Комнатным растениям не всегда хватает света в домашних условиях. Без этого их развитие будет замедленным или неправильным. Чтобы этого избежать, можно установить светодиоды для растений. Именно такая лампа способна дать необходимый спектр цвета. широко распространены для освещения теплиц, оранжерей, в садах закрытого типа и аквариумах. Они хорошо заменяют солнечный свет, не требуют больших затрат и имеют большой срок службы.

Фотосинтез растений - это процесс, который проходит при достаточном освещении. Также правильному развитию растений, способствуют следующие факторы: окружающая температура, влажность, спектр освещённости, длительность дня и ночи, достаточность углерода.

Определение достаточности света

Если решено установить светильники для растений, то сделать это нужно максимально правильно. Для этого нужно определиться с тем, каким именно растениям не хватает луча, а каким он будет излишним. Если проектируется освещение в теплице, то надо предусмотреть зоны с разным спектром. Дальше следует определить количество самих светодиодов. Профессионалы это делают специальным прибором - люксметром. Своими силами произвести расчёт тоже можно. Но придётся немного покопаться и спроектировать нужную модель.

Если проект делается для теплицы, есть одно универсальное правило для всех видов источников света. Когда высота подвеса увеличивается, то освещённость уменьшается.

Светодиоды

Спектр цветового излучения имеет большое значение. Оптимальным решением будут являться красные и синие светодиоды для растений в пропорции два к одному. Сколько ватт будет иметь устройство, не имеет большого значения.

Но чаще применяют одноваттные. Если будет необходимость устанавливать диоды самостоятельно, то лучше приобрести готовые ленты. Закрепить их можно с помощью клея, кнопок или винтов. Всё зависит от предусмотренных отверстий. Производителей такой продукции очень много, лучше выбирать известного, а не безликого продавца, который не сможет дать гарантии на своё изделие.

Длина световых волн

Спектр естественного солнечного света содержит и синий, и красный цвет. Они позволяют растениям развивать массу, расти и плодоносить. При облучении только синим спектром с длиной волны 450 нм, представитель флоры будет низкорослым. Такое растение не сможет похвалиться большой зелёной массой. Плодоносить оно также будет плохо. При поглощении красного диапазона с длиной волн 620 нм оно будет развивать корни, хорошо цвести и давать плоды.

Плюсы светодиодов

При освещении растения оно проходит весь путь: от ростка до плодов. Одновременно за это время при работе люминесцентного прибора произойдёт только цветение. Светодиоды для растений не нагреваются, поэтому нет необходимости в частом проветривании помещения. Кроме того, отсутствует возможность теплового перегрева представителей флоры.

Незаменимы такие светильники для выращивания рассады. Направленность спектра излучения способствует тому, что побеги крепнут за короткое время. Плюсом является и низкое потребление электроэнергии. Светодиоды уступают только Но они в десять раз экономнее Светодиоды для растений служат до 10 лет. - от 3 до 5 лет. Установив такие светильники, долгое время не придётся беспокоиться об их замене. Такие лампы не имеют в своём составе вредных веществ. Несмотря на это, их применение в теплицах очень предпочтительно. Рынок на сегодняшний день представляет большое количество разнообразных конструкций подобных светильников: их можно подвесить, укрепить на стене или потолке.

Минусы

Для увеличения интенсивности излучения, светодиоды собирают в большую конструкцию. Это является недостатком только для маленьких помещений. В крупных теплицах это несущественно. Недостатком можно считать высокую стоимость по сравнению с аналогами - люминесцентными лампами. Разница может достигать восьмикратного значения. Но диоды себя окупят после нескольких лет службы. На них можно значительно экономить электроэнергию. Снижение свечения наблюдается по истечении гарантийного срока. При большой площади теплицы нужно больше точек освещения по сравнению с другими видами ламп.

Радиатор для светильника

Необходимо, чтобы от устройства отводилось тепло. Лучше это сделает радиатор, который изготовлен из алюминиевого профиля или стального листа. Меньших трудозатрат потребует использование П-образного готового профиля. Рассчитать площадь радиатора несложно. Она должна быть не меньше 20 см 2 на 1 Ватт. После того как подобраны все материалы, можно собрать всё в одну цепь. Светодиоды для роста растений лучше чередовать по цветам. Таким образом, получится равномерное освещение.

Фитосветодиод

Такая новейшая разработка, как фитосветодиод, способна заменить обычные аналоги, светящие только в одном цвете. Новый аппарат в одном чипе собрал в себе необходимый спектр светодиодов для растений. Он нужен для всех этапов роста. Самая простая фитолампа обычно состоит из блока со светодиодами и вентилятора. Последний, в свою очередь, может регулироваться по высоте.

Лампы дневного света

Люминесцентные лампы долгое время оставались на пике популярности в бытовых садах и огородах. Но такие светильники для растений не подходят по цветовому спектру. Их всё больше заменяют фитосветодиодные или люминесцентные лампы специального назначения.

Натриевый

Такой сильный по насыщенности свет, как у натриевого аппарата, не подойдёт для размещения в квартире. Его применение целесообразно в больших теплицах, садах и оранжереях, в которых производится освещение растений. Минусом таких ламп является их малая производительность. Они две трети энергии преобразовывают в тепло и лишь малая часть идёт на световое излучение. Кроме того, красный спектр такой лампы интенсивнее, чем синий.

Делаем устройство самостоятельно

Самый простой способ изготовить лампу для растений - воспользоваться лентой, на которой расположены светодиоды. Нужна она красного и синего спектров. Они будут подключаться к блоку питания. Последний можно приобрести там же, где и ленты, - в строительном магазине. Также необходимо крепление - панель, размером с площадь освещения.

