноценному спектру для выращивания растений.

Возможность достаточно простого регулирования электрическую мощности, интенсивности, спектрального состава излучения. Но для этого необходимо дополнительное оборудование, что ведет к усложнению схемы. Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет снижения напряжения питания – этого-то как раз делать нельзя, – а только так называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGB-матрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна составлять от сотен до тысяч герц, а ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время светодиод не гаснет.

Таким образом, видно, что все достоинства СД являются продолжением их недостатков. Большой круг вопросов, связанный с применением СД, не решен ни теоретически, ни технически. Данная тема является объектом дальнейших научных исследований.

Список литературы

  1. Вознесенская, Н.П. Принципы регулирования метаболизма растений и регулирование действие красного и синего света на фотосинтез / Н.П. Вознесенская. – Москва: Наука. – 1975. – 204 с.
  2. Протасова, Н.Н. Рост растений и содержание гормонов в зависимости от спектрального состава света / Н.Н. Протасова, Р.А. Карначук, И.Ф. Головацкая // Рост и устойчивость растений; Под редакцией Р.К. Саляева и В.И. Кефели. – Новосибирск: Наука. – 1988. – С. 71–81.
Вверх