СВІТЛОДІОДНІ ОПРОМІНЮВАЛЬНІ УСТАНОВКИ ФОТОБІОЛОГІЧНОЇ ДІЇ

Сорокін В.М., д.т.н., проф.,чл.-кор. НАНУ
ІФН ім. В.Є. Лашкарьова НАНУ, Київ
Кожушко Г.М., д.т.н., проф.
Сахно Т.В., д.х.н., проф.
ПУЕТ, м. Полтава


СВІТЛОДІОДНІ ОПРОМІНЮВАЛЬНІ УСТАНОВКИ ФОТОБІОЛОГІЧНОЇ ДІЇ

Для вирощування сільськогосподарських культур в закритому ґрунті ефективність системи освітлення є ключовим фактором для підтримання рентабельності. Електроенергія (ЕЕ), що витрачається на освітлення в тепличних господарствах досягає 50% собівартості вирощуваної продукції [ ]. Створення ефективних фітоустановок різного призначення неможливе без визначення оптимальних умов опромінення для вирощування конкретних видів рослин та застосування сучасних енергоекономічних джерел світла. Останні досягнення в галузі світлодіодної техніки відкрили нові можливості для оптимізації опромінювальних установок і технології світлокультури рослин [ ].
Метою даної роботи є аналіз потенційних переваг світлодіодних опромінювальних установок для вирощування сільськогосподарських культур в теплицях та визначення шляхів підвищення їх техніко-економічних параметрів.
Оптимізація режимів опромінення рослин базується на сучасних знаннях про вплив світла на ріст та розвиток конкретних видів рослин. Як показано в [ ] основний вплив світлового середовища на ріст і продуктивність культур обумовлений трьома його показниками: кількістю фотонів світла, що падають на рослину за час вегетації (або густиною потоку фотонів (ГПФ) при фіксованому часі опромінення), спектральним складом випромінення та розподілом густини потоку фотонів в часі.
При штучному освітленні різні культури вирощують з рівнем ГПФ 100-800 мкмоль/м2 с [ ]. Для додаткового освітлення (в залежності від культур і умов вирощування) ГПФ може складати 20-200 мкмоль/м2 с. Необхідний потік фотонів при низьких витратах ЕЕ доцільно створювати за рахунок використання найбільш ефективних джерел випромінювання, якими сьогодні є світлодіоди. Наприклад, фотосинтетична фотонна віддача світлоопромінювальних світлодіодних установок (фотонний потік випромінення віднесений до електричної потужності установки) з використання світлодіодів фірми Cree (тип XR-C потужість 1 Вт Ткол = 5000К) становить 2,24 мкмоль/Вт с [4], а по даним [ ] цей параметр досягає уже 2.7 мкмоль/Вт с. Фотосинтетична фотонна віддача опромінювальних установок з натрієвими лампами високого тиску, які є найбільш ефективними серед розрядних ламп, становить тільки 1,85 мкмоль/Вт с, тобто на 20-45 % нижче ніж у світлодіодних.
Наступний параметр світлового середовища – спектральний склад випромінювання – впливає на безліч фізіологічних процесів в рослинах. Світлодіоди надали нові можливості для створення випромінювальних установок з вузькополосними спектрами для забезпечення конкретних фізіологічних потреб рослин. Червоне світло (600-700нм) важливе для розвитку фотосинтетичного апарату рослин і асиміляції крохмалю [ ], саме в цьому інтервалі спектру знаходяться піки поглинання хлорофілів А і Б та фітохромів. Синє світло (420-450 нм) впливає на синтез хлорофілу, розвиток хлоропластів, фотоморфогенез, фототропізм та ін. [ ]. В [ ] показано, що використання вузькополосного червоно-синього спектру при вирощуванні різних культур забезпечує високу ефективність але стабільність високих урожаїв в таких умовах може бути не завжди. Червоне та синє світло поглинається хлоропластами в поверхневих шарах листя. При високих рівнях ГПФ відбувається насичення хлоропластів і світло в даних областях спектра починає розсіюватись в вигляді тепла, в той час як зелене світло проникає в більш глибокі шари листків і ініціює фотосинтез в хлоропластах, що там знаходиться [ ]. Крім того, зелене світло здатне глибше, ніж червоне і синє проходити до нижніх ярусів листя і збільшувати в них інтенсивність фотосинтезу [ ]. Воно може також впливати на морфологію та фізіологію рослин, в тому числі на формування листя та видовження стебла на ранніх стадіях росту. В [10] також відзначено, що випромінення спектральними діапазонами 700-750 нм та 320-400 нм (УФ-А), (280-320 нм-УФ-Б) також діє на фоторецептори і може при певних дозах позитивно впливати на розвиток рослин. Для більш повного забезпечення фізіологічних потреб рослин бажано мати спектр наближений до природного сонячного з орієнтовно такими пропорціями:
320-400нм – регуляторна роль (необхідно кілька процентів в сумарному потоці фотонів);
400-500 нм – фотосинтез і регуляції (20-30% в сумарному потоці фотонів);
500-600 нм – фотосинтез оптично щільного листя, фотосинтез нижніх ярусів густих посівів (5-25% в сумарному потоці фотонів);
600-700 нм – фотосинтез, розвиток і регуляція процесів. Вирощування рослин з використанням цього спектрального діапазону найбільш вигідне (50-70% в сумарному потоці фотонів);
700-760 нм – регуляторна дія (кілька процентів в сумарному потоці);
1200-1600 нм - прискорює теплові біологічні реакції, частка ІЧ випромінювання має бути в межах 20-60 % від потоку фотосинтетично активної радіація (ФАР). При умові, що ІЧ випромінення перевищує значення ФАР більше як на 60% урожайність знижується, а при часті ІЧ випромінення менше ніж 20% - збільшується період вегетації.
Останнім часом при виборі спектрального складу випромінення світлодіодних установок для теплиць ряд фахівців схиляється не до вузькополосних світлодіодів (червоних, синіх зелених) а світлодіодів білого світла [ ].
Біле світло вміщує весь діапазон області ФАР, але його потрібно доповнювати УФ та ІЧ випромінюванням. Для наближення спектру до природного сонячного необхідно додатково застосовувати джерела УФ та ІЧ випромінювання. Спектральний склад установок доцільно формувати з урахуванням фізичних значень випромінень усіх спектральних діапазонів.
Третій параметр світлового середовища – розподіл густини потоків в часі (добовий ритм освітленості і співвідношення між темним і світловим періодом) є також важливим, так як впливає на ріст і розвиток рослин.
Для більшості сільськогосподарських культур світловий період, який забезпечує їх максимальну продуктивність відомий і має обмежений потенціал для економії ЕЕ. Одним із перспективних шляхів зниження споживання ЕЕ в світлокультурі рослин за рахунок оптимізації розподілу густини потоку в часі є імпульсне опромінювання. Актуальність цієї проблеми зросла з розвитком світлодіодних джерел світла, так як вони мають дуже малу інерційність і можна створювати короткі імпульси які дозволяють розділити світлові реакції фотосинтезу від темнових. Для забезпечення середніх за часом ГПФ в кілька сот мкмоль/м2 с потрібно застосовувати надяскраві світлодіоди, які зможуть генерувати густину потоку фотонів в імпульсі не менше кількох тисяч мкмоль/м2 с.
Крім високої енергоефективності, можливостей варіацій спектрального складу випромінювання в широких межах, можливостей опромінювання рослин в імпульсному режимі слід відзначити ще ряд переваг світлодіодних випромінювальних установок. Світлодіоди завдяки порівняно низькій температурі поверхні і відсутності в спектрі ІЧ-випромінення не підвищують температуру повітря і не обпалюють листя росли при наближенні до них. Це дає змогу опромінювати рослини з близької відстані, здійснювати міжрядкове доопромінення нижніх ярусів листя, таким чином інтенсифікувати фотосинтез в нижніх ярусах і підвищувати продуктивність культур при значно менших енерговитратах на освітлення. Світлодідні джерела світла мають суттєво вищу в порівнянні з розрядними лампами стабільність потоку фотонів в процесі строку служби і більший строк служби, що дозволяє не робити кожні 2-3 роки групову заміну ламп. Головним недоліком світлодіодних випромінювальних установок на сьогодні є їх висока вартість, що робить тривалим термін їх окупності до 6-7 років [5]. Але бурхливий розвиток світлодіодної техніки, який приведе і до зниження цін на світлодіоди а також і зростання вартості електроенергії в найближчий період зробить опромінювальні установки рентабельними. Враховуючи те, що в найближчі роки ефективність світлодіодів буде зростати (за прогнозами виробників не менше ніж на 30%) і те що рівень фотонної опроміненості з використанням світлодіодних установок можна збільшити шляхом їх наближення до опромінювальних культур можна очікувати що потужність опромінювальних установок в порівнянні з натрієвими лампами високого тиску вдасться знизити в 1,5-2 рази.