Изготовление начинать следует с очищения панели. Далее, можно приклеить диодную ленту. Для этого надо удалить защитную плёнку и липкой стороной приклеить к панели. Если придётся резать ленту, то её куски можно соединить при помощи паяльника.

Светодиоды для растений не нуждаются в дополнительной вентиляции. Но если само помещение мало проветривается, то целесообразно установить ленту на металлический профиль (например, из алюминия). Режимы освещения для цветов в комнате могут быть такими:

• для растущих далеко от окна, в затенённом месте достаточно будет 1000-3000 лк;
• для растений, что нуждаются в рассеянном свете, значение будет составлять до 4000 лк;
• представители флоры, которые нуждаются в прямом освещении, - до 6000 лк;
• для тропических и тех, которые плодоносят, - до 12 000 лк.

При желании видеть комнатные растения в здоровом и красивом виде, надо тщательно удовлетворять их потребность в освещённости. Итак, мы выяснили преимущества и недостатки для растений, а также спектр их лучей.

Как известно, всем растениям для их правильного развития и хорошего роста требуется свет, которого в зимний период критически не хватает. Чтобы рассада выросла полноценной, сильной, плодоносящей, а комнатные радовали цветением, необходима дополнительная эффективная подсветка, которую можно организовать с помощью светодиодных фитоламп.

Светодиодные лампы для растений обладают наиболее подходящими для выращивания интенсивностью и спектром света. К их преимуществам также можно отнести длительный срок эксплуатации, энергосбережение, возможность регулировки интенсивности освещения, они не перегреваются, могут работать в разных температурных режимах (от -25 до +40). Лампы этого типа используют в самых разных помещениях: частный дом, квартира, теплица.

Виды светодиодных ламп для растений

В зависимости от того, какое количество растений необходимо подсвечивать, какова площадь ими занимаемая, используется ли подсветка в целях личного выращивания, или в целях производства, различают светодиодные фитолампы, имеющие следующие формы:

1. Труба . Такая форма лампы подходит для освещения «зеленых», расположенных длинными узкими рядами. Идеально при использовании на подоконниках.
2. Точечный одиночный светильник . Применяется в основном для малого количества растений: несколько цветов, ящик рассады.
3. Светодиодная панель . Представлена большими прямоугольниками или квадратами. Больше относится к профессиональному освещению, например, больших стеллажей с рассадой.
4. Светодиодная лента . Достаточно распространена, поскольку имеется возможность устроить свет по своему усмотрению, в определенном количестве и с определенной стороны, применяя необходимую комбинацию. Такая подсветка собирается собственноручно.
5. Прожекторы . Также подходят больше для профессионального использования. Освещает большую площадь с большого расстояния.

При выборе светодиодной лампы необходимо ознакомиться с ее инструкцией по применению, где будет указано точное количество освещаемой ею площади, с какого расстояния такая площадь охватывается, эффективность освещения.

Какие светодиоды выбрать для освещения?

Не всякий свет эффективен при выращивании культур. Светодиоды для фитоламп различают по спектру, или цвету подсвечивания, который и влияет на развитие, рост и цветение.

Определенные спектры воздействуют на растение следующим образом:

1. Синий, сине-фиолетовый спектр (430-490 нм.) Он способствует вегетации, плотности, укреплению, правильному формированию корневой системы. Такой свет более интенсивно используют на стадии первоначального роста, например, при выращивании саженцев.
2. Красный, красно-оранжевый спектр (600-780 нм.) Он благоприятен на стадии цветения, отвечает за развитие плодов, наращивание листьев.

Все остальные спектры – зеленый, желтый – практически не имеют влияния на растения, а ультрафиолет бывает даже вреден.

Для эффективного освещения «зеленых» необходимо выбирать светодиоды синих и красных спектров, правильно их комбинируя на каждом этапе развития культуры. Такая комбинация зависит во многом от характеристик выращиваемого растения – что именно ему нужно в тот или иной промежуток времени в процессе его развития. Поэтому надо досконально ознакомиться с требованиями культуры к освещенности.

Практически универсальным выбором является светодиод полного спектра, который основан на комбинации красного и синего цветов:

• светодиодные ленты для растений выпускают соотношениями 10:3, 15:5, 5:1 синего к красному соответственно.

  Наиболее оптимальными признаны ленты с соотношение 5 синих светодиодов к 1 красному, но только в случае, если зеленые питомцы находятся на подоконнике и получают достаточно света извне.

• светодиодные фитолампы имеют в своем составе, как правило, 60-80% красного и 40-20% синего цвета. Достаточной для большинства растений считается лампа с 75% красного излучения и 25% синего.

Стоит отметить, что светодиоды также отличаются по мощности освещения.

Время освещения

Чтобы светодиодные лампы в качестве подсветки давали максимальный результат, необходимо не только учесть подходящий спектральный анализ конкретных растений, но и необходимые им соотношения свет-темнота. При недостатке света они будут плохо развиваться, но его переизбыток тоже не несет ничего хорошего.

К регулированию продолжительности светового дня подходить нужно грамотно. Для растений с коротким световым днем хватит и 12 часов освещения, а вот культурам, которым требуется продолжительный день, может не хватить и 14.

Некоторые варианты времени освещения для определенных категорий:

1. Рассада . На первоначальном этапе она требует к себе круглосуточного светового внимания, поэтому лампы светят целые сутки. Затем этот показатель постепенно снижают до 16-14 часов.
2. Растения с зимним анабиозом , к которым относят , . Они предпочитают в зимнее время небольшое количество света, им будет вполне достаточно 10 часов.
3. Цветы, любящие рассеянную тень. К ним относят , папоротники, традесканция. Они хорошо растут при освещенности 10-12 часов в день.
4. Растения, для успешного роста и цветения которых требуется яркое и продолжительное освещение . Это представители роз, а также мирт, эвкалипт, жасмин. Им требуется 14-16 часов освещения зимой. Иногда это показатель может доходить до 18 часов.
5. Существуют и средние по светолюбивости культуры , которым особых условий освещенности не требуется.

И еще один важный факт: женские типы растений более требовательны к продолжительности света, чем мужские.

Как располагать светодиодные фитолампы?

Светодиодные лампы являются узконаправленными. Благодаря тому, что они имеют линзу, поток света сконцентрирован в одном направлении. Поэтому располагать такие фитолампы лучше всего близко к растениям. Для получения эффективного результата это расстояние варьируется от 15 до 30 см. Того, что культуры могут «сгореть» можно не опасаться, ведь светодиоды не нагреваются и не выделяют тепло.

При организации расположения ламп необходимо учесть следующие моменты:

• Высота растений . Для равномерного действия света на каждый кустик, необходимо, чтобы они были примерно одного роста. Иначе до кого-то свет может и не дойти. Как вариант, используют поставки для низкорослых, чтобы сравнять с более высокими.
• Расстановка растений . Ее следует производить в зависимости от интенсивности освещения.

  В центре освещенности, которую дает лампа, свет более мощный, интенсивный, поэтому именно сюда ставят более светолюбивые и привередливые культуры, а по краям располагают остальные.

Наилучшая отдача при вертикальном расположении

Варианты расположения ламп могут быть:

• сверху;
• снизу;
• сбоку.

Наибольшей отдачей пользуются светильники, расположенные сверху, ведь солнце, естественный источник света, расположено именно там. Боковые и нижние подсветки используются чаще всего в магазинах, для эффектности.

Расчет количества ламп

Для благоприятного развития растений им необходим не только определенный свет, но и его достаточность.

Для расчета необходимого количества светодиодных ламп при определенных условиях, нужно знать следующие аспекты:

• потребность в освещении для конкретной культуры (измеряется в люксах, лк.), но достаточным для большинства будет 8 000 лк.;
• угол освещенности;
• расстояние до кустов;
• площадь.

Как правило, сначала находится требуемое количество светового потока, который определяется в люменах, на данную площадь. Для этого: количество требуемых люксов * количество квадратных метров.

Например, для выращивания рассады , требующих не менее 5000 лк., на подоконнике размером 0,6 кв. м., нужно 3 000 люменов света (5 000 * 0,6).

Не стоит забывать о расстоянии, при увеличении которого растут потери эффективности. Их приблизительно учитывают в процентном соотношении. Если расстояние от куста до лампы – 30 см, то и потери составят около 30%, а, значит, именно на эти проценты следует прибавить требуемое количество люменов.

Размер светового потока, выдаваемый определенной маркой светодиодной лампы, обязательно должен быть указан на ее упаковке либо в инструкции к применению. Исходя из этого, рассчитывают количество ламп на требуемое общее количество люменов. На упаковке будут напечатаны и другие технические характеристики, которые помогут определиться с углом освещенности, а также оптимальным расстоянием.

В большинстве случаев для одного стандартного подоконника с рассадой, хватает освещенности в 2 лампочки по 5 Вт.

Реальные отзывы

Денис

«Решил провести эксперимент со светодиодными лампами. Неожиданно, но результат порадовал. Салат и петрушка реально тянутся к светильнику, даже когда солнце светит!»

Кристина

«Купила 5 лет назад фитолампу Сидор. Не нарадуюсь до сих пор. Не греется, не мерцает, потребляет менее 18Вт., а прекрасно и очень результативно освещает весь балкон. Очень рекомендую.»

Евгений

«Очень долго думал, прежде чем приобрести светодиодный светильник для растений Воля “Фитосвет-Д”. Красные и синие диоды, непонятно, будет ли толк, да и дороговато! Но взял, и не пожалел. Результат супер, скорость роста зелени и рассады увеличилась, да и сами они более жирненькие. Так что толк есть!»

Большую часть года, света для растений очень мало. И те, кто выращивают их круглогодично в закрытых помещениях, а не по сезонно на улице, сталкиваются из-за этого с большими проблемами.

Единственный выход их решить — это использовать искусственные источники света. Какие из них лучше выбрать и на что ориентироваться?

КПД, безопасность и расход энергии

В первую очередь, рядовой обыватель обращает внимание на уровень потребления электроэнергии. Чем больше у вас будет растений, тем больше потребуется светильников и лампочек для них.

Неохота платить за электричество больше стоимости урожая. Поэтому при покупке светильников, большое внимание уделяют такому параметру как КПД лампочки.

Всем известные лампочки-груши с нитью накаливания, в процессе работы очень сильно нагреваются. Связано это с тем, что в них большая часть эл.энергии преобразуется не в свет, а в бесполезное тепло.

Поэтому постепенно от них начали отказываться и стали переходить на энергосберегающие лампы. Их КПД примерно в 4 раза выше, чем у обычных.

Однако по факту, мы получили те же самые люминесцентные лампы, хоть и меньшего размера, но содержащие ртуть. Если такая лампочка разобьется, вам придется срочно принять меры безопасности и провести так называемую демеркуризацию всего помещения.

Не только сама ртуть, но и ее пары ядовиты для человека. И даже в сверхмалых концентрациях могут вызвать тяжелые последствия.

Поэтому впоследствии им на замену пришли более безопасные светодиодные источники света. А специально для растений были разработаны фитолампы.

У светодиодов также высокий КПД и минимальный нагрев. А самое главное, они по-прежнему совершенствуются и улучшают свои характеристики год от года.

Какой цвет лучше для растений

Однако как оказалось, КПД лампочки это не главное в правильном выращивании растений. Самое важное — это их спектр и насколько он отличается от естественного солнечного излучения. Ведь именно к нему привыкли все цветы, овощи, фрукты, ягоды.

Что же прячется за таким научным названием как спектр излучения? Чтобы понять это, придется вспомнить что такое свет? А свет — это не что иное, как электромагнитная волна.

Причем каждый цвет имеет определенную длину волны, отсюда и получается радуга. Однако разная длина означает не только разный цвет, но самое главное — разное количество энергии.

Волны с меньшей длиной содержат в себе больше энергии.

Если все цвета условно представить не в виде привычной прямой линии, а в виде шариков, то синий шарик будет самым большим по размеру. Зеленый поменьше, а красный окажется самым маленьким.

Все цвета всегда упрощают именно до этих трех видов R-G-B:

• красный

• зеленый

• синий

Почему синий шарик окажется самым объемным? Потому что длина его волны самая маленькая. Она меньше чем у зеленого цвета. А у зеленого в свою очередь, меньше чем у красного.

В итоге и получается, что красный цвет несет в себе меньше энергии, а синий больше всего.

И тут у многих может возникнуть логичный вопрос: "А есть ли разница в том, каким именно спектром освещать растения?" И если есть, можно ли эти знания как-то применить с пользой для дела?

Ведь если какой-то цвет окажется более эффективным, то нет ничего проще, как направить всю энергию на растение только от него. Если синий цвет самый "жирный", достаточно засвечивать растения только им и получать шикарный урожай круглый год.

Однако все оказывается не так просто. Здесь нужно учитывать еще одну характеристику света - его качественный или спектральный состав.

Поглощение света растениями и фотосинтез

Чтобы понять как отдельные цвета влияют на эффективность фотосинтеза, проводились научные эксперименты. Из целого листа выделялись отдельные чистые хлорофиллы. После чего, в течение длительного времени, их засвечивали светом различного спектра и проверяли результаты.

При этом в первую очередь, смотрели на эффективность поглощения СО2, то есть интенсивность фотосинтеза. Ниже представлен итоговый график такого эксперимента.

Из него видно, что хлорофилл в основном поглощается в синей и красной областях. В зеленой области эффективность минимальна.

Однако на этом не остановились и провели еще один эксперимент. В растениях также содержатся каротиноиды. Они хоть и играют незначительную роль, но и про них забывать не стоит.

Так вот, аналогичный опыт с каротиноидами показал, что ранее выделенные пигменты листа, поглощают в этом случае свет преимущественно в синей области спектра.

Посмотрев на это, все дружно решили что зеленый цвет абсолютно бесполезен и им можно пренебречь. Основной упор все специалисты предлагали делать только на синий и красный свет.

И соответственно более правильным считалось выбирать лампочки, которые излучают именно эти спектры больше всего.

Но как оказалось, изначальная ошибка экспериментаторов закралась в том, что они использовали не весь лист целиком, а выделяли из него пигменты и смотрели результаты только по ним.

На самом деле, в цельном листе свет очень сильно рассеивается. Провели еще опыты, но уже смотрели на весь лист и использовали разные растения. В итоге получили данные, которые более точно показывали насколько эффективно свет поглощается всем листком, а не его отдельными "кусочками".

С одной стороны, здесь опять доминируют синий и красный свет. Отдельные пики потребления фотонов доходят до 90 процентов.

Однако к удивлению многих, и зеленые лучи оказались не столь бесполезны как думали раньше. Дело в том, что благодаря своей проникающей способности, зеленый снабжает энергией более глубокие участки листвы, куда не долетают ни красный, ни синий.

Таким образом, если полностью отказаться от зеленого, вы можете ненароком погубить растение, и даже не будете понимать в чем причина.

Получается, что все цвета R-G-B нормально усваиваются листьями и нельзя выбрасывать какой-то один из них. Вот только необходимость энергии на разных цветах у разных растений не равноценна.

Какой свет больше всего нужен растениям

Для того чтобы объяснить это более наглядно и понятнее, проведем аналогию с чем-то съедобным. Допустим у вас на столе лежит спелый персик, ягода малины и груша.

Для вашего желудка все равно что вы съедите. Он одинаково хорошо переварит все ягоды и фрукты. Но это не означает, что для вас в последствии не будет никакой разницы. Разные продукты все равно по-разному влияют на ваш организм.

Съесть 10 ягод клубники это не то же самое, что 10 груш или персиков. Вы должны найти определенный баланс.

То же самое происходит и со светом для растений. Ваша задача грамотно подобрать, насколько каждого света должно быть в общем спектре. Только таким образом можно рассчитывать на быстрый рост.

Самый главный вопрос - какой свет будет считаться лучшим? Казалось бы, что тут гадать. Лучший вариант это солнечный свет и его близкие аналоги.

Ведь миллионы лет растения именно под ним и развивались. Однако посмотрите на картинку ниже. Вот как реально выглядит интенсивность солнечного света.

Видите, насколько здесь много зеленого. А как мы выяснили ранее, он хоть и полезен, но не в такой степени как другие лучи. Когда говорят, что солнечный свет самый эффективный и нечего отступать от матушки природы, не учитывают один простой факт.

В реальной жизни, а не в экспериментах, растения адаптируются не только к солнечному свету, но также и к условиям окружающей их среды, в которой они произрастают.

Допустим на глубине водоема, где растет какая-то зелень, доминирует синий цвет. А вот в лесу под кроной деревьев, уже победителем выходит зеленый.

А вот по поводу его эффективности в отдельных случаях возникают существенные вопросы. Вот оптимальное распределение спектров для двух самых популярных у нас овощей - огурца и помидора:

Всего на этих двух элементарных примерах между огурцом и томатом хорошо видно, насколько у них разная потребность. И если одной и той же лампочкой засвечивать оба овоща сразу, то результаты будут совершенно непредсказуемыми.

Суточные ритмы

Кроме правильно подобранного спектра, важную роль играет еще два параметра - время и ритм освещения.

Все растения изначально произрастали на улице при естественном солнце. А солнце как известно не висит в зените 24 часа в сутки. Утром всходит, а вечером заходит. То есть естественная интенсивность освещения сначала постепенно растет, а во второй половине дня, достигнув своего пика, начинает падать.

Это и есть так называемый ритм. И растения его хорошо чувствуют. Измените ритм, не меняя ничего другого, и ваши овощи могут начать болеть, почувствовав себя "не в своей тарелке".

Поэтому опытные садоводы выделили три группы растений - короткого, длинного и нейтрального дня.

Вот их некоторые разновидности:

Длинный день - это когда интенсивность света наблюдается более 13 часов. Короткий - до 12 часов. Растениям для нейтрального дня все равно когда созревать, хоть при коротком, хоть при длинном.

Интенсивность фотосинтеза под красным светом максимальна, но под одним только красным растения гибнут либо их развитие нарушается. Например, корейские исследователи показали, что при освещении чистым красным масса выращенного салата больше, чем при освещении сочетанием красного и синего, но в листьях значимо меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов. А биофак МГУ установил, что в листьях китайской капусты под узкополосным красным и синим светом (по сравнению с освещением натриевой лампой) снижается синтез сахаров, угнетается рост и не происходит цветения.

Рис. 1 Леанна Гарфилд, Tech Insider - Aerofarms

Какое нужно освещение, чтобы при умеренном энергопотреблении получить полноценно развитое, большое, ароматное и вкусное растение?

В чем оценивать энергетическую эффективность светильника?

Основные метрики оценки энергетической эффективности фитосвета:

• Photosynthetic Photon Flux (PPF ), в микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов света в диапазоне 400–700 нм, которые излучил светильник, потребивший 1 Дж электроэнергии.
• Yield Photon Flux (YPF ), в эффективных микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов на 1 Дж электроэнергии, с учетом множителя - кривой McCree .

PPF всегда получается немного выше, чем YPF (кривая McCree нормирована на единицу и в большей части диапазона меньше единицы), поэтому первую метрику выгодно использовать продавцам светильников. Вторую метрику выгоднее использовать покупателям, так как она более адекватно оценивает энергетическую эффективность.

Эффективность ДНаТ

Крупные агрохозяйства с огромным опытом, считающие деньги, до сих пор используют натриевые светильники. Да, они охотно соглашаются повесить над опытными грядками предоставляемые им светодиодные светильники, но не согласны за них платить.

Из рис. 2 видно, что эффективность натриевого светильника сильно зависит от мощности и достигает максимума при 600 Вт. Характерное оптимистичное значение YPF для натриевого светильника 600–1000 Вт составляет 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Натриевые светильники 70–150 Вт имеют в полтора раза меньшую эффективность.

Рис. 2. Типичный спектр натриевой лампы для растений (слева) . Эффективность в люменах на ватт и в эффективных микромолях серийных натриевых светильников для теплиц марок Cavita , E-Papillon , «Галад» и «Рефлакс» (справа)

Любой светодиодный светильник, имеющий эффективность 1,5 эфф. мкмоль/Вт и приемлемую цену, можно считать достойной заменой натриевого светильника.

Сомнительная эффективность красно-синих фитосветильников

В этой статье не приводим спектров поглощения хлорофилла потому, что ссылаться на них в обсуждении использования светового потока живым растением некорректно. Хлорофилл invitro , 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. Энергетическая эффективность света в листе определяется кривой «McCree 1972 » (рис. 3).

Рис. 3. V (λ) - кривая видности для человека; RQE - относительная квантовая эффективность для растения (McCree 1972); σ r и σ fr - кривые поглощения фитохромом красного и дальнего красного света; B (λ) - фототропическая эффективность синего света

Отметим: максимальная эффективность в красном диапазоне раза в полтора выше, чем минимальная - в зеленом. А если усреднить эффективность по сколько-нибудь широкой полосе, разница станет еще менее заметной. На практике перераспределение части энергии из красного диапазона в зеленый энергетическую функцию света иногда, наоборот, усиливает. Зеленый свет проходит через толщу листьев на нижние ярусы, эффективная листовая площадь растения резко увеличивается, и урожайность, например, салата повышается .

Освещение растений белыми светодиодами

Энергетическая целесообразность освещения растений распространенными светодиодными светильниками белого света исследована в работе .

Характерная форма спектра белого светодиода определяется:

• балансом коротких и длинных волн, коррелирующим с цветовой температурой (рис. 4, слева);
• степенью заполненности спектра, коррелирующей с цветопередачей (рис. 4, справа).

Рис. 4. Спектры белого светодиодного света с одной цветопередачей, но разной цветовой температурой КЦТ (слева) и с одной цветовой температурой и разной цветопередачей R a (справа)

Различия в спектре белых диодов с одной цветопередачей и одной цветовой температуры едва уловимы. Следовательно, мы можем оценивать спектрозависимые параметры всего лишь по цветовой температуре, цветопередаче и световой эффективности - параметрам, которые написаны у обычного светильника белого света на этикетке.

Результаты анализа спектров серийных белых светодиодов следующие:

1. В спектре всех белых светодиодов даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, крайне мало дальнего красного (рис. 5).

Рис. 5. Спектр белого светодиодного (LED 4000K R a = 90) и натриевого света (HPS ) в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B ), красному (A_r ) и дальнему красному свету (A_fr )

В естественных условиях затененное пологом чужой листвы растение получает больше дальнего красного, чем ближнего, что у светолюбивых растений запускает «синдром избегания тени» - растение тянется вверх. Помидорам, например, на этапе роста (не рассады!) дальний красный необходим, чтобы вытянуться, увеличить рост и общую занимаемую площадь, а следовательно, и урожай в дальнейшем.

Соответственно, под белыми светодиодами и под натриевым светом растение чувствует себя как под открытым солнцем и вверх не тянется.

2. Синий свет нужен для реакции «слежение за солнцем» (рис. 6).

Рис. 6. Фототропизм - разворот листьев и цветов, вытягивание стеблей на синюю компоненту белого света (иллюстрация из «Википедии»)

В одном ватте потока белого светодиодного света 2700 К фитоактивной синей компоненты вдвое больше, чем в одном ватте натриевого света. Причем доля фитоактивного синего в белом свете растет пропорционально цветовой температуре. Если нужно, например, декоративные цветы развернуть в сторону людей, их следует подсветить с этой стороны интенсивным холодным светом, и растения развернутся.

3. Энергетическая ценность света определяется цветовой температурой и цветопередачей и с точностью 5 % может быть определена по формуле:

где - световая отдача в лм/Вт, - общий индекс цветопередачи, - коррелированная цветовая температура в градусах Кельвина.

Примеры использования этой формулы:

А. Оценим для основных значений параметров белого света, какова должна быть освещенность, чтобы при заданной цветопередаче и цветовой температуре обеспечить, например, 300 эфф. мкмоль/с/м2:

Видно, что применение теплого белого света высокой цветопередачи позволяет использовать несколько меньшие освещенности. Но если учесть, что световая отдача светодиодов теплого света с высокой цветопередачей несколько ниже, становится понятно, что подбором цветовой температуры и цветопередачи нельзя энергетически значимо выиграть или проиграть. Можно лишь скорректировать долю фитоактивного синего или красного света.

Б. Оценим применимость типичного светодиодного светильника общего назначения для выращивания микрозелени.

Пусть светильник размером 0,6 × 0,6 м потребляет 35 Вт, имеет цветовую температуру 4000 К , цветопередачу Ra = 80 и световую отдачу 120 лм/Вт. Тогда его эффективность составит YPF = (120/100)⋅(1,15 + (35⋅80 − 2360)/4000) эфф. мкмоль/Дж = 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Что при умножении на потребляемые 35 Вт составит 52,5 эфф. мкмоль/с.

Если такой светильник опустить достаточно низко над грядкой микрозелени площадью 0,6 × 0,6 м = 0,36 м 2 и тем самым избежать потерь света в стороны, плотность освещения составит 52,5 эфф. мкмоль/с / 0,36м 2 = 145 эфф. мкмоль/с/м 2 . Это примерно вдвое меньше обычно рекомендуемых значений. Следовательно, мощность светильника необходимо также увеличить вдвое.

Прямое сравнение фитопараметров светильников разных типов

Сравним фитопараметры обычного офисного потолочного светодиодного светильника, произведенного в 2016 году, со специализированными фитосветильниками (рис. 7).

Рис. 7. Сравнительные параметры типичного натриевого светильника 600Вт для теплиц, специализированного светодиодного фитосветильника и светильника для общего освещения помещений

Видно, что обычный светильник общего освещения со снятым рассеивателем при освещении растений по энергетической эффективности не уступает специализированной натриевой лампе. Видно также, что фитосветильник красно-синего света (производитель намеренно не назван) сделан на более низком технологическом уровне, раз его полный КПД (отношение мощности светового потока в ваттах к мощности, потребляемой из сети) уступает КПД офисного светильника. Но если бы КПД красно-синего и белого светильников были одинаковы, то фитопараметры тоже были бы примерно одинаковы!

Также по спектрам видно, что красно-синий фитосветильник не узкополосен, его красный горб широк и содержит гораздо больше дальнего красного, чем у белого светодиодного и натриевого светильника. В тех случаях, когда дальний красный необходим, использование такого светильника как единственного или в комбинации с другими вариантами может быть целесообразно.

Оценка энергетической эффективности осветительной системы в целом:

Рис. 8. Аудит системы фитоосвещения

Следующая модель UPRtek - спектрометр PG100N по заявлению производителя измеряет микромоли на квадратный метр, и, что важнее, световой поток в ваттах на квадратный метр.

Измерять световой поток в ваттах - превосходная функция! Если умножить освещаемую площадь на плотность светового потока в ваттах и сравнить с потреблением светильника, станет ясен энергетический КПД осветительной системы. А это единственный на сегодня бесспорный критерий эффективности, на практике для разных осветительных систем различающийся на порядок (а не в разы или тем более на проценты, как меняется энергетический эффект при изменении формы спектра).

Примеры использования белого света

Описаны примеры освещения гидропонных ферм и красно-синим, и белым светом (рис. 9).

Рис. 9. Слева направо и сверху вниз фермы: Fujitsu , Sharp , Toshiba , ферма по выращиванию лекарственных растений в Южной Калифорнии

Достаточно известна система ферм Aerofarms (рис. 1, 10), самая большая из которых построена рядом с Нью-Йорком. Под белыми светодиодными лампами в Aerofarms выращивают более 250 видов зелени, снимая свыше двадцати урожаев в год.

Рис. 10. Ферма Aerofarms в Нью-Джерси («Штат садов») на границе с Нью-Йорком

Прямые эксперименты по сравнению белого и красно-синего светодиодного освещения
Опубликованных результатов прямых экспериментов по сравнению растений, выращенных под белыми и красно-синими светодиодами, крайне мало. Например, мельком такой результат показала МСХА им. Тимирязева (рис. 11).

Рис. 11. В каждой паре растение слева выращено под белыми светодиодами, справа - под красно-синими (из презентации И. Г. Тараканова, кафедра физиологии растений МСХА им. Тимирязева)

Пекинский университет авиации и космонавтики в 2014 году опубликовал результаты большого исследования пшеницы, выращенной под светодиодами разных типов . Китайские исследователи сделали вывод, что целесообразно использовать смесь белого и красного света. Но если посмотреть на цифровые данные из статьи (рис. 12), замечаешь, что разница параметров при разных типах освещения отнюдь не радикальна.

Рис 12. Значения исследуемых факторов в двух фазах роста пшеницы под красными, красно-синими, красно-белыми и белыми светодиодами

Однако основным направлением исследований сегодня является исправление недостатков узкополосного красно-синего освещения добавлением белого света. Например, японские исследователи выявили увеличение массы и питательной ценности салата и томатов при добавлении к красному свету белого. На практике это означает, что, если эстетическая привлекательность растения во время роста неважна, отказываться от уже купленных узкополосных красно-синих светильников необязательно, светильники белого света можно использовать дополнительно.

Влияние качества света на результат

Фундаментальный закон экологии «бочка Либиха» (рис. 13) гласит: развитие ограничивает фактор, сильнее других отклоняющийся от нормы. Например, если в полном объеме обеспечены вода, минеральные вещества и СО 2 , но интенсивность освещения составляет 30 % от оптимального значения - растение даст не более 30 % максимально возможного урожая.

Рис. 13. Иллюстрация принципа ограничивающего фактора из обучающего ролика на YouTube

Реакция растения на свет: интенсивность газообмена, потребления питательных веществ из раствора и процессов синтеза - определяется лабораторным путем. Отклики характеризуют не только фотосинтез, но и процессы роста, цветения, синтеза необходимых для вкуса и аромата веществ.

На рис. 14 показана реакция растения на изменение длины волны освещения. Измерялась интенсивность потребления натрия и фосфора из питательного раствора мятой, земляникой и салатом. Пики на таких графиках - признаки стимулирования конкретной химической реакции. По графикам видно что исключить из полного спектра ради экономии какие-то диапазоны, - все равно что удалить часть клавиш рояля и играть мелодию на оставшихся.

Рис. 14. Стимулирующая роль света для потребления азота и фосфора мятой, земляникой и салатом (данные предоставлены компанией Фитэкс)

Принцип ограничивающего фактора можно распространить на отдельные спектральные составляющие - для полноценного результата в любом случае нужен полный спектр. Изъятие из полного спектра некоторых диапазонов не ведет к значимому росту энергетической эффективности, но может сработать «бочка Либиха» - и результат окажется отрицательным.
Примеры демонстрируют, что обычный белый светодиодный свет и специализированный «красно-синий фитосвет» при освещении растений обладают примерно одинаковой энергетической эффективностью. Но широкополосный белый комплексно удовлетворяет потребности растения, выражающиеся не только в стимуляции фотосинтеза.

Убирать из сплошного спектра зеленый, чтобы свет из белого превратился в фиолетовый, - маркетинговый ход для покупателей, которые хотят «специального решения», но не выступают квалифицированными заказчиками.

Корректировка белого света

Наиболее распространенные белые светодиоды общего назначения имеют невысокую цветопередачу Ra = 80, что обусловлено нехваткой в первую очередь красного цвета (рис. 4).

Недостаток красного в спектре можно восполнить, добавив в светильник красные светодиоды. Такое решение продвигает, например , CREE . Логика «бочки Либиха» подсказывает, что такая добавка не повредит, если это действительно добавка, а не перераспределение энергии из других диапазонов в пользу красного.

Интересную и важную работу проделал в 2013–2016 годах ИМБП РАН : там исследовали, как влияет на развитие китайской капусты добавление к свету белых светодиодов 4000 К / Ra = 70 света узкополосных красных светодиодов 660 нм.

И выяснили следующее:

• Под светодиодным светом капуста растет примерно так же, как под натриевым, но в ней больше хлорофилла (листья зеленее).
• Cухая масса урожая почти пропорциональна общему количеству света в молях, полученному растением. Больше света - больше капусты.
• Концентрация витамина С в капусте незначительно повышается с ростом освещенности, но значимо увеличивается с добавлением к белому свету красного.
• Значимое увеличение доли красной составляющей в спектре существенно повысило концентрацию нитратов в биомассе. Пришлось оптимизировать питательный раствор и вводить часть азота в аммонийной форме, чтобы не выйти за ПДК по нитратам. А вот на чисто-белом свету можно было работать только с нитратной формой.
• При этом увеличение доли красного в общем световом потоке почти не влияет на массу урожая. То есть восполнение недостающих спектральных компонент влияет не на количество урожая, а на его качество.
• Более высокая эффективность в молях на ватт красного светодиода приводит к тому, что добавление красного к белому эффективно еще и энергетически.

Таким образом, добавление красного к белому целесообразно в частном случае китайской капусты и вполне возможно в общем случае. Конечно, при биохимическом контроле и правильном подборе удобрений для конкретной культуры.

Варианты обогащения спектра красным светом

Растение не знает, откуда к нему прилетел квант из спектра белого света, а откуда - «красный» квант. Нет необходимости делать специальный спектр в одном светодиоде. И нет необходимости светить красным и белым светом из одного какого-то специального фитосветильника. Достаточно использовать белый свет общего назначения и отдельным светильником красного света освещать растение дополнительно. А когда рядом с растением находится человек, красный светильник можно по датчику движения выключать, чтобы растение выглядело зеленым и симпатичным.

Но оправданно и обратное решение - подобрав состав люминофора, расширить спектр свечения белого светодиода в сторону длинных волн, сбалансировав его так, чтобы свет остался белым. И получится белый свет экстравысокой цветопередачи, пригодный как для растений, так и для человека.

Открытые вопросы

Можно выявлять роль соотношения дальнего и ближнего красного света и целесообразность использования «синдрома избегания тени» для разных культур. Можно спорить, на какие участки при анализе целесообразно разбивать шкалу длин волн.

Можно обсуждать - нужны ли растению для стимуляции или регуляторной функции длины волн короче 400 нм или длиннее 700 нм. Например, есть частное сообщение, что ультрафиолет значимо влияет на потребительские качества растений. В числе прочего краснолистные сорта салата выращивают без ультрафиолета, и они растут зелеными, но перед продажей облучают ультрафиолетом, они краснеют и отправляются на прилавок. И корректно ли новая метрика PBAR (plant biologically active radiation ), описанная в стандарте ANSI/ASABE S640 , Quantities and Units of Electromagnetic Radiation for Plants (Photosynthetic Organisms , предписывает учитывать диапазон 280–800нм.

Заключение

Сетевые магазины выбирают более лежкие сорта, а затем покупатель голосует рублем за более яркие плоды. И почти никто не выбирает вкус и аромат. Но как только мы станем богаче и начнем требовать большего, наука мгновенно даст нужные сорта и рецепты питательного раствора.

А чтобы растение синтезировало все, что для вкуса и аромата нужно, потребуется освещение со спектром, содержащим все длины волн, на которые растение прореагирует, т. е. в общем случае сплошной спектр. Возможно, базовым решением будет белый свет высокой цветопередачи.

Благодарности
Автор выражает искреннюю благодарность за помощь в подготовке статьи сотруднику ГНЦ РФ-ИМБП РАН к. б. н. Ирине Коноваловой; руководителю проекта «Фитэкс» Татьяне Тришиной; специалисту компании CREE Михаилу Червинскому

Литература

Литература
1. Son K-H, Oh M-M. Leaf shape, growth, and antioxidant phenolic compounds of two lettuce cultivars grown under various combinations of blue and red light-emitting diodes // Hortscience. – 2013. – Vol. 48. – P. 988-95.
2. Ptushenko V.V., Avercheva O.V., Bassarskaya E.M., Berkovich Yu A., Erokhin A.N., Smolyanina S.O., Zhigalova T.V., 2015. Possible reasons of a decline in growth of Chinese cabbage under acombined narrowband red and blue light in comparison withillumination by high-pressure sodium lamp. Scientia Horticulturae https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.08.021
3. Sharakshane A., 2017, Whole high-quality light environment for humans and plants. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2017.07.001
4. C. Dong, Y. Fu, G. Liu & H. Liu, 2014, Growth, Photosynthetic Characteristics, Antioxidant Capacity and Biomass Yield and Quality of Wheat (Triticum aestivum L.) Exposed to LED Light Sources with Different Spectra Combinations
5. Lin K.H., Huang M.Y., Huang W.D. et al. The effects of red, blue, and white light-emitting diodes on the growth, development, and edible quality of hydroponically grown lettuce (Lactuca sativa L. var. capitata) // Scientia Horticulturae. – 2013. – V. 150. – P. 86–91.
6. Lu, N., Maruo T., Johkan M., et al. Effects of supplemental lighting with light-emitting diodes (LEDs) on tomato yield and quality of single-truss tomato plants grown at high planting density // Environ. Control. Biol. – 2012. Vol. 50. – P. 63–74.
7. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., О.С. Яковлева, А.И. Знаменский, И.Г. Тараканов, С.Г. Радченко, С.Н. Лапач. Обоснование оптимальных режимов освещения растений для космической оранжереи «Витацикл-Т». Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50. № 4.
8. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., Яковлева О.С., Знаменский А.И., Тараканов И.Г., Радченко С.Г., Лапач С.Н., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. Оптимизация светодиодной системы освещения витаминной космической оранжереи. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50. № 3.
9. Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Смолянина С.О., Помелова М.А., Ерохин А.Н., Яковлева О.С., Тараканов И.Г. Влияние параметров светового режима на накопление нитратов в надземной биомассе капусты китайской (Brassica chinensis L.) при выращивании со светодиодными облучателями. Агрохимия. 2015. № 11.

Теги:

Добавить метки